TCO(透明导电层)的原理及其应用发展

ITO是什么？
➢ITO＝Indium Tin Oxide(In2O3＋SnO2) ➢ITO的成分＝90wt%In2O3与10wt% SnO2混合物
Why choose ITO ?
➢在TCO材料中有最佳的导电性(电阻比低) ➢在可见光波段有良好的透光度 ➢良好的耐候性，受环境影响小 ➢大面积镀膜制程容易(成熟) ➢蚀刻制程容易(成熟) ➢成本低?
➢具有导电特性
电阻比(resistivity)愈小愈好，通常ρ <10-4 Ωּ cm
➢一般而言，导电性提高，透光度便下降，反之亦然。可见光 范围具有80 %以上的透光率，其比电阻低于1×10-4 Ωּcm，即 是良好透明导电膜。
透明导电薄膜
➢纯金属薄膜
✓Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在< 10nm厚度的薄膜， 均有某种程度的可见光透光度
ITO之组成及特性
ITO组成在In2O3/SnO2 =90/10时 ➢最低的电阻比及最高的光穿透率
ITO之组成及特性
ITO组成在In2O3/SnO2 =90/10时 ➢最快的蚀刻速率
ITO成膜时基板温度：200ºCITO成膜时基板温度：RT
铟(In)矿的主要应用
数据源：工研院经资中心
各种TCO材料-ZnO系透明导电膜
Sb
电阻率最小 3.98 ×10-3Ω-cm Sb2O5析出， 造成光的散射
ITO的光学性质
电阻比=面阻值x膜厚 (ρ = γ xD)
➢低面阻值ITO玻璃镀膜，电阻比越低越好 ➢考虑高穿透率，膜厚的设计必须避ห้องสมุดไป่ตู้建设性的干涉，
所以nd=(2m+1)λ/4，m=1,2,3,4….。
D 穿透度低的话(膜的厚薄)， 反射率相对提高，就易造成干涉。
紫外线区
TCO的光学性质
➢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 以ZnO为例，
➢电浆频率ω = (4πne2/m*)1/2
ω = (4πne2/m*)1/2 = 4πx4.3x1019x(1.6x10-19)2
✓早期使用之透明电极 ✓缺点：光的吸收度大、硬度低、稳定性差
透明导电薄膜
➢金属化合物薄膜(TCO)
泛指具有透明导电性之氧化物、氮化物、氟化物
a.氧(氮)化物：In2O3、SnO2、ZnO、CdO、TiN b.掺杂氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (GZO)
主要成员：ZnO (3~5×10-4 Ω-cm) ZnO:In (IZO) (2~4×10-4 Ω-cm )、 ZnO:Ga(GZO) (1.2×10-4 Ω-cm)、 ZnO:Al (AZO) (1.3×10-4 Ω-cm)、 ZnO:Ti
特点：1.ZnO矿产产能大。 2.价格比ITO便宜(> 200% cost saving) 。 3.部分AZO靶材可在100%Ar环境下成膜，制程控制容易。 4.耐化性比ITO差，通常以添加Cr、Co于ZnO系材料中来 提高其耐化性。
Band gap (Eg) > 3.5eV Crystallized at T > 150 ºC
TCO薄膜的导电原理
➢材料之导电率σ
σ =neμ
其中n=载子浓度 (就TCO材料包括电子及电洞)
e：载子的电量 μ：载子的mobility
载子由掺杂物的混入及 离子的缺陷生成
TCO中导电性最好的ITO，载子浓度约1018~1019 cm-3 ﹙金属载子浓度约1022 ~10~23 cm-3﹚
1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍
透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, 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薄膜的导电原理
(n-type TCO)-- ITO
➢In2O3为氧化物半导体，加入SnO2作为杂质参杂，可以产生一个导电电子 ➢In2O3晶格中之氧缺陷(Oxygen vacancy)一个氧空缺，可以产生两个导电电子
透明电极
偏光板
Display Application
OLED
Display Application
PDP
Touch Panel
Solar cell
Electrochromic Window (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
1970年代，以Evaporation及Sputtering方式沉积InOx及ITO.
1980年代，磁控溅镀﹙magnetron sputtering﹚开发，使低温沉膜制程， 不
论在玻璃及塑料基板均能达到低面阻值、高透性ITO薄膜.
1990年代，具有导电性之TCO陶瓷靶材开发，使用DC磁控溅镀ITO， 使
TCO薄膜之质量需求
1.高穿透度、吸收小 2.低电阻比﹙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Pin hole 8.无Hill lock
1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍
透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, TCO)
透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide, 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flat panel display而言透光度愈高愈好 以solar cell而言太阳光全波长范围之透光度及热稳定性
TCO薄膜的导电原理
➢载子的mobility (μ)
μ =eτ/εom*
τ：relaxation time(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 εo：真空中之介电常数
➢要提升载子的mobility
τ↑：與TCO薄膜的结构有关。TCO薄膜的defect愈少， τ ↑。(extrinsic effect)
参考文献
➢工业材料杂志256期 ，廖镕榆/工研院材化所 ➢材料最前线/材料世界网 ，吴金宝/工研院材化所 ➢工业材料杂志第255期 ，刘秀琴、张志祥/工研院材化所 ➢http://www.itrc.org.tw/Research/Product/Vacuum/transparent.php ➢仪科中心简讯85期 ，真空技术组 潘汉昌。 ➢氧化锌-铝多层膜之结构与光电特性研究，林正伟。 ➢http://163.23.218.33/c49-1149554558 ➢以溅射共沉积法成长Cu2O：Al之P型透明导电膜研究，邱俞翔、施佑杰、戴渊竣、包正纲。
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(energy gap)决定 在长波长的透光范围：由电浆频率(ωp，plasma frequence)决定
由电浆频率决定的波长 (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
被定义为薄膜表面之电阻
面电阻 Rs = ρ × (L/D·W) ohms
设定γ = ρ/D (单位：ohms/ ) 则Rs = γ × (L/W) 假设在一個L=W之平方面积中，Rs = γ
TCO薄膜的导电
➢比较ITO及银薄膜的面电阻及穿透度
ρ γ=ρ/D D=ρ/γ
ITO 2x10-4 ohm-cm
透明导电薄膜(TCO) 之原理及其应用发展
TYN 2012/12/12
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(Transparent Conductive Oxide, 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
1.ITO及各种透明导电氧化物材料的介绍
m*↓：取决於TCO材料。(intrinsic effect)
TCO薄膜的导电原理
➢电阻比(又称体阻抗,ρ)反比于导电率(conductivity,σ) ➢ρ= 1/σ 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(surface resistance,γ) or (sheet resistance, Rs)
年代：1934年被美国铟矿公司最早合成出来
世界最大ITO薄膜制造国：日本
选用率：在TCO材料中，75%应用在平面显示器 主要应用：平面显示器、透明加热组件、抗静电膜、电
磁、防护膜、太阳能电池之透明电极、防反 光涂布及热反射镜(heat reflecting mirror)等 电子、光学及光电装置上。
ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、TiO2:Ta c.混合氧化物：In2O3-ZnO、CdIn2O4、Cd2SnO4、Zn2SnO4
History of TCO
1907年最早使用CdO材料为透明导电镀膜，应用在photovoltaiccells.
1940年代，以Spray Pyrolysis及CVD方式沉积SnOx于玻璃基板上.
沉积制程之控制更趋容易，各式TCO材料开始广泛被应用.
2000年代，主要的透明导电性应用以ITO材料为主，磁控溅镀ITO成为 市
场上制程的主流.
透明导电薄膜主角-- ITO
中文名称：铟锡氧化物 英文全名：Indium Tin Oxide（ITO）
成分：掺杂锡之铟氧化物(Tin-doped Indium Oxide)
1/2
0.24x0.91x10-30
其中，n：载子浓度 e：载子的电量
m*：传导有效质量
= 7958529.409 ω=2π/λ =>λ=789nm
载子浓度n增加，ω变大， 光吸收范围向可见光扩展
掺杂物(载子)密度对透光度的影响
AZO (antimony doped tindioxide)
Sb掺杂在SnO2中
10 ohm/ 2x10-5 cm (2000Å)
Ag 1.8x10-6 ohm-cm
10 ohm/ 1.8x10-7 cm (18Å)
鱼与熊掌不可兼得
γ = ρ/D
ITO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(Transparent Conductive Oxide, 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
Display Application
PM LCD
Display Application
AM LCD
TFT
偏光板 玻璃基板 彩色滤光片 透明电极 液晶 信号电极
扫描电极
TFT 玻璃基板