《薄膜电子学的应用》PPT课件

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 度以 flat panel display 而 言 透 光 度 愈 高 愈 好以 solar cell 而 言 太 阳 光 全 波 长 范 围 之 透 光 度 及 热 稳 定 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 光范 围 具 有 80 % 以 上 的 透 光 率 ， 其 电 阻 率 低 于 110-4 cm， 即是 良 好 透 明 导 电 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 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 SnO2作 为 杂 质 参 杂 ， 可 以 产 生 一 个 导 电 电 子In2O3晶 格 中 之 氧 缺 陷 (Oxygen vacancy)一 个 氧 空 缺 ， 可 以 产 生 两 个 导 电 电 子Band gap (Eg) 3.5eV Crystallized at T 150 C 材 料 之 导 电 率 = ne其 中 n = 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 ITO， 载 子 浓 度 约 10 181019 cm-3 金 属 载 子 浓 度 约 1022 1023 cm-3 载 子 由 掺 杂 物 的 混 入 及 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 mobility ： 与 TCO 薄 膜 的 结 构 有 关 。 TCO 薄 膜 的 defect愈 少 ， 。 (extrinsic effect) m*： 取 决 于 TCO 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R = (L/DW) Ohm设 定 R s = /D (单 位 ： Ohm/ )则 R = Rs (L/W), L/W表 示 有 几 个 方 块假 设 在 一 个 L = W 之 平 方 面 积 中 ， R= Rs 比 较 ITO及 银 薄 膜 的 面 电 阻 及 穿 透 度ITO Ag 2x10-4 ohm-cm 1.8x10-6 ohm-cm=/D 10 Ohm/10 Ohm/D= / 2x10-5 cm (2000) 1.8x10-7 cm (18) = /DITO薄 膜 的 导 电 性 要 好 (面 电 阻 低 ) ， 膜 厚 要 增 大 ，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 (energy gap)决 定 在 长 波 长 的 透 光 范 围 ： 由 等 离 子 频 率 (p， plasma frequence) 决定 紫 外 線 區 由 等 离 子 频 率 决 定 的 波 长(此 一 波 长 随 载 子 浓 度 而 移 动 )入 射 光 将 价 带 的电 子 激 发 到 导 带 等 离 子 媒 介 可 看 成高 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 n增 加 ， 变 大 ，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 0.24 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) Sb 2O5析 出 ，造 成 光 的 散 射Sb(锑 )摻 雜 在 SnO2中 電 阻 率 最 小3.98 10-3-cmSb 电 阻 率 = 面 阻 值 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 (膜 的 厚 薄 )，反 射 率 相 对 提 高 ， 就 易 造 成 干 涉 。 1. 高 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 lock 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 PM LCD AM LCD 偏 光 板TFT 彩 色 濾 光 片玻 璃 基 板透 明 電 極液 晶信 號 電 極掃 描 電 極TFT玻 璃 基 板 透 明 電 極偏 光 板 OLED AMOLED PDP Touch Panel Solar cell 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 ITO玻 璃极 低 面 电 阻 &高 穿 透 率 之 研 究超 平 坦 透 明 导 电 膜在 塑 料 基 板 成 膜 (室 温 成 膜 )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 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 类表 一 ： 薄 膜 太 阳 能 电 池 分 类 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 a-Si thin film solar cells 的 应 用 a-Si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LIGHT图 (c)： a-Si薄 膜 太 阳 能 电 池 Superstrate结 构 示 意 图 。 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 薄 膜 应 用2.TCO层 (Transparent conductive 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3.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 .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 CIGS thin film solar cells 的 應 用 56 OutlineCIGS简 介CIGS优 势 条 件CIGS太 阳 能 电 池 组 件 结 构Nanosolar 薄 膜 太 阳 能 电 池 57 CIGS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 。 58 CIGS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 59 CIGS太 阳 能 电 池 组 件 结 构Glass / Stainless Steel / Polymer基 板 CIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)背 电 极吸 收 层 CdS(0.05m)缓 冲 层 i-ZnO(0.05m)纯 质 氧 化 锌 TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)透 明 导 电 层顶 端 电 极 Ni / Al Sputter Vacuum methodNon-Vacuum methodChemical Bath depositionSputter 60 CIGS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 薄 膜 的 晶 粒 变 大 ， 且增 加 导 电 性 ， 降 低 串 联 电 阻 。Glass / Stainless Steel / Polymer 61 CIGS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) 62 CIGS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 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) 63 Vacuum 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 580 .3.In, Ga and Sewere coevaporated still at 580 ，The samples were then cooled in Seatmosphere down to 250 3-stage process 64 CIGS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。Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m) 65 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 Se 2- 离 子 产 生 化 学 反 应 ， 形成 化 合 物 半 导 体 沉 积 在 基 板上 。 66 CIGS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 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) 67 CIGS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) 68 Nanosolar 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 (roll to roll)的 CIGS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 FBAR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 scientists who discovered it, A.E.H. Love. FBAR Film Bulk Acoustic Resonator Agilent 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 ( ) ( )jkz jkz j tu z Ae Be e 0D D = 0f T u Linear MomentumGauss Law in PiezoelectricElectromechanical Constitutive Eqs. Wave Equation2 33 33 33z zu uT c ez z t z 3 33 33 zuD ez z 0 z airair x Stress and displacement continuous at the boundaries between layersZero stress on free surfaces PtAlNAlPM filmreflected incident 1 21 2V VA BI IC D Stress = Voltage Velocity = Current MBVD model Co RxLxCxZL Unloaded FBARLoading by Al, Pt, and film 1o xC C effL 1oCfs fpBetween 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 mCAmff fq 5.02 )(/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Au FBAR的 传 感 器 的 结 构 电 子 鼻 N N 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 generator & counter An odor source with the known activity of componentsSensor array with different receptors A 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 sensor Metals, oxidesSiO2, Al2O3, Ti, Pt, Ag, W, Cu, Cr, Ir, Ta, FeC 3, 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