摻雜及熱處理對氧化鋅氧化錫系非晶透明導電薄膜之影響

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研究生：	張容瑋 Chang, Jung-Wei
論文名稱：	摻雜及熱處理對氧化鋅氧化錫系非晶透明導電薄膜之影響
指導教授：	吳振名 Wu, Jenn-Ming
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	87
中文關鍵詞：	透明導電薄膜、非晶、氧化鋅、氧化錫、摻雜、熱處理
外文關鍵詞：	transparent conducting oxide, amorphous, ZnO, SnO2, doping, annealing
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研究對象為透明導電氧化物（Transparent Conducting Oxide, TCO），是同時擁有高穿透率及低電阻率的金屬氧化物，意即「可導電也可透光」，其在可見光區域至少擁有80%以上的穿透率，並有低至10-4 Ω-cm的電阻率，是光電元件應用中不可或缺的一部分。
近年來隨著光電產業蓬勃發展，透明導電氧化物薄膜也被廣泛的研究及使用，目前較多被使用的材料即常見的ITO（Indium-Tin-Oxide），已可量產應用於製作光電材料的透明電極。但由於氧化銦的短缺以及在平面顯示器與太陽能電池產業上的大量需求，急需發展出替代ITO之材料。此外亦因OLED與大面積平面顯示器的需求增加，非晶（amorphous）透明導電膜也逐漸受到重視，但基本上使用的材料還是ITO及其化合物；故非晶透明導電膜的研究與發展是刻不容緩的重要課題。
本實驗主以射頻濺鍍法（RF-sputtering）在玻璃基板上鍍製不同成分比例之非晶氧化鋅氧化錫薄膜，並嘗試摻雜（doping）各式不同的元素，包括有常見使用於TCO摻雜的鎵（gallium）、鋁（aluminum）以及較少被使用的銻（antimony）等，再輔以適當的退火熱處理程序來改善薄膜品質，探討不同摻雜元素的影響；此外嘗試改變鍍製時的基板溫度以及濺鍍氣體，探討參數改變對薄膜性質之影響。本實驗得到的最佳結果為，在含有鋅90 at% 之氧化鋅錫薄膜中摻雜1 at% 的鎵，在適當的基板溫度及濺鍍氣體下，經適當的退火熱處理後，可得電阻率為1.7x10-2 Ω-cm且穿透率約為80% 以上的非晶氧化鋅錫薄膜。

摘要   II
Abstract   III
表目錄   X
圖目錄   XI
Chapter 1 前言   1
1-1 透明導電膜簡介   1
1-2 實驗動機   2
Chapter 2 文獻回顧   4
2-1 Transparent Conducting Oxide, TCO   4
2-2 Indium Tin Oxide, ITO   5
2-2-1 脈衝雷射蒸鍍製程（Pulsed Laser Deposition, PLD）   5
2-2-2 直流濺鍍製程（DC sputtering）   5
2-2-3 射頻濺鍍製程（RF sputtering）   5
2-2-4 直流濺鍍＋射頻濺鍍製程（DC+RF sputtering）   6
2-2-5 溶膠凝膠製程（sol-gel）   6
2-2-6 噴霧裂解製程（Spray pyrolysis）   6
2-2-7 結論   6
2-3 Indium Zinc Oxide and reduced-indium TCOs   6
2-4 Aluminum-doped Zinc Oxide, AZO and Gallium-doped Zinc Oxide, GZO   7
2-5 綜合討論   7
Chapter 3 實驗方法與步驟   17
3-1 靶材製作   17
3-2 玻璃基板製備   18
3-3 薄膜鍍製   18
3-3-1 射頻濺鍍（RF-sputtering）   18
3-3-2 後續退火處理   18
3-4 材料分析與性質量測   19
3-4-1 X-ray繞射儀（XRD）   19
3-4-2 掃描式電子顯微鏡（SEM）   19
3-4-3 霍爾效應量測系統（Hall effect measurement system）  19
3-4-4 紫外光—可見光光譜儀（UV-vis Spectrophotometer）   19
3-4-5 歐傑微探能譜儀（Auger/XPS）   20
Chapter 4 實驗結果與討論   22
4-1含有41 at%鋅之氧化鋅錫薄膜在不同溫度及氣氛下退火熱處理的分析   22
4-1-1 電學性質及光學性質比較   22
4-1-2 XPS分析   23
4-1-2-1 錫的XPS分析   23
4-1-2-2 鋅的XPS分析   25
4-1-2-3 氧的XPS分析   26
4-2 結論   27
4-2摻雜對含有41 at%鋅之氧化鋅錫薄膜的電學性質及光學性質之影響   28
4-2-1 鎵離子摻雜   28
4-2-1-1 薄膜厚度   29
4-2-1-2 結構分析   29
4-2-1-3 電學性質分析   30
4-2-1-4 光學性質分析   30
4-2-1-5 結論   31
4-2-2 鋁離子摻雜   31
4-2-2-1 薄膜厚度   32
4-2-2-2 結構分析   32
4-2-2-3 電學性質分析   32
4-2-2-4 光學性質分析   32
4-2-2-5 結論   33
4-2-3 銻離子摻雜   33
4-2-3-1 薄膜厚度   34
4-2-3-2 結構分析   34
4-2-3-3 電學性質分析   34
4-2-3-4 光學性質分析   34
4-2-3-5 結論   35
4-2-4 鎵離子與銻離子共摻雜   35
4-2-4-1 薄膜厚度   36
4-2-4-2 結構分析   36
4-2-4-3 電學性質分析   36
4-2-4-4 光學性質分析   36
4-2-4-5 結論   37
4-3摻雜對含有90 at% 鋅之氧化鋅錫薄膜的電學性質及光學性質之影響   37
4-3-1 鎵離子摻雜（摻雜比例Ga at%＝2 at%）   38
4-3-1-1 基板溫度在室溫時鍍製   38
4-3-1-1-1 薄膜厚度   38
4-3-1-1-2 結構分析   39
4-3-1-1-3 電學性質分析   39
4-3-1-2 基板溫度在100℃時鍍製   40
4-3-1-2-1 薄膜厚度   40
4-3-1-2-2 結構分析   40
4-3-1-2-3 電學性質分析   40
4-3-1-2-4 光學性質分析   41
4-3-1-3基板溫度在150℃時鍍製   41
4-3-1-3-1 結構分析   41
4-3-1-3-2 電學性質分析   41
4-3-1-3-3 光學性質分析   42
4-3-1-4 結論   42
4-3-2鎵離子摻雜（摻雜比例Ga at%＝1 at%   42
4-3-2-1 不同基板溫度之比較   42
4-3-2-1-1 薄膜厚度   43
4-3-2-1-2 結構分析   43
4-3-2-1-3 電學性質分析   43
4-3-2-1-4 光學性質分析   44
4-3-2-2 改變濺鍍氣體   44
4-3-2-2-1 純Argon與混合氣體（Argon 99%＋H2 1%, ArH2）之搭配   44
4-3-2-2-1-1 薄膜厚度   45
4-3-2-2-1-2 結構分析   45
4-3-2-2-1-3 電學性質分析   45
4-3-2-2-1-4 光學性質分析   46
4-3-2-2-2 混合氣體（Argon 99%＋H2 1%）   46
4-3-2-2-2-1 薄膜厚度   46
4-3-2-2-2-2 結構分析   46
4-3-2-2-2-3 電學性質分析   46
4-3-2-2-2-4 光學性質分析   47
4-3-2-2-3 純Argon與純O2之搭配   47
4-3-2-2-3-1 結構分析   47
4-3-2-2-3-2 電學性質分析   47
4-3-2-2-3-3 光學性質分析   47
4-3-2-3 結論   48
4-3-3鎵離子摻雜（摻雜比例Ga at%＝3 at%   48
4-3-3-1 不同基板溫度   48
4-3-3-1-1 薄膜厚度   48
4-3-3-1-2 結構分析   49
4-3-3-1-3 電學性質分析   49
4-3-3-1-4 光學性質分析   49
4-3-3-1-5 結論   49
4-3-4 總結   49
Chapter 5 結論   83
References   85

                                

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