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一文读懂ITO薄膜

上海卷柔新技术 | 上海卷柔专业研发生产光学仪器 2021/10/14 11:21

ITO 是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡,ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜,通常有两个性能指标: 电阻率和透光率。

发展

真正进行ITO薄膜的研究工作还是19世纪末,当时是在光电导的材料上获得很薄的金属薄膜。 关于透明导电材料的研究进入一个新的时期还是应该在第二次世界大战期间,主要应用于飞机的除冰窗户玻璃。 在1950年,第二种透明半导体氧化物In2O3首次被制成,特别是在In2O3里掺入锡以后,使这种材料在透明导电薄膜方面得到了普遍的应用,并具有广阔的应用前景。

基本性能

一、ITO薄膜的基本性能ITO(In2O3:SnO2=9:1)的微观结构,In2O3里掺入Sn后,Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而以SnO2的形式存在,因为In2O3中的In元素是三价,形成SnO2时将贡献一个电子到导带上,同时在一定的缺氧状态下产生氧空穴,形成1020至1021cm-3的载流子浓度和10至30cm2/vs的迁移率。

这个机理提供了在10-4Ω.cm数量级的低薄膜电阻率,所以ITO薄膜具有半导体的导电性能。 ITO是一种宽能带薄膜材料,其带隙为3.5-4.3ev。 紫外光区产生禁带的励起吸收阈值为3.75ev,相当于330nm的波长,因此紫外光区ITO薄膜的光穿透率极低。 同时近红外区由于载流子的等离子体振动现象而产生反射,所以近红外区ITO薄膜的光透过率也是很低的,但可见光区ITO薄膜的透过率非常好,由于材料本身特定的物理化学性能,ITO薄膜具有良好的导电性和可见光区较高的光透过率。

二、影响ITO薄膜导电性能的几个因素ITO薄膜的面电阻(R)、膜厚(d)和电阻率(ρ)三者之间是相互关联的,这三者之间的计算公式是: R=ρ/d。 由公式可以看出,为了获得不同面电阻(R)的ITO薄膜,实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。

一般来讲,制备ITO薄膜时要得到不同的膜层厚度比较容易,可以通过调节薄膜沉积时的沉积速率和沉积的时间来制取所需要膜层的厚度,并通过相应的工艺方法和手段能进行精确的膜层厚度和均匀性控制。

而ITO薄膜的电阻率(ρ)的大小则是ITO薄膜制备工艺的关键,电阻率(ρ)也是衡量ITO薄膜性能的一项重要指标。 公式ρ=m/ne2T给出了影响薄膜电阻率(ρ)的几种主要因素,n、T分别表示载流子浓度和载流子迁移率。 当n、T越大,薄膜的电阻率(ρ)就越小,反之亦然。 而载流子浓度(n)与ITO薄膜材料的组成有关,即组成ITO薄膜本身的锡含量和氧含量有关,为了得到较高的载流子浓度(n)可以通过调节ITO沉积材料的锡含量和氧含量来实现; 而载流子迁移率(T)则与ITO薄膜的结晶状态、晶体结构和薄膜的缺陷密度有关,为了得到较高的载流子迁移率(T),可以合理的调节薄膜沉积时的沉积温度、溅射电压和成膜的条件等因素。

所以从ITO薄膜的制备工艺上来讲,ITO薄膜的电阻率不仅与ITO薄膜材料的组成(包括锡含量和氧含量)有关,同时与制备ITO薄膜时的工艺条件(包括沉积时的基片温度、溅射电压等)有关。 有大量的科技文献和实验分析了ITO薄膜的电阻率与ITO材料中的Sn、O2元素的含量,以及ITO薄膜制备时的基片温度等工艺条件之间的关系。

三、通过低溅射电压制备ITO薄膜的工艺和方法

1、低电压溅射制备ITO薄膜由于ITO薄膜本身含有氧元素,磁控溅射制备ITO薄膜的过程中,会产生大量的氧负离子,氧负离子在电场的作用下以一定的粒子能量会轰击到所沉积的ITO薄膜表面,使ITO薄膜的结晶结构和晶体状态造成结构缺陷。 溅射的电压越大,氧负离子轰击膜层表面的能量也越大,那么造成这种结构缺陷的几率就越大,产生晶体结构缺陷也越严重,从而导致了ITO薄膜的电阻率上升,一般情况下,磁控溅射沉积ITO薄膜时的溅射电压在-400V左右,如果使用一定的工艺方法将溅射电压降到-200V以下,那么所沉积的ITO薄膜电阻率将降低50%以上,这样不仅提高了ITO薄膜的产品质量,同时也降低了产品的生产成本。

实验结果可以看出,利用HDAP法能获得电阻率较低的ITO薄膜,尤其是在基片温度不能太高的材料上制备ITO薄膜时,使用HDAP法制备ITO薄膜可以得到较理想的ITO薄膜。 基片温度到350℃左右时,这三种沉积方法对ITO薄膜电阻率的影响较小。

通过扫描电镜对磁控溅射和HDAP法制备的ITO薄膜进行了微观分析。 很明显HDAP法制备的ITO薄膜表面平坦、均匀。 HDAP法制备ITO薄膜主要是针对基体材料不能加热,同时又要求ITO薄膜的电阻率较低的制成比较适用。

主要应用

随着显示器件行业的飞速发展,对ITO薄膜的产品性能特性提出了新的要求。 同时ITO薄膜制备技术的深入发展,使显示器件的需要变成可能。 不同性能的ITO薄膜可以在不同显示器件中的应用。

透明导电薄膜材料ITO

透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide,TCO)是一种在可见光光谱范围(380nm < λ < 780nm)透过率很高且电阻率较低的薄膜材料。 TCO薄膜材料主要有CdO、In2O3、SnO2和ZnO等氧化物及其相应的复合多元化合物半导体材料。

发展历程:

(1)1907 年Badeker等人第一次通过热蒸发法制备了CdO透明导电薄膜,开始了对透明导电薄膜的研究和利用

(2)十九世纪 50 年代分别开发出基于 SnO2和 In2O3的透明导电薄膜

(3)随后的 30 年里又出现了ZnO基的薄膜

这个时期,TCO材料主要基于这三种体系:In2O3、SnO2、ZnO。然而,一种金属氧化物薄膜的性能由于材料包含元素固有的物理性质不能满足人们的要求。为了优化薄膜的化学和光电性质,实现高透射率和低电阻率,科学家们做了进一步的研究。

(4)20 世纪 90 年代,日本和美国一些科研机构开始了两种以上氧化物组成的多元化合物材料的研究与开发,通过调整成分与化学配比来获得所需的TCO材料

目前,应用最多的几种TCO材料是:氧化铟锡(ITO,In2O3: Sn),掺铝的氧化锌(AZO,ZnO: Al),掺氟的氧化锡(FTO,SnO2: F),掺锑的氧化锡(ATO,Sn2O: Sb)等。

TCO的应用领域非常广,主要用于液晶显示器的透明电极、触摸屏、柔性OLED屏幕、光波导元器件以及薄膜太阳能电池等领域。

在透明导电氧化物薄膜中,ITO具有很高的可见光透射率(90%),较低的电阻率(10-4~10-3Ω∙cm),较好的耐磨性,同时化学性能稳定。因此,ITO在TCO薄膜中的比重最高。

ITO在一般情况下为体心立方铁锰矿结构,是基于In2O3晶体结构的掺杂,In2O3中In原子是六配位,O原子是四配位。In2O3晶体结构中本征缺位(氧缺位)和Sn4+替代In位两种机制共同贡献了大量自由电子,因此ITO为n型半导体,载流子浓度在1021/cm3左右,为重掺杂。

作者: 王晨

一张图看懂透明导电膜

透明导电膜是通过物理或化学镀膜方法均匀制备出的一层透明的导电薄膜,广泛用于触摸屏,显示器等电子器件、新型光伏、电致变色设备、光电学薄膜、透明电磁屏蔽涂层等领域。

目前,透明导电膜市场主要被日韩厂商占据,且ITO市场占有率占据主导地位。但随着触控面板大尺寸化、低价化的需求,以及ITO薄膜不适用于可挠式显示器应用、导电性及透光率等本质问题不易克服等,ITO替代透明导电膜的市场也将逐渐上升。

ID TechEx研究结果显示,预计到2027 年,替代 ITO 的新型透明导电膜将占全部市场份额的45%,透明导电膜的市场格局将发生变化。

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