1、透明導電薄膜 (TCO)之原理及其應用發展,HW 2008/04/17,1. 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,Outline,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 薄膜之市場應用及未來發展,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 以flat panel dis
2、play 而言透光度愈高愈好 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 電阻比(resistivity) 愈小愈好，通常 10-4 cm 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110-4 cm，即是良好透明導電膜。,純金屬薄膜 Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在 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,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：In2O
3、3、SnO2、ZnO、CdO、TiNb. 摻雜氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (GZO)ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、TiO2:Tac. 混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4,History of TCO,1907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. 1970年代，以Evaporation 及Sputtering 方式沉積InOx及ITO.1980年代，磁控濺鍍magn
4、etron 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.1990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.2000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- 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
5、%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。,ITO是麼？,ITOIndium Tin Oxide(In2O3SnO2) ITO的成分90wt% In2O3與10wt% SnO2混合物,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?,ITO之組成及特性,ITO 組成在In2O3/SnO2 = 90/10時 最低的電
6、阻比及最高的光穿透率,ITO 組成在In2O3/SnO2 = 90/10時 最快的蝕刻速率,ITO成膜時基板溫度：200C ITO成膜時基板溫度：RT,ITO之組成及特性,銦(In)礦的主要應用,資料來源：工研院經資中心,各種TCO材料-ZnO系透明導電膜,主要成員：ZnO (35 10-4 -cm)ZnO:In (IZO) (24 10-4 -cm )、ZnO:Ga(GZO) (1.210-4 -cm)、ZnO:Al (AZO) (1.310-4 -cm)、ZnO:Ti,特點：1. ZnO礦產產能大。2. 價格比ITO 便宜( 200% cost saving) 。3. 部分AZO靶材可在1
7、00% 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。,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 薄膜之市場應用及未來發展,TCO薄膜的導電原理(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) 3.5eVCrysta
8、llized at T 150 C,材料之導電率 = 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mobility,TCO中導電性最好的ITO，載子濃度約10181019 cm-3 金屬載子濃度約1022 1023 cm-3,TCO薄膜的導電原理,載子由摻雜物的混入及離子的缺陷生成,TCO薄膜的導電原理,載子的mobility () = e/om*：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 o：真空中之介電常數 要提昇載子的mobility ：與TCO 薄膜的結構有關。TCO 薄膜的defect愈少， 。(
9、extrinsic effect) m*：取決於TCO 材料。(intrinsic effect),TCO薄膜的導電原理,電阻比(又稱體阻抗, ) 反比於導電率(conductivity, ) = 1/ 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, ) or (sheet resistance, Rs)被定義為薄膜表面之電阻,面電阻 Rs = (L/DW) ohms設定 = /D (單位：ohms/ ) 則Rs = (L/W) 假設在一個L = W 之平方面積中，Rs = ,TCO薄膜的導電,比較ITO及銀薄膜的面電阻
10、及穿透度,魚與熊掌不可兼得, = /DITO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,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 薄膜之市場應用及未來發展,TCO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(p，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、SnO
11、2、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 = (4ne2/m*)1/2,載子濃度n增加，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,TCO的光學性質,以ZnO為例， = (4ne2/m*)1/2= 4x4.3x1019x(1.6x10-19)20.24x0.91x10-30=2/ = =789nm,1/2,AZO (antimony doped tindioxide),Sb2O5析出， 造成光的散射,摻雜物(載子)密度對透光度的影響,Sb摻雜在SnO2中,電阻率最小 3.98 10-3-
12、cm,Sb,電阻比= 面阻值x 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，膜厚的設計必須避免建設性的干涉，所以nd=(2m+1)/4，m=1,2,3,4.。,ITO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 hole8. 無Hill lock,TCO薄膜之品質需求,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
13、 Oxide, TCO)2. TCO的導電原理3. TCO的光學性質4. TCO 薄膜之市場應用及未來發展,TCO 薄膜之市場應用ITO 之應用,Display ApplicationPM LCD,Display ApplicationAM LCD,偏光板,TFT,彩色濾光片,玻璃基板,透明電極,液晶,信號電極,掃描電極,TFT,玻璃基板,透明電極,偏光板,Display ApplicationOLED,Display ApplicationPDP,Touch Panel,Solar cell,Electrochromic Window (電致變色玻璃),常用TCO之應用,ITO及TCO 薄膜
14、未來需求之課題,高透光率ITO玻璃極低面電阻&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 http:/www.itrc.org.tw/Research/Product/Vacuum/transparent.php 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。 http:/163.23.218.33/c49-1149554558 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。,
