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光電陶瓷 - 透明導電膜

光電陶瓷 - 透明導電膜. 指導教授：劉依政 教授 學生：籃耿晃 學號： G950K020. 透明導電膜介紹 (1/4). 隨著光電產業的快速發展，各種材料不斷被開發，而透明導電膜是近年來產業應用最多的新材料，它可以應用在液晶顯示器 (liquid crystal display ， LCD) 、電漿顯示器 (plasma display panel ， PDP) 、 LED 、 OLED 、光偵測器、太陽能電池等。. 透明導電膜介紹 (2/4).

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光電陶瓷 - 透明導電膜

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Presentation Transcript

  1. 光電陶瓷-透明導電膜 指導教授：劉依政 教授 學生：籃耿晃 學號：G950K020

  2. 透明導電膜介紹(1/4) 隨著光電產業的快速發展，各種材料不斷被開發，而透明導電膜是近年來產業應用最多的新材料，它可以應用在液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)、電漿顯示器(plasma display panel，PDP)、LED、OLED、光偵測器、太陽能電池等。

  3. 透明導電膜介紹(2/4) 而所謂透明導電膜是在可見光範圍內(約400nm~800nm 的波段)具有80%以上穿透率，且導電率具有低於10-3Ω-cm 的薄膜。

  4. 透明導電膜介紹(3/4) 透明導電膜的材料大致可分為薄金屬材料 與金屬氧化物之材料。其中薄金屬材Au、Ag、Al、Pt 及Cu 等，在其厚度約低10nm 時，具有某種程度的透光率，但當厚度薄的金屬會形成島狀不連續膜所以電阻率會增高，且其導電率會受表面效應與雜質影響而降低。

  5. 透明導電膜介紹(4/4) 因此有人使用金屬氧化膜來代替薄金屬，例如：SnO2、InO2、ITO、ZnO，其中又 以銦錫氧化膜(ITO)的應用最為廣泛。但ITO在高溫應用下表現不穩定，因此在光特性和電特性與之可相抗衡的氧化鋅薄膜逐漸受到重視。而氧化鋅薄膜在成本低、資源豐富、不具毒性的特點下，因此近二十年來，已經有許多前人投入氧化鋅薄膜相關研究。

  6. ZnO 晶體結構及特性(1/6) 氧化鋅(zinc oxide，ZnO)，為II-VI 族寬能 隙的半導體材料，其結構為閃鋅礦結構(Wurzite hexagonal structure)，屬於六方最密堆積，其能隙寬度(optical band gap)約為3.3eV，在可見光範圍具有高穿透率。

  7. ZnO 之晶格結構

  8. ZnO 晶體結構及特性(2/6) 在無摻雜之氧化鋅材料中，ZnO 薄膜表現 出n 形半導體的特性，這是由於其化學組 成偏差(ZnOx)所造成，其中的自由載子是 來自於氧的缺位以及Zn 原子的空隙所造成的淺層施體能階。然而ZnO 薄膜的電學特性受到鍍膜方法、熱處理條件及氧原子的吸附（氧缺位）影響很大。

  9. ZnO 晶體結構及特性(3/6) 氧化鋅的導電機制也是與ITO 相同，主要 是因為缺氧狀態，而產生氧缺位（oxygen vacancies）。這些氧缺位造成了類氫之施 體能階（hydrogen-like donor level），而對於未摻雜的氧化鋅也有相似的受體能階。

  10. ZnO 晶體結構及特性(4/6) 氧化鋅材料當然也具半導(semiconducting) 特性、光電導(photoconductive)特性、壓電特性、聲光效應以及電光效應等，因此，廣泛的應用在光檢測器、表面聲波元件、氣體偵測計以及調變器、紫外光LED 以及雷射等元件中。

  11. ZnO 晶體結構及特性(5/6) 為了提升氧化鋅薄膜的導電率，通常為摻 入異價之元素，如：鋁、鎵、銦等，其導 電性會大大提升。相較於未摻雜之氧化鋅 薄膜，摻雜入異價的元素可以提高ZnO 薄膜之載子濃度。

  12. ZnO 晶體結構及特性(6/6) 製造氧化鋅薄膜的方法很多，在薄膜的製 程方面有相當多的方法可以成長ZnO 膜，如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、 分子束磊晶法(MBE)、脈衝雷射沉積法(PLD)、熱分解法(Spray pyrolysis)以及濺 鍍法(Sputtering)等等；隨著製程條件的不同，ZnO 薄膜也呈現出不同的材料特性。

  13. 濺射(RF sputtering)原理(1/2) 氣體在特殊環境的條件下，會由氣體分子 分解為原子，再解離為帶電離子或者電子團，且維持電中性的狀態，而這些離子化的氣體就稱為電漿(Plasma)。射頻電漿的產生，當交流電壓加於電極時，在較高的頻 率下電極將隨時處於非飽和狀態，使得電 極間主要粒子的撞擊反應得以進行，電漿 因此而產生並得以維持。

  14. 射頻電漿示意圖

  15. 濺射(RF sputtering)原理(2/2) 施加一高頻交流電壓，電極間的電子在高頻切換下振盪來獲得進行各種電子撞擊所產生的能量。當這些電子被加速時，與氣體分子或者原子碰撞而產生激發或離子化，而離子化的過程產生更多的離子和電子，而產生的電子再經過電場加速，便有足夠能量產生更多離子化的過程，如此稱為雪崩反應，在低壓的環境下產生大量的離子和電子，而形成電漿態。

  16. 濺鍍製程(1/3) 利用濺鍍系統製作IZO 薄膜，此系統由電 源供應器產生射頻信號(13.56MHz)傳送至 靶材與基板所在的真空系統中，藉由解離 真空系統中的氣體，而使解離的陽離子轟 擊靶材(target)，靶材的原子於是被濺鍍而出，附著在基板上完成鍍膜的動作。

  17. 濺鍍系統示意圖

  18. 濺鍍製程(2/3) 在上述製程中牽涉到的變數相當廣，包 括通入的氣體種類、氣體流量、混合的 氣體比例、系統壓力、濺鍍功率⋯ 等。 所以在鍍膜時需對這些參數同時監控， 以維持在穩定的條件。

  19. 濺鍍製程(3/3) ZnO在未摻雜時所濺鍍出的薄膜為一高阻值的薄膜。而當濺鍍功率越高，沉積的速率越快且電阻值也跟著改變，這是因為隨著鍍膜功率的改變，系統中的溫度亦不同，故影響了薄膜的結晶成分，而薄膜的結晶成分正是影響導電特性的主要因素之一。但ZnO在未摻雜時所濺鍍出的薄膜為 高穿透率薄膜。

  20. 不同濺鍍瓦數之ZnO 薄膜速率圖

  21. 不同濺鍍瓦數之ZnO 薄膜電阻

  22. 不同濺鍍瓦數之穿透率圖

  23. 濺鍍及蒸鍍製程(1/4) 為了提升氧化鋅薄膜的電阻率，通常為摻 入異價之元素，如：鋁、鎵、銦等，其導 電性會大大提升。其中多數的期刊以摻雜 鋁為最多，摻雜比例又以2wt%最多，且在鋁摻雜之一定濃度時會有柏斯坦-摩斯(Burstein-Moss)效應，所以我們將用擴散 的方式將鋁擴散入ZnO薄膜中，以期會降低薄膜之電阻率，且穿透率會往短波長橫移。

  24. 柏斯坦-摩斯(Burstein-Moss)效應示意圖

  25. 濺鍍及蒸鍍製程(2/4) 在鍍膜完成後，由於ZnO材料是位於最上面一層，在未熱處理前一樣為高阻值薄膜，但可比 較其穿透率，由於因為蒸鍍了鋁金屬，所以穿 透率下降許多，也因為交錯多層的因素，因而 干涉現象也亦明顯。

  26. 蒸鍍Al 之ZnO 試片穿透率比較圖

  27. 濺鍍及蒸鍍製程(3/4) ZnO薄膜在加入鋁原子後，會有Burstein-Moss(BM)效應，使的整體的穿透率往短波長有橫移的現象。一樣的摻雜的鋁原子也必須有一定的比例，且在多層交錯濺鍍及蒸鍍的薄膜經熱處理後可擴散較完全而所需熱處理的溫度也較低。

  28. 濺鍍及蒸鍍製程(4/4) • 霍爾量測 在鍍膜完成後，由於ZnO材料是位於最上 面一層，在未熱處理前一樣為高阻值薄膜 ，霍爾儀器量測不到，所以要經由熱處理 後所量測。結果ZnO薄膜在重摻雜的鋁原 子後可以有效提升ZnO薄膜之載子濃度。

  29. 霍爾量測原理示意圖

  30. 結論(1/3) 在發光元件、光電檢測元件及顯示裝置中，透明導電氧化物材料是一項相當重要的關鍵材料，目前業界普遍採用ITO 或薄金屬來同時兼顧穿透率及導電性，但ITO 的在高溫工作下不穩定，而薄金屬的穿透率較差且製程需較精確，控制不易，另外還遭遇到結晶及均勻度的問題。所以如何藉由製程的改善來克服上述的情況是其中一個方向，另一個改善的方向就是從材料著手。

  31. 結論(2/3) 以ZnO 取代傳統ITO 的可能性，從一系列 的研究從材料的製備及氫氣熱處理，包括 電特性、光特性、結晶特性及表面特性量測，又為了提升ZnO在紫外光波段的穿透 率和電阻率，我們使用擴散的方式將Al金 屬蒸度在ZnO上並做熱處理，我們也得到 了最佳薄膜品質的條件。又以Al金屬對ZnO薄膜而言是屬於重摻雜之雜質，而穿透率在紫外光波段有明顯的提升也符合柏斯坦-摩斯(Burstein-Moss)效應。

  32. 結論(3/3) 種種的特性顯示ZnO有取代ITO 的條件， 在半導體光電元件方面，相信若將更透徹 的研究且尋找其發展，將能使相關應用達 到更完善的境界。

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