透明導電薄膜 (TCO) 之原理及其應用發展

透明導電薄膜透明導電薄膜 (TCO)(TCO)

之原理及其應用發之原理及其應用發展展

HW 　　 20080417

1 ITO 及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物 (Transparent Conductive Oxide TCO)

2 TCO 的導電原理

3 TCO 的光學性質

4 TCO 薄膜之市場應用及發展

OutlineOutline

1 ITO1 ITO 及各種透明導電氧化物材料的介紹及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物透明導電氧化物 (Transparent Conductive Oxide TCO)(Transparent Conductive Oxide TCO)



4 TCO 薄膜之市場應用及未來發展

什麼是透明導電薄膜什麼是透明導電薄膜

在可見光波長範圍內具有可接受之透光度1048610以 flat panel display 而言透光度愈高愈好1048610以 solar cell 而言太陽光全波長範圍之透光度及熱穩定性

具有導電特性1048610電阻比 (resistivity) 愈小愈好通常 ρ lt10-4 Ω cm1048714

一般而言導電性提高透光度便下降反之亦然可見光範圍具有 80 以上的透光率其比電阻低於 1times10-4 Ω cm 即是良好透明導電膜

純金屬薄膜1048714 Au Ag Pt Cu Al Cr Pd Rh 在 lt 10nm 厚度的薄膜均有某種程度的可見光透光度早期使用之透明電極缺點光的吸收度大硬度低穩定性差

透明導電薄膜透明導電薄膜

透明導電薄膜

金屬化合物薄膜 (TCO) 泛指具有透明導電性之氧化物氮化物氟化物

a 氧 ( 氮 ) 化物 In2O3 SnO2 ZnO CdO TiN

b 摻雜氧化物 In2O3Sn (ITO) ZnOIn (IZO) ZnOGa (GZO) ZnOAl (AZO) SnO2F TiO2Ta

c 混合氧化物 In2O3-ZnO CdIn2O4 Cd2SnO4 Zn2SnO4

History of TCOHistory of TCO

10487141907 年最早使用 CdO 材料為透明導電鍍膜應用在 photovoltaic cells

1940 年代以 Spray Pyrolysis 及 CVD 方式沉積 SnOx 於玻璃基板上 1048714 1970 年代以 Evaporation 及 Sputtering 方式沉積 InOx 及 ITO

10487141980 年代磁控濺鍍﹙ magnetron sputtering﹚開發使低溫沉膜製程不　　　　　論在玻璃及塑膠基板均能達到低面阻值高透性 ITO 薄膜

10487141990 年代具有導電性之 TCO 陶瓷靶材開發使用 DC 磁控濺鍍 ITO 使　　　　　沉積製程之控制更趨容易各式 TCO 材料開始廣泛被應用

10487142000 年代主要的透明導電性應用以 ITO 材料為主磁控濺鍍 ITO 成為市　　　　　場上製程的主流

透明導電薄膜主角透明導電薄膜主角 -- ITO-- ITO　中文名稱銦錫氧化物

　英文全名 Indium Tin Oxide （ ITO ）

　成分摻雜錫之銦氧化物 (Tin-doped Indium Oxide)

　年代 1934 年被美國銦礦公司最早合成出來

　世界最大 ITO 薄膜製造國日本

　選用率在 TCO 材料中 75 應用在平面顯示器

　主要應用平面顯示器透明加熱元件抗靜電膜電　　　　　　磁防護膜太陽能電池之透明電極防反　　　　　　光塗佈及熱反射鏡 (heat reflecting mirror)等　　　　　　電子光學及光電裝置上

ITOITO 是什麼是什麼

ITO ＝ Indium Tin Oxide(In2O3 ＋ SnO2)1048714ITO 的成分＝ 90wt In2O3 與 10wt SnO2 混合物

Why choose ITO Why choose ITO 在 TCO 材料中有最佳的導電性 ( 電阻比低 )

在可見光波段有良好的透光度

良好的耐候性受環境影響小

大面積鍍膜製程容易 ( 成熟 )

蝕刻製程容易 ( 成熟 )

成本低

ITOITO 之組成及特性之組成及特性ITO 組成在 In2O3SnO2 = 9010 時1048714最低的電阻比及最高的光穿透率

ITO 組成在 In2O3SnO2 = 9010 時1048714最快的蝕刻速率

ITO 成膜時基板溫度 200ordmC ITO 成膜時基板溫度 RT

ITOITO 之組成及特性之組成及特性

銦銦 (In)(In) 礦的主要應用礦的主要應用

資料來源工研院經資中心

各種各種 TCOTCO 材料材料 ---- ZnOZnO 系透明導電系透明導電膜膜主要成員 ZnO (3~5 times10-4 Ω-cm)　　　　　 ZnOIn (IZO) (2~4 times10-4 Ω-cm ) 　　　　　 ZnOGa(GZO) (12times10-4 Ω-cm) 　　　　　 ZnOAl (AZO) (13times10-4 Ω-cm) 　　　　　 ZnOTi

特點 1 ZnO 礦產產能大　　　 2 價格比 ITO 便宜 (gt 200 cost saving) 　　　 3 部分 AZO 靶材可在 100 Ar 環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 系材料中來提高其耐化性


2 TCO2 TCO 的導電原理的導電原理3 TCO 的光學性質


TCOTCO 薄膜的導電原薄膜的導電原理理　 (n-type TCO)-- ITO

In2O3 為氧化物半導體加入 SnO2 作為雜質參雜可以產生一個導電電子

In2O3 晶格中之氧缺陷 (Oxygen vacancy) 一個氧空缺可以產生兩個導電電子

Band gap (Eg) gt 35eV

Crystallized at T gt 150 ordmC

材料之導電率 σ

σ = neμ其中 n = 載子濃度 ( 就 TCO 材料包括電子及電洞 ) e 載子的電量 μ 載子的 mobility

TCO 中導電性最好的 ITO 載子濃度約 1018~1019 cm-3

﹙金屬載子濃度約 1022 ~10~23 cm-3﹚

TCOTCO 薄膜的導電原理薄膜的導電原理

載子由摻雜物的混入及離子的缺陷生成

TCOTCO 薄膜的導電原理薄膜的導電原理載子的 mobility (μ)

μ = eτεom

τ relaxation time ( 載子移動時由此次散射到下一次散射的時間 )m 載子的有效質量εo 真空中之介電常數1048714

要提昇載子的 mobility τuarr 與 TCO 薄膜的結構有關 TCO 薄膜的 defect 愈少 τ uarr (extrinsic effect) mdarr 取決於 TCO 材料 (intrinsic effect)

TCOTCO 薄膜的導電原理薄膜的導電原理電阻比 ( 又稱體阻抗 ρ) 反比於導電率 (conductivity σ)ρ = 1 σ ohm-cm平面顯示器中探討的薄膜的導電性有別於半導體的導電性通常面電阻 (surface resistance γ) or (sheet resistance Rs) 被定義為薄膜表面之電阻

面電阻Rs = ρ times (LDmiddotW) ohms

設定 γ = ρD ( 單位 ohms )則 Rs = γ times (LW)假設在一個 L = W 之平方面積中 Rs = γ

TCOTCO 薄膜的導電薄膜的導電比較 ITO 及銀薄膜的面電阻及穿透度

ITO Ag

ρ 2x10-4 ohm-cm 18x10-6 ohm-cm

γ=ρD 10 ohm 10 ohm

D= ργ 2x10-5 cm (2000Aring) 18x10-7 cm (18Aring)

魚與熊掌不可兼得魚與熊掌不可兼得γ = ρD

ITO 薄膜的導電性要好 ( 面電阻低 ) 膜厚要增大因此薄膜的穿透度會降低



3 TCO3 TCO 的光學性質的光學性質4 TCO 薄膜之市場應用及未來發展

TCOTCO 的光學性質的光學性質TCO 在短波長的透光範圍由能隙 (energy gap) 決定　　在長波長的透光範圍由電漿頻率 (ωp plasma frequence) 決定

紫外線區

由電漿頻率決定的波長(此一波長隨載子濃度而移動 )

入射光將價帶的電子激發到導帶

為降低 In2O3 SnO2 ZnO 等透明導體的電阻率　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影響透明性電漿頻率 ω = (4πne2m)12

載子濃度 n 增加 ω 變大光吸收範圍向可見光擴展

其中 n 載子濃度　　　 e 載子的電量　　 m 傳導有效質量

TCOTCO 的光學性質的光學性質

以 ZnO 為例ω = (4πne2m)12

= 4πx43x1019x(16x10-19)2

024x091x10-30

=

ω=2πλ =gt λ=789nm

12

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AZO (antimony doped tindioxide)

Sb2O5 析出造成光的散射

摻雜物摻雜物 (( 載子載子 )) 密度對透光度的影響密度對透光度的影響

Sb 摻雜在 SnO2 中

電阻率最小398 times10-3Ω-cm

Sb

電阻比 = 面阻值 x 膜厚　　 (ρ = γ 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計必須避免建設性的干涉　所以 nd=(2m+1)λ4 m=1234hellip

ITOITO 的光學性質的光學性質

D

穿透度低的話 (膜的厚薄 )反射率相對提高就易造成干涉

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電性﹚3 膜厚均勻性4 良好的附著力5 蝕刻製程容易6 耐候性佳受環境影響小7 無 Pin hole

8 無 Hill lock

TCOTCO 薄膜之品質需求薄膜之品質需求




4 TCO 4 TCO 薄膜之市場應用及未來發展薄膜之市場應用及未來發展

TCO TCO 薄膜之市場應用ndash薄膜之市場應用ndash ITO ITO 之應用之應用

Display ApplicationDisplay Application PM LCD

Display ApplicationDisplay Application AM LCD

偏光板

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彩色濾光片玻璃基板

透明電極液晶

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Display ApplicationDisplay Application OLED

Display ApplicationDisplay Application PDP

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Electrochromic Window( 電致變色玻璃 )

常用 TCO 之應用

ITO 及 TCO 薄膜未來需求之課題

高透光率 ITO 玻璃

極低面電阻 amp 高穿透率之研究

超平坦透明導電膜

在塑膠基板成膜 ( 室溫成膜 )

靶材回收

參考文獻工業材料雜誌 256 期廖鎔榆工研院材化所材料最前線材料世界網吳金寶工研院材化所工業材料雜誌第 255 期劉秀琴張志祥工研院材化所 httpwwwitrcorgtwResearchProductVacuumtransparentphp儀科中心簡訊 85 期真空技術組　潘漢昌氧化鋅 -鋁多層膜之結構與光電特性研究林正偉http1632321833c49-1149554558以濺射共沉積法成長 Cu2O Al 之 P 型透明導電膜研究邱俞翔施佑杰戴淵竣包正綱

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4 TCO 薄膜之市場應用及發展

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透明導電薄膜

























成本低




















﹙金屬載子濃度約 1022 ~10~23 cm-3﹚




μ = eτεom







ITO Ag










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= 4πx43x1019x(16x10-19)2

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﹙金屬載子濃度約 1022 ~10~23 cm-3﹚




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透明導電薄膜 (TCO) 之原理及其應用發展

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