Transparente leitfähige Oxide

Die Mitarbeitenden der Abteilung »Optische Systeme und Anwendungen« erforschen und entwickeln seit über zwei Jahrzehnten transparente und zugleich leitfähige Materialien, so genannte transparente leitfähige Oxide TCOs (englisch: transparent conductive oxides). 

Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung von Materialeigenschaften der transparent leitfähigen Oxide (TCO), z. B.  der Leitfähigkeit, der Lichttransmission und der Oberflächenrauigkeit. Dabei steht insbesondere die Adaption für kundenspezifische Anwendungen im Fokus. Dies reicht von der Prozess- und Materialentwicklung auf kleinen Laboranlagen bis zur Überführung zur In-line-Großflächenabscheidung mit geregelten Sputterprozessen, beispielsweise für Solarzellen oder schaltbare Systeme im Bereich der Architekturglasbeschichtung.

Wenn Sie spezielle Fragestellungen oder Beschichtungswünsche haben, sprechen Sie uns gerne an.

Bei klassischen transparent leitfähigen Oxiden (TCOs) wird in der Regel in kristallinen, transparenten Materialien durch Einbringung eines Dotanden die Leitfähigkeit erzeugt. Eine Auswahl derartiger n-leitender typischer transparent leitfähiger Oxide (TCO) sind wie folgend aufgeführt. Die bekannteste und verbreitetste Form der TCO-Beschichtung ist die ITO-Beschichtung auf Basis von Indium-Zinnoxid (In₂O₃:Sn) 

• Indiumoxid (In₂O₃:Sn, In₂O₃:Mo, In₂O₃:Ti, In₂O₃:H)
• Zinkoxid (ZnO:Al, ZnO:Ga, ZnO:Ti)
• Zinnoxid (SnO₂:F, SnO2:Sb, SnO₂:Ta, SnO₂:Nb)
• Titanoxid (TiO₂:Nb)

Wir scheiden derartige Materialien zur Ausbildung einer hochwertigen kristallinen Struktur i.d.R. bei erhöhter Substrattemperatur mittels Sputterverfahren ab oder verwenden einen Prozess mit nachträglicher Temperaturbehandlung, bspw. im Fall von In₂O₃:H (IOH) und TiO₂:Nb (TNO).

Eine weitere vergleichsweise neue Klasse sind amorphe transparent leitfähige Oxide (TCO-Materialien). Diese TCO-Materialien basieren auf Mischungen von zwei oder drei Oxiden, die Schwermetallkationen mit der elektronischen Konfiguration (n^-1)d¹⁰ns⁰ enthalten.

Aufgrund der äußeren kugelförmigen s-Orbitale bilden diese ein stark delokalisiertes Leitungsband mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit. Diese transparent leitfähigen Oxide TCOs zeichnen sich durch eine gute Leitfähigkeit und hohe Transmission aus, insbesondere im nahen Infrarotbereich (NIR). Zudem können sie bei Raumtemperatur abgeschieden werden. Bekannte Vertreter dieser Materialien sind z. B. Indiumzinkoxid (InZnO, IZO) und Indiumgalliumzinkoxid (InGaZnO, IGZO).

Ausgewählte Anwendungsbeispiele unserer TCO-Schichten

Abhängig vom Anwendungszweck müssen die transparent leitfähigen Oxide verschiedene Randbedingungen erfüllen bzw. Kompromisse für die Produktion eingehen. Für verschiedene Anwendungsszenarien sind hier optimierte Lösungen aufgeführt:

ITO-Beschichtungen für beste elektrische Leitfähigkeit

• Substrat-Temperatur T_Sub = 350°C
• Spezifischer Widerstand ρ = 157 µΩcm
• Schichtdicke z. B. 175 nm ⇒ T_visuell ≈ 87 %, Schichtwiderstand R_sh = 9 Ω
   

ITO-Beschichtungen für empfindliche Substrate

• Substrat-Temperatur T_Sub = Raumtemperatur
• Spezifischer Widerstand ρ = 815 µΩcm
• Schichtdicke z. B. 148 nm ⇒ T_visuell ≈ 85,5 %, Schichtwiderstand R_sh = 55 Ω  
   

ITO-Beschichtungen für »Coat and Bend« Prozesse

• Beschichtung bei Raumtemperatur und anschließende Temperung
• Spezifischer Widerstand ρ ≈ 300 µΩcm
• Schichtdicke z. B. 140 nm ⇒ T_visuell = 86 %, Schichtwiderstand R_sh = 21 Ω
  
• Das Substrat kann während des Tempervorgangs gebogen werden. Die Schicht reißt nicht (sogenannter »Coat and Bend« Prozess). Der mechanische und chemische Schutz des Substrats wird verbessert.
• Beschichtung komplexer Bauteile, z. B. von Glasrohren, ist möglich

IZO-Beschichtungen für hohe Infrarot-Transmission

• Substrat-Temperatur T_Sub = Raumtemperatur
• Spezifischer Widerstand ρ = 479 µΩcm
• Schichtdicke z. B. 94,6 nm ⇒ T_visuell ≈ 79,5 %, Schichtwiderstand R_sh = 50,6 Ω

Wir bieten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für transparent leitfähige Oxide TCOs, z. B. für folgende Bereiche: Strukturierte TCOs (mittels Photolithographie oder Laser), Heizschichten, schaltbare Gläser, Flachbildschirme (TFT), Touch Screens, niedrig emittierende Beschichtungen (low-e), Wärmeschutzschichten, Leuchtdioden (LED, OLED), Solarzellen, Dünnschichttransistoren, Dünnglas-, Folien- und Architekturglasbeschichtungen. Gerne unterstützen wir Sie auch bei kompletten Neuentwicklungen.