新型透明导电氧化物薄膜

溅射电流：100 mA
溅射电流：200 mA
(a) In 3d5/2
Intensity (a.u.)
In 3d3/2
455
450 445 Binding Energy (eV)
440
2. 新型TCO
Applied Surface Science, 2007, xx: xxx-xxx 迁移率高达358 cm2/Vs 迁移率高达99 cm2/Vs
Transmittance(%)
80
60
PO2=2.010 Pa PO2=2.010 Pa
-2 -2 -2 -2 -2
-2
TIWO = 94%; 85%
ITO film
40
PO2=1.710 Pa PO2=1.510 Pa PO2=1.310 Pa PO2=1.010 Pa
20
TITO = 92%; 48%
1.背景介绍
Schematic of CSA generator
The CSA generator consists of: A trigger A hollow cathode An accelerating tube
For successful film deposition, the electron beams should be: ∙ High energy density ∙ Short time duration ∙ Long propagation length
2
20
1 0 0
0 3.0 3.5 4.0 4.5 Photon energy (eV)
1.0
1.2
1.4
1.6

1.8
2.0
Oxygen partial pressure ( Pa)
2. 新型TCO
Intensity (a.u
In和W的XPS谱
42 40 38 36 34 32 30 Binding energy (eV)
※ 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-Si TFT技术同时具有：

工艺复杂、设备昂贵、成本高 LTPS TFT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

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
TCO Structure Types
In2O3 方铁锰矿结构 6-coordinate In3+ 4-coordinate O2-
ZnO 纤锌矿结构 4-coordinate Zn2+ 4-coordinate O2-
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1.7 eV，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

Definition： An oxide thin film is transparent to visible light (400 - 700 nm) and conducting to electricity
For example : Copper or Silver cannot be transparent,
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-Si TFT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-Si TFT的载流子迁移率﹤1 cm2/V· s，电流供给能力较弱，不能适应
1500 2000 2500 3000
非晶IMO薄膜
0 500 1000 Wavelength(nm)
Semicond. Sci. Technol. 2005, 20: 823-828
2. 新型TCO
IWO薄膜的光电特性
30
-3
70
cm
80
(h) (10 cm eV )
undoping doping tungsten of 2 wt% doping tungsten of 4 wt% doping tungsten of 6 wt%

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

1.背景介绍
太阳辐射能谱图
太阳光在可见光范围(400 – 700 nm)的能量只占其全发光波长范围(300 – 2500 nm) 的43%，在紫外区域(300 – 400 nm)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
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
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-Si TFT的主流技术，并具有(a-Si)-TFT无法比拟的其它优越性：
Conductors
σ=105-106 (Ω-1.cm-1)
Semiconductors
σ=104 –10-6 (Ω-1.cm-1)
Insulators
σ=﹤10-7 (Ω-1.cm-1)
1.背景介绍
TCO/TOS薄膜的定义
TCO：Transparent Conductive Oxide TOS：Transparent Oxide Semiconductor

这一前沿领域无需采用Si MOS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-Si TFT非常困难


1.背景介绍
Model of TFET
1.背景介绍
Transparent Electronics
J. F. Wager, Science, 2003, 300:1245 TCO thin films + p-n junction, transistor, FET etc. Transparent Devices Low Temp. Grown Tech. Electronic paper, Wearable computer TCO and TOS with high mobility n, p-type TOS thin films
2
5
ohmcm)
)
60
2 -1 -1 Hall mobility (cm V s )
60
20 3
Carrier Concentration (10
4
20
50 40 30 20 10 0
10 2
-2
Resistivity (10
-4
40
Resistivity
10
Hall mobility Carrier Concentration
SnO2 金红石结构 6-coordinate Sn4+ 3-coordinate O2-
1.背景介绍
透明导电薄膜的应用领域
柔性LCD 平板显示器件 透明电子器件
电子纸张
太 阳 能 电 池
透明导电 薄膜应用
电 磁 屏 蔽 窗
柔性太阳能电池
建筑涂层
触摸屏
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？
原因：W+6与In+3之间的价态差3， 载流子浓度为2.9× 1020 cm-3 (ITO:9.4× 1020cm-3)；载流子迁移 率又达到了60 cm2V-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。
100
多晶IWO薄膜
IWO films
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-Si TFT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
透明导电氧化物薄膜/ 透明氧化物半导体薄膜
内
1.
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
2.
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
3.
Байду номын сангаас
4.
1.背景介绍
Brief review of conductivity
内
1.
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
2.
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
3.
4.
1.背景介绍
Preparation techniques
磁控溅射
Channel Spark Ablation
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
2. 新型TCO
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
2. 新型TCO
Thin Solid Films, 1999, 351: 164-169
内
1.
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
2.
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

SiO, SiO2, Al2O3, TiO2 cannot be conduct !
So how to get a Transparent Conductor??

Mix a Metal Oxide and a Metal !! Form a NON Stoichiometric Metal Oxide film → Modify a transparent material for electrical conduction
2. 新型TCO
Thin Solid Films 496 (2006) 70-74
IMO (4.4 at% Mo)
Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2006) 3371-3376 Nano PV Co. USA
2. 新型TCO
Materials Letters 61 (2007) 566-569
2. 新型TCO
XRD of IMO films
DC Sputtering
Thermal evaporation
Morphology of IMO films by STM
2. 新型TCO
IWO/IMO薄膜的紫外-近红外透射谱
0 mc p 2c 2 ne 1/ 2