04-薄膜是电子学的应用.ppt

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1、薄膜电子学的应用,金 浩 Oct. 28, 2011,纲要,透明导电薄膜（TCO） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,纲要,透明导电薄膜（TCO） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,透明导电薄膜 (TCO) 之原理及其应用发展,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,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.

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 具有导电特性 电阻率(resistivity) 越小越好，通常 10-4 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，其电阻率低于110-4 cm，即是良好透明导电膜。,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

3、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,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) 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photovoltaic cells. 1940年代，以

4、Spray Pyrolysis及CVD 方式沉积SnOx于玻璃基板上. 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，为低温沉膜制程，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 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：Ind

5、ium Tin Oxide（ITO） 成分：掺杂锡之铟氧化物(Tin-doped Indium Oxide) 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。,ITO是么？,ITOIndium Tin Oxide(In2O3SnO2) ITO的成分90wt% In2O3与10wt% SnO2混合物,Why choose ITO ?,在TCO

6、材料中有最佳的导电性(电阻率低) 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?,ITO之组成及特性,ITO 组成在In2O3/SnO2 = 90/10时 最低的电阻率及最高的光穿透率,ITO 组成在In2O3/SnO2 = 90/10时 最快的蚀刻速率,ITO成膜时基板温度：200C ITO成膜时基板温度：RT,ITO之组成及特性,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,主要成员：ZnO (35 10-4 -cm) ZnO:In (IZO) (24 10-4 -cm )、 ZnO

7、:Ga(GZO) (1.210-4 -cm)、 ZnO:Al (AZO) (1.310-4 -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。,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

8、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,Band gap (Eg) 3.5eV Crystallized at T 150 C,材料之导电率 = ne 其中n = 载子浓度 (就TCO材料包括电子及空洞) e：载子的电量 ：载子的mobility,TCO中导电性最好的ITO，载子浓度约10181019 cm-3 金属载子浓度约1022 1023 cm-3,TCO薄膜的导电原理,载子由掺杂物的混入及 离子的缺陷生成,TCO薄膜的导

9、电原理,载子的mobility () = e/om* ：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 o：真空中之介电常数 要提升载子的mobility ：与TCO 薄膜的结构有关。TCO 薄膜的defect愈少， 。(extrinsic effect) m*：取决于TCO 材料。(intrinsic effect),TCO薄膜的导电原理,电阻率(又称体阻抗, ) 反比于导电率(conductivity, ) = 1/ 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, )

10、 or (sheet resistance, Rs) 被定义为薄膜表面之电阻,电阻 R = (L/DW) Ohm 设定Rs = /D (单位：Ohm/ ) 则R = Rs (L/W), L/W表示有几个方块 假设在一个L = W 之平方面积中，R= Rs,TCO薄膜的导电,比较ITO及银薄膜的面电阻及穿透度,鱼与熊掌不可兼得, = /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.

11、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：由等离子频率(p，plasma frequence) 决定,紫外線區,由等离子频率决定的波长 (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,等离子媒介可看成高通滤波器,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 电浆频率p = (4ne2/m*)1/2,载子浓度n增加，变大，光吸收范围向可见光扩展,TCO的光学性质,以ZnO为例， = (4ne2/m*)1/2

12、 = 4 4.3 1019 (1.6 10-19)2 0.24 0.91 10-30 = =2/ = =789 nm,1/2,其中: n：载子浓度 e：载子的电量 m*：传导有效质量,AZO (antimony doped tindioxide),Sb2O5析出， 造成光的散射,掺杂物(载子)密度对透光度的影响,Sb(锑)摻雜在SnO2中,電阻率最小 3.98 10-3-cm,Sb,电阻率= 面阻值 膜厚 ( = D),低面阻值ITO玻璃镀膜，电阻率越低越好 考虑高穿透率，膜厚的设计必须避免建设性的干涉， 所以nd=(2m+1)/4，m=1,2,3,4.。,ITO的光学性质,D,穿透度低的话(

13、膜的厚薄)， 反射率相对提高，就易造成干涉。,1. 高穿透度、吸收小 2. 低电阻率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,TCO薄膜之质量需求,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,Disp

14、lay Application AM LCD,偏光板,TFT,彩色濾光片,玻璃基板,透明電極,液晶,信號電極,掃描電極,TFT,玻璃基板,透明電極,偏光板,Display Application OLED,Display Application AMOLED,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,纲要,透明导电薄膜（TCO

15、） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,薄膜太阳能电池介绍,薄膜太阳电池可以使用价格低廉的基板来制造，形成可产生电压的薄膜，厚度仅需数m。,薄膜太阳能电池分类,表一：薄膜太阳能电池分类,薄膜太阳能电池优势,表二：硅晶圆太阳能电池与薄膜太阳能电池的比较,薄膜在a-Si thin film solar cells 的应用,a-Si薄膜太阳能电池结构,根据光入射方向可概略分为Superstrate和Substrate结构两种。,图(a) Superstrate结构,图(b) Substrate结构,a-Si薄膜太阳能电池结构,LIGHT,图(c)： a-Si薄膜太阳能电池Superstrate结构

16、示意图。,薄膜应用,LIGHT,抗反射层：主要是用来使透光率提升而不被反射。,1.抗反射层,薄膜应用,2.TCO层(Transparent conductive oxide),TCO层：需具有高光穿透率、极佳导电特性，用来当透明电极。,薄膜应用,3.非晶硅层,非晶硅层：主要是经由光电效应产生光电流。,薄膜应用,.背反射层,背反射层：使还没利用到的光反射再次进入光吸收层，需具有高的反射率。,a-Si薄膜太阳能电池小结,在非晶硅薄膜太阳能电池中，溅镀或以其他方式在玻璃或金属基板上生成薄膜的生产方式成熟，成本相对比硅晶圆低廉许多，使得发展空间增大。 优化的薄膜层，如镀在玻璃上的抗反射层，TCO层，背

17、反射层，可使光在光吸收层的路径增加，以提高效率。,55,薄膜在CIGS thin film solar cells 的應用,56,Outline,CIGS简介 CIGS优势条件 CIGS太阳能电池组件结构 Nanosolar 薄膜太阳能电池,57,CIGS简介,铜铟镓硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)属于化合物半导体，CIGS随着铟镓含量的不同，其光吸收范围可从1.02 eV至1.68 eV。 若是利用聚光装置的辅助，目前转换效率已经可达30%，标准环境测试下组件转换效19.5%，采用软性塑料基板的最佳转换效率也已经达到14.1%。 美国Nanosol

18、ar公司达成重大突破，研发出roll to roll方式的-CIGS薄膜太阳能电池，不仅轻巧、可塑性高，更适合大量生产，能大幅降低成本。,58,CIGS优势条件,优于单晶光伏组件的要素: (1)成本低 (2)制程能源需求低 (3)大面积组件高效 (4)产成品高 (5)应用范围广泛 (玻璃基板、锈钢、 塑料聚合物、锡箔等 可挠式基板)。,优于其他薄膜光伏组件的要素: (1)组件转换效最高 (2)稳定与抗射特性良好 (3)无环境污染以及产阻碍 问题 (4)无法克服质p 型吸收层 欧姆接点,59,CIGS太阳能电池组件结构,Glass / Stainless Steel / Polymer,基板,C

19、IGS (1.52m),Mo (0.51.5m),背电极,吸收层,CdS(0.05m),缓冲层,i-ZnO(0.05m),纯质氧化锌,TCO (ZnO:Al)(0.51.5m),透明导电层,顶端电极 Ni / Al,Sputter,Vacuum method Non-Vacuum method,Chemical Bath deposition,Sputter,60,CIGS太阳能电池组件结构,通常使用钠玻璃(Soda-lime) 基板，钠玻璃除了价格便宜外，热膨胀系数与CIGS 吸收层薄膜相当接近。 在成长薄膜时，因基板温度接近钠玻璃的玻璃软化温度，所以钠离子将会经过钼金属薄膜层扩散至吸收层。

20、 当钠离子跑至CIGS 薄膜时，会使薄膜的晶粒变大，且增加导电性，降低串联电阻。,Glass / Stainless Steel / Polymer,61,CIGS太阳能电池组件结构,用直溅镀或者电子束蒸镀的方式积一层钼(Mo)当作背电极，接正极。 钼金属与CIGS薄膜具有良好之欧姆接触特性，此外钼金属薄膜具有高度的光反射性、低电阻。,Glass / Stainless Steel / Polymer,Mo (0.51.5m),62,CIGS太陽能電池元件結構,吸收层CIGS 本身具黄铜矿结构(Chalaopyrite)，可以藉由化学组成的调变直接得到P-type 或者是N-type 。 Va

21、cuum method (1) 共蒸镀(Co-evaporation) (2) 溅镀(Sputtering ) Non-Vacuum method (1) 电镀(Electrodeposition) (2) 涂布制程(Coating Process),Glass / Stainless Steel / Polymer,CIGS (1.52m),Mo (0.51.5m),63,Vacuum method- Co-evaporation,1. In, Ga and Se were Co-evaporated at 400 2. Cu and Se were co-deposited while t

22、he substrate temperature was ramped up to 580 . 3.In, Ga and Se were coevaporated still at 580 ，The samples were then cooled in Se atmosphere down to 250 ,3-stage process,64,CIGS太阳能电池组件结构,缓冲层硫化镉可以用来降低ZnO 与CIGS 间之能带上的不连续(band discontinuity) 。 使用化学水浴沉积法(chemical bath deposition，简称CBD) 成长，可提供CIGS 上表面平整

23、的均匀覆盖。 缓冲层要求高透光率，以便能使入射光顺利进入主吸收层材料被有效的吸收。,Glass / Stainless Steel / Polymer,CIGS (1.52m),Mo (0.51.5m),CdS(0.05m),65,化学水域沉积法,化学水浴沉积法 (Chemical bath deposition) 是一种制备半导体薄膜的技术，方法是将基板浸入含有金属离子及OH-、S2- 或Se2- 离子的水溶液中，藉由控制水溶液的温度及pH 值，使金属离子与OH-、S2- 或Se2- 离子产生化学反应，形成化合物半导体沉积在基板上。,66,CIGS太阳能电池组件结构,透明导电膜(TCO) 要

24、低电阻、高透光率，但ZnO 本身是高电阻材料，因此外加铝重掺杂氧化锌(ZnO: Al) 改善其电性，但是会降低透光率，因此须在此找到最适合的掺杂浓度 。 多半用RF 溅镀法(RF sputter)达成镀膜。,Glass / Stainless Steel / Polymer,CIGS (1.52m),Mo (0.51.5m),CdS(0.05m),i-ZnO(0.05m),TCO (ZnO:Al)(0.51.5m),67,CIGS太阳能电池组件结构,蒸镀上镍/铝(Ni/Al)属层当作顶层电极，接负极。,Glass / Stainless Steel / Polymer,CIGS (1.52m)

25、,Mo (0.51.5m),CdS(0.05m),i-ZnO(0.05m),TCO (ZnO:Al)(0.51.5m),68,Nanosolar 薄膜太阳能电池,是世界上第一个印制而成的薄膜太阳电池，也是世界上第一个最低售价的太阳能板。 在金属基板上将半导体涂料利用印刷技术量产的薄膜太阳电池。 是目前最简单、快速且产量最大，但相对成本较低的制程技术 。,69,滚动条式(roll to roll)的CIGS太阳能电池,将铜铟镓硒奈米粉体直接喷洒于铝箔上，而铝箔的导电率是不锈钢的20倍，可当作下电极 。 利用滚动条式(roll to roll)的方式印制，将这些粉体依正确的原子比例完整且均匀的沉积

26、于基板上。 其结构与传统之CIGS电池相似，但成本却降至传统电池的一半以下。,纲要,透明导电薄膜（TCO） 薄膜太阳能电池 SAW及FBAR器件,注：SSBW, Surface Skimming Bulk Wave STW, Surface Transverse Wave,注： SAFM, Scanning Acoustic Force Microscopy,表面声波传感器的种类,注： named after the British scientists who discovered it, Lord Rayleigh.,注：IgG是免疫球蛋白G(Immunoglobulin G，IgG)的缩

27、写。根据结构的不同将免疫球蛋白分为五种，IgG是人的免疫球蛋白之一，其他还有lgA、lgM、IgD和lgE.。,注： named after the British scientists who discovered it, A.E.H. Love.,FBAR,Film Bulk Acoustic Resonator,Agilent FBAR双工器实物剖析,ST在ISSCC 2005上发布全球第一款集成FBAR滤波器的WCDMA接收IC，采用GeSi:C BiCMOS工艺，AlN作压电薄膜,三种主流结构的FBAR,空气隙FBAR的制备工艺,表面微机械工艺，需要 CMP 处理,固态装配型FBAR

28、制备工艺,需要制备多层高低阻抗交替的声学层作为布拉格反射层用，且每层厚度需精确控制在四分之一波长,硅反面刻蚀型FBAR制备工艺,Linear Momentum,Gauss Law in Piezoelectric,Electromechanical Constitutive Eqs.,Wave Equation,0,z,air,air,x,One-Dimensional FBAR Model,Stress and displacement continuous at the boundaries between layers Zero stress on free surfaces,Pt,Al

29、N,Al,PM film,reflected,incident,FBAR Impedance from Cascaded ABCD Matrices,Stress = Voltage Velocity = Current,MBVD model,Equivalent Circuit of FBAR,Co,Rx,Lx,Cx,ZL,Unloaded FBAR,Loading by Al, Pt, and film,fs,fp,Between fs and fp the crystal is inductive with Lx ideally varying from 0 to ,FBAR传感器原理,

30、AlN,Au,敏感薄膜,原理：1. FBAR表面微小的质量变化微小的频率变化,2. 敏感薄膜对特定的待检测物具有选择性,Au,FBAR的传感器的结构,电子鼻,用来检测甲醛、甲苯等有害气体 如：用TiO2做敏感膜检测甲苯； 用聚丙烯酰胺做敏感膜检测甲醛等,传感器阵列,Frequency generator & counter,An odor source with the known activity of components,Sensor array with different receptors,A response diagram of sensor array,可一次检测多种不同的气

31、体,压电传感器产品,NDK（日本电波株式会社） 30 MHz 免疫感应系统 QCM(基于石英的压电传感器)双感应器,质量传感器膜厚监控,主要厂商：Inficon,生物传感器科学分析仪器,主要厂商：Q-sense,Au sensor,Metals, oxides SiO2, Al2O3, Ti, Pt, Ag, W, Cu, Cr, Ir, Ta, FeC3, TaN, CeO2, Fe, Zn, ZnO2, Fe2O3, ZnS, FeS, Stainless steel, ., and custom made,Polymers PS, PC, PMMA, PTFE, PE, PP Users can coat with own polymers,Hydroxyapatite nanocrystalline, RMS 2 nm,