比較氧化鋅和氧化銦多晶透明導電氧化物內載流輸送之研究

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1 比較氧化鋅和氧化銦多晶透明導電氧化物內載流輸送之研究
姓名: 謝岳宏 學號:MA410212 課堂導師: 林克默 教授

2 目錄 前言 理論模式 2.1 離子化雜質散射 2.2 中性雜質散射 2.3 錯位散射 2.4 晶粒障礙傳輸限制
理論模式 2.1 離子化雜質散射 2.2 中性雜質散射 2.3 錯位散射 2.4 晶粒障礙傳輸限制 實驗細節 3.1 氧化鋅薄膜 3.2 銦-錫氧化物薄膜 結果 4.1 氧化鋅 4.2 銦-錫氧化物 討論 Discussion 結論 Conclusions

3 1.前言 透明導電氧化物所構成的材料，結合了較高的透明度接近紅外線光譜範 圍的可見光和達103至104 S cm-1的高導電率。
現在銦、鋅、和錫的氧化物薄膜廣泛作為透明導電平板顯示器，太陽能 電池薄板、加熱或者抗靜電層。 銦錫參雜的氧化物(ITO)有最低約1 x 10-4Ω的電阻率。並且具有很好的 蝕刻姓。這也是為甚麼ITO現在專門用來作為平板顯示器，基於液晶， 微電漿或者有機發光二極體(OLED)的透明電極材料。

4 1.前言 ZnO優點: 1.比氧化銦便宜 2.低電阻率約2~4x10-4Ω 3.可參雜1021cm-3 以上載流子濃度的三族元素(硼、鋁、鎵、銦) ZnO缺點: 1.較難製備像ITO的低點阻率，最低約1x10-4Ω，製程容許度窄。 靜態介電常數介電常數εr 矽的透明導電氧化物的 有效質量m*/me 和電離雜質有限的遷移率

5 2.理論模式 在電離雜質散射的理論模式估算高度摻雜氧化鋅的流動性限制時，已經 先回顧了2001年的作者之一的文獻作為參考。 為進一步討論，在以下的簡短摘要給出奠定基礎。 2.1離子化雜質散射 散射過程是由離子化的雜質原子導致的，並且主要佔有載流子的濃度高於1019cm-3。 這種分析式在考慮到導電帶的非拋物性(nonparabolicity)。計算出簡並半導體的遷移率μii，

6 2.理論模式 2.1離子化雜質散射 其中屏蔽功能FII NP是由下式給出 參數 描述了導電帶的非拋物性
參數 描述了導電帶的非拋物性 ( 分別為有效質量中的導電帶和在所述導電帶邊緣）

7 2.理論模式 2.1離子化雜質散射 擬合參數為μ= F（N） (公式3) 表2為摻磷和摻硼的矽和氧化鋅，氧化銦和氧化錫的擬合參數
μMAX - 晶格遷移率 μmin - 電離化雜質的遷移率 μmin-μ1 – 族簇遷移率

8 2.理論模式 2.1離子化雜質散射 圖為未摻雜和摻雜氧化鋅單晶的載 流子濃度的函數，霍爾遷移數據。 未摻雜:(□) 摻雜:(○)
圖為未摻雜和摻雜氧化鋅單晶的載 流子濃度的函數，霍爾遷移數據。 未摻雜:(□) 摻雜:(○) 遷移率值顯示為三角形 SnO2:(▴) In2O3 :(▾, ∇) 虛線與點化線呈現出摻硼和磷摻雜 矽的移動性數據 其他數據為引用其他文獻作者的數 據 單晶

9 2.理論模式 2.2中性雜質散射 中性雜質散射的遷移率由Erginsoy得出，他通過使用其介電常數和載體的有效質量，從而導致在縮放的氫原子半導體的電子散射： A(T):為散射截面因子 Nn:是中性散射中心的密度。 A值= 20(由Erginsoy算出) 中性雜質的濃度是由Nn= ND-NA- n（T），其中ND和NA分別是供體和受體的濃度

10 2.理論模式 2.3錯位散射 錯位散射似乎是在多晶材料的自然散射過程。然而，該方法很少用於說明多晶半導體，尤其是透明導電氧化物載體傳輸的實驗數據。 Pödör研究了彎曲葛晶體周圍107cm-2的錯位密度，並將結果描述於式(5)。 a:是沿位錯線受體中心之間的距離 f:為這些受體的佔用率 Ndisl:位錯的密度

11 2.理論模式 2.4晶粒障礙限制運輸 由Baccarani等所提出的一種改進的模型公式，模型產生由熱離子為主的一種有效的流動性μeff，與對面一個充滿活力的高度的Eb粒障礙 T 樣品的溫度 e和k定義基本電荷和玻爾茲曼常數 Eb位障高度

12 2.理論模式 2.4晶粒障礙限制運輸 根據晶粒不同的摻雜濃度，兩個表達式(7a,7b)可以導出Eb 位障高度
Qt是在邊界的電荷載流子陷阱密度εε0是靜態介電常數，N是晶粒的載流子密度堆積，L是晶粒尺寸。 μ0可以被看作是由下式(7c(給出的晶粒內的流動性

13 3.實驗細節 3.1 氧化鋅薄膜 氧化鋅薄膜由陶瓷氧化鋅磁控濺鍍沉積。在一個自製基本壓力為5×10-6 帕裝載鎖定的濺鍍系統，Al2 wt.%目標(直徑76mm)。 射頻電漿激發(13.56和27.12MHz) 使用濺鍍功率25~100W 進行薄膜沉積 試件在壓力0.2~3.0帕的範圍中製備，濺鍍壓力大多在0.4帕。 基材的尺寸 10x10x0.5(1) mm3 透過輻射加熱，由氮化硼包覆石墨 (boron nitride encapsulated graphite) 加熱至800K。 基材為非晶浮製玻璃以及矽單晶基材,如藍寶石(氧化鋁)和方鎂石(MgO) 等。

14 3.實驗細節 3.2銦-錫氧化物薄膜 ITO薄膜透過磁控濺射 由金屬InSn10 wt.%重量為目標 (直徑76mm)或經 由陶瓷In2O3SnO2 10wt.％的目標在純Ar/O2大氣下濺鍍沉積。 這些沉積已在商業裝載鎖定沉積系統被執行以約3×10 -4 Pa的基礎壓 力。 為了反應出濺鍍薄膜，氧氣流速變更6-8標準立方米。 低氧流量得到導電性和不透明，中到高的氧流量得到薄膜以及透明薄膜 低壓和高電阻率。以這種方式，電子濃度可以再約1018至1021cm-3間變 化。 使用一表面輪廓（DEKTAK3030）測定器進行膜厚的測定，再由4點探針 測量薄膜電阻。

15 4.結論 4.1氧化鋅 圖2呈現出本實驗在玻璃和藍寶石襯底沉積的Al摻雜ZnO薄膜遷移率數據對作為載流子濃度的函數。 我們自己的數據顯示為:
沉積到浮法玻璃（■） 藍寶石襯底膜（Δ，▹，◃） ZnO單晶（♦） 其他數據符號來自其他作者實驗數據符號 Minami（□，＃，●-PLD） Brehme et al. (▾, ∇) Kon et al. (⊠) Suzuki (○ — PLD) Lorenz et al. (⊗, ⊕ — PLD) 單晶 多晶 圖2

16 4.結論 4.1氧化鋅 表3為 氧化鋅和其他多晶薄膜的的閘極密度Qt MS - 磁控濺射 RMS - 磁控反應濺射
LPCVD - 低壓化學氣相沉積 E - 蒸發 MOCVD - 金屬有機化學氣相沉積法 PLD - 脈衝雷射

17 4.結論 4.1氧化鋅 圖3為Makino等的霍爾遷移數據，在600℃下沉積的脈衝雷射沉積到晶格匹配ScAlMgO3（SCAM）基材上的異質ZnO薄膜。 作者由虛線理論曲線考慮到不同的散射機制以ZnO（聲學，壓電，極性光學和電離雜質散射）擬合它們的數據，實線是半經驗擬合曲線的單和多晶的移動性數據氧化鋅（圖1），這顯然更好地描述的一般趨勢。 “遷移率空穴”周圍N≈2×1019cm-3，Makino等人並沒有解釋，嵌合（虛線）由晶障礙限制運輸的過程。 圖3

18 4.結果 4.2銦-錫氧化物 圖4為錫摻雜的銦氧化物薄膜作為載流子濃度的函數的霍爾遷移率數據。 本實驗的數據顯示: 打開和實心符號（⊗）
文獻數據顯示通過交叉 + - 二極管濺射 x - 電子束蒸發 ＃- 噴霧裂解 異質ITO薄膜，採用PLD生長的也包括在內（▲，▼） 兩個數據集已經電離化雜質和簇散射以及晶粒屏障傳輸限制顯示為虛線，虛線 單晶 多晶

19 5.討論 使用不同方法製備的TCO薄膜的則有不同的電荷閘極密度，涵蓋範圍從 1.5×1012到3×1013cm-2。
RMS，MS - 磁控反應濺射 PLD - 脈衝激光沉積 SP - 噴霧熱解 DC - 直流電 RF- 射頻 MF -中頻勵磁 p-DC — 脈衝的DC勵磁 基板佈置成垂直於所述目標 （減少離子轟擊）。

20 6.結論 通過比較的遷移率的依賴性，載流子濃度的函數闡述了系統的一系列氧 化銦和氧化鋅薄膜的ITO和ZnO的晶障礙陷阱密度顯著不同，面積為 1.5×1012至3×1013cm-2 相同的氧化物不同陷阱密度，發現可與沉積方法相關，特別是與磁控濺 射中放電電壓：更高的粒子能量在沉積過程中導致更高的陷阱密度。這 些差異不能用電離化雜質散射來解釋，過程大部分用於遷移率對於載流 子濃度高於1020cm-3來解釋。 考慮到缺陷化學和面缺陷在這些氧化物合理解釋，給出了所觀察到的晶 格障礙密度的形成。

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