第一章 緒論
1.2 ITO/IGZO 材料特性
第一章 緒論
1.1 研究目的及動機
近年來隨著 IGZO 研究的興起，目前已經可以看到使用 IGZO 驅動的 AMOLED 及 AMLCD 了。但是 IGZO 存在著一些本質上的缺點，例如對光敏感及對水、氧等 的敏感及長期穩定，此外，IGZO 的電性模型到目前為止也是極少有研究報導。
然而，IGZO 長時間操作的可靠度也是需要努力改進的。
而本論文探討金屬-絕緣層-半導體(Metal-Insulator-Semiconductor，MIS) 光偵測器結構為主的光偵測器。MIS 光偵測元件之其優點為暗電流小、低訊號、
反應速度快、可加電壓高，並偵測特定波長的光偵測效果，以蒸鍍不同材料，製 作 MIS 結構並以探針量測其電學特性、紫外光與可見光藉由光譜儀系統量測其 穿透特性、從量測分析搭配基本物理特性作一系列的探討。
1.2 ITO/IGZO 材料特性
1.2.1 氧化銦錫之結構與特性
氧化銦錫(即 Indium Tin Oxide，簡稱 ITO)為一種混合的 IIIA 族氧化銦 (In2O3)和 IVA 族的氧化錫(Sn2O2)之透明導電薄膜材料，通常質量比為 90%氧化銦 和 10%氧化錫，色澤透明無色，在塊狀時，則呈黃偏灰色，為寬能隙(約 3.5~4.3eV) 的 n 型簡併半導體(degenerate semiconductor)材料。由於具有高導電率(1x10-4Ω -cm)和在可見光範圍的高透光率(穿透率約為 80~90%)如(圖 1.1)及化學穩定性 佳等優勢，因此被廣泛應用作為透明電極。
圖 1-1 ITO 穿透率曲線
氧化銦錫薄膜在可見光區的折射率為 1.8~2.1，其理論密度為 7.5g/cm3，晶 格結構與氧化銦相同皆為體心立方晶體結構(cubicbixbyite)[56]，如圖 1.2，屬於 c-type 稀土族類的缺陷氧化物，晶格常數為 a=10.118Å ，雖然氧化銦錫薄膜的晶 體結構與氧化銦相同，但由於錫(In 原子量 49，Sn 原子量 50)的摻雜使得晶格略 微膨脹(10.118 <a<10.31Å )[39]。
典型的氧化銦錫薄膜晶粒大小(grain size)介於 400~600Å，且隨著不同的沉積 條件，有很強的<100>，<110>，<111>之優選取向[58,59]，圖 1.3 為 Nath 等人[40]
利用活化反應蒸鍍技術所製造出的氧化銦錫薄膜(18at%Sn)和純氧化銦薄膜的 X-ray 繞射峰作比較，可以發現氧化銦錫薄膜並無 SnO2、Sn2O2、Sn3 O4等第二 相存在，也就是說在氧化銦的晶格中，錫原子置換了銦原子，這個現象在其他以 不同方法製備氧化銦錫薄膜的文獻中也被報導過[42-43]。
氧化銦錫透明導電膜在不同的波長範圍具有不同穿透率，主要是受自由電子
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濃度與能隙大小的影響。在可見光及近紅外光區為高穿透、低反射，在紫外光區 則為高吸收、低穿透，而在紅外光區為高反射、低穿透，具有光選擇性。
材料之原子結構、鍵結、不純物(impurities)、缺陷與電子結構之關係會 影響光學特性，造成氧化銦錫透明導電膜透明性降低的原因有吸收、散射、反射 等，其中材料內部或表面缺陷、孔洞、微裂縫、異質相與不純物等都有可能造成 光線的散射。氧化銦錫的光學折射率約為 1.8~2.0 左右，能隙約為 3.5~4.3eV，一 般來說，當入射光的能量小於入射材料的能隙時，入射光將可直接穿透，而不 被吸收，氧化銦錫薄膜於可見光波段區域不被吸收，具良好的穿透性，且薄膜對 光子的吸收和散射皆很小，僅約 2%，因此在可見光區的穿透率可達 80%以上[41]。
圖 1-2 氧化銦錫體心立方晶體結構圖[39]
圖 1-3 氧化銦和氧化銦(錫)之 X-ray 繞射圖[40]
1.2.2 氧化銦鎵鋅之結構與特性
氧化銦鎵鋅（英語：indium gallium zinc oxide，縮寫：IGZO）是由 In2O3、
Ga2O3 和 ZnO 這三種氧化物所組成的材料系統，並不專指某一特定成分的銦鎵鋅 氧化物。如果三者組合起來時 In、Ga 和 Zn 的原子數量相同，那麼 IGZO 可用簡 式寫成 InGaZnO4，這也是目前發表的 a-IGZO 文獻中常見的成分組合，雖然實際 成膜後三種金屬成分可能會偏離原有的公稱比 1：1：1。不同的 In2O3、Ga2O3 和 ZnO 組合比率會影響 IGZO 的性質。
IGZO 的載子移動率大約為 10cm2/Vs， 臨界電壓飄移幾乎一致。IGZO 可提 高面板性能、降低成本，但 IGZO 技術對光、水以及氧都相當敏感，長時間使用 之可靠度與穩定性，亦須增強。
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圖 1-4 IGZO 隨時間元件的 ID-VG 圖 圖 1-5 不同波長 IGZO 的 ID-VG 圖
IGZO 結晶形又分為奈米晶體(Nanocrystal)和 CAAC-IGZO(c-axis Aligned Crystal IGZO)兩種，其中 CAAC-IGZO 可稱為 IGZO 的進化版。CAAC-IGZO 的 晶體結構如圖 1.5 所示，是由 InO2-層與(Ga、Zn)O+層沿著 c 軸方向交錯堆疊而 成，具有強烈的 c 軸取向(Orientation)；如果沿著 c 軸觀察，其原子排列呈六角形，
如果由垂直於 c 軸的方向觀察，則可看到平行的層狀結構。
CAAC 結構的形成要點，是使 IGZO 晶體沿著單一方向(c 軸)成長，與非晶 形 IGZO(a-IGZO)相比，CAAC-IGZO 的可靠度與薄膜均勻性更佳，而且其製程 基本上和 a-Si TFT 相同，可以維持同等的生產性。
圖 1-6、CAAC-IGZO 的晶體結構