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在可见光波长范围内具有可接受之透光度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
2、太阳光全波长范围之透光度及热稳定性具有导电特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。可见光范围具有范围具有80%以上的透光率，其电阻以上的透光率，其电阻率率低于低于1 10-4?cm，即，即是良好透明导电膜。是良好透明导电膜。纯金属薄膜纯金属薄膜 Au、Ag、Pt、Cu、Al、Cr、Pd、Rh，在 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
3、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)3.TCO的光学性质4.TCO 薄膜之市场应用及未来发展 (n-type TCO)-ITOIn2O3为氧化物半导体，加入为氧化物半导体，加入SnO2作为杂质参杂，可以产生一个导电电子作为杂质参杂，可以产生一个导电电子In2O3晶格中之氧缺陷晶格中之氧缺陷(Oxygen vacancy)一个氧空缺，可以产生两个导电电子一个氧空缺，可以产生两个导电电子Band gap(Eg)3.5eVCrystallized at T 150 C材料之导电率材料之导电率 =ne其中n
4、=载子浓度 (就TCO材料包括电子及空洞)e：载子的电量 ：载子的mobilityTCO中导电性最好的中导电性最好的ITO，载子浓度约，载子浓度约10181019 cm-3金属载子浓度约金属载子浓度约1022 1023 cm-3载子由掺杂物的混入掺杂物的混入及 离子的缺陷生成离子的缺陷生成载子的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TC
5、O 材料。(intrinsic effect)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电阻R=(L/DW)Ohm设定设定Rs=/D (单位：单位：Ohm/)则则R=Rs (L/W),L/W表示有几个方块表示有几个方块假设在一个假设在一个L=W 之平方面积中，之平方面积中，R=Rs比较比较ITO及银薄膜的面电阻及穿透度及银薄膜的面电阻及穿透度ITOAg2x10-4 ohm-cm1
6、.8x10-6 ohm-cm=/D10 Ohm/10 Ohm/D=/2x10-5 cm(2000)1.8x10-7 cm(18)=/DITO薄膜的导电性要好薄膜的导电性要好(面电阻低面电阻低)，膜厚要增大，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度会降低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4.TCO 薄膜之市场应用及未来发展TCO在短波长的透光范围：由能隙在短波长的透光范围：由能隙(energy gap)决定决定 在长波长的透光范围：由在长波长的透光范围：由等离子等离子频率频率(p
7、，plasma frequence)决决定定紫外線區由由等离子等离子频率决定的波长频率决定的波长(此一波长随载子浓度而移动此一波长随载子浓度而移动)入射光将价带的入射光将价带的电子激发到导带电子激发到导带等离子媒介可看成等离子媒介可看成高通滤波器高通滤波器为降低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载子浓度载子浓度n增加，增加，变大，变大，光吸收范围向可见光扩展光吸收范围向可见光扩展以ZnO为例，=(4ne2/m*)1/2 =4 4.3 1019 (1.6 10-19)2 0.
8、24 0.91 10-30 =2/=789 nm1/27958529.409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，析出，造成光的散射造成光的散射Sb(锑锑)摻雜在SnO2中電阻率最小電阻率最小3.98 10-3-cmSb电阻电阻率率=面阻值面阻值 膜厚膜厚(=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.。D穿透度低的话穿透度低的话(膜的厚薄膜的厚薄)，反射率相对提高，就易造成干涉。反射率相对提高，就易造成干涉。1.高
9、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 hole8.无Hill lock1.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 PM LCD AM LCD偏光板偏光板TFT彩色濾光片彩色濾光片玻璃基板玻璃基板透明電極透明電極液晶液晶信號電極信號電極掃描電極掃描電極TFT玻璃基板玻璃基板透明電極透明電極偏光板偏光板 OLED AMOLED PDPTouch PanelSolar cell
10、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高透光率ITO玻璃玻璃极低面电阻极低面电阻&高穿透率之研究高穿透率之研究超平坦透明导电膜超平坦透明导电膜在塑料基板成膜在塑料基板成膜(室温成膜室温成膜)靶材回收靶材回收纲要 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薄膜太阳能电池优势比较硅晶圆太阳能电池薄膜太阳能电池成本高低
11、硅膜厚度厚薄功率损耗多少表二：硅晶圆太阳能电池与薄膜太阳能电池的比较薄膜在薄膜在a-Si thin film solar cells 的应用的应用a-Si薄膜太阳能电池结构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.抗反射层抗反射层薄膜应用薄膜应用2.TCO层层(Transparent co
12、nductive oxide)TCO层：需具有高光穿透率、极佳导电特性，用来当透明电极。薄膜应用薄膜应用3.非晶硅层非晶硅层非晶硅层：主要是经由光电效应产生光电流。薄膜应用薄膜应用.背反射层背反射层背反射层：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薄膜太阳能电池小结l 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。l 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薄膜在薄膜在CIGS thin film solar
13、cells 的應用的應用56OutlineCIGS简介简介CIGS优势条件优势条件CIGS太阳能电池组件结构太阳能电池组件结构Nanosolar 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池57CIGS简介简介 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率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
14、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。58CIGS优势条件优势条件 优于单晶光伏组件的要素:(1)成本低 (2)制程能源需求低 (3)大面积组件高效率 (4)量产成品高良率 (5)应用范围广泛 (玻璃基板、不锈钢、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)组件转换效率最高 (2)稳定度与抗射特性良好 (3)无环境污染以及量产阻碍 问题 (4)无法克服质p 型吸收层 欧姆接点59CIGS太阳能电池组件结构太阳能电池组件结构Glass/Stainless Steel/Polymer基板基板CIGS(1.52m)Mo(0.51.5m)背电极背电
15、极吸收层吸收层CdS(0.05m)缓冲层缓冲层i-ZnO(0.05m)纯质氧化锌纯质氧化锌TCO(ZnO:Al)(0.51.5m)透明导电层透明导电层顶端电极顶端电极 Ni/Al Sputter Vacuum methodNon-Vacuum methodChemical Bath depositionSputter60CIGS太阳能电池组件结构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
16、薄膜的晶粒变大，且增加导电性，降低串联电阻。Glass/Stainless Steel/Polymer61CIGS太阳能电池组件结构太阳能电池组件结构 利用直流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/PolymerMo(0.51.5m)62CIGS太陽能電池元件結構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
17、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/PolymerCIGS(1.52m)Mo(0.51.5m)63Vacuum method-Co-evaporation1.In,Ga and Se were Co-evaporated at 400 2.Cu and Se were co-deposited while thesubstrate temperature was ramped up to
18、 580.3.In,Ga and Sewere coevaporated still at 580，The samples were then cooled in Seatmosphere down to 250 3-stage process64CIGS太阳能电池组件结构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。Glas
19、s/Stainless Steel/PolymerCIGS(1.52m)Mo(0.51.5m)CdS(0.05m)65化学水域沉积法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。66CIGS太阳能电池组件结构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
20、降低透光率，因此须在此找到最适合的掺杂浓度。多半利用RF 溅镀法(RF sputter)达成镀膜。Glass/Stainless Steel/PolymerCIGS(1.52m)Mo(0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO(ZnO:Al)(0.51.5m)67CIGS太阳能电池组件结构太阳能电池组件结构 蒸镀上镍/铝(Ni/Al)金属层当作顶层电极，接负极。Glass/Stainless Steel/PolymerCIGS(1.52m)Mo(0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO(ZnO:Al)(0.51.5m)68Nanosolar 薄
21、膜太阳能电池薄膜太阳能电池 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滚动条式滚动条式(roll to roll)的的CIGS太阳能电池太阳能电池 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F
22、BAR器件注：SSBW,Surface Skimming Bulk Wave STW,Surface Transverse Wave注：SAFM,Scanning Acoustic Force Microscopy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 scienti
23、sts who discovered it,A.E.H.Love.FBAR Film Bulk Acoustic ResonatorAgilent 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()()jkzjkzj tu zAeBee0D D=0fTuLinear
24、 MomentumGauss Law in PiezoelectricElectromechanical Constitutive Eqs.Wave Equation2333333zzuuTcezz tz 33333zuDezz 0zairairxStress and displacement continuous at the boundaries between layersZero stress on free surfacesPtAlNAlPM filmreflectedincident1212VVABIICDStress=VoltageVelocity=CurrentMBVD mod
25、elCoRxLxCxZLUnloaded FBARLoading by Al,Pt,and film1oxCCeffL1oCfsfpBetween fs and fp the crystal is inductive with Lx ideally varying from 0 to FBAR传感器原理AlNAu敏感薄膜mCAmfffq5.02)(/2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AuFBAR的传感器的结构电子鼻NN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 g
26、enerator&counterAn odor source with the known activity of componentsSensor array with different receptorsA 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-senseAu sensorMetals,oxidesSiO2,Al2O3,Ti,Pt,Ag,W,Cu,Cr,Ir,Ta,FeC3,TaN,CeO2,Fe,Zn,ZnO2,Fe2O3,ZnS,FeS,Stainless steel,.,and custom madePolymersPS,PC,PMMA,PTFE,PE,PPUsers can coat with own polymersHydroxyapatitenanocrystalline,RMS 2 nm
