臺灣博碩士論文加值系統

　　溶膠-凝膠法製程有無需真空環境、花費低廉、適合大面積的塗佈以及可形成高同質性的薄膜等優點，因此我們選用此製程來製備透明導電氧化物，並將其用於薄膜電晶體的主動層。
　　實驗主要分為兩部分，第一部分為摻鋰之氧化鋅薄膜電晶體，製作完成後分析摻雜後的薄膜表面型態跟光學能隙的變化；電晶體部分探討其對環境的變化，以及摻雜物的影響，並期待摻雜鋰能使氧化鋅轉為P型半導體且找出最佳的摻雜條件。第二部分則為摻雜鋰之氧化銦鋅薄膜電晶體，同樣探討表面型態、光學能隙的變化以及元件對環境的變化，以及摻雜物的影響，並找出最佳的摻雜條件。

　　There are some advantages of Sol - gel process as no vacuum, low cost, suitable for large area coating, and can form films with high homogeneity. So we use this process to prepare the transparent conductive oxide, and used for thin film crystal active layer.
　　Experiment was divided into two parts, the first part of the lithium-doped ZnO thin film transistors, making completion of the surface morphology of thin film doped with changes in the optical energy gap; transistor part of the change on the environment, as well as doped the impact of debris, and look forward to make zinc oxide doped lithium to find the best P-type semiconductor and the doping conditions. The second part is doped lithium indium zinc oxide thin film transistors, the same type of surface, optical energy gap changes and component changes in the environment, and the dopant effect, and find the best conditions for doping.

目錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅷ

第一章 緒論 1
1.1. 透明導電氧化物簡介 1
1.2. 氧化鋅薄膜特性簡介 1
1.2.1. 氧化鋅薄膜的電特性 2
1.2.2. 氧化鋅薄膜的光特性 2
1.3. 研究動機 3

第二章 實驗製備與分析方法 6
2.1. 薄膜的製作 6
2.1.1. 溶膠-凝膠法文獻回顧 6
2.1.2. 溶膠-凝膠法製程概述 7
2.2. 前驅物溶液的配置 9
2.3. 元件的製作 9
2.4. 薄膜分析量測儀器 10
2.4.1. 原子力顯微鏡(AFM) 10
2.4.2. 紫外光-可見光光譜分析儀(UV-Visible spectrophotometer) 10
2.4.3. X射線繞射量測系統(XRD) 11
2.5. 元件電性量測儀器 11
2.5.1. 電流-電壓(Current-Voltage)特性量測 11

第三章 摻雜鋰之氧化鋅鋰薄膜電晶體特性研究 15
3.1. 前言 15
3.2. 實驗內容 15
3.3. 氧化鋅鋰電晶體元件實驗結果與討論 16
3.3.1. 摻鋰之氧化鋅薄膜特性分析 16
3.3.2. 靜置時間對於摻鋰之氧化鋅電晶體特性的影響 17
3.3.3. 鋰摻雜濃度對氧化鋅電晶體特性的影響 18
3.3.4. 通道長度對摻鋰之氧化鋅電晶體特性的影響 18
3.4. 結論 19

第四章 摻雜鋰之氧化銦鋅薄膜電晶體特性研究 31
3.1. 前言 31
3.2. 實驗內容 31
4.3. 摻鋰氧化銦鋅電晶體元件實驗結果與討論 32
4.3.1. 摻鋰之氧化銦鋅薄膜特性分析 32
4.3.2. 靜置時間對於摻鋰之氧化銦鋅電晶體特性的影響 32
4.3.3. 鋰摻雜濃度對氧化銦鋅電晶體特性的影響 34
4.3.4. 通道長度對摻鋰之氧化銦鋅電晶體特性的影響 34
4.5. 結論 35

第五章 結論與未來展望 47
參考文獻 48
表目錄
表1.1. 氧化鋅的基本特性。 4
表3.1. 三種不同Li/Zn比例的光學能隙列表 20
表3.2.(a) 鋰0.01 M的ZnO TFT隨時間改變的電晶體參數表，元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 20
表3.2.(b) 鋰0.02 M的ZnO TFT隨時間改變的電晶體參數表，元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 21
表3.2.(c) 鋰0.03 M的ZnO TFT隨時間改變的電晶體參數表，元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 21
表3.3.(a) 三種不同鋰離子濃度於通道長度L=30 μm的電晶體參數。 22
表3.3.(b) 三種不同鋰離子濃度於通道長度L=40 μm的電晶體參數。 22
表3.3.(c) 三種不同鋰離子濃度於通道長度L=50 μm的電晶體參數。 22
表3.4. 鋰摻雜量0.02 M時的不同通道長度(Length=30、40、50 μm)ZnO TFT電晶體參數。 23
表4.1. 三種不同Li/Zn比例的氧化銦鋅光學能隙列表 36
表4.2.(a) 鋰0.01 M的IZO TFT隨時間改變的電晶體參數表，元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 36
表4.2.(b) 鋰0.02 M的IZO TFT隨時間改變的電晶體參數表，元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 37
表4.2.(c) 鋰0.03 M的IZO TFT隨時間改變的電晶體參數表，元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 37
表4.3.(a) 三種不同鋰離子濃度於通道長度L=30 μm的電晶體參數。 38
表4.3.(b) 三種不同鋰離子濃度於通道長度L=40 μm的電晶體參數。 38
表4.3.(c) 三種不同鋰離子濃度於通道長度L=50 μm的電晶體參數。 38
表4.4. 鋰摻雜量0.03 M的不同通道長度(Length=30、40、50 μm)IZO TFT電晶體參數。 39

圖目錄
圖1.1. 氧化鋅的纖鋅礦結構。 5
圖2.1. Aggregation(體外形成聚集體)和Ostwald Growth(奧斯瓦生長)。 12
圖2.2 溶膠凝膠變化示意圖。 12
圖2.3. 基板清洗流程圖。 13
圖2.4. 基板結構示意圖。 13
圖2.5. 布拉格繞射示意圖。d 為晶格平面與平面間之距離，θ為入射角，S0 為入射光，S為繞射光。 14
圖3.1. 三種不同鋰離子摻雜濃度(0.01 M、0.02 M、0.03 M)的氧化鋅鋰前驅物溶液，製備主動層的電晶體，其通道的3-D和2-D(Top-view) AFM圖。 24
圖3.2.(a) 鋰0.01 M、(b) 鋰0.02 M、(c) 鋰0.03 M之摻鋰氧化鋅薄膜XRD分析圖。 25
圖3.3.(a)為三種不同摻雜比例(10%、20%、30%)的摻鋰氧化鋅薄膜穿透光譜圖。
(b)為摻鋰氧化鋅薄膜的光學能隙求法。 26
圖3.4. (a) 鋰 0.01 M (b) 鋰 0.02 M的ZnO TFT之隨時間改變的轉換特性曲線圖；元件通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 27
圖3.4. (c) 鋰 0.03 M的ZnO TFT之隨時間改變的轉換特性曲線圖；元件通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 28
圖3.5. (a)通道長度固定30 μm的三種不同鋰離子摻雜濃度的ZnO TFT轉換特性曲線比較圖；通道寬度固定為500 μm。 28
圖3.5. (b)通道長度40 μm(c) 通道長度50 μm的三種不同鋰離子摻雜濃度的ZnO TFT轉換特性曲線比較圖；通道寬度固定為500 μm。 29
圖3.6. 鋰0.02 M的不同通道長度(Length=30、40、50 μm) ZnO TFT之轉換特性曲線圖，通道寬度(Width)固定為500 μm。 30
圖3.7. 鋰0.02M，通道長寬為30 μm，放置48小時的摻鋰氧化鋅薄膜電晶體轉換特性曲線圖。 30
圖4.1. 三種不同鋰離子摻雜濃度(0.01M、0.02M、0.03M)的摻銦氧化鋅鋰前驅物溶液，製備主動層的電晶體，其通道的3-D和2-D(Top-view) AFM圖。 40
圖3.2.(a) 鋰0.01 M、(b) 鋰0.02 M、(c) 鋰0.03 M之摻鋰氧化銦鋅薄膜XRD分析圖。 41
圖4.2.(a)三種不同鋰離子摻雜比例(10%、20%、30%)的摻鋰氧化銦鋅薄膜穿透光譜圖。(b)為求摻鋰氧化銦鋅薄膜的光學能隙求法。 42
圖4.4. (a) 鋰 0.01 M (b) 鋰 0.02 M的IZO TFT之隨時間改變的轉換特性曲線圖；元件通道長度為50 μm，通道寬度500 43
圖4.4.(c) 鋰 0.03 M的IZO TFT隨時間改變的轉換特性曲線圖；元件的通道長度為50 μm，通道寬度500 μm。 44
圖4.5. (a)三種不同鋰離子摻雜濃度的IZO TFT轉換特性曲線比較圖；通道長度固定30 μm，通道寬度固定為500 μm。 44
圖4.5. (b)通道長度固定40 μm(c)通道長度固定50 μm的三種不同鋰離子摻雜濃度的IZO TFT轉換特性曲線比較圖；通道寬度固定為500 μm。 45
圖4.7. 鋰0.03 M的不同通道長度(Length=30、40、50 μm) IZO TFT之轉換特性曲線圖；通道寬度(Width)固定為500 μm。 46
圖4.8. 鋰0.03 M，通道長寬為50 μm /500 μm，放置48小時的摻銦氧化鋅鋰薄膜電晶體轉換特性曲線圖。 46

[1] H. L. Hartnagel, A. K. Jain and C. Jagadish, “Semiconducting Transparent Thin Films”, published by Institute of Physics Publication, 1995, Chap. 3.
[2] G. Gordillo and C. Calderón ”Properties of ZnO thin films prepared by reactive evaporation” Solar Energy Materials & Solar Cell, 69, 251 (2001).
[3] Y. Igasaki and H. Saito, “The effects of zinc diffusion on the electrical and optical properties of ZnO:Al films prepared by r.f. reactive sputtering” Thin Solid Films, 199, 223 (1991).
[4] M. Ohring, “The Materials Science of Thin Films” (Academic Press, San Diego, CA, pp.509-514) (1991)
[5] D. F. Paraguay, L. W. Estrada, N. D. R. Acosta, E. Andrade, and M. Miki-Yoshida, ”Growth, structure and optical characterization of high quality ZnO thin films obtained by spray pyrolysis” Thin Solid Films, 350 192 (1999)
[6] N. Serpone, D. Lawless, and R, Khairutdinov, “Size Effects on the Photophysical Properties of Colloidal Anatase TiO2 Particles: Size Quantization or Direct Transitions in This Indirect Semiconductor?” J. Phys. Chem, 99, 16646 (1995)
[7] E. Burstein, “Anomalous Optical Absorption Limit in InSb” Phys. Rev., 93,632 (1954)
[8] B. Wang, “Synthesis and characteristics of Li-doped ZnO powders for p-type ZnO” Journal of Alloys and Compounds, 503, 436–438 (2010).
[9] T. S. Moss, “The Interpretation of the Properties of Indium Antimonide” Phys. Soc. London Sect. B, 67, 775 (1954).
[10] R. Ondo-Ndong, F. Pascal-Delannoy, “Structural properties of zinc oxide thin films prepared by r.f. magnetron sputtering” Material Science and Engineering ：B, 97, 68 (2003).
[11] L. Spanhel, Marc A. Anderson, “ Semiconductor Clusters in the Sol-Gel Process: Quantized Aggregation, Gelation, and Crystal Growth in Concentrated ZnO Colloids“ J. Am. Chem. Soc., 113, 2826 (1991).
[12] M. Ohyama, H. Kozuka and T. Yoko, “Preparation of ZnO films with preferential orientation by sol-gel method” J. Ceram. Soc. Jpn., 104, 164 (1996).
[13] M. Ohyama, H. Kozuka and T. Yoko, “Sol-gel preparation of ZnO films with extremely preferred orientation along (002) plane from zinc acetate solution” Thin Solid Films, 306, 78 (1997).
[14] G. Gasparro, J. Putz, D. Ganz, and M. A. Aegerter, “Parameters affecting the electrical conductivity of SnO2 : Sb sol–gel coatings” Solar Energy Mater.Solar Cells, 54, 287 (1998).
[15] Y. Takahashi, M. Kananori, and A. Kondon, “Photoconductivity of Ultrathin Zinc Oxide Films” Jpn. J. Appl. Phys., 33, 6611 (1994).
[16] A. Yavuz Oral, Z. Banu Bahs¸i , M. Hasan Aslan, “Microstructure and optical properties of nanocrystalline ZnO and ZnO:(Li or Al) thin films”Applied Surface Science 253, 4593 (2007).
[17] D. Kang, H. Lim, C. Kim, I. Song, J. Park, Y. Park, and J. G. Chung, “Amorphous gallium indium zinc oxide thin film transistors: Sensitive to oxygen molecules” Appl. Phys. Lett., 90, 192101 (2007).
[18] J. F. Boyle and K. A. Jones, “The effects of water vapor and surface temperature on the conductivity of SnO2 gas sensor” J. Electron. Mater. 6, 717 (1977).
[19] N. Yamazoe, J. Fuchigami, M. Kishikawa, and T. Seiyama, “Interac- tions of tin oxide surface with O2, H2O and H2” Surf. Sci. 86, 335 (1979).
[20] Y. Shimizu, M. Shimabukuro, H. Arai, and T. Seiyama, “Humidity-Sensitive Characteristics of La3+-Doped and Undoped SrSnO3” J. Electrochem. Soc. 136, 1206 (1989).
[21] J. S. Park, J. K. Jeong, H. J. Chung, Y. G. Mo, and H. D. Kim, “Electronic transport properties of amorphous indium-gallium-zinc oxide semiconductor upon exposure to water” Appl. Phys. Lett. 92, 072104 (2008).
[22] C. G. Choi, Seok-Jun Seo, and Byeong-Soo Baez, “Solution-Processed Indium-Zinc Oxide Transparent Thin-Film Transistors” Electrochemical and Solid-State Letters, 11 (1), H7 (2008).
[23] J. Nishino, S. Ohshio, K. Kamata, ”Preparation of aluminum-doped zinc oxide films by a normal-pressure CVD method” J. Am. Ceram. Soc 75 (12), 3469 (1992).