氧化鋅之發展

從 1935 年開始，氧化鋅(zinc oxide, ZnO)開始受到研究關注[73]。以氧化鋅作 為薄膜電晶體之通道層，其電性表現優異、高透光性、對光的穩定性高，研究發展 至今，已經成為工業界、科技界相當依賴之材料。

2003 年，數個研究團隊陸續發表 n 型氧化鋅薄膜電晶體之研究成果。Masuda 及 Tabata 等人使用脈衝雷射沉積法(Pulsed Laser Deposition, PLD)，以矽作為基板，

在 450 C 下沉積氧化鋅，所製作出薄膜電晶體之場效載子遷移率約為 0.031 cm² /V-s，而電流開關比大於 10⁵，且可見光波段之穿透率達 80%以上。其電性表現如圖 2.20 所示[74]。

(a)

(b) (c)

圖 2.20 由 Masuda 及 Tabata 團隊製作之氧化鋅薄膜電晶體 (a)結構示意圖 (b)輸出特性曲線 (c)轉換特性曲線[74]

同 樣 2003 年 ，Carcia 等 人 以 射 頻 磁控 濺 鍍 法 (radio-frequency magnetron sputtering)，在接近室溫下濺鍍氧化鋅薄膜，製作出氧化鋅薄膜電晶體於矽基板上。

其場效載子遷移率高達 2 cm²/V-s，而電流開關比也超越 10⁶，其電性表現如圖 2.21 所示。此外，氧化鋅薄膜之可見光穿透率同樣高達 80%以上。如此優異之電性表 現、光穿透率，以及接近室溫的製程溫度，使得氧化鋅得以應用於軟性塑膠基板上 [75]。

圖 2.21 由 Carcia 團隊製作氧化鋅薄膜電晶體之輸出與轉換特性曲線[75]

同樣 2003 年，Hoffman 及 Norris 團隊以離子束濺鍍法(ion-beam sputtering, IBS) 濺鍍氧化鋅薄膜，電極部份均採用透明導電材料、基板為玻璃，因此成功製作出以 氧化鋅為通道層之全透明薄膜電晶體(transparent thin-film transistor ,TTFT)。其場效 載子遷移率最高可達 2.5 cm²/V-s，電流開關比也高達 10⁷[76]，其元件結構示意圖 及電性表現如圖 2.22 所示。

(a)

(b) (c)

圖 2.22 由 Hoffman 及 Norris 團隊製作之全透明氧化鋅薄膜電晶體 (a)結構示意圖 (b)輸出特性曲線 (c)轉換特性及閘極漏電流曲線[76]

2014 年由 Jackson 率領的團隊，將氧化鋅薄膜電晶體製作在可撓性塑膠基板 上，如圖 2.23 所示，以實現輕薄、方便攜帶，以及可撓曲等優點[77]。該團隊運用 電漿輔助原子層氣相沉積法(Plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD)成長 氧化鋅薄膜，且製程最高溫度僅 200 C，成功將元件製作於塑膠基板上。場效載子 遷移率高達 12 cm²/V-s，電流開關比高於 10⁸，次臨界擺幅小於 300 mV/dec.，電性 表現相當優異。該團隊也比較製作於玻璃與塑膠基板上之差異，如圖 2.24 所示，

可以發現兩者之電性表現略同。此外，當元件承受應變時，其電性表現依然保持相 當穩定，如圖 2.25 所示，顯示可撓性氧化鋅薄膜電晶體其穩定之優異表現。

圖 2.23 由 Jackson 團隊製作氧化鋅薄膜電晶體於塑膠基板上 (a)元件結構示意圖 (b)薄膜電晶體於光學顯微鏡下之俯視圖

(c)可撓性塑膠試片捲曲於手指上[77]

(a) (b)

圖 2.24 由 Jackson 團隊製作之可撓性氧化鋅薄膜電晶體 (a) 轉換特性曲線(VDS = 0.5 V) (b)輸出特性曲線[77]

圖 2.25 由 Jackson 團隊製作之可撓性氧化鋅薄膜電晶體 承受不同應變下之轉換特性曲線(VDS = 0.5 V)[77]

綜合以上文獻回顧可以發現，氧化鋅薄膜有高透光率的優點，製作於電晶體之 通道層時有著高載子遷移率、高電流開關比等優點。此外，氧化鋅薄膜製備方法眾 多，包含：射頻磁控濺鍍法、溶膠凝膠法、原子層化學氣相沉積法…等，不同的製 備法有各自的優點。因此，氧化鋅薄膜電晶體在光電元件領域廣受重視。