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研究生： 謝振剛
Cheng-Kang Hsieh
論文名稱： 氧化鋅鋁透明導電膜光、電特性之研究
Characteristics of transparent and conductive aluminum zinc oxide thin film
指導教授： 許進恭
Jinn-Kong Sheu
張正陽
Jeng-Yang Chang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Optics and Photonics
畢業學年度： 93
語文別： 英文
論文頁數： 64
中文關鍵詞： 透明導電膜 、氧化鋅鋁
外文關鍵詞： AZO, sputter, X-ray
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    • 摘要
    本論文針對透明氧化物—氧化鋅鋁(Aluminum Zinc Oxide)—進行材料特性分析，首先以直流(DC)濺鍍(Sputtering)系統將氧化鋅鋁材料(ZnO:Al2O3=98%:2%)濺鍍於石英(Quartz)及氧化鋁(Sapphire)基板上，形成氧化鋅鋁透明導電膜，針對不同基板上薄膜的電阻率及晶格結構探討其差異，並經由適當的熱處理，依據不同熱處理狀況，將以霍爾量測系統(Hall measurement)，量測其電學特性、以紫外光/可見光分光光譜儀( UV/VIS Spectrophotometer)系統量測其穿透特性、以X光光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)，量測其成分元素、以X-ray繞射(X-ray Diffractometer，XRD)系統觀察薄膜結晶特性、以光激發螢光(photoluminescence，PL)系統，觀察薄膜的品質，最後利用各種機制合理解釋上述各種量測及所觀察到的現象。
    在氧化鋁基板上成長出來的薄膜其結晶性較成長在石英基板上的薄膜為佳，且在高溫氮氣環境下薄膜之熱穩定性良好，電阻率維持在7×10-4Ω-cm，平均穿透率在380nm-700nm的波段可達到85%以上。為了提高薄膜濃度，我們嘗試在氮氣及氫氣(5%)混合氣體環境下進行熱處理，其濃度可達7.2×1020cm-3 。在薄膜晶格結構方面 ，利用X-ray繞射訊號的半高寬(Full Width of Half Maxima)來解釋熱處理過後薄膜晶格結構的改善，並且利用PL光譜訊號的半高寬加以驗證熱處理過後薄膜品質的改善。

    目錄 摘要…………………………………………………………………………… I 誌謝…………………………………………………………………………… II 目錄…………………………………………………………………………… III 圖目錄………………………………………………………………………… VI 表目錄………………………………………………………………………… VIII 第一章 緒論………………………………………………………………..1 參考文獻………………………………………………………… .4 第二章 實驗原理及量測系統…………………………………………… .6 2-1 ZnO晶體結構及特性………………………………………….6 2-2 濺鍍原理………………………………………………………6 2-3 霍爾效應量測原理……………………………………………9 2-4 柏斯坦—摩斯(Burstein-Moss)效應……………………….10 2-5 X-ray繞射原理……………………………………………….10 2-6 光激發螢光法…………………………………………………12 參考文獻…………………………………………………………..14 第三章 實驗方法與步驟…………………………………………………..21 3-1 氧化鋅鋁薄膜製程……………………………………………21 3-1-1 樣品清洗……………………………………………………21 3-1-2 濺鍍製程……………………………………………………22 3-2 熱處理製程……………………………………………………24 3-2-1 改變熱處理的溫度…………………………………………24 3-2-2 改變熱處理的時間…………………………………………25 3-2-3 改變熱處理的氣體…………………………………………25 3-3 量測與分析……………………………………………………26 3-3-1 膜厚量測……………………………………………………26 3-3-2 電阻率量測…………………………………………………26 3-3-3 穿透率量測…………………………………………………27 參考文獻………………………………………………………… 28 第四章 薄膜之基本特性量測結果及分析……………………………… 29 4-1 成長在石英基板上之AZO的材料特性………………………. 29 4-1-1濺鍍功率的影響…………………………………………….29 4-1-2 厚度與電阻率的關係………………………………………29 4-2 成長在氧化鋁及石英基板上之AZO的材料特性比較……… 30 4-3 不同熱處理溫度對AZO材料特性的影響……………………..31 4-3-1 電性分析……………………………………………………32 4-3-2 穿透率分析…………………………………………………32 4-3-3 薄膜結構分析………………………………………………33 4-3-4光激發螢光量測(PL) ………………………………………33 4-4 不同熱處理時間對電阻率及穿透率的影響………………….34 4-5不同熱處理氣體對材料特性的影響……………………………34 4-5-1 電性分析……………………………………………………34 4-5-2 穿透率分析…………………………………………………35 4-5-3 薄膜成份分析………………………………………………36 參考文獻………………………………………………………….38 第五章 結論與未來展望…………………………………………………………63 圖目 圖 2-1 ZnO之鎢采 (Wurzite hexagonal structure) 結構 圖 2-2 Sputter 濺鍍系統示意圖 圖 2-3 霍爾量測原理示意圖 圖 2-4 柏斯坦—摩斯(Burstein-Moss)效應示意圖 圖 2-5 X-ray繞射原理及量測示意圖 圖 2-6 光激發螢光(PL)量測系統示意圖 圖 4-1 濺鍍機在不同功率之濺度速率 圖 4-2 不同厚度之薄膜電阻率與熱處理溫度關係圖 圖 4-3 不同厚度之薄膜X-ray繞射分析(a) 20~80度掃瞄圖(b) AZO(002)面繞射峰之局 部放大圖 圖 4-4 沉積在石英基板上，As-deposited及厚度950 Å、1900 Å熱處理700 OC之薄膜SEM照片比較圖 圖 4-5 圖4-5不同基板上薄膜之(a)θ-2θ繞射譜圖(b) AZO(002)面X-ray繞射之搖擺曲線 圖 4-6 氮氣及混合氣體(含5%氫氣)環境下熱處理之電阻率比較圖 圖 4-7 氮氣及混合氣體(含5%氫氣)環境下熱處理之載子濃度及遷移率比較圖 圖 4-8 SEM拍攝之薄膜表面型貌 (a)原生AZO、(b)氮氣環境下800oC熱處理 圖 4-9 氮氣環境下，不同溫度熱處理之穿透率比較圖 圖 4-10 在氮氣環境下，以不同溫度進行熱處理之AZO的θ-2θ繞射譜圖(a)20~80度掃瞄圖 (b)AZO(002)面繞射峰之局部放大圖 圖 4-11 ZnO(002)面X-ray繞射之搖擺曲線 圖 4-12 AZO薄膜之θ-2θ繞射峰與搖擺曲線之半高寬與熱處理溫度關係圖 圖 4-13 氮氣熱處理環境下，不同熱處理溫度之AZO的PL光譜 圖 4-14 氮氣熱處理環境下，不同溫度PL光譜之半高寬 圖 4-15 氮氣環境下，不同熱處理時間穿透率之比較圖 圖 4-16 SEM拍攝之AZO表面形貌，試片為混合氣體(含5%氫氣)環境下(a)700OC (b)800OC一分鐘熱處理 圖 4-17 混合氣體(含5%氫氣)環境下熱處理之穿透率比較圖 圖 4-18 不同熱處理氣體光能隙比較圖 圖 4-19 氮氣及混合氣體(含5%氫氣)環境下熱處理之XPS元素成分分析圖 表目錄 表 1 不同濺鍍功率之電特性比較表 表 2 成長於Quarzt及Sapphire基板之AZO薄膜特性之比較表 表 3 氮氣環境下熱處理，800℃不同熱處理時間之電特性比較表 表 4 不同熱處理氣體下，光能隙與載子濃度之比較表 表 5 熱處理前後薄膜各成份元素比較表

    第一章
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    第二章
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    第三章
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    第四章
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