04-薄膜电子学的应用

薄膜电子学的应用金浩Oct.28,2011纲要•透明导电薄膜（TCO）•薄膜太阳能电池•SAW及FBAR器件纲要•透明导电薄膜（TCO）•薄膜太阳能电池•SAW及FBAR器件透明导电薄膜(TCO)之原理及其应用发展1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO薄膜之市场应用及发展Outline1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO薄膜之市场应用及未来发展什么是透明导电薄膜?在可见光波长范围内具有可接受之透光度􀀢以flatpaneldisplay而言透光度愈高愈好􀀢以solarcell而言太阳光全波长范围之透光度及热稳定性具有导电特性􀀢电阻率(resistivity)越小越好，通常ρ10-4Ωּcm􀀢一般而言，导电性提高，透光度便下降，反之亦然。可见光范围具有80%以上的透光率，其电阻率低于1×10-4Ωּcm，即是良好透明导电膜。纯金属薄膜􀀢Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在10nm厚度的薄膜，均有某种程度的可见光透光度早期使用之透明电极缺点：光的吸收度大、硬度低、稳定性差透明导电薄膜透明导电薄膜金属化合物薄膜(TCO)泛指具有透明导电性之氧化物、氮化物、氟化物a.氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiNb.掺杂氧化物：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、Zn2SnO4HistoryofTCO1907年最早使用CdO材料为透明导电镀膜，应用在photovoltaiccells.1940年代，以SprayPyrolysis及CVD方式沉积SnOx于玻璃基板上.􀀢1970年代，以Evaporation及Sputtering方式沉积InOx及ITO.1980年代，磁控溅镀﹙magnetronsputtering﹚开发，为低温沉膜制程，不论在玻璃及塑料基板均能达到低面阻值、高透性ITO薄膜.1990年代，具有导电性之TCO陶瓷靶材开发，使用DC磁控溅镀ITO，使沉积制程之控制更趋容易，各式TCO材料开始广泛被应用.2000年代，主要的透明导电性应用以ITO材料为主，磁控溅镀ITO成为市场上制程的主流.透明导电薄膜主角--ITO中文名称：铟锡氧化物英文全名：IndiumTinOxide（ITO）成分：掺杂锡之铟氧化物(Tin-dopedIndiumOxide)年代：1934年被美国铟矿公司最早合成出来世界最大ITO薄膜制造国：日本选用率：在TCO材料中，75%应用在平面显示器主要应用：平面显示器、透明加热组件、抗静电膜、电磁、防护膜、太阳能电池之透明电极、防反光涂布及热反射镜(heatreflectingmirror)等电子、光学及光电装置上。ITO是什么？ITO＝IndiumTinOxide(In2O3＋SnO2)􀀢ITO的成分＝90wt%In2O3与10wt%SnO2混合物WhychooseITO?在TCO材料中有最佳的导电性(电阻率低)在可见光波段有良好的透光度良好的耐候性，受环境影响小大面积镀膜制程容易(成熟)蚀刻制程容易(成熟)成本低?ITO之组成及特性ITO组成在In2O3/SnO2=90/10时􀀢最低的电阻率及最高的光穿透率ITO组成在In2O3/SnO2=90/10时最快的蚀刻速率ITO成膜时基板温度：200ºCITO成膜时基板温度：RTITO之组成及特性铟(In)矿的主要应用数据源：工研院经资中心各种TCO材料--ZnO系透明导电膜主要成员：ZnO(3~5×10-4Ω-cm)ZnO:In(IZO)(2~4×10-4Ω-cm)、ZnO:Ga(GZO)(1.2×10-4Ω-cm)、ZnO:Al(AZO)(1.3×10-4Ω-cm)、ZnO:Ti特点：1.ZnO矿产产能大。2.价格比ITO便宜(200%costsaving)。3.部分AZO靶材可在100%Ar环境下成膜，制程控制容易。4.耐化性比ITO差，通常以添加Cr、Co于ZnO系材料中来提高其耐化性。1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO薄膜之市场应用及未来发展TCO薄膜的导电原理(n-typeTCO)--ITOIn2O3为氧化物半导体，加入SnO2作为杂质参杂，可以产生一个导电电子In2O3晶格中之氧缺陷(Oxygenvacancy)一个氧空缺，可以产生两个导电电子Bandgap(Eg)3.5eVCrystallizedatT150ºC材料之导电率σσ=neμ其中n=载子浓度(就TCO材料包括电子及空洞)e：载子的电量μ：载子的mobilityTCO中导电性最好的ITO，载子浓度约1018~1019cm-3﹙金属载子浓度约1022~10~23cm-3﹚TCO薄膜的导电原理载子由掺杂物的混入及离子的缺陷生成TCO薄膜的导电原理载子的mobility(μ)μ=eτ/εom*τ：relaxationtime(载子移动时由此次散射到下一次散射的时间)m*：载子的有效质量εo：真空中之介电常数􀀢要提升载子的mobilityτ↑：与TCO薄膜的结构有关。TCO薄膜的defect愈少，τ↑。(extrinsiceffect)m*↓：取决于TCO材料。(intrinsiceffect)TCO薄膜的导电原理电阻率(又称体阻抗,ρ)反比于导电率(conductivity,σ)ρ=1/σOhm-cm平面显示器中探讨的薄膜的导电性有别于半导体的导电性。通常，面电阻(surfaceresistance,γ)or(sheetresistance,Rs)被定义为薄膜表面之电阻电阻R=ρ×(L/D·W)Ohm设定Rs=ρ/D(单位：Ohm/□)则R=Rs×(L/W),L/W表示有几个方块假设在一个L=W之平方面积中，R=RsTCO薄膜的导电比较ITO及银薄膜的面电阻及穿透度ITOAgρ2x10-4ohm-cm1.8x10-6ohm-cmγ=ρ/D10Ohm/□10Ohm/□D=ρ/γ2x10-5cm(2000Å)1.8x10-7cm(18Å)鱼与熊掌不可兼得γ=ρ/DITO薄膜的导电性要好(面电阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度会降低1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO薄膜之市场应用及未来发展TCO的光学性质TCO在短波长的透光范围：由能隙(energygap)决定在长波长的透光范围：由等离子频率(ωp，plasmafrequence)决定紫外線區由等离子频率决定的波长(此一波长随载子浓度而移动)入射光将价带的电子激发到导带等离子媒介可看成高通滤波器为降低In2O3、SnO2、ZnO等透明导体的电阻率，通常加入Sn、Al、Sb等掺杂物以提高载子密度。载子密度增加会影响透明性电浆频率ωp=(4πne2/m*)1/2载子浓度n增加，ω变大，光吸收范围向可见光扩展TCO的光学性质以ZnO为例，ω=(4πne2/m*)1/2=4π×4.3×1019×(1.6×10-19)20.24×0.91×10-30=ω=2π/λ=λ=789nm1/27958529.409其中:n：载子浓度e：载子的电量m*：传导有效质量AZO(antimonydopedtindioxide)Sb2O5析出，造成光的散射掺杂物(载子)密度对透光度的影响Sb(锑)摻雜在SnO2中電阻率最小3.98×10-3Ω-cmSb电阻率=面阻值×膜厚(ρ=γ×D)低面阻值ITO玻璃镀膜，电阻率越低越好考虑高穿透率，膜厚的设计必须避免建设性的干涉，所以nd=(2m+1)λ/4，m=1,2,3,4….。ITO的光学性质D穿透度低的话(膜的厚薄)，反射率相对提高，就易造成干涉。1.高穿透度、吸收小2.低电阻率﹙以较低之薄膜厚度得到较佳之导电性﹚3.膜厚均匀性4.良好的附着力5.蚀刻制程容易6.耐候性佳，受环境影响小7.无Pinhole8.无HilllockTCO薄膜之质量需求1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍透明导电氧化物(TransparentConductiveOxide,TCO)2.TCO的导电原理3.TCO的光学性质4.TCO薄膜之市场应用及未来发展TCO薄膜之市场应用–ITO之应用DisplayApplicationPMLCDDisplayApplicationAMLCD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DisplayApplicationOLEDDisplayApplicationAMOLEDDisplayApplicationPDPTouchPanelSolarcellElectrochromicWindow(电致变色玻璃)常用TCO之应用ITO及TCO薄膜未来需求之课题高透光率ITO玻璃极低面电阻&高穿透率之研究超平坦透明导电膜在塑料基板成膜(室温成膜)靶材回收纲要•透明导电薄膜（TCO）•薄膜太阳能电池•SAW及FBAR器件薄膜太阳能电池介绍薄膜太阳电池可以使用价格低廉的基板来制造，形成可产生电压的薄膜，厚度仅需数μm。薄膜太阳能电池分类表一：薄膜太阳能电池分类薄膜太阳能电池优势比较硅晶圆太阳能电池薄膜太阳能电池成本高低硅膜厚度厚薄功率损耗多少表二：硅晶圆太阳能电池与薄膜太阳能电池的比较薄膜在a-Sithinfilmsolarcells的应用a-Si薄膜太阳能电池结构根据光入射方向可概略分为Superstrate和Substrate结构两种。图(a)Superstrate结构图(b)Substrate结构a-Si薄膜太阳能电池结构LIGHT图(c)：a-Si薄膜太阳能电池Superstrate结构示意图。薄膜应用LIGHT抗反射层：主要是用来使透光率提升而不被反射。1.抗反射层薄膜应用2.TCO层(Transparentconductiveoxide)TCO层：需具有高光穿透率、极佳导电特性，用来当透明电极。薄膜应用3.非晶硅层非晶硅层：主要是经由光电效应产生光电流。薄膜应用４.背反射层背反射层：使还没利用到的光反射再次进入光吸收层，需具有高的反射率。a-Si薄膜太阳能电池小结在非晶硅薄膜太阳能电池中，溅镀或以其他方式在玻璃或金属基板上生成薄膜的生产方式成熟，成本相对比硅晶圆低廉许多，使得发展空间增大。优化的薄膜层，如镀在玻璃上的抗反射层，TCO层，背反射层，可使光在光吸收层的路径增加，以提高效率。55薄膜在CIGSthinfilmsolarcells的應用56OutlineCIGS简介CIGS优势条件CIGS太阳能电池组件结构Nanosolar薄膜太阳能电池57CIGS简介铜铟镓硒CIGS(CopperIndiumGalliumSelenium)属于化合物半导体，CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02eV至1.68eV。若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可达30%，标准环境测试下组件转换效率19.5%，采用软性塑料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。美国Nanosolar公司达成重大突破，研发出rolltoroll方式的-CIGS薄膜太阳能电池，不仅轻巧、可塑性高，更适合大量生产，能大幅降低成本。58CIGS优势条件优于单晶光伏组件的要素:(1)成本低(2)制程能源需求低(3)大面积组