インジウムガリウム亜鉛酸化物

インジウムガリウム亜鉛酸化物（IGZO）は、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、亜鉛（Zn） 、酸素（O）からなる半導体材料で、安定した性能を保証する独自の原子配列を有しています。IGZOは、複雑な（In ₂ O ₃）_x（Ga ₂ O ₃）_y（ZnO）_1-xy三元系内の組成範囲を表すことができます。業界標準のIGZO組成は、In:Ga:Znカチオン比で1:1:1と2:2:1です。この独自の構造により、画像解像度が向上し、さまざまなディスプレイ技術との互換性がサポートされ、効率、性能、信頼性が向上します。^{[ 1 ]}アモルファス形態のa-IGZOは、薄膜トランジスタに適した光学的透明性と電子輸送を組み合わせたワイドバンドギャップ酸化物半導体の一種である、代表的な透明アモルファス酸化物半導体（TAOS）です。^{[ 2 ]}

_{結晶性IGZO（c-IGZO）の構造は、式InGaO 3} (ZnO) _mで表される一連の同族構造によって特徴付けられます。^{[ 3 ]} mが整数の場合、mの偶奇性によって結晶系と構造が決まります。mが偶数の場合、構造は六方対称（P6 ₃ /mmc）を持ち、mが奇数の場合、構造は三方対称（R-3m）を持ちます。IGZOは非晶質形態（a-IGZO）でも存在できます。

IGZOは、非常に低いリーク電流と非常に高い電子移動度を持ち、液晶ディスプレイ（LCD）や電子ペーパーで一般的に使用されているアモルファスシリコンの20～50倍です。高い電子移動度により、トランジスタの小型化と回路の薄型化が可能になり、ピクセルあたりの光透過率が向上し、輝度を損なうことなく解像度を実質的に2倍にすることができます。これにより、応答時間が短縮され、処理遅延が軽減されます。^{[ 4 ]} さらに、IGZOは低消費電力でも知られています。すべてのピクセルを継続的に駆動する必要がある従来のスクリーンとは異なり、IGZOはリフレッシュせずに画像情報を保持します。これにより、消費電力は従来のディスプレイの5分の1、あるいは10分の1にまで削減されます。これにより、携帯機器のバッテリー寿命がさらに延びます。^{[ 5 ]}

IGZOは、フラットパネルディスプレイ（FPD）のTFTバックプレーンなど、ディスプレイ用途の薄膜トランジスタ（TFT）に広く使用されています。IGZO-TFTは、2003年に東京工業大学と科学技術振興機構（JST）の細野秀雄グループによって開発されました（結晶性IGZO-TFT） ^{[ 6 ] [ 7 ]}、2004年には（非晶質IGZO-TFT）^{[ 8 ]} 。IGZO-TFTは非晶質シリコンの20～50倍の電子移動度を持つため、フラットパネルディスプレイの速度、解像度、サイズを向上させることができます。現在、有機EL（OLED）テレビディスプレイ に使用される薄膜トランジスタとして使用されています。多結晶シリコンも高い電子移動度を示すことができますが、粒界のために性能が不安定になることが多く、デバイスの信頼性に影響を与えます。対照的に、アモルファスIGZO（a-IGZO）TFTは、低温で広い面積に製造できるため、均一性と品質が向上し、よりコスト効率が高く実用的な代替手段となる。^{[ 9 ]}

IGZO-TFTとその応用はJSTによって特許取得されている。^{[ 10 ]}これらはサムスン電子^{[ 10 ]}（2011年）とシャープ^{[ 11 ]}（2012年）にライセンス供与されている。

2012年、シャープはIGZO-TFTを組み込んだLCDパネルの生産を最初に開始しました。^{[ 12 ]}シャープはスマートフォン、タブレット、32インチLCDにIGZO-TFTを使用しています。これらのLCDでは、LCDの開口率が最大20%向上しています。IGZO-TFTの高い移動度と低いオフ電流により可能になったLCDアイドルストップ技術により、消費電力が改善されています。^{[ 13 ]}シャープはノートPC向けに高画素密度パネルのリリースを開始しました。^{[ 14 ]} IGZO-TFTは、富士通が提供するウルトラブックPCの14インチ3,200x1,800 LCDにも採用されており、^{[ 15 ]}また、 Razer Blade 14インチ（タッチスクリーンバリアント）ゲーミングノートPCやLGエレクトロニクスが提供する55インチOLED TVにも使用されています。^{[ 16 ]}

IGZOの酸化亜鉛に対する利点は、酸化物半導体に共通する高いキャリア移動度を維持しながら、均一な非晶質相として堆積できることである。^{[ 2 ]}非晶質In-Ga-Zn-O薄膜トランジスタのレビューでは、この非晶質の均一性とキャリア移動度の組み合わせが、ディスプレイ用途における中心的な理由であると説明されている。^{[ 17 ]}これらのトランジスタはわずかに光に敏感であるが、その効果は深紫から紫外線（光子エネルギーが3 eV以上）の範囲でのみ顕著になり、完全に透明なトランジスタの可能性を提供する。

IGZOの大規模製造における現在の障害は合成方法である。透明導電性酸化物（TCO）合成に最も広く使用されている技術はパルスレーザー堆積（PLD）である。^{[ 18 ]} PLDでは、レーザーを使用して固体元素ターゲット上のナノサイズのスポットに焦点を合わせる。レーザーパルス周波数は、膜の組成を制御するためにターゲット間で比率を変えて変化する。IGZOは低温堆積が可能であることから、石英、単結晶シリコン、さらにはプラスチックなどの基板上に堆積することができる。基板はPLD真空チャンバー内に配置され、酸素圧力が制御されて良好な電気特性が確保される。合成後、膜はアニールされ、雰囲気に合わせるために徐々に空気にさらされる。

PLDは有用で汎用性の高い合成技術ではあるものの、高価な装置が必要であり、各サンプルが通常の環境条件に馴染むまでにかなりの時間を要する。これは工業生産には理想的とは言えない。

IGZO薄膜を高精度かつスケーラブルに製造する代替方法として、プラズマ強化原子層堆積（PEALD）プロセスがある。ALDは、ガス前駆体を用いて薄膜を層ごとに堆積させる精密制御された化学気相堆積技術である。PEALDでは、遠隔プラズマ源を追加することで、前駆体分子がプラズマ中で分解され、加熱された基板からの熱エネルギーへの依存度が低減され、プロセスの柔軟性が向上する。^{[ 19 ]}

溶液処理は、よりコスト効率の良い代替手段です。具体的には、燃焼合成技術を使用できます。Kim らは、金属硝酸塩溶液と酸化剤を使用して発熱反応を起こしました。^{[ 20 ]}一般的な燃焼合成の 1 つはスピン コーティングです。^{[ 21 ]}これは、ホット プレート上に In と Ga の溶液層を堆積し、目標組成に応じて約 200 ～ 400 ℃の温度でアニールするものです。フィルムは空気中でアニールできるため、PLD に比べて大きな利点があります。