透明导电膜介绍

射頻電漿示意圖
濺射(RF sputtering)原理(2/2)
施加一高頻交流電壓，電極間的電子在高 頻切換下振盪來獲得進行各種電子撞擊所 產生的能量。當這些電子被加速時，與氣 體分子或者原子碰撞而產生激發或離子化， 而離子化的過程產生更多的離子和電子， 而產生的電子再經過電場加速，便有足夠 能量產生更多離子化的過程，如此稱為雪 崩反應，在低壓的環境下產生大量的離子 和電子，而形成電漿態。
ZnO 之晶格結構
ZnO 晶體結構及特性(2/6)
在無摻雜之氧化鋅材料中，ZnO 薄膜表現 出n 形半導體的特性，這是由於其化學組 成偏差(ZnOx)所造成，其中的自由載子是 來自於氧的缺位以及Zn 原子的空隙所造成 的淺層施體能階。然而ZnO 薄膜的電學特 性受到鍍膜方法、熱處理條件及氧原子的 吸附（氧缺位）影響很大。
光電陶瓷-
透明導電膜
指導教授：劉依政 教授 學生：籃耿晃 學號：G950K020
透明導電膜介紹(1/4)
隨著光電產業的快速發展，各種材料不斷 被開發，而透明導電膜是近年來產業應用 最多的新材料，它可以應用在液晶顯示器 (liquid crystal display，LCD)、電漿顯示器 (plasma display panel，PDP)、LED、OLED、 光偵測器、太陽能電池等。
濺鍍製程(1/3)
利用濺鍍系統製作IZO 薄膜，此系統由電 源供應器產生射頻信號(13.56MHz)傳送至 靶材與基板所在的真空系統中，藉由解離 真空系統中的氣體，而使解離的陽離子轟 擊靶材(target)，靶材的原子於是被濺鍍而出， 附著在基板上完成鍍膜的動作。
濺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系統示意圖
濺鍍製程(2/3)
在上述製程中牽涉到的變數相當廣，包 括通入的氣體種類、氣體流量、混合的 氣體比例、系統壓力、濺鍍功率⋯ 等。 所以在鍍膜時需對這些參數同時監控， 以維持在穩定的條件。
濺鍍製程(3/3)
ZnO在未摻雜時所濺鍍出的薄膜為一高阻 值的薄膜。而當濺鍍功率越高，沉積的速 率越快且電阻值也跟著改變，這是因為隨 著鍍膜功率的改變，系統中的溫度亦不同， 故影響了薄膜的結晶成分，而薄膜的結晶 成分正是影響導電特性的主要因素之一。 但ZnO在未摻雜時所濺鍍出的薄膜為 高穿透率薄膜。
透明導電膜介紹(2/4)
而所謂透明導電膜是在可見光範圍內(約 400nm~800nm 的波段)具有80%以上穿透率， 且導電率具有低於10-3Ω-cm 的薄膜。
透明導電膜介紹(3/4)
透明導電膜的材料大致可分為薄金屬材料 與金屬氧化物之材料。其中薄金屬材Au、 Ag、Al、Pt 及Cu 等，在其厚度約低10nm 時，具有某種程度的透光率，但當厚度薄 的金屬會形成島狀不連續膜所以電阻率會 增高，且其導電率會受表面效應與雜質影 響而降低。
氧化鋅材料當然也具半導(semiconducting) 特性、光電導(photoconductive)特性、壓電 特性、聲光效應以及電光效應等，因此， 廣泛的應用在光檢測器、表面聲波元件、 氣體偵測計以及調變器、紫外光LED 以及 雷射等元件中。
ZnO 晶體結構及特性(5/6)
為了提升氧化鋅薄膜的導電率，通常為摻 入異價之元素，如：鋁、鎵、銦等，其導 電性會大大提升。相較於未摻雜之氧化鋅 薄膜，摻雜入異價的元素可以提高ZnO 薄 膜之載子濃度。
透明導電膜介紹(4/4)
因此有人使用金屬氧化膜來代替薄金屬， 例如：SnO2、InO2、ITO、ZnO，其中又 以銦錫氧化膜(ITO)的應用最為廣泛。但ITO 在高溫應用下表現不穩定，因此在光特性 和電特性與之可相抗衡的氧化鋅薄膜逐漸 受到重視。而氧化鋅薄膜在成本低、資源 豐富、不具毒性的特點下，因此近二十年 來，已經有許多前人投入氧化鋅薄膜相關 研究。
不同濺鍍瓦數之ZnO 薄膜速率圖
不同濺鍍瓦數之ZnO 薄膜電阻
不同濺鍍瓦數之穿透率圖
濺鍍及蒸鍍製程(1/4)
為了提升氧化鋅薄膜的電阻率，通常為摻 入異價之元素，如：鋁、鎵、銦等，其導 電性會大大提升。其中多數的期刊以摻雜 鋁為最多，摻雜比例又以2wt%最多，且在 鋁摻雜之一定濃度時會有柏斯坦-摩斯 (Burstein-Moss)效應，所以我們將用擴散 的方式將鋁擴散入ZnO薄膜中，以期會降 低薄膜之電阻率，且穿透率會往短波長橫 移。
ZnO 晶體結構及特性(3/6)
氧化鋅的導電機制也是與ITO 相同，主要 是因為缺氧狀態，而產生氧缺位（oxygen vacancies）。這些氧缺位造成了類氫之施 體能階（hydrogen-like donor level），而對 於未摻雜的氧化鋅也有相似的受體能階。
ZnO 晶體結構及特性(4/6)
柏斯坦-摩斯(Burstein-Moss)效應示 意圖
濺鍍及蒸鍍製程(2/4)
在鍍膜完成後，由於ZnO材料是位於最上面一層， 在未熱處理前一樣為高阻值薄膜，但可比 較其穿透率，由於因為蒸鍍了鋁金屬，所以穿 透率下降許多，也因為交錯多層的因素，因而 干涉現象也亦明顯。
濺射(RF sputtering)原理(1/2)
氣體在特殊環境的條件下，會由氣體分子 分解為原子，再解離為帶電離子或者電子團， 且維持電中性的狀態，而這些離子化的氣 體就稱為電漿(Plasma)。射頻電漿的產生， 當交流電壓加於電極時，在較高的頻 率下電極將隨時處於非飽和狀態，使得電 極間主要粒子的撞擊反應得以進行，電漿 因此而產生並得以維持。
ZnO 晶體結構及特性(1/6)
氧化鋅(zinc oxide，ZnO)，為II-VI 族寬能 隙的半導體材料，其結構為閃鋅礦結構 (Wurzite hexagonal structure)，屬於六方最 密堆積，其能隙寬度(optical band gap)約為 3.3eV，在可見光範圍具有高穿透率。
ZnO 晶體結構及特性(6/6)
製造氧化鋅薄膜的方法很多，在薄膜的製 程方面有相當多的方法可以成長ZnO 膜， 如有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、 分子束磊晶法(MBE)、脈衝雷射沉積法 (PLD)、熱分解法(Spray pyrolysis)以及濺 鍍法(Sputtering)等等；隨著製程條件的不同， ZnO 薄膜也呈現出不同的材料特性。