依前面章節所做的實驗來看，利用本實驗水溶液方法確實可摻雜Mg元素進 入ZnO薄膜中，而目前文獻[46~47]報導In或In2O3在ZnO薄膜(ZIO)中不改變ZnO 晶體結構的最大添加量約在11~20%，不過ZIO薄膜有較好的薄膜特性的晶體結
(polyethylene glycol trimethylnonyl ether, 97%)以磁石均勻攪拌混合5分鐘，即可 得到透明澄清的氧化鋅摻雜銦元素水溶液，如圖5-1 (b)所示；在此系統中添加 的界面活性劑達1ml，推測是因為硝酸鋅是無機的水溶液系統並不如醋酸鋅水
溶液系統有較多可與界面活性劑產生鍵結的醋酸根，故在旋轉塗佈成膜比較困 難，所以將界面活性劑提高到可以塗佈成膜的量；然後取適量的ZIO水溶液在 每分鐘350轉的轉速下旋轉塗佈在5x5cm2玻璃基板上，在溫度80C的hot plate 上pre-baking 10min後，經oven 500C空氣下1hr的溫度退火後，即可得到透明 且連續的ZIO薄膜；而本薄膜的特性也利用X-ray diffraction (XRD)來分析薄膜 晶相；掃描式電子顯微鏡--scanning electron microscopy (SEM)分析薄膜的微結 構；atomic force microscopy (AFM)來分析薄膜的表面形態；四點探針方式量測 薄膜電阻值等。
圖 5-1： ZIO 均勻混合後水溶液樣品比較圖 (a：醋酸銦系統；b：硝酸銦系統)
(a) (b)
圖 5-2：ZIO 薄膜製作流程圖
In(NO3)3·XH2O
50ml Deionized Water
Non-ionic surfactant
ZIO thin film
Mixing and Stirring for 5min
Spin Coating
Pre-baking
Annealing in Air Clear ZIO Metal Salt Aqueous Solution
XRD
SEM
AFM Zn(NO3)2·6H2O
I-V Curve Analysis TGA
FTIR
5-2、氧化鋅添加銦元素水溶液材料熱重分析(TGA)
本氧化鋅添加銦元素水溶液的TGA分析如圖5-3所示，由圖中可看到從 80~370˚C左右呈現連續的重量損失，推測是因為溶液中沒有醋酸鍵的成分，使 水分較易蒸發，而且硝酸根與非離子型界面活性劑的裂解揮發也在此溫度範圍 內，故呈現連續的重量損失，直到400˚C後整體重量才不再改變而維持在 25.43%，藉由此分析可了解本實驗ZIO溶液的裂解情形，而決定所需要的退火 溫度。
圖 5-3：ZIO 水溶液材料的 TGA 圖
5-3、薄膜表面型態觀察與電阻率分析
本ZIO薄膜經500℃退火與SEM分析後，其薄膜的表面型態如圖5-4 ~ 5-6所 示，雖為連續薄膜，但可明顯見到有不同結晶的狀態，因此推測用本實驗方式 將In元素等比例的加入應會使ZnO的結晶狀態受到影響，且ZIO薄膜厚度約 30~40 nm，推測是因為本水溶液系統與前述系統不同而使薄膜厚度變薄，另外 由XRD分析結果可見薄膜的結晶狀態並不佳，故較難以Scherrer equation去計 算晶粒大小；而以四點探針的方式來量測此ZIO薄膜的電阻係數，其值約為 2.3x104 Ω-cm，較ZnO與Zn1-xMgxO薄膜的電阻係數低，由XRD分析結果推測是 因為ZIO薄膜中有In2O3的存在，而In2O3的電阻係數約10-5~10-6 Ω-cm [66]，導致 ZIO薄膜電阻係數降低。
圖 5-4：500℃退火後 ZIO 薄膜的微結構圖--Tilt View
500nm
圖 5-5：500℃退火後 ZIO 薄膜的微結構圖--Top View
500nm
圖 5-6：500℃退火後 ZIO 薄膜的微結構圖-- Cross-section View
500nm
5-4、薄膜晶體結構分析
圖5-7為ZIO薄膜在500℃退火後利用XRD所量測的晶相結果，由於ZIO薄膜 在玻璃基板上的厚度較薄約30~40nm，且等量In元素的添加會使ZnO的晶體結 構受到影響，所以推測ZIO薄膜的結構與XRD的繞射訊號會受到玻璃基板、薄 膜厚度與In元素的添加量等三個因素影響，使XRD的繞射訊號改變，不過將分 析結果比對JCPDS powder file (附錄一~附錄二)後，可發現圖中黑色箭頭部份 為ZnO結晶相，而紅色箭頭表In2O3的結晶，雖然訊號不明顯，但由XRD分析 與Bragg’s Law計算d-spacing可知本ZIO薄膜應為ZnO與In2O3共存的多晶薄膜。
圖 5-7：500℃退火後 ZIO 薄膜的 XRD 圖
5-5、薄膜表面粗糙度分析
圖5-8顯示本ZIO薄膜在500℃退火後表面的粗糙程度，其rms值為4.59nm，
由AFM分析結果得知本ZIO薄膜也是連續的薄膜，此結果與SEM的分析結果互 相吻合。
圖 5-8：500℃退火後 ZIO 薄膜的 AFM 圖--Tilt View
30
nm
5-6、薄膜光穿透率分析
圖5-9為本實驗ZIO薄膜的UV-Visible吸收光譜穿透率分析圖，由圖中可看 ZIO薄膜穿透率在光波長400~800nm範圍內可大於85%，類似ZnO薄膜；另外，
依式3.1與第二章ZnO光能隙計算的關係換算ZIO薄膜資料後，可得本ZIO薄膜 的光能隙，如圖5-10所示，本ZIO薄膜的光能隙在3.19~3.28eV範圍內，在文獻 [22][76~80]中提到2.66~3.5eV的能隙範圍中，不過在圖5-10中光能隙曲線有轉 折的部分推測應該是受到ZIO薄膜中In2O3影響，因為In2O3的能隙約
3.6eV[88]，故會使ZIO薄膜的光能隙往右偏移。
圖 5-9：500℃退火後 ZIO 薄膜穿透率圖
圖 5-10：500℃退火後 ZIO 薄膜光能隙圖
5-7、傅立葉紅外光光譜分析(FTIR)
圖5-11為ZIO材料的FTIR分析結果，由圖中可看到本實驗ZIO薄膜在500℃
的退火後，除了OH鍵外，還有一些界面活性劑的有機鍵殘留，包含C=C鍵、
-CH2鍵與-CH3鍵；OH鍵的殘留，原因應該還是水氣的吸附或界面活性劑中的 OH基殘留造成，而有機鍵殘留應該還是界面活性劑的裂解不完全，因為本ZIO 實驗添加的界面活性劑因溶液系統的不同是前面實驗的10倍左右，因此推測 500℃的退火1小時的時間並不夠，仍有未裂解完的有機物殘留在ZIO薄膜中。
圖 5-11：500℃退火後 ZIO 薄膜 FTIR 圖
5-8、薄膜電晶體電性量測分析
整體來說，ZIO TFT在載子遷移率比前面ZnO與Zn0.9Mg0.1O TFT來的高，推 測是因為本溶液系統與前述醋酸溶液系統不同且In2O3的出現會使ZIO薄膜的 結晶狀態受到影響所致，使載子遷移率與汲極電流增加，所以當閘極、源極與 汲極施加電壓時，汲極電流可提高到10-6安培。
雖然ZIO TFT的元件特性有比較好，但若與一般a-Si TFT特性(如前所述)比較 還是未達標準，原因應是本實驗的ZIO薄膜結構較不完整所致，如圖5-15的元