透明導(dǎo)電薄膜 (TCO)之原理及其應(yīng)用發(fā)展

1、HW 2008/04/171. ITO及各種透明導(dǎo)電氧化物材料的介紹透明導(dǎo)電氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)2. TCO的導(dǎo)電原理3. TCO的光學(xué)性質(zhì)4. TCO 薄膜之市場(chǎng)應(yīng)用及發(fā)展2. TCO的導(dǎo)電原理3. TCO的光學(xué)性質(zhì)4. TCO 薄膜之市場(chǎng)應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展在可見(jiàn)光波長(zhǎng)範(fàn)圍內(nèi)具有可接受之透光度在可見(jiàn)光波長(zhǎng)範(fàn)圍內(nèi)具有可接受之透光度以flat panel display 而言透光度愈高愈好以solar cell 而言太陽(yáng)光全波長(zhǎng)範(fàn)圍之透光度及熱穩(wěn)定性具有導(dǎo)電特性具有導(dǎo)電特性電阻比(resistivity) 愈小愈好，通常 10-4 ? cm 一

2、般而言，導(dǎo)電性提高，透光度便下降，反之亦然。可見(jiàn)光一般而言，導(dǎo)電性提高，透光度便下降，反之亦然。可見(jiàn)光範(fàn)圍具有範(fàn)圍具有80 % 以上的透光率，其比電阻低於以上的透光率，其比電阻低於1 10-4 ?cm，即，即是良好透明導(dǎo)電膜。是良好透明導(dǎo)電膜。純金屬薄膜純金屬薄膜 Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在 200% cost saving) 。3. 部分AZO靶材可在100% Ar環(huán)境下成膜，製程控制容易。4. 耐化性比ITO 差，通常以添加Cr、Co 於ZnO系材料中來(lái) 提高其耐化性。1. ITO及各種透明導(dǎo)電氧化物材料的介紹透明導(dǎo)電氧化物(Transparent Conducti

3、ve Oxide, TCO)3. TCO的光學(xué)性質(zhì)4. TCO 薄膜之市場(chǎng)應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展 (n-type TCO)- ITOIn2O3為氧化物半導(dǎo)體，加入為氧化物半導(dǎo)體，加入SnO2作為雜質(zhì)參雜，可以產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電電子作為雜質(zhì)參雜，可以產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電電子In2O3晶格中之氧缺陷晶格中之氧缺陷(Oxygen vacancy)一個(gè)氧空缺，可以產(chǎn)生兩個(gè)導(dǎo)電電子一個(gè)氧空缺，可以產(chǎn)生兩個(gè)導(dǎo)電電子Band gap (Eg) 3.5eVCrystallized at T 150 C材料之導(dǎo)電率材料之導(dǎo)電率 = ne其中n = 載子濃度 (就TCO材料包括電子及電洞) e：載子的電量 ：載子的mobilityTC

4、O中導(dǎo)電性最好的中導(dǎo)電性最好的ITO，載子濃度約，載子濃度約10181019 cm-3金屬載子濃度約金屬載子濃度約1022 1023 cm-3載子由摻雜物的混入摻雜物的混入及 離子的缺陷生成離子的缺陷生成載子的mobility () = e/om* ：relaxation time (載子移動(dòng)時(shí)由此次散射到下一次散射的時(shí)間)m*：載子的有效質(zhì)量o：真空中之介電常數(shù) 要提昇載子的要提昇載子的mobility ：與TCO 薄膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)。TCO 薄膜的defect愈少， 。(extrinsic effect) m*：取決於TCO 材料。(intrinsic effect)電阻比(又稱體阻抗, )

5、反比於導(dǎo)電率(conductivity, ) = 1/ ohm-cm平面顯示器中探討的薄膜的導(dǎo)電性有別於半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。通常，面電阻(surface resistance, ) or (sheet resistance, Rs) 被定義為薄膜表面之電阻面電阻面電阻Rs = (L/DW) ohms設(shè)定設(shè)定 = /D (單位：?jiǎn)挝唬簅hms/ )則則Rs = (L/W)假設(shè)在一個(gè)假設(shè)在一個(gè)L = W 之平方面積中，之平方面積中，Rs = 比較比較ITO及銀薄膜的面電阻及穿透度及銀薄膜的面電阻及穿透度ITOAg2x10-4 ohm-cm1.8x10-6 ohm-cm=/D10 ohm/10 ohm/

6、D= /2x10-5 cm (2000)1.8x10-7 cm (18) = /DITO薄膜的導(dǎo)電性要好薄膜的導(dǎo)電性要好(面電阻低面電阻低) ，膜厚要增大，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度會(huì)降低因此薄膜的穿透度會(huì)降低1. ITO及各種透明導(dǎo)電氧化物材料的介紹透明導(dǎo)電氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)2. TCO的導(dǎo)電原理4. TCO 薄膜之市場(chǎng)應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展TCO在短波長(zhǎng)的透光範(fàn)圍：由能隙在短波長(zhǎng)的透光範(fàn)圍：由能隙(energy gap)決定決定 在長(zhǎng)波長(zhǎng)的透光範(fàn)圍：由電漿頻率在長(zhǎng)波長(zhǎng)的透光範(fàn)圍：由電漿頻率(p，plasma frequence) 決定決定

7、紫外線區(qū)由電漿頻率決定的波長(zhǎng)由電漿頻率決定的波長(zhǎng)( (此一波長(zhǎng)隨載子濃度而移動(dòng)此一波長(zhǎng)隨載子濃度而移動(dòng)) )入射光將價(jià)帶的入射光將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶為降低In2O3、SnO2、ZnO等透明導(dǎo)體的電阻率，通常加入Sn、Al、Sb等摻雜物以提高載子密度。載子密度增加會(huì)影響透明性電漿頻率 = (4ne2/m*)1/2載子濃度載子濃度n增加，增加，變大，變大，光吸收範(fàn)圍向可見(jiàn)光擴(kuò)展光吸收範(fàn)圍向可見(jiàn)光擴(kuò)展其中，n：載子濃度e：載子的電量 m*：傳導(dǎo)有效質(zhì)量以ZnO為例， = (4ne2/m*)1/2 = 4x4.3x1019x(1.6x10-19)2 0.24x0.91x10-30 =

8、=2/ = =789nm1/27958529.409AZO (antimony doped tindioxide)Sb2O5析出，析出，造成光的散射造成光的散射Sb摻雜在SnO2中電阻率最小電阻率最小3.98 10-3-cmSb電阻比電阻比= 面阻值面阻值x 膜厚膜厚( = x D)低面阻值ITO玻璃鍍膜，電阻比越低越好考慮高穿透率，膜厚的設(shè)計(jì)必須避免建設(shè)性的干涉，所以nd=(2m+1)/4，m=1,2,3,4.。D穿透度低的話穿透度低的話( (膜的厚薄膜的厚薄) )，反射率相對(duì)提高，就易造成干涉。反射率相對(duì)提高，就易造成干涉。1. 高穿透度、吸收小2. 低電阻比以較低之薄膜厚度得到較佳之導(dǎo)電

9、性3. 膜厚均勻性4. 良好的附著力5. 蝕刻製程容易6. 耐候性佳，受環(huán)境影響小7. 無(wú)Pin hole8. 無(wú)Hill lock1. ITO及各種透明導(dǎo)電氧化物材料的介紹透明導(dǎo)電氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)2. TCO的導(dǎo)電原理3. TCO的光學(xué)性質(zhì) PM LCD AM LCD偏光板偏光板TFT彩色濾光片彩色濾光片玻璃基板玻璃基板透明電極透明電極液晶液晶信號(hào)電極信號(hào)電極掃描電極掃描電極TFT玻璃基板玻璃基板透明電極透明電極偏光板偏光板 OLED PDPTouch PanelSolar cellElectrochromic Window(電致變色玻璃)常用TCO之應(yīng)用ITO及TCO 薄膜未來(lái)需求之課題高透光率高透光率ITO玻璃玻璃極低面電阻極低面電阻&高穿透率之研究高穿透率之研究超平坦透明導(dǎo)電膜超平坦透明導(dǎo)電膜在塑膠基板成膜在塑膠基板成膜(室溫成膜室溫成膜)靶材回收靶材回收參考文獻(xiàn)工業(yè)材料雜誌256期 ，廖鎔榆 / 工研院材化所 材料最前線/材料世界網(wǎng) ，吳金寶/工研院材化所 工業(yè)材料雜誌第255期 ，劉秀琴、張志祥/工研院材化所 .tw/Research/