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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. TCO的导电原理3.
2、 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早期使用之透明电极缺点：光的吸收度大
3、、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、TiNb. 掺杂氧化物：In2O3:Sn (ITO)、ZnO:In (IZO)、ZnO:Ga (GZO) ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、TiO2:Tac. 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Spray Pyrolysis及CVD 方式
4、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：Indium Tin Oxide（ITO）成分：掺杂
5、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
6、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:Ga(GZO) (1.210-4 -cm)、ZnO:Al (AZO) (1.31
7、0-4 -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
8、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) 3.5eVCrystallized 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薄膜的导电原理,载子的mobility () = e/om* ：relaxation time (载子移动时由此次散
9、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, ) or (sheet resistance, Rs) 被定义为薄膜表面之电阻,电阻R = (L/DW) Ohm设定R
10、s = /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, = /DITO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
11、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 = 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
12、：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(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
13、易6. 耐候性佳，受环境影响小7. 无Pin hole8. 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,Display 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 Applica
14、tion 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）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
15、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
16、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N
17、anosolar 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Nanosolar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
18、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,CIGS (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 /
19、Al,Sputter,Vacuum methodNon-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。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
20、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 。 Vacuum method (1) 共蒸镀(Co-evaporation) (2) 溅镀(Sputtering )Non-Vacuum method (1) 电镀(Electrodeposition) (2) 涂布制程(C
21、oating 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 thesubstrate temperature was ramped up to 580 .3.In, Ga and Sewere coevaporated still at 580 ，The samples were
22、then cooled in Seatmosphere 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,
23、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 / Stain
24、less 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),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
25、。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 Tr
26、ansverse 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. Lov
27、e.,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,Electromechanica
28、l Constitutive Eqs.,Wave Equation,0,z,air,air,x,One-Dimensional FBAR Model,Stress and displacement continuous at the boundaries between layersZero stress on free surfaces,Pt,AlN,Al,PM film,reflected,incident,FBAR Impedance from Cascaded ABCD Matrices,Stress = VoltageVelocity = Current,MBVD model,Equ
29、ivalent 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,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
30、,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, oxidesSiO2, Al2O3, Ti, Pt, Ag, W, Cu, Cr, Ir, Ta, FeC3, TaN, CeO2, Fe, Zn, ZnO2, Fe2O3, ZnS, FeS, Stainless steel, ., and custom made,PolymersPS, PC, PMMA, PTFE, PE, PPUsers can coat with own polymers,Hydroxyapatitenanocrystalline, RMS 2 nm,
