《薄膜电子学的应用》PPT课件

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,Outline,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,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3.5eVCrystallizedatT150C,材料之导电率=ne其中n=载子浓度(就TCO材料包括电子及空洞)e：载子的电量：载子的mobility,TCO中导电性最好的ITO，载子浓度约10181019cm-3金属载子浓度约10221023cm-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()=e/om*：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o：真空中之介电常数要提升载子的mobility：与TCO薄膜的结构有关。TCO薄膜的defect愈少，。(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,)反比于导电率(conductivity,)=1/Ohm-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,)or(sheetresistance,Rs)被定义为薄膜表面之电阻,电阻R=(L/DW)Ohm设定Rs=/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=Rs,TCO薄膜的导电,比较ITO及银薄膜的面电阻及穿透度,鱼与熊掌不可兼得,=/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(p，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p=(4ne2/m*)1/2,载子浓度n增加，变大，光吸收范围向可见光扩展,TCO的光学性质,以ZnO为例，=(4ne2/m*)1/2=44.31019(1.610-19)20.240.9110-30=2/=789nm,1/2,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3.9810-3-cm,Sb,电阻率=面阻值膜厚(=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)/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Hilllock,TCO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,DisplayApplicationPMLCD,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,DisplayApplicationOLED,DisplayApplicationAMOLED,DisplayApplicationPDP,TouchPanel,Solarcell,ElectrochromicWindow(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m。,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,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,.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,56,Outline,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,57,CIGS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。,58,CIGS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)大面积组件高效(4)产成品高(5)应用范围广泛(玻璃基板、锈钢、塑料聚合物、锡箔等可挠式基板)。,优于其他薄膜光伏组件的要素:(1)组件转换效最高(2)稳定与抗射特性良好(3)无环境污染以及产阻碍问题(4)无法克服质p型吸收层欧姆接点,59,CIGS太阳能电池组件结构,Glass/StainlessSteel/Polymer,基板,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),背电极,吸收层,CdS(0.05m),缓冲层,i-ZnO(0.05m),纯质氧化锌,TCO(ZnO:Al)(0.51.5m),透明导电层,顶端电极Ni/Al,Sputter,VacuummethodNon-Vacuummethod,ChemicalBathdeposition,Sputter,60,CIGS太阳能电池组件结构,通常使用钠玻璃(Soda-lime)基板，钠玻璃除了价格便宜外，热膨胀系数与CIGS吸收层薄膜相当接近。在成长薄膜时，因基板温度接近钠玻璃的玻璃软化温度，所以钠离子将会经过钼金属薄膜层扩散至吸收层。当钠离子跑至CIGS薄膜时，会使薄膜的晶粒变大，且增加导电性，降低串联电阻。,Glass/StainlessSteel/Polymer,61,CIGS太阳能电池组件结构,用直溅镀或者电子束蒸镀的方式积一层钼(Mo)当作背电极，接正极。钼金属与CIGS薄膜具有良好之欧姆接触特性，此外钼金属薄膜具有高度的光反射性、低电阻。,Glass/StainlessSteel/Polymer,Mo(0.51.5m),62,CIGS太陽能電池元件結構,吸收层CIGS本身具黄铜矿结构(Chalaopyrite)，可以藉由化学组成的调变直接得到P-type或者是N-type。Vacuummethod(1)共蒸镀(Co-evaporation)(2)溅镀(Sputtering)Non-Vacuummethod(1)电镀(Electrodeposition)(2)涂布制程(CoatingProcess),Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),63,Vacuummethod-Co-evaporation,1.In,GaandSewereCo-evaporatedat4002.CuandSewereco-depositedwhilethesubstratetemperaturewasrampedupto580.3.In,GaandSewerecoevaporatedstillat580，ThesampleswerethencooledinSeatmospheredownto250,3-stageprocess,64,CIGS太阳能电池组件结构,缓冲层硫化镉可以用来降低ZnO与CIGS间之能带上的不连续(banddiscontinuity)。使用化学水浴沉积法(chemicalbathdeposition，简称CBD)成长，可提供CIGS上表面平整的均匀覆盖。缓冲层要求高透光率，以便能使入射光顺利进入主吸收层材料被有效的吸收。,Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),CdS(0.05m),65,化学水域沉积法,化学水浴沉积法(Chemicalbathdeposition)是一种制备半导体薄膜的技术，方法是将基板浸入含有金属离子及OH-、S2-或Se2-离子的水溶液中，藉由控制水溶液的温度及pH值，使金属离子与OH-、S2-或Se2-离子产生化学反应，形成化合物半导体沉积在基板上。,66,CIGS太阳能电池组件结构,透明导电膜(TCO)要低电阻、高透光率，但ZnO本身是高电阻材料，因此外加铝重掺杂氧化锌(ZnO:Al)改善其电性，但是会降低透光率，因此须在此找到最适合的掺杂浓度。多半用RF溅镀法(RFsputter)达成镀膜。,Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),CdS(0.05m),i-ZnO(0.05m),TCO(ZnO:Al)(0.51.5m),67,CIGS太阳能电池组件结构,蒸镀上镍/铝(Ni/Al)属层当作顶层电极，接负极。,Glass/StainlessSteel/Polymer,CIGS(1.52m),Mo(0.51.5m),CdS(0.05m),i-ZnO(0.05m),TCO(ZnO:Al)(0.51.5m),68,Nanosolar薄膜太阳能电池,是世界上第一个印制而成的薄膜太阳电池，也是世界上第一个最低售价的太阳能板。在金属基板上将半导体涂料利用印刷技术量产的薄膜太阳电池。是目前最简单、快速且产量最大，但相对成本较低的制程技术。,69,滚动条式(rolltoroll)的CIGS太阳能电池,将铜铟镓硒奈米粉体直接喷洒于铝箔上，而铝箔的导电率是不锈钢的20倍，可当作下电极。利用滚动条式(rolltoroll)的方式印制，将这些粉体依正确的原子比例完整且均匀的沉积于基板上。其结构与传统之CIGS电池相似，但成本却降至传统电池的一半以下。,纲要,透明导电薄膜（TCO）薄膜太阳能电池SAW及FBAR器件,注：SSBW,SurfaceSkimmingBulkWaveSTW,SurfaceTransverseWave,注：SAFM,ScanningAcousticForceMicroscopy,表面声波传感器的种类,注：namedaftertheBritishscientistswhodiscoveredit,LordRayleigh.,注：IgG是免疫球蛋白G(ImmunoglobulinG，IgG)的缩写。根据结构的不同将免疫球蛋白分为五种，IgG是人的免疫球蛋白之一，其他还有lgA、lgM、IgD和lgE.。,注：namedaftertheBritishscientistswhodiscoveredit,A.E.H.Love.,FBAR,FilmBulkAcousticResonator,AgilentFBAR双工器实物剖析,ST在ISSCC2005上发布全球第一款集成FBAR滤波器的WCDMA接收IC，采用GeSi:CBiCMOS工艺，AlN作压电薄膜,三种主流结构的FBAR,空气隙FBAR的制备工艺,表面微机械工艺，需要CMP处理,固态装配型FBAR制备工艺,需要制备多层高低阻抗交替的声学层作为布拉格反射层用，且每层厚度需精确控制在四分之一波长,硅反面刻蚀型FBAR制备工艺,LinearMomentum,GaussLawinPiezoelectric,ElectromechanicalConstitutiveEqs.,WaveEquation,0,z,air,air,x,One-DimensionalFBARModel,StressanddisplacementcontinuousattheboundariesbetweenlayersZerostressonfreesurfaces,Pt,AlN,Al,PMfilm,reflected,incident,FBARImpedancefromCascadedABCDMatrices,Stress=VoltageVelocity=Current,MBVDmodel,EquivalentCircuitofFBAR,Co,Rx,Lx,Cx,ZL,UnloadedFBAR,