ZnO 改變氧通量比較

藉由改變氧通量實驗可以研究不同氧通量之 ZnO 電洞阻障層是否 因為氧空缺而影響 HARP 元件之性能。在實驗中，使用濺鍍機沉積 ZnO 時，改變通入氬氣(Ar)與氧氣(O2)的比例，薄膜厚度皆控制在 50nm，以利在相同厚度下做為比較，設計了三組實參數做比較，分別 為：(1) Ar:O₂=20:10，(2) Ar:O2=20:20，(3) Ar:O2=20:30。

由圖 4-17 XRD 得知，在不同氧通量沉積之 ZnO 於繞射角度 34~35 度出現一繞射峰值，經 ZnO 之 JCPDS，比對鑑定為 c 軸(002)方 向，顯示出具有良好的結晶性，晶粒大小無太大差異。由圖 4-18 (a) ZnO Ar:O2 = 20:10，(b) ZnO Ar:O2 = 20:20，(c) ZnO Ar:O2 = 20:30 薄 膜 SEM 所示，不同氧通量所沉積的 ZnO，觀察其 grain size 與薄膜緻 密性並無隨著氧通量多寡而產生明顯差異。圖 4-19 (a)為不同氧通量 之 ZnO 電洞阻障層 UV-VIS 吸收光譜，經由換算後可得到圖 4-19 (b)，

以 ZnO Ar:O₂ = 20:20 能隙約為 3.2 eV 最大，其次為 ZnO Ar:O2 = 20:10 能隙約為 3.18 eV，ZnO Ar:O2 = 20:30 能隙約為 3.15 eV 最小。

圖 4-20(a)為不同氧通量沉積 ZnO 之 PL，在激發波長 384 nm，以氧通 量 Ar:O₂=20:20 時的 PL Intensity 最低，發光波長 550 nm，以氧通量 Ar:O2=20:30 時的 PL Intensity 最低。(b)為 Igreen(550 nm)/Iuv(384 nm)比較，可 發現在氧通量 Ar:O₂=20:20 比值最大，表示其缺陷最多。圖 4-21(a)為 ZnO Ar:O2 = 20:10 薄膜之 AFM，其 RMS 為 2 nm，(b)為 ZnO Ar:O2 = 20:20 薄膜之 AFM ，其 RMS 為 2.2 nm，(c)為 ZnO Ar:O2 = 20:30 薄膜 之 AFM，其 RMS 為 1.4 nm，(d)由分析顯示在氧通量 Ar:O₂=20:20 RMS 最高，其表面最粗糙。

77

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

ZnO

Ar:O = 20:30 Ar:O = 20:20 Ar:O = 20:10

Intensity (a. u.)

2 Theta (degree) (002)

圖 4-17 不同氧通量沉積 ZnO 之 XRD 分析圖譜

78

(a)

(b)

(c)

圖 4-18 ZnO 不同氧通量之 SEM (a)Ar:O₂ = 20:10 (b)Ar:O₂ = 20:20 (c) Ar:O2 = 20:30

79

300 400 500 600 700 800 900

0.0

Wavelength ( nm ) (a)

80

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 ZnO AR:O₂ = 20:10 ZnO AR:O₂ = 20:20 ZnO AR:O₂ = 20:30

PL Intensity (arb. units)

Wavelength (nm) (a)

10 20 30

0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

I

/ I

Oxygen flow (sccm)

ratio

(b)

圖 4-20 不同氧通量沉積 ZnO 之(a) PL (b)不同氧通量之 I_green/Iuv

激發

發光

81

(a) (b)

10 20 30

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

RMS (nm)

Oxygen flow (sccm)

RMS

(c) (d)

圖 4-21 (a)ZnO Ar:O₂=20:10 薄膜 AFM (b)ZnO Ar:O2=20:20 薄膜 AFM (c)ZnO Ar:O2=20:30 薄膜 AFM (d)不同氧通量沉積 ZnO 之 AFM-RMS

比較

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圖 4-22 為 ZnO Ar:O₂=20:10 之 HARP 電性量測，圖 4-23 為 ZnO Ar:O2=20:20 之 HARP 電性量測，圖 4-24 為 ZnO Ar:O2=20:30 之 HARP 電性量測，在電性分析方面如表 4-4 所示，在相同電場 21 V/μ m 下做比較，可得知 Ar:O2=20:20 的 ZnO 擁有較低的暗電流，及較高 的亮電流，其明暗電流比最高可達到 3569 倍，比 Ar:O₂=20:10 的 2346 倍 和 Ar:O₂=20:30 的 1009 倍 來 的 好 。 而 在 失 效 電 場 方 面 ， 也 以 Ar:O2=20:20 的 ZnO 為最高，為 61 V/μm，遠比 Ar:O2=20:10 和 Ar:O2=20:30 的 36 V/μm 來的好。

在 ZnO 改變氧通量比較實驗中，由電性分析結果得知，ZnO Ar:O2=20:20 為本實驗最佳光電性能參數，電性結果並無隨者氧通量 變多而呈現趨勢的變化，因此氧通量多寡對於 ZnO 電洞阻障層來說並 無絕對關係，推測可能的原因有二點：

1.缺陷：在圖 4-20 的 PL 分析，顯示出 ZnO Ar:O2=20:20 在

Igreen(550 nm)/Iuv(384 nm)的比值最大，表示其缺陷最多，使電洞會被 deep

trap 捕獲，形成阻隔電洞的機制，未來還尚需利用深層能階暫態能譜 (DLTS)來做進一步缺陷的分析比較。

2.粗糙度：由圖 4-21 的 AFM 分析顯示出，ZnO Ar:O₂=20:20 薄膜 的粗糙度最高，推測是在沉積 ZnO 薄膜時，薄膜的表面的粗糙度會影 響到與 a-Se 薄膜介面的變化。

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Electric Field (V /μm) Dark current (A) Light current (A) Ratio

Ar:O2=20:10

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85

86

87