應用Sol-gel法進行氧化物半導體製作研究

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1 應用Sol-gel法進行氧化物半導體製作研究
專題生: 洪登偉 何映融 蘇煥鈞 王楷富 指導老師:陳兆南 葉榮輝

2 前言 透明導電薄膜的特色為高透光率、低電阻。 溶膠凝膠法具有原料純度高、化學均勻性好、成份控制
精確、可塗佈於大面積且複雜的基板上等優點，且可以 在常溫下進行製備，加上設備簡單，不需真空系統，故 可以有效降低生產成本。

3 研究動機 透明導電薄膜 -可見光範圍(380~760nm)穿透率必須80%以上，電阻率低於10¯3Ω-cm。
-常用材料有 :ITO、IZO(ZnO:In)、AZO(ZnO:Al、ZnO:Ag…)等。 -廣泛使用於平面顯示器、透明電極、觸控式螢幕、太陽能電池…等。 -薄膜製備方法:化學氣相沉積法、真空蒸鍍法、濺鍍法…等。

4 研究目的 以Sol-gel製備ZnO的透明導電薄膜並摻雜Al提升導電率 藉著實驗參數的改變了解參數對薄膜性質之影響

5 實驗理論 溶膠-有膠體粒子分散懸浮於液體中的溶液，顆粒大小大約1~100nm。
凝膠-溶膠經由水解產生分散的膠體粒子，又經過聚縮讓這些粒子相互連結得到網狀結構，形成凝膠。 水解-把烷氧基(OR)或陰離子(L-)取代成-OH基，因而形成鏈狀或網狀交聯的聚合物。 聚縮-把OR或L和OH移除，轉換成氧化態，而釋出水或醇。

6 凝膠化-反應物經過一連串的水解反應及聚合反應，生成膠體懸浮液，而其中的物質會凝結成新的相同含有固體高分子的溶劑。
乾燥-讓有機溶劑揮發。 熱處理-能夠有效的提昇導電性。

7 導電性質 -藉由摻雜來提升導電性，為了提升ZnO導電性，摻雜鋁以取代鋅提高載子濃度。 光學性質 穿透率的因素 -氧空缺多寡 -能隙變化

8 實驗所用設備 電磁加熱攪拌器 旋轉塗佈機 高速離心機 微量天秤 方型爐 高溫爐管 氣體調整器 霍爾量測儀
高解析熱場發掃描式電子顯微鏡 ( FE-SEM ) 紫外光-可見光光譜儀

9 電磁加熱攪拌器 可單獨使用攪拌功能或 加熱功能。 使用攪拌功能時，將磁石 放入容器內，在放置於板子 上，開始調節轉速至理想速 度即可。

10 旋轉塗佈機 調整適當轉速提 高薄膜膜厚均勻 度

11 高速離心機 利用離心機高速旋轉產生的強大離心力，加快液體中顆粒的沉降速度，把樣品中不同沉降係數和密度質量的物質分離開。

12 微量天秤 液體與粉末秤重

13 方型爐 純粹加熱而不通任何氣體

14 高溫爐管 可以通氣體加熱，我們選擇通氮氣來進行實驗

15 氣體調整器 依使用者需要調整氣體流量

16 霍爾量測儀 測量試片之霍爾係數、電阻率、載子 濃度、多數載子種類(P型/N型)與載子移 動率。

17 高解析熱場發掃描式電子顯微鏡 ( FE-SEM )
觀察試片薄膜之表面形貌、 晶粒大小，表面平整度及斷面等

18 紫外光-可見光光譜儀 藉由紫外光-可見光光譜 儀分析薄膜之光穿透特性。

19 實驗方法 實驗流程 溶液的配製 玻璃基板清洗(酒精/DI水) 水解與聚縮反應(24h) 塗佈(兩段轉速,兩次) 重複數次 (6次)
乾燥(200度,10min) 熱處理(1h) 500℃、525℃、550℃ 薄膜特性量測 薄膜厚度(α-step) 穿透率(UV/VIS) 霍爾量測(Hall)

20 溶液配製 前驅物(起始溶液):Zn(CH3COO)2．2H2O –醋酸鋅 溶劑:2-MethoxyEthanol –乙二醇甲醚
(Zn=0.75M, 2-Me=20ml) 摻雜物:AlCl3,6H2O –三氯化鋁 催化劑:MEA –一乙醇胺 (Al=0.0075M/0.015/0.025,MEA=0.75M)

21 實驗結果 方型爐 退火溫度(oC) Nb(cm-3) μ(cm2v-1s-1) rho (Ω-cm) A溶液 500 -7.302E+16
26.950 525 -2.642E+17 83.118 14.976 B溶液 -1.295E+16 95.183 47.019 -2.401E+16 45.849 550 -8.698E+15 75.212 C溶液 -1.165E+16 41.239 62.297 -2.535E+16 68.431 49.130

22 氣氛爐 退火溫度(oC) Nb(cm-3) μ(cm2v-1s-1) rho (Ω-cm) A溶液 500 -1.331E+17 57.446 3.340 525 -2.744E+17 36.812 2.968 550 -1.058E+17 48.559 5.311 B溶液 -1.225E+16 77.748 89.795 -9.433E+18 25.351 3.040 -3.772E+17 91.120 5.233 C溶液 -6.184E+12 -3.551E+15 33.884

23 穿透率與能隙(eV)平均值 試片(溫度) 穿透率 能隙(eV) A(500) 93.01 3.28eV A(525) 19.73
90.22 B(500) 67.23 B(525) 30.55 B(550) 39.99 3.16eV C(500) 64.49 C(525) 56.62 3.22eV C(550) 18.02 3.13eV

24 Ａ溶液退火500及550℃透明導電薄膜之穿透率曲線圖
A溶液、500℃ A溶液、550℃

25 SEM下的C525試片薄膜表面

26 SEM下的C525試片薄膜測面

27 SEM下的A550試片薄膜表面

28 SEM下的A550試片薄膜測面

29 實驗結論 1.不同濃度、溫度對薄膜的影響 2.以A溶液數值最好也最趨近於平穩 3. A溶液 500℃的退火條件透光度 最佳 4.在導電性方面，三種溶液所製成的的AZO透明導電薄膜沒辦法比較出哪個特性較好