ITO导电玻璃及相关透明导电膜之原理及应用

各種TCO材料 -ZnO系透明導電膜
• 主要應用：
太陽電池、顯示器透明電極、觸控面板、表面聲波用之 壓電基板、防電磁波干擾屏蔽、熱輻射屏蔽(Low-E)、 抗靜電膜、除霧發熱膜 ….等
IZO組成對電阻比之影響
Resistivity ρ (Ω.cm)
ZnO/(In2O3+ZnO) ratio
度溫板基：
ITO導電玻璃及相關透 明導電膜之原理及應用
勝華科技股份有限公司 黃敬佩
TEL:(04)25318899 ext. 7751 e-mail: cphwang@
2006.06.07
Outline
1. ITO及各種透明導電氧化物材料的介紹
透明導電氧化物 (Transparent Conductive Oxide, TCO)
●
RT
度溫板基：○
350 ºC
Section 2
1. ITO
2. TCO的導電原理
3. TCO 4. TCO 5. TCO
紹介的料材物化氧電導明透種各及 展發來未及用應場市之膜薄 制控質品之膜薄 質性學光的
TCO薄膜的導電原理
(n-type TCO)
Eg
SnIn → Sn+In + eOo Vo Vo +1/2 O2(g)↑
n e
EELS for ITO
量質效有導傳： 數係電介的中空真： 量電的子載： 度濃子載： ，中其
εo
m*
載子濃度 n 增加， ω 變大，光吸收 範圍向可見光擴 展
摻雜物(載子)密度對透光度的影響
AZO (antimony doped tindioxide) Sb SnO2
Transmittance
-cm) -cm , ) -cm, MOCVD ) -cm, ) Cr Co ZnO
主要成員：ZnO
(3~5 ×10-4
添加 Cr於AZO之效應
率速刻蝕了低 降也對相但，性鹼 酸抗高提
AZO:Cr
ITO Patterning (Photo-etching)
By acid solution
By base solution
Section 3
1. ITO
2. TCO
3. TCO的光學性質
4. TCO 5. TCO
理原電導的 紹介的料材物化氧電導明透種各及 展發來未及用應場市之膜薄 制控質品之膜薄
長波的 定決率頻漿電由
plasma frequence)
定決
定決
， ω 率頻漿電由：圍範光透的長波長在 隙能由：圍範光透的長波短在
087 rC lA tP uC gA uA
086
)mn(htgnelevaW 085 084
均，膜薄的度厚
差性定穩、低度硬、大度收吸的光：點缺 極電明透之用使期早 度光透光見可的度程種某有 在， 、 、 、 、 、 、 、
Au
純金屬薄膜
Ag
18Å thickness
083 06 07 08 %T 09 001
、
、
。上置裝電光 及學光、子電等 鏡射反熱 及佈塗光反防、極電明透之池電能陽太、膜護防 波磁電、膜電靜抗、件元熱加明透、器示顯面平：用應要主 器示顯面平在用應 ，中料材 在：率用選 本日： 國造製膜薄 大最界世 來出成合早最司公礦銦國美被年 ：代年 物化氧銦之錫雜摻：分成 ） （ ：名全文英 物化氧錫銦：稱名文中
Pt
透明導電薄膜
Cu
Al
Cr
Pd
Rh
< 10nm
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 TiN b. 摻雜氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、 ZnO:Ga (GZO)、ZnO:Al (AZO)、 SnO2:F TiO2:Ta c. 混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、 Zn2SnO4
CVD
ITO
TCO
SnOx
InOx
DC
Why choose ITO ?
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 ?
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
5. TCO
質性學光的 理原電導的 紹介的料材物化氧電導明透種各及 展發來未及用應場市之膜薄
TCO薄膜之品質控制
TCO薄膜之品質需求
V¨o + 2eSnIn
是都 及
帶導 帶價
Ec Dorner level (Ed)
Ev Absent O atom
O Sn-interstitial Sn-substitutional
In
，中其 → →
Vo
doner
ITO 導電機制
(n-type TCO)
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(Oxygen vacancy) 一個 氧空缺，可以產生兩 個導電電子 Band gap (Eg) > 3.5eV Crystallized at T > 150 ºC
2. TCO的導電原理 3. TCO的光學性質 4. TCO薄膜之品質控制 5. TCO 薄膜之市場應用及未來發展
Section 1
1.
ITO及各種透明導電氧化物材料的介 紹
2. TCO 3. TCO 4. TCO
5. TCO
展發來未及用應場市之膜薄 制控質品之膜薄 質性學光的 理原電導的
什麼是透明導電薄膜?
(
p
TCO
TCO的光學性質
λgap
(energy gap)
λp
帶導到發激子電 的帶價將光射入
TCO的光學性質
率頻漿電 性明透響影會加增度密子載 。度密子載高提以物雜摻等 、 、 入加常通 ，率阻電的體導明透等 、 、 低降為
In2O3 SnO2 ZnO Sn Al Sb ω = (ne2/εom*)1/2
度濃
(%)
：度溫板基時膜成
度濃
RT
U S $ K/ g
002 004 006
M ar Ja 02' M n0 ar 3 ' ch M 03' ay Ju 03' l Se y 03 pt ' . N 03' ov 0 Ja 3' M n0 ar 4 ' ch M 04 ay ' Ju 04' l Se y 04 pt ' . N 04' ov 0 Ja 4' M n0 ar 5 ' ch M 05 ay ' Ju 05' ly Se 05 pt ' . N 05' ov Ja 05' n 06 '
數常電介之中空真： 量質效有的子載：
m*
間時的射散次一下到射散次此由時動移子載
τ：relaxation time (
)
TCO薄膜的導電原理
Rs = ρ × (L/D·W) ohms Rs = γ × (L/W)
阻電之面表膜薄為義定 被 阻電面，常通 。性電導的體導體於別有性電導的膜薄的討探中器示顯面平
Wavelength
射散的光成造 ，出析 Ω × 小最率阻電
中
在雜摻
Sb
3.98 10-3 -cm Sb2O5
電阻比 = 面阻值 x 膜厚
(ρ = γ x D)
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) λ/4，m=1,2,3,4….。
ITO
成生陷缺的 子離及入混的 物雜摻由子載
1018 1022 ~10~23 cm-3
TCO薄膜的導電原理
載子的mobility (µ) µ = eτ/εom*
εo
要提昇載子的mobility
τ ↑：與 TCO 薄膜的結構有關。 TCO 薄膜的defect 愈少， τ ↑。(extrinsic effect) m* ↓：取決於TCO 材料。 (intrinsic effect)
在可見光波長範圍內具有可接受之透光度 以flat panel display 而言 透光度愈高愈好 以solar cell 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ρ <10-4 Ωּcm
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 Ωּ cm，即是良好透明導電膜。
供提
：源來料資
0
008
0001
Why Consider other TCO then ITO?
UMICORE
心中資經院研工：源來料資
金合銦
12%
他其
5%
業產體導半
5%
物合化銦
8%
業產器示顯面平
銦(In)礦的主要應用
70%
各種TCO材料 -ZnO系透明導電膜
ZnO:In (IZO) (2~4 ×10-4 ZnO:Ga(GZO) (1.2×10-4 ZnO:Al (AZO) (1.3×10-4 ZnO:Ti
2×10-4 ohm-cm 10 ohm/ 2 ×10-5 cm (2000 Å)
OTI
gA 087 086 )mn(htgnelevaW 085 084 083
09 88 68 T% 48 28 08
魚與熊掌不可兼得
γ = ρ/D
ITO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
(a) Amorphous –ITO (b) Crystallized-ITO
TCO薄膜的導電原理
材料之導電率 σ σ = neµ
﹚
TCO ~1019 cm-3
的子載： 量電的子載： 洞電及子電 括包料材 就 度濃子載 中其
n= e µ ( TCO ) mobility
約度濃子載屬金﹙ 約度濃子載， 的好最性電導中
(mOhm cm)
SnO2
(%)
透 光 度 度濃
@550 nm (%)
電 阻 比
ITO之組成及特性
ITO 組成在 In2O3/SnO2 = 90/10時 最快的蝕刻速率
Etching Rate (µ/min)
Etching Rate (µ/min)
SnO2
(%)
SnO2
ITO
200ºC
ITO
Hale Waihona Puke ：度溫板基時膜成87 08 T r a 28 n s 48 p a r e 68 n t ( 88 % ) 5 09 5 0 n 29 m 49
ITO的光學性質
3 00
2 07
2 04
2 01
ssenkciht OTI
1 08
1 05
1 02
09
06
03
0
Section 4
1. ITO
2. TCO 3. TCO
4. TCO薄膜之品質控制
ITO 面阻值(γ) 之量測方式
四點探針：
ITO 薄膜厚度(D) 之量測方式
α-Step 膜厚量測儀示意圖：
ITO
板基璃玻
膜薄
針探
TCO薄膜的導電
• 比較ITO及銀薄膜的面電阻及穿透度
ITO ρ γ = ρ/D D = ρ/γ
29
Ag 1.8×10-6 ohm-cm 10 ohm/ 1.8 ×10-7 cm (18 Å)
1934
透明導電薄膜主角-- ITO
ITO
TCO
Indium Tin Oxide ITO
(heat reflecting mirror) 75%
(Tin-doped Indium Oxide)
流主的程製上場市為成 鍍 濺控磁，主為料材 以用應性電導明透的要主，代年 用應被泛廣 始開料材 式各，易容趨更制控之程製積沉使， 鍍濺 控磁 用使，發開材靶瓷陶 之性電導有具，代年 膜薄 性 透高、值阻面低到達能均板基膠塑及璃玻在論不，程製膜沉 溫低使，發開﹚ ﹙鍍濺控磁 ，代年 及 積沉式方 及 以，代年 上板基璃 玻於 積沉式方 及 以，代年 在用應，膜鍍電導明透為料材 用使早最年
2. 3. 3.
性化耐其高提來 中料材系 於 、 加添以常通， 差 比性化耐 易容制控程製，膜成下境環 在可材靶 分部 宜便 比格價 大能產產礦
特點：1. ZnO
ITO
(> 200% cost saving) 100% Ar
AZO
ITO
、 法積沉射雷衝脈 Ω 、法 壓減 Ω 、 法積沉射雷衝脈 Ω Ω
1970 ITO. 1907 CdO photovoltaic cells. 2000 ITO 1980 1940 ITO 1990 ITO . . .
History of TCO
Evaporation
Spray Pyrolysis
magnetron sputtering
TCO
.
Sputtering
(surface resistance, γ) or (sheet resistance, Rs)
L=W
率電導於比反 抗阻體稱又 比阻電
( ρ = 1/ σ ohm-cm
, ρ)
(conductivity, σ)
，中積面方平之
：位單
個一在設假 則 定設
阻電面
W
D L
γ = ρ/D (
ohms/ ) Rs = γ