新型透明导电氧化物薄膜

透明导电氧化物薄膜/

透明氧化物半导体薄膜内容背景介绍

透明导电氧化物(TCO)薄膜和透明氧化物半导体(TOS)薄膜的特点、应用和发展需求新型高迁移率和近红外高透射率透明导电氧化物薄膜的研究新型透明氧化物/氧硫化物半导体薄膜及其 器件的研究进展小结

Conductors

Semiconductors

Insulators

σ=105-106(Ω-1.cm-1)σ=104–10-6(Ω-1.cm-1) σ=﹤10-7(Ω-1.cm-1)Briefreviewofconductivity1.背景介绍TCO/TOS薄膜的定义TCO：TransparentConductiveOxideTOS：TransparentOxideSemiconductorDefinition：An

oxidethinfilmistransparenttovisiblelight(400-700nm)andconductingtoelectricity

Forexample:CopperorSilvercannotbetransparent,SiO,SiO2,Al2O3,TiO2cannotbeconduct!SohowtogetaTransparentConductor??MixaMetalOxideandaMetal!!FormaNONStoichiometricMetalOxidefilm

→Modifyatransparentmaterialforelectricalconduction1.背景介绍TCO/TOS薄膜的特点金属导电性+可见光范围的透明性，其导电性能可以通过控制掺杂浓度等实现从绝缘体、半导体到导体的转变

电导率正比于载流子浓度和载流子迁移率 载流子浓度↑

透明性↓已经成为平板显示、太阳能电池和透明电子器件中不可或缺的材料

In2O3:Sn(ITO)：TCO的代表；SnO2:F

和ZnO:Al目前为止TCO薄膜均作为单一被动的电学涂层或光学涂层，即利用其金属导电性和光学透明性，早期的研究目标也都集中在提高其电导率及其可见光范围的透射率1.背景介绍TCOStructureTypesIn2O3方铁锰矿结构6-coordinateIn3+4-coordinateO2-ZnO纤锌矿结构4-coordinateZn2+4-coordinateO2-SnO2金红石结构6-coordinateSn4+3-coordinateO2-1.背景介绍透明导电薄膜的应用领域太阳能电池电子纸张柔性太阳能电池柔性LCD透明导电薄膜应用平板显示器件触摸屏建筑涂层透明电子器件电磁屏蔽窗1.背景介绍TCO/TOS薄膜的发展趋势与需求TCO/TOS领域的发展空间？TCO/TOS新的发展方向？

广泛应用的是n型TCO；p型TCO的出现

TOS：TCO薄 膜的前沿领域新型TCO薄膜——具有高迁移率和近红外高透射率优质高性能的ITO薄膜优良光电特性的p-TOS薄膜基于各类n-/p-TOS薄膜的光电子器件的研发1.背景介绍载流子迁移率的重要性

载流子迁移率是电子在外电场作用下在固体中运动效率的量度高载流子迁移率导致大电流，使电容性负载能够快速充放电，由此产生器件的高运行速度和低功耗因此，改善应用于透明电子器件中的TCO薄膜的载流子迁移率具有重要意义

→提高器件运行速度、通过提高迁移率改善电导率，同时保持优良的光学透明性2.新型TCO太阳辐射能谱图太阳光在可见光范围(400–700nm)的能量只占其全发光波长范围(300–2500nm)的43%，在紫外区域(300–400nm)的能量为总能量的5%，而在近红外区域的能量为总能量的52%1.背景介绍(a-Si)-/

(p-Si)-TFT的问题

有源矩阵液晶显示(AMLCD)中使用的TFT主要有两种:(a-Si)-TFT和(p-Si)-TFT。由于a-SiTFT易于在低温下大面积制备，技术成熟，是目前使用最为广泛的技术

局限于逻辑开关和低分辨率面板的应用

※a-SiTFT的载流子迁移率﹤1cm2/V·s，电流供给能力较弱，不能适应快速、大面积和更高清晰度显示的需求

※a-Si薄膜不透明，它将占用像素中的一定面积，使有效显示面积减小，像素开口率达不到100%，背光源的光不能全部通过像素，为了获得足够的亮度，就需要增加光源强度，从而增加功率消耗

※a-Si材料的能带间隙为1.7eV，对可见光是光敏材料，在可见光照射下产生额外的光生载流子，使TFT性能恶化，因此每一像素单元TFT

必须对光屏蔽，即增加不透明金属掩膜板(黑矩阵)来阻挡光对TFT的照射

增加TFT-LCD的工艺复杂性、提高成本、降低可靠性1.背景介绍(a-Si)-/

(p-Si)-TFT的问题

低温多晶硅(LTPS)TFT凭借其较高的载流子迁移率（比非晶硅高两个数量级），具有反应速度快、高亮度、高清晰度等优点

能够满足制备简单逻辑电路并在视频应用下的要求，成为一种继a-SiTFT的主流技术，并具有(a-Si)-TFT无法比拟的其它优越性：

※可以适当集成驱动电路于面板中，减小了面板整体重量与体积

※开口率较大，整体的透光效率较佳，满足省电与高画质的显示效果

※但是，p-SiTFT技术同时具有：工艺复杂、设备昂贵、成本高LTPSTFT也不透明其工艺温度对有机基板而言太高，不能适应柔性显示的需求1.背景介绍柔性电子学这一前沿领域无需采用SiMOS技术，以在有机塑料（柔性）基板替代无机玻璃（硬质）基板上制造电路为特点，它的诞生是为了满足大面积 显示/大面积太阳能电池的强烈需求对于柔性电子学，非晶半导体比多晶半导体更优越。但是最低温度制备非晶硅需要220℃的温度，因此只能在150℃以下使用的PET等廉价的塑料薄膜上制备a-SiTFT非常困难有机半导体—有报道获得了与a-Si同样性能的有机TFT。但它们的性能、热学和化学不稳定性对于实际应用还有距离。例如，有机TFT的场效应迁移率太低，无法驱动快速高分辨率的LCD和OLED显示透明氧化物如ZnO和In2O3其迁移率较高，工艺温度低，因此在AMLCD中采用低温透明氧化物半导体TFT将是一个有效的解决途径。若用全透明氧化物TFT代替a-SiTFT作为像素开关，将大大提高有源矩阵的开口率，从而提高亮度，降低功耗1.背景介绍ModelofTFET1.背景介绍TransparentElectronics

TCOthinfilms

p-njunction,transistor,

FETetc.TransparentDevices+

Electronicpaper,WearablecomputerLowTemp.GrownTech.

n,p-typeTOSthinfilms

TCOandTOSwithhighmobilityJ.F.Wager,Science,2003,300:12451.背景介绍内容背景介绍

透明导电氧化物(TCO)薄膜和透明氧化物半导体(TOS)薄膜的特点、应用和发展需求新型高迁移率和近红外高透射率透明导电氧化物薄膜的研究新型透明氧化物/氧硫化物半导体薄膜及其 器件的研究进展小结

Preparationtechniques1.背景介绍磁控溅射ChannelSparkAblationSchematicofCSAgeneratorTheCSAgeneratorconsistsof:AtriggerAhollowcathodeAnacceleratingtubeForsuccessfulfilmdeposition,theelectronbeamsshouldbe:∙Highenergydensity∙Shorttimeduration∙Longpropagationlength1.背景介绍XRDofIMOfilmsDCSputteringThermalevaporationMorphologyofIMOfilmsbySTM2.新型TCOIWO/IMO薄膜的紫外-近红外透射谱Semicond.Sci.Technol.2005,20:823-828

原因：W+6与In+3之间的价态差3，载流子浓度为2.9×1020cm-3(ITO:9.4×1020cm-3)；载流子迁移率又达到了60cm2V-1s-1左右，高于ITO薄膜的载流子迁移率，从而实现了IWO薄膜的低电阻率和包括近红外区域在内的高透明性。多晶IWO薄膜非晶IMO薄膜2.新型TCOTIWO=94%;85%TITO=92%;48%IWO薄膜的光电特性2.新型TCOIn和W的XPS谱溅射电流：100mA溅射电流：200mA2.新型TCOAppliedSurfaceScience,2007,xx:xxx-xxx

迁移率高达358cm2/Vs

迁移率高达99cm2/Vs

2.新型TCOThinSolidFilms496(2006)70-74SolarEnergyMaterials&SolarCells90(2006)3371-3376

NanoPVCo.USAIMO(4.4at%Mo)2.新型TCOMaterialsLetters61(2007)566-5692.新型TCOThinSolidFilms,1999,351:164-1692.新型TCO内容背景介绍

透明导电氧化物(TCO)薄膜和透明氧化物半导体(TOS)薄膜的特点、制备方法、应用、发展需求新型高迁移率和近红外高透射率透明导电氧化物薄膜的研究新型透明氧化物/氧硫化物半导体薄膜及其 器件的研究进展小结

超平整ITO外延薄膜原子级平整(100)-YSZ单晶基板基板温度600℃PLD方法高质量ITO外延薄膜，达到迄今为止最低电阻率7.8×10-5

Ω·cm。原子级平整(111)-YSZ单晶基板基板温度900℃PLD方法单晶ITO薄膜，1×1cm2的Rms=0.2nm

H.Ohtaetal.,Appl.Phys.Lett.76(2000)27403.新型TOS97年,p型TCO薄膜CuAlO2出现以前，由于没有p型TCO薄膜，没有作为透明氧化物半导体薄膜的应用大部分金属氧化物的VBM由氧的2p轨道构成，相当局域化，价带的离散较小，VBM处于深能级，孔穴掺杂比较困难Cu3d10能级刚好在O2p上面，与O2p能级的杂化，提高了VBM能级，使得孔穴掺杂比较容易，而且Cu+的闭壳层结构使得具有大的禁带宽度和光学透明性但是，Cu+基P型TOS还没有实现高浓度孔穴掺杂和高孔穴迁移率因此，材料设计的概念拓展到了以硫族元素(S,SeandTe)p轨道替代氧，因为硫族p轨道远比O2p轨道非局域化。尽管简单的硫化物仅在IR区域透明，层状的氧硫化物则在可见光范围是透明的新型TOS材料3.新型TOSCu+基氧化物：CuAlO2，CuGaO2，SrCu2O2（——Cu+离子3d;4s和4p混合轨道与O2-配位2p轨道的杂化构成了VBM）。ZnRh2O4，具有4d6电子结构的过渡金属离子在八面体晶场中的基态被认为具有“准闭壳层”电子结构，与具有3d10闭壳层结构的Cu+的行为类似，发现其禁带宽度为2.1eV，溅射薄膜的室温电导率为0.7Scm-1。β-Ga2O3(5eV:TCO薄膜中最大值，PLD880℃-300℃)

传统的TCO如ITO和ZnO在深紫外区域（<300nm）是不透明的，由于相对较小的禁带宽度（3eV），而深紫外区域对于未来生物技术如DNA检测将会是重要的。新型TOS材料3.新型TOS迁移率高（>20cm2V-1s-1），可与相应的晶体材料的相比拟

电子输运通道(CBM)由金属S轨道的球面扩散所构成;通过2CdO-GeO2膜系计算证实了该理论 共价非晶半导体(如a-Si:H):CBM和VBM由sp3杂化轨道构成In2O3-Ga2O3-(ZnO)m

(m=1-4)非晶薄膜具有102Scm-1量级的电导率

H.Hosono,J.Non-Cryst.Solids203(1996)334;198-200(1996)165;352(2006)851；S.Narushimaetal.,Phys.Rev.B66(2002)035203Zn-Rh-O具有非晶p型电导特征，第一次证实了p型非晶TOS 由非晶Zn-Rh-O和In-Ga-Zn-O构成的二极管显示了良好的整流特性新型TOS材料—非晶TOS薄膜3.新型TOS02年，发现了由CaO和Al2O3构成的TCO：12CaO·7Al2O3(C12A7)，而CaO和Al2O3:典型的透明绝缘材料C12A7是一个微孔晶体，它的晶胞包含两个化学式，即[Ca24Al28O64]4++2O2-，自由氧离子可以被O-,H-和电子置换。含H-C12A7呈白色，