系科别电机工程系-建国科技大学

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1、建國科技大學一百年度學生專題製作摘要系科別：日間部四技電機工程系97級EE-414專題名稱：以射頻磁控濺鍍法沉積氧化鋅鋁透明導電薄膜指導老師：黃勝斌組員：劉興浩、童厚倫、蕭維珉、盧崇維、許家瑋一、簡介本專題研究用氧化鋅當透明導電薄膜的的材料，所謂透明導電膜即是近年來LCD產業下的熱門材料，而所謂透明導電膜即是一種吸收紫外光、可見光穿透與反射紅外線的材料，傳統上多使用ITO，但因為其成本高昂，所以一直有新材料想取代它。透明導電薄膜它是一種具有良好導電性，在可見光波長範圍具有高度透光性的材料，因此被廣

2、泛使用在透光與導電同時需要的光電元件中。透明導電薄膜材料(TransparentConductiveOxide,TCO)應用於平面顯示器是光電產業中重要熱門的研究題目之一。透明導電膜是在可見光範圍內(波長380-760nm)具有80%以上的透光率，而且導電性高，其比電阻值低於1x10¯³Ω-cm的薄膜。在電性方面，藉由n型或p型摻雜物的摻入，提供自由載子，使薄膜具有導電性。二、動機目前透明導電薄膜以銦錫氧化物(IndiumTinOxide，ITO)為主流。相較於ITO，氧化鋅(ZnO)薄膜，在適當

3、條件下可製作出與ITO相媲美之特性且價格低廉，極具競爭優勢。鋅在地球內的含量豐富，而氧化鋅本身亦無毒性，可低温成長及在H2電漿中比ITO穏定等優點。因此提高了ZnO薄膜在未來透明導電膜的地位與應用潛力。光電特性方面氧化鋅是直接能帶隙的(Ⅱ-Ⅵ)族半導體材料，其光學能隙(opticalbandgap)寬度約為3.3eV，大於可見光的能量，使得ZnO膜對於可見光區具有高透光度。光電材料方面，為了改善它的導電率，一般摻雜鋁、鎵、銦等雜質，其導電性會大大的提升。三、功能(一)可見光範圍內(波長380-76

4、0nm)具有80%以上的透光率。(二)導電性高，其比電阻值低於1x10¯³Ω-cm的薄膜。(三)藉由n型或p型摻雜物的摻入，提供自由載子，使薄膜具有導電性。(四)無毒性，可低温成長及在H2電漿中比ITO穏定。(五)可製作出與ITO相媲美之特性且價格低廉，極具競爭優勢。(六)鋅在地球內的含量豐富。四、特色(一)氧化鋅(zincoxide，ZnO)能隙寬度(opticalbandgap)約為3.3eV，電子束縛能高達60meV。(二)氧化鋅的晶格常數為a=3.24Å，c=5.19Å，熔點為1975℃，

5、溶於酸鹼，但不溶於水、酒精，為一種金屬氧化物半導體膜，具有直接能隙(DirectBandgap)的能帶結構。(三)氧化鋅屬於直接能隙半導體，在高能量如紫外線、X-ray的激發之下，能釋放出特殊波長(藍、綠)的螢光，更有良好的發光效率(≈10%)。(一)ZnO薄膜中摻雜Al原子不僅提高導電性，也可增加其穿透率，原因是因為Al原子與O原子形成Al2O3，而Al2O3的生成有較高的透光性。一、原理未掺雜的ZnO薄膜在使用上性質並不穩定，是因為對氧原子的化學吸附及脫附能力有關，且其導電性質與製成方法有關。

6、所以在實際運用上，未摻雜的ZnO薄膜略差於In2O3及SnO2薄膜；但是，摻雜後的ZnO薄膜具有非常穩定的導電及光學性質，所以常被用在光電元件上。和氧化鋅比較，ZnO:Al薄膜其晶體結構與ZnO薄膜相同，為纖鋅礦結構（Wurzitehexagonalstructure），一部分的鋁原子取代鋅原子的晶格位置，由於Al3+的離子半徑為0.54Å較Zn2+離子半徑0.74Å要來的小，所以造成ZnO:Al薄膜的C軸晶格常數略小於ZnO薄膜。在電性方面，由於Al3+取代Zn2+的晶格位置或是佔據氧化鋅晶格中

7、的間隙位置，提高載子濃度，提供傳導電子，降低電阻率。但Al原子在氧化鋅晶格中是離子化雜質散射中心(ionizedimpurityscatteringcenters)，同時也有可能佔據晶格結構中之間隙位置而讓結晶變形，導致電子移動率下降，因此鋁摻雜需要有一定適當的量。在氧化鋅薄膜掺雜鎵可在低溫下得到電性佳之薄膜，基本上其導電原理與摻雜鋁大同小異，但其導電性較不受結晶性影響。二、設備靶材製作方面：清洗台、電子磅秤測量器、滾輪機、高精密快速升溫溫控高溫方形爐高溫爐溫度控制器、模具、壓靶機、出模機、高溫爐

8、溫度控制器膜膜製程方面：玻璃試片、超音波震盪器、氮氣槍(瓶)、多靶源濺鍍系統薄膜量測方面：三用電表、熱退火處理機、可見光分光光譜儀、霍爾效應量測三、運用時機液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器(PDP)、觸摸型顯示器(touchpanel)、有機發光元件(OLED)、CRT的抗輻射線高透光保護鏡、太陽能電池、光感測元件。四、指導老師評語本專題提供了專題小組成員對薄膜工程及透明導電膜的開發與應用最基礎的認識和學習的機會，學生從專題的製作過程中可學習到半導體真空設備及製程的基本能力和分工合