透明导电薄膜 (TCO)之原理及其应用发展ppt课件.ppt

透明導電薄膜 TCO 之原理及其應用發展 HW2008 04 17 1 1 ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物 TransparentConductiveOxide 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 2 1 ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物 TransparentConductiveOxide 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 3 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flatpaneldisplay而言 透光度愈高愈好 以solarcell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1 10 4 cm 即是良好透明導電膜 4 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 5 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 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 6 HistoryofTCO 1907年最早使用CdO材料為透明導電鍍膜 應用在photovoltaiccells 1940年代 以SprayPyrolysis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 magnetronsputtering 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 7 透明導電薄膜主角 ITO 中文名稱 銦錫氧化物英文全名 IndiumTinOxide ITO 成分 摻雜錫之銦氧化物 Tin dopedIndiumOxide 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 heatreflectingmirror 等電子 光學及光電裝置上 8 ITO是 麼 ITO IndiumTinOxide In2O3 SnO2 ITO的成分 90wt In2O3與10wt SnO2混合物 9 WhychooseITO 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 10 ITO之組成及特性 ITO組成在In2O3 SnO2 90 10時 最低的電阻比及最高的光穿透率 11 ITO組成在In2O3 SnO2 90 10時 最快的蝕刻速率 ITO成膜時基板溫度 200 CITO成膜時基板溫度 RT ITO之組成及特性 12 銦 In 礦的主要應用 資料來源 工研院經資中心 13 各種TCO材料 ZnO系透明導電膜 主要成員 ZnO 3 5 10 4 cm ZnO In IZO 2 4 10 4 cm ZnO Ga GZO 1 2 10 4 cm ZnO Al AZO 1 3 10 4 cm ZnO Ti 特點 1 ZnO礦產產能大 2 價格比ITO便宜 200 costsaving 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 14 1 ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物 TransparentConductiveOxide 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 15 TCO薄膜的導電原理 n typeTCO 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 Oxygenvacancy 一個氧空缺 可以產生兩個導電電子 Bandgap Eg 3 5eVCrystallizedatT 150 C 16 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1018 1019cm 3 金屬載子濃度約1022 10 23cm 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 17 TCO薄膜的導電原理 載子的mobility e om relaxationtime 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 extrinsiceffect m 取決於TCO材料 intrinsiceffect 18 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 surfaceresistance or sheetresistance Rs 被定義為薄膜表面之電阻 面電阻Rs L D W 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 19 TCO薄膜的導電 比較ITO及銀薄膜的面電阻及穿透度 20 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 21 1 ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物 TransparentConductiveOxide 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 22 TCO的光學性質 TCO在短波長的透光範圍 由能隙 energygap 決定在長波長的透光範圍 由電漿頻率 p plasmafrequence 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 23 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 4 ne2 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 4 ne2 m 1 2 4 x4 3x1019x 1 6x10 19 20 24x0 91x10 30 2 789nm 1 2 24 AZO antimonydopedtindioxide 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 cm Sb 25 電阻比 面阻值x膜厚 xD 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 26 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Pinhole8 無Hilllock TCO薄膜之品質需求 27 1 ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹透明導電氧化物 TransparentConductiveOxide 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 28 TCO薄膜之市場應用 ITO之應用 29 DisplayApplicationPMLCD 30 DisplayApplicationAMLCD 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 31 DisplayApplicationOLED 32 DisplayApplicationPDP 33 TouchPanel 34 Solarcell 35 ElectrochromicWindow 電致變色玻璃 36 常用TCO之應用 37 ITO及TCO薄膜未來需求之課題 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 38 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