薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

Systematic Survey of Innovation in Transparent Oxide Semiconductor “IGZO” for Next-Generation Thin-Film Transistors2

鈴木 真之 Masayuki Suzuki■要旨

大画面で薄型の液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンス・ディスプレイを駆動する薄膜トランジス

タ（TFT）に用いられている半導体は、近年、アモルファスシリコン（a-Si:H）から、「IGZO」と呼ばれる酸化物半導体材料に置き換わりつつある。シリコンが隆盛を誇ってきた半導体文化に大きな革命が起こったということにほかならない。この一大変革をもたらしたのが、細野秀雄を中心とする ERATO プロジェクトグループによって発表された 2003 年の Science 誌と 2004 年の Nature 誌の連続する 2 つの論文である。前者の Science 誌の発表がホモロガス相という層状構造を有する酸化物結晶：InGaO（（m= 整数）をトランジスタの活性層
3 ZnO）
mに用いたのに対して、後者の Nature 誌の発表は、アモルファス（非晶質）の a-IGZO［=InGaZnO4］系酸化物

半導体を用いた研究成果である。特に a-IGZO TFT の発見・発明は低温作製が容易であること、従来のシリコン・プロセスとの整合性が高く、アモルファスシリコンに比べて電子の移動度が 10 倍程高く、しかもリーク電流がはるかに少ないことなどから、全世界のエレクトロニクスメーカーから注目を浴び、そして半導体分野における「ゲームチェンジ」を巻き起こした。このイノベーションの源泉と言える Nature 誌の論文は、マテリアル・サイ
エンスと半導体トランジスタ双方の分野で歴史に残る名編となった。

本系統化調査では、良く知られた ITO 材料や多元系透明導電性酸化物の研究開発の歴史的変遷を端緒として、

このイノベーションを起こした東京工業大学教授の細野秀雄が 1990 年代半ばから挑戦し続けてきた新しい酸化物半導体群の創製、および若手研究者の幾つかの実験結果から論理的に導き出された「作業仮説」の構築について、その技術フローも含めて筆者なりの視点で考察する。さらに酸化物薄膜のエピタキシャル単結晶化技術の蓄積と並行して、物質としては対極に位置する「アモルファス」でも「結晶」と遜色ない電子機能を賦与できることを「作業仮説」の具体的実証として大きな発見・発明に至った詳細な経緯を、企業との共同研究やプロジェク

トメンバー個々の研究アクティビティーの観点も含めて、筆者の独自の推測・推理や想像も織り交ぜながら、細野による「IGZO 系酸化物半導体材料」の創製の源流を紐解いていく。

微量の他元素混入でも嫌われるシリコン半導体隆盛の時代の中において、In、Ga、Zn といった金属元素が 3種も混在している複合酸化物を、新しい半導体産業のメイン・ステージに載せることが如何に大変な労苦を伴うものであったのか、マテリアル・サイエンスの視点だけでなく、特許出願や権利化への努力にも視点を注いで調査した。加えてこの材料創製のエポックが、世界中の研究者をどうエンカレッジしたのか、そして現在、高精細フラットパネル・ディスプレイ分野だけでなく、エレクトロニクス用メモリー応用やＸ線ディテクター用、さらにはバイオセンサーなど、多岐に亘る応用分野にまで技術波及しているので、それらについてもその概要を簡潔に紹介する。

このアモルファス IGZO 系酸化物半導体は、その材料科学と薄膜トランジスタというデバイス技術の２つの新基軸をベースに、新しい大きな技術プラットホームを構築したと言える。2015 年 3 月に、日本学士院より「無機電子機能物質の創製と応用に関する研究」の功績に対して、細野秀雄へ恩賜賞・日本学士院賞が授与され、2016 年には日本国際賞（Japan Prize）を受賞した。

※な お、材料研究に精通されている方々にはすでにご存じのことと思われるが、次世代 TFT 用の IGZO 系
透明酸化物半導体材料の開発者である細野秀雄は、本系統化調査で取り上げた材料系以外にも、典型的絶縁体と見做されていたセメント鉱物 12CaO・7Al2O（を半導体化、金属化、そして超伝3 略称：C12A7）

導化させた極めてインパクトの高い卓越した研究成果を挙げている。この研究は電子がアニオンとして働く「エレクトライド（電子化物）」という新領域の開拓に繋がった。また、半導体の一つである新規層状オキ
シカルコゲナイド系物質の創製、さらには、従来の金属系超伝導で定着していた BCS（Bardeen, Cooper,

Schrieffer）理論の延長では考えにくい、革新的な鉄系超伝導物質［LaFeAsO1-xFx 組成の層状オキシニクタ
イド物質（Tc=26K）］も発見し、第二の超伝導フィーバーを起こした。時に『材料探索における新大陸を発見した』と形容されるほどの卓越した多くの研究成果は、従来の固体物性物理学において新しい章への扉を拓かせ、新しい材料科学の学理を創成したものであり、現在もなお材料科学の分野では世界屈指の研究者であることをここに付記させて頂く。

■ AbstractThin-film transistors（TFTs）have greatly contributed to the increase in the area of liquid crystal displays
and organic electroluminescence displays. In recent years, amorphous silicon（a-Si:H）is being replacedby an oxide semiconductor known as “IGZO”（In-Ga-Zn-O）in TFTs. This is nothing less than a major
revolution in the semiconductor field, where silicon has prospered. This revolution was brought about by twoconsecutive papers in Science（2003）and Nature（2004）published by the ERATO project group led by
Prof. Hideo Hosono. The paper in Science discussed a homologous series of oxide crystals InGaO（
3 ZnO）
m（m = integer）with a layered structure that serve as the active layer of the transistor. The paper in Nature
discussed an amorphous oxide semiconductor（a-IGZO, InGaZnO4）. a-IGZO TFTs in particular are easy
to fabricate at low temperatures, are highly compatible with conventional silicon processes, have ten times
higher electron mobility than amorphous silicon, and have much lower leakage currents. These are thereasons why IGZO has attracted attention from electronics manufacturers around the world. As a result, this
discovery and invention has sparked a "game change" in the semiconductor field. The paper in Nature,
which is the source of this innovation, has become a landmark in both the fields of materials science andsemiconductor transistors.
This systematic survey starts with historical changes in the research and development of well-known
indium tin oxide（ITO）materials and multi-component transparent conductive oxides. From the author’s
point of view, this survey discusses the creation of new oxide semiconductors by Hideo Hosono, a professor
at Tokyo Institute of Technology, who has always been up for a challenge and initiated innovation in this area
since the mid-1990s. This survey also discusses the formulation of a "working hypothesis" logically derived
from the results of several experiments by young researchers, as well as the workflow of the technology.
In parallel with technology accumulation to epitaxially-grown single-crystal oxide thin films, this survey
describes the detailed history of major discoveries and inventions that resulted from concrete validation of
the “Hosono’s working hypothesis” that even “amorphous” materials, which differ vastly from “crystals,” canbe endowed with electrical properties comparable to those of crystals. This survey deciphers how Hosono
created “IGZO oxide semiconductors” as well as joint research with companies and research by individual
project members while interweaving the author’s speculations, theories, and imaginings.
During the era when silicon semiconductors flourished, even contamination with trace amounts of otherelements were prohibited, so putting composite oxides containing three metals such as In, Ga, and Zn on
the center stage of a new semiconductor industry was an arduous feat. This survey examines that difficultyfrom the perspective of materials science as well as efforts to apply for patents and acquire rights to thematerials. In addition, this epoch of materials creation has encouraged researchers around the world.
Currently, the technology is spreading in the field of high-definition flat panel displays as well as in a wide
range of fields such as memory applications for electronics, X-ray detectors, and even biosensors. Thissurvey will provide a brief overview of those fields of application.
a-IGZO semiconductors have created a large new technological platform based on two newcornerstones, materials science and device （TFT） technology. In March 2015, the Japan Academy
awarded Hideo Hosono the Imperial Prize and the Japan Academy Prize for his achievements in “Study on
creation and application of inorganic electro-active materials.” In addition, he was also awarded the Japan
Prize in 2016.
※ As those who are familiar with materials research probably already know, Hideo Hosono is the pioneerof transparent oxide semiconductors（IGZO）for next-generation TFTs. In addition to creating theseoxide semiconductors, the results of his outstanding research have had a profound impact on materials
other than those covered here. The mineral 12CaO 7Al2O3 （C12A7） is used in cement and wasconsidered to be a typical insulator, but Hosono converted this material into a semiconductor, metal,
and superconductor. This research led to the development of a new field called "electrides," in whichelectrons act as anions. In addition, Hosono has created a new layered oxychalcogenide material thatis a semiconductor. He also discovered an innovative iron-based layered oxypnictide superconductor（LaFeAsO1-xFx, Tc=26 K）that is unlikely to be an extension of the established BCS（Bardeen-CooperSchrieffer）theory in conventional metal-based superconductivity, causing a second “Woodstock ofphysics” in the superconducting materials field. Many of the results of his outstanding research aresometimes described as “discovering a new continent in materials exploration,” and they have openeda new chapter in solid state physics and created a new theory of materials science. I would like to addthat Prof. Hideo Hosono remains one of the world's leading researchers in the field of materials science.

■ Profile

鈴木 真之

Masayuki Suzuki

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員
1981年

東京大学大学院工学系研究科修士課程修了
ソニー株式会社入社 中央研究所材料研究室

1993年

ソニー株式会社 主任研究員

1993年

米 国イリノイ大学フレデリック・サイツ材料研究所
留学

1995年

日本電子工業振興協会
酸化物エレクトロニクス専門委員■ Contents

1997年

横浜国立大学大学院物質工学専攻 非常勤講師

1998年

博士（工学）（横浜国立大学）

１. はじめに… …………………………………………… 112

1999年

ソニー株式会社フロンティアサイエンス研究所

2. 透明導電性酸化物材料の発展……………………… 114

新材料研究室 室長
2002年

ソニー株式会社マテリアル研究所
ナノテクノロジー研究グループ グループ長

2004年

ソニー株式会社退職

2004年

富士写真フイルム株式会社先進コア技術研究所

2007年

富士フイルム株式会社 主席研究員

2008年

富士フイルム株式会社先端コア技術研究所 研究室長

2015年

科学技術振興機構（JST）戦略研究推進部 主任調査員

2016年

富士フイルム株式会社退職

2022年

科学技術振興機構退職

2022年

国立科学博物館産業技術史資料情報センター
主任調査員

3.	新しい酸化物半導体創製へ向けた Hosono’s
		 Working Hypothesis とその学理構築… ……… 140
4. 半導体トランジスタの歴史変遷… ………………… 170
5. IGZO 系酸化物半導体薄膜トランジスタの		 創製の意義… ………………………………………… 182
6. 知的財産活動への取り組み… ……………………… 193
7. その後の IGZO 関連材料・デバイスの研究開発
		 動向と技術発展・波及… …………………………… 204
8. まとめ… ……………………………………………… 229
9. 謝辞… ………………………………………………… 230

1 はじめに

112

今日、大きな画面を有する薄型の液晶ディスプレ

極少数に限られていた。この ITO とは俗に言う『透イ（LCD：Liquid Crystal Display）や、有機エレクト明電極』に他ならない。この ITO 薄膜は、上記薄型

ロルミネッセンス・ディスプレイ、あるいは OLEDLCD や OLED ディスプレイ用の電極材料としての利（Organic Light Emitting Diode）とも呼ばれる有機物用以外にも、太陽電池用の電極として多用されるよう質を発光材料として用いたディスプレイをリビングになってきており、より高い電気伝導性の材料が望まに設置されて新しいライフスタイルを送られているごれる状況下にあった。

家庭も徐々に増えてきているのではないだろうか。そそのような中、東京工業大学の川副博司と細野秀

こには従来までその牙城を誇っていたアモルファスシ

雄の研究チームは、独自の材料設計指針の下、1990

リコン（a-Si:H）を用いた薄膜トランジスタ（Thin Film

年頃から 2000 年代初頭にかけて何種類もの新しい透Transistor: TFT）に替わり、大画面の画素一つ一つ

明導電性物質を次々に見出し、そのメカニズム解明

をより高速に動作させられる “IGZO 系” と呼ばれるを行った。これら一連の研究成果の中で最も注目さ新しい酸化物半導体材料を用いた TFT が多用されるれたのが、1997 年における p 型の透明導電性酸化物

ようになってきている。

CuAlO2 の発見である。従来知られていたのは、電子

本系統化調査では、この IGZO 系という酸化物半導がキャリアである n 型のみであったので、世界中の体材料が、どのような経緯で発見・発明されたのか、研究者が注目したのは勿論だが、細野グループとして機能性酸化物材料における長年の研究変遷の中で、こもその発見を契機として、多くの新しい導電性酸化物の IGZO 材料系のパイオニアである細野秀雄がどのよと n 型、p 型酸化物半導体を見出し、酸化物だけにような独創的な材料設計への構想を持って進めたのか、る pn 接合ダイオードの創製など研究が大きく展開加そして先人達の数々の研究成果や知見の中からどのよ速された。今日ではこの細野グループの一連の大きうなヒントを得て自らの構想の中に融合し得たのか、な研究成果や、近年注目されているマルチフェロイ

加えてどのようにして素晴らしい研究チームを構成しクスなどとも呼ばれる強相関系物質科学等も含めて、得たのか等、その材料技術を中心とした点と線の系譜

1990 年代以降に勃興した電子的に特徴ある物性を有を筆者の推理・推測を交えながら紐解いていく。加えする機能性酸化物材料の研究全体を総称して『酸化物てこの発見と発明が、学会のみならず世界の産業界にエレクトロニクス』と呼んでいる。当時の東京工業大

どのような意義と可能性をもたらし、現実にどのように学の鯉沼秀臣教授と川副博司教授の強い指導の下に発展しているのか、この IGZO 系酸化物半導体材料の世界に先駆けて誕生したのが “Oxide Electronics” と研究を軸に、その材料研究の系統化調査の報告を行う。

いう言葉が入った国際会議であり、1995 年に始まり

エレクトロニクス分野をベースとした機能性酸化物

2021 年秋のイタリア・ジェノヴァで開催された 27 回の研究は、1986 年以降に突然起こった高温超伝導材

目の『酸化物エレクトロニクス国際ワークショップ

料のブームに端を発し、多くの新しい材料の物性や特（iWOE27）』と、発展的に継続されている。

徴が判明してくると共に、精密な結晶構造解析技術、

細野グループの材料研究への取り組みをもう少し

酸素分圧制御技術、基板最表面の創製技術、エピタキ

俯瞰した形で考察すると、通常では絶縁体とされる

シャル単結晶薄膜創製技術など、最先端の多種多様な透明、即ち物理的な表現で言うワイドなエネルギー技術も同時並行的に誕生した。その直後に勃興した強ギャップを有する物質（当時は、川副博司の造語とし

誘電体不揮発性メモリーという材料技術も、高温超伝て『伝導性絶縁体』と呼んでいた時期もあった）を主

導材料と同じペロブスカイト型結晶構造を有する酸化な対象として、新しい透明導電性物質、あるいは半物材料群であったことも重なり、『酸化物エレクトロ

導体物質を創出することが、1990 年代初期の大きなニクス』という言葉が生まれる程の世界規模で大きな狙いであった。この細野の材料創製に対する研究戦

技術潮流となった。

略を 100％受けた形で発足したプロジェクトが科学

さて 1990 年代の半ばまでは透明な酸化物といえ技術振興事業団（JST ／現・科学技術振興機構）の創ば一般的にはガラスで、基本的には絶縁体で導電性造科学技術推進事業による ERATO「細野透明電子

を 有 す る も の は、インジウム（In）酸化物に若 干 の活性プロジェクト」（1999 年 10 月～ 2004 年 9 月）でスズ（Sn）を加えた ITO（Indium-Tin-Oxide）材料などある。この「ERATO」とは「Exploratory Research

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchfor Advanced Technology」の略である。総括責任者

見出された透明アモルファス酸化物半導体材料ととなった細野秀雄は、独自の材料設計を飛躍的に展開

それを活性層（チャネル）とする薄膜トランジスタ

し、多くの新規なｐ型酸化物半導体の発見やキャリア（TAOS-TFT：Transparent Amorphous Oxide

制御技術等を活かした pn ヘテロ接合、pn ホモ接合

Semiconductors-TFT）の高品質化や安定性などの継を創製し、機能性酸化物だけを用いたダイオード特性

続的な研究開発が実施され、世界の材料研究者や薄膜の実証（例えば発光ダイオード特性等）という多くのトランジスタの研究者に新たな展望を与えた。細野グ卓越した研究成果を世界に発信した。

ループからの多くの技術発信を契機として、他の研究

そのような多くの研究知見を技術蓄積する中におい

機関からも、例えば薄膜トランジスタのチャネル層をて、2003 年に Science 誌で、In（インジウム）-Ga（ガ

二次元的に積層化することで電子移動度を高めた研リウム）-Zn（亜鉛）-O（酸素）系のホモロガス相という究展開や、微細なホモロガス系結晶粒子をｃ軸に優層状構造を有する酸化物結晶：InGaO（ZnO）
3m （m=

先配向させたチャネル層を用いた TFT の作製など、整数）を用いて、電子移動度が約 80 cm /Vs という

In、Ga、Zn の３つの金属元素を少なくとも２つ以上高性能な透明電界効果型トランジスタを発表した。

含む酸化物材料系を活性層に用いた TFT に関する研［Science, 300, 1269-1272（2003）.］

究が、世界の多くの研究機関で始まった。正に技術波

2

引き続き翌 2004 年には満を持した形で Nature 誌に及の典型的な実例である。このような全世界を巻き込

おいて、プラスチックフィルムの上に、今度はアモル

んだチャレンジの発端となった起点は、やはり細野秀

ファス（非晶質）の a-IGZO［=InGaZnO4］系酸化物半雄グループによる 2004 年の Nature 誌でのアモルファ

導体を活性層に用いることで、アモルファスシリコン

ス酸化物半導体に関する発表であったことは論を俟に比べて 10 倍程の電子移動度 6 ～ 9 cm2/Vs を有す

たない。

るアモルファス酸化物半導体 TFT を発表し、フレキ

2004 年の発表以降、IGZO 系透明酸化物半導体材

シブルな基板上で、しかも製造適正のある低温領域で料の更なる発展は勿論のこと、IGZO 系 -TFT の技術

容易に高性能な TFT を作製できることを世界に明示は、大型の LCD や OLED ディスプレイだけに留まらした。
［Nature, 432, 488-492（2004）.］

ず、スマートフォンの画面やフレキシブル・ディスプ

一般的に、結晶シリコンをアモルファス化すると、レイという新しい商品価値を生む可能性から、韓国のその電子移動度は 2 ～ 3 桁も低下してしまい、大きな

大手エレクトロニクスメーカーをはじめとする全世界

特性劣化が懸念される訳だが、この細野のアモルファのエレクトロニクス関連企業から高い注目を浴びた。

ス透明 IGZO 系酸化物の電子移動度は落ち幅が１桁程

現在では多くの OLED ディスプレイの駆動用に、こ度で治まっており、予想以上に高い値を堅持している。

の IGZO 系酸化物半導体材料を用いた TFT が採用さしかも成膜温度も低く抑えられる利点を有してることれていることは周知の通りである。さらに最近では、

から、既存の半導体プロセスにも比較的容易に導入でメモリー用途や医療用Ｘ線フラットパネルの検出器用

きる可能性があることに加えて、①透明なデバイスがTFT に関しても、この IGZO 系材料が利用される機実現できること、②フレキシブルなデバイスも実現で運も高まっており、細野らによる IGZO 系材料の発見・きること、③きれいなノーマリー・オフ（ゲートに電発明が、その材料技術を軸として最近のエレクトロニ

圧が印加されていない状態でリーク電流が無いこと）

クス分野に大きく貢献・発展している。

が達成できることから低消費電力化が期待できること

本系統化調査では、新しい大きなプラットホームをなど、従来のアモルファスシリコン TFT とは異なる構築したアモルファス IGZO 系酸化物半導体の材料・

新しい付加価値を市場に導入できる期待感から、全世デバイスの技術変遷を、２章以下の各章で筆者の視点

界の関連学会のみならず、国内外のエレクトロニクスも入れながら詳細に記載していくと同時に、近年のエ関連企業の開発者からも極めて高い注目を浴びた。

レクトロニクス産業への応用や発展・波及についても、

この JST-ERATO でのインパクトの高い多くの研７章にその概要を簡潔に記す形で調査報告する。

究成果は、そのまま JST の発展プログラムである
ERATO-SORST「透明酸化物のナノ構造を活用した機能開拓と応用展開」（2004 年 10 月～ 2010 年 3 月）に 継 承 さ れ た。 こ こ に「SORST」 と は、「SolutionOriented Research for Science and Technology」 の略 で あ る。 こ の ERATO-SORST で は、ERATO で薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

113

2 透明導電性酸化物材料の発展

導電物質中の In 含有量を減らすような材料開発も進2.1 概要

められており、その一つに In2O3-ZnO 系物質（IZO）が挙げられる。その他、ZnO に Al をドープした AZO、薄膜トランジスタ用 IGZO 透明アモルファス酸化物

ZnO に Ga を ド ー プ し た GZO の ほ か、SnO2 に フ ッ

半導体材料の開発の意義と重要性を正しく理解するに素（F）をドープした FTO 等、表 2.1 に示したように、は、少なくとも透明導電性酸化物の歴史と物性を理解

いくつかの透明導電性酸化物が実用材料として使用さすることが肝要である。今日最もエレクトロニクス分れている。

野で多用されている透明電極として著名な ITO 物質を例に考察を進めたい。

表 2.1 実用に供されることが多い各種透明導電性酸化物材料

ITO とは、Indium Tin Oxide の頭文字を取った略語

具体的な材料（組成）であり、酸化インジウム（In2O3）と酸化スズ（SnO2）のITO（Sn-doped In2O3）

・希少金属利用・低温成膜可能AZO（Al-doped ZnO）

・安価（資源問題フリー）・ウエットエッチング容易混合物である。通常、SnO2 の添加量としては 10 wt%
程度添加されていることが多く、透明導電性酸化物（Transparent Conducting Oxide: TCO）の代表的物質であり、今日でも多くの機器に多用されている。可視光領域では透過率が通常 80% 以上と高いため、薄膜

特徴と課題など

GZO（Ga-doped ZnO）

・低温成膜可能ATO（Sb-doped SnO2）

・化学的安定性

FTO（F-doped SnO2）・比較的高温下での成膜・ウエットエッチングが難ではほぼ無色透明（ITO の粉は、黄色味を帯びた薄灰色）である。同時に電気抵抗は～ 10−4 Ωcm と非常に低く、金属に迫るため電極としての役割を演じることができることから、『透明電極』と言えばこの ITO 物
質を指すことが多い。ITO は Sn の添加量や作製中の酸素雰囲気により、電子のキャリア密度は、10 cm

2.2 透明導電性酸化物の研究開発
2.2.1

ITO 系透明導電性酸化物−3

透 明 導 電 性 酸 化 物（TCO）に 関 す る 研 究 の 歴 史の範囲を取ることが多いが、高キャリア

は、100 年以上前に遡り、1902 年のフランツ・シュ

密度の物質は、金属的な物性に非常に近づくことから

トラインツ（Franz Streintz）によるカドミウム酸化金属と同様に赤外領域では反射を示す物質でもある。

物（CdO）の導電率の評価から始まったと言われていこの ITO は、その殆どが薄膜の形態で利用されておる 1）。その際フランツ・シュトラインツは、圧粉体ペり、成膜手法としては、
今日ではスパッタ法や電子ビー

レットを用いて評価した。その後 1907 年に、図 2.1

ム蒸着法などの一般的な物理蒸着法が多用されているに示すカール・ベデカー（Karl Bädeker）2）によってよが、過去の経緯から化学溶液を利用したスプレーパイ

り詳細に研究されている 3）。近年では、このカール・ロリシス法などの成膜手法も知られている。

ベデカーを透明導電性酸化物（TCO）の発見者である

20

～ 10

21

cm

−3

近年、この ITO 薄膜は、オプトエレクトロニクスとする論文が、ドイツのライプチッヒ大学教授のマリ

材料として発展的に研究され続けている材料でもあウス・グルンドマン（Marius Grundmann）より報告

る。実際の応用例としては、液晶や OLED 等のフラッされている 4）。

トパネルディスプレイ、携帯電話用のタッチスクリー
ン等のエレクトロニクス電子機器、薄膜太陽電池の透明電極や、帯電防止膜や電磁波妨害用のフィルムとしての利用や、建築物の窓やスーパーマーケットで多用されている冷凍庫のガラスウインドウなどの遮熱フィ
ルムなど、エネルギー関連での応用展開も進められている。
ところでインジウム（In）はレアメタルの一つであり、その産出量は世界的に限られている。そのため、需要と供給のバランスを考慮する必要性から、透明

114

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

図 2.1 カール・ベデカー 2）

このように 1900 年前後から凡そ半世紀近くの間は、

コーニング社の透明導電性薄膜の研究の基礎が築か

半導体を構成する物質として、このカドミウム元素れたとのことである。モーチェルの同僚と思われる（Cd）を含む物質が非常に多く用いられていた。しかマクマスター（H. A. McMaster）が出願した特許（USし母体組成に有害物質であるカドミウムが用いられてPatent 2429420）8）で使用された図面の一部を、図 2.3

いることから、現在ではその物質が用いられる場合はに示す。

特殊用途に限られている。
それでは今日、透明導電性酸化物材料として最も多用されている ITO の原点はどこにあるのだろうか。
透明導電性酸化物の中でも、SnO2 系や In2O3 に SnO2を混ぜた Indium-Tin-Oxide の所謂 ITO 系透明導電性
酸化物の発明の経緯に関して、その歴史を概観してみたい。
東京芝浦電気マツダ研究所の石川朝邦の論文 5）や九州工業大学の乾忠孝らの論文 6）によれば、米国コーニング社（Corning Glass Works）のリトルトン（J. T.
Littleton）による帯電防止の目的で、四塩化錫（SnCl4）を用いた虹彩被膜（～導電性被膜）作製に関する特許（US Patent 2118795）7）が最初とのことである。その特許で使用された図面の主要部を抜粋して、図 2.2 に
示す。

図 2.3

US Patent 2429420 より抜粋 8）

コ ー ニ ン グ 社 の 開 発 と 平 行 し て 米 国 Pittsburgh
Plate Glass Co. でも、有機還元剤を添加することで、被膜の導電率を高めることに成功し、ネサ（NESA）
膜として商品化した。一時期この『ネサ膜』という言
葉は、透明電極の代名詞となっていた。
ドイツのゲオルグ・ルプレヒト（Georg Rupprecht）
は、1954 年に酸化インジウム蒸着膜への電気伝導度の測定を行い、酸素分圧に敏感であることなどを報告している 9）。この論文は、In2O3 系導電性酸化物の論文としては最初期に位置すると考えられる。
ここで本庄孝子による詳細な調査報告に触れておきたい。本庄は日本国内における ITO 材料開発に関して大きな功績のあった勝部能之・倭子夫妻に焦点を当て、丁寧な科学史調査報告を発表している 10）。1969
年に当時の通商産業省・工業技術院・大阪工業技術試
図 2.2 US Patent 2118795 より抜粋

7）

験所（略称：大工試で、現・産業技術総合研究所関西センター）所属の勝部能之と勝部倭子夫妻による「酸そ の 後、 同 コ ー ニ ン グ 社 の モ ー チ ェ ル（J. M.

化インジウムを主成分とする高性能導電膜の製造法」

Mochel）らによる発展的な研究により、1950 年頃にという発明 11）において、In2O3 に対する SnO2 添加量

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

115

が 5 wt% 近傍で最も抵抗値が下がることをクレームしされた。薄膜のエピタキシャル成長は、高温超伝導酸ており、その後の液晶エレクトロニクス素子などのビ化物の研究隆盛の中で技術構築された最も典型的な技

ジネス展開に大きく貢献したことが詳細に記されてい術であり、早々に ITO 薄膜へ活かされた形での研究

る。大工試の勝部能之、倭子夫妻の研究成果は、上成果である 35）-37）。このすぐ後に、後述する細野グルー記の他にも何件も特許登録されており、勝部夫妻の地

プの太田らによる反応性固相エピタキシャル成長法が道な一連の研究考案されることになる訳であり、そういう関係から振10）は、この ITO 系透明導電膜の黎明

12）-15）期において、非常に大きな功績であったと考えられる。
この 1960 年代後半から 1970 年代にかけては、多く

また酸化物の特徴的な作製手法の一つとしてゾルの企業の研究者も、この透明導電膜の研究開発に従事

ゲル法があるが、その手法を用いた溶液プロセスかしており、いくつかの論文が報告されいる。例えばらの ITO 系透明導電膜の作製が、岐阜大学のグルー

古河電気工業の堀らによる真空蒸着法による研究、

プ 38）-40）か ら い く つ か 報 告 さ れ て い る。 さ ら に 吉川

小山高専の川俣ら 17）-21）による有機スズ塩を原料とす

ら 41）は、液相からの合成という視点では、ZnO-In2O3

る一連の成膜研究、松下電器の長沢 22）による透明電

系透明導電性物質に注目し、硝酸亜鉛と硝酸インジウ

極として注目されていた SnO2 の光学物性に関する考

ム混合水溶液にクエン酸をゲル化剤として加えるプロ

察、富士通研究所の北小路らセスを報告している。

16）による NESA 膜（SnO223）

膜）の電極としての特性評価などがある。シャープでこのように、透明導電膜は 1960 年代から精力的なは透明導電膜の商品応用を早期から考えて研究開発が研究が行われ、その有用性から応用展開も逐次並行的活発に実施されていたようで、電卓などの電子表示素に行われた経緯があり、産業応用に直結してきた材料

子から薄型ディスプレイ応用への展開のための技術報と言える。1970 年代後半ではアモルファス・シリコ

告がなされている 24）。また芝浦工業大学の長友ら 25）

ン薄膜太陽電池の透明電極用に、1980 年代からは液によるスプレー法による酸化スズ膜の特性評価のほ晶を中心とするフラットパネルディスプレイ用に、あか、大本による In2O3 や SnO2 に関する薄膜作製方

るいはタッチパネル用の透明電極として精力的に研究

法に関する報告に加え、旭硝子の水橋は、透明導電性

開発された経緯があるが、成膜に関する詳細な手順や酸化物の母体である SnO2 膜、
In2O3 膜、ITO 膜へのキャ

細かい条件等（基板温度や、チャンバー中でのプラズ

リアドーピングと電気的物性の詳細に関して丁寧な実マの状況、酸素分圧の調整制御、ポストアニールの諸験を重ね、総合的な報告を行っている条件等）は各企業内の独自データのため殆ど公開され26）に同じ旭硝子の原納ら。10 年後27）, 28）は、ITO の基本物性を丁寧29）

ない場合が多い。

にまとめていると同時に、2000 年以降に再び、水橋

透明導電性酸化物（TCO）材料も、用途毎に異なっは ITO 関連で報告を行っている 30）。さらに包括的なて は い る も の の、 時 代 の 流 れ に 伴 っ て、SnO2 系、レビューとして、インド工科大学のグループによるもIn2O（ITO）
系、そして ZnO 系、さらには材料研究と3のもある

しては多元系 TCO へと変遷しており、今日も継続的。

31）

その後 1994 年に、AT&T ベル研究所のカバ（R. J.

に多くの材料が発展的に研究されている。透明電極用Cava）らは、緑～青の波長帯で ITO 膜より透過率の酸化物材料分野で多くの研究論文を発表している金沢

高い新しい透明導電性酸化物として、β-Ga2O3 型構造

工業大学教授の南内嗣の解説に、その詳細が丁寧に記を有する GaInO3 を取り上げ、In に対する Sn のドー

載されている 42）。

ピング、Ga に対する Ge のドーピング、そして酸素空孔の導入などによる導電率向上を報告した

2000 年の MRS Bulletin 誌の Volume 25, issue 8 で32）, 33）。

は、透明導電性酸化物を特集しており、世界の著名なさらに同グループは、Zn-In-O 系の透明導電性酸化物

研究者による企画執筆がなされている 43）-49）。2000 年

薄膜の研究を行い、可視・赤外で良特性を示すことに

当時の世界の著名な研究者による寄稿であり、その中

加え、Al、Ga、Ge などの元素添加によるドーピングには川副博司と細野秀雄の論文 45）、および南内嗣 46）

効果にも言及しており、この分野の先鞭をつける研究による論文が含まれている。

を行った

116

り返って考えてみても大変興味深い。

国内では透明導電膜の事業化を視野に、東ソーでは。

34）

カバらの論文発表と同時期に、日本国内では当時旭

Sn 添加量依存性などの実験が実施されており、諸特硝子に所属していた重里らのグループによって、YSZ

性が整理された形で報告されている 50）。加えて 2004

（Y 安定化ジルコニア）単結晶基板を用いた ITO 薄膜

年には、ノースウエスタン大学のチームによる透明のヘテロエピタキシャル成長に関する重要な報告がな

導電性酸化物（TCO）に関する歴史変遷と興味深い分

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

類に関する報告がなされている 51）。金属カチオンのによる透明導電膜に関する研究動向 83）のほか、真空４配位型（ZnO 等）、金属カチオンの８配位型（In2O3、成膜装置で著名な企業であるアルバック 84）は、ITO

SnO2、ITO 等の多元系酸化物群）、平面配位構造を有膜の作製条件と特性の関連性を報告している。

する酸化物（CuAlO2 や SrCu2O2 等）、そして籠（ケーさらに世界的な視点でのレビュー論文の代表例としジ）構造を有するエレクトライド酸化物群（12CaO・て、スタッドラー（Andreas Stadler）85）とフォーチュ

7Al2O3 等）の分類と整理がなされている。また 2005

ナト（Elvira Fortunato）ら 86）の 2 報が挙げられる。ま年に日本光学会の機関誌である光学、第 34 巻７号

た最近ではコンピューターを利用した透明導電性酸化（2005 年 7 月）においても、透明導電性酸化物研究の物の材料探索の論文 87）や、強誘電体や高温超伝導体進展が特集されている 52）, 42）, 53）-57）。

で有名なペロブスカイト型酸化物の結晶構造の透明導この分野で著名な南内嗣は 1990 年代以降、透明導電性物質に関する総合報告 88）もある。今後益々、酸

電性酸化物材料の薄膜化技術において、精力的な研究

化物エレクトロニクスという広い視野に立っての材を長年継続してきており、今日に至る自身の多くの研料開発が進むと考えられ、南内嗣の報告 42）によれば、究成果を網羅する形で、上記以外にも応用物理誌を

図 2.4 に示すように、年代と共に透明導電性物質の比中心にいくつかの総説論文などにまとめている

抵抗値は、徐々に下がってきており、10− 4 Ωcm を切。

58）-61）

特に、南は多元系の透明導電膜を様々な角度から調整

るところまで来ていることが判る。

することで、電気的、光学的視点から、バンドギャッ
プや仕事関数等を制御できることを報告しており、それぞれに適応した用途での展開の重要性を明示している 62）。加えて南は、TCO の歴史的な変遷に呼応する形で、SnO2 系、In2O3 系とそのドープ材料や、カドミ
ウム（Cd）を含む複酸化物や多元系材料そしてドープ元素に伴う材料系の安定性など、諸々の特性を整理してまとめている 46）, 63）。
一方で光電子デバイス用の透明電極に対するニーズの高まりとは裏腹に、有害性が懸念されつつあるインジウム（In）を主成分とする ITO 材料の代替材料への道筋をつける必要性から、南は、ZnO 系透明導電性
酸化物、特に Al ドープおよび Ga ドープの ZnO（AZO

図 2.4 透明導電性物質（主要 3 種：ZnO 系●、
In2O3 系：△、SnO2 系□）の比抵抗値の変遷

および GZO）透明導電性酸化物を有力候補として何報（「光学」誌の了解を得て論文（42）より転載）

かの論文を発表しており、スパッタや蒸着手法による大面積化技術の向上にも言及している 64）-69）。懸案で以上のように、ITO 系の透明導電性材料だけでも、あるインジウムの課題に関連して、2007 年のセラミッ

とても多くの研究論文があるため、本調査報告の中で

クス誌第 42 巻１月号では、透明導電性酸化物薄膜に全てを網羅してお伝え出来ないことをご容赦頂きたい。

関して『脱 In の流れの中で』というサブテーマを設けて特集しており、各分野の専門家が寄稿論文を発表している 70）-73）, 30）, 74）-76）。
2005 年以降では、青山学院大学の重里有三ら 77）はIn-Zn-O 系において、Sn, Al or F のドーピングと水素
還元雰囲気処理による酸素欠陥導入により、キャリア
濃度＝ 10 ～ 20 cm−3 で比抵抗＝ 3.39 × 10− 4 Ωcm を実現している。また旭硝子関係者からの報告 78）, 79）や、
産業技術総合研究所（AIST）の仁木ら 80）、そして九州工業大学の白土 81）は、それぞれの視点で透明導電膜の開発状況と展望を記している。さらに AIST の鯉田ら 82）は、新たに開発した In2O3 系高移動度透明導電膜について報告している。加えて高知工科大学の佐藤ら
薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～117コラム： ITO 物質の本質～筆者の視点～
In2O（立方晶
bixbyite 型の結晶構造で、Eg ～ 3.7 eV）の In（3 価）のサイトに５～ 10％程度 Sn（4○ ITO 1）は、3
価）を固溶置換させて電子キャリアをドープさせたものであり、今日までに多くの基礎研究がなされている 2）-24）。その電子キャリア濃度が 10 18/cm3 を越えると、図 2.5 に示すように光学エネルギーギャップ
が見かけ上拡大する。（シフト量⊿ EB-M ～ 0.6 eV）これをモス・バースタイン（Moss-Burstein）効果と言う 25）, 26）。

図 2.5

In2O3 への Sn-doping による電子状態の変化（Moss-Burstein 効果）

In2O3 は間接型遷移半導体と言われているが、判り易いようにここでは、直接遷移型のバンド構造として簡潔に描画している。

 時に伝導帯の底に電子の海が形成され、フェルミレベルが伝導帯の中に入り込んで金属的な状態にな同る。このようにして形成された物質を縮退半導体と呼び、比抵抗値は温度に殆ど依存しないか、温度上昇で若干高くなる金属的な傾向となる。透明電極等の通称で使用に供されているのが、この縮退半導体の状態となっている ITO という物質である。
○しかしながら、金属とは大きく異なる点がある。単に可視領域で透明な金属ということではない。金、銀、銅等のような金属では、電子キャリア密度が 10 22/cm3 以上あるため、プラズマ振動数ωp が紫外～可視領域にあり、可視光領域での透明性は無くなる。しかし、金属と同じ程キャリア密度が高いわけではな
い ITO 等の透明導電性酸化物では、プラズマ振動数ωp が可視域ではなく、すぐ隣の近赤外領域（波長 1～ 2 μm）に位置することが多い。この波長領域で大きなプラズマ吸収を生じ、それより長い波長領域では高い反射特性を示す。即ち、可視光領域では広いバンドギャップのため、わずかにプラズマ吸収の裾の影響を受けるものの殆ど透明となることから、透明導電性酸化物と言われる。
○ TCO は、キャリア密度を制御することでプラズマ振動数ωp を調整することも理論上可能である。これは通常の金属では出来ない透明導電性酸化物の特技である。まさに ITO は、『天からの贈り物』とも言える。太陽光の可視領域の波長を透過し、赤外領域の波長を反射（遮熱）する材料設計のステージに乗せられる可能性を秘めた、極めて稀有な物質が、ITO 等の透明導電性酸化物群ということになる。すなわ
ちドーピングによるキャリア密度が少なければワイドギャップ半導体となり、赤外でのプラズマ反射は殆ど生じない。しかしキャリア密度が多ければ縮退半導体という金属状態となり、赤外領域にプラズマ反射が生じ、結果的に遮光性を高めることができるようになる27）。
○但し、異原子価金属のドーピング、あるいは酸素空孔によりキャリア密度を高めて、赤外域の電磁波を遮光する設計をしても、可視光域の透過率を、キャリア密度が低い状態での透過率と同じ状態を保つことは、現実的に相当難しいことが多い。可視域の透明性を上げることと、赤外域の反射は、トレードオ
フになることが多く、そこを将来打破出来れば、エネルギー問題解決への糸口となろう。更なる発展を是非期待したい。

118

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

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薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

119

2.2.2多元系透明導電性酸化物

簡単なイメージを図 2.6 に示す。三角相図中の In-Zn-

透明導電性酸化物材料の分野において、ZnO-In2O3-

Oxide の左辺は、ホモロガス系の組成の一連の酸化物

SnO（ZITO）
系、 及 び Ga2O3-In2O3-SnO（GITO）系材
22を形成することを意味し、三角相図内部の実線部分は、料等の金属元素３つ以上を含む系を一般に多元系と呼固溶体が形成される領域である。

ぶが、その多元系透明導電性酸化物に関する研究が、
1995 年頃から開始された。
前 節 で 記 し た ベ ル 研 の カ バ ら に よ る 1994 年 のGaInO3 に関する報告 32）, 33）の後、1995 年にカバ等はZn-In-O 系の報告 34）を行っているが、それと同時期に、
金沢工業大学の南内嗣の研究成果が連続的に発表されている 89）-92）。多元系では、Zn、In、Sn、Ga 等の金属元素を含む場合が非常に多いが、カバらと同様に南からの報告は当初 2 元金属系の薄膜作製を軸に発表されている。
これらの連続的な研究報告に端を発して、さらに金
属元素を１つ増やす形で 1997 年頃から米国ノースウ
エスタン大学のケネス・ホッペルマイヤー（Kenneth

図 2.6

In-Zn-Sn-Oxide の三角相図（論文（96）の三角相図をベースに、固溶領域を強調した形で筆者が作成）

R. Poeppelmeier）のグループを中心とした精力的な探この三角相図の中の左辺の In-Zn-O 系に見られるシ索研究が開始された。開始後間もない頃に、徳島大学

リーズは、一般式で In2O（ZnO）
3m で表されるホモロの森賀俊広との共同研究もあり、その後も多くの研究

ガス系と呼ばれる物質群であり、次の項で説明する。

成果が生まれ、ポッペルマイヤーは今日でも世界指折りの透明導電性酸化物の研究者の一人である。ポッペ

2.2.3

ルマイヤーのグループでは、以下のような種々の多元（1）ホモロガス系酸化物発見の黎明期系酸化物材料において、構造化学、電気伝導特性、光

このように透明導電性酸化物の研究は ITO から多学特性などの多角的な視点から、以下のような多くの元系にシフトし、その中で特異な積層構造を有するホ

研究成果を挙げてきている。
［（

モロガス系酸化物に関しても、ポッペルマイヤーと森）内は文献番号］◆ 総説（2000 年に発表）：（47）

賀の共著論文 108）, 109）のように、研究が進められていた◆ ZnO-In2O3-SnO2 （ZITO）系：（93）,（94）,（95）,が、その物質そのものに関する結晶構造化学的な基礎研究は 1990 年よりも大分以前からなされているので、（96）,（97）,（98）,（99）,（100）◆ Ga2O3-In2O3-SnO2 （GITO）系：（101）,（102）,

まずはその物質研究としての歴史変遷から振り返ることにする。

（103）,（104）,（105）,（106）,（107）◆ ホモロガス In2O（ZnO）
3m 系と InGaO（ZnO）
3m 系：

世界で最初に In-Zn-O 相がホモロガス系酸化物群を持つことを報告したのは、ドイツの無機化学者のホル（108）,（109）◆ Ga2O3-SnO2-ZnO（GTZO）系：（110）

スト・カスパー（Horst Kasper）であり、1967 年のこ◆ In2O3 への 2 価（Zn）と 4 価（Sn, Ge）共ドーピンとであった 123）。この論文の中で ZnkIn2O3+k という一グ系：（111）,（112）,（113）,（114）,（115）

般式で表現できる物質の存在を明示し、その格子定数◆ ITO 系：（116）,（117）が k=2, 3, 4, 5, 7 のシリーズに対して、順次規則的に◆ C d-In-Sn-O 系：（118）,（119）,（120）,（121）,

変化していくことを報告している。この研究成果から（122）

ホモロガス系物質の研究の原点は、このカスパーによ

特に Zn-In-Sn-O の ZITO 系での研究

120

ホモロガス系透明導電性酸化物

では、In 量93）

る In-Zn-O 系に関する論文 123）と考えられる。

の増加に伴って、①格子定数の増加、②光学バンド

ところで、ホモロガス系物質群ではなく普通の In

ギャップの低下、③電気伝導率の上昇、④光学透過率を主成分とする複酸化物の合成と結晶相に関する研の減少などが、丁寧に整理されて報告されている。ま究も報告されているので、重要な関連情報として触た、Zn-In-Sn 酸化物の三角相図における広い範囲でのれておきたい 124）, 125）。特に文献（125）の論文は、対象結晶相の同定と諸特性との相関が別の研究報告 96）でとした酸化物群が M（II）M（III）InO4［ここで M（II）

発表されている。その In-Zn-Sn 酸化物の三角相図の=Mg, Mn, Co, Cu, Zn, Cd / M（III）=Al, Ga］であり、国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchスピネル型結晶構造の MgIn2O4、CdIn2O4、MgGa2O4、への探求から、著名な磁性物理研究者に注目され、共

MgGaInO4、CuAlInO4、MgAlInO4 などの酸化物群に著を含む多くの論文が生まれた 127）-134）。

関する最初期の研究成果報告である。この論文では、

このような鉄（Fe）を含む物質の新規合成とその磁

In、Ga、Zn を含む InGaZnO4 が 1290 ℃で合成され、気特性という研究は、1984 年頃をピークに 1990 年過CuAlInO4 と同じ六方晶系と分類され、格子定数は、ぎ頃まで続くが、表 2.2 からもわかるように、それとa=0.3298 nm、
c=2.613 nm という内容が記されている。

入れ替わる形でインジウム（In）を含有するホモロガ

研究論文の中に InGaZnO4 という物質の表記があり、ス系多元酸化物に関する研究が、君塚の主要なテー

しかもその合成条件に加えて、結晶構造等の情報が記マとなっていったと考えられる。研究対象の多くが、されている論文としては、この論文が最初であると推LnABO4、Ln2A2BO7、など一般式で（LnAO3）nLnABO4察される。

（n=0, 1, 2,…

上記カスパーの論文／ Ln=Y,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,In,Sc,

発表以降、In 系ホモロガス

A=Fe,Ga,Al / B=Mg,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Cd）と記述する

酸化物として重要な研究成果は、英国の P・J・カナー

ことができるホモロガス系酸化物群であったことかド（P. J. Cannard）らによる In2O（ZnO）
310 結晶の最初

ら、Ln を主に In に置き換えた形で研究がシフトして期の TEM 格子像観察やインターグロース成長の研究いったと推察される。

報告

123）

ここで、
君塚らによる In を含むホモロガス系酸化物、が挙げられる。

126）

特に Ga を含む InGaO（ZnO）
3m ホモロガス系とホモロ（2）無機材質研究所の君塚昇らのグループによる結晶
構造化学的な基礎研究成果

ガス系の m=1 に相当する InGaZnO4 に関連する論文を中心に、一連の研究変遷について紐解いていきたい。

最初期のカスパーとカナードによる研究を除けば、その In 含有金属多元系酸化物の考察に入る前に、

In 系ホモロガス酸化物の系統的な研究を継続的に推表 2.2 の左列に挙げている論文 135）は、LnGaMO（こ4

進してきたのは、当時、科学技術庁無機材質研究所

こに Ln= ランタノイド系元素、M=Mg, Mn, Co, Cu,（現・物質材料研究機構：NIMS）の君塚昇を中心とすZn）という層状酸化物の合成に関する研究報告であるグループである。実に精力的に物質そのものの存在り、その大半の物質が、YbFe2O4 型の結晶構造としの有無を熱力学的な考察を入れて調査する形で、物質て格子定数が求められており、興味ある組成系では以の結晶構造化学的な視点からの基礎研究が推進されて下の通りである。

おり、膨大な研究成果を残している。このホモロガス• TmGaZnO4 ： a=0.34300（4）nm, c=2.5066（5）nm

系酸化物の分野においては極めて多大な貢献を果たし• YbGaZnO4 ： a=0.34153（5）nm, c=2.5093（7）nmたと言える。その君塚らの 2004 年位までに発表され• LuGaZnO4

た主要な論文群の一覧表を表 2.2 に示す。この表の左そして In ベースの多元系酸化物の報告としては最列は主に Fe を含む磁性関連の材料群を、右列は主に初期の論文 136）の中に、同じ YbFe2O4 型結晶構造を有In を含むホモロガス系物質群という形で区分した。

している InGaCuO4 と InGaCoO4 系の結晶構造につい君塚昇は 1974 年頃以降、東京工業大学教授の桂敬： a=0.34003（2）nm, c=2.5253（3）nmての報告があり、以下の格子定数が報告されている。

と共同で、Yb-Fe-O 系や Lu-Fe-O 系などの Fe 系複酸• InGaCuO4：a=0.33497（2）nm, c=2.4822（3）nm

化物の高温下での相平衡の研究を軸に、いくつかの新• InGaCoO4：a=0.33091（2）nm, c=2.5859（4）nm

規物質を創製した。金属価数の揺動の可能性も視野

翌 1985 年の論文 137）において、重要な InGaZnO4 組に、合成時の酸素分圧を CO2-H2 混合ガスで調整する

成の結晶相としての詳細な記載が登場する。その格

丁寧な制御プロセスで各種物質を合成し、その結晶構

子 定 数 は、 先 述 の 1965 年 の O. Schmitz-DuMont ら

造を精密に同定するスタイルで研究を実施している。

の論文 125）と同程度である。ただ 1965 年当時はまだその研究期間において、YFeO3 や Y3Fe5O12 の他に、

YbFe2O4 型結晶構造という新しい結晶相の概念にはYFe2O4 という六方晶系の新規酸化物を創製したほか、到達し得なかったと考えられることから、君塚のこのFeO（RFeO3）m［R= 希土類、Y］と表記される一連の論文 137）により結晶構造の詳細が初めて確定されたとホモロガス系酸化物群が存在することを見出した。特言える。この論文では YbFeO4 型結晶構造に分類さに君塚らが発見した YFe2O4 や YbFe2O4 という物質

れる以下の結晶相の格子定数値等が報告されている。

は、今日、YbFe2O4 型結晶構造と言われる程有名な• InGaZnO4：a=0.32948（1）nm, c=2.6071（1）nm

結晶構造の一つとなっており、1980 年頃には 2 次元

• InGaMgO4：a=0.33036（1）nm, c=2.5805（1）nm的に特異な配置を取る Fe スピンの興味ある磁性物理• ScGaZnO4：a=0.32593（1）nm, c=2.5912（1）nm

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

121

表 2.2

君塚昇を中心としたホモロガス系酸化物の結晶構造化学的な基礎研究の成果群

希土類-鉄系複合酸化物の結晶構造と磁性の研究○Yb2Fe3O7 and Lu2Fe3O7
Solid State Communications, 15, <7>, 1199-1201 (1974).
○A3+Fe2 O4 (A = Ho, Er, Tm, Yb, and Lu)
Solid State Communications, 15, <8>, 1321-1323 (1974).
○YbFe2O4
Z. Kristallogr., 141, 314-320 (1975).
○YFeO3, Y3Fe5O12, YFe2O4
J. Solid State Chem., 13, <3>, 176-181 (1975).
○YbFe2O4, Yb2Fe3O7, YbFeO3, Yb3Fe5O12
J. Solid State Chem., 15, <2>, 151-157 (1975).
○Yb3Fe4O10, Yb4Fe5O13
Acta Crystallogr., B 32, 1620-1621 (1976).
○Yb2Fe3O7
Z. Kristallogr., 143, 278-284 (1976).
○YFe2O4
Mater. Res. Bull., 11, <6>, 637-643 (1976).
○Fe-Ln-O系
J. Solid State Chem., 23, <1–2>, 43-57 (1978).
○YFe2O4
J. Phys. Soc. Jpn., 47, 1369-1370 (1979).
J. Phys. Soc. Jpn., 47, 1737-1738 (1979).
Solid State Communications, 32, <11>, 1065-1068 (1979).
○Yb3Fe4O10
Acta Crystallogr., B 35, 561-564 (1979).
○GeO2-FeO-Fe2O3系、Fe-Ge-O系
J. Solid State Chem., 38, <1>, 82-86 (1981).
J. Solid State Chem., 39, <2>, 262-264 (1981).
○YFe2O4-x
J. Phys. Soc. Jpn., 50, 438-444 (1981).
○Ln(Fe3+M2+)O4 [Ln=Y, Er, Tm, Yb, Lu / M= Mg, Mn, Co, Cu, Zn]
J. Solid State Chem., 40, <1>, 109-116 (1981).
○Ln(GaM2+)O4, Ln(AlMn2+)O4 [Ln=Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Y,
M=Mg, Mn, Co, Cu, and Zn]
J. Solid State Chem., 41, <2>, 166-173 (1982).
○Ln2Cu2O5 [Ln=Lu, Yb, Tm, Ho, Er, Dy, Tb, Y]
J. Solid State Chem., 42, <3>, 322-324 (1982).
○YFe2O4
Solid State Communications, 44, <5>, 687-690 (1982).
○Yb2O3-Fe2O3-MO [M=Co, Ni, Cu, Zn]
J. Solid State Chem., 42, <1>, 22-27 (1982).
○Yb2O3-Ga2O3-MO, Yb2O3-Cr2O3-MO [M=Co, Ni, Cu, Zn]
J. Solid State Chem., 43, <3>, 278-284 (1982).
○Lu2Fe3O7
J. Magnetism and Magnetic Materials, 31–34, Part 2, 769-770 (1983).
○R3+Fe3+M2+O4, RFe2O4, Ln2O3-FeO-Fe2O3
J. Magnetism and Magnetic Materials, 31–34, Part 2, 799-800 (1983).
J. Magnetism and Magnetic Materials, 31–34, Part 2, 807-808 (1983).
J. Solid State Chem., 49, <1>, 65-76 (1983).
○YFe2O4, YbFe2O4
J. Phys. Soc. Jpn., 53, 2688-2696 (1984).
日本結晶学会誌［J. Cryst. Soc. Jpn.］、26, 334-343 (1984).
○RFeMO4 [M=Mn, Co]
J. Phys. Soc. Jpn., 53, 4113-4116 (1984).
○LuFe2O4
J. Phys. Soc. Jpn., 56, 3746-3747 (1987).
○YFe2O4, YbFe2O4, LuFe2O4
Physica B: Condensed Matter, 155, <1–3>, 307-310 (1989).
○ LuFe2O4, LuFeCoO4, YbFeMgO4
J. Crystal Growth, 102, <3>, 398-400 (1990).
○YbMnO3
Acta Crystallogr., C 47, 423-424 (1991).
○LuFeO3(ZnO)m (m=1, 4, 5 and 6)
Acta Crystallogr., C 50, 332-336 (1994).
○Fe2O3(ZnO)m
J. Solid State Chem., 142, <1>, 174-179 (1999).
○ErFeMnO4, YbFeMnO4
J. Alloys and Compounds, 313, <1-2>, 59-64 (2000).
Acta. Crystallogr., B 56, 805-810 (2000).

122

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

Inベース・ホモロガス系酸化物の結晶構造化学的基礎研究○In2O3-A2O3-BO [A: Fe, Ga / B=Cu, Co] ex.InGaCuO4, InGaCoO4
J. Solid State Chem., 53, <2>, 217-226 (1984).
◎InGaFeO4, InGaNiO4, InGaZnO4, InGaMgO4, InAlCuO4,
ScGaZnO4 et.al.
J. Solid State Chem., 60, <3>, 382-384 (1985). ::::::::::::::::::::★
○ScZnGaO4, InZnGaO4, InMgGaO4 [Luminescence]
Mater. Res. Bull., 21, <9>, 1057-1062 (1986).
◎Homologous-InFeO3(ZnO)m (m=1–9) + TEM of InGaO3(ZnO)5
J. Solid State Chem., 74, <1>, 98-109 (1988). ::::::::::::::::::::::★
○RAO3(MO)n [R = Sc, In, Y, Ln / A=Fe, Ga, Cr, Al,
M=Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Cd]
J. Solid State Chem., 78, <1>, 98-107 (1989).
○InAO3(MO)m [A=In, Fe, Ga, Cr, Al / M=Mg, Mn, Co, Fe, Zn]
J. Solid State Chem., 81, <1>, 70-77 (1989).
○In2O3-Fe2ZnO4-ZnO系, In1+xFe1-xO3(ZnO)m et al.
J. Solid State Chem., 86, <1>, 16-40 (1990).
○In2O3-A2BO4-BO [A=Fe, Ga, Cr / B=Mg, Co, Ni, Cu, Zn] ,InGaO3(MgO)m
J. Solid State Chem., 87, <2>, 449-455 (1990).
◎Homologous-InGaO3(ZnO)m, In1-xGa1+xO3(ZnO)m, [m=1-13]
J．Solid State Chem., 93, <2>, 298-315 (1991). :::::::::::::::::::★
○RMO3(M′O)m [R=Sc, In, Y, Ln (Ho~Lu) / M=Fe, Ga, Al /M′=Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn]
J. Solid State Chem., 99, <2>, 243-257 (1992).
○Homologous-InFeO3(ZnO)m, Fe2O3(ZnO)m
J．So1id State Chem., 103，<2>, 394-402 (1993).
○InMO3(ZnO)m, M2O3(ZnO)m [M=Fe, Ga, Al]
J. Alloys and Compounds, 192, <1-2>, 105-107 (1993).
○Homologous-InAlO3(ZnO)m, In1+xAl1-xO3(ZnO)m [m≧2]
J．So1id State Chem., 105，<2>, 535-549 (1993).
○Homologous-In(In,Fe,Ga,Al)O3(ZnO)m
固体物理、28, <5>, 317-327 (1993).
○Homologous-InFeO3(ZnO)m
J. Electron Microscopy, 43，<3>, 146-150 (1994).
◎Homologous-In2O3(ZnO)m, InGaO3(ZnO)m, Ga2O3(ZnO)m
J. Solid State Chem., 116, <1>, 170-178 (1995). ::::::::::::::::::★
○Homologous-ln2O3(Zn0)mJ. Electron Microscopy, 46, <2>, 119–127 (1997).
◎Homologous-InMO3(ZnO)m [M=In, Ga] + Modulation
J. Solid State Chem., 139, <2>, 347-355 (1998). ::::::::::::::::::★
○In2O3-TiO2-Fe2O3系
J. Solid State Chem., 144, <1>, 91-99 (1999).
○In3Ti2AO10, In6Ti6BO22 [A=Al, Cr, Mn, Fe, Ga /B=Mg, Mn, Co, Ni, Cu, Zn]
J. Solid State Chem., 147, <2>, 438-449 (1999).
○InFe0.33Ti0.67O3.33
Acta. Crystallogr., C 55, 1755–1757 (1999).
○Homologous-Ga2O3(ZnO)m
Acta Crystallogr., B 55, 355-362 (1999).
○In2O3–TiO2–MgO系
J. Solid State Chem., 150, <2>, 276-280 (2000).
○Spinel-Zn2TiO4Mater. Res. Bull., 35, <3>, 351-358 (2000).
○InMO3(ZnO)m [M=Al, In / m=integer]
Micron, 31, <5>, 543-550 (2000).
○InFeO3-In2Ti2O7系
Chem. Mater. 12, <8>, 2244–2249 (2000).
○Homologous-RMO3(ZnO)m [R=In, Fe / M=In, Fe, Ga, Al]
固体物理、35, <1>, 23-32 (2000).
○In(Fe1−xTix)O3+x/2, InCr1−xTixO3+x/2
J. Solid State Chem., 157, <1>, 13-22 (2001).
J. Solid State Chem., 163, <2>, 455-458 (2002).
日本結晶学会誌［J. Cryst. Soc. Jpn.］、45, 124-130 (2003).
J. Solid State Chem., 177, <8>, 2644-2648 (2004).
:::::★： 本系統化調査において、2003年発表のScience誌のホモロガス系InGaO3(ZnO)m単結晶トランジスタ技術を顧みた際に、特に重要と思われる論文

また InGaZnO4、InGaMgO4、ScGaZnO4 の発光スペクトルが報告されている論文もある 138）。
次に君塚は、InFeO（ZnO）（m=1 〜 9）のホモロ
3m
ガス相について考察しており、ｃ軸に沿って InO1.5 層、（FeZn）O2.5 層、ZnO 層 が、m が 奇 数 の 時 は R3̄ m 対称性で、m が偶数の場合には P6 3 /mmc の対称性で積層化していることを解析してる 139）。さらに同じホモ
ロガス系酸化物として、Fe のサイトを他元素で置換している場合も報告しており、実際、InGaO（ZnO）
3
mの m=1 ～ 7 までのｃ軸格子定数の変化が確認されて い る 上、InAlO（ZnO）
3
m、ScGaO（ZnO）
3m 等も同様に合成され、各 m 値での格子定数が報告されている。加えてこの論文では、先述のカナードの発表 126）とほぼ同時期にホモロガス結晶の InGaO（ZnO）
3
5 のTEM 格子イメージ像を観察している。すなわちホモ
ロガス系 InGaO（ZnO）
3m 結晶の TEM 格子像を最初

表 2.3 ホモロガス系 InGaO（
3 ZnO）
m 結晶相の各ｍ値における格子定数（J. Solid State Chem., 93, <2>, 298-315（1991）.142）より筆者
作成）

InGaO3(ZnO)mLattice Constants [nm]InGaO3(ZnO)

a=0.3296, c=2.602

InGaO3(ZnO)2

a=0.3292, c=2.251

InGaO3(ZnO)3

a=0.3288, c=4.156

InGaO3(ZnO)4

a=0.3284, c=3.289

InGaO3(ZnO)5

a=0.3280, c=5.713

InGaO3(ZnO)6

a=0.3277, c=4.299

InGaO3(ZnO)7

a=0.3276, c=7.279

InGaO3(ZnO)9

a=0.3270, c=8.828

InGaO3(ZnO)11

a=0.3266, c=10.38

InGaO3(ZnO)13

a=0.3258, c=11.92に報告した論文 139）と考えられ、一連のホモロガス系
InGaO（ZnO）
3m の結晶構造のデータも含めて、非常に重要な論文である。
さらに文献（140）の論文は前出の論文 139）の続編という一面もあるが、ホモロガス系の In 2 O（ZnO）
3
m-Fe 2 O（ZnO）
3m（m=1, 2, 3, 4, 5, 6）の６種の固溶範囲を丁寧に調査している上、ｍ値が 20 のホモロガス物質まで、In2O（ZnO）
3mと Fe 2 O（ZnO）
3
m それぞれの格子定数を詳細に調査しており、In ベースのホモロガス系物質の結晶構造化学の本質に迫る重要な論文である。さらにホモロガス
系の InGaO（MgO）（m=1, 2）などを詳細に報告した
3m
研究論文もある 141）。
そして君塚らのグループの中村真佐樹により、ホモ ロ ガ ス InGaO（ZnO）
3
m 系 の m=13 ま で の 結 晶 構
造 と 同 時 に、In2O（ZnO）
3
m-Ga2O（ZnO）
3m 間の固溶範 囲 を 詳 細 に 調 査 し た 最 初 の 報 告 が な さ れ た 142）。
InGaO（ZnO）
3
m 系の各 m 値における各格子定数値は
表 2.3 の通りである。
さらに、m=1 ～ 13 までの In-Ga 固溶範囲が詳細に調べられた結果を、以下の表 2.4 に示す。

表 2.4
範囲

ホモロガス系 In1-xGa1+xO（
3 ZnO）
m 結晶相の固溶（J. Solid State Chem., 93, <2>, 298-315（1991）.142）
より筆者作成）
In1-xGa1+xO3(ZnO)m
In1-xGa1+xO3(ZnO)
In1-xGa1+xO3(ZnO)2
In1-xGa1+xO3(ZnO)3
In1-xGa1+xO3(ZnO)4
In1-xGa1+xO3(ZnO)5
In1-xGa1+xO3(ZnO)6
In1-xGa1+xO3(ZnO)7
In1-xGa1+xO3(ZnO)9
In1-xGa1+xO3(ZnO)11
In1-xGa1+xO3(ZnO)13

In-Ga 固溶範囲
－0.33≦ x ≦0.08－0.68≦ x ≦0.32－1.00≦ x ≦0.46－1.00≦ x ≦0.54－1.00≦ x ≦0.68～0.72－1.00≦ x ≦0.68～0.79－1.00≦ x ≦0.70～0.74－1.00≦ x ≦0.56～0.72－1.00≦ x ≦0.57～0.64－1.00≦ x ≦0.49～0.75

格子定数が、バルクの ZnO の軸長に漸近する状況など、本研究論文では結晶学的な深い考察がなされお

m=1 の 場 合 の In1-xGa1+xZnO4 で は、 そ の 固 溶 範 囲り、ホモロガス系 InGaO（ZnO）
3m の結晶構造化学的は - 0.33 ≦ x ≦ 0.08 であり、他のｍ値のホモロガス

な解析を行った論文として極めて重要な論文である。

系に比べて、単相となる固溶範囲が非常に狭いと言君塚らは、物質そのものが熱力学的に安定に存在しえ る。 い ず れ の ｍ 値 の ホ モ ロ ガ ス 系 の In-Ga 固 溶

うるかどうかという視点での研究に専心していたの範 囲 に お い て も、 そ の ｃ 軸 格 子 定 数 は、x=1.00 のだろうと思われるが、実際上記の In-Ga 系と同様に、

InGaO（ZnO）
3m の組成の近傍で極小値を取ることがIn2O（ZnO）
3
m-InAlO（ZnO）
3m 間の固溶体形成に関すデータから読み取れるが、これは x=1 が固溶体領域

る詳細な論文も報告している 143）。

の中でも特異な結晶構造に由来しているのではない

さらに君塚らは単結晶の作製も行っており、ホモロ

かと筆者は推定する。その他、各 In-Ga 固溶体のｍ

ガス系の In2O（ZnO）、
InGaO（ZnO）
3m（m = 3, 4, 5）33、値の増加に伴うｃ軸方向の積層状況の様子や、a 軸のそして Ga2O（ZnO）などの単結晶3m （m = 7, 8, 9, 16）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

123

を合成し、それぞれの格子定数値などを報告していがあると筆者は推察する。その Science 誌の論文 148）

る 144）。 例 え ば InGaO（ZnO）
3
3、 単 結 晶 の 合 成 で は、

では、上記の君塚らの研究成果の中から 2 報を代表す

ZnO 過剰下で、1550 ℃で 5 日間加熱した後、1350 ℃

る形で参考文献として引用している。すなわち、こので 5 日間もアニールして、サイズ 0.02 × 0.1 × 0.1 cm

ような材料技術の背景を細野らのグループも十分認識

3

しているからに相違ない。

の小片の単結晶を得ている。
また君塚らは InMO（ZnO）（M=In, Ga）のホモロ
3m

その他、本調査上興味深い点があるので記しておき

ガス系物質が変調構造を持つことを、高分解能 TEM

たい。それは君塚が HOYA 株式会社（以降、HOYA観察を通じて報告した。この変調構造は、別の論と略記）と共同研究を行っており、3 つの論文 149）-151）

文 146）, 147）でも触れられており、ホモロガス系で多く見を発表している点である。HOYA の折田政寛は 3 つられる特殊な構造と思われる。

の全論文を、HOYA の太田裕道は 2 つの論文を君塚

145）

148）

以上のことから、細野らが 2003 年に Science 誌と共著しており、この２名は 1999 年秋に発足するで発表したホモロガス系 InGaO（ZnO）
35 単結晶の電ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」に共に参界効果トランジスタにおける「物質」としての源流に画している。但し、君塚と HOYA の共同研究テーマ

は、君塚らの 5 つの論文［文献＝（137）,（139）,（142）,からはダイレクトに透明導電性酸化物を狙っていた（144）,（145）］が、「物質」という視点で深い繋がりとは思えない。むしろ民間企業である HOYA として

コラム：ホモロガス相と類似化合物
ホモロガスという言葉は、本来『同系列』とか『同族』という意味から、n を自然数としたときに、対象となる化合物の化学組成式を、n を用いて簡潔に表現できる化合物群の総称を指す。
本章で扱う透明導電性酸化物では、例えば、以下の図 2. 7 に示すような LuFeO（ZnO）
3m のホモロガス
系酸化物で見られる結晶構造を意図して使用されていることが多い。勿論、InGaO（ZnO）
3
m も同様なホモ
ロガス系結晶構造群の一つである。

図 2.7

ホモロガス系 LuFeO（
3 ZnO）
m の結晶構造のイメージ図（左から、m=1, 4, 5. 6）

c- 軸格子定数がｍ値と共に伸びていく様子を判り易くするために、実際の結合の方向性とは若干異なるが、イメージとして把握頂ければ幸いである。なお、m が奇数の時は R3̄ m 対称性で、m が偶数の場合には P63/mmc 対称性のため、ｃ軸長の取り方が偶奇で交替する。（なお上の結晶構造図は、君塚らの文献 1)-4) を参考に筆者が作成）

124

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March一般には、
その類型タイプとしては、
Ti-O 系で認められるマグネリ相や、Bi 系高温超伝導酸化物の一般式：
Bi2Sr2Can-1CunO2n+2 で良く知られるオーリビリウス相、さらには SrO（SrRuO3）n のようなペロブスカイト骨
格を有するルドルスデン - ポッパー相などが知られているので、以下に、上記 3 種の技術用語の由来を簡潔に紹介する。
◆マグネリ（Magneli）相：Ti, V, Mo, W な どの遷移金属酸化物には TinO2n-1、VnO2n-1、Tin-2Cr2O2n-1、MonO3n-1、WnO3n-1 （n= 整数）という一般式にしたがう化合物群が存在する。このような化合物群の結晶構造は、スウェーデンのアル
ネ・マグネリ（Arne Magneli）らにより精力的に研究されてきた経緯があり、彼らに敬意を表する形でマグネリ相と呼ばれている 5）。
◆オーリビリウス（Aurivillius）相：（An− 1BnO3n+1）［ここで A は 12 配位の大きなカチオン、B は 6 配位の小さなカチオン］
一 般式：（Bi2O2）で表されるペロブスカイト派生の結晶構造が存在する。基本的には、[Bi2O2]2+ 層とペロブスカイト構造層の交互積層であり、1949 年頃にスウェーデンの化学者のベント・オーリビリウス（Bengt Aurivillius）によって詳細に研究されたことから、敬意を表してこのタイプの結晶構造をオーリビリウス相という 6）-8）。
◆ルドルスデン - ポッパー（Ruddlesden-Popper）相：一般式：An+1BnX3n+1、あるいは An-1A’ 2BnX3n+1 と表される層状物質である。ここで、A および A’ はアル
カリ、アルカリ土類、または希土類金属、B は遷移金属である。中でも単純ペロブスカイト構造（ABX3）が層状に派生した Ruddlesden–Popper perovskites［An+1BnX3n+1］が研究分野では良く知られている。
名称由来は、1957 年、1958 年における S. N. Ruddlesden と P. Popper の研究に敬意を表した形で、ルド
ルスデン - ポッパー相という学術用語が定着している 9）, 10）。
参考文献
1）

M. Isobe, N. Kimizuka, M. Nakamura and T. Mohri： “Structures of LuFeO（ZnO）” , Acta
3m （m =1, 4, 5 and 6）
Crystallogr., C 50, 332-336（1994）.

2）

Noboru Kimizuka, Mitsumasa Isobe, Masaki Nakamura, Takahiko Mohri： “Syntheses and Crystallographic Data of
the Homologous Compounds InFeO（ZnO）
3m,（m = 1, 2, 3, 7, 11, 13, 15, and 19）and Fe2O（ZnO）
3m（m = 8 and 9）inthe In2O3-ZnFe2O4-ZnO System” , J. So1id State Chem., 103，<2>, 394-402（1993）.

3）

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は、
君塚のホモロガス物質に対する高い知識の一端を、あり、もう一つは、高圧下で作製した InGaZnO4 単結

HOYA の若手へ導入して欲しかったのではないだろ

晶に関する研究 153）である。特に後者は、20 kbar とうかと想像する。ゆくゆく折田と太田は、ERATO の

50 kbar での高圧下での単結晶を育成して、それぞれ

細野プロジェクトの中で主要な研究者となり活躍をすの構造解析を行っている。

るわけであり、この共著論文があったという事実は、後の研究者間の関係という視点からとても興味深い。
これまでは君塚昇を中心とした無機材質研究所のグ（3）徳島大学の森賀俊広によるホモロガス系物質の電気的・光学的評価

ループによるホモロガス系物質に関する研究を調査しさて、君塚らを中心とする無機材質研究所のグルーてきたが、当時海外から、君塚と同じ無機材質研究所

プは、上記のように熱力学的な安定性、結晶の格子定に来訪・在籍していた Massimo Nespolo からも、ホ数や対称性、固溶状態、TEM 観察を通しての変調構

モロガス系酸化物に関する興味深い報告が２報なされ造など、「物質」そのものに関して、丁寧かつ精密に研ている。一つは、LuFeO（ZnO）
3
m に関する研究究を実施してきており、多くの意義深い論文を発表し

で

152）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～125てきた。それらをベースとして、このホモロガス系物
質の電気的、光学的な評価を報告したのが、多元系物質の項でも少し述べた徳島大学の森賀俊広らである。
森賀とポッペルマイヤーの共著論文は 3 報 94）, 108）, 109）

表 2.5 ホモロガス系 In1-xGa1+xO（
3 ZnO）
m における固溶範囲と電気及び光学特性（J. Amer. Ceram. Soc., 82, <10>, 2705-2710 （1999）.109）
より筆者作成）

あるが、そのうち第一著者として発表した２報 108）, 109）が重要であり、さらには InGaO（ZnO）
3m 系の電気的・光学的評価を実施した研究 109）が特に重要である。このホモロガス系 InGaO（ZnO）
3
m の内容を説明する前に、その直前に森賀が発表した MgIn2O4-MgGa2O4 固溶系の研究 154）がその土台になっている可能性が高いので、ここでその内容に簡単に触れておく。これは固溶系 In2-xGaxMgO4 に関する研究で、以下の範囲でそれぞれの結晶相においてその固溶系が存在することを報じている 154）。
［Ⅰ］0 ≦ x ≦ 0.35 ：In2MgO4 型結晶相
［Ⅱ］0.8 ≦ x ≦ 1.0：InGaMgO4 型層状構造［Ⅲ］1.5 ≦ x ≦ 2.0：Ga2MgO4 型結晶構造
そして電気的特性として、Ga 固溶量の増加に伴って電気伝導性が指数関数的に減少すること、また光れており、この測定結果は君塚の研究報告 142）を再確

学拡散反射スペクトルの評価から Ga 固溶量の増加に認した形となっている。やはり結晶構造的に [In]：[Ga]伴う光学バンドギャップの拡大の様子も明示されて＝ 1:1 である InGaO（ZnO）
3
m は、その結晶構造の構成いる。ここでの研究成果の一端が、In2O（ZnO）
3m と元素イオン間に、特殊な周期性のような特異点を持っ

Ga2O（ZnO）
3
m との間の固溶系の研究に生かされていているのではないだろうかと筆者は考える。
一方、ホモロガス系 In1-xGa1+xO（ZnO）
3m 固溶体をると筆者は考えている。
森賀がポッペルマイヤーと共著した In-Zn-O のホモ
ロガス系 In2O（ZnO）（m=3 ～ 11）に関する論文
3m

透明導電性酸化物として材料設計をする際には、同じ

108）[In]/[Ga] 比では ZnO 層数（m 値）は出来るだけ少なく

では、In2O3 層にサンドイッチされる ZnO 層の層数（mするという方針で問題無いが、還元雰囲気下での熱処値）が減るほど、導電性が指数関数的に上昇すること、理をすると、電気伝導性は向上するが、透明な可視域

またｍ値の増加に伴って可視域の透過率が上昇（光学は縮小してしまう。また [In]/[Ga] 比を調整して電気バンドギャップが拡大）することが報告された。この伝導特性を上げようと［In］濃度を増やそうすると、

m 値は、導電性と透明性というファクターに関して

今度は光学バンドギャップが縮小されるというトレー

トレードオフの問題をはらんでいることがわかる。

ドオフの問題が浮上してくる。これは本系だけでなく、次 に 非 常 に 重 要 な Ga 含 有 の ホ モ ロ ガ ス 系
In1-xGa1+xO（ZnO）
3m 固溶体に関する森賀とポッペルマ

多くの透明導電性酸化物に共通して存在するトレード
オフ問題と思われる。

。各ｍ値にいずれにしてもこの論文 109）の最大の意義は、ホ

おける In1-xGa1+xO（ZnO）
3m 固溶体生成範囲を確定す

モロガス系 In1-xGa1+xO（ZnO）
3m 固溶体の物性、特にるところから始めており、先人である君塚らの研究

電気的特性と光学特性を初めて評価していることでデータ 142）と比較して、ほぼ同様の結果が得られていあり、このことは 2003 年の Science 誌で発表されたる。さらに各ｍ値のいくつかの固溶体組成の物質を抽

InGaO（ZnO）
3
5 ホモロガス系結晶を用いた電界効果ト

出し、as-made 試料と還元雰囲気下で熱処理した資料

ランジスタの論文 148）と、材料と物性評価という視点を作製し、それぞれにおいて、電気伝導度と拡散反射で重要な関連性があると判断される。

イヤーらの共同研究の結果を紹介する

109）

スペクトルから光学特性を評価した。その結果を表 2.5に示す。

（4）森賀俊広と富永喜久雄らによるアモルファス相で各ｍ値の固溶範囲において、そのｃ軸格子定数は、126の可能性示唆とその後の展開[In]：[Ga] ＝ 1:1 の 時 に 最 小 値 を 取 り、 他 の [In]/[Ga]2000 年以降の森賀らの研究論文の変遷を概観する

比では、ベガード則に沿って伸びていくことが報告さと、改めて ZnO 系、In2O3-ZnO の酸化物薄膜という国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March基本的な組成系に立ち返り再調査を実施ししているこに Zn-In-O 系薄膜におけるアモルファス相の透明導とがわかる。2005 年頃までに以下のような論文群を電膜としての十分な手応えを感じて、『第３世代透明発表している。
［（）内は文献番号］

導電性アモルファス薄膜』として研究を展開したこと◆ ZnO:Al-ZnO 系に関する研究報告：（155）,（156）,が伺える 168）。この森賀のようなアモルファス薄膜の（157）状態で完成形にさせる設計指針は、筆者の知る範囲◆Z
 n-In-O 系に関する研究報告：（158）,（159）,（160）,（161）

では過去に一例だけである。それは 1995 年 9 月に神戸で開催されたアモルファス半導体国際会議［The◆ ア モルファス ZnO-In2O3 系に関する研究報告：

Sixteenth International Conference on Amorphous（162）,（163）,（164）,（165）,（166）,（167）,

Semiconductors - Science and Technology （16th-（168）,（169）,（170）

ICAS）］での細野秀雄による講演『Working hypothesis◆ ZnO-SnO2［ホモロガス結晶＋アモルファス］系

to explore novel wide band gap electrically conducting
amorphous oxides and examples』で ある。（ 内 容 は、に関する研究報告：（171）,（172）
この期間に、徳島大学工学部化学応用工学科の森賀

Journal of Non-Crystalline Solids, 198-200, <1>, 165-169

俊広と同大学同学部電気電子工学科の富永喜久雄の共（1996）.にて公開されている。
）共通するアモルファス路

同研究チームは、In-Zn 系において、透明導電膜とし線の提唱という観点で、細野の背中を追う形で森賀もて十分活用できるアモルファス膜の存在を明示するとまた同じステージの上に立っていたのではないだろう

共に、そのアモルファス膜の構造を維持したまま、アか。1995 年以降の多くの学会で細野が孤軍奮闘する

ニール熱処理によって表面の平滑性を著しく向上させ形で発表してきたアモルファス透明酸化物半導体（透られることなどを見出している 168）。これまでの透明

明導電性酸化物）の独自のストーリーを、森賀もまた導電性酸化物薄膜の大半の研究論文は、ホモロガス構「結晶ではなくアモルファスの路線でもいけるのでは造などの結晶相での議論であったので、森賀らのようないか」と自らの実験を通して追体験していたのではなアモルファス状態での透明導電性薄膜の方向性を材ないかと勝手な想像を膨らませると、材料探索の歴史

料設計の視点で明示したことは極めてユニークと思わは実に興味深い。既定の先入観に捉われず、アモルファれる。

ス状態でもモノになりそうだという発想に辿り着くセ

具 体 的 に は 森 賀 ら は、 対 向 タ ー ゲ ット の DC ス
パッタリング 装 置 を 用 い て、基 板 温 度 150 ℃下 でンスは、細野と同様に森賀もまた優れた感覚を持っていたのであろう。

ZnO-In2O3 系透明導電膜の作製を行うと、幅広い組成

なお補足ではあるが、細野の Nature 誌発表の数領域でアモルファス相が生成することを見出し、特年後、森賀と富永らのチームは、In-Zn-O に対してに In-rich 側のアモルファス薄膜において最小抵抗率

Ga を入れることで、より広い組成範囲でアモルファ

2.3 × 10。低い抵抗ス化が可能になり、青色域での透過率改善が可能で値が得られるアモルファス相の組成比：Zn/（Zn+In）あることを示した 173）, 174）。さらに Ga 含有量の増加で、の範囲は 0.2 ～ 0.4 程度であり、Al2O3 を 3 wt% 添加

光学的バンドギャップを 3.91 eV から 4.06 eV に広することでこの低抵抗率を維持したまま、組成比のめ ら れ る こ と も 確 認 す る な ど、 細 野 の IGZO-TFT

範囲を 0.3 ～ 0.6 と広げられることも見出した技術に対する多くのポジティブ・データを報告して−4

Ωcm を示すことを確認した

162）

。

166）, 167）

さらに光学的なバンドギャップも若干拡大することいる 175）, 176）。

も確認されており、これらの事実から、低抵抗状態

ところで 2008 年以降、物質材料研究機構（NIMS：を堅持したままアモルファス状態で、Zn/In 比にある

旧・ 無 機 材 質 研 究 所 ）の グ ル ー プ も、 道 上 勇 一 ら

程度幅を持たせた形で調整できる余地を見出したとが 中 心 と な っ て、 ホ モ ロ ガ ス 系 Ga2O（ZnO）
3
m の考えられる。さらにこのアモルファス Zn-In-O 膜をア

研究 177）-180）を発展させているほか、ドイツのボン大

ニール処理することで、導電性を堅持したまま薄膜

学 を 中 心 と し た 国 際 チ ー ム に よ る In-Ga-Zn-O 系 の表面の平滑性が際立って向上させられることも確認し

研究 181）, 182）もあるほか、ホモロガス系酸化物に関するた 165）, 167）, 168）。これらの In-Zn-O 系薄膜についてはデ論文がいくつか発表されている 183）-187）。その中で九州バイス用の透明電極として使用することが大半である大学と出光興産の共同研究では、In-Zn-O 系が極低温ことから、この平坦性の高い低抵抗薄膜の作製技術の下で超伝導転移することが報じられており、純粋な物

確保は、産業上非常に重要な研究成果と考えられる。

性物理の観点でも非常に興味深い現象である 187）。

森賀らは上記したように、2000 年から 2004 年の間

本 章 の こ れ ま で の 内 容 は、ITO の 歴 史 に 始 ま

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

127

り、In-Zn-O 系、In-Zn-Sn-O 系 等 の 多 元 系、 そ し てい。この透明導電性材料の分野は、実際に利用されて

InGaO（ZnO）
3m などのホモロガス系の透明導電性酸化いることから、立派な成書がいくつも存在する。結晶物の研究開発経緯を筆者の視点で考察してきた。この

構造化学、物理（電子物性と光学特性）、あるいは化学、ような透明導電性酸化物の材料研究と隣り合わせの形

薄膜の成膜プロセスなどの詳細は、是非、専門家の方々

で後述の酸化物半導体を用いたトランジスタの研究開の参考書にて改めてご確認をお願いしたい 188）-199）。

発があるわけであり、材料技術の継続的な地道な基盤
研究の重要性を改めて感じる。一方で筆者の勉強不足
ゆえ、透明導電性材料に関する記載等で、正しさに欠けるところもあるかもしれない。どうかお許し頂きた

コラム：金属と半導体の接合ポテンシャル障壁（接触抵抗）と整流器の小史
透明電極を扱う場合には、どうしても知識として必要なことがある。それは接触する相手側の材料との間で生じるポテンシャル障壁の存在である。透明電極は、一方で配線金属と他方では液晶や有機エレクト
ロルミネッセンス材料と直接接合させることが多いので、そこでの接触抵抗を極力落として、所謂オーミッ
ク的な接合状態にすることが好ましい。そのような背景から少し歴史を遡り、電気の整流現象、並びにその後の金属・半導体接合におけるポテンシャル障壁について、簡単にその歴史を概説する。
電気の整流現象は、百年以上前の 1874 年にドイツ人のカール・フェルディナンド・ブラウン（Karl Ferdinand Braun）によって見出された 1）。金属硫化物に金属針を突き立てた配置で、電流の方向を変えて抵抗値の変化を測定することで整流作用を初めて発見した。ブラウンの偉業は今日、1897 年のブラウン管の発明として極めて有名である 2）。
また、Cu-Cu2O 系の整流器に関してもその歴史は古く、1930 年前後のラース・オライ・グロンダール（Lars
Olai Grondahl）の研究に遡る 3）-6）。またこの時期（昭和 5 年＝ 1930 年）に、当時日本の大学であった旅順工科大学の原源之助による整流作用に対する詳細な考察の報告があり、当時のレベルの高さを知る上でも大変興味深い 7）。さらに Cu-Cu2O 系整流器に関しては、丸山らの報告 8）や沢路の報告 9）に詳細が記されている。Se、Cu2O、Ge、Si の各種材料を用いた実用整流器の歴史変遷に関しては、オリジン電気の政田辰三の解説に詳細が記されている 10）。整流器への応用と産業化に関しては、1920 年代頃に Cu2O 系（米国で発明）、次いで 1928
年にドイツで Se 系が工業化され、日本では戦後発展したとのことである。また、Ge 系に関しては、1952 年に米国で工業化され、続いて 1950 年代以降は、トランジスタの発明もあり、Si 系が Ge 系に取って代わったとのことである。日本では、日立製作所の伴野正美がセレンの整流作用に関する研究で広く知られている 11）, 12）。
当時、これらの亜酸化銅（Cu2O）やセレン（Se）の整流メカニズムについて 1939 年に、サー・ネヴィ
ル・フランシス・モット（Sir Nevill Francis Mott）13）やヴァルター・ハンス・ショットキー（Walter Hans
Schottky）14）によって理論が提出され、金属と半導体との接触界面に対するポテンシャル障壁（potential
barrier）の概念が導入された。金属 - 半導体接合部で形成される電子の位置エネルギー障壁が、今日広く知られているショットキーバリアであり、これにより接合素子は整流特性を有し、ダイオードとなることから、当時の整流器特性のメカニズムを理解する上では有効となった。因みに、セレン整流器は、1950 ～1960 年代においてテレビ電源用に多用されていたが、セレンだけでなく、素子接合部にカドミウム化合物が多用されていた。現在では大半はシリコンダイオード等のデバイスに置き換えられている。この接合の理論は、ハンス・アルプレヒト・ベーテ（Hans Albrecht Bethe）によって修正・発展され、1942 年 11 月
23 日にマサチューセッツ工科大学（MIT）の Radiation Laboratory Report で報告されている 15）。
透明電極を設計する上では、この金属 - 半導体接合によるバリア障壁を抑え、出来るだけオーミック接合を実現する必要がある。したがって、金属、ここの議論では、透明電極としての役割を有する透明導電性酸化物のことを意味するが、この物質の仕事関数Φ M と、接合する相手となる物質が半導体としたときの半導体の電子親和力χ S、及びエネルギーバンドギャップ Eg に関して、以下のオーミック接合の条件が成り立つような組み合わせの双方の材料設計が必要となる。
＜ⅰ＞：  相手側の半導体が n 型（キャリアが電子）の場合：
ΦM ＜ χS＜ⅱ＞：  相手側の半導体が p 型（キャリアが正孔）の場合：
ΦM ＞ χS + Eg
したがって、透明導電性酸化物を透明電極用途で開発する際には、単に透過率を向上させながら、導電率やキャリア密度も向上させるだけでなく、その物質の仕事関数についても、接合する相手側の物質（半導体あるいは金属）との物理的な関係を充分配慮しておく必要がある。
透明電極の ITO 膜へのオーミック配線を考慮した接合部に関する合金材料研究が、正にこの視点での研究である。神戸製鋼所グループの具体的な報告例によれば、接合界面に生じる AlOx 層の調整が鍵となり、
アルミニウム（Al）に若干のニッケル（Ni）と微量のランタン（La）を混ぜた Al-2at%Ni-0.35%La なる合金組
成が、直線性の高いオーミック特性になるとの報告がある 16）, 17）。このような接合部の材料探索は、TFT

128

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

デバイス全体としても必須な重要課題である。
実際に細野グループでも、アモルファス IGZO に好適な金属電極を探索している研究報告もある 18）。さらに同時期に、電極でのオーミック性とショットキー性に関する詳細な考察が、オレゴン州立大学のウェイジャー（J. F. Wager）によってなされている 19）。同年、フロリダ大学のファン・レン（Fan Ren）らのグルー
プ 20）, 21）は、n 型アモルファス IZO 薄膜に対する電極（Ti/Au）のコンタクト抵抗を Circular-TLM 法を用いて測定して接触抵抗を低減させる研究やバンドオフセット等についての総合報告を行っている。また韓国の研究グループ 22）は、トランジスタの動作に敢えてショットキー障壁を作るユニークなデバイスを発表している。さらに米国ノースウエスタン大学とアルゴンヌ国立研究所のグループ 23）は、ケルビンプローブ法
を用いて、アモルファスと結晶質の両方の状態での各種導電性酸化物の仕事関数を精査しており、非常に重要である。この論文の中では、オゾン処理した場合の仕事関数も同時に調査している点が興味深い。また中国の研究チームによるアモルファス IGZO と電極の接触抵抗の研究 24）などもある。
国内外の企業でも、当然ながらすでにこのようなコンタクト部位の好適な材料開発は実施しているはずであり、解析技術がさほど進んでなかった時代には、多くの場合、特許出願も行われず技術秘匿されていた非公開領域である。しかしながらナノのスケールで組成分析や深さ方向のプロファイル解析等が十分可能となった今日においては、自社技術の水路を確保する意味でも、デバイス構成上必須な接合部の材料技術は公開されることが多くなってきている。実際、神戸製鋼の研究開発グループでは、IGZO 系酸化物半導体トランジスタが実用化されたことに関連して、配線材料やキャップ層材料などの研究開発を実施して、トランジスタデバイス作製における重要な指摘や興味ある材料系の報告等がなされている 25）。

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薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

129

2.3
2.3.1

他分野の用途から注目される透明導電性
酸化物の事例

熱電変換材料たが、熱電特性の観点からは異方性による大幅な改善には至らなかった。なお第一著者の平松秀典は、光学特性と電気伝導特性の評価も併せて行っており、透明

熱電変換材料は大きな熱起電力と高い電気伝導率、導電性酸化物としての可能性を再確認している 206）。

そして低い熱伝導率を併せ持つことが要求される特殊同時期に河本研究室のメンバーから、ホモロガス系

な材料である。一方で物質（主に金属）の熱伝導率κ

の In サイトを Y で置換する改質を実施し、Y を 3％と電気伝導率σの比は、絶対温度 T と物質の種類に依置換することで熱電の性能指数への効果が最も上が存しない定数 L の積に等しいという以下の式：ヴィー

り、1000 K において性能指数が 0.1 を超えるような

デマン・フランツの法則（Wiedemann-Frantz law）が報告がなされている 207）, 208）。さらに河本らは豊田中央ある。

研究所の谷俊彦らと共同して、谷らが過去に開発し（κ / σ）=LT （L：ローレンツ数で一定）て い た Reactive Templated Grain Growth 法 209）を、このような物質そのものに対する制約があることか

ホモロガス系 In2O（ZnO）
35 に適応させた報告も行っ

ら、金属の熱伝導率κと、電気伝導率σの比は一定とた 210）, 211）。加えて河本や谷らは、2004 年までに HIPなるため、高性能な熱電変換材料を設計する際に生じ焼結体や単結晶、Ca 置換材料など、いくつかの改良

るジレンマ、即ち高い電気伝導率を維持しつつより低へ向けた報告も行っている 212）-215）。

い熱伝導率の物質を探索すること、これは容易ではな
く、一般的に非常に難しい。

ここに紹介した十数報の論文は、いずれも結晶構造の異方性を切り口として、σとκの比例相関からの脱そのような状況の中、1990 年代半ばに新しい熱電却を期待した材料探索ルートである。本節で取り上げ

変換材料探索への切り口としてホモロガス系酸化物にたのは、細野が 2003 年の Science で発表したトラン

興味を持った研究者がいた。名古屋大学教授の河本邦

ジスタのチャネル層に用いた InGaO（ZnO）
3
m と同類

仁

である。熱電変換材料の設計には、様々な研のホモロガス相（但し、Ga が入っている系ではない）

究アプローチが知られているが、その一つに、c 軸方

でしかも電子的物性に注目しているという類似点があ向と a-b 面内の異方性を利用するアイデアから層状結るという点に加え、当時最初に報告した論文 204）の第晶物質を用いた探索手法が想定される。その探索手法

一著者であった太田裕道が数年後には細野の ERATOを具体的に試行して初めて発表したのが河本邦仁らのプロジェクトに加わったという関係性があるからに他

研究グループであった200）-203）。異方性が予想されるホモならない。そのような観点からも、ここで紹介した２

ロガス系酸化物の In2O（ZnO）
3
m を選び、その熱起電つの論文 204）, 205）は、細野の Science 誌へ通じる材料系

力に関する最初の評価報告である 204）。In2O3 と ZnO譜において重要な位置を占めると考える。

204）の混合物を 1550 ℃という高温で空気中 2 時間焼結さ

なお、この熱電変換材料に関連した近年の情報を少せた試料（m=5, 7, 9 の 3 種）に対して、ゼーベック係

し追記させて頂く。北海道大学電子科学研究所教授

数（S ）、電気伝導率（σ）、そして熱伝導率（κ）をそれの太田裕道らのグループは、以前 ERATO「細野透明ぞれ 500 K ～ 1100 K の温度範囲で測定し、m 値が大

電子活性プロジェクト」の中で太田自身が創案した

きい程、各項目の数値が大きくなることがわかった。

反応性固相エピタキシャル成長法で作製した InGaO3

m=9 の In2O（ZnO）
3
9 の場合、高温の 1000 K での性（ZnO）m 単結晶薄膜が自然超格子構造を形成している

能指数値は、0.1 程度に留まった。性能指数は ZT でことを利用して、超格子方向に直交する方向の熱伝導表され、Z=S σ / κで、材料探索上の目標としては

率が、多結晶よりも熱伝導率が低くなることを発見し一般に ZT >1 とされている。なおこの論文の第一著者

た 216）。単に異方性によるｃ軸方向とｃ面内での熱伝は、後に ERATO の細野のプロジェクト発足時に参導の異方性という通常の概念ではなく、本来単結晶よ

画することになる太田裕道である。

りも熱伝導が低いと考えられていた多結晶よりも、単2130の電気伝導率は、ｃ軸方向と比べて数倍高い値を示し

河本らのグループでは、次にスパッタ法によるホモ結晶のｃ面内の熱伝導がさらに大きく低減できること

ロガス：In2O（ZnO）
35 系薄膜を作製し、その評価を実を実証しており、低熱伝導材料、あるいは熱管理技術施した。この論文が、ホモロガス系酸化物薄膜のの設計に大きな糸口を示した研究成果と言える。北海

熱電特性を議論した最初の論文と言える。各配向膜で道大学の太田は、河本邦仁研究室、HOYA、JST のの微細構造、ゼーベック係数、そして電気伝導率の温ERATO 細野プロジェクトと、経験を積んできている

度依存性が測定された。ｃ軸に垂直な方向（a-b 面内）

研究者であり、細野のプロジェクト卒業メンバーとし205）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

ての大きな発展が見て取れる。もう 1 報ここで紹介しる、ある程度の光吸収が必要ということから、光記録

たい。細野の後継になる東工大フロンティア材料研究

材料への設計としてバンドギャップの拡張が一つの重所の神谷利夫グループの准教授である片瀬貴義らは、要な課題となっており、透明電極用途としての透明導モット絶縁体である LaTiO3 を用いて、エピタキシャル

電性酸化物の材料設計も同じ課題を共有していたこと

成膜時による格子歪（圧縮応力）を利用して金属的にすから、彼らのグループは、相変化型光記録材料の開発

ると共に、伝導のキャリアをｐ型からｎ型に変えること、透明導電性酸化物の開発を両睨みする姿勢で研究とで、従来 S とσがトレードオフの関係にあった状況を実施していたと考えられる。

を打破し、比例関係になる領域を見出し、性能指数を

このような彼らの一連の論文の中で、細野らと同じ

大きく向上させる材料探索のルートを明示した 217）。こ

組成系である In-Ga-Zn-O 系を扱っている論文が 2 編の探索プロセスは、固体物理の本質を深く理解し探索ある 245）, 251）。前者の松下辰彦らの論文 245）では、マグした結果として見出された非常にサイエンティフィック

ネトロン・スパッタにより室温で In-Ga-Zn 酸化物薄膜

な材料設計ルートである。上記した北海道大学の太田を作製しており、as-made 膜は Zn 金属に若干の ZnO

裕道グループや東工大の片瀬・神谷グループの発見は、相が混在した薄膜で、350 ℃アニールによりその吸収

マテリアルサイエンスの本質に踏み込んで、新たな材

端からバンドギャップが 3.6 eV となることなどから、料探索のステージを築こうとするものであり意義深い。

In-Ga-Zn 酸化物薄膜が形成されている可能性を指摘し

今日、酸化物を利用した熱電変換材料に関する解ている。この論文の参考資料として、東京工業大学の説もいくつか発表さ川副博司らが紫外透過導電性酸化物として発見したス

れてきているが、上記のような挑戦的な取り組みが、ピネル型構造の ZnGa2O4 酸化物の情報 256）や、HOYA

多くの若手研究者にも伝播して、世界における熱管理の折田政寛らによる InGaZnO4 透明導電性酸化物の情問題、エネルギー問題の解決への一歩となってくれる

報 257）、それに金沢工業大学の南らによる Zn2In2O5 透

ことを切に期待したい。

明導電膜の情報 258）の 3 つの論文を引用していることか

や国際誌による総説218）-230）231）-236）

ら、松下らのグループが独自にこの材料系を見出した
2.3.2

相変化型光記録材料という訳では無い。むしろ酸化物半導体や透明導電膜

相変化型光記録とは、一般に結晶とアモルファスのの最新技術情報をタイムリーに取り込んで、彼らの専相変化を利用するものである。スパッタなどによる成門とする相変化型光記録材料への応用の可能性を調査

膜初期状態のアモルファス膜を熱処理により一旦全てしていたように推察される。実際その光記録特性にお結晶状態に初期化しておき、これにレーザー光線を照いては、Ge-Sb-Te 膜への記録用光パワー条件の半分

射して薄膜材料の融点（例えば 600 ℃など）以上の温程度でも十分記録できることから、当時この In-Ga-Zn-

度に上昇させて急冷させることで、照射部分だけをア

酸化物薄膜は、有望な相変化型光記録材料候補の一つ

モルファス化（低反射率化）させることで記録し、消と結論付けられている。一方後者の論文 251）においては、

去時には、結晶化温度（例えば 400 ℃など）以上の温実験で作製された薄膜材料の組成は In:Ga:Zn=1:1:1 の度で加熱後ゆっくり冷却して結晶化（高反射率化）さ組成比からは大分異なっており、総じて Ga 成分は少せるという記録方式が一般的である。相変化型光記録

なく In 成分が多めである。したがって透明導電膜や材料としては、1987 年に松下電器産業の研究グルー

トランジスタ用の InGaZnO4 系材料とは、組成領域に

プから発表された GeSbTe などのカルコゲナイド系

おいても大きく異なっていたと考えられる。

材料が良く知られている。

237）-239）

その後 2004 年 1 月に発行された奥田昌宏監修の『次大阪府立大学教授の奥山昌宏、大阪産業大学教授

世代光記録技術と材料』という書籍 259）において、大の松下辰彦らの共同研究グループも、1990 年代初頭

阪産業大学教授の松下辰彦執筆による「ブルーレーからカルコゲナイド系の光記録材料に関する研究を

ザー対応酸化物系追記型光記録膜」という第３章第行っている。彼らはその後、In を含有する材料系

5 節が設けられており、そこで Zn-In-Ga-O 系薄膜のに切り替え、透明導電性薄膜としての利用も視野に研記載が丁寧に記述されている。そこではベル研究所

究を継続しており、1996 年頃以降いくつかの研究報の Cava らの論文 32）に加え、徳島大学の森賀とノース

告 241）-255）がなされていることから、本調査でも関連情ウエスタン大学のポッペルマイヤーの２つの共著論報として触れておく。

文 108）, 109）が参考文献として引用されていることからも、

240）

当時、光記録材料は、高密度化の視点から、青色波

透明導電性酸化物の知見が、相変化型光記録材料の分長での記録が注目されていたため、青色波長帯におけ野でも興味ある対象になっていたものと推察される。

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

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薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～137

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138

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

241） A kio Suzuki, Tatsuhiko Matsushita, Naoki Wada,
Yoshiaki Sakamoto and Masahiro Okuda： “Transparent
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242） 鈴木晶雄、松下辰彦、和田直己、坂本吉亮、奥田昌宏：「レーザーアブレーション法によって作製した ZnO : Al 薄膜の電気的光学的特性」, J. Vac. Soc. Jpn. （真空）, 39, <7>,331-338（1996）.
243） Akio Suzuki, Tatsuhiko Matsushita, Yoshiaki Sakamoto,
Naoki Wada, Tomoya Fukuda, Hideki Fujiwara andMasahiro Okuda： “Surface Flatness of Transparent
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244） Aokio Suzuki, Tatsuhiko Matsushita,Hiroshi Yamanishi,
Daisuke Tanaka, Takanori Aoki and Masahiro Okuda：“Large Transmittance Changes Induced in Ga-DopedZnO Thin Films Prepared by Pulsed Laser Deposition” ,Jpn. J. Appl. Phys., 35, Part 2, <12A>, L1603-L1604（1996）.
245） T atsuhiko Matsushita, Akio Suzuki, Shogo Toda,
Takanori Aoki and Masahiro Okuda：“Optical Recording
in Ga and In-Doped Zinc Oxide Thin Films Grown byRadio-Frequency Magnetron Sputtering” , Jpn. J. Appl.
Phys. Part 2, 37, <1A/B>, L50-L52（1998）.
246） 鈴 木晶雄、藤原秀規、福田智也、青木孝憲、松下辰彦、
奥田昌宏：「パルスレーザー堆積法により作製した凹凸構造を有する ZnO 系透明導電膜」, J. Vac. Soc. Jpn.（真空）,41, <3>, 270-273（1998）.
247） 青木孝憲、海見英樹、鈴木晶雄、松下辰彦、奥田昌宏：「パルスレーザー堆積法により作製した Ga2O3+ In2O3 光記録膜」, J. Vac. Soc. Jpn.（真空）, 42, <3>, 313-316（1999）.
248） 青木孝憲、海見英樹、鈴木晶雄、松下辰彦、奥田昌宏：「高周波スパッタ法により作製した GaIn 系酸化物光記録膜」,
J. Vac. Soc. Jpn.（真空）, 42, <3>, 317-320（1999）.
249） T akanori Aoki, Akio Suzuki, Tatsuhiko Matsushita,
Hideki Kaimi and Masahiro Okuda：“Large
Transmittance Changes Near the Ultraviolet Region
Observed on a Laminated Multilayer Structure of Ga2O3
and In 2O 3 Prepared by the Pulsed Laser Deposition
Method” , Jpn. J. Appl. Phys., 38, Part 1, <8>, 4802-4803（1999）.
250） 青木孝憲、鈴木晶雄、松下辰彦、奥田昌宏：「高周波スパッタ法を用いて作製した金属インジウム・酸化ガリウム光記録膜」, J. Vac. Soc. Jpn.（真空）, 43, <3>, 292-295（2000）.
251） 青木孝憲、鈴木晶雄、松下辰彦、奥田昌宏：「金属＋酸化物子混合薄膜を用いた青色レーザー対応型高密度光ディ
スク」, J. Vac. Soc. Jpn.（真空）, 44, <3>, 244-247（2001）.
252） A kio Suzuki, Tatsuhiko Matsushita, Takanori Aoki,
Yoshitaka Yoneyama and Masahiro Okuda： “Pulsed
Laser Deposition of Transparent Conducting Indium Tin
Oxide Films in Magnetic Field Perpendicular to Plume” ,Jpn. J. Appl. Phys., 40, Part2, <4B>, L401-L403（2001）.
253） 鈴 木晶雄、守昭人、坂本淳、谷善之、青木孝憲、松下辰彦、奥田昌宏：「高出力エキシマーレーザーを用いたパル
スレーザー堆積法で作製した酸化インジウムスズ透明導電膜」, J. Vac. Soc. Jpn.（真空）, 45, <3>, 243-246（2002）.
254） 青木孝憲、秋月真、鈴木晶雄、松下辰彦、奥田昌宏：「ブルーレーザー対応型光ディスクにおける特性の改善」, J. Vac.
Soc. Jpn.（真空）, 45, <3>, 247-250（2002）.
255） 青木孝憲、鈴木晶雄、松下辰彦、重田和俊、奥田昌宏：「PLD法により作製した ZnO/In2O3 積層構造光記録膜」, 電学論
C, 123, <11>, 1925-1929（2003）.
256） Takahisa Omata, Naoyuki Ueda, and Kazushige Ueda
and Hiroshi Kawazoe：“New ultraviolet‐transport
electroconductive oxide, ZnGa2O4 spinel” , Appl. Phys.

Lett. 64, 1077-1078（1994）.
257） M . Orita, H. Sakai, M. Takeuchi, Y. Yamaguchi,
T. Fujimoto and I. Kojima：“A New Transparent
Conductive Oxide, InGaZnO4” , Trans. Mater. Res. Soc.
Japan, 20, 573-576（1996）.
258） T adatsugu Minami, Hideo Sonohara, Toshikazu
Kakumu and Shinzo Takata：“Highly Transparent
and Conductive Zn2In2O5 Thin Films Prepared by RF

Magnetron Sputtering” , Jpn. J. Appl. Phys., 34, <8A>,
L971-L974（1995）.
259） 奥 田昌宏監修：「次世代光記録技術と材料 （Technology
and Materials for Future Optical Memories）」, シーエム
シー出版 発行（2004 年 1 月 31 日第１刷発行） 特に第 3
章 第 5 節の松下辰彦（著）の「ブルーレーザー対応酸化物
系追記型光記録膜」、172-202.

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

139

3 新しい酸化物半導体創製へ向けた Hosono’s Working Hypothesis とその学理構築
3.1
3.1.1

材料設計の黎明期におけるワイドギャップ酸化物半導体群の創製

細野と川副の材料創製論文の一覧表

3.1.2

車の両輪： 川副博司と細野秀雄

1990 年代から 2004 年までの間は、まさに細野の研究者としての基盤を形作り、かつもっとも燃焼した激動の期間であったと想像される。公開されている細野

細野秀雄のグループによる、酸化物半導体結晶：の経歴 114）, 115）を振り返ると、1990 年 3 月に名古屋工

InGaO（ZnO）
3
5 を活性層に用いてポリシリコンに迫る

業大学工学部材料工学科の助教授に就任、その後、東高移動度で動作する高性能な透明電界効果型トラン工大教授の川副博司からの声掛けもあり、1993 年 7

ジスタの創製に関する Science 誌での発表［Science,

月に東工大工業材料研究所の助教授として着任。1995

300, 1269-1272（2003）］、並びにアモルファスな酸化

年 4 月には岡崎国立共同研究機構・分子科学研究所

物半導体：a-InGaZnO4 を活性層に用い従来のアモル（以降、分子研と略記）の助教授に異動（東工大は併

ファスシリコンに比べて 10 倍以上の高い電子移動度

任）、1997 年 4 月には再び東工大応用セラミックス研を有し、低温プロセスが可能な薄膜トランジスタ創究所の助教授として戻り、1999 年 11 月に東工大応用

製に関する Nature 誌での発表［Nature, 432, 488-492

セラミックス研究所の教授に就任した。一方、細野の（2004）］、この価値ある 2 報の論文の源泉となった技

上司（ボス）であった川副は、1990 年に東京工業大学

術蓄積の経緯を考察すると、1992 年以降から 2004 年の教授に就任、その 3 年後に川副は分子研の教授を併頃までの間で当時の東京工業大学（以降、東工大と略任した。丁度その時期に細野を東工大に呼び寄せてい記）教授で現名誉教授の川副博司から当時の助教授、る。加えて 2 年後には、併任している分子研から東工

現栄誉教授の細野秀雄に継承された川副・細野研究室大に戻り、細野が分子研に異動しているように思われから発表された多くの有意義な研究成果群が、大きなる。（この間、東工大は併任）そして川副は 1999 年に基盤となっていることが判る。

定年退官を迎えるが、その 2 年前にまた、細野を東工

ここに上記の期間を含めて、2003 年の Science 論大に戻して自身の後継とした。川副は退官と同時に、文や 2004 年の Nature 論文に直接関連すると思われる

HOYA 株式会社（以降、HOYA と略記）からの招聘に

その後数年間の論文も含めて、細野と川副のワイド

より、新設された特別研究室の室長に就任し、企業内

ギャップ酸化物半導体に関する独自の材料探索手法にの研究開発を促進する立場となった 116）。一方細野は、よる具体的な材料創製に関する論文群 1）-113）の一覧表

川副の退官後、公募による選考を経て東工大の教授にを表 3.1 に示す。

就任している。

この一覧表は判り易いように、発見あるいは導電

このように川副と細野の二人は車の両輪の如く、こ性 メカニズムなど の 対 象となった 個々の 酸 化 物 材の十年近い研究激動の期間、異端視されながらも抜群

料 や、ヘテロエピタキシャル 成 長 技 術、pn 接 合 技のコミュニケーションをもって、荒波を克服してきた術、ホモロガス結晶酸化物関連技術、アモルファスに相違ない。
『私には特定の師がいない。書物を通じ

InGaZnO4 （a-IGZO）材料関連、そして提言・総説・レて基礎科学を学び、原著論文から研究の流儀を習った

ビューなど、筆者なりの見方で区分けして示してある。

からである。実際に研究生活に入った後も、時々の

この 100 報を超える論文の中で、筆者の視点で特主流の世界には加わらず独自の道を歩いた。』という筆すべき研究成果は、p 型酸化物の設計と創製に関連書き出しで始まる NEW GLASS 誌に掲載された一連する２報 25）, 96）と、透明アモルファス酸化物半導体のの川副博司のコラムは実に興味深い 117）-121）。そのコラ

材料設計指針の作業仮説の提案 91）（それと同時進行しム 118）の中で川副は、細野の洞察力が光った論文としていた各種酸化物材料群の創製も含む）、並びに全アて、「ガラス中の構造歪みは、各成分の化学結合強度

モルファス酸化物による pn 接合ダイオード特性の達に応じて分配される」ことを、Cu2+ の ESR を用いて成 62）、そして単結晶を用いた電界効果トランジスタ

視覚的に示した論文 122）を挙げている。また、アモルの実現に重要な役割を果たした反応性固相エピタキ

ファスカルコゲナイドの研究の一環で、川副は 1987

シャル成長法である年頃のプラハで開催されたアモルファス半導体国際。

66）-68）, 73）, 74）, 76）, 104）

会 議 に お い て、1977 年 に ノ ー ベ ル 物 理 学 賞 を 受 賞した教授の Sir Nevill Francis Mott の面前で、VAP

140

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March表 3.1

ワイドギャップ酸化物半導体に関する細野・川副グループ独自の材料探索の具体的な研究成果群

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～141

（Valence Alternating Pair）モデルとは異なる見解を結晶を育成し、ポストアニール時の酸素分圧を制御す発表したが何の質問もなく終わり、結局、川副の主張ることで導電率を 10 桁も変えられること、さらに Snした三連の論文

は不発だったと振り返っている

ドーピング（3 mol%）で酸素中アニールでも低酸素分

120）。このアモルファス半導体国際会議での発表の経緯

圧アニール時とほぼ同等の高い電気伝導性を示す系がは、後述する細野が 1995 年に同じ国際会議で発表し得られることを同時に実証し、ワイドギャップ酸化物

た時の反響と酷似しており、両者の研究者としての歩に関する彼らのドーピング手法の考え方が正しいこと

みは、同じ線路の上を前後に揃って歩んでいるかの如を見事に実証し、ワイドギャップを有する酸化物におくである。確かに辛い発表だったと思われるが、「アモ

ける「ドーピング科学」の扉を見事に開拓した 31）-35）。

123）-125）

ルファス半導体研究の 30 年」という総合解説 126）の中で、『今日にいたるも上記の負の実効的電子相関エネル

3.1.4

p 型酸化物半導体 CuAlO2 の創製

ギーに基づく荷電欠陥説に対して異論を唱えている人

前記したことだが、川副と細野は、「これまで普通

もおり、ある意味ではいまだに結着がついていないとに半導体に分類されている物質は、純粋なものは絶縁もいえる』と、当時の川副の主張を異なる見解として、体に近いものであるが、ドーピングすることで大きくその存在を認めている文献があることを付記しておき

電気伝導性を向上させることが出来るので、半導体とたい。

して分類するので良い」という暗黙の了解事項として進められている不可思議さに、今一度きちんとした3.1.3 「導電性絶縁体」から生まれた

n 型酸化物半
導体： MgIn2O4 とβ-Ga2O3

ギャップ酸化物半導体の材料探索における大きなモチ1990 年に川副は東工大の工業材料研究所の教授とベーションになっている。この問題提起の在り方は非なり、懸案だった In2S3 の n 型伝導の実証論文 127）を一

常に重要であり、教科書に頼らず実に素朴な視点から区切りとして、研究室の路線をガラスから結晶系の電の真実への探求と思われる。

子機能材料探索に大転換を行い、固体の分類を、教科

そこで川副と細野は、難題として残っていた p 型

書に記載されているエネルギーバンドギャップ（Eg）の酸化物半導体を設計について再考した。酸化物をイとは独立に、ドーピングによるキャリア密度と電子移

オン結晶とみなすと、価電子帯上端を形成する電気陰動度の 2 つを加えた合計３つの独立パラメータを重要

性度の高い酸素アニオン（2p6 軌道）に電子が局在する視した。Eg の大きな絶縁体の中にも、電子移動度のことにより絶縁体となっているので、その上端部に何高い物質が存在する可能性、あるいはドーピングなど

らかの変調を加え、価電子帯上端の電子状態を非局在により電子移動度の高い絶縁体を創製できる可能性が化させる手段を考えるという設計構想である。その非あるとして、「導電性絶縁体（Conductive Insulator）」

局在化への方策において、酸素 2p 電子のエネルギーというユニークな造語を創作した

位置と同程度のところに閉殻構造を持つ金属カチオン。実に面白いネー

121）

を持ってくれば、両者間に有意な混成が生じ非局在化

ミングである。

142

科学のメスを入れたかったというのが、一連のワイド

従来の固体物理学的な視点に立ったエネルギーバが実現できるのではないかと考えた。課題は金属カチ

ンドギャップだけで固体を分類することの限界から、オンの選択に焦点が絞られた。川副と細野は、（n-1）

「ドーピング科学」という考え方を導入し、1994 年頃

0d10ns（nは主量子数）の電子配置を持つ金属カチオンから、細野は勿論のこと、分子研の植田尚之らと共同のうち、Cu+、Ag+、Au+ などの d10 電子のエネルギー研究を開始している 128）-131）。そして最初期に n 型導電が酸素 2p6 電子のエネルギーに近いことから、この材性の MgIn2O4 を開発し、酸素欠陥の導入 1）, 2）, 8）, 9）やイ

料設計の下で研究を進めることにした。この指針は、オン注入（H+, Li+）3）-7）, 10）, 11）で電気伝導特性の制御を実

古くから p 型導電性酸化物として知られている Cu2O証した。

にも当てはまる。そこで改めて Cu2O の結晶構造を考さらに川副と細野は、この MgIn2O（よ4 Eg ～ 4 eV）

えると、Cu+ イオンを四面体配置で酸素 O2- イオンがりバンドギャップの広い物質系に対するドーピングの取り囲み、sp3 混成軌道類似の形になっており、孤立研究を開始した。対象となった物質の一つが、波長電子対が生じる可能性は極めて低いと考えられた。即250 nm 近傍まで透明なウルトラワイドギャップ（Egち、価電子帯上端の電子を非局在化させられると考～ 4.9 eV）とも言えるβ- Ga2O3 である。この母体酸化えたのである。加えて Cu+ イオンが 3 次元空間的に物をドーピングにより n 型電気伝導性酸化物に変貌さ近いとバンドの分散が大きくなることによるバンドせる目論見である。フローティングゾーン法でその単ギャップ狭小化が懸念されたため、川副らは結晶構造

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchに低次元性の導入を検討した。その結果、上記条件をた 54）-59）, 134）, 135）。特にこの発光ダイオード（LED）の成全て満たす候補として選択された物質が、デラフォサ

功には、イットリウム安定化ジルコニア（YSZ）基板

イト型結晶構造を有する CuAlO2 であった

。結

上へのヘテロエピタキシャル成長技術 57）-59）の完成度

晶構造としては c 軸方向に Cu+ と AlO2- が交互に積層も大いに貢献していたと思われる。この pn 接合に関した 2 次元構造であり、Al は、AlO6 八面体の稜共しては、細野研究室では n-ZnO/p-SrCu2O2 の組み合有の 2 次元面を構成している。AlO6 八面体を挟んでわせ以外にも、n-ZnO/p-ZnRh2O460）や、n-InGaZn5O8/存在する Cu+ イオン同士の距離は、その AlO6 八面体

p-LaCuOSe64）の他、最もシンプルな pn ヘテロ接合での空間的な大きさで決定されており、さらに、酸素イある n-ZnO/p-NiO の場合 61）, 63）, 65）等、全酸化物接合のオン O2- に着目すると、3 個の Al3+ イオンと１個の Cu+

構成で、相当研究され技術蓄積された。

132）, 133）3+

イオンに正四面体配置で取り囲まれている。今日のような高精度な第一原理計算ができる環境ではない時代

3.1.6

アモルファス酸化物半導体の黎明期に、このような材料設計の条件を想起した洞察力と実

これまでは、時流である酸化物エレクトロニクスの行力は特筆される。このようにして生まれたのが世界技術潮流に沿った形でエピタキシャル薄膜で高品質な初の p 型酸化物半導体の CuAlO（
であ
2 Eg ～ 3.5 eV）

酸化物薄膜を創製し、pn 接合などに成功してきた経る。この研究成果が Nature 誌に採択された背景

緯を記してきたが、ここでアモルファス酸化物半導体には、長い間難題であった p 型半導体への材料設計のの方に物語を展開したい。アモルファス物質の研究は、指針とそれに適合する具体的な結晶の選択、そして薄材料作製という視点ではエピタキシャル単結晶化の技

膜化によるｐ型半導体特性の実証という一連の研究成術とは真逆に位置する。そして筆者の古い知識での理果に加えて、今後の材料展開への大きな起点となる論

解では、結晶で成立している長距離秩序が欠落し、周文となるであろうと高く評価されたからに相違ない。

期ポテンシャルが乱されているためエネルギー帯の状

この設計指針に沿って、同じデラフォサイト型の態密度は裾を引いたものとなっている。その価電子帯

CuGaO（が p 型酸化物半導体として発2 Eg ～ 3.6 eV）

上端（Valence Band Maximum=VBM）の上方、及び見され39）, 96）、さらに、SrCu2O（
も見出
2 Eg ～ 3.3 eV）

伝導帯下端（Conduction Band Minimum=CBM）の下された27）, 28）。後者は、Sr のサイトを低原子価の K+方に形成された電子密度の裾をバンド・テール（裾領で置換ドーピングする方式で見事なｐ型酸化物半導域）と呼ぶことが多いが、その電子描像を「アンダー体となっており、p 型酸化物半導体におけるドーピン

ソン局在」とも呼び、電子の動きが大きく制約される

グの重要性を実証した形とも言える。加えて CuInO2状態（局在化）となる 136）-138）。すなわち、電子の移動はも酸化物半導体として機能するが、興味深いのは Ca

結晶のバンド中でのキャリア移動では最早無くなり、ドープで p 型、Sn ドープで n 型の両性半導体である

Variable Range Hopping（VRH）という機構で移動すことを明らかにしたことである。その興味深い特ると考えられるため、その移動度は結晶中に比べて格性を利用して、即座に同じ母結晶（CuInO2）を用いて段に下がると、物性物理的には考えられている。いずpn ホモ接合のダイオード特性を実証させたことも意れにしても、アモルファス物質で半導体素子を作る際義深い。一方で、同じデラフォサイト型結晶のには、界面や最表面の清浄化が難しいと思われる上、

AgInO2 は 5％程の Sn ドープにより数桁電気伝導性がダングリングボンドなどが多数発生しているため、バ向上し、可視光の広い範囲で透明性（Eg ～ 4.4 eV）のンドギャップ内に電子的な多くの準位を持ってしま

高い n 型半導体になることも実証した

い、VBM の上方や CBM の下方にバンド・テールを25）, 26）2+

36）37）, 38）。

29）, 30）

持ってしまうことで、結果的にデバイスとしての大幅
3.1.5

酸化物半導体による pn 接合

な特性劣化に繋がると一般的には考えられる。即ちア

このような p 型酸化物半導体の発見を契機として、

モルファス半導体ではフェルミ準位の制御が困難なの

次のステップとして pn 接合の実証が進められた。
「半である。ただ例外がアモルファスシリコンを水素化し導体」として認められるには最低限のデバイスといた水素化アモルファスシリコンで、まさにこのダングうことである。そして電極も含めた完全酸化物ベー

リングボンドを水素と結合させることで大幅に抑制さスで透明な n-ZnO/p-SrCu2O2 なる pn 接合によるダイせることができ、フェルミ準位をバンド端の近くまでオード特性を実証した。その後 SrCu2O2 側の電極制御することが可能になった。しかしバンド・テール

を Ni に変えることを経て、見事に波長 382 nm 近傍の状態密度を大きく低減することが出来なかったたで発光する電流注入による発光ダイオードも完成させ

め、バンド端を超えてフェルミ準位を移動させること

53）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

143

は不可能であった。そのためバンド伝導は起こらず、リアをドープして、半導体として機能させられるとい移動度は 1 cm /Vs 以下に留まっていた。

う確固たるビジョンを、研究を重ねるにつれて膨らま2一つの考え方であるが、裾領域の状態密度の大きさせていったのではないかと筆者は考える。その確固たは化学結合の結合角と相関していると考えられ、共有性

るビジョンへ向けた大きなヒントを与えたのが、当時では敏感にイオン性では鈍感になると考えられることか学生だった安川雅啓による AgSbO3 に関する実験結果

ら、イオン性の強い酸化物では、裾領域の状態密度がであった 21）-23）。公開されている細野へのインタビュー

桁違いに低くなるため、結果的に今回の IGZO 系のよう記事 149）には以下の記載がある。

な酸化物でバンド伝導が可能になるものと推察される。

『透明アモルファス酸化物体の研究を始めたの

さてここで、電気伝導性について考察されたアモは、現在、高知工業高等専門学校 物質工学科教

ルファス酸化物、あるいは酸化物ガラスの過去の論

授の安川雅啓（やすかわまさひろ）君の実験結果

文報告について簡単に触れておきたい。最初期にそが得られた時からです。結晶の新しい透明酸化物の電気伝導性が議論されたのは、1954 年に発表され導電体を探していたところ、たまたま得られた銀

た E. P. Denton らによるバナジウム系酸化物ガラス

アンチモネート（AgSbO3）のアモルファスの薄膜（V2O5-MOx： M=P, Te, Ba, Ge, As, Pb）に関する論文

が結晶とあまり遜色ない電子の移動度をもつことである

はを発見したんです。 ～中略～ 当時は、結晶シリ

多少盛り上がったものの、その電気伝導は VRH 機構

コン（Si）のように原子がキレイに並んでいる物。その後この半導性ガラスの研究

139）であり移動度は最大でも 10−4140）-142）

cm /Vs 以下と小さく、質でないと電子は動きにくい（電気は流れない）

2

今日では興味が薄れてしまっている。また、V2O5 系というのが常識でした。アモルファスシリコンのは V4+ の d-d 遷移による吸収のため可視領域での透明研究は盛んに行われていましたが、結晶に比べて性に難があり、なかなか導電性も上がらなかったこと

ずっと電子がずっと動きにくいことがわかっていが原因と思われる。詳細は宗像の解説を参照さました。そして、アモルファス酸化物が優れた半れたい。但し、赤外域においてある程度高い透明性の導体になることは、知られていませんでした。だ

ある材料系でもあるようなので、カルコゲナイドガラ

から、たとえアモルファス酸化物で半導体になる

ス

同様、今日の視点で別の用途開発がなされても面物質をつくったとしても、「どうせ特性は結晶よ

白いのではないかと思われる。その後 1990 年代初頭に、りも格段に悪いだろう」と考えて、それ以上追及

アモルファスの酸化インジウム（a-InOx）に関する論文

しないのが普通だったと思います。でも、僕は「あ、143）, 144）

145）

が、英国キャベンディッシュ研究所の J. R. Bellingham

これだ！」と直感して、どうしてこのような現象

らによって発表されている 146）-148）。このような経緯もが起こるのか考えて、直ぐにモデルを思いつきまあることから、アモルファス酸化物の電気伝導性に関した。
』

する論文は、あることはあったがキャリア制御による特 に、 ア モ ル フ ァ ス AgSbO3 の 発 見 を 記 し た 論

材料開発に大きく発展するような、即ち技術潮流の種文 22）では、電気伝導度が成膜時の as-depo 膜から酸素になるような雰囲気には到達していなかったと言える。

中 500 ℃アニールで 4 桁も向上すること、675 ℃で結

それに対して細野は、無機ガラスやアモルファスカ

晶化するが、その電気伝導は１桁向上するものの、電ルコゲナイドの材料分野で培ってきた経験から酸化物

気伝導度をダイナミックレンジで俯瞰すれば、その電を透明なワイドギャップ半導体として捉え、アモル

気伝導度はアモルファスと結晶で大差ない状況であ

ファスでありながらも、異原子価金属による置換、酸ると言える。酸素中のアニールとは言え、500 ℃では

素欠陥の導入、イオン注入などの何某かの方法でキャアモルファス状態が X 線的に堅持されている一方で、

表 3.2 AgSbO3 薄膜のスパッタ作製時、酸素中 500 ℃アニール後のアモルファス相、及び酸素中 675 ℃
アニール後の多結晶相、それぞれの状態における室温でのキャリア密度、移動度、電気伝導率の値 22）144

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchそれなりに酸素欠陥が自然に導入されてキャリアを生ス Cd2GeO4 の場合には、イオン注入により 10 ～ 11

成し導電性が大きく向上したものと思われる。加え桁も劇的に導電性を向上させられることがわかった。

て、導電メカニズムとしては、Ag の 4d 5s あるいは、企業に長年籍を置いていた筆者の経験ではあるが、イ

6

Sb の 4d 5s と O の 2p との反結合軌道による寄オン注入の実験は通常シリコン系専用として利用され与の可能性が高いと推察された。この安川の実験デー

ることが殆どであり、チャンバーに入れるだけで酸化タを表 3.2 に示すが、そのデータの本質を、細野は眼物等のサンプルは汚染源とみなされるため、半導体を力鋭く即座に汲み取り、今後の重要な探索研究の主要扱う民間企業ではイオン注入の管理部門からの承認を課題に据えたものと考えられる。

得ることは極めて困難と思われる。そういった環境下

+

5+

10

0

2−

10

0

細野が AgSbO3 のデータで触発されたように、研においても、イオン注入に精通した研究者と協調して究室のボスであった川副も当然ながら「ある材料」

研究を遂行させたことは、実に意義深く感じる。細野の論文に接し、アモルファス酸化物への導電性賦与

らのデータは、表 3.3 に示すようにキャリア導入によという構想に本腰を入れたようである。それは川副り劇的に導電性が向上していることがわかる。

に よ れ ば「CdO・SiO・
2 Na2O フ ォ ト ク ロ

その導電メカニズムに関しては、Cd2+ の 4d105s0 あ

ミックガラスの光伝導」について記された論文 150）をるいは、Ge4+ の 3d104s0 と O2−の 2p6 との反結合軌道に知った時とのことである。それを受けて川副・細野研よる寄与と推察され、また光学的なバンドギャップも究室としては AgSbO3 に次いで第 2 弾となるアモル

AgSbO3 よりも大きな 3.4 eV と見積もられた。この 2 例

ファス Cd2GeO4 系（本来であれば、論文表記に沿ってによって、後述する（n-1）d10ns0 という電子状態が極め

のコラム

121）

2CdO・GeO2、あるいは Cd-Ge-O と記すべきであるが、て重要であることが確実視されていったと考えられる。

本書では AgSbO3 に習う形で母結晶のスピネル型構

このようにアモルファス酸化物へのイオン注入の実験造を反映した形で記す）の電気伝導性の論文 17）を発表に踏み出したことで、アモルファス透明導電性酸化物へした。その第一著者は細野であり、この細野がまとめの確かなステップを登り始めたように思われる。そしてたアモルファス Cd2GeO4 に関する論文によって、川この２つのアモルファス物質の導電性の研究結果は、川副をはじめ多くの研究室メンバーにアモルファス酸化

副、細野らの設計指針と方向性の正しさを勇気づける

物半導体研究の重要性が伝わったのではないかと推察結果になり、研究室全体も大きく動き出したと言える。

する。アモルファス AgSbO3 の場合は、ポストアニー

その後この研究は、鳴島らに引き継がれて行った 18）-20）。

ルによる酸素欠陥導入により、アモルファス状態を維さらに同様な研究が Cd2PbO4 に対しても遂行され、持したままその導電性は 4 桁向上したが、アモルファ

アモルファス導電性物質の仲間入りを果たした 24）。

表 3.3 アモルファス Cd2GeO4 薄膜のスパッタ作製時、及び Li＋、H＋をイオン注入した際のそれぞれの状態における室温でのキャリア密度、移動度、電気伝導率の値 17）

表 3.4 アモルファス Cd2PbO4 薄膜のスパッタ作製時、及び 250 ℃熱処理後のそれぞれの状態における室温でのキヤリア密度、移動度、電気伝導率の値 24）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

145

表 3.4 に示すように、スパッタで成膜したままの状態でも導電率は 180 Scm−1 と非常に高く、キャリア密度も 1×1020 cm−3 もあり、移動度は、9 cm2/Vs であった。アモルファス状態を維持している 250 ℃までアニールすると、導電率もキャリア密度も as-depo 膜の値よりもそれぞれ 2 倍程高くなった。酸素欠陥導入による効果と思われる。判り易く伝えると、この電気伝導率の値は金、銀、銅などに比べればまだ 5 桁低い値
だが、普通の無色透明なガラスに比べれば 10 桁を遥かに超えるほど導電性が良くなっている値である。
このように特に、a-AgSbO3、a-Cd2GeO4、a-Cd2PbO4という 3 種のアモルファス酸化物へのキャリアドーピ
ングで大幅に導電性を向上させられること、即ち制御できることに、細野は間違いなく自身の「作業仮説」
への確証を得たはずである。
その数年後、細野は a-Cd2GeO4 薄膜について、Ｘ線
動径分布関数を測定し、それをリバース・モンテカルロ（RMC）法で解析し原子配置を決め、クラスター計

図 3.2 アモルファス Cd2GeO4 に対するリバース・
モンテカルロ（RMC）解析で抽出された Cd-Cd 原子
相関モデル
モデルは実際の RMC 解析で使用された空間の 1/8 のサイズ。隣接する Cd-Cd 間の距離が、Cd2+ イオン半径の倍（0.36 nm）以内の場合には、その Cd-Cd 間を実線で結んである。3 次元パーコレーションの電子伝導通路が空間全体に形成されていることがわかる。左下のハメ込み図は結晶の場合。（細野教授のご厚意で、文献（20）の図を参考に改訂して頂いたものを記載）

算から電子状態密度（DOS）を計算すると共に、正逆光電子分光の解析も同時並行で実施した 20）。ここにこの研究成果は、透明アモルファス酸化物半導体の「正」の光電子分光は占有状態の電子状態密度を測る「作業仮説」あるいは「設計指針」を、科学的根拠に

紫外光電子分光（UPS）であり、「逆」は伝導帯の電子基づいて実証したものと言える。前述の 3 種のアモル状態密度を測定する手法である。計算から導き出されファス物質の発見から数年間をかけて、正逆の両光電

た DOS と正逆光電子分光で測定された DOS とを比較子分光法を駆使してアモルファス酸化物半導体の本質することで、n 型伝導を担っている伝導帯の底が主にに迫った重要な意義ある研究成果である。

Cd5s 軌道から構成され、かつその Cd5s 軌道が３次元的に繋がっていることを明示した。この研究成果に関連する主要な 2 つ図をそれぞれ図 3.1 と図 3.2 に示す。

3.1.7

全アモルファス酸化物系 pn 接合の創製

この時期には、同時並行的に幾種もの物質の半導体特性の確認が行われており、その一つがアモルファス
で p 型電気伝導を示す ZnRh2O440）-42）, 62）であり、もう一つが n 型のアモルファス InGaZnO479）, 80）であった。
細野グループの鳴島暁 151）らは、独自の材料設計指針
により、初めての p 型伝導性アモルファス酸化物であるアモルファス ZnRh2O4 の作製に成功した 62）。但しこのアモルファス酸化物は、アモルファスでありながら局所的に RhO6 の稜共有構造を持ち、そのため
d-t2g 型の電気伝導体と考えられた。スパッタ法により作製したアモルファス ZnRh2O4 の導電率は 2 Scm−1
程あり、バンドギャップは 2 eV 程度であった。
このアモルファス a-ZnRh2O4 が p 型であったこと

図 3.1 アモルファス・クラスターに対して計算された電子状態密度（DOS）、およびアモルファス
Cd2GeO4 の正逆光電子分光で測定されたスペクトルと各原子の電子軌道のガウシアン分布を仮定しての分離状況（破線）（細野教授のご厚意で、文献（20）の図を参考に改訂して頂いたものを記載）

146

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchから、細野グループは n 型のアモルファス酸化物としてすでにこの段階で研究実績のあった a-InGaZnO4 を用いて pn 接合を作製した 62）。ここで n 型物質として
a-InGaZnO4 を選んだ背景には、研究室で最も慣れていた系であり、特性も安定して作製できていたことが理由と想像する。あるいは、もうすぐこの材料でのトランジスタの実証実験を行うということがすでに細野成功した。その構造と典型的な特性を図 3.3 に示す。

の構想スケジュールにあり、事前チェックの意味合い

アモルファスの素子は室温成膜が可能であることかもあったのかもしれない。pn 両相共にアモルファス酸

ら、接合界面にとっても拡散が発生し難いというメ化物であることから、接合界面の電子的なバンドの急リットが本質的に生まれたものとも考えられ、アモル

峻性が気になるところだが、ガラス基板上に、［Au/

ファス相を利用する大きな利点にもつながったはずで

p-ZnRh2O（300nm）/n-InGaZnO（300nm）/ITO］なる
4
4ある。いずれにしても世界初の全アモルファス酸化物

pn 積層膜を作製、事前にそれぞれの電極とのオーミッによる pn 接合ダイオードの実証であり、正に画期的

ク性の確認を済ませた後、3 桁の整流比を出すことにな意義ある研究成果である。
図 3.3 全アモルファス pn 接合の主要な研究データ（a）全 ア モ ル フ ァ ス p-ZnRh2O4/n-InGaZnO4 ヘテロ接合の構造（b）フレキシブルなプラスティック
基板上に作製した全アモルファ
ス pn 接合素子の外観写真（c）pn 接 合 の 電 流 - 電 圧 特 性。 挿入図は電流側を対数表示させたもので、V= ± 5 V で電流オン・オフ比（整流比）は 3 桁 62）。
（なおこの 3 図は、細野教授のご厚意で、文献（62）の図を参考に改訂して頂いたものを記載）

コラム：この時期に見出された酸化物半導体のその後の研究展開状況
この 1992 年～ 2002 年の 10 年間で見いだされた導電性酸化物や酸化物半導体のその後の展開に関して、筆者が興味深いと感じた論文等を箇条書きの形で以下に簡潔に紹介する。
●MgIn2O4 系：
元・分子研で、現在株式会社リコーの研究者である植田尚之は、その後も継続して、本材料系の研究を継続発展させており、MgIn2O4- TFT を作製している 1）, 2）。その他の研究機関からも、トランジスタ関連の論文などの報告がなされている 3）, 4）。
●β- Ga2O3 系：
この材料系が非常に広いバンドギャップを有していることや光伝導性があることは、1965 年の Tippinsの論文に報告されている 5）。それに対して上記のように、細野グループは植田尚之（2 報：本章文献番号
31 と 32）、折田政寛（3 報：本章文献番号 33、34、35）と技術継承し、その後 2006 年に当時大学院生のop= 4.9 eV）を用いた透明電界効果トランジスタについて、2 報が発表されてい松崎功佑からβ- Ga2O（
3 Eg
6）, 7）。材料は Sn ドープ系を選び、加えてここでは従来の YSZ 基板からα-Al2O（サファイア）基板にる
3
変え、基板温度と酸素分圧制御にも気を配り、ヘテロエピタキシャル成長技術をベースに電界効果トランジスタを作製している。但し移動度は 0.05 cm2/Vs 程度に留まった。
その後、情報通信研究機構［NICT］の東脇正高により、基板自体を同じβ- Ga2O3 にすることで、極めて高耐圧を有する特徴のあるトランジスタとして、大きく展開してきている。関連する論文 8）-10）と諸情
報 11）-14）をいくつか示すが、本系統化調査での紹介はここまでとする。細野グループによって蒔かれた種が、NICT の東脇によって大きく開花した好例と言える。
● ZnGa2O4 系：
この材料系は、p 型のワイドバンドギャップ酸化物半導体として、太陽電池などの分野での応用研究が活発になされているほか、光触媒としての応用例もあり、少しずつ盛り上がりを見せており、興味ある数例の論文がある 15）-17）。
● AgInO2 系：
この材料系では光触用媒微粒子としての研究がなされているようだが、際立った展開とまでは至っていない 18）, 19）。一方、水熱合成によって（00l） ファセットで構成された平均幅約 300 nm、厚さ 70 nm の均
一な AgInO2 の六角形ナノプレートの形成が合成されており、不純物イオンとして気になるカリウムイオンは含まれていない微粒子とのことで、興味深い研究成果である 20）。

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

147

参考文献
1）

 由希子、曽根雄司、松本真二、安部美樹子、中村野有希、植田尚之、山田勝幸：「酸化物半導体 MgIn2O4を用いた新規な電界効果型トランジスタと置換ドー
ピ ン グ 効 果 」, Ricoh Technical Report. 37, 38-43（2011）.
2） 平野由希子、草柳嶺秀、新江定憲、早乙女遼一、曽根雄司、松本真二、中村有希、安藤友一、植田尚之、
山田勝幸：「（招待論文）独自の塗布型材料を用いた
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3） J ian Ke Yao, Fan Ye and Ping Fan： “Opticaland electrical properties on In 2MgO 4 thin film fortransistors”, Opt. Mater. Exp., 8, <11>, 3438-3446（2018）.
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Buffer Layer” , Coating, 10, 1261（2020）.
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Photoconductivity in the Band Edge of β-Ga2O3” ,Phys. Rev. 140, <1A>, A316-A319（1965）.
6） K osuke Matsuzaki, Hidenori Hiramatsu, Kenji
Nomura, Hiroshi Yanagi, Toshio Kamiya, Masahiro
Hirano and Hideo Hosono： “Growth, structure andcarrier transport properties of Ga2O3 epitaxial film
examined for transparent field-effect transistor” ,Thin Solid Films, 496, 37-41（2006）.
7） Kosuke Matsuzaki, Hiroshi Yanagi, Toshio Kamiya,
Hidenori Hiramatsu, Kenji Nomura, Masahiro
Hirano and Hideo Hosono: “Field-induced current
modulation in epitaxial film of deep-ultraviolet
transparent oxide semiconductor Ga 2O 3” , Appl.
Phys. Lett. 88, 092106（2006）.
8） M asataka Higashiwaki, Kohei Sasaki, Akito
Kuramata, Takekazu Masui and Shigenobu
Yamakoshi： “Gallium oxide （Ga 2 O 3 ） metalsemiconductor field-effect transistors on singlecrystal β-Ga2O3 （010） substrates,” , Appl. Phys.
Lett., 100, 013504（2012）.
9） Man Hoi Wong, Chia-Hung Lin, Akito Kuramata,Shigenobu Yamakoshi, Hisashi Murakami, Yoshinao
Kumagai and Masataka Higashiwaki： “Acceptor
doping of β-Ga2O3 by Mg and N ion implantations” ,Appl. Phys. Lett., 113, 102103（2018）.
10） M a n H o i W o n g , K e n G o t o , Y o j i M o r i k a w a ,Akito Kuramata, Shigenobu Yamakoshi, Hisashi
Murakami, Yoshinao Kumagai and Masataka
Higashiwaki： “All-ion-implanted planar-gatecurrent aperture vertical Ga 2O3 MOSFETs with
Mg-doped blocking layer” , Appl. Phys. Exp., 11,064102（2018）.
11） 酸 化 ガ リ ウ ム に よ る パ ワ ー デ バ イ ス 開 発 国 立 研
究 開 発 法 人 情 報 通 信 研 究 機 構 未 来 ICT 研 究 所

3.2 エピタキシャル成長技術の基盤構築と反応性固相エピタキシャル成長法
3.2.1

148

酸化物エレクトロニクス

東脇正高氏に聞く
https://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/10-9innovation/32.html（2022.08.21 閲覧）
12） 極 限環境で利用可能な無線通信向け酸化ガリウム
トランジスタを開発 ～優れた高周波デバイス特性を有し、世界最高の最大発振周波数 27GHz を達成～ https://kyodonewsprwire.jp/prwfile/release/
M101990/202012168689/_prw_PR1fl_6P4yeKV4.pdf（2022.08.21 閲覧）
13） 福田昭のセミコン業界最前線 パワーデバイスで健闘する日本の半導体企業
h ttps://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/
semicon/1219080.html（2022.08.21 閲覧）
14） 福田昭のセミコン業界最前線「オールジャパン」で実用化を急ぐ「酸化ガリウム」の研究開発
h ttps://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/
semicon/1221460.html（2022.08.21 閲覧）
15） Ekaterine Chikoidze, Corinne Sartel, Ismail Madaci,
Hagar Mohamed, Christele Vilar, Belén Ballesteros,
Francisco Belarre, Elena del Corro, Pablo ValesCastro, Guillaume Sauthier, Lijie Li, Mike Jennings,
Vincent Sallet, Yves Dumont and Amador PérezTomás： “p-Type Ultrawide-Band-Gap Spinel ZnGa2O4:  
New Perspectives for Energy Electronics” , Cryst.
Growth Des., 20, <4>, 2535–2546（2020）.
16） Mu-I Chen, Anoop Kumar Singh, Jung-Lung Chiang,
Ray-Hua Horng and Dong-Sing Wuu：“Zinc Gallium
Oxide—A Review from Synthesis to Applications” ,Nanomaterials, 10, 2208（2020）.
17） M asanori Takemoto, Yasuaki Tokudome, Soichi
Kikkawa, Kentaro Teramura, Tsunehiro Tanaka,
Kenji Okada, Hidenobu Murata, Atsushi Nakahiraand Masahide Takaha shi： “Impart ing CO 2
reduction selectivity to ZnGa 2O 4 photocatalysts
by crystallization from hetero nano assembly of
amorphous-like metal hydroxides” , RSC Advances10（14）, 8066-8073（2020）.
18） M ehdi Mousavi-Kamazani, Zabihullah Zarghami,
Farshad Beshkar and Kourosh Motevalli：” AgInO2
Nanoparticles: Novel Solvent-free Synthesis,
Characterization and their Visible Lightinduced
Photocatalytic Activity” , Inorg. Nano-Metal Chem.,
47, <12>,（2017）.
19） Xiangchao Zhang, Difa Xu, Yanrong Jia and Shiying
Zhang： “Fabrication of metal/semiconductor
hybrid Ag/AgInO2 nanocomposites with enhanced
visible-light-driven photocatalytic properties” , RSC
Advances, 7, 30392（2017）.
20） T . V. Beatriceveena, A. Sree Rama Murthy, S.
Murugesan, E. Prabhu and K. I. Gnanasekar：“A Factorial Design Approach for Hydrothermal
Synthesis of Phase Pure AgInO2 – A Parametric
Optimization Study” , Ange. Chem.Int. Ed., 132,<6>, 2261-2265（2020）.

ち、酸化物エレクトロニクス 152）の中で、最もその技術が向上したエピタキシャル成長技術である。
高温超伝導酸化物の基礎研究が隆盛した時代に、反応性蒸着法を駆使して当時としては高品質なエピタキ

最も結晶の特徴が活かせる単結晶薄膜化技術に関し

シャル成長薄膜（以後、簡潔にエピ膜と略記）を創製ても、細野研究室は腕を磨いてきたと言える。すなわ

した京都大学化学研究所の坂東尚周と寺嶋孝仁の研究

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

チーム 153）-156）、in-situ での成膜モニタリングを可能に

業団（現、科学技術振興機構［JST］）の ERATO「細した反射高速電子線回折（RHEED）を広めた名古屋大

野透明電子活性プロジェクト」に太田裕道と折田政寛

学の一宮彪彦らと、その RHEED と融合した形の 2 名の参画を得ている。その頃の最初期の研究テーで元素分析も同時解析できる RHEED-TRAXS を開発

マが、パルスレーザーデポジション法（PLD 法）によした東京大学の井野正三

161）、そしてエピタキシャル

る YSZ 単結晶基板上への ITO 薄膜のエピタキシャル

成長させる単結晶基板の技術の方では、SrTiO3 単結成長であると考えられる。基板温度＝ 600 ℃で得ら晶基板の最表面処理による超平滑化の重要性を世界でれた ITO 膜の電気比抵抗値は、7.7×10−5 Ωcm と極

最初に報告した東工大の鯉沼秀臣と川﨑雅司の研究めて低く、可視域の透過率も 85% と高いものが報告

チーム 162）-164）、加えて InAs 等の化合物半導体の最表

された 47）, 48）。この ITO 膜の電気伝導率は世界最高レ

面層の構造解析に道を拓いた同軸型直衝突イオン散乱

ベルである。さらに細野グループの太田らは、再度、分光法（CAICISS）を開発した理化学研究所の青野正

YSZ 単結晶基板上の ITO エピ膜に関する報告をして和と片山光浩の研究チームと、その CAICISSいる 51）。成膜温度は 900 ℃と高いが、成膜中の酸素技術をサファイア等の酸化物単結晶基板の最表面の構分圧の制御も考慮に入れて、PLD 法で 1×10−4 Ωcm

造解析に適用し、アトミックスケールで清浄な最表面という非常に低い抵抗値を再び達成していると共構造を持つ単結晶基板を創製する技術に道を拓いた東に、Ｘ線ロッキングカーブ等から、ITO 薄膜は（100）

工大の吉本護など、当時活躍された何人かの研配向よりも（111）配向の方が結晶性が高い等の報告

究者名がすぐに記憶の引き出しから出てくる。上記しも行っている。また同時期に、重里らは MBE 装置

たエピタキシャル成長酸化物単結晶薄膜技術と単結晶を 用 い て YSZ 基 板 上 に、 ノ ン ド ー プ の In2O3 薄 膜

基板の最表面ステップ処理技術は、正に上手く嚙みと ITO 薄膜のエピタキシャル成長に関する報告をし合った歯車として機能し進化してきた、いわば日本のている 174）。数年前の重里の発表と異なる点として、お家芸的な要素の高いアトミックスケールの精緻な技

成膜手法が分子線エピタキシー法（Molecular Beam

術領域であり、今日においても酸化物エレクトロニク

Epitaxy=MBE）になっていることである。表面モルスという技術領域の基盤をしっかりと固めている技術

フォロジーは、Sn の有無で大きく異なっていることであることは間違いない。

を提示している。電気特性として、Sn-2.6 at% doping157）-160）165）, 166）167）-170）

時 で、6.5×10 20 cm-3 の キ ャ リ ア 密 度、 比 抵 抗 値 は
3.2.2

ITO 等のエピタキシャル薄膜

2×10−4 Ωcm で、ドーピング効果が 81% との報告で2 章でも述べたように透明導電性酸化物の研究であった。一方 ERATO 細野グループでは、ITO 以外

は、最も有名で実用化されている ITO 薄膜に対して、のいろいろな種類の機能性酸化物のエピタキシャル成

上記の酸化物エレクトロニクスの潮流も手伝って、元・長も試みている 50）。細野グループ全体として、透明旭硝子で現在、青山学院大学教授の重里有三らのグ

酸化物半導体のエピタキシャル単結晶薄膜化の技術をループによって、ITO のエピタキシャル薄膜化の技

計画的に一歩一歩蓄積していったことが伺える。

術報告が 1990 年代半ばに数報発表されている171）-173）。

このような透明導電性酸化物薄膜のエピタキシャ

この後ほどなくして、東工大の細野と川副は、共同

ル薄膜化技術は、重里グループや、JST-ERATO の細研究を実施している HOYA の折田政寛、及び太田裕

野グループだけに留まらず、酸化物エレクトロニク

道らと連名で、それぞれ YSZ 単結晶基板上への In2O3スの根幹的な技術潮流でもあったことから、2000 年

薄膜を過ぎた頃には国際的にも類似の研究報告がなされ、あるいは ZnO 薄膜

45）のヘテロエピタキシャ

46）

るようになってきた。例えばフランスの Jean-Marie

ル成長の論文を発表した。
無機ガラス、カルコゲナイドガラスの研究の後、新Tarascon らのグループは、ガラス基板上に PLD 法で、しいドーピング科学の実現に向けて、n 型酸化物半導In2O（ZnO）（m=2 ～ 15）なる典型的なホモロガス相
3m体、p 型酸化物半導体の創製、さらにはいくつかの新の薄膜を作製した。ガラス基板を用いているのでエピしいアモルファス酸化物半導体の研究という多岐に亘

膜にはなっていないと考えられるが、光学特性の他、る広範な研究を実施している状況下において、このよ

比抵抗の温度依存性から、m 値によらずほぼ金属的

うにエピタキシャル薄膜の研究も自身の研究室に取りな描像を示す縮退半導体的な振舞いであることと、電込む形で研究推進を図ることは極めて挑戦的であり、子移動度がｍ値の増加に伴って徐々に減少するなどのまたそのご苦労も相当あったと思われる。

報告をしている 175）。また同時期に、物質材料研究機

その後、細野は HOYA から当時の科学技術振興事

構［NIMS］の大橋直樹らのグループは、In-Zn-O 系

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

149

ホモロガス相のエピタキシャル薄膜の作製に関する報

前に、ZnO 層をわずか 2 nm ～ 200 nm の厚さで成告を行っている。ホモロガス系酸化物の基礎研究

膜（基板温度 =600 ℃）して下地層とした。この ZnOを続けてきた君塚昇等と同じ無機材質研究所に所属す

下地層の成膜技術には、事前の ZnO 薄膜のエピタ

る大橋直樹らによる研究報告であり、基板にはサファ

キシャル薄膜の研究 45）が当然活かされている。一方

イアのｃ面を用いターゲットとしては In2O（ZnO）
3
5で NIMS の大橋らのグループ 177）, 178）は、それを『Self-と ZnO を用いている。基板温度は 600 ℃まで変えて

Buffer Layer 法（自己バッファー層法）』と呼んだ。

調査しており、ポストアニールも O2、Ar、N2 の各種

Self-Buffer Layer 法では、エピ成長前に成膜したい膜

176）

雰囲気中 800 ℃で処理されている。この酸素中のポと同じ組成の In2O（ZnO）
3
5 層を10 nm 程成膜し、チャ

ストアニールで（0021）と（0024）回折が現れて、TEM

ンバー内でその後 400 ℃でアニールして下地層を準備の電子線回折像に加えて X 線ポール・フィギュア図する手法である。なお反応性固相エピタキシャル成長

等から、成膜時だけでなくアニール処理時における酸法であるが、この興味深い手法は、細野グループの太素雰囲気の重要性が記載されており、高配向性の透明

田裕道によって考案された方法とのことである 179）。

導電膜が得られている。

反応性固相エピタキシャル成長法のプロセスを、
図 3.4に沿って簡単に説明すると、まず YSZ（111）単結晶基

3.2.3

反応性固相エピタキシャル成長法

板に ZnO テンプレート層を基板温度 600 ℃下で、2 ～このような高配向膜を含むエピタキシャル成長に関

200 nm 程の厚さで成膜する。
［Step 1］
その後室温下で、する研究報告が活況を呈している中、2002 年にホモIn2O（ZnO）［Step 2］そ3
5 相を 150 nm ほど堆積させる。

ロガス系酸化物に関するより良質なエピ膜を作製するの二層薄膜の上に別の YSZ 単結晶基板を上から蓋を被手法が、ERATO の細野グループと物質・材料研究機せるようにしてカバーする。このカバーは ZnO や In2O3

構［NIMS］の大橋直樹らのグループとから、それぞの蒸発防止の意味もある。
［Step 3］最終的に空気中れ独立に報告された。共通する技術は、エピタキシャ

1450 ℃で 30 分間程、電気炉中で熱処理する。
［Step 4］ル成長のための基板テンプレート層として、特徴的なそして室温まで冷却して電気炉から取り出してプロセ

酸化物層の極薄シード層を設けた後で、ポストアニー

スが完了となる。
［Step 5］特にこの反応性固相エピタ

ル処理するプロセス技術であり、どちらも固相反応にキシャル成長法を考案した太田は、このエピタキシャル

よる結晶化の駆動力を用いた単結晶薄膜化技術と言え化技術を丁寧に総合的にまとめて論文として紹介してる。ERATO の細野らのグループ

いる 68）, 104）。また太田は、その後 2005 年春に、第 59 回

では、

66）-68）, 73）, 74）, 76）, 104）

それを『Reactive Solid-Phase Epitaxy =R-SPE 法（反の日本セラミックス協会進歩賞を受賞した 76）。

応性固相エピタキシャル成長法）』と呼び、エピ成長

図 3.4

反応性固相エピタキシャル成長法による In2O（
3 ZnO）
5 単結晶薄膜の作製プロセス（文献（68）の図を参考に筆者作成）

150

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March一方、NIMS の大橋直樹らのグループでは、単結晶

筆者も共感を覚える。

サファイア（0001）基板上に薄さ 10 nm の In2O（ZnO）
3
5『当時はシリコンが中心にドカッと座っていたの

テンプレート層を敷き、基板温度 400 ℃でスパッタ・です。例えて言うと、シリコンは銀座。通りの 1

チャンバー内でアニールした後、その上にスパッタ法

本 1 本に名前が付いていて、番地もはっきりしてで In2O（ZnO）
3
5 ホモロガス系酸化物のエピタキシャいる。有名店もたくさんある。つまり、学問体系

ル薄膜 500 nm を作製している。面内配向性の非常にも明確になっている。そのため、研究すべきテー

高い結晶性薄膜が得られることを、Ｘ線極点図や断面マがたくさんありました。1940 年代に半導体がゲ。この大橋らによ

ルマニウムからシリコンに代わって以来、研究がる自己バッファー層法の研究成果は、細野グループに

どんどん進み、あまりにもうまくいったのでシリコよって開発された反応性固相エピタキシー法と同等なン以外の半導体を考える人が非常に少なくなりま

材料科学的な意義があると考えられ、全くの同時期でした。シリコンを中心とすれば、私たちのガラスあったことは非常に興味深い。

系アモルファス酸化物は端っこの材料でした。
』

TEM 格子像で明示している177）, 178）

この細野の 1995 年の ICAS16 での発表内容は、翌

3.3

Hosono’s Working Hypothesis（細野の作業仮説）

年 1996 年の同じ雑誌に、別の題名の「Novel oxide
amorphous semiconductors: transparent conducting
amorphous oxides」の下、3 種のアモルファス酸化物

透明、すなわちワイドギャップを有し、しかもアモ（a-AgSbO3、a-Cd2GeO4、a-Cd2PbO4 ）が新しいワイド

ルファスでも高い導電性を堅持する物質に対する細ギャップ酸化物半導体として有望であることが改めて

野の材料設計に関する作業仮説［Hosono’s Working

報告された 92）。そして 15 種類の重い金属イオンで構成

Hypothesis］ が 世 の 中 に 初 め て 伝 え ら れ た の は、される複合酸化物が、ワイドギャップ酸化物半導体を探1995 年 9 月に神戸で開催された第 16 回アモルファ

索するための重要な因子となることが再度提言された。

ス半導体国際会議［16th international Conference of

即ち、主量子数 n が 4 以上の重たい金属のイオン化しAmorphous Semiconductors （ICAS16）］ で の 発 表た際の抜けた電子軌道に球対称の s 軌道が含まれてい講演であった。その後この内容は、翌年の Journal of

ることが重要で、その s 軌道の半径は、原子番号が高Non-Crystalline Solids 誌に論文としてまとめられてい程、即ち重い元素ほど長くなるため、s 軌道の重なりいる。この発表が、透明アモルファス酸化物半導成分が多くなるので有力候補となる。その 15 種類の金

体の材料開発の原点であり出発点となったことは間属元素のイオンの電子配置は図 3.5 に示す通りである。

91）

違いない。この発表は、丁度その頃、川副・細野研
究室では、アモルファス物質として、a-AgSbO3 22）、
a-Cd2GeO4 17）、a-Cd2PbO4 24）等という 3 種のアモルファ
ス酸化物へのドーピングによるキャリア制御の実験が同時並行して遂行されており、ほぼ間違いなくキャリ
ア・コントロールが出来ることが細野としては判断されていたため、「作業仮説（Working Hypothesis）」というタイトルで発表されたものと推察される。実際には透明アモルファス酸化物半導体の探索条件の確定と同値であると筆者は考えている。
その国際会議でのオーラル・プレゼンテーション
での反響は、アモルファスシリコン全盛の中ということもあり、それに替わるようなアモルファス酸化物系（ガラスという古い固定観念も含めて）の新規な半導体材料などに対する聴講者の反応は殆ど興味が無かったということである。細野のこの苦い思い出に関しては、いくつかのインタビュー記事や企業の技術ジャーナル等に記載がある 180）-183）。そのインタビュー
記事 180）の中にある細野の以下のたとえ話の文章に、図 3.5候補となる 15 種類の金属イオンの電子配置

電子配置の（ ）内は最外殻の p 軌道からの電子の抜けを意味しているが、実際には同じ最外殻の軌道の大きな s 軌道が大きな
軌道の重なりを支配していると考えられることから、（ ）内の表示とした。

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～151

この細野の作業仮説は、非常に直観的に理解し易い

上述した通りであるので、①のホモロガス結晶相の経緯ものであり、実際の実験結果を俯瞰して見つめ直してについて、2 章でも触れているが再度考察しておきたい。

みると、「なるほど」と思われる材料設計である。そこの InGaO（ZnO）
3m 系結晶の物質科学としての研れを筆者なりの理解で箇条書きにまとめてみると以下究がなされたのは、当時無機材質研究所に在籍されの通りである。

て い た 君 塚 昇 で あ る。 こ の InGaO（ZnO）
3m 系結晶の結晶構造化学的な研究論文が少なくとも 5 報はあHosono’s Working Hypothesis［細野の作業仮説］◎酸 化 物 を 構 成 す る 酸 素 は、 価 電 子 帯 上 部（VBM）を構成する酸素の 2p 電子軌道のエネ
ルギー準位が低いため、酸化物は総じてバンドギャップが広がる傾向にある。即ち透明な波長領域が拡張されることが期待されることから酸化物が有力候補であること。
◎高 い電子移動度を堅持するためには、伝導帯下端（CBM）を構成する重金属イオンのs 軌道間の重なりが十分あり、アモルファス
化しても、s 軌道の空間的な広がりによる重なり部分への影響が鈍感と予想されることから、重金属イオンの s 軌道の寄与が極めて重要であること。図 3.6 参照。

る 184）-188）。君塚らは純粋に物質科学に徹しており、物質の構造を同定し、世の中に InGaO（ZnO）
3m 系結晶相が存在することを明示したが、当時の論文には物性評価に関する研究結果は殆ど認められない。
一方、名古屋大学教授の河本邦仁は、熱電変換材料の開発において次元性の高い材料探索をしていた経緯から、君塚らの一連の物質科学的な研究成果に注目して、1996 年と 1997 年にホモロガス系酸化物の熱電評価の研究を始めて発表した 189）, 190）。その最初の論文の第一著者が、数年後に ERATO に参画することにな
る太田裕道である。この 2 報とも典型的なホモロガス相であり、Ga を含んでいない In2O（ZnO）
3
m の多結晶体とスパッタリング薄膜に対する報告であり、電気伝導率やゼーベック係数などが調査された。当然ながらその論文には、君塚らの論文も引用されている。
1996 年 3 月に太田は名古屋大学博士前期課程（修士に相当）を修了し、民間企業の研究所に就職し、1998
年 1 月に HOYA 株式会社 R&D センターに再就職している 191）。その後、どういった経緯があったのかは不図 3.6

広がった球対称の s 電子軌道の様子

格子が乱れても、広がった球対称の s 軌道であれば、ある程度軌道の重なりが残留するため、電子の移動度に大きな悪影
響を及ぼさないと想定される。
（細野秀雄教授のご厚意による）◎ア モルファス形成の上で、単純酸化物より
重金属元素を複数含む複酸化物の方がより好ましいこと。
◎上記の条件を満たす材料として、(n-1)d10ns0

> 4)
(n =

 いう電子配置を有する重金属カチオンかとらなる金属複酸化物が好適な有力候補物質である。

明だが、無機材質研究所の君塚と共同研究を実施しており、共著論文も 2 報発表している 192）, 193）。しかしその共同研究のテーマは、いずれもホモロガス系に近い
In-Fe-Ti-O の多元系物質ではあるが、透明導電性物質を連想させる物質ではない。ここからは筆者の勝手な想像であるが、民間企業である HOYA としては、会社の主戦領域であった透明導電性材料でのコンタミを防ぎながら、ホモロガス系物質に造詣の深い君塚の材料研究者としての高い技術センスを会社内で活かした
いというような期待があったのではないかと考える。
なお HOYA と君塚の共同研究成果の 2 報の論文の共著者には、太田と同様に HOYA から ERATO プロジェ
クトに参画（出向と思われる）した折田政寛もいること

3.4

152

エピタキシャル結晶ホモロガスInGaO（ZnO）
3m
薄膜のトランジスタ化へ向けて

は、技術の流れと変遷を考える上で、とても興味深い。
また、徳島大学の森賀俊広はノースウエスタン大学に留学中に訪問先の教授のポッペルマイヤーと協

ここで、Science 誌発表の直前における細野プロジェ

働して、次世代透明導電性物質の視点で 1998 年とクトの動きと、それに至る技術の流れを、筆者の推測も1999 年にホモロガス系多結晶の電気伝導率と光学的含めて考察する。Science 誌の技術は、①ホモロガス結な測定を実施し論文報告している 194）, 195）。1998 年は晶相：InGaO（ZnO）
3
m を用いたこと、②反応性固相エ

In2O（ZnO）
3
m 系であり、1999 年は InGaO（ZnO）
3m 系

ピタキシャル成長法の 2 つが重要技術である。後者はである。特に後者の InGaO（ZnO）
3
m 系多結晶に関する

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March論文 195）は、m>1 のホモロガス InGaO（ZnO）
3
m 系でのさて、ERATO 細野プロジェクトでは、HOYA か

初めての電気物性を評価した論文であり、非常に有益ら参画していた折田政寛が古巣の HOYA に戻ったタな情報が内在していると考えられるが、2003 年に発表

イミングで博士後期課程の野村研二が新規参画した。

した細野らの Science 誌の論文には、森賀の論文は引

野村は 2002 年には、In2O（ZnO）
3m 単結晶について論用されていない。これは恐らく、この時期が ERATO

文発表し 66）、翌 2003 年には、InGaO（ZnO）
35 単結晶

発足時期と重なっていて、東工大エリアとは別の場所

薄膜の電界効果トランジスタの作製について報告しに研究拠点を探さないといけない（実際に ERATO 時ている 67）。前者は細野プロジェクトの太田の考案に

代は、神奈川サイエンスパークを研究拠点としていた）よる反応性固相エピタキシャル成長法 68）, 73）, 74）, 76）, 104）など、事務的な膨大な作業が発生していたことの他に、を用いて、YSZ（111）基板上に In2O（ZnO）
（001）
単
3
5

n 型、p 型、それにアモルファスと、極めて多くの研結晶薄膜を得たものである。後者の MRS 会議での発究課題を推進していたため、単純にこの文献の存在に

表では、Science 誌とほぼ同様の InGaO（ZnO）
3
5 単結

気がつかなかったものと筆者は推察する。その一方で、晶薄膜のトランジスタ特性に関する内容だが、そのInGaO（ZnO）（m>1）の電気特性を初めて
3m 系多結晶時の記載では移動度はわずか 2 cm2/Vs に留まってい報告したこの森賀の論文 195）の参考文献には、1995 年た。理由の一つは、ゲート絶縁体層としてアモルファに HOYA の折田が透明導電性酸化物として発表した

スの Al2O3 膜を使用したためと思われるが、関連す

InGaZnO4 に関する論文は引用されていない。ひょっ

る論文 70）で、InGaO（ZnO）
3
m のｍ値を増加させると、としたら、InGaZnO4 結晶は YbFe2O4 型結晶構造であ

移動度も増加し、m=1 から m=10 で電界効果移動度

り、ホモロガス構造の一系列という概念が当時はまだは、1 ～ 10 cm2/Vs と比例して増加することが報告無かったため引用されなかったのではないかと筆者はされた。さらに野村は単結晶 InGaO（ZnO）
3m の薄膜想像する。いずれにしても、参考文献の引用を 100％について電子輸送特性の温度依存性を調査しており、の形で実施するのは、どんな研究者であっても難しい

キャリア密度が 4×1018 cm−3 以上だと系が縮退化（金ことは多くの研究者の実感としてあることではないだ

属化）することを報告するなど、トランジスタへ向けろうか。

た下準備をしていることが伺える 71）。そして野村は

196）

図 3.7

Science 論文発表へ至る材料技術の系譜： 物質～材料～デバイスへの歩み
薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～153

次の報告 72）でキャリア密度が 3×1018 cm−3 以上で急半導体の候補材料となる共通する材料候補への設計指

激に移動度が上昇することに言及し、ゲート絶縁膜を針を見出していった。これが今日で言われる「細野の誘電率の高い HfO2 に替えて、移動度が 80 cm /Vs に作業仮説」［Hosono’s Working Hypothesis］である 91）。

なることも報告している。この結果が Science 誌 69）に

前節で説明した条件：（n-1）d10ns0 （n ≧ 4） という電投影されていると考えられる。InGaO（ZnO）
35 薄膜の子配置を有する重金属カチオンからなる金属複酸化物

キャリア密度制御に加え、ゲート絶縁膜をアモルファが好適なアモルファス酸化物半導体の有力候補になり

ス Al2O3 からアモルファス HfO2 に替えたことが、特得るというものである。

2性の向上に大きく寄与したものと推察される。

アモルファス酸化物半導体の材料変遷を考える際にここで、2003 年発表の Science 誌の内容に至るまで

は、アモルファスと結晶では、3.1.6 頁でも述べたよの材料技術の系譜を、筆者の視点から論文単位で描く

うに本質的に大きな違いがある。加えて導電性酸化物と図 3.7 のように描ける。

と酸化物半導体では、追求する物理の中味が大きく異なる。判り易い表現で言えば、そもそもアモルファス

3.5
3.5.1

導電性酸化物結晶のInGaZnO4からアモルファス酸化物半導体のa-InGaZnO4へと結晶ではその土俵が全く違うので、本来であればアモルファス物質の技術変遷を考える際には、結晶の材
料変遷とは一線を画すべきと筆者は考える。しかし今

導電性酸化物結晶の研究とアモルファス酸化

回は、材料という視点ではなく人材の採用という視点

物半導体の研究は全く別物

で、どうしても若干触れておく必要があると思われる

この節では、アモルファス酸化物半導体を用いたトランジスタに至る重要な技術の流れを、筆者の視点でので、筆者の推測も交えつつ、以下に丁寧に説明を付したい。

見つめていきたい。一般に、酸化物を中心とした無機材料の研究開発においては、①粉体、②多結晶（焼結体）、③多結晶薄膜、④エピタキシャル単結晶薄膜、

透 明導電性酸化物結晶としての InGaZnO4
に関する初期の基礎研究⑤単純なデバイス作製（pn 接合やシンプルなトランジ

細野が川副と共に、HOYA と共同研究 129）を開始しスタ等）と、技術が流れて行く。中にはその技術フロー始めたのは、1990 年代中頃と思われる。ITO 材料のの途中で、光触媒や新たな光電変換材料として、⑥ナ

更なる低抵抗化と脱 In 化を目差していたのだろうと想ノ粒子、さらには、⑦量子ドットへと転進する場合も像されるが、1992 年に東工大の川副と分子研の植田尚ある。しかしその中に、「アモルファス」というステー

之は、当時新しい透明導電性物質として MgIn2O4 を論

ジは殆ど無いのが通例である。すなわち、この材料科

文発表した。1）その１～２年後に HOYA の丹治らは同学の分野の世界の研究者の大半が、これまでは誰もア

じ Mg-In-O 系で論文発表 197）をしており、そのようなモルファス物質を、実用化が期待されるエレクトロニ

縁もあって恐らく 1994 年前後頃から東工大と HOYA

クス材料の有力候補として意識していなかったというは、「透明導電性酸化物の開発」という共通するテーことに他ならない。

マの下、研究者同士のコミュニケーションが醸成され、それに対して細野は、研究の初期段階から戦略的に共同研究の芽が生まれたのではないかと推察される。

「アモルファス酸化物」を意識して、研究プロジェク

そのような中、HOYA の R&D センターの折田政トを推進してきた。実に稀有な姿勢と言える。同じ分寛らによって新規な導電性酸化物 InGaZnO4 に関す野の研究者から見たら、正に「異端児」と映っても仕る論文が報告された 196）。ここでの研究のモチベー

方ないであろう。そしてこの極めてリスクの高い不可ションは、ITO 代替としての新物質探索であったと

思議な研究構想に対して、最高のプロジェクトを総括想像されるが、この材料が偶然にも、後に Nature 誌

責任者という立場と共に細野に委ねた当時の科学技術で発表されることになるアモルファス IGZO-TFT の振興事業団（理事長：中村守孝）の度量と眼力にも極InGaZnO4 と全く同じ組成系であった。材料としてはめて高い評価をさせて頂きたい。

多結晶（焼結体）であり、HOYA の研究開発の主眼は細野のアモルファス戦略ルートの実像は、これまで

明らかに可視光で透明、しかも高い導電性のある材料

述べてきたように、3 種のアモルファス酸化物半導体：開発である。これはアモルファス酸化物半導体とは全a-AgSbO3 , a-Cd2GeO4 , a-Cd2PbO4の発見で幕がく別物である。しかし同じ組成、しかも論文の第一著開けたと言える。これらのアモルファス酸化物の実験

者は、数年後に ERATO「細野透明電子活性プロジェ

結果を横に見つめながら、細野はアモルファス酸化物

クト」に参画することになる折田政寛である。そのよ

21）

154

3.5.2

17）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

24）Vol.32 2023. Marchうな理由から、この折田政寛の HOYA 時代の研究成折田の論文では透明電極としての利用を想定してい果から ERATO プロジェクトに参画した頃の研究内るため、移動度に関しては無配向での測定であること

容に触れない訳にはいかない。HOYA と東工大で共から、層状構造を有する InGaZnO4 結晶のｃ軸を配向

同研究が始まっていたとは言え、企業としても開示でさせることで大きく改善の余地があると述べられていきることと出来ないことの境界があるので、共同研究る。この際、キャリア密度の１桁向上を狙う指針とし中の両者の定例会議で、この折田の JJAP の論文

196）て、材料設計の定石である酸素欠陥の導入と高原子価の内容が議論されたのかどうかは不明である。ただ、イオンのドーピングという２通りの材料設計導入の重少なくとも細野は材料の素質をしっかりと引き出しに要性が挙げられている一方で、ITO では Sn のドーピ入れたに違いない。折田が発表した当時は、まだ同じングで電子の移動度が逆に下がるという重里と米国ブ

目標（透明で導電性向上）に向かって進んでいたのでラウン大学のペインとの共同研究結果 200）にも言及しあろう。ここからは筆者の勝手な想像でしかないが、ている。単純なドーピング操作では格子歪による電子

ERATO 発足後の 2000 年過ぎ頃には、細野としては、散乱が懸念されるため、層状構造を有する InGaZnO4「いつかアモルファスにしてみたい」、「アモルファス

物質の導電性を向上させるには、GaZnO5/2 層にドーピであれば結晶と異なり、InO1.5-GaO1.5-ZnO の三角相図

ングを施し、電子の通路となる InO3/2 層には散乱を防を無限に調整できるので、そのプロセスの中で、単にぐ意図からドーピングしない材料設計上の工夫が必要

導電性が高いのとは異なり、好適なキャリア濃度で、であることを丁寧に議論している。この折田の材料探

ゆくゆくはトランジスタにした際にノーマリー・オ

索への姿勢は、実に正論であり、清廉な材料探索の姿フを実現しそうな材料が見出されるのではないだろう

勢が見て取れる。単に InGaZnO4 という物質の潜在能か」・・・そんなストーリーを細野は一人で脳裏に描力を頭の中の引き出しに入れる以上に、この論文の第くようになっていったのではないだろうか。

一著者である折田の材料研究者としての質の高さを細HOYA の折田が発表した JJAP 論文の中味は、野は見抜いたのではないだろうか。筆者はそう考える。

InGaMgO4 と InGaZnO4 が透明導電性酸化物の候補にさらに翌 1996 年、HOYA の折田らは物質工学工業なるであろうとするもので、特に後者の InGaZnO4 は、技術研究所（AIST の前身の一つ）と共同研究を行い、移動度 20 cm /Vs、キャリア密度 4×10 /cm との導スパッタリングによる InGaZnO4 結晶薄膜の電子物性

電性物質としては好印象の報告がなされている。このを評価している 201）。この論文の中で、水素（還元）雰

論文において折田らのグループが参考にした論文は、

囲気中熱処理温度を上昇させることで、キャリア濃

デュポン社のシャノンらが 1977 年に発表した透明導度と共に電子移動度が上昇し、600 ℃熱処理により、

電 性 酸 化 物［CdSnO3, Cd2SnO4、In2TeO6、Cdln2O4

キャリア濃度は 1×1020/cm3 に達し、電子移動度μも等］に関する結晶化学的な考察 198）と、AT&T ベル

24 cm2/Vs になることが報じられている。また、電気研究所のカバ等が発表した透明導電性酸化物 GaInO3

伝導パスには InO 層が重要との見方も示された。そに関する酸素欠陥導入と Ga サイトへの Ge ドーピンの後この電気伝導機構に関しては、京都大学の計算科

グと In サイトへの Sn ドーピングの効能に関する論学グループとも共同研究が実施されており、バンド構

文造の CBM は、結晶構造由来の InO2 層の In の 5s 軌

2

196）

19

3

、加えて東工大の川副と細野らのグループによ

199）

16）

る MgIn2O4 、CdGa2O4 、ZnGa2O4 、Cd2Sb2O7

道のオーバーラップによるもので、GaZnO2 層に関しなど多くの透明導電性物質の一連の研究成果であては、この層にドーパントを入れることで、系全体のる。これら先人の文献を参考にして、YbFe2O4 型の高い電気伝導性が期待できると結論された 202）。

1）

12）

13）

結晶構造（層状構造）を有する 4 種［＝ InGaMgO4、細野は、上記した HOYA の折田らの数報の論文か

InAlMgO4、InGaZnO4、InAlZnO4］の多結晶体（セラら、これまでの ITO では困難であったトランジスタミックス）にフォーカスして、その光学及び電気的なの用途として InGaZnO4 が有力な候補物質になり得る

基礎物性の評価を行い、表 3.5 に示す 2 種の酸化物をと感じていたと推察される。そして同時に、共同研究

透明導電性物質の有力候補とした。

をしていた HOYA の折田を新しく始まるプロジェク

表 3.5 ２つの候補物質：InGaMgO4 と InGaZnO4 の測定された物性値 196）

トに引き入れたいと思ったのではないだろうか。細野の指向するトランジスタへ向けた材料設計においては、キャリア密度はある程度あれば良く、一方で移動度の高い状態が維持されていれば良い。それに加えて In/Ga/Zn の金属元素比の微調整によって、容易に薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～155

好適なキャリアドーピングとキヤリア制御が可能にな

微鏡（TEM）の制限視野回折パターン（SAED）では、るアモルファス相の材料設計能力の幅の広さを、細野

m=1 のときのみ、拡散リングパターンとなったこと独自の設計構想の中にしっかりと描き切ったのではなから、m=1 の組成が最もアモルファス相になり易い

いだろうか。この 3 価の In と Ga 、2 価の Zn の物質と判断した。光学透過スペクトルから、m 値が 43 種の元素イオンはいずれも、候補条件である（n-1）

から 1 に行くにしたがって光学バンドギャップ（Taucd ns （n ≧ 4）を満たしている。この 3 元素の条件満Plots から求められる数値のため、Tauc Gap と呼ぶ

足状況は偶然かもしれないが、材料探索する上では、ときもある）が増加し可視透過波長域が増えること、非常に魅力的であることは間違いない。

そして他の m 値に比較して相対的に、キャリア密度

3+

10

3+

2+

0

この InGaZnO4 への細野の材料設計の発想は、アモが低くても移動度がある程度高いことが表 3.6 の通り

ルファスにした上で、キャリアをむしろ抑制方向に調示された。アモルファス性の高い物質としては、とて

整し、簡単なトランジスタ素子にして半導体特性をも高い移動度が維持されていると考えられる。

チェックしたいと考えていたに相違ない。そうだとす

一方、電気伝導率の温度依存性からは、殆ど温度

れば、これまでの多元系酸化物の材料科学では考えらに依存しないことから、いずれの m 値の薄膜も、縮れてこなかった In/Ga/Zn の金属元素比の微調整によ

退半導体的（金属的描像）であると考えられる。このるキャリアドープに関する考え方は、非常に卓越した発表では、タイトル通り導電性酸化物としての扱い

材料設計構想であったように思われる。

で、半導体としての記載は無されていない。したがって、このままでは半導体トランジスタにおけるノー

3.5.3

ア モルファス a-InGaZnO4 への研究軌道のマリー・オフは実現しないので、ゆくゆくはもっと

切り替え

数桁キャリア濃度を下げる工夫が必要だと細野は考え

そして、ERATO「細野透明電子活性プロジェク

たはずである。また翌年 ERATO の折田は、同様なト」に参画した折田政寛の初期の大きな研究成果

内容で電気伝導メカニズムに関する考察で、Zn の 4sが、2000 年 4 月 に 米 国 サ ン フ ラ ン シ ス コ で 開 催 さ

軌道が重要な役割を演じているとする論文を発表しれた MRS 春季シンポジウムでの発表である。こた 80）。上記 MRS シンポジウムでも伝導機構として、の国際会議のセッション「Symposium U‒Materials

スレーターのイオン半径などの考察から、In3+ よりもScience of Novel Oxide-Based Electronics」 に お い

Zn2+ の寄与が大きいとの記載が認められるが、このて、ERATO 細野プロジェクトの新メンバーとなった

論文 80）では、Abstract の最後の一節に、「The present

79）

折田からの「U5.23 “Properties of a Novel Amorphoussystem is the first amorphous oxide semiconductor inTransparent Conductive Oxide, InGaO（ZnO）
3m”」 と

which Zn 4s orbitals form the extended conduction

いう研究発表が、2004 年の Nature 誌に直結する重要

band」との記載があり、Zn の 4s 軌道が電気伝導に大な起点になったものと筆者は考える。

きな役割を演じるアモルファス酸化物半導体として最この発表者の中には、HOYA から同時に ERATOに参画した太田裕道も含まれていると同時に、東工大

後述の 5 章でも記す内容だが、HOYA 時代に、結を退官された川副が HOYA の R&D センターの所属晶で導電性酸化物を目指していた折田政寛に、「透明として記載されており、発表者の構成という点でも電子活性プロジェクト」という広範な物性機能をイ

大変興味深い。InGaO（ZnO）
3m において、m ≧ 5 でメージするタイトルの中で、結晶ではなくアモルファ

X 線回折のピークが生じ結晶性になる一方で、m ≦ 4

スに、そして物性・機能としては、導電性を追究する

で X 線回折的にはハローを示し、さらに透過電子顕のではなく半導体を目指すという大きな軌道修正が行

表 3.6

156

初の報告と結論付けている。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

79）
アモルファス InGaO（
3 ZnO）
m 薄膜の光学および電気的な特性

Vol.32 2023. Marchわれた。この新たな研究構想の説明を受けた折田は、してくるので、継続的な解析研究の発展を期待したい。

結晶とエピタキシー、それに導電性向上という路線で積み重ねてきた経験が、今後のテーマの中でどう活か

3.5.4

ア モルファス a-InGaZnO4 のキャリア濃度抑制へ転換せるのか戸惑ったのではないだろうか。一方、新設した ERATO プロジェクトの研究構想の説明を行った話を戻して、その後アモルファス InGaZnO4 が論文

細野は、主力メンバーの折田と太田に、半導体開発のに登場してくるのは、全アモルファス pn 接合の創製重要性とその意義を十分に理解してもらうために、丁の場面である 62）。前項で詳細を記しているが、室温寧に説明したであろうと推察する。両者にとっても、で成膜した a-InGaZnO4 薄膜（Eg=3.0 eV）の電気伝導ERATO プロジェクト開始後間もない時期での大きな率は 1.4×10− 1  S/cm、キャリア密度は 4.2×1016 cm−3、ハードルであり決断であったに相違ない。

移動度は 21 cm2/Vs であった。ここで注目すべき箇

ところで、電気伝導のメカニズムについて、少しだけ所は、キャリア密度である。以前の 2 つの報告 79）, 80）

触れておきたい。HOYA 時代の折田の論文 196）, 201）, 202）ででは、キャリア密度がいずれも 0.77×10 20 cm−3 であは、結晶 InGaZnO4 の電気伝導の主役は In3+ の 5s0 軌

り、しかも電気伝導率の温度依存性から縮退化して道と考えられていた訳だが、ERATO 参画後の折田のいた。つまり、鳴島による全アモルファス pn 接合作

アモルファス InGaZnO4 を扱った 2 つの論文

では、製時には、a-InGaZnO4 相のキャリア密度を明らかに

Zn の 4s 軌道と考えられるという記載になっている。

3 桁程大きく下げている。後に細野研究室の神谷利夫

結晶は周期的な構造を有しているので、周期的構造でより、トランジスタ動作に好適な条件（熱処理ナシのはないアモルファス材料の電気伝導のメカニズムが変場合の条件）としてキャリア密度は 10 12 ～ 10 15 cm−3、

わっていても不思議ではない。実験畑以外に経験が無電気伝導率は 10−6 ～ 10−3 S/cm という解説 209）がなさい筆者などは、In3+ でも Zn2+ でも、あるいは Ga3+ でも、れているが、当時の細野研究室内では、アモルファ

3 種の金属カチオンであればどの元素のイオンでも、「細ス InGaZnO4 薄膜の調整条件（成膜中の酸素分圧の制野の作業仮説」の条件を満たしているので、伝導帯下

御）は、用途毎にレシピ化された形で進められてい端に寄与している元素イオンの軌道の種類はあまり気たのではないかと想像する。恐らくキャリア密度がにならない。ただ材料科学・固体物理の視点では、電10 16 cm−3 レベルであれば、pn 接合の素子としては十気伝導の主たる担い手を議論することはサイエンティ

分であったものと思われる。実際このキャリア密度

フィックには非常に重要であることは間違いない。

への抑制制御は、2004 年の Nature 誌 81）でのアモル

2+79）, 80）0

その後 2007 年に細野グループの野村らは、拡張 X

ファス a-InGaZnO4 相の電気伝導率は 10−5 S/cm 以下

線吸収微細構造分光測定［EXAFS（Extended X-ray

で、キャリア密度も 10−14 cm−3 以下で調整されており、Absorption Fine Structure Spectroscopy）］と第一原

明らかにオフ電流の低減とオン・オフ比を十分得るた

理計算［ ab-initio Calculations］を用いた伝導帯下端

めのチャネル層への要求仕様であったと考えられる。

の電子キャリアについて詳細な解析を再度実施して、逆説的には、a-InGaZnO4 という酸化物は、極めて広アモルファスでも短距離空間における構造の秩序性のいダイナミックレンジで、そのキャリア濃度を調整し残存などにより、電気伝導の主役は、結晶と同じ In得る能力を有している逸材だったとも言える。このア3+。この電気伝導メカ

モルファス a-InGaZnO4 という逸材を発掘したのは、ニズムに関する課題は、世界の研究者にも大きなモチリーダーであった細野は勿論だが、当時の ERATO

ベーションを与えたようで、透明導電性酸化物の計算

プロジェクトの折田政寛、野村研二、太田裕道、そし科学を自身の主たる研究領域としている米国ミズーて神谷利夫ら多くのメンバー達のマテリアル・サイエ

リ工科大学教授の J. E. Medvedeva らは、2007 年頃

ンスへの熱意に溢れた継続的な努力があったからであ以降今日まで、透明導電性酸化物、あるいは透明酸化ろう。

の 5S によるものと報告された
087）物半導体に関する伝導キャリアに関する継続的な報告が精力的になされている

このようにして細野プロジェクトとしては、a-InGaZnO4。詳細は原著論文に委薄膜のキャリア濃度を調整することで、電気伝導におねたいが、InGaZnO4 では、キャリアが導入されるとす

ける縮退状態を十分回避できるプロセスを確立し、本ぐに縮退状態になり、伝導帯の電子輸送は、InO1.5 層と来の目的である薄膜トランジスタのチャネル層として

GaZnO2.5 層の両層からの寄与によると想定されるといの用途へ向けた階段を着実に上っていったと考えられう伝導メカニズムの記載もあり興味深い。この課題る。ここで、4 章、5 章で述べる 2004 年発表の Natureは本質的にアモルファスの構造的な状態にも大きく関係誌の内容に至るまでの材料技術の系譜を、筆者の視点

203）-208）204）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

157

図 3.8Nature 論文発表へ至る材料技術の系譜： 物質～材料～デバイスへの歩み

膜時の酸素分圧とキャリア濃度の重要な相関関係

から論文単位で描くと図 3.8 のように描ける。
この 2004 年の Nature 誌における発表内容の詳細

158

図、キャリア密度とホール移動度の関係図、さらにやその意義は 5 章に記すが、ある意味で、1995 年のホール移動度の温度依存性の図など、アモルファス

アモルファス半導体国際会議 91）において自らに科し

a-InGaZnO4 に関する多くの物性測定の結果が開示さてきた宿題をしっかりとやり遂げた形となった訳でれた。In2O3-Ga2O3-ZnO の三角相図は 5 章で示すが、ある。殆ど興味を持ってもらえなかったあのアモル

その他の３つの図をそれぞれ図 3.9（a）（b）（c）に示す。

ファス半導体国際会議から 10 年ぶりの 2005 年に、ポこのアモルファス a-InGaZnO4 材料系の特徴は、図ルトガルのリスボンで開催される第 21 回アモルファ

3.9（a）でわかるように成膜時の酸素分圧調整で少なくス半導体国際会議（21st International Conference on

とも 5 桁以上キャリア密度を制御できることに加え

Amorphous and Nanocrystalline Semiconductorsて、同図（b）に示したようにキヤリア密度の増加と共［ICANS］）の基調講演の依頼が細野の手元に届いたに、ホール移動度も増えることであり、この物性評ときには、さぞ嬉しかったに相違ない。その基調講価の詳細は、細野グループの高木ら 82）によっても報演での細野の第一声が、『This presentation is a kind

告されている。またこの挙動は、結晶ホモロガス系

of revenge.（このプレゼンテーションは一種のリベ

71）
InGaO（ZnO）と類似してい3m 酸化物半導体の場合

ンジです）』だったとのことである 210）, 211）。いろいろる。しかし、Sn ドープした ITO 系とは挙動が異なっな思いが込められた 10 年間を振り返った第一声でており、次元性のある層状構造由来の特徴なのかもしあったのだと思われる。この講演の内容は、2006 年

れない。さらに図 3.9（c）を見ればわかるように、異発 行 の Journal of Non-Crystalline Solids 誌

にてなるキャリア密度で温度依存性の活性化エネルギーが公開されているが、Nature 論文では盛り込めていな

異なっているのは、キャリア密度と酸素欠損量とが密かった In2O3-Ga2O3-ZnO の三角相図の 2 図（結晶とア接にリンクしており、種々の酸素含有量のアモルファ

モルファスの状態相図とホール測定から求めたキャス状態毎に対応する電気伝導のポテンシャル障壁が異リア蜜度と電子移動度の電子状態相図）に加えて、成なった形で存在していると推測され、キャリア密度を

国立科学博物館技術の系統化調査報告

110）Vol.32 2023. March図 3.9a-InGaZnO4 薄膜における主要な電子物性（a）成膜時の酸素分圧とキャリア密度の相関（b）キャリア密度とホール移動度の相関（c）各キャリア密度の a-InGaZnO4 のホール移動度の温度依存性 （この 3 図は、細野教授のご厚意で、文献（110）の図を参考に改訂して頂いたものを記載）

4×10 18 cm−3 以上に調整すると、直ちに縮退化すると写真を図 3.10 に紹介する。特に細野研究室で使用されいう興味深い材料系である。

た PLD 装置の中には、基板温度を 1500 ℃という超高ところで本章で紹介した細野グループの機能性酸温までの制御性や、チャンバー内の酸素分圧も 100 Pa

化物薄膜の殆どは、パルスレーザーデポジション法

から 5×10−6 Pa という広範な範囲での制御が可能な装（PLD 法）によって作製されたものである。この PLD

置もあり、酸化物半導体のアモルファス薄膜からエピ装置は、基本的には材料探索する上でのコンビナトリ

タキシャル単結晶化薄膜まで、材料を探索的に創製でアルテクノロジーの有力ツールとして、当時、東工大きる特別な仕様になっているものが多く、いずれの成教授の鯉沼秀臣と助手の川﨑雅司らによって大きく

膜装置も大変魅力ある材料創製ツールである 99）。

育成・進展した薄膜作製ツールである 212）-214）。その成

こ の 3 章 は、1990 年 代 前 半 か ら 主 に は 2004 年 の膜ツールの最大の成果が、同じ東工大の細野が産んだ

Nature 誌の発表に至るところまでの透明酸化物半導体「IGZO-TFT」ではないだろうか。つまりこの PLD 装材料に関する細野グループの研究開発の様子を、筆者

置は、アモルファスシリコンに替わる産業上重要なアの推理・想像も加味して記載してきた。この章を終えモルファス酸化物半導体 a-IGZO を産んだ歴史的見地

るに際して、1999 年 10 月に ERATO「細野透明電子活からも重要な装置とも言える。その PLD 装置の外観

性プロジェクト」が始動したわけだが、その時の当時の図 3.10

細野研究室で透明アモルファス酸化物半導体材料「a-IGZO」を産んだ PLD 装置（細野秀雄教授のご厚意による）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

159

様子をお伝えしておきたい。総括責任者に任命された

俯瞰しつつも、材料技術を詳細に説明した応用物理

細野の当時の仕事の様子と心情が伝わってくる記載が学会誌の 3 報の総説 216）-218）や、ERATO プロジェクト

2014 年の精密工学会誌 215）に見ることができる。当時のの研究成果内容を的確にまとめた月刊オプトロニクス

ERATO の研究費は 5 年間で約 15 億円の予算が保障さ

誌 219）と月刊機能材料誌 220）、アグネ技術センターの月れる反面、研究場所、チーム編成、研究員の雇用と処刊固体物理誌 221）、その他多くの論文や総説があるか

遇など全てを決める必要があり、当時はオフキャンパスと思われるが、いずれの資料も材料技術の流れと本質が原則だったため、東工大ではなく神奈川サイエンス

的物性の理解において非常に役立つ資料であることはパーク（KSP）に研究拠点を置いて ERATO プロジェク

間違いない。本調査報告では、筆者の浅学ゆえの誤っトが開始されたことなどが綴られており、プロジェクト

た理解をお伝えしている可能性も少なからずあるかもし

発足当時の状況を知る上で大変貴重な資料である 215）。

れない。正しくご理解頂く上でも、細野秀雄、神谷利夫、また 1992 年以降の新しい酸化物半導体の研究から野村研二、平野正浩らによる多くの解説論文などの諸

透明アモルファス酸化物半導体トランジスタまでを

文献 222）-236）を是非参考にして頂けると幸いである。

コラム：いろいろな材料の電気伝導率の比較
ここで、参考の意味で、電気伝導率に関するアモルファス a-InGaZnO4 のポジショニングを、他の金属や半導体材料、あるいは絶縁材料と併せて、図 3.11 に示しておく。

図 3.11

いろいろな材料の電気伝導率

特にアモルファス a-InGaZnO4 の電気伝導率は、その調整の仕方で、半絶縁性の状態から、金属伝導に近い縮退半導体状態まで広範な領域で変化させることが出来る非常に珍しい酸化物半導体材料であることがわかる。神谷によれば、成膜した時の電気伝導度が 10-4 ～ 10-1 S/m となる成膜条件で作製すれば、熱処理ナシでも TFT 特性の良いトランジスタが得られるとのことである。筆者個人の直観であるが、半絶縁性から縮退半導体（金属的）までの広い範囲で調整できることが、アモルファス IGZO-TFT が、非常に低いオフ電流特性を有している一方で、高い電子移動度も兼ね備えていることと大きく関係しているような印象を持つ。
なお、図 3.11 の材料のうち注目する材料などは、以下の文献や出典データを参考に記載したことを付しておく。参考とした文献では、電気伝導率の単位が慣例で［S/cm］で記載されていることが多いが、本図では SI 単位系の［S/m］で記載した。
• Si、Ge、GaAs、SiC、GaN、AlN：
半導体単結晶ウエハーの販売会社の HP の仕様書から、ノンドープの半絶縁性ウエハーからドーピン
グした半導体ウエハーまでの電気伝導率を参考とした。
• V2O5-System Glass：本文の文献（143）のデータを参考とした。

160

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March• ITOtop data：本文の文献（47）のデータを参考とした。
「透明導電膜概論」, 表面技術、43, <2>, 74-81（1992）.］の記載を参考とした。
• ITOconventional： 文献［高井治：• Amorphous InGaZnO4：
本 文の文献（209）、（83）、及び文献［Tzu-Chi Chou et al., “Effect of Oxygen Amount on Electricaland Transparency Characteristics of Amorphous IGZO Thin Film Fabricated by Sputtering” ,Trans. Mat. Res. Soc. Japan, 38, <4>, 593-596（2013）.］のデータをを参考とした。

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16） Kazuhiko Yanagawa, Yoshimichi Ohki, Takahisa Omata,Hideo Hosono, Naoyuki Ueda and Hiroshi Kawazoe：“New Oxide Phase Cd2（1-x）Y2xSb2O7 Pyrochlore with a
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162

国立科学博物館技術の系統化調査報告

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Ohta, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo
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◆ a-InGaZnO4（a-IGZO）
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Yanagi, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo
Hosono： “Carrier transport and electronic structure in
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83） Hisato Yabuta, Masafumi Sano, Katsumi Abe, Toshiaki
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85） Kenji Nomura, Akihiro Takagi, Toshio Kamiya, Hiromichi
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88） T atsuya Iwasaki, Naho Itagaki, Tohru Den, Hideya
Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya and Hideo
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using multicomponent semiconductor channels: An
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89） R yo Hayashi, Masato Ofuji, Nobuyuki Kaji, Kenji
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Vol.32 2023. March

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97） H iroshi Yanagi, Kazushige Ueda, Shuntaro Ibuki,
Tomomi Hase, Hideo Hosono and Hiroshi Kawazoe：“Transparent p- and n-Type Conductive Oxides With
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98） H iroshi Yanagi, Hiroshi Kawazoe, Atsushi Kudo,
Masahiro Yasukawa and Hideo Hosono： “Chemical
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99） M. Orita, H. Ohta, H. Hiramatsu, M. Hirano, S. Den, M.
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100） H. Hosono, H. Ohta, M. Orita, K. Ueda and M. Hirano：“Frontier of transparent conductive oxide thin films” ,Vacuum, 66, <3–4>, 419-425（2002）.
101） H iromichi Ohta, Kenji Nomura, Hidenori Hiramatsu,
Kazushige Ueda, Toshio Kamiya, Masahiro Hiranoand Hideo Hosono： “Frontier of transparent oxide
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102） Hideo Hosono： “Electrical and Photonic Functions inTransparent Oxide Semiconductors: Utilization of Builtin Nanostructure” , MRS Symp. Proc., 796, V1.1.1-V1.1.12（2003）.
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Yoshida, Philip Parilla, Charles Teplin, Tanya Kaydanova,
Alex Miedaner, Calvin Curtis, Alex Martinson, Tim
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107） Toshio Kamiya, Hiromichi Ohta, Hidenor iHiramatsu,
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Kazushige Ueda, Masahiro Hirano and Hideo Hosono：“Natural nanostructures in ionic semiconductors” ,Microelectronic Engineering, 73–74, 620-626（2004）.
108） T oshio Kamiya and Hideo Hosono： “Electronic
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Semiconductors?” , Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2, <4>,
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109） Hideo Hosono, Toshio Kamiya and Masahiro Hirano：“Function Cultivation of Transparent Oxides Utilizing
Built-In Nanostructure” , Bull. Chem. Soc. Jpn., 79, <1>,
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111） Toshio Kamiya, Hidenori Hiramatsu, Kenji Nomura and
Hideo Hosono： “Device applications of transparent oxide
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flexible TFT” , J. Electroceramics, 17, 267–275（2006）.
112） Hideo Hosono： “Recent progress in transparent oxide
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114） 細野秀雄教授の経歴は以下の文献あるいは URL 情報から知ることが出来る。
•「第 11 回応用物理学会業績賞（研究業績） 件名：新機能酸化物の創製に関する先駆的研究 受賞者： 細野秀雄」,
応用物理、80, <2>, 141-142（2011）.
• 細 野秀雄氏（東京工業大学）、神谷利夫氏（東京工業大学）、川副博司氏（東京工業大学）：2015 年度（第 2 回）
日本セラミックス大賞：「無機電子機能材料の創出と応用に関する研究」, セラミックス、51, <7>, 423（2016）.
• 第 105 回日本学士院受賞者略歴 恩賜賞・日本学士院賞受賞者 細野秀雄
https://www.japan-acad.go.jp/pdf/youshi/105/hosono.
pdf（2022.08.12 閲覧）• 2016 Japan Prize 受賞者： 細野秀雄 博士
授賞対象分野： 物質、材料、生産
授 賞業績： ナノ構造を活用した画期的な無機電子機能
物質・材料の創製
h ttps://www.japanprize.jp/prize_prof_2016_hosono.
html （2022.08.12 閲覧）• ウィキペディア（Wikipedia）：
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B4%B0%E9%87%8
E%E7%A7%80%E9%9B%84（2022.08.12 閲覧）115） 細 野秀雄：「目から鱗の物質・材料研究を目指して」、無機材会会誌（2019 年 5 月号）東京工業大学無機材会 編集・
発行 ※ 2019 年 3 月 20 日に開催された細野秀雄教授の最終講義の抜粋版と思われる。
h t t p s : / / w w w . m u k i z a i . c o m / p d f / k a i s h i 2 0 1 9 0 5 . p d f（2022.08.12 閲覧）116） 川副博司：「材料の透明性とは」, まてりあ , 39, <2>, 114118（2000）.
117） 川 副博司：「異端もまたよし 1．そうか電子の力学なのか！」, NEW GLASS 31, <118>, 55-57（2016）.
118） 川副博司：「異端もまたよし 2．周期表は化学のエッセン
スだ！」, NEW GLASS 31, <119>, 66-68（2016）.
119） 川副博司：「異端もまたよし 3．シリカ系ガラス中の不完全構造」, NEW GLASS 32, <120>, 49-52（2017）.
120） 川副博司：「異端もまたよし 4．アモルファスカルコゲナ
イドの欠陥と伝導性制御」, NEW GLASS 32, <121>, 47-

51（2017）.
121） 川 副博司：「異端もまたよし 5. 伝導性絶縁体」, NEW
GLASS 32, <122>, 63-66（2017）.
122） H ideo Hosono, Yoshihiro Abe, Hiroshi Kawazoe andTakafumi Kanazawa: “ESR Lineshape of Cu 2+ andγ -Induced Cd+ in Soda Borate Glasses-Fluctuation of
ESR Parameters and Structural Distribution in Glass- “,Yogyo-Kyokai-Shi, 92, <6>, 350-359（1984）.
123） H . Kawazoe, H. Yanagita, Y. Watanabe, and M.
Yamane： “Imperfections in amorphous chalcogenides. I.
Electrically neutral defects in liquid sulfur and arsenic
sulfides” , Phys. Rev. B, 38, 5661（1988）.
124） Y uichi Watanabe, Hiroshi Kawazoe, and Masayuki
Yamane： “Imperfections in amorphous chalcogenides. II.
Detection and structure determination of neutral defects
in As-S, Ge-S, and Ge-As-S glasses” , Phys. Rev. B, 38,5668（1988）.
125） Y uichi Watanabe, Hiroshi Kawazoe, and Masayuki
Yamane： “Imperfections in amorphous chalcogenides.
III. Interacting-lone-pair model for localized gap states
based on a tight- binding energy-band calculation for
As2S3” , Phys. Rev. B 38, 5677（1988）.
126） 清 水立生：「アモルファス半導体研究の 30 年とこれからの課題」, 応用物理、68, <10>, 1111-1121（1999）.
127） Hideo Hosono, Hiroo Maeda Yoshikazu Kameshima andHiroshi Kawazoe： “Novel n-type conducting amorphouschalcogenide CdS·In 2 S x : an extension of working
hypothesis for conducting amorphous oxides” , J. NonCryst. Sol., 227-230, 804-809（1998）.
128） 科 学研究費助成事業データベース（KAKEN）： 研究課題
/ 領域番号： 06453080「広バンドギャップ無機結晶の伝導性制御」
https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT06453080/ （2022.08.13 閲覧）129） 科 学研究費助成事業データベース（KAKEN）： 研究課題 /領域番号： 06555206「新しい高導電性透明薄膜の作製技術」
https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT06555206/ （2022.08.13 閲覧）130） 科 学研究費助成事業データベース（KAKEN）： 研究課題
/ 領域番号： 07555668「電子ビームリソグラフィ用新透明
電子伝導性酸化物薄膜の作製とその特性評価」
h t t p s : / / k a k e n . n i i . a c . j p / j a / g r a n t / K A K E N H I PROJECT-07555668/（2022.08.13 閲覧）131） 科学研究費助成事業データベース（KAKEN）：
研究課題 / 領域番号： 10450241「透明で金属的電気伝導を示すアモルファス物質の特異性の解明と設計指針の確立」
h t t p s : / / k a k e n . n i i . a c . j p / j a / g r a n t / K A K E N H I PROJECT-10450241/（2022.08.13 閲覧）132） 川副博司、細野秀雄：「p 型伝導性透明酸化物の探索 - 研
究の動機、現状と将来 -」, NEW GLASS、13, <2>, 43-48（1998）.
133） 平野正浩、細野秀雄：「透明酸化物のナノ構造制御と電子・光。イオン物性 - 細野透明電子活性プロジェクトの中間成
果概要 -」, セラミックス、38, <5>, 331-341（2003）.
134） 太田裕道、折田政寛、平野正浩、細野秀雄：「透明酸化物
半導体を用いた近紫外発光ダイオードの開発」, セラミッ
クス、36, <4>, 285-288（2001）.
135） 太 田裕道、折田政寛、平野正浩、細野秀雄：「p-SrCu2O2／ n-ZnO ヘテロ接合 LED の作製と近紫外発光」, 表面科
学、22, <7>, 419-424（2001）.
136） 森垣和夫：「水素化アモルファスシリコンにおけるギャッ
プ状態」,  応用物理、57, <6> 851-861（1988）.
137） 横道治男、森垣和夫：「水素化アモルファスシリコンにおけるダングリングボンド中心の電子構造」, 日本物理学会
誌、44, <5>, 333-339（1989）.
138） 羽山昌宏、山崎照彦：「アモルファス半導体とその応用」,
防食技術、39, <7>, 375-381（1990）.

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

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140） P . L. Baynton, H. Rawson and J. E. Stanworth：“Semiconducting Properties of Some Vanadate Glasses” ,J. Electrochem. Soc., 104, <4>, 237-240（1957）.
141） L. Murawski, C.H. Chung and J.D. Mackenzie： “Electricalproperties of semiconducting oxide glasses” , J. NonCryst. Sol., 32, 91-104（1979）.
142） A. Vomavas and M. Roilos： “The Hall effect in vitreous
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143） 宗 像元介：「半導性ガラスについて」, 高分子、9, <11>,983-987（1960）.
144） 宗 像元介：「半導性ガラスについて」, 窯業協会誌、70,<5>, C196-C202（1962）.
145） 角野広平：「赤外透過カルコゲン化物ガラス」, 化学と教
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146） J . R. Bellingham, W. A. Phillips and C. J. Adkins：“Electrical and optical properties of amorphous indium
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147） J .R. Bellingham, M. Graham, C. J. Adkins and W. A.
Phillips： “Temperature dependence of the resistivity ofamorphous indium oxide” , J. Non-Cryst. Sol., 137–138,
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148） B. Pashmakov, B. Claflin and H. Fritzsche： “Transport
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149） 細 野秀雄へのインタビュー記事：電子を巧みに操り、物質の潜在能力を引き出す — 細野秀雄（上）（2014 年 9 月掲
載）
h ttps://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/hideo-hosono-1（2022.08.13 閲覧）電子を巧みに操り、物質の潜在能力を引き出す — 細野秀雄（下）（2014 年 9 月掲載）
h ttps://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/hideo-hosono-2（2022.08.13 閲覧）150） 山 本和直、熊田虔、並河洋：「CdO・SiO2・Na2O フォト
クロミックガラスの光伝導」, 窯業協会誌、90, <1046>,
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151） 科 学研究費助成事業データベース（KAKEN）：研究課題/ 領域番号： 01J11388「ワイドバンドギャップアモルファ
ス半導体の構造と電子状態」
https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT01J11388/ （2022.08.22 閲覧）152） 鯉 沼秀臣 編著：「酸化物エレクトロニクス」, 培風館 ,（2001 年 10 月 15 日初版発行）
153） T. Terashima, K. Shimura, Y. Bando, Y. Matsuda, A.
Fujiyama, and S. Komiyama：“Superconductivity of oneunit-cell thick YBa2Cu3O7 thin film” , Phys. Rev. Lett. 67,<10>, 1362-1365（1991）.
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155） 坂東尚周：「反応性蒸着法による薄膜の作製」, 応用物理、
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159） 鈴木義茂：「反射高速電子線回折（RHEED）による薄膜形
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166

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

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Ishiyama, M. Shinohara, M. Kubo, R. Miura and A.
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170） 吉本護、大西剛、高倉雅博、菱谷佳子、吉澤光康、水野敬介、
宮原崇文：「金属酸化物超平坦面のナノ構造評価と応用」,
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172） Masayuki Kamei, Yuzo Shigesato, Satoru Takaki, Yasuo
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tin‐doped indium oxide films” , Appl. Phys. Lett., 65,
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173） Naoaki Taga, Hidefumi Odaka, Yuzo Shigesato, Itaru
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174） Naoki Taga, Yuzo Shigesato and Masayuki Kamei：“Electrical properties and surface morphology ofheteroepitaxial-grown tin-doped indium oxide thin films
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3
5
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177） N aoki Ohashi, Isao Sakaguchi, Shunichi Hishita, Yutaka
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3
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178） Tsuyoshi Ogino, Naoki Ohashi, Isao Sakaguchi, Shun-ichi

Hishita, Yutaka Adachi and Hajime Haneda： “Impact
of Two-Step Growth upon In2O（ZnO）
3
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179） h ttps://www.msl.titech.ac.jp/~hosono/web-3.htm（2022.08.02 閲覧）180） 高 田憲一（ジャーナリスト）：日経クロステック （2019.07.30
付の記事）『「ここはガラス屋が来る所じゃない」、IGZO
開発者が向き合った孤独と失敗』
h t t p s : / / x t e c h . n i k k e i . c o m / a t c l / n x t / c o l u m n / 1 8 /00864/072900006/ （2022.08.22 閲覧）181） 後 藤義満：「透明酸化物をみつめる― 細野秀雄」, InterLab,
53-56（2006.4）.
h ttp://ceramni.jpn.org/file/soukai06/kouen_0601.pdf（2022.08.22 閲覧）182）丸 山正明（技術ジャーナリスト）：日経クロステック （2012.02.22
付の記事）『酸化物半導体の基本特許を出願して、さまざ
まなことを体験しました』h ttps://xtech.nikkei.com/dm/article/COLUMN/
20120221/205372/ （2022.07.10 閲覧）
183） 細野秀雄：「材料研究の醍醐味はこれから」Panasonic Tech. J., 63, <2>, 112-117（2017）.
184） Noboru Kimizuka and Takahiko Mohri： “Spinel YbFe204,
and Yb2Fe307 Types of Structures for Compounds in theln203 and Sc2O3-A2O3-BO Systems [A: Fe, Ga, or Al; B: Mg,
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187） N oboru Kimizuka, Mitsumasa Isobe and Masaki
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Homologous Compounds, In2O（ZnO）
3
m （m=3, 4, and 5）
InGaO（ZnO）
3
3, and Ga 2O（ZnO）
3
m （m=7, 8, 9, and 16）
in the In2O3-ZnGa2O4-ZnO System” , J. Solid State Chem.,
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188） Chunfei Li, Yoshio Bando, Masaki Nakamura, Mitsuko
Onoda and Noboru Kimizuka： “Modulated Structuresof Homologous Compounds InMO（ZnO）
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m=Integer）Described by Four-Dimensional SuperspaceGroup” , J. Solid State Chem., 139, <2>, 347-355（1998）.
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Method” , J. Jpn. Soc. Powder. Powder Metall.（粉体および粉末冶金）, 44, <1>, 44-49（1997）.
191） 北海道大学電子科学研究所の太田研究室のホームページ：
h ttps://functfilm.es.hokudai.ac.jp/member/%e5%a4%aa%e7%94%b0-%e8%a3%95%e9%81%93/（2022.08.28
閲覧）192） Y.
 Michiue, F. Brown, N. Kimizuka, M. Watanabe, M. Oritaand H. Ohta： “Orthorhombic InFe0.33Ti 0.67O3.33” , Acta.
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193） Y uichi Michiue, Francisco Brown, Noboru Kimizuka,
Mitsuko Onoda, Masaki Nakamura, Mamoru Watanabe,
Masahiro Orita and Hiromichi Ohta： “Crystal structureof InTi 0.75 Fe 0.25 Ti 0.67 O 3.375 and Phase Relations in the
Pseudobinary System InFeO3-In2Ti2O7 at 1300℃” , Chem.
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194） T. Moriga, D. D. Edwards, T. O. Mason, G. B. Palmer, K.

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195） T. Moriga, D. R. Kammler, T. O. Mason, G. B. Palmer and
K. R. Poeppelmeier： “Electrical and Optical Properties
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196） M asahiro Orita, Megumi Takeuchi, Hiroyuki Sakai
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204） Julia E. Medvedeva and Chaminda L. Hettiarachchi：“Tuning the properties of complex transparent conducting
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205） Altynbek Murat and Julia E. Medvedeva： “Electronic
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206） A ltynbek Murat, Alexander U. Adler, Thomas O.
Mason and Julia E. Medvedeva： “Carrier Generation in
Multicomponent Wide-Bandgap Oxides: InGaZnO4” , J.
Am. Chem. Soc., 135, 5685-5692（2013）.
207） Boya Cui, Li Zeng, Denis Keane, Michael J. Bedzyk, D.
Bruce Buchholz, Robert P. H. Chang, Xinge Yu, Jeremy
Smith, Tobin J. Marks, Yu Xia, Antonio F. Facchetti,
Julia E. Medvedeva and M. Grayson： “Thermal
Conductivity Comparison of Indium Gallium Zinc Oxide
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and Porosity” , J. Phys. Chem. C, 120, 7467-7475（2016）.
208） J ulia E. Medvedeva, D. Bruce Buchholz and RobertP. H. Chang： “Recent Advances in Understanding
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209） 神谷利夫、雲見日出也、細野秀雄：「アモルファス酸化物
半導体薄膜」, 表面技術、64, 392-395（2013）.
210） 透明な酸化物の半導体 IGZO-TFT が引き起こす ディスプレイ革命
https://www.jst.go.jp/seika/bt49-50.html

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～167

（2022.09.12 閲覧）211）「実用化には
“運” も必要」, JST News, 06-09（April 2010）.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jstnews/7/1/7_6/_
pdf （2022.09.12 閲覧）212） 鯉 沼秀臣、川﨑雅司監修：「コンビナトリアルテクノロ
ジー 明日を開く’ もの作り’ の新世界」丸善株式会社発行、（2004.8.30 発行）.
213） 鯉沼秀臣、伊高健治、松本祐司、知京豊裕：「コンビナト
リアルテクノロジー 明日を開く “もの作り” の新世界」,
セラミックスと建築材料 - 応セラ 70 周年記念論文集 -、37-44（2004）.
214） 具 体 的 な 一 例 と し て： A. Tsukazaki, A. Ohtomo, S.
Yoshida, M. Kawasaki, C. H. Chia, T. Makino, Y. Segawa,
T. Koida, S. F. Chichibu and H. Koinuma： “Layer-by-layer
growth of high-optical-quality ZnO film on atomicallysmooth and lattice relaxed ZnO buffer layer” , Appl.
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215） 細野秀雄：「ERATO「透明電子活性プロジェクト」」, 精
密工学会誌、80, <1>, 23-26（2014）.
216） 細野秀雄、川副博司、嶋川晃一：「ワイドギャップ導電性
アモルファス酸化物の化学設計と電子輸送特性」, 応用物
理、67, <5>, 560-563（1998）.
217） 細野秀雄、神谷利夫、野村研二：「アモルファス酸化物半導体を能動層とする透明フレキシブルトランジスタ」, 応
用物理、74, <7>, 910-916（2005）.
218） 細野秀雄：「セラミックス素材の電子機能を探る： 透明酸化物の特徴と可能性」, 応用物理、81, <9>, 728-739（2012）.
219）「機能性透明酸化物とオプトエレクトロニクス
-ERATO
細野透明電子活性プロジェクト成果 -」, OPTRONICS、<10>, 115-165（2004）.
• 細野秀雄：「細野透明電子活性プロジェクトの狙いと成果概略」, 116-121.
• 平 野正浩：「透明酸化物と光エレクトロニクス」, 122127.
• 神谷利夫、太田裕道、平松秀典、上岡隼人、野村研二：「透明酸化物半導体とデバイスへの展開」, 128-139.
• 林克郎、松石聡、宮川仁、Peter V. Sushko、神谷利夫：「透明ナノポーラス結晶：12CaO・7Al2O3」, 140-147.
• 梶原浩一、大登正敬、Linards Skuja：「深紫外透明材料と紫外オプトロニクスへの展開」, 148-156.
• 河村賢一、上岡隼人、三浦泰祐：「干渉フェムト秒パル
スレーザーによる透明物質のナノ加工」, 157-165.
220）「特集: 透明電子活性材料 - 基礎研究から応用を探る」, 機
能材料、25, <4>, 5-73（2005）.
• 細野秀雄：「透明電子活性材料 - 意義と現状」, 5-9.
• 神谷利夫：「透明酸化物半導体 : 透明導電性酸化物から開けた新しいフロンティア」, 10-21.
• 太田裕道：「透明酸化物半導体の高品質薄膜成長」, 2229.
• 野村研二：「透明酸化物半導体を用いた透明電子デバイ
ス」, 30-39.
• 平松秀典、上岡隼人：「透明 p 型半導体 : 層状オキシカ
ルコゲナイド 2 次元構造に起因したユニークな光・電子物性」, 40-48.
• 林克郎：「ナノポーラス結晶 C12A7: 雰囲気制御による活性アニオンの包接と機能性発現」, 49-55.
• 細野秀雄、松石聡：「室温で安定なエレクトライド : 合成と物性」, 56-64.
• 宮 川仁：「非平衡プロセスによる C12A7 エレクトライ
ド薄膜の作製」, 65-68.
• 金聖雄：「C12A7 エレクトライドの大量合成法」, 69-73.
221） 神谷利夫、野村研二、細野秀雄：「アモルファス酸化物半導体の物性とデバイス開発の現状」, 固体物理、44, <9>,621-633（2009）.
222） 細野秀雄、神谷利夫：「セラミックスの電磁気的・光学的性質 Ⅱ基礎 電子状態の理解は セラミックスの研究にどう役立つか～酸化物半導体のバンドラインナップを例と168

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

して～」, セラミックス、38, <10>, 825-831（2003）.
223） 細野秀雄：「透明酸化物半導体：物質設計とデバイス応用」,
光学、34, <7>, 335-345（2005）.
 村研二、神谷利夫、細野秀雄：「高性能フレキシブル TFT
224） 野実現に向けたアモルファス 酸化物半導体の材用探索とフレ
キシブル TFT 特性」, 成形加工、17, <9>, 588-592（2005）.
225） 神谷利夫、野村研二、細野秀雄、雲見日出也：「アモルファ
ス酸化物半導体の設計と高性能フレキシブル薄膜トラン
ジスタの室温形成」（産経新聞社主催、第 19 回（2005 年度）
独創性を拓く 先端技術大賞特別賞受賞論文）
http://www.sankei-award.jp/sentan/jusyou/2005/index.
html （2022.08.05 確認）http://www.sankei-award.jp/sentan/jusyou/2005/toko_
canon.pdf （2022.08.05 確認）
226） T oshio Kamiya, Kenji Nomura and Hideo Hosono：“Origins of High Mobility and Low Operation Voltage ofAmorphous Oxide TFTs: Electronic Structure, ElectronTransport, Defects and Doping” , J. Display Technol., 5,<7>, 273-288（2009）.
227） T oshio Kamiya, Kenji Nomura and Hideo Hosono：“Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film
transistors”, Sci. Technol. Adv. Mater., 11, 044305（2010）.
228） 松尾義之： 細野秀雄教授へのインタビュー記事 :「細野秀雄博士の研究作法」, 産学官連携ジャーナル、Vol.9, No.9,
4-21（2013）.
h ttps://www.jst.go.jp/tt/journal/journal_contents/
before2015/pdf/2013/1309-all.pdf（2022.08.06 閲覧）229） 細野秀雄：「透明なアモルファス酸化物の半導体 : 物質設計と応用」, 化学と教育、63, <1>, 4-7（2015）.
230） 神 谷利夫：「機能性化合物の設計 イオン性固体の電子構
造の直観的な理解からアモル ファス酸化物トランジスタの実用化まで」, 金属、90, <10>, 846-854（2020）.
231） 平野正浩、細野秀雄：「ナノ構造を利用した透明酸化物の機能開拓 - 細野透明電子活性プロジェクトの成果から -」,日本結晶学会誌、46, 48-52（2004）.
232） 細野秀雄：「透明で高い導電性を示すアモルファス酸化物の特異的輸送特性の解明」, 日産科学振興財団研究報告書、
24, 21-24（2001）.
233） 細野秀雄：「酸化物半導体 - 総論 -」, 電子情報通信学会誌、
97, <3>, 178-186（2014）.
234） Hideo Hosono： “Exploring Electro-active Functionalityof Transparent Oxide Materials” , Jpn. J. Appl. Phys., 52,
090001（2013）.
235） ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」研究終了報
告書（研究成果集）： 総括責任者 細野 秀雄（東京工業大学
フロンティア創造共同研究センター 教授）（研究期間：
1999 年 10 月～ 2004 年 9 月）
https://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/
htd_pj/results_1999-2004_hosono.pdf（2022.10.03 閲覧）236） 細野秀雄の JST プロジェクトの研究成果関連の詳細な情報は、以下からも知ることが出来る。
• ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」：
総括責任者： 細野秀雄（東京工業大学フロンティア創造共同研究センター教授）
研究期間： 1999 年 10 月～ 2004 年 9 月
https://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/
htd_PJ.html （2022.10.05 閲覧）• ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」の研究終了
報告書（JST プロジェクトデータベース）：h ttps://projectdb.jst.go.jp/file/JST-PROJECT-7700000065/
JST_1113100_7700000065_2004_%E7%B4%B0%E9%87%
8E_PER.pdf （2022.10.05 閲覧）• 細野透明電子活性プロジェクトの研究成果：
h ttps://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/
htd_pj/results_1999-2004_hosono.pdf （2022.10.05 閲覧）• ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」の論文リスト（2004 年 9 月 30 日現在）

 ttps://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/hhtd_pj/publications_1999-2004_hosono.pdf （2022.10.05
閲覧）
•（独）

科学技術振興機構 創造科学技術推進事業 追跡評価
用資料 ERATO 細野透明電子活性プロジェクト （19992004）
h ttps://www.jst.go.jp/erato/evaluation/follow/
follow1999_hosono_shiryo.pdf （2022.10.05 閲覧）• 戦略的創造研究推進事業発展研究（ERATO/SORST）研

究終了報告書
研究課題 「透明酸化物のナノ構造を活用した機能開拓と応用展開」
研究期間：平成 16 年 10 月 1 日～平成 22 年 3 月 31 日
研究代表者氏名： 細野秀雄（東京工業大学フロンティア
研究センター教授）
h ttps://www.jst.go.jp/kisoken/archives/sorst/pdf/
h21_hosono.pdf （2022.10.05 閲覧）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

169

4 半導体トランジスタの歴史変遷
酸化物半導体を用いたトランジスタの歴史的変遷を物語る際には、本家本流であるシリコンやゲルマニウ
ムの半導体トランジスタの歴史と交錯することは避けられないところがある。その理由は、シリコンやゲル
マニウムよりも古くから硫化物やセレン化物等のカル
コゲナイド系物質や CdO や Cu2O 等の酸化物がその半導体的特長のある主要な物質として研究対象とされていたからである。
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：TFT）
は、電界効果トランジスタ（Field-Effect Transistor：
FET）の概念をそのままに、ガラス等の基板上に半導体膜を作製するプロセスで薄型化させたものであり三図 4.2端子素子である。その FET の原理概念を最初に発明

FET の基礎となった特許の主要構成図（Ⅰ）（U. S. Patent 1745175 より転載 2））したのは、図 4.1 に示すオーストリア・ハンガリー帝
国の物理学者ユリウス・エドガー・リリエンフェルド（Julius Edgar Lilienfeld）1）である。

図 4.1

ユリウス・エドガー・リリエンフェルド（出典は Wikimedia Commons1））

3 つの電極を有し、Copper Sulfide（銅硫化物）を半導体とした内容が明細書に記載されており、最初の特許 は 1926 年 10 月に米国で特許申請され 1930 年
2）

図 4.3

FET の基礎となった特許の主要構成図（Ⅱ）（U. S. Patent 1900018 より転載 3））１月に特許登録された。その代表的な素子イメージを
図 4.2 に示す。2 件目の特許 3）は 1928 年 3 月に申請され、1933 年 3 月に登録されている。その代表的な素ルル（Te）、ヨウ素（I）、亜酸化銅（Cu2O）、そして五子の構成を図 4.3 に示す。

酸化バナジウム（V2O5）等の物質を半導体として使用

この時期の少し後に、ドイツ人のオスカー・ハイル

することが記されており、酸化物半導体をトランジス（Oskar Heil） は、半導体材料の両端に電極を設け、そタのチャネルに利用することが記された最初の特許事の半導体上面に接触しない形で近接したギャップを有例と考えられる。

4）

する制御用電極を配置させて、この電極電位を変化さ

このように、1940 年以前の半導体黎明期の研究でせることで半導体の抵抗を変化させ、増幅信号を外部は今日のシリコン（Si）や化合物半導体（GaAs 系）では回路に取り出す素子を考案し、英国にて特許を 1935 年

なく、Cu2S、Cu2O、V2O5 や Se などのカルコゲン化

3 月に申請し、同年 12 月に特許登録されている。（図 4.4

合物や金属亜酸化物が主であり、化学量論組成からの参照）今日の MIS-FET の原点とも言える発明である 。

過不足、すなわち不定比性による導電性に関する研究

5）

170

このハイルの出願した特許明細書の中で、初めてテ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March図 4.5点接触トランジスタの特許の主要構成図（U. S. Patent 2524035 より転載 7））

図 4.4

MIS-FET の基礎となった特許の主要構成図（G. B. Patent 439457 より転載 5））れており 9）、バイポーラ・トランジスタの基本モデルとなった 10）。その特許の代表的な構成図を図 4.6 に示す。

に興味が注がれていた。なお上記したリリエンフェル
ドとハイルの発明が、直接的に実証されなかったのは、そのような材料系で最表面の電子状態の扱いが当時としては難しかったことに起因すると考えられる。
その後、真の半導体トランジスタの扉が大きく拓かれる時が来る。ベル研究所（当時の正式名称は「BellTelephone Laboratories」以降、ベル研と略記）の研究部長のマービン・J・ケリー（Mervin Joseph Kelly）
は真空管の限界を感じ、真空管に替わる半導体を用いた固体素子に期待を寄せ、1936 年にウイリアム・
ショックレー（William Shockley）を雇用した。終戦後の 1945 年 10 月に、固体物理の理論家であるジョン・バーディーン（John Bardeen）がショックレーのチームに参画し、ウォルター・ハウザー・ブラッテン（Walter Hauser Brattain）らとの共同研究が開始された。このようなケリーの的確なマネジメントによって、
1947 年 12 月 16 日にバーディーンとブラッテンが、

図 4.6 バイポーラ・トランジスタの基礎となった特許の主要な図面

高純度ゲルマニウム（Ge）を用いて最初のトランジス（U. S. Patent 2569347 より転載 9））タである点接触型トランジスタで増幅実験 6）に成功した。1948 年 7 月 17 日に特許出願し、1950 年 10 月 3

そして 1956 年に、バーディーン、ブラッテン、ショッ

日に特許登録された 7）。図 4.5 にその特許の代表的な

クレーの３名がトランジスタの発明によりノーベル

図面を示す。

物理学賞を受賞した 11）。バーディーン、ブラッテン、

このバーディーンとブラッテンの研究成果は、それ

ショックレーの３名の写真を図 4.7 に示す。

以前にショックレーが実施していた実験 で、電流の一方で、「半導体はシリコン以外にも存在する」と大きな変調が得られなかったことの理由を精査する過

い う こ と を 提 唱 し て い た の が、 ジ ー メ ン ス・ シ ュ

程から生まれたものである。一方、ショックレーは翌年

ケ ル ト 社 の ハ イ ン リ ッ ヒ・ ウ ェ ル カ ー（Heinrichの 1948 年 6 月に接合型のトランジスタを発明し、1948

Welker）12）で あ る。 ウ ェ ル カ ー は 1952 年 と 1953 年

年 6 月 26 日に特許出願し 1951 年 9 月 25 日に権利化さの 論 文 13）, 14）の 中 で、Si や Ge に 替 わ る 半 導 体 と し

8）薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

171

図 4.8ダウォン・カーン（左）とモハマド・マーチン・アタラ（右）（出典は Wikimedia Commons18））

図 4.7 バーディーン（左）、ショックレー（中）、ブラッテン（右）の 3 名の研究風景（出典は Wikimedia Commons11））て、AIP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、
InAs、InSb 等がその候補物質であると明示している。
このような提言を経てⅢ−Ⅴ族化合物半導体材料が精力的に研究され、今日の半導体発光ダイオード（LED）
や半導体レーザー（Laser Diode：LD）が開発されていったと考えられる。
さて、ベル研の 3 名によるトランジスタの発明を境

図 4.9 MOS-FET の基礎となった特許の主要構成図に、半導体デバイスは大きくシリコンへ傾注していき、（U. S. Patent 3102230 より転載 19））

最初期の研究に供された CdO、CuS、CdSe、Cu2O、
V2O5 などの酸化物やカルコゲナイド化合物の研究は、ており、TFT 技術の幕開けは、この RCA のワイマー産業に大きく貢献することはなく非化学量論性（不定によってなされたと考えられている 25）, 26）, 27）。

比性）や酸素欠陥等による半導体特性の基礎的な（地道な）研究の時代に入っていった。その時代の種々の研究成果や文献等は、多くの図書や総説論文にまとめられている 15）, 16）, 17）。
その後 1960 年、ベル研のダウォン・カーン（Dawon
Kahng）18）とモハマド・マーチン・アタラ（Mohamed
Martin Atalla）18）は、 今 日 の 半 導 体 デ バ イ ス の 基
本 的 要 素 デ バ イ ス で あ る MOS-FET （Metal-Oxide-

図 4.10 薄膜トランジスタ（TFT）の基礎となった特許の主要構成図（特公昭 40-016459 より転載 27））

Semiconductor FET）を発明した 19）, 20）, 21）。両名の写

172

真を図 4.8 に示すと共に、MOS-FET の特許明細書に1960 年代に入っても Si ではなく、まだ CdS や CdSe

記載されている代表的な構造図を図 4.9 に示す。当時

を半導体として用いられており、当時の様子は奥山のの MOS-FET の研究開発の様子は、その後の論文に解説 28）からもうかがい知れる。そのような中 1964 年に、も明記されている 22）, 23）。

SnO2 をチャネル層に用いた TFT がフィリップスの研1962 年、RCA 研究所のポール・K・ワイマー（Paul K.

究所から報告された 29）。続いて 1968 年に、ノースウ

Weimer）24）によって、ガラス基板上に半導体層としエスタン大学のチームから ZnO 単結晶を用いた TFTて CdS、ゲート絶縁膜としてフッ化カルシウム（CaF2）の報告があり、ホール移動度 220 cm2/Vs という特性を用いた初めての薄膜トランジスタ（TFT）が発表さが報告された 30）。これらの報告の半導体チャネルに用れた。当時、ワイマーが日本に出願した特許の中にいられた SnO2 や ZnO はいずれも、当時の技術として描かれている TFT 構成図を図 4.10 に示す。その後、は界面や粒界、あるいは酸素欠陥等の微細な材料制御

CdS-CdSe を用いた撮像デバイスへの応用が報告され技術が今日ほど進んでいなかったことが背景にあり、

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchコラム： 半導体開発の黎明期の文献資料と情報
今日のエレクトロニクスの源流である半導体の黎明期に関する諸文献、過去資料などを以下に箇条書きで簡潔に紹介する。
○半導体の黎明期を含む今日までの詳細な変遷は、その開発者の仕事内容と共に、以下の URL に整理された形でまとめられている。（2022.05.08 閲覧）
THE SILICON ENGINE -A TIMELINE OF SEMICONDUCTORS IN COMPUTERShttps://www.computerhistory.org/siliconengine/○また和文としては、半導体黎明期を含む歴史については元ルネサステクノロジ株式会社の主管技師の奥山幸佑氏が、一般社団法人日本半導体製造装置協会（SEAJ）が発行している「SEAJ ジャーナル」に、2008 年 5 月号より 2014 年 11 月まで、全 34 回にわたって寄稿された記事～半導体のはなし～がある
ので、併せて参照されたい。
半導体のはなし
https://floadia.com/jp/column/○加えて日本の半導体開発の歴史は、日本半導体歴史館の HP に詳細な記事が掲載されている。
日本半導体歴史館
https://www.shmj.or.jp/※特にその HP の中の「開発ものがたり」という欄では、上記の奥山氏の寄稿記事も公開されている。
開発ものがたり - 半導体の話 https://www.shmj.or.jp/dev_story/seaj.html○以下の各文献資料からも、当時の半導体材料＆デバイス技術の研究動向を知ることができる。
• William F. Brinkman, Douglas E. Haggan and William W. Troutman:
“A history of the invention of the transistor and where it will lead us” ,IEEE J. Solid-State Circuits, 32, <12>, 1858-1865（1997）.
• 菊池誠：「半導体デバイス研究開発の歴史的な展開～トランジスタか ら集積回路まで～」,
応用物理、69, <8>, 913-918（2000）.
• 菊池誠：「半導体研究思い出の人びと～キーパースンが残した教訓～」,
半導体シニア協会ニューズレター No.50（2007 年 4 月）.
• 川村肇：「半導体物理学の半世紀の進歩」, 応用物理、51, <2>, 112-116（1982）.
• 志村幸雄：「半導体産業人協会創設 15 周年記念 日本の半導体開発 65 年」,
半導体産業人協会会報、No.81, 5-9（2013 年 10 月）.
• 松村正清：「薄膜トランジスタ～創生から未来まで～」, 応用物理、65, <8>, 841-848（1996）.
• 鳩山道夫：「第１編 電子工業材料 半導体材料」, 材料試験、6, <41>, 60-69（1957）.
• 金井康夫：「化合物半導体」, 電気化学、28, 280-285（1960）.
• 江崎玲於奈：「半導体デバイスの誕生と発展」, 日本物理学会誌、34, <3>, 203-213（1979）.
• 瀧口蓮一：「半導体の入門」,
東京電機大学出版局発行（1979 年 5 月 20 日 第１版 17 刷発行）
• 長船廣衛：「半導体のあゆみ（C&C 文庫）」, 日本電気文化センター出版（1987）.
• 古川吉孝：「半導体の歴史」, 日本金属学会会報、29, <1>, 18-21（1990）.

その後の研究の発展に大きく繋がる技術シーズの提示には至らなかったと推察される。
1971 年に RCA 研究所のバーナード・J・レヒナー（Bernard J. Lechner）31）らによって、アクティブマト
リックス液晶ディスプレイ（AM-LCD）の概念が提唱された 32）。
そしてレヒナーによって提唱された AM-LCD の実
現に向けて、当初はまだ研究対象として馴染みがあったカドミウム化合物である CdTe をチャネルに用いた
TFT による 6-inch 四方の 14000 ピクセルの液晶ディスプレイが、ウエスティングハウスの T. ピーター・ブ

図 4.11バーナード・J・レヒナー（出典は Wikipedia31））

ロディー（T. Peter Brody）33）らによって開発された 34）。
薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

173

モチベーションになったことは確実である。但し高特性ではあるものの大面積の結晶性シリコン薄膜を得ようとすると、アニール用の大面積のレーザー光束とその強度の均一性が大きな障壁となり、大面積用の用途にはあまり適していないと言える。
その数年後の 1989 年に、日本 IBM のスティックス（Gary Stix）から大面積液晶パネルに関する発表 45）があり、その技術トレンドが業界に大いに注目され、実質的に a-Si TFT による液晶パネル事業が国際的にも
図 4.12

大きく進展していった。

T. ピーター・ブロディー

液晶ディスプレイ技術と薄膜トランジスタ技術は、（出典は Wikipedia33））

車の両輪であり、詳細が記されている多くの論文や解そのようなディスプレイにおける AM-LCD 技術の大きな展開も重なり、注目すべき酸化物 TFT の研究報告に関しては、しばらく空白の時代が続いた。

1991 年、「高温超伝導フィーバー」が漸く治まり、本質的な物性研究に入っていく丁度そのような中、ス

そして 1975 年、グロー放電を利用した所謂、プライスの IBM チューリッヒ研究所のグループ 4 名にズマ CVD 法により、スコットランドのダンディー

よって、高温超伝導物質として関係者には良く知ら大学のウォルター・エリック・スピア（Walter Eric

れていた YBa2Cu3O7-δをチャネル層に、同じペロブス

Spear）35）が、シラン（SiH4）を分解することで、アモルカイト結晶構造の SrTiO3 をゲート絶縁層にした MIS-

ファスシリコンの薄膜を世界に先駆けて作製すること

FET 型の電界効果トランジスタの論文が提出され、に成功した。この段階でスピアは、リン（P）やボ

キャリアの変調が可能であることが報告された 49）。

ロン（B）もドープして半導体薄膜としており、非常にこの４名の研究者のうち 2 名の J. G. Bednorz と K. A.

重要な研究成果となった。そして 1979 年、ついにス

Müller は、高温超伝導物質の発見 50）によって、1987

ピアらが開発したプラズマ CVD 法により、ガラス基

年のノーベル物理学賞を受賞している研究者である。

板上に a-Si TFT が作製できることが、
ピーター・ジョー

その後 1995 年に、三菱化成の渡部行男から、典型的

ジ・ル・コンバー（Peter George Le Comber） よりなホール伝導性高温超伝導酸化物の（LaSr）2CuO4 を報告された36）, 37）38）

彼の報告が今日のフラットパネル

チャネル層に、その上にゲート絶縁体層として強誘

ディスプレイ用の a-Si TFT 技術の原点となっている。

電体の PLZT［=（PbLa）（ZrTi）O3］薄膜をエピタキ

これ以降、このアモルファスシリコンの薄膜トラ

シャル成長させた全ペロブスカイト型積層構造を有す

ンジスタに関する研究開発は、ディスプレイ応用とる強誘電体トランジスタの報告がなされた 51）。丁度いう盤石な地位を占めていただけに、いろいろな角

その頃は、酸化物エレクトロニクスという概念が大き度から精力的な研究が行われており、森垣和夫の報

く羽ばたこうとしていた時期でもあり、酸化物エレク

告トロニクスの中で磨かれたエピタキシャル単結晶化技。

39）

や丸山瑛一の解説40）, 41）, 42）などが、当時の研究状

43）

況を全体俯瞰できる点で興味深い資料である。

174

説等ある 46）, 47）, 48）。

術 52）を活かす形で、チャネル層から絶縁体（強誘電体）

その後 1986 年、ソニー中央研究所の鮫島らは、波層まで全系をエピタキシャル化させたデバイスを構築

長 308 nm のエキシマーレーザー・アニールにより、した典型例となった。その後、高温超伝導酸化物をチャ

260 ℃という低温プロセス下でポリシリコン（多結晶ネルとする三端子素子による電界変調の研究は、酸化シリコン）の TFT を実現し、180 cm2/Vs という高物エレクトロニクスという大きな技術潮流の中で強相移動度を実現させた 44）。a-Si TFT の移動度を大きく

関系物質に対する電界効果として、重要な基礎研究分

凌駕する技術の潮流を作ったもので、結晶性シリコ

野として位置付けられていった。例えばイエール大学

ンをチャネルに用いる TFT の原点となる研究成果でのアーン、ジュネーブ大学のトリスコン、アウグスブ

ある。結晶シリコン TFT の場合の高特性値を明確

ルグ大学のマンハートの共同研究による高温超伝導物に示した意義は大きく、その後の技術潮流となった質を活性層に用いた三端子デバイス等がその典型的なレーザーアニール技術の起点と言える研究成果であ

報告例である 53）。

る。加えて今日よく知られるようになった LTPS（Low

さて、このようなアモルファスシリコン薄膜トラ

Temperature Poly Silicon）-TFT 研究開発への大きなンジスタが全盛の時期に、しかも機能性酸化物の分

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

野では酸化物エレクトロニクスの技術潮流に乗っンバーを使用しない本手法は、世界の研究者にも相当て 多 く の 固 体 物理・材料科学の研究者らが エ ピ タ

な魅力であり、細野による 2004 年の Nature 誌への発キシャル成長による単結晶薄膜による物性研究を目

表以降、2010 年前後を境に大きな技術展開を示して

標 と し て い る 状 況 下 に お い て、1995 年 9 月 に 神 戸いる。特に、In-Ga-Zn-O 系だけでも相当研究報告さで開催されたアモルファス半導体国際会議 ICAS-16

れている 58）-72）。さらに他の関連する材料系を対象と（The 16th International Conference on Amorphous

した溶液プロセス TFT の論文発表も相当あり 73）-90）、

Semiconductors）に お い て 東 京 工 業 大 学 の 細 野 秀

この溶液プロセスの手法でヘテロ接合まで作製してい雄 は、 ワ イ ド ギャップ酸化物半導体を探索 す る た

る総合報告まである 91）。このような展開が実際になめの材料設計に関する、重要な作業仮説（Working

されていることからも、2001 年に発表された大矢ら

Hypothesis）を提案した 54）。この仮説は 3 章でも説明の論文 57）は、溶液プロセス酸化物薄膜トランジスタしたように、電子配置：（n-1）d ns の重金属カチオの起点となった重要な論文と考えられる。

100

ンで構成されるアモルファス複合酸化物が、新しいア

さて真空プロセスに話を戻して、2003 年に ZnO-

モルファス半導体物質の有望な候補であることを示し

TFT を発表したのは、大阪大学産業科学研究所の川たものである。その仮説を証明する形で、a-AgSbO3、合知二の研究グループである 92）。ボトムゲート型で、Cd2GeO4、そして Cd2PbO4 等の物質群が、電気的か[SiO2/SiNx] 二重層構造のゲート絶縁膜を用いた薄膜

つ光学的に検証された。ただ、細野の気持ちとは裏腹

トランジスタであり、オン・オフ比が 5 桁という比に、この発表に関してはほとんど関心を持ってもらえ較的高いデータを報告した。また、細野と同様に透なかったとのことである

55）。この 1990 年代半ばから

明酸化物半導体デバイスに興味を持って研究を進め

2000 年初頭にかけての東京工業大学の細野研究室のていた米国の研究グループからも、ZnO 層をチャネ

アクティビティーは、殆どこの ICAS-16 で発表されルにした TFT に関する報告がなされた 93）。ヒューた作業仮説が起点となり、その仮説の実証に加えて、

レ ッ ト・ パ ッ カ ー ド 社 の ホ フ マ ン（R. L. Hoffman）

更なる発展と革新へと研究が展開されて行くが、そことオレゴン州立大学のウェイジャー（ J. F. Wager）の部分の詳細は、前章にて紹介した通りである。

による ZnO-TFT に関する共同研究であり、その移

一方、ゲート絶縁膜に強誘電体を用いた類似の研動度は 2.5 cm2/Vs 程度との報告であった。さらに当究が、フィリップスのグループから報告された 56）。

時東北大学金属材料研究所に在籍していた川﨑雅司

SnO2 系チャネルによるトランジスタとしては、実にらの研究グループは、SiN 系ゲート絶縁膜とチャネ

32 年ぶりの発表である。Sb-doped SnO2 層が半導体ル層である ZnO の間に、CaHfOx 層を配備した構造チャネルで、ゲート絶縁膜に強誘電体の PZT［=Pbの TFT を作製し、300 ℃以下のプロセス温度で移動（ZrTi）O3］薄膜を、さらにゲート電極として導電性

度 7 cm2/Vs を報告した 94）。なお川﨑らの研究グルー

ペロブスカイトの SrRuO3 膜を用いた全酸化物型の強プはその後 ScAlMgO4 基板を用いて格子整合性を向誘電体 TFT の研究である。

上させた ZnO 単結晶薄膜を用いて電界効果移動度

その後も、酸化物エレクトロニクスの機運の高まを 70 cm2/Vs 程に向上させていることを付記しておりと技術向上も手伝って、世界の複数の研究機関かく 95）。さらに同時期に、ポルトガルのフォーチュナト

ら ZnO 系の薄膜トランジスタの研究報告がなされる（E. Fortunato）の研究グループからも、2003 年 8 月

ようになった。ところで酸化物の大きな特徴の一つに開催された第 20 回のアモルファス半導体国際会議

として溶液プロセス（Solution-process）からの薄膜作［The 20th International Conference on Amorphous

製というルートがある。これまでに報告してきたパand Microcrystalline Semiconductors （ICAMS 20）］

ルスレーザーデポジション法やスパッタリング法などにおいて、電界効果移動度が 70 cm2/Vs の ZnO-TFT

で用いられる真空チャンバーは使用しない成膜手法でが発表され、その内容は翌 2004 年に論文として公開ある。2001 年、岐阜大学の大矢豊らは、酢酸亜鉛：

された 96）。1968 年のノースウエスタン大学グループ

Zn（OCOCH3）2・2H2O を原料とした化学溶液堆積プの ZnO-TFT の発表から実に 35 年ぶりの 2003 年といロセスを用いて、Sｉウェハ（熱酸化膜付き）上に ZnO

う時期に、世界の複数の研究機関で同じ ZnO で TFT

薄膜（40nm）を堆積し、溶液プロセスでボトムゲートの報告が連続したのは、実に不思議なことである。35型 ZnO-TFT を作製した

57）。この溶液プロセスを経由

年間の空白期間の存在は、ZnO 特有の酸素欠陥や格した酸化物半導体トランジスタの報告は、この技術領

子間 Zn イオンなどの制御の難しさに加え、ZnO 特有

域としては最初期に位置すると考えられる。真空チャの粒界・界面のポテンシャル障壁などの存在もあり、薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～175それらの課題をクリアーする具体的な手法が見い出せしかも結晶ではないアモルファスの薄膜をチャネル層ていなかったことに誘因することは間違いない。しかに用いることで、移動度 6 ～ 9 cm2/Vs というトラン

しその ZnO 特有の諸々の課題を 2003 年という年を境

ジスタの動作確認を行い、その研究成果を 2004 年 11に、どのような技術で克服しようとしていたのか、そ月の Nature 誌に発表した 106）。アモルファス酸化物のの辺がまだ完全に払拭された訳ではないと思われる。

TFT としては世界初である。アモルファスシリコン

一方同年、ERATO プロジェクトを牽引していた細に比べても、少なくとも十倍以上高い電子移動度の特野グループは、これまでに様々な材料を発見し技術を性であり、アモルファス化による特性劣化の度合いが蓄積してきた中で、ｐ型半導体 ZnO・Rh2O3 をアモ予想以上に抑制されていて、結果的に文句ない特性値

ルファス状態でも機能することを確認していたので、となった。このため、①透明ディスプレイなどの新し

n 型酸化物半導体であるアモルファス InGaZnO4 とのい透明エレクトロニクス商品への期待、②低温プロセ

pn 接合を実施し、オン・オフ比が 3 桁というデータスが可能（現行のアモルファスシリコンに類似のプロを示すなど見事なダイオード特性を得ることに成功しセスで対応可能）、③曲げられる有機材料基板上へのた。この pn 両相のアモルファス状態を保ったまま対応が可能なことから、フレキシブル・エレクトロニ

での pn 接合の成功意義は極めて高く、アモルファス

クス商品への期待が大きく膨らんだ。学会のみならずシリコンと同等の機能デバイスへの階段を登る大きな世界のエレクトロニクス産業界の関係者の間でも、こ試金石となった。この世界初の全アモルファス酸化物のアモルファス IGZO-TFT に関する Nature 誌での発による pn 接合の達成

は、その後のトランジスタの表は、結晶を扱った Science 誌以上に全世界から注目

発表の基礎になっていると共に、多くの材料研究者にされたことは間違いなく、全世界のエレクトロニクス

とって極めて重要なアモルファス酸化物電子デバイスを中心とする産業界に対して、極めて大きなインパク技術の根幹となる研究成果である。

トのある研究成果となった。

97）

97）

そして 2003 年 5 月、Science 誌よりホモロガス系結以上のように、半導体トランジスタの源流から歴史

晶相 InGaO（ZnO）（m= 整数）をチャネルに用いた3mを早足で辿ってきた。その半導体トランジスタの歴史

透明酸化物半導体トランジスタが発表された。こ的変遷を１つの図面にまとめたものが図 4.13 である。

の技術達成の背景には、ERATO「細野透明電子活性

酸化物半導体の IGZO 系材料のパイオニアである細プロジェクト」で共同研究者であった太田裕道の発野秀雄は、四面楚歌の状況下においても粘り強く自身案

がの信念を貫いて研究を推進させ、時に細野独自の感性あり、チャネル相のエピタキシャル単結晶化にとっを大いに働かせて、新しい学理の扉を切り拓いた唯一て極めて有効な技術となった。この InGaO（ZnO）
3
5

無二の研究者であるとの印象を、筆者は改めて深め

エ ピ タ キ シ ャ ル 単 結 晶 相 を 用 い た TFT の 移 動 度た。加えて、少なくとも 1992 年頃から 2004 年頃までの 値 が 80 cm2/Vs で あ っ た こ と、 そ し て オ ン・ オの約 12 年間の中で、取り分け JST の戦略的創造研究

フ 比 が 6 桁 程 も あ っ た こ と 等 は、 単 結 晶 シ リ コ ン

推進事業の ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」（～ 100 cm /Vs）に迫る値であり、酸化物結晶をチャの研究期間に関しては、細野は総括責任者としてプロネル層として用いた薄膜トランジスタとしては大きな

ジェクトの組織化とメンバーの育成を視野に入れたコ

意義ある成果であり、マテリアルサイエンスとして大ミュニケーションにも大きな手腕を発揮していたこと

きなエポック・メイキングな事象となった。機能性酸は間違いなく、今後の細野はもとより、細野の薫陶を化物における一つの最高到達ポイントを明示したこと受けて巣立ったメンバー達の大いなる研究発展にも心に相当する。この細野グループの Science 誌の発表はから期待したい。

による反応性固相エピタキシャル成長法

99）

98）

100）-104）2

全世界に注目され、細野と同様、透明エレクトロニ
クスを目指して ZnO 系の TFT などを発表してきた
オレゴン州立大学のウェイジャーが、『Transparent
Electronics』と題したコメントを同誌に緊急発表 105）
していることからも、細野らの ERATO 研究プロジェ
クトグループによる発表は非常に注目に値するものであったことを物語っている。
そして満を持した形で、一連のホモロガス系とは異なり、非常にシンプルな In:Ga:Zn=1:1:1 なる組成比で、

176

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March◆ a-IGZO TFTの発見・発明に至るまでの半導体材料に注目したトランジスタの歴史変遷 ◆◆ FETJulius Edgar Lilienfeld
Semiconductor: Cu2S (CuS)
U. S. Patent 1745175 (1926-1930)
U. S. Patent 1900018 (1928-1933)◆ MIS-FET
Oskar Heil
Semiconductor: Te, I2, Cu2O, V2O5
G. B. Patent 439457 (1935-1935)◆ Point-Contact Transistor
John Bardeen (Bell Lab.)
Walter Hauser Brattain (Bell Lab.)
Semiconductor: Ge
U. S. Patent 2524035 (1948-1950)◆ Junction-type Transistor
William Shockley (Bell Lab.)
Semiconductor: Ge
U. S. Patent 2569347 (1948-1951)◆ Ⅲ -Ⅴ Compound Semiconductors Proposal
Heinrich Welker (Siemens-Schuckert)
Candidates：AIP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb,
InP, InAs, InSb
Z. Naturforschg., 7a, 744-749 (1952).
Z. Naturforschg., 8a, 248-251 (1953).
◆ MOS-FET
Dawon Kahng (Bell Lab.)
Semiconductor: Si
U. S. Patent 3102230 (1960-1963)
Mohamed M. Atalla (Bell Lab.)
Bell Sys. Tech. J., 38, 749-783 (1959).
IRE-AIEE Solid-State Device Res. Conf., (1960).
◆ Thin Film Transistor (TFT)
Paul K. Weimer (RCA)
Semiconductor: CdS-CdSe
Proc. IRE., 50, <6>, 1462-1469 (1962).
Proc. IEEE, 55, <9>, 1591-1602 (1967).
特公昭40-016459 (1962-1965)◆ SnO2-TFT
H. A. Klasens and H. Koelmans (Philips)
Solid State Electronics, 7, <9>, 701-702 (1964).
◆ ZnO-TFT
G. F. Boesen and J. E. Jacobs (Northwestern U.)
Proc. IEEE, 56, <11>, 2094-295 (1968).
◆ AM-LCD Proposal
B. J. Lechner, et. al., (RCA)
Proc. IEEE., 59, 1566-1579 (1971).
◆ CdTe-TFT 20 lines/inch
T. P. Brody et al., (Westinghouse)
IEEE Trans. Elec. Dev., ED-20, 995-1001 (1973).
◆ a-Si Thin Films by Plasma CVD
W. E. Spear et al., (Univ. Dundee)
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◆ a-Si TFT for LCD
P. G. Le Comber et al., (Univ. Dundee)
Elec. Lett., 15, <6>, 179-181 (1979).
◆ Poly-Si TFT by Excimer Laser Annealing
T. Sameshima et. al (SONY),IEEE Elec. Dev. Lett., 7, 276-278 (1986).
図 4.13◆ YBa2Cu3O7-d-TFT with SrTiO3 Gate
J. Mannhart, J. G. Bednorz, K. A. Müller
and D. G. Schlom (IBM Zurich Res. Lab.)
Z. Physik B, 83, 307–311 (1991).
◆ (LaSr)2CuO4-TFT with PLZT-Ferroelectric Gate
Yukio Watanabe, (Mitsubishi Chemical)
Appl. Phys. Lett. 66, 1770-1772 (1995).
◆ GdBa2Cu3O7-δ-TFT with (BaSr)TiO3 Gate
C. H. Ahn, J.-M. Triscone and J. Mannhart
Nature, 424, 1015-1018 (2003).
◆ Proposal on Novel Transparent Amorphous Oxide
Semiconductors
Hideo Hosono
16th-ICAS at Kobe, (1995.09.04-08)
J. Non-Cryst. Sol., 198–200, 165-169 (1996).
※ Amorphous oxides composed of heavy metal cations with
an electronic configuration of (n-1)d10ns0◆ SnO2:Sb-TFT with PZT-Ferroelectric Gate
M. W. J. Prins, et al., (Philips)
Appl. Phys. Lett. 68, 3650-3652 (1996).
◆ ZnO-TFT (Solution-Process)Yutaka Ohya’s Gp.:
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◆ ZnO-TFT
Tomoji Kawai’s Gp.： J. Appl. Phys., 93, 1624 (2003).
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◆ All Amorphous p-ZnO･Rh2O3/ n-IGZO Heterojunction Diode
Hideo Hosono’s Gp. [JST-ERATO]
Adv. Mater., 15, <17>, 1409-1413 (2003).

★ Crystal Homologous InGaO3(ZnO)m-TFT
Hideo Hosono’s Gp. [JST-ERATO]“Thin-Film Transistor Fabricated in Single-Crystalline
Transparent Oxide Semiconductor”,

Science, 300, 1269–1272 (2003).

※ Mobility μ ~ 80 cm2/Vs★ Amorphous InGaZnO4-TFT
Hideo Hosono’s Gp. [JST-ERATO-SORST]“Room-temperature fabrication of transparent flexible
thin-film transistors using amorphous oxide
semiconductors”,

Nature, 432, 488-492 (2004).

※ Mobility μ = 6 ~ 9 cm2/Vs

a-IGZO TFT の発見・発明に至るまでの半導体材料に注目したトランジスタの歴史変遷（なお、歴史変遷図の中の 2 つのトランジスタのイメージ図は、細野秀雄教授のご厚意による）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

177

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Shockley_Brattain_1948.JPG（2022.05.08 閲覧）.
な お、３名のノーベル賞受賞レクチャーが、以下で公開されていることを付記する。
John Bardeen：（2022.08.01 閲覧）.
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/bardeenlecture.pdf
Walter H. Brattain：（2022.08.01 閲覧）.
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/brattainlecture.pdf
William Shockley：（2022.08.01 閲覧）.
https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/shockleylecture.pdf12） h ttps://new.siemens.com/global/en/company/about/history/people/scientists.html（2022.05.08 閲覧）.
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ラの情報は以下の通り .
• ダウォン・カーンの写真（左）の出典：https://commons.
wikimedia.org/wiki/File:Dawon_Kahng.jpg （2022.10.14
閲覧）• モハマド・マーチン・アタラ（右）の写真の出典h ttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atalla1963.png（2022.10.14 閲覧）• 加えて、以下の URL にもカーンとアタラ２名の情報が記されている。
 h ttps://computerhistory.org/blog/13-sextillioncounting-the-long-winding-road-to-the-most-frequentlymanufactured-human-artifact-in-history/
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薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～181

5 IGZO系酸化物半導体薄膜トランジスタの創製の意義

森 賀と Poeppelmeier の 共 同 研 究とし て 発 表 され た

5.1 Science誌発表の意義

In1-xGa1+xO（ZnO）（[In]+[Ga]）比と電気
3m における [In]/伝導度との相関関係の研究結果 8）を見ても明らかである。

2003 年 5 月 23 日に掲載された Science 誌での発表は、JST の ERATO という日本発のオリジナルなプロ

非常に高性能な透明酸化物半導体：InGaO（ZnO）
35 をジェクトとそれを牽引し総括した細野の Science 誌でチャネル層に用いた薄膜トランジスタを世界に提示し、の発表は、これまで用途開拓性が全く未知であった

従来のアモルファスシリコン・トランジスタでなくても、

InGaO（ZnO）
3m 系という酸化物の「才能」を見出し、きれいなエピタキシャル酸化物単結晶薄膜をチャネル

そこに強力な光を照らしたという意味合いがある。単層として創製し、キャリア濃度を適切に制御すれば、純な導電性という点では、Ga 濃度はもっと少ない方より高性能なトランジスタ特性が得られるという、酸化が好適であるが、トランジスタを作るため、敢えて導物半導体としての一つの到達点を明示しており、マテ電性を抑えたのである。過去に何回か発表されたこと

リアル・サイエンスとして極めて大きな意義があり、そのある SnO2 や ZnO 系のトランジスタでは、材料にの材料技術の波及効果も極めて大きい論文となった 。

酸素欠陥が生じやすいことから、ノーマリー・オフ特当時の科学技術振興事業団（現、科学技術振興機構

性を示す品質の高い安定なトランジスタは、これまで（JST））の創造科学推進事業 ERATO「細野透明電子

なかなか生まれてこなかった経緯があるが、それらに活性プロジェクト」の研究プロジェクトで独自に開発

比べ今回の高品質な結晶性 InGaO（ZnO）
3
5 のトラン

した「反応性固相エピタキシャル成長法」をホモロ

ジスタでは、そのオン・オフ比が 6 桁もあり、トラン

ガス系透明酸化物半導体である InGaO（ZnO）
35 薄膜

ジスタ特性としては極めて優秀である。

1）の単結晶化に適用させることで、単結晶 YSZ（Yttria-

またこのトランジスタの成功に必要だった重要な技

Stabilized Zirconia）基 板 上 に 単 結 晶 InGaO（ZnO）
3
5

術の一つが、細野グループの太田裕道が考案 9）した反薄膜をエピタキシャル成長させた。この単結晶薄膜を応性固相エピタキシー法である 10）, 11）, 12）, 13）。この斬新

半導体の電子チャンネル層として、そして誘電率の高な技術を考案した太田に対して、2005 年に日本セラ

い HfO2 をゲート酸化膜に選択して、ゲートに電界をミックス協会進歩賞が授与されている 14）。この技術

印加しないときはソース・ドレイン間に電流が流れにより非常に良質な単結晶薄膜を手中にしたことが、ないノーマリー・オフ特性を堅持し、しかもチャネ

結果的に過度な酸素欠陥の発生も抑制され安定性も向ルの電子移動度が約 80 cm2/Vs という極めて高い性

上し、研究成果をより一層盤石にしたものと推察する。

能の透明電界効果型トランジスタ（Transparent Field

この結晶品質の高いエピタキシャル成長薄膜の断面のEffect Transistor: TFET）を実現した

透過電子顕微鏡写真を図 5.1 に示す。

。

1）, 2）

ここで、電子チャネル層として In2O（ZnO）
3
m 系ではなく、InGaO（ZnO）
3
m 系を選 択した理由は、透明導電膜としてではなく半導体膜としての機能の視点から、過度に電気伝導度の高い In-rich 側を避けたかった、あるいは、もう少しキャリア濃度を下げたかったという思惑と、In:Ga=1:1 組成が熱力学的に安定と思われる過去の君塚昇らによって蓄積された重要な多くの結晶構造化学的な知見 3）, 4）, 5）, 6）, 7）があったからではないかと筆者は想像する。この In:Ga=1:1 組成系の選択は、トランジスタに要求されるノーマリー・オフ機
能にも直結した選択であったと考えられる。Ga の導入で Zn-site への置換が生じ電子キャリアが発生する
ようなことは生じないであろうとする見解が Science
誌の論文中にも明記されているが、この考え方が正し
いことは、君塚の結晶構造化学的な研究報告の後に、182

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

図 5.1 YSZ 基 板 上 に エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 し た 単 結 晶
InGaO（3 ZnO）
5 薄膜の断面構造
層状に積層されていることが理解できる説明図（左図）と、構造の高分解能透過電子顕微鏡による結晶格子イメージ像（右図）（細野秀雄教授のご厚意による）但し、今回の場合 YSZ 単結晶基板上に InGaO（ZnO）
3
5をゲート絶縁膜に適用すること自体、本質的に大きエピタキシャル薄膜を作製するため、トランジスタのなメリットがあると思われる。結果的に電子移動度が構造としては、トップゲート型にせざるを得ない制約

80 cm2/Vs という高い値を示し、アモルファスシリコ

が生じる。さらにこのホモロガス系酸化物半導体結晶

ンより二桁以上の高性能を有し、ポリシリコン TFTの機能を最大限に引き出すために、基板上の薄膜全体に近い値を実現した。加えて、ソース、ドレイン、ゲー

を、デバイス作製プロセスの初期段階で一旦 1400 ℃とトの 3 つの電極をいずれも透明電極として ITO 膜をいう極めて高い温度下で熱処理する工程を経る必要が用いてるが、そもそもこの ITO 薄膜におけるエピ生じる。つまり産業化の視点での議論には凡そ向かな

タキシャル化に関する成膜技術 15）, 16）も含めて細野グ

い技術なのである。そのような背景から、この研究成ループでは技術蓄積されてきたため、トータルプロセ

果に関しては、産業との接点で議論・考察することよスとして全て自前の蓄積技術によってトランジスタ素りも純粋なマテリアル・サイエンスというステージで評子に仕上げられたと考えられる。

価・議論すべきと考える。

細野グループの太田らの ITO のエピタキシャル

今回作製したトランジスタの構成イメージ図と外観
写真を図 5.2（a）、（b）に示す。

薄膜化技術では、その ITO 薄膜表面は高さ 0.3 nmのステップとテラスのみからなる超平坦面で、しかも、Sn がきれいに固溶している上、結晶粒界など（a）の欠陥が極めて少なく、導電性が当時世界トップク
ラス（約 13,000 S/cm）であった 15）。さらに、ITO とInGaO（ZnO）
3ｍ の接合界面は、同じ酸化物で In 層を共通に有していることなどから、整合性の高い組み合わせであったと推定される。恐らく細野グループとしても、そこは十分考慮されての ITO 電極の選択であり、結果的に全てが透明な材質で構成されている透明酸化物結晶半導体トランジスタに仕上げたとも言える。研（b）

究室内で長年に亘り着実に技術蓄積をしてきたことが功を奏して、2003 年の Science 誌での発表ステージ上で開花したというのが筆者の印象である。このような研究成果の流れを振り返ると、非常に意義深い。
ここで技術内容とは違った視点で考察を入れたい。
それは 3 章においても記述したことではあるが、太田
裕道と折田政寛の 2 名を ERATO 研究者として採用したことである。太田裕道は、名古屋大学教授の河本邦仁研究室にて熱電変換材料の視点で、世界で最初にホモロガス系に接した若手研究者である 17）。その後

図 5.2 YSZ 基板上に作製されたエピタキシャル単結晶
InGaO（（a）とその透
3 ZnO）
5 トランジスタの構成イメージ
明トランジスタの外観写真（b）

太田は HOYA の研究者として、無機材質研究所の君（細野秀雄教授のご厚意による）ずれも折田も共著者に含まれる）18）, 19）あり、ERATO

塚昇と共同研究を実施しており、共著論文も 2 報（い参画時点ですでに、ホモロガス系酸化物に熟達してトランジスタの構成要素として重要なゲート絶縁膜いる研究者であったはずである。一方、折田政寛はとして、誘電率が 20 程度あることから近年注目されHOYA の研究者として InGaZnO4 結晶（アモルファスているハフニア（HfO2）を選んだのも適切であったとではない）の電気特性や光学特性から次世代の透明導思われる。同じ酸化物同士ということもあり、チャネ

電性材料の候補として早期に論文を執筆した経緯をル層とゲート絶縁膜の界面に発生し易い欠陥が抑え有している 20）, 21）。さらに折田は、君塚昇との共著論られたのではないかと容易に想像される。従来のシリ文に関しては上記の太田の共著論文の２報以外にもコン半導体でも、一般にゲート絶縁膜として酸化物系

さらに１報ある 22）。但し HOYA の折田と太田の 2 名が多用されているが、界面での欠陥抑制という点だけは、君塚昇との共同研究に関しては、共著論文から判を考えると、チャネル層の酸化物半導体と同じ酸化物

る範囲ではあるが透明導電性材料に直結するような薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

183

材料ではない別の材料系で共同研究を実施しており、HOYA の透明導電性材料の研究戦略とのコンタミを避けつつ、若手 2 名の研究者には透明導電性材料の有力候補としてのホモロガス系酸化物に親しんでもらう狙いがあったのではないかと推測する。もう一点付け
加えたいのは、細野グループの前半の一連の薄膜作製には、PLD（Pulse Laser Deposition）法が多用されていたが、その PLD 装置の製作（あるいは改良）にも、折田が大いに貢献していたと思われる 23）。
いずれにしても、ホモロガス系物質とその電気特性にある程度精通した 2 名を参画させた細野の人選が、この ERATO プロジェクトの成功に大きく寄与していると考えられる。折田は 2002 年の春に出向元のHOYA に帰任したようだが、前年から細野研究室に
博士課程後期学生として進学していた野村研二が入れ替わる形で ERATO に参画し、極めて短期間のうちに細野グループの研究蓄積を継承し発展させる形で、この Science 誌への投稿論文を執筆したものと推察する。細野プロジェクトに参画した全メンバーが、数年にわたり技術の襷を丁寧に手渡ししながら、常時一致団結した姿勢で取り組んだ賜物であろう。
JST の ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」
では前述してきた通り、1997 年の透明 p 型酸化物半導体の材料探索に関する設計指針の提言と、実際に透明 p 型酸化物半導体の発見をした事実に加え、透

24）

図 5.3

単結晶 InGaO（
3 ZnO）
5 の結晶構造図（細野秀雄教授のご厚意による）

明酸化物半導体結晶を用いての pn 接合による、初めての紫外発光ダイオードの実証 25）, 26）など、一連の機

ただ、今回の酸化物結晶のトランジスタ作製には、能性酸化物結晶を用いた数々の重要な研究成果の一

プロセス工程に 1000 ℃を大きく超える熱処理工程

つの到達点が、この高性能な透明酸化物半導体結晶が存在することから、産業化には不向きであり、産InGaO（ZnO）
3
5 による薄膜トランジスタであったと考業化へのルートは見えてこない。そういう状況になえる。ここに改めて、単結晶 InGaO（ZnO）
3
5 の詳細

ることは細野も十分把握していたと容易に推察されな結晶構造を図 5.3 に示す。

る。細野は記者からのインタビューに、『僕はサイエエピタキシャル酸化物単結晶をトランジスタのチャ

ンスを Better life のためにやってきたわけじゃない。

ネル層に用いて、オン・オフ比が 6 桁ほどあり、基Essential for life が目的でそんな仕事をしたい。
』と語っ

本的にノーマリー・オフの特性を有し、ポリシリコている 27）。この強い意志と熱意が、翌 2004 年に発表

ン TFT に近い、80 cm2/Vs という高い電子移動度のされた Nature 誌で結実することになったと確信する。

電界効果型酸化物トランジスタを創製したことは、時ただ Science 論文で発表した結晶 InGaO（ZnO）
3m 系

代の潮流である酸化物エレクトロニクスの分野の中でのトランジスタで約 80 cm2/Vs という極めて高い移動

も、マテリアル・サイエンスとしての金字塔と言える。

度が得られたことを目の当たりにして、細野は「アモ

今日、この Science 論文は、被引用数が Scopus 値

ルファスにしたら、どの程度の移動度になるのだろう

で 1713、Google Scholar 値で 2895（いずれも 2022 年

か？」、そんなシンプルな思いもふつふつと沸き上がっ

10 月 5 日に調査）ということで、全世界の材料研究者

たのかもしれない。いずれにしてもこの Science 誌でから注目されている論文となっている。本調査報告書の研究成果は、１年後の Nature 誌の研究への「大いの 7 章で、その後の材料展開にも言及する通り、このなる序章」となったことは間違いない。

細野グループによる発表に啓発された研究が急増していることを付記しておきたい。

184

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March材料探索を実施した旨が記されている。ZnO と In2O3

5.2 Nature誌発表の意義

それぞれ単体ではアモルファス薄膜は得られ難い。ま1995 年 9 月に神戸で開催された第 16 回アモルファが得られるものの、キャリア濃度の低減が難しい。こス半導体国際会議［16 -ICAS （1995）］での発表講演

れは、恐らくキャリア密度が高く縮退化が生じてしま

で細野は、自らに作業仮説の実証という重い宿題を課うため、オフ電流が高くなるので採用不可ということしてきたと推察される。そこで探索方法として、In2O3-ZnO 系

た In2O3-ZnO 固溶系では、40 cm2/Vs 以上の高移動度

th。その宿題を完遂したのが、この 2004 年

28）

29）

11 月 25 日に公開された Nature 誌での発表である。

に Ga2O3 をドープする進め方で研究を進めていった

細野らの研究プロジェクトグループは、エネルギー

ようである。即ちキャリアに対するインヒビター（抑ギャップの広い、しかも導電性がある程度高いアモル制剤）的な役割として捉えることで、結果的に、In：

ファス酸化物半導体を用いて、アモルファスシリコン

Ga：Zn=1：1：1 の InGaZnO4 という物質が第一候補に替わる次世代の酸化物半導体を、具体的なデバイス

として浮上してきたものと考えられる。この組成系にの形、即ち電界効果型トランジスタとして見事に全世辿り着く思考プロセスは、材料探索をする研究者に界に提示したのである。

とっては極めて重要な手順である。すなわち、第 2 章

このアモルファス IGZO 系酸化物半導体の発見・発で述べた無機材質研究所の君塚らの一連のホモロガス

明に至る技術的な背景を少し考察すると、やはり起点

相の結晶学的な基礎研究の成果 3）-7）、あるいは徳島大の一つには、1997 年に川副と細野が Nature 誌で発表

学の森賀とノースウエスタン大学の Poeppelmeier ら29）, 30）した半導体デバイスの基礎中の基礎である pn 接合のとの共同研究の In2O（ZnO）
3
m-Ga2O（ZnO）
3m 固溶系のための母材料である p 型の CuAlO2 の発見が考えられ

電気伝導性の評価 8）、さらには HOYA 時代の折田ら

る 24）。この時の p 型酸化物への探索指針の成功により、の新しい透明導電性酸化物としての InGaZnO4 結晶のSrCu2O2、CuGaO2、それに ZnRh2O4 等の新しい p 型

研究、このようなホモロガス系導電性酸化物として酸化物半導体の連鎖的な発見につながった。

の研究データ等は一旦頭の片隅に置いて、これらとそしてもう一つの起点が、上記した第 16 回アモルファは無関係にアモルファス酸化物半導体の探索ルート

0ス半導体国際会議（16th-ICAS）における、（n－1）d nsを巡った結果として、この In：Ga：Zn=1：1：1 のの電子配置を持つ重金属イオンの存在を重要視した「作InGaZnO4 という物質に辿り着いたと考えられる。こ業仮説」の存在である。この「細野の作業仮説」の下、の三角相図での探索結果を図 5.4 に示す。詳細に関し

10

a-AgSbO3 、a-Cd2GeO4 、a-Cd2PbO4 等のアモルファては Nature 誌の発表以降の論文などにも記されていス酸化物半導体が順次見出された。さらには p 型伝導る 38）-41）。なお、JST の ERATO の後継プロジェクトを示す a-ZnRh2O4 のアモルファス相も見出され、これである ERATO-SORST の研究終了報告書 42）にも、こにより、全アモルファス酸化物による pn 接合の創製に

この材料探索に関す同様の内容が詳細に記されているも成功し、この内容が Nature 発表の前年の 2003 年のが、この材料探索の考え方や進め方は、アモルファス

Advanced Materials 誌にて発表された

IGZO 系材料の発見・発明に直結する重要な探索プロ

31）

32）

33）

。ここで p 型

34）の対向相の n 型のアモルファス酸化物半導体としてセスである。

用いられたのが、a-InGaZnO4 であった。このアモル

ここで、筆者の勝手な視点から、この InGaZnO4 とファス InGaZnO4 系酸化物半導体の導電性の素性の良いう酸化物半導体を選ぶことの正しかったことをホモさは、当時 HOYA から ERATO に参画したばかりのロガス系物質の視点から推論を記してみたい。この折田政寛が、2000 年 4 月に米国サンフランシスコで組成系に決めて良かったと思われるもう一つの背景に開催されたＭ RS 国際会議 35）や関連論文 36）ですでには、InGaO（ZnO）
3m においては、m ＜ 4 でアモルファ

発表しているので、pn 接合の成功への十分な下地（技ス相が得られ易いことや、2003 年に発表された野村研術の根回し）が確保されていたと容易に想像できる。

二の報告 43）において、m 値が増加するとキャリア濃度2005 年 度 の「 独 創 性 を 拓 く 先 端 技 術 大 賞 特 別 賞

上昇に伴ったオフ電流の増加が懸念されるとの報告が受賞論文」に選ばれた神谷利夫らの論文の中に、なされていることから、オフ電流を最も抑えられそう

InGaZnO4 を選んだ経緯の詳細が記されている。当時な物質が m=1 の InGaZnO4 ということになる。また森の細野研究室内で、In2O3-ZnO-Ga2O3 の 3 元金属系に

賀の m 値と光学吸収端の相関特性評価結果 8）から、同

おいて、導電性追求の立場とは大きく異なる半導体のじ In/Ga 比であれば、m 値が 1 に近づく程バンドギャッ

視点で、適度なキャリア濃度と移動度に制御が可能なプが開いて可視波長域が短波長側に拡張して透明波長37）薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

185移動度が極端に低下し、結晶シリコンに比べて、2 ～（a）

3 桁も落ちる。即ち、100 分の１から 1000 分の１程度に激減してしまうのである。従来、その電子移動度の大幅な低下よりも商品価値の高い薄膜の大面積化が可能というプロセス上のメリットを優先する観点から、
液晶ディスプレイでは、このアモルファスシリコンを用いた TFT が市場を席捲してきていた。こういった現状に対して一矢を投げかけたのが、1995 年の第 16回アモルファス半導体国際会議での細野の作業仮説に関する発表である 28）。
「ある電子配置の構造を満たす
材料（重い金属イオンの最外殻ｓ軌道の活用）であれ
ば、電子の通路となる伝導帯が空間的に大きく広がり、（b）

かつ球対称性のｓ軌道が主な伝導帯の構成要素の場合には、原子配列が不規則なアモルファス状態になったとしても、s 軌道同士の重なりの大きさはある程度保たれるはずであり、電子移動度の大きな低下には繋がらないであろう」、これが国際会議で細野がプレゼン
テーションした判り易い作業仮説の骨子である。

Nature 論文の TFT の活性層に用いた a-InGaZnO4
アモルファス酸化物半導体も、上記「作業仮説」と多くの研究実績を基に周到に選択された材料系であった
ことは、上記した通りである。そしてその透明アモル
図 5.4

2 つの観点での In2O3-Ga2O3-ZnO 三角相図（a）アモルファス相と結晶相の生成領域の相図（b）ホール効果から見積もられた電子移動度とキャリア密度の相図（ ）内の数値はキャリア密度（単位：1018 cm-3）を意味する。
（なおこの 2 図は、細野教授のご厚意で、文献（38）の図を参考に改訂して頂いたものを記載）

ファス IGZO 系酸化物半導体の電子移動度は、結晶をベースに考えた場合の落ち幅が１桁程度に治まっており、予想以上に高い値を堅持していた。正に電気伝導を司ると仮定した金属イオンの s 軌道の重なりが十分保持されていることが実験データで実証された形となったのである。

Science 誌での発表内容とは真逆で、結晶ではなく186域を広げることができること、このようなホモロガス

アモルファス薄膜がトランジスタの半導体チャネルを系物質の研究路線からの材料物性と野村のデバイス特構成しているので、作製プロセスの温度も室温付近で性の両面の視点から、この In：Ga：Zn=1：1：1 なる

よく、低温プロセスであることが大きな特徴である。

InGaZnO4 組成系の妥当性が見えてくる。これが別のそれにより基板をプラスチックなどの多種多様な材質

視点からの筆者なりの考察である。

から選択することが可能となる。論文中ではポリエチ

さて、ここで繰り返すようだが、直前に 2 種のアモ

レンテレフタレート（PET）のケースが紹介されていルファス酸化物半導体を用いて室温近傍で積層しただ

たが、このアモルファス酸化物半導体 TFT の成功は、けで急峻なダイオード特性を示すアモルファス pn ヘ

直にフレキシブルエレクトロニクスへの扉を拓いたこ

テロ界面を有する接合に成功 34）したので、基本的なとに相当する。加えて、ソース、ドレイン、ゲートの半導体デバイスの機能として残されている実証すべき

全ての電極は、透明電極の ITO 材料であることから、素子特性は、アモルファス酸化物半導体を用いた電界TFT 素子全体としても透明デバイスであり、トラン

効果型トランジスタ特性だけということになる。このスペアレント・エレクトロニクス（透明／透過エレク

ような準備万端の体制下で、満を持して発表されたのトロニクス）への幕開けもやってのけた形と言える。

がこの Nature 誌の論文であったと考える。

電子移動度については、論文中では 6 ～ 9 cm2/Vs と典型的な半導体のシリコンでは、強い方向性のある

報告されているが、今後最適化されれば 10 cm2/Vs結合から構成されているために、アモルファス化する

程度、あるいはそれ以上が見込めると予想されるが、と、電子軌道のオーバーラップが乱されるため、電子

この移動度の値は、アモルファスシリコンに比べて少国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchなくとも 10 倍以上あり、特性が大きく向上しているるなどの制御性があることが必要であり、そことは明らかである。

れをこのアモルファス IGZO 系は十分満たす

容 易 に 曲 げ られるポリエチレンテレフタ レ ー ト（PET）のシート上に作製された薄膜トランジスタの構成図（左）とその外観写真（右）を図 5.5 に示す。

ことができる逸材である。
［Ⅲ］室 温を含む低温プロセスでトランジスタを作製できる。このアモルファス膜は、500 ℃程までそのアモルファス状態が安定に維持される。

（a）

このことは酸素分圧制御アニールによる酸素
欠陥制御性を非常に高められるため、トラン
ジスタ作製プロセス上、大きな利点となる。
［Ⅳ］フレキシブルに曲げられる各種プラスチック
材料を基板として用いることができる。PET、（b）

PEN（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミド等の有機材料を基板として用いることが可能になるため、フレキシブルエレクトロニク
スへの扉を拓いた意義は大きい。
［Ⅴ］薄膜トランジスタの全系を透明材料で構成することが可能であることから、透明（透過）エ
レクトロニクス・デバイスとして、新しい付加価値を創出した意義も大きい。

図 5.5 フレキシブルな透明アモルファス酸化物薄膜トランジスタ
フレキシブルに曲げられるポリエチレンテレフタレート（PET）のシート上に作製された透明薄膜トランジスタの構成図（a）とその外観写真（b）。PET フィルム上に形成されたアモルファス酸化物半導体膜（a-InGaZnO4）が活性層として機能する。ゲート絶縁膜は Y2O3 で、ソース、ドレイン、ゲートの 3 つの電極はいずれも透明導電性酸化物の ITO であり、TFT 全体として透明である。
この PET フィルム上に形成された TFT の写真は、被写体の角度を調整することで、上手く撮影することができる。
（細野秀雄教授のご厚意による）

これだけ魅力的なアイテムが揃えば、世界規模で大学の同じ専門領域の研究者に留まらず、全世界のエレクトロニクス産業に携わっている研究開発者からも多くの注目を浴びることは容易に理解できる。このNature 論文の被引用数は、Scopus 値で 6198、Google
Scholar 値で 8026（いずれも 2022 年 10 月 5 日に調査）という非常に高い数値であり、全世界の研究者から極めて高い注目を浴びている証拠である。

Nature 誌の発表から 8 年を経た 2012 年、ディスプ
レイ業界の雄であるシャープ株式会社の公開技術報

ここで改めて、Nature 誌で発表された InGaZnO4 系ア

告 44）の中で、同社のディスプレイデバイス開発本部

モルファス酸化物半導体トランジスタ技術には、以下ので IGZO 系トランジスタ開発の中核である松尾拓哉

ような特筆すべき特徴が明白に存在すると筆者は考える。

は、「酸化物半導体の登場は，シリコン半導体の長い［Ⅰ］アモルファス酸化物半導体：a-InGaZnO4 を用歴史に対する 50 年来の大変革」と、酸化物半導体のいて、アモルファスシリコン TFT よりも少なくとも１桁以上電子移動度が高い性能が出出現の意義を表明しているのが印象深い。
酸化物エレクトロニクスという、当時脚光を浴びてせる。アモルファス化による電子移動度の低いたエピタキシャル単結晶酸化物薄膜技術の潮流と下が予想以上に少なかったのは、細野の作業は真逆の、しかも長きに亘って築かれてきたホモロガ仮説が正しかったことの裏付けでもある。

ス結晶に関する材料技術の蓄積から完全に切り離し［Ⅱ］TFT の電流オン・オフ比が 3 ～ 5 桁ほどあり、て、アモルファス状態の物質を以て最終的な材料・デリーク電流が非常に小さい。半導体チャネル

バイスの形態とすること、さらには透明導電性酸化層のキャリア密度が結構少ない状態でもトラ物開発の流れにも逆行するキャリア密度を適度に抑ンジスタとして機能させられることが重要で制する方針に切り替える戦略を実施したこと、このあり、オン・オフ比を数桁以上にする、あるい『二つの崇高なる軌道修正』は、今日振り返って俯瞰はオフ電流値を非常に小さく抑制する意味でしてみると、実に大いなる英断であったように筆者はも、キャリア密度を例えば 10 /cm 以下にす思う。この大きな軌道修正の路線が功を奏した背景に

18

3

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

187

は、
「Essential for life」への細野の強い熱意と信念が、て、更に新しいステージへと移行しつつあるように思主要メンバーであった折田政寛、太田裕道、野村研二、われる。そのような中、多くの要望があってのこと

そして神谷利夫らにしっかりと伝わり、研究プロジェと想像されるが、2018 年 7 月の Nature Electronics 誌

クト内での十分な相互コミュニケーションがあったかのコラム “Reverse Engineering” に、細野が執筆しらに他ならないであろう。勿論、メンバー自身による

た IGZO-TFT に関する開発物語 “How we made the

献身的、かつ極めて精力的な努力もあったからこそで

IGZO transistor” が掲載された 46）, 47）。透明アモルファある。実際、細野研究室の当時のホームページ 45）には、

ス酸化物半導体トランジスタの技術の節目となる重要「アモルファス酸化物の TFT の応用については 1 年

な 1 ページである。

ほど前から取り組み始め、神谷による FET への応用

透明アモルファス酸化物半導体探索への作業仮説をへの発案、太田による系の提案、そして野村によるプ

発表してから丁度 10 年後の 2005 年、無視されていたロセスの最適化などが巧く結集し、今回の成果につなかに思われたあのアモルファス半導体国際会議（ポル

がった」との記載があり、正にプロジェクトチーム一

トガルのリスボンで開催）に、細野は基調講演を依頼

丸となっての研究成果であったことが十分理解できる。

された。栄誉な事であったと思う。いくつかの記事

全く見向きもされなかったアモルファス酸化物とい情報 48）, 49）によると、「This presentation is a kind of

う土俵の上で、材料設計の基礎から産業界の研究開発

revenge.（このプレゼンテーションは一種のリベンジ

者が興味を引くデバイス特性の明示まで、真に卓越しです）」という文言で基調講演を開始したとのことでたオリジナリティーの極めて高い研究成果を創出したある。実に細野らしくウィットに富んだ一幕である。

と賞賛したい。酸化物エレクトロニクスの潮流の中に2013 年には、そのアモルファス半導体国際会議か於いて、全世界の殆どの研究者が顧みることの無かっら、「Mott Lecture Award」の栄誉が与えられた。こたアモルファス物質。そのアモルファス物質には古くれも細野にとっては格別な大いなる喜びであったに違から『ガラス』というイメージが強く定着していた訳

いない 50）, 51）。そして、2015 年（平成 27 年）3 月、日本だが、そのイメージを完全に払拭し、エレクトロニク

学士院から細野秀雄に、「無機電子機能物質の創製とス産業に新しい電子材料としてアモルファス酸化物半応用に関する研究」の功績に対して、恩賜賞・日本学

導体材料の道を切り拓いたことは正に革新的な偉業と士院賞が授与された 52）。さらに細野は 2016 年に日本言える。この 2004 年の Nature 論文は、材料科学と半国際賞（Japan Prize）を受賞した 53）。この賞は、全世導体の 2 領域の歴史の中に「大いなる偉業」として深界の科学技術者を対象とし、独創的で飛躍的な成果をく刻まれたに相違ない。

挙げ、科学技術の進歩に大きく寄与し、もって人類のJST の ERATO プロジェクトの発足に際して、東京工業大学内での人選にこだわることなく、この材

188

平和と繁栄に著しく貢献したと認められる人に与えられるものとして 1985 年に始まった賞である。

料開発に即戦力となる研究者人材を選び、難課題に

最近、Cell 出版の 2020 年の Matter 誌に、“The Holey

挑戦し、短期間に革新的な研究成果を創出し続けた

Grail of Transparent Electronics” と題した科学論説 54）

細野秀雄、そして ERATO から後継プロジェクトのが掲載されているが、その論文の記載の中の一節に、細ERATO-SORST に至る長期に亘り、細野から出され野の作業仮説の論文 28）と川副の総説 55）を引用して、た数々の高いハードルの課題に十分呼応する形で実験“The group led by Hideo Hosono should be creditedを遂行し乗り越えてきた神谷利夫、太田裕道、野村研

for articulating many transparent conductor design

二、折田政寛、そして技術参事として常に全体をフォ

principles that we now take for granted.” と記されてい

ローし続けていた平野正浩も含めて、JST の ERATOる。即ち、「細野が統括するグループは、今日当たり

プロジェクトに参画したメンバー一人一人に対しても前と思っている多くの透明導電物質の設計原則を明瞭同様の賛辞を送りたい。

に表現しており、評価されるべきである」という趣旨

今日、パソコンやテレビ、そしてモバイルフォンの内容が記載されている。このことからも、アモルファの多くは液晶から有機 EL ディスプレイへと変化しつス透明 IGZO 系酸化物半導体や p 型酸化物半導体のつある過渡期である。液晶でも有機 EL でも、そこに創製のための材料探索の原点となった細野らが積み重使用される TFT パネルの世界市場は 10 兆円規模とねてきた材料設計と材料創製に対する考え方や研究へ言われている。細野のグループによる In-Ga-Zn-O 系の姿勢が、世界の研究者からも高く評価されているこの TFT の発見・発明により、国内外の企業が商品化とが伺える。同時に 2003 年の Science 誌での発表とを加速させてきており、巣立った技術が独り立ちし2004 年の Nature 誌での発表は、その後に続く実に多国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchくの材料・デバイスの研究開発者にとっては、新しい透明酸化物半導体材料、薄膜トランジスタ、そして技術潮流の起点となる重要な研究成果であったことはディスプレイやメモリー等の応用技術に関する世界の論を俟たない。

エキスパート研究者による最新の研究成果も盛り込ま

細野秀雄は 2022 年、この IGZO 系の透明酸化物半導体材料と薄膜トランジスタに関する成書を以下のタイトルで Wiley 社から出版した。

56）

れているので、より正確な技術情報が得られるはずである。
本章の最後に、筆者が本系統化調査を実施するに際“ Amorphous Oxide Semiconductors: IGZO and

して、参考にさせて頂いた各種情報やその他の論文等

Related Materials for Display and Memory”の資料群も併せて紹介する 57）-85）。

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using multicomponent semiconductor channels: An
application to amorphous oxide semiconductors in In-Ga–
Zn–O system” , Appl. Phys. Lett., 90, 242114（2007）.
42） 戦略的創造研究推進事業発展研究（ERATO/SORST）
研究終了報告書：研究課題「透明酸化物のナノ構造を活用した機能開拓と応用展開」、研究期間：平成 16 年 10 月
1 日～平成 22 年 3 月 31 日
研究代表者氏名： 細野秀雄 （東京工業大学フロンティア
研究センター 教授）https://www.jst.go.jp/kisoken/archives/sorst/pdf/h21_
hosono.pdf （2022.08.23 閲覧）43） Kenji Nomura, Hiromichi Ohta, Kazushige Ueda, Toshio
Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo Hosono： “Electrontransport in InGaO（ZnO）
3
m （m=integer） studied using
single-crystalline thin films and transparent MISFETs” ,Thin Solid Films, 445, 322-326（2003）.
44） 松尾拓哉： “IGZO 技術” , シャープ技報、104, 13-17（2012年 9 月）.
45） https://www.msl.titech.ac.jp/~hosono/web-3-2004.htm（2022.08.03 閲覧）46） Hideo Hosono： “How we made the IGZO transistor” ,Nature Electronics, 1, 428（2018）.
47） 細 野秀雄教授が明かす IGZO（イグゾー）薄膜トランジス
タ開発物語 Nature Electronics 誌に発表（2018. 07.20 付）（2022.08.18 日本語版と英語版を閲覧）
https://www.titech.ac.jp/news/2018/041884
h ttps://www.titech.ac.jp/news/pdf/tokyotechpr20180720_
hosono_yx99x7fy.pdf
https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/042012
h t t p s : / / w w w . t i t e c h . a c . j p / e n g l i s h / n e w s / p d f /tokyotechpr_en_h.hosono_20180725.pdf48） 透明な酸化物の半導体 IGZO-TFT が引き起こすディスプ
レイ革命の「TAOS 発表から 10 年後にリベンジを果たす」
h ttps://www.jst.go.jp/seika/bt49-50.html（2022.08.23 閲覧）49） 顔 東工大の研究者たち 電子を巧みに操り、物質の潜在能
力を引き出す 細野秀雄（上）h ttps://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/hideo-hosono-1（2022.08.23 閲覧）顔 東工大の研究者たち 電子を巧みに操り、物質の潜在能
力を引き出す 細野秀雄（下）h ttps://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/hideo-hosono-2（2022.08.23 閲覧）50） 透明な酸化物の半導体 IGZO-TFT が引き起こすディスプ
レイ革命h ttps://www.jst.go.jp/seika/bt49-50.html（2022.08.03 閲覧）51） T riggered by the transparent oxide semiconductors

IGZO-TFT A Revolution in Flat Panel Displays https://www.jst.go.jp/EN/achievements/research/pdf/hideo_
hosono2016.pdf（2022.08.03 閲覧）52） 日 本学士院からの情報～日本学士院賞授賞の決定について～
h t t p s : / / w w w . j a p a n - a c a d . g o . j p / j a p a n e s e /news/2015/031201.html （2022.08.03 閲覧）53） 日 本 国 際 賞（The Japsn Prize）受 賞 に 関 し て は 以 下 の
URL を参照。（2022.08.03 閲覧）• Laureates of the Japan Prizeh ttps://www.japanprize.jp/prize_prof_2016_hosono.
html• 受 賞業績：ナノ構造を活用した画期的な無機電子機能
物質・材料の創製
h ttps://www.japanprize.jp/data/prize/2016/j_1_
achievements.pdf• Achievement : Creation of unconventional inorganic
materials with novel electronic functions based on
nano-structure engineeringh ttps://www.japanprize.jp/data/prize/2016/e_1_
achievements.pdf•細 野秀雄教授が 2016 年日本国際賞（Japan Prize）を受賞
https://www.titech.ac.jp/news/2016/033298• 細野秀雄教授 日本国際賞（Japan Prize）授賞式及び受賞記念講演会の報告
https://www.titech.ac.jp/news/2016/035032
54） A ron Walsh and Ji-Sang Park： “The Holey Grail ofTransparent Electronics”, Matter., 3, <3>, 604-606（2020）.
55） H. Kawazoe, H. Yanagi, K. Ueda, H. Hosono：“Transparent
p-Type Conducting Oxides：Design and Fabrication of
p-n Heterojunctions” , MRS Bulletin, 25, 28-36（2000）.
56） H ideo Hosono （Editor）, Hideya Kumomi （Editor）：“Amorphous Oxide Semiconductors: IGZO and RelatedMaterials for Display and Memory” , Wiley, ISBN: 978-1119-71557-3（May 2022）.
https://www.wiley.com/en-us/Amorphous+Oxide+Semi
conductors:+IGZO+and+Related+Materials+for+Display+and+Memory-p-9781119715573 （2022.10.07 閲覧）57） 細野秀雄：「透明で高い導電性を示すアモルファス酸化物の特異的輸送特性の解明」, 日産科学振興財団研究報告書、
24, 21-24（2001）.
58） 細野秀雄、神谷利夫：「セラミックスの電磁気的・光学的性質 Ⅱ基礎 電子状態の理解はセラミックスの研究にどう役立つか～酸化物半導体のバンドラインナップを例として～」, セラミックス、38, <10>, 825-831（2003）.
59） 細野秀雄、ほか：「機能性透明酸化物とオプトエレクトロニクス～ ERATO 細野透明電子活性プロジェクト成果～」,（月刊オプトロニクス 2004 年 10 月号からの抜粋版）
h t t ps:/ /www. mces. titech . ac. jp /au th ors/ho s o no /Articles/200410Optoronics-TEAM.pdf（2022.010.01 閲覧）60） K enji Nomura, Toshio Kamiya, Hiromichi Ohta,
Kazushige Ueda, Masahiro Hirano and Hideo Hosono：“Carrier transport in transparent oxide semiconductor
with intrinsic structural randomness probed using
single-crystalline InGaO（ZnO）
3
5 films” , Appl. Phys. Lett.
85, 1993（2004）.
61） Akihiro Takagi, Kenji Nomura, Hiromichi Ohta, Hiroshi
Yanagi, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo
Hosono： “Carrier transport and electronic structure in
amorphous oxide semiconductor, a-InGaZnO 4” , Thin
Solid Films, 486, <1–2>, 38-41（2005）.
62） 野 村研二、神谷利夫、細野秀雄：「高性能フレキシブル
TFT 実現に向けたアモルファス酸化物半導体の材用探索とフレキシブル TFT 特性」, 成形加工、17, <9>, 588-592（2005）.
63） 細野秀雄：「透明酸化物半導体：物質設計とデバイス応用」,
光学、34, <7>, 335-345（2005）.
64） Hideo Hosono, Toshio Kamiya and Masahiro Hirano：“Function Cultivation of Transparent Oxides Utilizing
Built-In Nanostructure” , Bull. Chem. Soc. Jpn., 79, <1>,
1-24（2006）.
65） 後藤義満：「透明酸化物をみつめる - 細野秀雄 -」,InterLab、
4, 53-56（2006）.
66） Hisato Yabuta, Masafumi Sano, Katsumi Abe, Toshiaki
Aiba, Tohru Den, Hideya Kumomi, Kenji Nomura,Toshio Kamiya and Hideo Hosono： “High-mobility thinfilm transistor with amorphous channel fabricated byroom temperature rf-magnetron sputtering” , Appl.
Phys. Lett., 89, <11>, 112123（2006）.
67） H ideya Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya and
Hideo Hosono：“Amorphous oxide channel TFTs” ,Thin Solid Films, 516, 1516-1522（2008）.
68） 野村研二、細野秀雄：「透明回路」, 映像情報メディア学
会誌、63, <5>, 638-640（2009）.
69） 細野秀雄：「材料ユビキタス元素戦略：材料科学の挑戦」,
学術の動向、54-59（2009.3）.
70） T oshio Kamiya, Kenji Nomura and Hideo Hosono：“Origins of High Mobility and Low Operation Voltage ofAmorphous Oxide TFTs: Electronic Structure, ElectronTransport, Defects and Doping” , J. Display Technol., 5,<7>, 273-288（2009）.
71） T oshio Kamiya, Kenji Nomura and Hideo Hosono：“Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film
transistors”, Sci. Technol. Adv. Mater., 11, 044305（2010）.
72） 雲見日出也：「アモルファス酸化物半導体の薄膜トランジ
スタ応用」, 応用物理、97, <11>, 981-987（2010）.
73） Hideo Hosono： “Exploring Electro-active Functionality  
of Transparent Oxide Materials” , Jpn. J. Appl. Phys., 52,
090001（2013）.
74） 神谷利夫、雲見日出也、細野秀雄：「アモルファス酸化物
半導体薄膜」, 表面技術、64, 392-395（2013）.
75） 松尾義之： 細野秀雄教授へのインタビュー記事 :「細野秀雄博士の研究作法」, 産学官連携ジャーナル、Vol.9, No.9,
4-21（2013）.
h ttps://www.jst.go.jp/tt/journal/journal_contents/
before2015/pdf/2013/1309-all.pdf（2022.08.06 閲覧）76） 細 野 秀 雄：「 大 型 プ ロ ジ ェ ク ト が 拓 く 精 密 工 学 の 未 来ERATO「透明電子活性プロジェクト」, 精密工学会誌、
80, <1>, 23-26（2014）.
77） 「小特集
酸化物エレクトロニクスの進展と将来展望」,
電子情報通信学会誌、97, <3>, 178-239（2014）.
• 細野秀雄：「酸化物半導体 - 総論 -」, 178-186.
• 徳光永輔、下田達也：「溶液から作る酸化物薄膜トラン
ジスタ - 溶液プロセスを用いた 全酸化物薄膜トランジ
スタの作製と評価 -」, 187-192.
• 竹知和重、岩松新之輔：「アモルファス InGaZnO4 薄膜
トランジスタのトップゲート効果解析」, 193-197.
• 秋永広幸、玉井幸夫、島久、粟屋信義：「機能性酸化物を用いた不揮発性メモリ RRAM - メモリ動作の信頼性向上を目指して -」, 198-204.
• 東脇正高：「酸化ガリウムパワーデバイス研究開発の現状と今後」, 205-208.
• 吉川貴史、内田健一、齊藤英治：「スピンゼーベック効
果熱電変換」, 209-214.
• 白井肇、上野啓司：「酸化グラフェンの太陽電池基盤材
料としての応用と将来展望」, 215-221.
• 田辺圭一：「酸化物超伝導エレクトロニクス」, 222-226.
• 塚﨑敦、小塚裕介、川﨑雅司：「ZnO ヘテロ構造を用いた光・電子素子応用への展望」, 227-232.
• 田畑仁：「バイオ分野における酸化物オプトエレクトロニクス」, 233-239.
78） 細野秀雄：「透明なアモルファス酸化物の半導体 : 物質設計と応用」, 化学と教育、63, <1>, 4-7（2015）.
79） 2 016 Japan Prize 受賞者： 細野秀雄 博士：業績解説文「ナノ構造を活用した画期的な無機電子機能物質・材料の創製」

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

191

 ttps://www.japanprize.jp/data/prize/2016/j_1_hachievements.pdf （2022.08.01 閲覧）80） H ideo Hosonoa, Junghwan Kima, Yoshitake Todaa,
Toshio Kamiya and Satoru Watanabe：“Transparent
amorphous oxide semiconductors for organic electronics:
Application to inverted OLEDs” , PNAS, 114, <2>, 233238（2017）.
81） 松 尾 義 之（ 細 野 秀 雄・ 東 京 工 業 大 学 教 授 へ の イ ン タビュー）：「材料科学の “新大陸” を発見 研究にオール・オア・ナッシングはあり得ない」、産学官連携ジャーナル、
5, <6>, 6-11（2009）.
82） 細 野秀雄：「材料研究の醍醐味はこれから」, PanasonicTech. J., 63, <2>, 112-117（2017）.
83） 「次代への羅針盤：
やりたいことをやればいい 細野秀雄」、
Harima Quarterly、No.133, 2-5（2017 Autumn）
h ttps://www.harima.co.jp/hq/compass/133/pdf/
compass_no15.pdf （2022.10.02 閲覧）84） H ideo Hosono： “Transparent oxide semiconductors:
Materials design, electronic structure,   and device
applications” Engineering Conferences International（ECI）Digital Archives, Conference Dates：（May 19-23,2019）.
https://dc.engconfintl.org/ulsic_tft_vii/53/ （2022.10.02
閲覧）f i l e : / / / C : / U s e r s / O w n e r / D o w n l o a d s / 1 % 2 0 - % 2 0
Overviews%20-%20Hideo%20Hosono%20-%20%20（1）.pdf（2022.10.02 閲覧）85） 神 谷利夫：「機能性化合物の設計 イオン性固体の電子構
造の直観的な理解からアモルファス酸化物トランジスタ

192

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchの実用化まで」, 金属、90, <10>, 846-854（2020）.
86） 細野秀雄の JST プロジェクトの研究成果関連の詳細な情報は、以下からも知ることが出来る。
• ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」：
総括責任者：細野秀雄（東京工業大学フロンティア創造
共同研究センター教授）
研究期間： 1999 年 10 月～ 2004 年 9 月
https://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/
htd_PJ.html （2022.10.05 閲覧）• ERATO「細野透明電子活性プロジェクト」の研究終了
報告書（JST プロジェクトデータベース）：
h t t p s : / / p r o j e c t d b . j s t . g o . j p / f i l e / J S T PROJECT-7700000065/JST_1113100_7700000065_2004_%E7%B4%B0%E9%87%8E_PER.pdf （2022.10.05 閲覧）• 細野透明電子活性プロジェクトの研究成果：
https://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/
htd_pj/results_1999-2004_hosono.pdf（2022.10.05 閲覧）•E
 RATO「細野透明電子活性プロジェクト」の論文リスト（2004 年 9 月 30 日現在）
https://www.jst.go.jp/erato/research_area/completed/
htd_pj/publications_1999-2004_hosono.pdf （2022.10.05
閲覧）
•（独）

科学技術振興機構 創造科学技術推進事業 追跡評価
用資料
ERATO 細野透明電子活性プロジェクト（1999-2004）
h ttps://www.jst.go.jp/erato/evaluation/follow/
follow1999_hosono_shiryo.pdf（2022.10.05 閲覧）6 知的財産活動への取り組み

その後、ERATO のプロジェクト発足前までの間に、

6.1 登録特許について

細野は HOYA と共同研究を開始しており、ERATO

知的財産（以降、知財と略記）に関しても細野グルー

野と HOYA の研究者は共同で非晶質（アモルファス）

プは、非常に精力的な特許活動を行っている。IGZOの導電性酸化物に関する重要な基本的な特許を出願

系透明酸化物半導体の発表からすでに 18 年が過ぎてし、その後、特許第 4170454 号として登録され、権利いることから、本調査では登録特許についての現在の維持出来る最長の 20 年間保有されていた経緯がある。

状況をもとに、筆者なりの見解、あるいは推測を交え

この特許に関しては、出願されたのが ERATO 開始て以下に報告する。

前ということもあったためであろうと推察されるが、プロジェクト開始の凡そ 1 年前の 1998 年 7 月に、細この細野グループによる IGZO 系透明酸化物半導体

その特許明細にはトランジスタに関する記述はなされが発明される以前に、HOYA 株式会社（以降、HOYAていない。この時点ではまだ、トランジスタのチャネと略記）に所属していた折田政寛らによる新しい透明ル層への応用の構想は、HOYA 側は勿論、細野の方

導電性酸化物 InGaZnO4 結晶に関する研究論文にも無く、単純に ITO の代替の導電性酸化物材料のが1）, 2）

発表されていた経緯もあったことから、当然ながら民有力候補という位置付けだったのかもしれない。

間企業である HOYA から、それらに関連する特許がその後細野は、HOYA の研究者であった折田政寛

出願され 4 件が登録された。特許第 3947575 号、特と太田裕道の 2 名を ERATO プロジェクトの発足と許第 3644647 号、特許第 3881407 号、そして特許第同時に主要なプロジェクト研究者として招聘した。そ3945887 号の 4 件である。

れ以降、ERATO 及びその後継の ERATO-SORST もすでに 2 章でも述べたように、「導電性酸化物」と「酸含めて、一連のプロジェクトの研究成果に対して、東化物半導体」とは物理的に全く異なる機能をもつ物質

京工業大学教授の細野らによって出願された世界初のである。これら 4 件の登録特許は、InO6 の八面体構「IGZO-TFT」に関する基本特許群に関しては、明細造を有する、あるいは高キャリア密度を謳った IGZO

書の上位請求項の中に、『（電界効果型）薄膜トランジ

系導電性酸化物結晶、あるいはその薄膜に関する基本

スタ』、あるいは『非晶質（アモルファス）』などの重的な材料特許であった。

要な技術文言が明記されている場合が殆どである。

表 6.1

細野秀雄が発明者となっている IGZO 系透明酸化物半導体トランジスタに関連する登録特許群（左側が国内の登録特許、右側が米国の登録特許）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

193

194

ここで ERATO 発足前の細野の登録特許も含めて、当時の東工大 TLO の清水勇理事長（当時、東工大教

発明者として『細野秀雄』が明記されている IGZO に授でアモルファスシリコン研究のパイオニアの一人）

関連すると思われる日本国内の登録特許のリストをと相談した。その 2 ヶ月後の 5 月に、TLO を介して

表 6.1（左欄）に示す。

キヤノン株式会社（以降、簡略してキヤノンと略記）

この表 6.1 の国内登録特許のリストから、細野秀雄との打ち合わせがセッティングされた。その打ち合わの「a-IGZO TFT」に関する基本発明は、2004 年 3 月

せにおいて、キヤノン先端融合研究所のリーダーで12 日（優先日）に出願され、今日登録されている 3 つ

あった雲見日出也は、アモルファスシリコンに替わるの登録特許：特許第 4568828 号（In-Ga-Zn-O 系透明ア

新しいアモルファス酸化物半導体の登場を直感したと

モルファス酸化物薄膜、及び薄膜トランジスタ）、特いう 3）。アカデミックな創造性研究を研究の重心に据許第 4568827 号（In-Ga-Zn-O 系透明アモルファス酸化

えていきたい東工大側のマインドと、企業の長期的視物薄膜の気相成膜方法）、特許第 4620046 号（In-Zn 系、点も含めてデバイス応用技術等の企業経験を活かし

In-Sn 系、In-（Zn,Sn）系アモルファス酸化物薄膜トラていきたいキヤノン側のマインド、この双方の Win-ンジスタ）であると考えられる。

Win の関係が相互に確認されるに至り、同年 9 月に

表 6.1 に示すように、細野の日本国内の登録特許案

東工大とキャノンは共同研究を開始した 3）。なお、こ件だけでも 20 件以上あり、2022 年 8 月現在においての共同研究は ERATO の後継の ERATO-SORST とはも、その大半が権利保有の状況である。同様のこのこ

全く別個の位置づけのものである。

とは海外にも当てはまる。今日、米国特許として成立

キヤノン側のリーダーである雲見日出也はキヤノン

している細野の発明特許も 20 件（分割された特許案の研究員と一丸となって、単にアモルファス酸化物半件も含む）を上回っている。表 6.1（右側の欄）を参照。

導体の材料技術だけでなく、ダイオードや薄膜トラン

大学発の出願案件をこれだけ多く登録査定に導くに

ジスタ等の要素デバイス、アクティブマトリックス等

は、特許に十分精通する識者が、細野のプロジェクトの要素回路、さらにはディスプレイやセンサーなどのの周囲に常時いて、素晴らしいタッグを組んで進めて

部品デバイスから応用製品に至るまで、視野を広げた

いたのではないだろうかと想像する。すなわち有能な特許明細（請求項の構成等も含む）の構想を描き、そブレーンの存在である。調査を進めると、弁理士の西れらを基軸に後々市場で優位性を保てる特許明細の再

義之は、ERATO 開始早々の 2000 年の光学ホログラ

構築を短期間に実施した 3）。そのキヤノンの支援は、

ム関連の特許出願に始まり、酸化物系 pn 接合ダイオー

実質 9 月に開始される訳であるが、相当な密度のボド、そして IGZO 系透明アモルファス酸化物半導体薄リューム・ワークの中で、一方では Nature 誌での論

膜トランジスタや新物質として登場したエレクトライ

文発表の時期も迫っていることから、予定している特ド、加えて鉄系超伝導物質等の案件を経て、2015 年

許出願日に合わせて、Nature 誌事務局から届いていの遷移金属ニクタイド化合物に関する特許出願までのた投稿原稿の査読コメントに対する返信メールのタイ

15 年間に亘り一貫して、細野の特許事案を総計で 50

ミングを調整したほど慎重に対応した。Nature の発件以上も扱っていることが今回の調査から判明した。

表が 2004 年 11 月 25 日なので、それ以前に重要な特非常に有能であったと思われる西義之と細野は、15許は出願を済ませておく必要があったということであ

年以上もの間多くの革新的な機能性材料の特許化といる。すなわち細野らのグループは、それだけこのアモう共通目的において、お互いに信頼しあえる関係とし

ルファス酸化物半導体材料の技術がアモルファスシリてタッグを組んできたと想像する。そして Nature 誌

コンの牙城を塗り替える可能性を信じていたと推察さの発表期日を想定して、その期日以前に重要な特許のれる。今日多くの登録特許の明細書に記載されている

出願を済ませておきたいという理由から、2003 年夏

優先日の 2004 年 11 月 10 日には、上記のような緊迫頃以降に知財活動が本格化されたものと推測される。

した背景があった。加えて雲見らのキヤノンチームは、

なお、この知財活動の本格化のスケジュールは、基本

細野の「IGZO-TFT」の基本特許の重要性から、海外特許群の出願が 2004 年 3 月であることから半年前ほへの知財戦略も同時並行して考え、PCT 出願や PCT

ど逆算しての推定であり、結晶 IGZO-TFT の Science

条約に加盟していない台湾への直接出願なども含め論文が 2003 年 5 月 23 日であることも加味すれば、もて、アモルファス酸化物半導体トランジスタの産業化

う少し前から準備していたのかもしれない。

に向けて極めて重要な支援を行った 3）。

2004 年 3 月中旬頃に、東工大の細野は、今後の開このようにキヤノンとの共同研究が特許活動にも大発には特許も含め企業との連携が必須になると考え、きく貢献しており、細野側（国立大学法人東京工業大

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March学）とキヤノンの共同出願による国内の登録特許は 14

らず多くの大学教授は「基本特許だけで十分」という件ある。特に登録されている特許第 5138163 号と特許認識を持たれている方が多い。実際、細野プロジェク

5589030 号に関しては、両登録特許の請求項の上位概トにおいても初期にはそうであったように思われる

念に、『微結晶を含む非晶質酸化物の電界効果型トラ

が、絶好のタイミングで民間企業であるキヤノンの戦ンジスタ』の記載があることから、特許戦略の視点に

略的な特許出願の考え方を導入したことにより、結果

おいても大変意義深いのではないかと思われる。

的に細野プロジェクトとしてはシステマティックな特2012 年 1 月 23 日に、東京都港区台場のホテル東許出願が達成された訳である。民間企業の考え方の導京日航で開催された「国際知的財産活用フォーラム

入が「IGZO-TFT」技術の産業化に大きな貢献を果た2012」（主催：工業所有権情報・研修館）において細野

した典型的な事例であろう。

は、『大学教員にとっての知財の効用と苦悩：個人的また TFT デバイス開発の強化支援という技術的観体験から』と題した特別講演を行っている。その時の点からも、キヤノンの参画は大きなプラスとなった。

講演内容が、日経クロステックの記事の中の、「ERATO

キヤノン側のリーダーであった雲見日出也は、参画の研究開発成果である新材料の産業化を強く志向」と初期に細野グループの主要メンバーらと共に、産経いう見出しの節に、キヤノンとの共同研究の意義とそ

新聞社主催の第 19 回（2005 年度） 独創性を拓く先端の重要性について、以下の通り記されている 。

技術大賞特別賞を受賞した 5）。その後も雲見らは、こ4）『東工大とキヤノンは、アモルファス酸化物半の IGZO 系アモルファス酸化物半導体薄膜トランジス

導体の IGZO 製 TFT を応用する研究開発を進めタの技術に関する論文を継続的に発表している 6）-28）。

た。この時に、東工大とキヤノンが共同出願した

特 に キ ヤ ノ ン の 薮 田 ら の 論 文 6）は、 ア モ ル フ ァ ス

応用・周辺特許もパテントプール化され、科学技

a-IGZO 薄膜をスパッタ製膜した世界初の論文であり、術振興機構に技術移転によるライセンスを委託す

被引用数も非常に高い論文として注目される。

ることになった。細野教授は、大学が独創的な基

その後、上記の西義之弁理士や、当時 JST 特別プ

本特許を産み出しても、応用に関心を持つ企業とロジェクト推進室（その後の研究プロジェクト推進

共同研究を実施し、多くの応用・周辺特許を出願部）に在籍し、以来 ERATO-SORST、ACCEL と戦略しないと「産業化が難しいということを、企業と的創造研究推進事業領域を力強くサポートしてきた古の共同研究などから学んだ」という。
』

川雅士、そして ERATO プロジェクトの技術参事で上記インタビュー記事からも判るように、細野に限あり常に細野とのパイプ役を担った平野正浩、このよ

図 6.1

IGZO-TFT の特許が、全世界で登録されていることを示すイメージ図（細野秀雄教授のご厚意より本資料を受領・掲載。地図中の挿入写真は、韓国サムスン電子との実施許諾契約時のもの。）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

195

うなメンバーをコアとしながらも、今後に必要な特許のライセンスを受ける契約をしながら、片方で株式会のライセンス契約（実施許諾契約）や特許係争案件に社半導体エネルギー研究所（以降、簡略して SEL と略備えて、民間企業で豊富な経験を持たれている尾崎勝記）において開発している「別の IGZO」を採用してや高橋雄一郎法律事務所の高橋雄一郎弁護士・弁理士

製造・生産しているようにも受け取られてしまう。こをはじめ、クオリティーの高いメンバーを加えながらのシャープからの公表内容は、すでに特許のライセン

個々に細かい分担などを決めて、極めて機能的にミッス契約を済ませていた JST 側としては、非常に不可ション遂行へ向けた活動をされたと推察できる

解な、あるいは『寝耳に水』のような苦いニュースリ。

29）, 30）

結果的に細野グループの IGZO 酸化物半導体トラン

リースと映ったのではないだろうか。

ジスタ関連の特許は、今日、ヨーロッパ、韓国、中国、

上記のような誤解・誤認が生まれてしまうことを懸

台湾、オーストラリア、インド、カナダ、ブラジル、

念して、JST 側とシャープ側の両者は再度協議を行っ

そしてロシア等、世界各国で登録されており、その概たものと推察する。結果として 5 月 29 日に、「特許の略のイメージを図 6.1 に示す。

実施許諾契約をすでに 1 月 20 日に済ませていた」という事実の公表 34）に至ったものと想像する。そのと6.2 特許のライセンスについて『シャープは、科学技術振興機構（理事長：中村
道治、以下 JST）と、酸化物半導体（IGZO）を用「IGZO-TFT」の特許所有者である JST（理事長：

いた薄膜トランジスタに関する特許のライセン北澤宏一）は、2011 年（平成 23 年）7 月 20 日に、細野

ス契約を、本年 1 月 20 日に締結しました。当社

らが発明した高性能な IGZO 系薄膜トランジスタ技術

が IGZO を採用した液晶パネルの本格的な生産にに関する特許のライセンス契約（実施許諾契約）をサ移行したことから、このたび JST との合意に基

ムスン電子株式会社（代表取締役 CEO：崔志成）と締づき、本件についてお知らせいたします。当該特結した。サムスンへのライセンス事案は、民間企

許は、東京工業大学（学長：伊賀健一）の細野秀

業としては、国内外を通じて初めてのライセンス契約

雄教授らが、JST の創造科学技術推進事業のプである。

ロジェクトにおいて発明したもので、東京工業

31）

続いて 2012 年 1 月 20 日に、JST は国内大手企業の大学などの出願を含め数十の特許群から構成さシャープ株式会社（以降、簡略してシャープと略記）

れ、JST が一括でライセンスを実施しています。

と細野の酸化物半導体トランジスタ技術に関して、ラ2004 年同教授らは、薄膜トランジスタに用いる

イセンス契約を結んだ 32）。

と、従来の液晶パネルで採用されているアモル

ただ、そのシャープとのライセンス契約の事実が公

ファスシリコンに比べて電子移動度が 1 桁高いこ表されたのは、契約締結から 4 か月ほど後の 5 月 29とを見出し、同年 11 月には科学雑誌「Nature（ネ日である。何故、発表がこんなにも遅れたのだろうか。

イチャー）」で成果発表しました。シャープでは、

両者合意の下での「当面の非公開事案」だったのだろ

この IGZO を採用した高性能な液晶パネルを株式うと推察するが、JST 側に発表を遅らせる理由は筆者

会社半導体エネルギー研究所（本社：神奈川県厚には考えられないので、恐らくはシャープ側にその都

木市、代表取締役社長：山﨑舜平）と共同開発。

合があったのではないだろうかと想像する。そのようその生産を、亀山第 2 工場で 3 月より開始し、4な想像を巡らせてしまう根拠の一つが、シャープが同

月から本格的な生産に移行しています。高精細化

年 4 月 13 日に公表した内容であると低消費電力化が図れるため、モバイル機器や高。そのニュース

33）

リリース記事の一部を抜粋して以下に転記する。

196

きの公表文面を抜粋して以下に示す。

精細ノート PC、高精細液晶モニターなどの幅広『当社は、世界で初めて、酸化物半導体（IGZO）

いアプリケーション向けに供給し、新しい商品市※を採用した高性能な液晶パネルの生産につい場の創造に貢献してまいります。』て、亀山第 2 工場で 3 月より生産を開始し、4 月

この改めての公表文面から、①シャープがライセンから本格的な生産に移行します。※酸化物半導体

ス契約を受けた当該特許は、東京工業大学の細野秀（IGZO）を用いた薄膜トランジスタを、株式会社雄教授らが JST の創造科学技術推進事業（ERATO）

半導体エネルギー研究所（本社：神奈川県厚木市、のプロジェクトにおいて発明したものであること。

代表取締役社長：山崎舜平）と共同開発 』②シャープは、この細野の IGZO 技術を採用して高性

この文章では、シャープは一方で JST から IGZO

能な液晶パネルを株式会社半導体エネルギー研究所と国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March共同開発すること、この 2 事案の物事の流れ（上下関ると、IGZO-TFT 技術がディスプレイ分野において係）が明確になった。ニュースリリースの読み手側か如何に重要な技術と認識されていたかということと同らすれば実にすっきりと辻褄の合う文面に再校正され時に、当該技術に関する当時の JST、世界屈指のディたとの印象である。

スプレイメーカーであるシャープ、そして SEL、そしかしシャープは、その直後となる 6 月 1 日に、れぞれ三者三様の立場が明瞭に把握でき、酸化物半導SEL と共同で、新しい IGZO 系材料についての発表

体トランジスタの黎明期における研究開発の現実が垣を実施した

間見え、実に感慨深い。

。その記載内容の主要なポイントを抜

35）

さて、薄膜トランジスタ技術の特許のライセンス契粋して以下に記す。
『当社と半導体エネルギー研究所は、高い結晶約の世界における展開に関して、ここで少し触れてお性を有する、酸化物半導体（IGZO）の新技術を共きたい。筆者の知る範囲では、全世界において、どん同開発しました。～中略～共同開発した IGZO は、な業種の会社に何件ライセンスされたかという情報

In（インジウム）、Ga（ガリウム）、Zn（亜鉛）には、JST 側からは残念ながらまだ公開されていない模より構成される酸化物半導体に結晶性を持たせた様である。ただ、筆者も機能性酸化物薄膜の研究に長ものです。現行の IGZO に対し、より一層の薄膜く携わってきた経験から、初期の段階で薄膜作製用のトランジスタの小型化や高性能化が実現でき、高ターゲットメーカーへ特許のライセンスが始まるよう精細化が進むスマートフォンなどモバイル機器向に思われる。そうしないと、ディスプレイを生産する

けの液晶ディスプレイへの採用が期待できます。

ための薄膜トランジスタを作製できないからである。

さらには、有機 EL ディスプレイへの適用も可能

実際 JX 日鉱日石金属は 2010 年に他社に先駆けて初です。
』

めて長さ 2.7 メートルの大型スパッタリングターゲッ

加えて、その同じニュースリリースの補足資料には、

トの量産化に成功し、2015 年 7 月に、細野と JX 日鉱

以下の記載まで加筆されていた。
『シャープ株式会社と株式会社半導体エネル

日石金属の大井社長は、第 40 回の井上春成賞を受賞している 36）。その受賞挨拶の中で細野は、ギー研究所は酸化物半導体の開発において、新し『今回、共同受賞する JX 日鉱日石金属は、最い結晶構造を見いだしました。両社で、この結晶

初にその技術を完成させ、2010 年で東工大が主構造を CAAC（C-Axis Aligned Crystal）と名付け催した国際ワークショップ（TAOS 2010）の際にました。
』

実物を展示しました。これによって実用化の準備

この 6 月 1 日のシャープからのニュースリリースのが整いつつあることが参加者に伝わりました。ま

内容は、筆者の理解では、細野らが開発した IGZO 系

た、特許ライセンスを最初に受け製品化に成功しアモルファス酸化物半導体よりも、より一層小型化やました。その後、内外の多くの企業がそれに倣っ高性能化が実現できる全く別個の配向性のある結晶ています。同社の高い技術力とモラルに敬意を表

性 IGZO 系酸化物半導体の新技術を SEL と共同開発します。』

したという内容と理解できる。そうであれば、数日前と述べており、JX 日鉱日石金属への特許のライセに発表した JST と交わしたライセンス契約の意図は、ンス契約が一番早かったと打ち明けている。その他、「SEL だけの技術では製品化まで漕ぎつけられない」

日本国内には材料・素材メーカーも多いので、海外のと事前に判断して、JST の所有する「IGZO-TFT」のターゲットメーカーへの実施許諾契約も合わせると基本特許群の特許ライセンスを早めに受けておくとい10 件ほどになるのではないだろうかと筆者は考える。

う決定をしたとも考えられるが、真相は想像の域を出細野グループで活躍され、現在教授の神谷利夫のない。当時、独立行政法人であった JST の知財関係

2013 年の解説論文 37）に、大型スパッタリング装置と者の立場も考えると、実施許諾契約をした相手が世界それに使用される大型ターゲットについての詳細な記

屈指の日本の民間企業ということもあり、相当悩まし載がなされている。なお参考イメージとして、当時のい事案だったのではないだろうか。

スパッタリング装置用のターゲットの大きさがわかる

企業における特許戦略は、極めて小さなことでも事

写真を図 6.2 に示す。

業を大きく左右することもあるので、筆者のような外一方で、ディスプレイメーカーでは多くの場合、部の人間がコメントすることはなかなか難しい。ただ、TFT も自社で内製する場合が多い。上述の韓国サム

このような 2012 年の一連のニュースリリースの経緯

スン、シャープを含め、国内外の大手ディスプレイ企

を、10 年以上を経ている今日の視点で改めて俯瞰す

業・液晶パネル製造企業などにも特許のライセンスを

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

197

も制約されない一般実施権を出しただけで、たま
たま最初の契約がサムスンでした。
「先行」ではありません。今は LG にもシャープなど日本企業にも、中国の企業にも同様に出しています。われわれの IGZO が典型例ですが「使わざるを得ない」というケースがあります。IGZO なんていう材料
は、基本的に、みんな使いたくなかったのです。
みんなが半導体はシリコンだと思ってる中で、酸化物のような汚い材料を使うのは抵抗があった。
それでも使わざるを得なかったのは簡単で、誰が試しても初めからアモルファスシリコンの 20 倍の性能が出たからです。いいとか悪いとかじゃな
くて、やらざるを得なくなったんですよ。材料自体がよくて簡単に作れたので、あっという間に普及したのです。』
図 6.2

大型成膜装置用のターゲット（古川雅士様（JST）のご厚意による）

このように、初期の IGZO トランジスタ特許のライセンスの詳細な経緯や、細野の目を通した商品化普及の背景などが詳細に記されており、非常に興味深い。
これらの一連の知財活動への尽力が認められ、細供与していると想像される。実際、世界のどういった野は 2013 年 10 月に、第 12 回日本イノベーター大賞

企業に、細野らの「IGZO-TFT」特許の実施許諾契約

優秀賞（日経 BP 社主催）を受賞した 39）。この賞は独がなされたのか、その辺の情報がもっと正確に公開さ創的なアイデアで新しい市場を切り開いた人材に贈られれば、大学での基礎研究が大きく産業化に寄与したれる賞で、今回の優秀賞の受賞は、細野らが開発した

良き具体的な事例として、次代を担う若手研究者にもIGZO 系薄膜トランジスタの技術が、充実した知財権

ポジティブ・フィードバックされ、良き刺激となってを背景に、実際に大手企業から新規フラットパネル・還元されるのではないだろうか。

ディスプレイとして実用化され始めた事実が高く評価されたものである。上記ニュースリリースの中で、細6.3 大学発の知的財産を産業化の観点で死守

198

野からプロジェクトのメンバーへの感謝のコメントが掲載されており、以下に抜粋する。
『この研究は JST の ERATO と ERATO-SORST

細野が「材料研究は学術だけでなく、その成果が産のプロジェクトの成果の一つで、野村研二博士（現業に役立ってこそ本物である」と口癖のように話していカリフォルニア大学サンディエゴ校准教授）、神谷

ることを知る方々も多いと思われるが、その具体的内容

利夫博士（現フロンティア材料研究所教授）、初を端的に示したのが韓国の特許庁・審判廷で拒絶査定

期に共同研究を行ったキヤノンの研究者の方々、への不服申し立てをした一幕である。本節の後半では、ならびに特許に関してお世話になっている JST

それらの内容についても可能な範囲で具体的に触れる。

知財センターの関係者に厚くお礼申し上げます。
』

まず、2013 年発行の産学官連携ジャーナルでの細（※野村博士と神谷博士の現所属は、ニュースリ

野へのインタビュー記事 38）から、一部を抜粋して記

リース当時の所属から変わっているので、2022

載内容を紹介する。

年 8 月現在の所属に修正した。）『この技術はすでに商売のタネになっていて、さらに細野は、2015 年 2 月 25 日に JST より、独特許を含め、企業・関連機関間で壮絶な闘いが展

創的な研究成果に基づく知的財産の創造と活用を通し開されています。ただ、一部の新聞が「画期的半て日本の科学技術の発展に寄与した優れた研究者に贈導体特許をサムスンに先行供与」と報道したのはられる知的財産特別貢献賞が細野に授与された 40）。

間違いです。あの裏には韓国における私たちの特図 6.3 に受賞時の関係者との集合写真を提示する。

許裁判があって、その裁判に私たちが勝ったので、この知的財産特別貢献賞の創設は 2011 年であり、正式にサムスンにライセンスしたのです。どこに

第 1 回受賞者は青色発光ダイオードを開発し、2014

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

『「IGZO 系酸化物半導体 TFT」のオリジナリ
ティは、JST の創造科学技術推進事業（ERATO）の「細野透明電子活性プロジェクト」でリーダーを務めた東京工業大学の細野秀雄教授（現在、同大学栄誉教授および元素戦略研究センター長）らにあることが、技術的かつ学術的に認められています。JST が現在「IGZO 系酸化物半導体 TFT」のライセンスを進めている特許群には、TFT における活性層が、単結晶、多結晶、微結晶、アモルファスのいずれの薄膜の特許、および周辺特許
図 6.3 知的財産特別貢献賞を受賞された際の写真 44）

等がパッケージ化されています。そして当該特許（敬称略： 左から順に、尾崎勝（JST）、難波良雄（JST）、西義之（弁理士）、細野秀雄（教授）、古川雅士（JST）、久保正浩（JST）、
三木真一郎（JST））30）

群は JST が一括し、企業等に対してライセンス
しています。特許群の内の基本特許等の主要特許について、日本、韓国、台湾、欧州、米国、中国
等において登録・権利維持し、通常実施によるラ

年にノーベル物理学賞を受賞した名城大学終身教授のイセンスを行っていますので、これからディスプ

赤崎勇であった。細野は第 2 回の受賞者となった。東レイやメモリー等に IGZO 系酸化物半導体 TFT

京工業大学のニュースリリースに、細野から知財化にの採用をお考えの企業様にもライセンス可能と関するコメントと周囲の研究者の努力への感謝の弁

なっています。

が、以下のように記されている 40）。

に含まれる一部の特許につきましては、平成 26～中略～また、当該特許群『1995 年の第 16 回アモルファス半導体国際会

年（2014 年）頃より、株式会社半導体エネルギー

議で初めて発表した移動度の大きなアモルファス

研究所が、権利者である JST 等を相手に、日本、酸化物半導体（TAOS）の設計指針を基に、1999

韓国、台湾および欧州において無効審判請求や異年から開始した JST ERATO「透明電子活性プ

議申立等をするなどして上記特許の有効性を争っ

ロジェクト」のなかでその TFT 応用の研究をてきましたが、いずれの国においても上記特許行い、その成果を論文（Science 誌と Nature 誌）の有効性が確認され、平成 31 年（2019 年）4 月 13と知財化しました。論文と特許が既に 5,000 回以

日をもって、すべての事件が終了しました。』

上も引用されることになっただけでなく、実用

このように、JST からの通告で、細野の特許群は、化にも繋がり、良かったと思います。移動度の登録された当初の明細書の記載内容通り、ほぼ無傷の大きい IGZO などの酸化物 TFT は、有機 EL のまま今日においても権利保有されている。

駆動を想定して研究を始めたもので、やっとこ

上記の JST からの「IGZO 特許」に関する HP 記載

こにも使われだしたようです。野村研二博士（現の内容に接して思うことがある。日本の大学教授や研Qualcomm）、神谷利夫博士（東工大）、平野正浩

究者が、新たな研究、大学の運営、学生の指導等の傍博士（元 JST）、太田裕道博士（現北大）、折田政らで、5 年間もの長きにわたり、執拗なまでの特許無寛博士（元ホーヤ）など共同研究者の方々に厚く効の異議申し立てを受け、自身の基本特許発明の有効

感謝いたします。また、故清水勇教授（当時、東性を国内外の特許庁や裁判所に対して直接主張し防御

工大 TLO 理事長）の紹介で、有益な共同研究をしなければならなかった労苦を思うと、今後、大学が実施できたキヤノンの関係者の方々にも御礼を申特許を出願・保有しようとする際には、JST や大学のし上げます。
』

知財関連部署からより一層強力な支援を受けられるよ2019 年 7 月 17 日、JST か ら、『～「IGZO 系 酸 化 物

うな支援体制を構築することが必要と思われる。

半導体 TFT」の研究・開発・事業化を検討されてい知 財 に 関 す る 同 様 な 内 容 が、2019 年 6 月 11 日、る企業の皆様、ならびに「IGZO 商標」に関心のある

JST から『研究成果にかかる知的財産権の保護・活皆様へ～』という内容のお知らせが HP 上で公開され用に対する取組』に関するお知らせとしてアナウンスた。アモルファス IGZO 系酸化物半導体トランジスされている 42）。加えて、『IGZO 特許訴訟決着 細野秀

タの知財権に関する重要な内容が告知されているので、雄教授の発明にお墨付き』というニュースリリース記

ここに改めてその骨子の部分を以下に抽出して記す。

事（2019 年 6 月 20 日）にも公開されている 43）。さら41）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

199

に、JST 発行の 2019 年 11 月の産学官ジャーナル編

細野教授は当該特許申請の請求人である科学技術

集長の山口泰博による細野秀雄へのインタビュー記事

振興機構の代理人弁理士の “補助説明者” として、も、権利維持における種々の苦労談などが記載されて韓国の特許庁の拒絶決定不服の場に立った。このいる時の体験から「研究者本人がその研究成果の新規。その中で、特に筆者が重要と思える記述が44）あるので、それを以下に抜粋して提示する。

200

性などを丁寧に説明することが大切と感じた」と『経験しないと特許の有難みは分からない。そし、「発明者が本気で特許成立に取り組まないと、して、特許係争には発明者自身が自ら関わって特許係争には勝てないと感じた」と続ける。』

やらないと駄目だと分かりました。学術の領域

この韓国における拒絶査定への不服申し立ては、細で高いオリジナリティが求められているのに、そ野が JST 理事長の北澤宏一に相談し、北澤理事長かの知財に関する係争に負けてはアカデミアとしてらの篤い支援とキヤノンからの助言も得て実現したも悪い前例になってしまいます。終結まで 6 年もかのであるが 45）、その内容は以下の情報 46）からも伺いかりました。

研究者は論文が重要で知ることができる。その中で細野のよりストレートなすがそれだけではなく、世の中で使われるものを心の内が吐露されており、そこを抜粋して以下に紹介

生み出さないといけないと、自分で勝手にプレッ

する。

～中略～

シャーをかけました。だから、日本のディスプ『僕らが開発した透明アモルファス酸化物半導レーを扱う企業も関係者と回りましたが、当時は体「IGZO（インジウム - ガリウム - 亜鉛 - 酸素）」

全く理解されませんでした。一番熱心だったのがの特許で国際出願したところ、なぜか韓国で拒絶真っ先に先方からコンタクトしてきたサムスンでされてしまったんです。その理由は、
「容易に類

した。
』

推できる」というものでした。 ～中略～つまり日本国内の企業の殆どが傍観者側に立ち、細動いているアモルファスシリコンを満たす条件か

野の創製した全く新しいアモルファス酸化物半導体材

ら、とてもではないけれど、容易に類推できるわ

料の技術の本質を見抜いたのは、お隣の韓国の企業

けはないんですね。このような半導体の歴史をエだったという顛末である。かつて半導体立国を標榜しビデンス・ベースで、韓国の法廷へ行って、参考ていた日本のエレクトロニクス技術の地盤沈下の実情

人として約 1 時間ぐらい英語で説明しました。裁が、このような場でも表面化してしまったということ

判官たちは僕の話の途中で、あっ、と理解してくである。この事は細野自身が誰よりも悲しかったのでれて、結局、約一ケ月で判決がおりました。このはないだろうか。

ような裁判は、通常はその国の弁護士事務所に依現在

また、上記した「国際知的財産活用フォーラム 2012」

頼するのですが、出向いて行って話してよかった

での細野の講演内容 4）にも、韓国特許庁の出した拒絶と思いましたね。その後、韓国の企業がライセン査定への不服申し立てを行った際の細野の心境と対応

スを取得したのですが、その時もし負けていたら、が印象深いので、その記載をここに転記する。

特許が使われる方向へは動かなかったかもしれな『特別講演で細野教授が話したハイライトの一い、と振り返ります。
』（※当時の記事に、単純なつは、韓国の特許庁が細野教授が出願した基本特ミスがあり、
「一週間」
を
「一か月」
に修正してある。
）

許を「容易に推定できる」という理由で、特許と大学に籍を置きながら、自らが発見・発明したこのしての独自性を否定したことへの対応だった。同

IGZO 系酸化物半導体薄膜トランジスタの技術を、国

特許は日本国内では成立していたが、韓国の特許際的に著名な学術論文としての発表だけでなく、プロ庁は特許として拒絶査定するという判断を下しジェクトの多くのメンバー達や共同研究を実施したキた。2009 年 5 月だった。細野教授は学会などでヤノンからの献身的な支援と協力、さらには特許のラ

国際的に独創的な研究成果と認められている内容

イセンスや特許係争の経験を豊富に有する識者も何名であっても、特許の世界では認められるとは限らかおられたものと推察されるが、そういう方々からのないという事実に驚いた。学術界では独創的と認

的確な助言と熱心な協力も得ながら、自ら先頭に立っめられた研究成果を、特許としては認めないことて、2014 年頃からから続いていた SEL からの無効審に対して「5 年間の研究成果を否定されたものと判請求や異議申し立てに対して、2019 年 4 月に確定感じたため、当該特許の成立に精力を傾けた」とするまでの 5 年間、実に粘り強く一つ一つ対応されたいう。特許庁の審査官は原則、文献主義によってとの思いである。さらには、他国の特許庁にも出張し、特許の新規性や独創性などを判断する。
このため、審査官、審判官とインタビュー面談を実施して発明の

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March本質を理解して頂き、結果的に多くの知的財産を国内

カーに技術の橋渡しをするなど、細野の並々ならぬ気外で成立（権利化）させ、世界のエレクトロニクスメー

力と努力には畏敬の念を禁じ得ない。

コラム：「IGZO」の商標登録
シャープによる「IGZO」の商標登録に関しては、細野や JST 側に事前の相談がなされていなかったようである。研究者の間から、学会や雑誌を通して、今後「IGZO」という文字を発表したり記載したりしても良いのかどうか等の多くの不安と問い合わせが寄せられたことを重要視して、JST は、物質名である「IGZO」をシャープが商標登録した件（登録申請は JST とのライセンス契約前）で、2013 年 7 月 31 日に特許庁へ商標登録無効審判請求を行い、翌 2014 年 3 月 5 日に特許庁の審決で無効が認められた。
そもそも「IGZO」の文字は、原材料の略称として論文、国際会議、そして特許等ですでに広く使用され、また認識されてきている。シャープ１社だけに、「IGZO」という文字商標の独占使用を認めることは出来ないという根本的な考え方である。この道理に叶った裁定に対し、シャープはこの審決を不服として、東京高等裁判所内の知的財産高等裁判所へ控訴したが、知財高裁は 2015 年 2 月 25 日に、「IGZO の略称は原材料名として広く認識されている」として、シャープの登録商標を無効と判決した。（シャープの請求を棄却）
シャープの申し立て内容は、「JST は科学技術振興を図る機関であり、商品の製造・販売をしていない
ことから、無効審判請求人としての適格要件を欠いている」という趣旨であったが、本判決により、日本で初めて、特許庁が JST などの研究開発機構でも商標登録の無効審判請求人になり得るという判断を示したものであり、極めて重要事例となった 1）, 2）。なお、この内容は上記の JST からのお知らせにも告知されているが、シャープからも同時に通達されている 3）。
また、この商標登録の事案は、いろいろな角度から取り上げられており、ある意味で一つの「教材」としての意味も兼ね備えているようである 4）。
最後に本コラムを執筆するに際して、筆者らの研究成果を公表する際に、IGZO の登録商標の件で苦い思い出が蘇ってきたが、国の研究開発機構の立場でありながらも、重い腰を上げて無効審判請求に踏み切って頂いた JST（理事長：中村道治）には心の底から敬意を表したい。
参考文献
1） 下記 URL 中の＜ IGZO 商標について＞を参考に、本コラムをまとめた。
https://www.jst.go.jp/chizai/IGZO.html （2022.07.01 閲覧）
2） 加えて、2022 年 8 月 4 日（木）、筆者が尾崎勝様（元・JST 知的財産マネジメント推進部産学連携アドバイザー）にインタビューした際に、当時同じ特許のチームに所属していた久保正浩様から尾崎様に託されたインフォメーションも参考にまとめた。
3） シャープ： 訴訟の判決（控訴審判決）に関する対応について （2022.07.01 閲覧）
http://ke.kabupro.jp/tsp/20150311/140120150310409300.pdf
4） 大友信秀：「シャープに分けられないビジネスと法律の関係～ IGZO 商標無効審決取消訴訟の意味～」
Westlaw Japan 判例コラム , 第 46 号（2015 年 4 月 27 日）.
https://www.westlawjapan.com/column-law/2015/150427/ （2022.08.06

閲覧）https://www.westlawjapan.com/pdf/column_law/20150427.pdf （2022.08.06

閲覧）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

201

参考文献
1）

 . Orita, M. Takeuchi, H. Sakai and H. Tanji: “NewM
T r a n s p a r e n t C o n d u c t i v e O x i d e s w i t h Y b F e 2O 4
Structure” , Jpn.J.Appl.Phys. 34, L1550-L1552（1995）.
2） M . Orita, H. Sakai, M. Takeuchi, Y. Yamaguchi, T.
Fujimoto and I. Kojima: “A New Transparent Conductive
Oxide, InGaZnO4” , Trans. Mater. Res. Soc. Japan, 20,573-576（1996）.
3） 2022 年 9 月 13 日（火）、筆者が雲見日出也様（JST 知的
財産マネジメント推進部事業知財支援グループ主任専門員／東京工業大学元素戦略センター特任教授）にインタビューした結果に基づく。
4） 丸 山 正 明（ 技 術 ジ ャ ー ナ リ ス ト ）、 日 経 ク ロ ス テ ッ ク（2012.02.22 付の記事）「酸化物半導体の基本特許を出願して、さまざまなことを体験しました」
h t t p s : / / x t e c h . n i k k e i . c o m / d m / a r t i c l e / C O L U M N/20120221/205372/ （2022.07.10 確認）
5） 神谷利夫、野村研二、細野秀雄、雲見日出也：「アモルファ
ス酸化物半導体の設計と高性能フレキシブル薄膜トラン
ジスタの室温形成」（産経新聞社主催、第 19 回（2005 年度）
独創性を拓く 先端技術大賞特別賞受賞論文）
http://www.sankei-award.jp/sentan/jusyou/2005/index.
html （2022.08.05 確認）http://www.sankei-award.jp/sentan/jusyou/2005/toko_
canon.pdf （2022.08.05 確認）
6） Hisato Yabuta, Masafumi Sano, Katsumi Abe, Toshiaki
Aiba, Tohru Den, Hideya Kumomi, Kenji Nomura,Toshio Kamiya and Hideo Hosono： “High-mobility thinfilm transistor with amorphous channel fabricated byroom temperature rf-magnetron sputtering” , Appl.
Phys. Lett., 89, 112123（2006）.
7） T atsuya Iwasaki, Naho Itagaki, Tohru Den, Hideya
Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya and Hideo
Hosono： “Combinatorial approach to thin-film transistors
using multicomponent semiconductor channels: An
application to amorphous oxide semiconductors in In-GaZn-O system” , Appl. Phys. Lett., 90, 242114（2007）.
8） R yo Hayashi, Masato Ofuji, Nobuyuki Kaji, Kenji
Takahashi, Katsumi Abe, Hisato Yabuta, Masafumi
Sano, Hideya Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya,
Masahiro Hirano and Hideo Hosono： “Circuits using
uniform TFTs based on amorphous In-Ga-Zn-O” , J. Soc.
Info. Display, 15, <11>, 915-921（2007）.
9） Masato Ofuji, Katsumi Abe, Hisae Shimizu, Nobuyuki
Kaji, Ryo Hayashi, Masafumi Sano, Hideya Kumomi,
Kenji Nomura, Toshio Kamiya and Hideo Hosono：“Fastthin-film transistor circuits based on amorphous oxide
semiconductor” , IEEE Electron Dev. Lett., 28, <4>, 273275（2007）.
10） H ideya Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya and
Hideo Hosono：“Amorphous oxide channel TFTs” ,Thin Solid Films, 516, <7>, 1516-1522（2008）.
11） Ryo Hayashi, Ayumu Sato, Masato Ofuji, Katsumi Abe,
Hisato Yabuta, Masafumi Sano, Hideya Kumomi, Kenji
Nomura, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo
Hosono：“Improved Amorphous In-Ga-Zn-O TFTs” ,SID Symp. Dig. Tech. Papers, 39, <1>, 621-624（2008）.
12） A yumu Sato, Katsumi Abe, Ryo Hayashi, Hideya
Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya, Masahiro
Hirano and Hideo Hosono： “Amorphous In-Ga-Zn-O
coplanar homojunction  thin-film transistor” , Appl. Phys.
Lett., 94, 133502（2009）.
13） Hideyuki Omura, Hideya Kumomi, Kenji Nomura, Toshio
Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo Hosono： “Firstprinciples study of native point defects in crystalline
indium gallium zinc oxide” , J. Appl. Phys., 105, 093712

202

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March（2009）.
14） Ayumu Sato, Mikio Shimada, Katsumi Abe, Ryo Hayashi,
Hideya Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya,
Masahiro Hirano and Hideo Hosono： “Amorphous InGa-Zn-O thin-film transistor with coplanar homojunction
structure” , Thin Solid Films, 518, <4>, 1309-1313（2009）.
15） Hideya Kumomi, Seiichiro Yaginuma, Hideyuki Omura,
Amita Goyal, Ayumu Sato, Masaya Watanabe, Mikio
Shimada, Nobuyuki Kaji, Kenji Takahashi, Masato Ofuji,
Tomohiro Watanabe, Naho Itagaki, Hisae Shimizu,
Katsumi Abe, Yoshinori Tateishi, Hisato Yabuta,
Tatsuya Iwasaki, Ryo Hayashi, Toshiaki Aiba, andMasafumi Sano：“Materials, Devices, and Circuits ofTransparent Amorphous-Oxide Semiconductor” , J.
Display Technology, 5, <12>, 531-540（2009）.
16） C harlene Chen, Katsumi Abe, Hideya Kumomi andJerzy Kanicki：“Density of States of a-InGaZnO From
Temperature-Dependent Field-Effect Studies” , IEEE
Trans. Electron Dev., 56, <6>, 1177-1183（2009）.
17） T ze-Ching Fung, Chiao-Shun Chuang, Charlene Chen,
Katsumi Abe, Robert Cottle, Mark Townsend, Hideya
Kumomi and Jerzy Kanicki： “Two-dimensional numericalsimulation of radio frequency sputter amorphous
In–Ga–Zn–O thin-film transistors” , J. Appl. Phys., 106,
084511（2009）.
18） 雲見日出也：「アモルファス酸化物半導体の薄膜トランジ
スタ応用」, 応用物理、97, <11>, 981-987（2010）.
19） Katsumi Abe, Kenji Takahashi, Ayumu Sato, Hideya
Kumomi, Kenji Nomura, Toshio Kamiya, Jerzy Kanicki
and Hideo Hosono： “Amorphous In-Ga-Zn-O dual-gate
TFTs: Current-voltage characteristics and electricalstress instabilities” , IEEE Trans. Elec. Dev., 59, <7>,
1928-1935（2012）.
20） Yuichiro Hanyu, Kay Domen, Kenji Nomura, Hidenori
Hiramatsu, Hideya Kumomi, Hideo Hosono and Toshio
Kamiya： “Hydrogen passivation of electron trap in
amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors” , Appl. Phys.
Lett., 103, 202114（2013）.
21） Takaya Miyase, Ken Watanabe, Isao Sakaguchi, Naoki
Ohashi, Kay Domen, Kenji Nomura, Hidenori Hiramatsu,
Hideya Kumomi, Hideo Hosono and Toshio Kamiya：“Roles of hydrogen in amorphous oxide semiconductor
In-Ga-Zn-O: Comparison of conventional and ultra-highvacuum sputtering” , ECS J. Solid State Sci. Tech., 3,<9>, Q3085-Q3090（2014）.
22） Katsumi Abe, Ayumu Sato, Kenji Takahashi, Hideya
Kumomi, Toshio Kamiya and Hideo Hosono： “Mobilityand temperature-dependent device model for amorphous
In-Ga-Zn-O thin-film transistors” , Thin Solid Films, 559,
40-43（2014）.
23） Haochun Tang, Kyohei Ishikawa, Keisuke Ide, Hidenori
Hiramatsu, Shigenori Ueda, Naoki Ohashi, Hideya
Kumomi, Hideo Hosono and Toshio Kamiya：“Effects
of residual hydrogen in sputtering atmosphere on
structures and properties of amorphous In-Ga-Zn-O thinfilms” , J. Appl. Phys., 118, 205703（2015）.
24） Hideya Kumomi, Toshio Kamiya and Hideo Hosono：“Advances in oxide thin-film transistors in recent decadeand their future” , ECS Transactions, 67, <1>, 3-8（2015）.
25） T akatoshi Orui, Johannes Herms, Yuichiro Hanyu,
Shigenori Ueda, Ken Watanabe, Isao Sakaguchi, Naoki
Ohashi, Hidenori Hiramatsu, Hideya Kumomi, Hideo
Hosono and Toshio Kamiya： “Charge compensation byexcess oxygen in amorphous In-Ga-Zn-O films depositedby pulsed laser deposition” , IEEE/OSA J. Display
Technology, 11, <6>, 518-522（2015）.
26） J akub Grochowski, Yuichiro Hanyu, Katsumi Abe,

Jakub Kaczmarski, Jan Dyczewski, Hidenori Hiramatsu,
Hideya Kumomi, Hideo Hosono and Toshio Kamiya：“Origin of lower film density and larger defect density inamorphous In-Ga-Zn-O deposited at high total pressure” ,IEEE/OSA J. Display Technology, 11, <6>, 523-527（2015）.
27） Haochun Tang, Yosuke Kishida, Keisuke Ide, Yoshitake
Toda, Hidenori Hiramatsu, Satoru Matsuishi, Shigenori
Ueda, Naoki Ohashi, Hideya Kumomi, Hideo Hosono andToshio Kamiya： “Multiple roles of hydrogen treatments
in amorphous In-Ga-Zn-O films” , ECS J. Solid State Sci.
Tech., 6, <7>, 365-372（2017）.
28） K. M. Kojima, M. Hiraishi, H. Okabe, A. Koda, R. Kadono,
K. Ide, S. Matsuishi, H. Kumomi, T. Kamiya and H.
Hosono： “Electronic structure of interstitial hydrogen in
In-Ga-Zn-O semiconductor simulated by muon” , Appl.
Phys. Lett., 115, 122104（2019）.
29） 2022 年 7 月 21 日（木）、筆者が古川雅士様（JST イノベーション拠点推進部企画課課長／当時、特別プロジェクト
推進部に所属）にインタビューした結果に基づく。
30） 2022 年 8 月 4 日（木）、筆者が尾崎勝様（元・JST 知的財
産マネジメント推進部産学連携アドバイザー）にインタビューした結果に基づく。
31） 高 性能の薄膜トランジスターに関する特許のライセンス契約をサムスン電子と締結 －日本の基礎研究の成果が世界のディスプレイ業界へ大きく展開－
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20110720-2/index.
html （2022.07.01 閲覧）32） JST とシャープが酸化物半導体に関するライセンス契約を締結
h t t p s : / / w w w . j s t . g o . j p / r e p o r t / 2 0 1 2 / 1 2 0 5 2 9 . h t m l（2022.07.01 閲覧）33） 世 界初 酸化物半導体（IGZO）を採用した液晶パネルの生産を開始
h ttps://corporate.jp.sharp/report/igzo/index.html（2022.07.01 閲覧）34） シャープと JST が酸化物半導体に関するライセンス契約を締結
https://corporate.jp.sharp/news/120529-c.html（2022.07.01 閲覧）35） シ
 ャープと半導体エネルギー研究所がディスプレイを革新する酸化物半導体の新技術を共同開発
h t t p s : / / c o r p o r a t e . j p . s h a r p / n e w s / 1 2 0 6 0 1 - a . h t m l（2022.07.01 閲覧）h ttps://corporate.jp.sharp/report/igzo2/index.html（2022.07.01 閲覧）36） 細 野秀雄教授が、IGZO ターゲットの開発により「第 40回井上春成賞」を受賞
https://www.titech.ac.jp/news/2015/031856 （2022.08.05
閲覧）https://www.titech.ac.jp/news/pdf/tokyotechpr20150716_

hosono.pdf（2022.08.05 閲覧）37） 神谷利夫、雲見日出也、細野秀雄：「アモルファス酸化物
半導体薄膜」表面技術、64, <7>, 392-395（2013）.
38） 松尾義之： 細野秀雄教授へのインタビュー記事 :「細野秀雄博士の研究作法」, 産学官連携ジャーナル、Vol.9, No.9,
4-21（2013）.
h ttps://www.jst.go.jp/tt/journal/journal_contents/
before2015/pdf/2013/1309-all.pdf（2022.08.06 閲覧）39） 第 12 回日本イノベーター大賞優秀賞の情報• 細野秀雄教授 第 12 回日本イノベーター大賞優秀賞に選出
h t t p s : / / w w w . t i t e c h . a c . j p / n e w s / 2 0 1 3 / 0 2 3 7 7 6（2022.08.06 閲覧）• 細 野秀雄 東京工業大学教授に第 12 回日本イノベー
ター大賞 優秀賞
h ttps://www.jst.go.jp/report/2013/131025.html（2022.08.06 閲覧）40） 第２回知的財産特別貢献賞の情報• 細野秀雄氏に知的財産特別貢献賞を授与
https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20150225_05/
index.html（2022.08.06 閲覧）• 知的財産特別貢献賞（第２回）受賞内容について
h ttps://www.jst.go.jp/pr/info/info1083/besshi.html（2022.08.06 閲覧）• 細野秀雄教授が知的財産特別貢献賞（第 2 回）を受賞
h t t p s : / / w w w . t i t e c h . a c . j p / n e w s / 2 0 1 5 / 0 3 0 1 0 3（2022.08.06 閲覧）• 集 合写真は、後述の参考文献（44）の JST の URL に公開されている。（2022.07.01 閲覧）h t t p s : / / w w w . j s t . g o . j p / t t / j o u r n a l / j o u r n a l _contents/2019/11/1911-02_article.html41） 国立研究開発法人 科学技術振興機構（JST）：「「IGZO
系酸化物半導体 TFT」の研究・開発・事業化を検討されている企業の皆様、ならびに「IGZO 商標」に関心のある皆様へ」 （令和元年 7 月 17 日改訂）https://www.jst.go.jp/chizai/IGZO.html（2022.07.01 閲覧）42） JST：【お知らせ】研究成果にかかる知的財産権の保護・活用に対する取組について
h t t ps :/ / w w w .j s t .go .j p/ c hi z a i / do c s / 2 0 1 9 0 6 11 . p d f（2022.07.01 閲覧）43） JST： IGZO 特許訴訟決着 細野秀雄教授の発明にお墨付き
h t t p s : / / w w w . k e g u a n j p . c o m / k g j p _ j i n g j i /imgs/2019/06/20190620_1.pdf（2022.07.01 閲覧）44） 山口泰博、「クローズアップ：世の中の役に立ってこそ材料」、産学官ジャーナル（2019 年 11 月）
h t t p s : / / w w w . j s t . g o . j p / t t / j o u r n a l / j o u r n a l _contents/2019/11/1911-02_article.html（2022.07.01 閲覧）45） 細野秀雄教授とのコミュニケーション（2022.12.31）
46） researchmap：「file_03： 韓国の法廷で」
h ttps://article.researchmap.jp/column/201111_3/（2022.08.25 閲覧）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

203

7 その後の IGZO 関連材料・デバイスの研究開発動向と技術発展・波及7.1

論文および学会発表のステージの変化～材料研究から半導体エレクトロニクス開発へ～

細野の Nature 発表以降の全世界の研究者から発表

刊 行 さ れ た Advanced Electronic Materials 誌 に は
IGZO 関連技術が 30 報近くも発表されており、今後の展開が期待される。

された IGZO 関連の論文や国際会議での発表状況の概○ディスプレイ分野では着実に研究発表が増加傾向に略を知るため、材料・物性の視点から、ディスプレイ

あり、「IGZO-TFT」技術の魅力が保たれている証

応用、半導体回路、メモリー、センサーなど広範なエ

拠かと思われる。2018 年以降は毎年 30 報で高止まレクトロニクス応用にどのように論文や国際会議の発りしているが、量産化に目途がついてきたのかもし

表が変遷していったのか筆者なりの手法で調査を試みれない。そして実際多くの企業からディスプレイ製た。調査手法の詳細は、章末に示すので参照されたい。

品が世の中に現れてきている。

4 通りの調査［（ⅰ）、（ⅱ）、（ⅲ）、（ⅳ）］で得ら○半導体エレクトロニクス分野でも、着実に発表件数れた結果を、
横軸に 2005 年から 2022 年までの年代を、が増えてきており、「a-IGZO TFT」技術は、2007

縦軸に論文あるいは国際会議での発表報数を取った棒

年以降、メモリーやセンサー応用を含めて、新しいグラフで図 7.1 ～図 7.4 に示す。

酸化物トランジスタを搭載した半導体エレクトロニ

これらの結果から、以下の状況が想像される。

204

研究が新たに誕生していると推測され、2015 年に

クス分野に着実に浸透していると考えられる。

○ 2010 年頃までは残課題は安定性の克服であったが、以上のことから今日においては、この酸化物半導体

課題が克服され 2013 年をピークに論文も単調減少

トランジスタの発表は、材料物性の基礎的な研究ス

し、IGZO 系材料研究は終息方向に向かっている。

テージから、実用化を見据えた半導体エレクトロニク○インパクトの高い国際的な材料科学誌の動向から、スのステージに大きく置き換わったと考えられる。細

一歩水準の高い材料・デバイスの高機能化路線の野秀雄が発見・発明した「a-IGZO TFT」技術は、材

図 7.1 ケース（ⅰ）： Appl. Phys. Lett. 誌や J. Appl. Phys.
誌等の発表件数の年度別変遷

図 7.2 ケース（ⅱ）： Advanced Materials 姉妹誌の発表件数の年度別変遷

図 7.3 ケース（ⅲ）： SID 国際会議などのディスプレイ分
野の発表件数の年度別変遷

図 7.4 ケース（ⅳ）： IEEE 半導体エレクトロニクス分野の発表件数の年度別変遷

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

料研究のフィールドから着実に離陸し、半導体エレク

数の変遷を調査した結果を図 7.6 に示す。なお調査ツー

トロニクスの大空に飛行し始めていると言えよう。

ルは Scopus であり、調査日は 2022 年 10 月 5 日である。

ここでもう一つ重要な調査データをお知らせしておきたい。2003 年に発表された Science 誌と 2004 年に発表された Nature 誌、それぞれの各年度での被引用

調査時点でのそれぞれの論文の被引用数は、Nature
論文で 6198、Science 論文で 1713 である。
どちらの論文も被引用数は非常に高いが、特にア

コラム：細野グループによる発表ステージのクロスオーバー
細野秀雄の研究者としての本来の主軸は、「材料創製」にある。しかし 2004 年の Nature 誌発表後、細野グループは、世界の半導体エレクトロニクス研究開発者への「a-IGZO TFT」の浸透・普及に対する多大な努力が傾注されていることを、本コラムにて伝えておきたい。
以下に、2007 年以降の細野グループによる SID（The Society for Information Display）学会やエレクト
ロニクス関連の専門誌、及び半導体関連の国際会議での発表タイトルのリストを表 7. 1 に示す。特にディスプレイ分野においては、世界最大規模を誇る SID ディスプレイ国際会議や AM-FPD ワークショップでの発表において IGZO 関連の研究発表だけでも 34 件も行っている。材料、物理、化学に軸足を置いてきた一人の大学研究者としては、その活動範囲を大きく超えた飛躍的な展開を見せている。それだけ細野がこの「a-IGZO TFT 技術」を「モノになる材料技術」と確信し、「産業化への橋渡し」を細野秀雄自身で行ってきた紛れもない証拠でもある。
表 7.1
年
2007

2008

2009

2010
2011

2012

2013

細野グループの SID 及び IEEE 関連の国際学会の年度ごとの発表概要

タイトル
68.3: Invited Paper: Transparent Amorphous Oxide Semiconductors for High
Performance TFT
Circuits using uniform TFTs based on amorphous In-Ga-Zn-O
Fast Thin-Film Transistor Circuits Based on Amorphous Oxide Semiconductor
P-29: Modeling of Amorphous Oxide Semiconductor Thin Film Transistors andSubgap Density of States
P-13: Photosensitivity of Amorphous IGZO TFTs for Active-Matrix Flat-Panel
Displays
42.1: Invited Paper: Improved Amorphous In-Ga-Zn-O TFTs
Origins of High Mobility and Low Operation Voltage of Amorphous Oxide TFTs:
Electronic Structure, Electron Transport, Defects and Doping
Origins of High Mobility and Low Operation Voltage of Amorphous Oxide TFTs:
Electronic Structure, Electron Transport, Defects and Doping*Electronic Structures Above Mobility Edges in Crystalline and Amorphous
In-Ga-Zn-O: Percolation Conduction Examined by Analytical Model
Interface and bulk effects for bias—light-illumination instability in amorphousIn—Ga—Zn—O thin-film transistors
Diffusion-Limited a-IGZO/Pt Schottky Junction Fabricated at 200 ℃ on a
Flexible Substrate
Simple Analytical Model of On Operation of Amorphous In–Ga–Zn–O Thin-Film
Transistors
35.5L: Late-News Paper: An Ambipolar Oxide TFT
Amorphous In–Ga–Zn–O Dual-Gate TFTs: Current–Voltage Characteristics andElectrical Stress Instabilities
Characteristic shift of a CTFT inverter using n-type IGZO and p-type F8T2 TFTs
after temperature and operation stresses
Light Irradiation History Sensor Using Amorphous In-Ga-Zn-O Thin-Film
Transistor Exposed to Ozone Annealing
4.1: Invited Paper: Electronic Structure, Carrier Transport, Defects and Impurities
in Amorphous Oxide Semiconductor
P.3: 3-D Stacked Complementary TFT Devices using n-type α-IGZO and p-type
F8T2 TFTs — Operation Confirmation of NOT and NAND Logic Circuits –P.142L: Late-News Poster: Electron Injecting Material for OLEDs driven by
Oxide TFTs: Amorphous C12A7 Electride
Light irradiation history sensor using amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistor
fabricated by high oxygen partial pressure sputtering
Current status and future challenge of oxide semiconductors

2014

2015

Positive Gate Bias Instability Induced by Diffusion of Neutral Hydrogen in
Amorphous In-Ga–Zn-O Thin-Film Transistor
Positive-Bias Stress Test on Amorphous In–Ga–Zn–O Thin Film Transistor:
Annealing-Temperature Dependence
Effects of High-Temperature Annealing on Operation Characteristics ofa-In-Ga-Zn-O TFTs
Light irradiation and applied voltage history sensors using amorphous
In-Ga-Zn-O thin-film transistors exposed to ozone annealing and fabricated underhigh oxygen pressure
P-177L: Late-News Poster: Highly Efficient Inverted OLEDs using A New
Transparent Amorphous Oxide Semiconductor
P-176L: Late-News Poster: Deposition and Structuring Processes of a Newly
Developed Transparent Amorphous Oxide Semiconductor for the ElectronTransport and Injection Layers of AM-OLEDs

論文／国際会議
SID Symposium Digest of Technical Papers, 38, Issue 1
Journal of the Society for Information Display, 15, Issue 11
IEEE Electron Device Letters, 28, Issue 4
SID Symposium Digest of Technical Papers, 39, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 39, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 39, Issue 1
Journal of Display Technology, 5, Issue 7
Journal of Display Technology, 5, Issue 12
Journal of Display Technology, 5, Issue 12
Journal of the Society for Information Display, 18, Issue 10
IEEE Electron Device Letters, 32, Issue 12
IEEE Transactions on Electron Devices, 58, Issue 10
SID Symposium Digest of Technical Papers, 42, Issue 1
IEEE Transactions on Electron Devices, 59, Issue 7
IEEE International Meeting for Future of Electron Devices
IEEE Electron Device Letters, 33, Issue 3
SID Symposium Digest of Technical Papers, 44, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 44, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 44, Issue 1
19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays
and Devices (AM-FPD)
19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays
and Devices (AM-FPD)IEEE Electron Device Letters, 35, Issue 8
Journal of Display Technology, 10, Issue 11
Journal of Display Technology, 10, Issue 11
21st International Workshop on Active-Matrix Flatpanel
Displays and Devices (AM-FPD)
SID Symposium Digest of Technical Papers, 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 46, Issue 1

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

205

年

2016

タイトル
Origin of Lower Film Density and Larger Defect Density in Amorphous
In–Ga–Zn–O Deposited at High Total Pressure
Charge Compensation by Excess Oxygen in Amorphous In–Ga–Zn–O Films
Deposited by Pulsed Laser Deposition
31-4: Novel Inorganic Electron Injection and Transport Materials Enabling
Large-Sized Inverted OLEDs Driven by Oxide TFTs
69-4: NBIS-Stable Oxide Thin-Film Transistors Using Ultra-Wide Bandgap
Amorphous Oxide Semiconductors
Novel oxide semiconductors for OLEDs and catalysis
Why high-pressure sputtering must be avoided to deposit a-In-Ga-Zn-O films

2017

2018

2019

2020
2021

P-13: Quantitative Analysis and Deconvolution of Subgap States in Amorphous
In-Ga-Zn-O
P-234: Late-News Poster: OLED Lighting with High Out-Coupling Efficiency
and Reliability
P-187: Electronic Structures of Various Color Light-Emitting Amorphous Oxide
Semiconductor Thin Films
Transparent amorphous oxide semiconductors: Materials design, electronic
structure, and device applications
Material design of ultra-wide bandgap AOSs and their applications in photostableelectronic devices
19-4: Late-News Paper: New P-type Amorphous Semiconductor with High
Transparency and High Mobility of 9 cm2/Vs for Next-Generation Displays
Solution-Processable P-type Transparent Amorphous Semiconductor for Flexible
Electronics
P-197: Late-News Poster: NBTS-free Oxide TFTs with High Mobility of
40 cm2/Vs: A Possible Origin for NBTS Instability
New Amorphous In–Ga–Zn–O Thin-Film Transistor-Based Optical Pixel Sensor
for Optical Input Signal With Short Wavelength
Electronic defects in amorphous oxide semiconductor and recent development

論文／国際会議
Journal of Display Technology, 11, Issue 6
Journal of Display Technology, 11, Issue 6
SID Symposium Digest of Technical Papers, 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 47, Issue 12016 Compound Semiconductor Week (CSW) [Includes 28th
International Conference on Indium Phosphide & RelatedMaterials (IPRM) & 43rd International Symposium on
Compound Semiconductors (ISCS)
23rd International Workshop on Active-Matrix Flatpanel
Displays and Devices (AM-FPD)
SID Symposium Digest of Technical Papers, 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, 48, Issue 1
75th Annual Device Research Conference (DRC)
24th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays
and Devices (AM-FPD)
SID Symposium Digest of Technical Papers, 49, Issue 1
25th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays
and Devices (AM-FPD)
SID Symposium Digest of Technical Papers, 50, Issue 1
IEEE Transactions on Electron Devices, 66, Issue 9
27th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays
and Devices (AM-FPD)

15.1: Invited Paper: Understanding and controlling electronic defects in SID Symposium Digest of Technical Papers, 52, Issue S1
amorphous oxide semiconductor
Unintended Carbon-Related Impurity and Negative Bias Instability inIEEE Electron Device Letters, 42, Issue 9
High-Mobility Oxide TFTs

ここで、自社のディスプレイ製品に多く採用してきた LG Display の当時の社長（現顧問）の呂相徳（ヨ・サンドク）氏が、2017 年に細野の所属する研究センターに最新の OLED-TV を寄付し、公開講演した際の写真を、図 7.5 に示す。

図 7.5 寄贈頂いた LG Display 製 OLED-TV を背景に、当時の呂相徳社長（右）と細野教授（左）の写真。
（細野秀雄教授のご厚意による）公開講演は、満員となったということで、多くの技術の橋渡しをされてきた貴重な写真である。

206

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March図 7.6Nature 論文と Science 論文の年度毎の被引用数の変遷［調査ツール：Scopus

モルファス IGZO-TFT を報じた Nature 誌の被引用数
は、実用化の可能性が高いことから極めて高い値を推移している。そして発表直後から年度毎に被引用数が

調査日：2022 年 10 月 5 日］

7.2 「Oxide-TFT」のディスプレイへの応用と展開状況

単調にしかも大きく増加している。そして 2015 年を「a-IGZO TFT」技術の発明が、従来のフラットパ頂点に最近では少しずつ漸減する傾向にあるが、発表

ネルのディスプレイに使用されていた「a-Si TFT」を

後 18 年を経ている今日においても、1 年間で 300 近代替しうることを述べてきたが、そのイメージを色濃

い被引用数を保持していることは驚異的と言える。細

くしたのは 2010 年 1 月 25 日、東工大の細野らが中野の論文を参照している対象が、大学の基礎的な材料

心となって開催された透明アモルファス酸化物半導体

研究者から、半導体エレクトロニクス分野の研究者や（TAOS）とそのディスプレイ応用に関する国際会議

民間企業等の開発研究者に替わってきていると推定さ「International Workshop on Transparent Amorphous

れる。また酸化物結晶相を用いたトランジスタを報告

Oxide Semiconductors（TAOS 2010）」からであった

した Science 誌の論文の方も 2012 年前後を境に被引と思われる。

用数が徐々に少なくなってはきているが、それでもま会議初日は、細野によるオープニング・トークのだ一定数を保っている。やはり、結晶相のトランジス

後、韓国 Samsung Electronics の前副社長で当時シニタを参照して、結晶相の IGZO-TFT の発展に興味をア・アドバイザーの Jun H. Souk の基調講演 1）で幕が抱いている研究者層が一定数存在すると考えられる。

開けた。そこで彼は「Why we need “High Mobility

この Nature 誌と Science 誌の 2 報の息長い被引用

TFTs” ?」という投げかけをして、その回答として出数の年度毎の推移データは、いずれの研究成果も極めしたスライドが図 7.7 に示すようなディスプレイの解て高い技術波及がなされていることを如実に物語って像度とリフレッシュ速度との関係であった。大面積化

おり、技術の芽が着実に社会へ浸透し根付き始めていと高解像度化に伴う高移動度 TFT の必要性が主眼でることを実証していると筆者は考えている。

あり、正に有力候補の a-IGZO TFT の早期実用化へ向けての提言であった。この TAOS 会議には筆者も参加しており、会場に溢れるほどの聴講者が参加して薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

207

いて、1987 ～ 1988 年頃の「高温超伝導フィーバー」

トパネルディスプレイ（FPD）基板用 TFT の要求性能を彷彿とさせる程の熱気であったことを思い出す。

について講演して、ディスプレイの大面積化（ピクセル数の増加）に伴う薄膜トランジスタの移動度の高速化の必要性などが述べられた 2）。技術コンサルタントの鵜飼育弘もアモルファスシリコンから酸化物トラン
ジスタへの予感を感じて、薄膜トランジスタの歴史から将来への展望について、応用物理学会誌に論文を発表している 3）。今日振り返ってみると、2010 年頃を境に、アカデミックな研究者だけでなく産業界にも、
この「a-IGZO TFT」技術が浸透し大きな革新がもた
らされ、全世界が活気を呈していた時期であったかと思われる。その 2010 年頃までの酸化物トランジスタ

図 7.7 ディスプレイの解像度とリフレッシュ速度との関係（Jun H. Souk 氏の発表 1）を基に筆者が作成）

関連の研究をしている全世界の研究機関のマップが東工大特任教授の雲見日出也によって丁寧に整理されているので、図 7.8 に紹介する。

同年 1 月 28 日～ 29 日に姫路で開催された国際会議
で、技術コンサルタントの松枝洋二郎は、
次世代フラッ

図 7.8

全世界における酸化物トランジスタに関する研究活動マップ［2010 年頃まで］（雲見日出也 東工大特任教授のご厚意による）

208

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March細野グループの神谷は、透明アモルファス酸化物半争の中にあるだけに、ビジネス戦略上非公開にせざる導体の材料の物理描像から応用展開までを、2010 年を得ないのかもしれない。ただ現実には多くの企業が当時の製品イメージ画像も含めて論文発表した「IGZO-TFT」技術の恩恵を受けていることだけは間。

4）, 5）

さらに韓国の漢陽大学と KAIST の共同研究チーム

違いない。

も、2014 年当時での酸化物半導体トランジスタの応2014 年の SID 国際会議にてシャープの松尾らは、用製品のイメージも含めてレビュー論文 を報告して過去から将来に亘って a-Si TFT から大きく IGZO-いる。加えて 2018 年 7 月、細野は Nature Electronics

TFT に置き換わっていく予想図が示された 9）。また誌に「a-IGZO TFT の開発経緯」のコラムを発表した 7）。

米国オレゴン州立大学教授のウェイジャーは、商品と所謂「IGZO 開発物語」であり、東工大からもニューして市場に出ていると思われる酸化物系 TFT 搭載のスリリースされている 8）。図 7.9 に酸化物 TFT を搭

ディスプレイのリストを自身の論文の中で詳細に紹介載したと思われる製品群の発展のイメージを示す。

している 10）。その内容の概略を表 7.2 に示すが、全て

6）

この「IGZO-TFT」の市場展開においては、どこののディスプレイ・メーカーが正式に酸化物 TFT を搭会社のどの製品が酸化物トランジスタを搭載している

載したと表明しているわけではないので、本当のとこのかなどの正確な情報はベールに包まれていることがろはなかなか公には分からないというのが実情である。

多く、噂の域を出ない。その背景には、細野らの基本

一方で、JST と正式に特許の実施許諾契約を締結

特許群に対する実施許諾契約の締結が公にされているしているシャープは、特に 2012 年頃を境に、戦略的のがシャープと韓国サムスン電子だけに留まっていると思われるくらい In-Ga-Zn-O 系の薄膜トランジスタということが一因していると思われる。現在も開発競の開発内容を学会誌などで公表し始めた 11）-19）。特に

図 7.9

酸化物半導体トランジスタが搭載されたと思われる製品群のイメージ画像（細野秀雄教授のご厚意による）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

209

表 7.2

酸化物 TFT を搭載していると思われる各種製品群のリスト（文献（10）の図をベースに筆者がアレンジして作成した。なお、個々の製品が酸化物 TFT を搭載していることを確約するものではない。
）

Maker< TV >LG Display
LG Display
LG Display
LG Display
LG Display
LG Display
LG Display
LG Display
Sharp< Phone >
Sharp
Sharp
Sharp
Sharp
Sharp
Sharp
Sharp
Sharp
Kyocera
Meizu
Meizu
Meizu
ZTE
ZTE
Xiaomi
Kyocera< Desktop >
Apple
Apple

Products (Display)

Maker

Smart OLED TV 55EG9100 54.6”, 1920 × 1080, 40 ppi
Smart 3D OLED TV 55EF9500 54.6”, 3840 × 2160, 81 ppi
Smart 3D OLED TV 65EF9500 64.5”, 3840 × 2160, 68 ppi
Smart 3D Curved OLED TV 55EC9300 54.6”, 1920 × 1080, 40 ppi
Smart 3D Curved OLED TV 55EG9600 54.6”, 3840 × 2160, 81 ppi
Smart 3D Curved OLED TV 65EG9600 64.5”, 3840 × 2160, 68 ppi
Smart 3D Curved OLED TV 65EG9700 64.5”, 3840 × 2160, 68 ppi
Smart 3D Curved OLED TV 77EG9700 76.7”, 3840 × 2160, 57 ppi
LV-85001 85”, 7680 × 4320, 104 ppi
Aquos Compact SH-02 4.7”, 1080 × 1920, 469 ppi
Aquos Xx2 mini 4.7”, 1080 × 1920, 469 ppi
Aquos Xx2 (502SH) 5.3”, 1080 × 1920, 415 ppi
Aquos Zeta SH-01 5.5”, 1080 × 1920, 401 ppi
Aquos Zeta SH-02 4.7”, 720 × 1280, 300 ppi
Aquos Zeta SH-03 5.5”, 1080 × 1920, 401 ppi
Aquos Zeta SH-04 5.4”, 1080 × 1920, 408 ppi
Aquos Zeta SH-06 4.8”, 1080 × 1920, 459 ppi
m1 note 5.5”, 1080 × 1920, 401 ppi
m2 note 5.5”, 1080 × 1920, 401 ppi
MX5 5.5”, 1080 × 1920, 401 ppi
Infobar A03 4.5”, 1080 × 1920, 490 ppi
Torque G02 4.7”, 720 × 1280, 312 ppi
Nubia Z5S 5”, 1080 × 1920, 441 ppi
Nubia Z5S mini 4.7”, 720 × 1280, 312 ppi
Readmi 2 Prime 4.7”, 720 × 1280, 312 ppi
iMac with 5K Retina display 27”, 5120 × 2880, 218 ppi
21.5” iMac with 5K Retina display 21.5”, 4096 × 2304, 218 ppi

Sharp
Sharp
Sharp
Dell
Dell
NEC

< Tablet >

Cube
Apple
LenovoFujitsuFujitsuFujitsuFujitsu
TeclastOnda< Laptop >Toshiba
Toshiba
NEC
NEC
Dell
Dell

LQ-101R1SX03 10.1”, 2560 × 1600, 299 ppi
PN-K322B 31.5”, 3840 × 2160, 140 ppi
PN-321Q 31.5”, 3840 × 2160, 140 ppi
UltraSharp UP3214Q 31.5”, 3840 × 2160, 140 ppi
UltraSharp UP3216Q 31.5”, 3840 × 2160, 140 ppi
PA322UHD-BK-SV 31.5”, 3840 × 2160, 140 ppi
i6 Air 9.7”, 2048 × 1536, 264 ppi
iPad Pro 12.9”, 2732 × 2048, 264 ppi
LaVie Z 13.3”, 2560 × 1440, 221 ppi
Lifebook S935 13.3”, 1920 × 1280, 221 ppi
Lifebook T935 13.3”, 2560 × 1440, 221 ppi
Lifebook T904 13.3”, 2560 × 1440, 221 ppi
Lifebook U904 14”, 4300 × 1800, 262 ppi
P98 Air 9.7”, 2048 × 1536, 264 ppi
V919 Air 9.7”, 2048 × 1536, 264 ppi
Radius 12 12.5”, 3840 × 2160, 352 ppi
Satellite P55t-B5262 15.6”, 3840 × 2160, 282 ppi
Skylake NS850 15.6”, 3840 × 2160, 282 ppi
VersaPro Type VG 13.3”, 2560 × 1440, 221 ppi
XPS 12 (option) 12.5”, 1920 × 1080, 176 ppi
XPS 15 (option) 15.6”, 3840 × 2160, 282 ppi< Gaming Laptop >Alienware
Alienware
Razor
Aorus
Aorus

Alienware 13 (option) 13.3”, 3200 × 1800, 276 ppi
Alienware 17 (option) 17.3”, 3840 × 2160, 255 ppi
Razor 14” Blade 14”, 3200 × 1800, 262 ppi
X3 Plux v3 13.3”, 3200 × 1800, 276 ppi
X3 Plus v4 13.9”, 3200 × 1800, 264 ppi

文献 13）の記載の中には、以下のように IGZO の歴史

体材料の主流だったシリコン（Si）よりも基本特性と本格導入の戦略が、JST プロジェクトの細野の経緯が格段に優れているからだ。具体的には、スイッも丁寧に記されており、かつ今後のシャープとしてのチング素子であるトランジスタに展開したとき開発戦略を知る上で、大変判り易い資料に、オン状態で素子を流れる電子の移動度が高い。

でもある。

13）

その重要な箇所だけを抜粋して以下に示す。

しかも、オフ状態で流れてしまうリーク電流が小「IGZO の歴史 「IGZO」は、インジウム（In）、

さい。実は、シリコンを使った従来のトランジス

ガリウム（Ga）、亜 鉛（Zn）の 酸 化 物で、一 般にタで、二つの基本特性を両立させることはできな「酸化物半導体」と呼ばれている材料の一種だ。

かった。つまり、「IGZO」は、従来の常識を塗り「IGZO」の基本技術は、東京工業大学の細野教

替える画期的な半導体技術と言える。IC（集積回

授らが科学技術振興機構の創造科学技術推進事

路）の発明以来、使われてきたシリコンが「IGZO」

業のプロジェクトにおいて発明し、複数の特許に置き換わる可能性もある。
そうなると「IGZO」
は、を取得している。2004 年に同教授らは、この技計り知れないほど大きな影響を人々に与える。
」

術を使って TFT（薄膜トランジスタ、Thin Film

またシャープは 2019 年 4 月 24 日、低消費電力を実Transistor）を試作し、素子を流れる電子の移動現した液晶パネルの「第 5 世代 IGZO（IGZO5）」を開しやすさを表す指標である電子移動度が、従来の発したと発表し、今後の大画面 80 型 8K 液晶ディス液晶パネルで採用されているアモルファス・シリ

プレイやモバイル用ディスプレイのほか、プロ用モニコンを使った TFT に比べて、1 桁高いことを発ターのほか、中型有機 EL ディスプレイへの幅広い応見。この成果を同年 11 月に科学技術雑誌「Nature」

用を展開することを公表した 20）。さらには、自動車で発表している。

用 OLED ディスプレイのバックプレーン用に、トッ

半導体技術の新潮流

210< Monitor >Products (Display)

シャープは、「IGZO」を

プゲート型 IGZO TFT が開発された 21）。

用いた TFT を（株）半導体エネルギー研究所と共Hendy Consulting Limited の CEO である Ian Hendy

同で開発し、世界で初めて「IGZO」を採用した

らの最近の論文 22）では、細野が創製した「IGZO-TFT」

液晶パネルの量産に成功した。この「IGZO」は、

技術は、LCD のより高いフレームレートを要する

LSI や液晶ディスプレイなど半導体を使った電子

ディスプレイと OLED ディスプレイにおける a-Si やデバイスに革新的進化をもたらす。これまで半導

LTPS の代替手段を可能にする、新しい半導体オプ

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

ションの先駆けとなった等の位置付け評価と共に、世シャープとの共同研究となっている場合もあるが、界を俯瞰した各企業の各種ディスプレイや IT ツール

SEL と シ ャ ー プ は、1998 年 に 世 界 初 の 連 続 粒 界 結等への取り組み等も具体的に詳細に紹介されており、晶シリコン（Continuous Grain Silicon：CG シリコン

各種データなどは付録の Appendix で確認できる

23）。

とも言う）技術を共同開発してきた歴史的経緯があ同様に将来的な見地から、LTPS（Low Temperatureる 26）, 27）。そのような両社の歴史を踏まえると、SEL

Poly Silicon の略）、a-Si、IGZO 等の酸化物、有機半導とシャープの連携組織は、「IGZO-TFT」の産業化へ

体の４種のトランジスタ用材料に対して、<Mobility>、の一翼を確実に担っていると言える。

<Printability>、<Flexibility>、<CMOS Capability>、

その根拠となるアカデミックな論文発表の具体例<Spatial Uniformity>、<Transparency> の６項目に対を挙げると、応用物理学会の JJAP 誌 28）-52）、米国電する評価が整理された形で報告されており、ウェアラ

気化学会の ECS 関連誌 53）-71）、そして米国物理学協会

ブル化、フレキシブル化、透明化などの新しい電子機の AIP 関係誌 72）-74）などがあるほか、SPIE 学会での発器が増えてくると想像される 24）。

表論文 75）やセラミックス・エンジニアリングの国際

今後シャープだけでなく全世界の研究開発機関において、さらに様々な応用展開がなされるであろう。

誌 76）など、SEL 独自の材料・デバイス技術に関する論文も非常に多い。
さらに SEL の活動の中心は、企業戦略の一環と推

7.3 注目される研究成果と展開・波及
7.3.1

CAAC-IGZO 技術の展開察されるがディスプレイ関連、あるいは半導体エレクトロニクス関連の国際会議に置かれていると思われる。SID 関連、IEEE-Xplore 関連の検索で抽出された SEL による IGZO-TFT 関連の発表に関して、表 7.3

株式会社半導体エネルギー研究所（Semiconductorにまとめた。この表からわかるように、世界最大のEnergy Laboratory Co., Ltd.： 以 降、 簡 潔 に SEL とSID ディスプレイ国際会議での発表（J. SID 誌を含む）

略記）は、アモルファスシリコン技術やフラットパネ

が、2009 年以降で 80 件以上もある上、半導体分野に

ル関連の半導体技術において良く知られており、特における 2 大国際会議と言われる IEEE International

知的財産における活動で著名な企業である。代表取締

Electron Devices Meeting（略称：IEDM 日本語の通役の山﨑舜平は、特許取得数でギネス世界一というプ

称＝国際電子デバイス会議）や、International Solid-

ロフィールの持ち主でもある

State Circuits Conference（略称：ISSCC 日本語の通。

25）

2004 年 11 月の細野によるアモルファス IGZO 系酸

称＝国際固体素子回路会議）で、酸化物半導体のデバ化物半導体 TFT の発表以降、SEL は「細野の IGZO

イス技術とプロセス技術等に関する報告も行ってお技術」を逸早くキャッチアップし、自社で長年培ってり、上記の SID 国際会議と併せて非常に高いアクティ

きたディスプレイ関連技術やデバイス技術との融合をビティーと言える。特にディスプレイ関連ではシャー図り、非常に速いスピードで実用化を睨んだ展開を見プとの共同発表もあり、業界の牽引役でもあるシャーせている。

プが、酸化物半導体トランジスタを用いたディスプレ

SEL は、独自の材料技術も含めて多くの論文や国際会議で異例とも言える程多い技術発信をしており

イ技術の一端を公表することで、業界全体を動かした可能性も高いのではないだろうか。

注目に値する。特に著名な国際会議での発表などは
表 7.3

半導体エネルギー研究所（SEL）の SID 及び IEEE 関連の国際学会の発表概要

年

タイトル

2009

15.2: Development of Driver-Integrated Panel Using Amorphous In-Ga-Zn-Oxide
TFT
P-9: Numerical Analysis on Temperature Dependence of Characteristics of Amorphous
In-Ga-Zn-Oxide TFT
21.3: 4.0 In. QVGA AMOLED Display Using In-Ga-Zn-Oxide TFTs with a Novel
Passivation Layer
18.3: Low Power 3.4inch Quarter High Definition OLED Display Using InGaZnOxide
TFTs and White Tandem OLED
76.1: High Aperture Ratio LCD Display using In-Ga-Zn-Oxide TFTs without Storage
Capacitor
43.4: Low Power LC Display Using In-Ga-Zn-Oxide TFTs Based on Variable Frame
Frequency
P-143: Possibility of Reflective LC Display Using Oxide Semiconductor TFTs as
Electronic Paper Display

2010

論文／国際会議
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 40, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 40, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 40, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 41, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 41, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 41, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 41, Issue 1

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

211

年

2011

2012

2013

2014

タイトル

論文／国際会議

7.3: Development of 3.4in. QHD LCD Having Blue Phase LC and Oxide SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 41, Issue 1
Semiconductor TFTs
Driver-circuits-integrated LCDs based on novel amorphous In-Ga-Zn-oxide TFT
Journal of the Society for Information Display, Volume 18, Issue 4
18th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andC-Axis Aligned Crystalline In-Ga-Zn-Oxide FET with High Reliability
Devices (AM-FPD)
50.2: High Reliable In-Ga-Zn-Oxide FET Based Electronic Global Shutter Sensors for SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 42, Issue 1
In-Cell Optical Touch Screens and Image Sensors
28.2: Color Sequential LC Display Using High Reliable Oxide Semiconductors with SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 42, Issue 1
Monochrome Electronic Paper Function
49.4: High-definition Top-emitting AMOLED Display with Highly Reliable Oxide
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 42, Issue 1
Semiconductor Field Effect Transistors
36.4: 3.4-inch Full-Color QHD AMOLED Display using Large-Size Flexible Substrate SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 42, Issue 1
with Highly Reliable OS-FETs
Electronic global shutter CMOS image sensor using oxide semiconductor FET with Symposium on VLSI Technology
extremely low off-state current
1Mb Non-Volatile Random Access Memory Using Oxide Semiconductor
3rd IEEE International Memory Workshop (IMW)
9.2: New Threshold Voltage Compensation Pixel Circuits in 13.5-inch Quad Full High SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 43, Issue 1
Definition OLED Display of Crystalline In-Ga-Zn-Oxide FETs
15.1: Research, Development, and Application of Crystalline Oxide Semiconductor
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 43, Issue 1
43.1: Low-power Display System Driven by Utilizing Technique Using Crystalline
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 43, Issue 1
IGZO Transistor
27.4: 13.5-inch Quad-FHD Top-Emission OLED Display Using Crystalline-OS-FETSID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 43, Issue 1
16.2: Crystalline OS-LCD Using Blue-Phase Liquid Crystal Having Characteristic
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 43, Issue 1
Texture19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andOptical properties and evaluation of localized level in gap of In-Ga-Zn-O thin film
Devices (AM-FPD)
19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andComposition ratio in In-Ga-Zn-Oxide FET and photoirradiation stability
Devices (AM-FPD)
Theoretical examination on a significantly low off-state current of a transistor using 19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andcrystalline In-Ga-Zn-oxide
Devices (AM-FPD)
19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and13.5-inch quarter-HD flexible AMOLED with crystalline oxide FET
Devices (AM-FPD)
13.5-inch quarter high definition white tandem OLED display using crystalline
19th International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and
In-Ga-Zn-Oxide technology
Devices (AM-FPD)
Nonvolatile Memory With Extremely Low-Leakage Indium-Gallium-Zinc-Oxide IEEE Journal of Solid-State Circuits
Thin-Film Transistor
DRAM Using Crystalline Oxide Semiconductor for Access Transistors and Not 4th IEEE International Memory Workshop
Requiring Refresh for More Than Ten Days
16.1: Negative-Bias Photodegradation Mechanism in InGaZnO TFT
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
52.3: Development of Back-channel-etched TFT Using C-Axis Aligned Crystalline
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
In-Ga-Zn-Oxide
67.3: New Driving Method for Reducing Eye Strain Technology (REST) in Displaying SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
Still Image Using CAAC IGZO LC Display
A 3.4-in. Flexible High-Resolution Full-Color Top-Emitting AMOLED Display
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
56.1: Development of IGZO-TFT and Creation of New Devices Using IGZO-TFT
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
27.1: 13.3-inch CAAC-IGZO-FET OLED Display with Narrow Driver Area Using SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
Highly Efficient Deep Blue Device
28.2: Driving Method of FFS-Mode OS-LCD for Reducing Eye Strain
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 44, Issue 1
FFS-mode OS-LCD for reducing eye strain
Journal of the Society for Information Display, Volume 21, Issue 10
Applications of crystalline Indium-Gallium-Zinc-Oxide technology to LSI: Memory, Fifth Asia Symposium on Quality Electronic Design (ASQED 2013)
processor, image sensor, and field programmable gate array
A possibility of crystalline Indium-Gallium-Zinc-Oxide
Fifth Asia Symposium on Quality Electronic Design (ASQED 2013)
Twentieth International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and13.5-inch Quadra-FHD flexible AMOLED with crystalline oxide FET
Devices (AM-FPD)
Twentieth International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andCrystallography of In-Ga-Zn-O thin film having CAAC structure
Devices (AM-FPD)
Comparison of crystal structures among CAAC-InGaZnO, nc-InGaZnO, and solution- Twentieth International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andprocessed InGaZnO
Devices (AM-FPD)
Twentieth International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andCrystallography of excimer laser-crystallized In-Ga-Zn-O film
Devices (AM-FPD)
Analysis of nanoscale crystalline structure of In-Ga-Zn-O thin film with nano beam Twentieth International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andelectron diffraction
Devices (AM-FPD)
A 3bit/cell nonvolatile memory with crystalline In-Ga-Zn-O TFT
5th IEEE International Memory Workshop
Processor with 4.9-μs break-even time in power gating using crystalline
IEEE COOL Chips XVI
In-Ga-Zn-oxide transistor
44.1: Distinguished Paper: 13.3-in. 8K x 4K 664-ppi OLED Display Using CAAC-OS
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
FETs
3.3: Invited Paper: Future Possibility of C-Axis Aligned Crystalline Oxide SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
Semiconductors Comparison with Low-Temperature Polysilicon
21.3: A 13.5-in. Quad-FHD Flexible CAAC-OS AMOLED Display with Long-Life SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
OLED Device Structure
33.1: Channel-Etched C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor FET Using SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
Cu Wiring
21.1: A 513-ppi FFS-Mode TFT-LCD using CAAC Oxide Semiconductor Fabricated
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
by a 6-Mask Proces
P-9: Study of the Origin of Major Donor States in Oxide Semiconductor
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
44.3: 513-ppi Liquid Crystal Display Using C-Axis Aligned Crystalline Oxide SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 45, Issue 1
Semiconductor with Narrow Bezel and Aperture Ratio Greater Than 50%
Back-channel-etched thin-film transistor using c-axis-aligned crystal In–Ga–Zn oxide Journal of the Society for Information Display, Volume 22, Issue 1
A 513-ppi FFS-mode LCD using technique for changing part of active layer of oxide Journal of the Society for Information Display, Volume 22, Issue 4
semiconductor to transparent electrodeA 13.5-in. Quad-FHD flexible CAAC-OS AMOLED display with long-life OLED Journal of the Society for Information Display, Volume 22, Issue 12
device structure
Embedded SRAM and Cortex-M0 Core Using a 60-nm Crystalline Oxide
IEEE Micro
Semiconductor
Scaling to 50-nm C-axis aligned crystalline In-Ga-Zn oxide FET with surrounded Symposium on VLSI Technology (VLSI-Technology)
channel structure and its application for less-than-5-nsec writing speed memory

212

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

年

2015

2016

2017

タイトル

論文／国際会議

A 32-bit CPU with zero standby power and 1.5-clock sleep/2.5-clock wake-up
achieved by utilizing a 180-nm C-axis aligned crystalline In-Ga-Zn oxide transistor
SRAM with c-axis aligned crystalline oxide semiconductor: Power leakage reduction
technique for microprocessor caches
Embedded SRAM and Cortex-M0 core with backup circuits using a 60-nm crystalline
oxide semiconductor for power gating
30.9 Normally-off computing with crystalline InGaZnO-based FPGA
P-11: Channel-Etched CAAC-OS FETs using Multi-layer IGZO
P-13: The Relationship Between Crystallinity and Device Characteristics of
In-Sn-Zn-Oxide
18.4: 13.3-inch 8k4k 664-ppi Foldable OLED Display Using Crystalline Oxide
Semiconductor FETs
45.1: Invited Paper: Future Possibilities of Crystalline Oxide Semiconductor,
Especially C-Axis-Aligned Crystalline IGZO
63.3: Fabrication of 8k4k Organic EL Panel using High-Mobility IGZO Material
57.3: Distinguished Paper: New Pixel Circuits for Controlling Threshold Voltage by
Back-gate Bias Voltage using Crystalline Oxide Semiconductor FETs
70.4: A 2.78-in 1058-ppi Ultra-High-Resolution OLED Display using CAAC-OS
FETs
An 81-in. 8 K OLED Kawara-type multidisplay with flexible displays that provides aseamless image
Relationship between crystallinity and device characteristics of In-Sn-Zn oxide
13.3-inch 8k4k 664-ppi foldable OLED display using crystalline oxide semiconductor
FETs
Fabrication of 8K4K organic EL panel using high-mobility IGZO material
20-nm-Node trench-gate-self-aligned crystalline In-Ga-Zn-Oxide FET with highfrequency and low off-state current
30-nm-channel-length c-axis aligned crystalline In-Ga-Zn-O transistors with low offstate leakage current and steep subthreshold characteristics

Symposium on VLSI Circuits

Flexible displays using c-axis-aligned-crystal oxide semiconductors

22nd International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays andDevices (AM-FPD)IEEE International Memory Workshop (IMW)A 16-Level-Cell Nonvolatile Memory with Crystalline In-Ga-Zn Oxide FETNormally-Off Computing for Crystalline Oxide Semiconductor-Based Multicontext
FPGA Capable of Fine-Grained Power Gating on Programmable Logic Element With
Nonvolatile Shadow Register
6.5 25.3μW at 60fps 240×160-pixel vision sensor for motion capturing with in-pixel
non-volatile analog memory using crystalline oxide semiconductor FET
16.9 A 128kb 4b/cell nonvolatile memory with crystalline In-Ga-Zn oxide FET using
Vt, cancel write method
Effect of Surrounded-Channel Structure on Electrical Characteristics of c -Axis
Aligned Crystalline In–Ga–Zn–O Field-Effect Transistor
A Boosting Pass Gate With Improved Switching Characteristics and No Overdriving
for Programmable Routing Switch Based on Crystalline In-Ga-Zn-O Technology
76-3: Development of a Top-Gate Transistor with Short Channel Length and C-AxisAligned Crystalline Indium-Gallium-Zinc-Oxide for High-Resolution Panels
60-2: A New Concept of In-Ga-Zn Oxide Composition for Fabricating High Mobility
and Stability FETs
P-52: Morphological and Electrical Difference in C-axis Aligned Crystalline IGZO
Films Based on the Sputtering Method
76-1: Invited Paper: CAAC-IGZO Technology
P-4: Electrical Characteristics of Dual-Gate CAAC-IGZO FET with Self-Aligned Top
Gate78-4: Distinguished Paper: A 2.78-in 1058-ppi Ultra-High-Resolution Flexible OLED
Display Using CAAC-IGZO FETs
69-3: 806-ppi 4K2K LC Display using Top-gate Self-aligned CAAC-OS FET
7-1: Distinguished Paper: 13.3-inch 8k4k 664-ppi 120-Hz 12-bit OLED Display Using
Top-Gate Self-Align CAAC-OS FETs and 12-bit Source Driver IC
P-143: Fabrication of 5.5-inch 4K2K Liquid Crystal panel using High-mobility IGZO
Material
37-2: 1058-ppi 4K LC Display Using a Top-Gate Self-Aligned CAAC-OS FET
P-26: A 1058 ppi 8K4K OLED Display using a Top-Gate Self-Aligned CAAC Oxide
Semiconductor FET
New pixel circuits for controlling threshold voltage by back-gate bias voltage using
crystalline oxide semiconductor FETs
Ultra-high-resolution 1058-ppi OLED displays with 2.78-in size using CAAC-IGZO
FETs with tandem OLED device and single OLED device
Extremely low power c-axis aligned crystalline In-Ga-Zn-O 60 nm transistor
integrated with industry 65 nm Si MOSFET for IoT normally-off CPU application
Embedded memory and ARM Cortex-M0 core using 60-nm C-axis aligned crystalline
indium-gallium-zinc oxide FET integrated with 65-nm Si CMOS
A 25. 3 μ W at 60 fps 240×160 Pixel Vision Sensor for Motion Capturing With
In-Pixel Nonvolatile Analog Memory Using CAAC-IGZO FET
P-7: A 65-in. 8K LCD and OLED Display Using Cloud-Aligned Composite
Oxide-Semiconductor (CAC-OS) FET
76-2: Field-Effect Transistor with CAAC/CAC-OS Double-Layer Structure forDiversion of Gen 8-10.5 Amorphous Silicon Production Lines
42-2: Low Power Consumption 8K Liquid Crystal Display with Oxide Semiconductor/
Oxide Conductor Pixel (Transparent Pixel)
24-1: Invited Paper: Flexible OLED Display Using C-Axis-Aligned-Crystal/
Cloud-Aligned Composite Oxide Semiconductor Technology and Laser Separation
Technology
P-48: An Oxide-Semiconductor (OS) FET-based Low-Power Level Shifter Combinedwith OS LSI Technology-based Display-Controller COG for a Low-Power OS Display
System63-2: A Novel Touch-control Method with Partial Scanning for LC, OLED, andHybrid Displays using an Oxide Semiconductor
18-5: A 1058-ppi 4K Ultrahigh-Resolution and High Aperture LCD with Transparent
Pixels using OS/OC Technology

IEEE 6th International Memory Workshop (IMW)IEEE COOL Chips XVIIIEEE International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 46, Issue 1
Journal of the Society for Information Display, Volume 23, Issue 10
Journal of the Society for Information Display, Volume 23, Issue 12
Journal of the Society for Information Display, Volume 23, Issue 12
Journal of the Society for Information Display, Volume 23, Issue 12
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
Symposium on VLSI Technology (VLSI Technology)

IEEE Journal of Solid-State Circuits
IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC)
IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC)
IEEE Electron Device Letters
IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 47, Issue 1
Journal of the Society for Information Display, Volume 24, Issue 1
Journal of the Society for Information Display, Volume 24, Issue 3
IEEE Symposium on VLSI Technology
IEEE Symposium on VLSI Circuits (VLSI-Circuits)
IEEE Journal of Solid-State Circuits
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers Volume 48, Issue 1

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

213

年

2018

2019

2020

2021

2022

タイトル

SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 48, Issue 1
Symposium on VLSI Circuits
Symposium on VLSI Circuits
IEEE Journal of Solid-State Circuits
IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 49, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 49, Issue 1
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)IEEE International Solid - State Circuits Conference - (ISSCC)
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 50, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 50, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 50, Issue 1
Journal of the Society for Information Display, Volume 27, Issue 8IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)IEEE Solid-State Circuits Letters
Symposium on VLSI Circuits
IEEE Journal of the Electron Devices SocietyIEEE International Solid- State Circuits Conference - (ISSCC)
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 51, Issue 1
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 52, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 52, Issue 1
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
5th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference(EDTM)
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 53, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 53, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 53, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 53, Issue 1
SID Symposium Digest of Technical Papers, Volume 53, Issue 1
Journal of the Society for Information Display, Volume 30, Issue 9
6th IEEE Electron Devices Technology & Manufacturing Conference(EDTM)SEL は独自技術として CAAC-IGZO なる材料技術

り合って均一性に優れた結晶形態（CAAC ®）を発見しを表明しており、以下にその要点を触れておく。
（なました。
」との記載があるが、結晶性のナノサイズ粒

お、CAAC は SEL 社の登録商標第 5473530 号であ子の c 軸が膜面に凡そ垂直になった形で集合しているる。
）6 章でも記したように、2012 年 6 月 1 日に SEL

コンポジット的な複合体というイメージであろうか。

はシャープと共同で、新しい酸化物トランジスタ用のこの結晶性 CAAC-IGZO 技術 34）, 41）, 61）, 75）, 76）には、①高チャネル材料として、細野らが見出したアモルファ

い飽和特性と電流制御性、②低いオフ電流、③高い耐ス InGaZnO4 と同じ元素で、ほぼ同様の組成比を持つ

圧特性、④微細化が可能、⑤ Si-CMOS との積層化が

c 軸配向微結晶［CAAC ： C-Axis Aligned Crystal］

可能、という特徴があるとのことであり、この系を軸という新しい微結晶性チャネル材料に関する発表をにシャープと連携して多くの技術発表を行っている。

®

Ⓡ

には、
「当社では低さらに 2016 年には、別の新しいチャネル層に好適温（450 ℃以下）で形成可能な結晶性酸化物半導体薄な材料相を見い出したようで、同じ InGaZnO 系なが膜において、結晶の ab 軸方向には配向性を持たない

らターゲット組成を調整することで薄膜内に 2-3 nm サが、c 軸が膜表面に対して垂直に配向し、お互い繋がイズで相分離を生じさせた新しい薄膜相とのことであ

行った

214

論文／国際会議

77-4: A 2.78-in 1058-ppi Ultra-High-Resolution OLED Hybrid Display using Oxide
Semiconductor/Oxide Conductor (OS/OC) Pixel (Transparent Pixel) achieving High
Aperture Ratio
Performance boost of crystalline In-Ga-Zn-O material and transistor with extremely
low leakage for IoT normally-off CPU application
A 140 MHz 1 Mbit 2T1C gain-cell memory with 60-nm indium-gallium-zinc oxidetransistor embedded into 65-nm CMOS logic process technology
Embedded Memory and ARM Cortex-M0 Core Using 60-nm C-Axis Aligned
Crystalline Indium–Gallium–Zinc Oxide FET Integrated With 65-nm Si CMOS
Subthreshold Operation of CAAC-IGZO FPGA by Overdriving of Programmable
Routing Switch and Programmable Power Switch
50-3: Formation of Source and Drain Regions in Top-Gate Self-Aligned Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor
46-4: 513-ppi Hybrid Display with Stacked Transistors
High thermal tolerance of 25-nm c-axis aligned crystalline In-Ga-Zn oxide FET
A 20ns-write 45ns-read and 1014-cycle endurance memory module composed of
60nm crystalline oxide semiconductor transistors
23-1: Distinguished Paper: 5291 ppi Organic Light Emitting Diode Display using
Field-effect Transistors Including a C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor
23-2: 2351-ppi OLED Display with Stacked OS-FETs with L = 0.36 µm
37-1: Liquid Crystal Display Panel with a Pixel Including Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor Memory (Pixel AI)
A 5291-ppi organic light-emitting diode display using field-effect transistors including
a c-axis aligned crystalline oxide semiconductor
3D-Stacked CAAC-In-Ga-Zn Oxide FETs with Gate Length of 72nm
An Energy-Efficient Normally Off Microcontroller With 880-nW Standby Power, 1
Clock System Backup, and 4.69- μ s Wakeup Featuring 60-nm CAAC-IGZO FETs
A 48 MHz 880-nW Standby Power Normally-Off MCU with 1 Clock Full Backup and4.69-μs Wakeup Featuring 60-nm Crystalline In–Ga–Zn Oxide BEOL-FETs
A c-Axis-Aligned Crystalline In-Ga-Zn Oxide FET With a Gate Length of 21 nm
Suitable for Memory Applications
12.2 Micro Short-Circuit Detector Including S/H Circuit for 1hr Retention and 52dB
Comparator Composed of C-Axis Aligned Crystalline IGZO FETs for Li-Ion Battery
Protection IC
21-1: Invited Paper: 5291-ppi Microdisplay Using CAAC-IGZO FET with Channel
Length of 60 nm
Hydrogen Absorption Method Using HfOx in Crystalline In-Ga-Zn Oxide FETs for
NVM Applications
P-4: Novel Oxide Semiconductors Enabling as High On-State Current as LTPS
9-4: Fabrication of Oxide-Semiconductor FETs with Submicron Channel Length
Novel Analog in-Memory Compute with > 1 nA Current/Cell and 143.9 TOPS/W Enabled by Monolithic Normally-off Zn-rich CAAC-IGZO FET-on-Si CMOS
Technology
Source/Drain Engineering by Tantalum Nitride (TaNx) Electrode for Boosting OSFET
Performance
A Compact Physics-Based Charge Core Model for CAAC In-Ga-Zn Oxide Multi-Gate
FETs
P-6: Student Poster: 2731ppi OLED Display with Low Power Consumption and Wide
Viewing Angle Using OS/Si VLSI Process Technology
27-1: Fabrication Method for Miniaturized CAAC-OS FET for High-Definition AR/
VR Displays
P-8: Analysis of Degradation Mechanism of Oxide Semiconductor FETs with High
Tolerance to Intense NBTIS
32-3: 1.5-inch, 3207-ppi Side-by-Side OLED Display Capable of 32-Division Drivingwith OSLSI/SiLSI Structure Fabricated by Photolithography
10-1: Layout of 1.50-inch, 3207-ppi OLED Display with OSLSI/SiLSI Structure
Capable of Division Driving Fabricated through VLSI Process with Side-by-Side
Patterning by Photolithography
5,291-ppi OLED display enabled by monolithic integration of C-axis-aligned
crystalline IGZO FET and Si CMOS
Physics-Based Compact Model for CAAC In-Ga-Zn Oxide Multi-Gate FETs withFree Shape of Fin。SEL のホームページ

77）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

78）Vol.32 2023. March

る。SEL は そ れ を「Cloud-Aligned Composite oxide

よって創出されたアモルファス IGZO-TFT が次世代

semiconductor」と命名している。
「CAAC-IGZO」のトランジスタの有力候補になるであろうことを確

でも「Cloud-Aligned Composite」薄膜にしても、す

信して、IGZO の更なる高移動度化と可視光（特に青でに多くの製品が世に出ていることから、シャープと色波長）安定性という 2 つの課題に焦点を絞り、同時SEL の内部では、品質と量産性という課題も克服してに満足するチャネル材料の開発に集中した。その結きたものと推察する

果、先進的なアモルファス酸化物半導体積層型チャネ46）, 79）。

80）-85）

このように SEL は、細野のオリジナルな IGZO-TFT

ル層を構築し、2011 年 12 月に開催された The 18th

技 術（amorphous IGZO と crystalline IGZO 両 方 ）のInternational Display Workshops（IDW 2011）におい

シーズを逸早くキャッチアップして、シャープと連携て、当時としては世界最高クラスの 40 cm2/Vs を超し、トランジスタ技術とパネル化技術の両輪だけに留える高移動度を有し、かつ a-IGZO TFT の弱点であっ

まらず、メモリー分野にまで果敢に挑戦しており、極た光照射時における閾値電圧などの特性変動を解消しめて速いスピードで開発を進めている。さらに CAAC-た材料とデバイスの開発内容を発表した 89）。

IGZO 技術に関しては、韓国の漢陽大学校（Hanyang

当時、酸化物半導体のチャネル構成を、InZnO or

University）の研究チームにも波及しているように思わ

InSnO/InGaZnO や InSnO/ZnSnO などの二層構造にれ、彼らもフラッシュメモリー応用等の研究が推進さする試みは数報 91）, 92）あったが、以前から懸案であっれていることは興味深い 86）, 87）。なお、SEL のこれらた光照射によるデバイス特性の劣化 93）, 94）という大きの特徴ある技術の詳細は、代表取締役の山﨑舜平らな問題が残されており、細野グループの野村らは、詳が監修・執筆した書籍『Physics and Technology of

細な解析実験を通じて、ゲート酸化膜とチャネル界面

Crystalline Oxide Semiconductor CAAC-IGZO』（ シに生じ易い酸素欠陥による可能性などを指摘していた

リーズ 3 冊）88）にも記されている。

95）。そこで富士フイルムの小野雅司と高田真宏らは、

アモルファス IGZO が酸化物であることから、酸素欠
7.3.2

In/Ga 組成変調積層チャネル構造による高移陥で大きく半導体特性が左右されるであろうと考え、動度化と可視光安定化

アモルファス酸化物薄膜への酸素拡散の状況を、同位細野による Nature 発表以降、「IGZO-TFT」技術は、

体 18O を用いて詳細に調査し、450 ℃で 15 nm の深さエレクトロニクス産業界に大きな激震を与え、産業まで拡散することを事前情報として得た。この時の各界ではアモルファスシリコンの次の有力材料として、温度での酸素拡散の様子を図 7.10 に示す。

TFT デバイスに関する大面積化製造技術や、トラン
ジスタ素子の安定性向上など、いろいろな角度からの開発が大きく胎動していった。そのような中でアモ
ルファス酸化物半導体層を積層化させることで、課題として残されていた可視光、特に青色光による擾乱が極めて小さく、しかも移動度は通常の 4 倍ほど高い積層型アモルファス酸化物半導体トランジスタが、2011
年の年末に富士フイルム株式会社（以降、富士フイル
ムと略記）より発表された 89）。
富士フイルム先端コア技術研究所の研究グループがこの IGZO 系薄膜トランジスタ分野に登場したのは、2010 年春季第 57 回応用物理学関係連合講演会（東海大学）が最初である。彼らはその学会で、東京工業大学教授の細野秀雄が開発してきた一連の IGZO 系酸化物半導体を用いたトランジスタに触発され、細野グ

図 7.10 アモルファス IGZO 薄膜における酸素同位体 18Oの各温度における拡散状況（文献（89）より、小野雅司氏のご厚意により一部改訂して頂き記載）

ループの研究成果の追試的な内容も含め、材料物性か
ら TFT デバイスまで続けて 5 件報告 90）し、その活動

こ の 酸 素 拡 散 デ ー タ を 基 に、 ボ ト ム ゲ ー ト 型 の

内容が 2010 年 3 月 27 日の日本経済新聞の記事にも取

ゲート熱酸化膜の SiO2 上に、1 層目として厚さ 5 nm

り上げられた。

の In-rich & Ga-poor 組 成 の In1.85Ga0.15ZnO4 膜 を キ ャ

その後、富士フイルムの研究グループは、細野にリア密度の高いメイン・キャリア輸送層として形成

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～215

し、その上に 2 層目として In-poor & Ga-rich 組成のこの研究成果の背景には、この In-Ga-Zn-O 系が不In0.5Ga1.5ZnO4 膜を高抵抗層として形成した。この高抵

純物ドープするタイプではなく In-Ga 間の組成比で大抗層の厚みはこの段階で 8 nm とし、一旦 450 ℃のドきく導電性（キャリア密度）を制御できる物質であっライ酸素雰囲気中でアニールを行い、高抵抗層側からたことに加え、酸化物チャネル層作製時におけるナ

メイン・キャリア輸送層を経てゲート酸化膜界面までノスケールでの高度な積層成膜技術、さらにポスト

十分酸素拡散を行った。これによって、ゲート酸化膜

アニール時に構成元素が殆ど拡散しなかった事実（幸とチャネル層の界面に存在している可能性の高い欠陥

運）、そして最後に拡散による精緻な酸素制御技術なは激減される設計構想である。その後同じ In/Ga 組

ど、これら全ての総合的な技術が功を奏した結果であ成で高抵抗層を全体膜厚が 50 nm になるよう追加積ると考えられる。

層した。この 2 層積層型チャネルの構造を図 7.11 に示す。電極は Ti/Au（10 nm/40 nm）である。

この積層型トランジスタの技術達成の大きな要因となった In/Ga 組成変調積層膜について、石英ガラス
基板上に In/Ga 比を組成変調した IGZO 系酸化物半導体薄膜を 5 層積層化した場合を例に、その断面の
HAADF-STEM 像（高角度散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡像）の写真を図 7.13 に示す。

図 7.11 酸素拡散データと In/Ga 比組成の探索で最適化された高移動度かつ、光照射に安定な積層型アモルファス
IGZO-TFT の構造（文献（89）より、小野雅司氏のご厚意により一部改訂して頂き記載）

この 2 層積層型チャネルのトランジスタで、移動度が 41.8 cm2/Vs を実現し、さらには青色波長域のλ=400 nm の照射でも Vth シフト量（⊿ Vth）が－0.04 V
程度と非常に安定化させることに成功した。光照射の波長を変えた時のそれぞれのトランジスタの特性を
図 7.12 に示す。

図 7.13 In/Ga 比を組成変調した IGZO 系酸化物半導体の５層積層膜の断面 HAADF-STEM 像
4 件の登録特許（特許第 5497417 号、特許第 5626978 号、特許第 5901420 号、特許第 5052693 号）に記載されている写
真のオリジナル版に、組成Ｘ値と厚さを記入して頂いたものを、
高田真宏、小野雅司の両氏からご厚意で提供を頂いた。

この小野らによる IDW 2011 での研究発表は、当時の技術情報サイト Tech-on（現在は、日経クロステック）でも取り上げられた 96）。加えて翌年、この研究成果をベースとして韓国で開催された国際会議（IMID
2012=The 12th International Meeting on Information
Display）においても小野は招待講演を行っている 97）。
このような一連の技術蓄積もあり、富士フイルムの IGZO 系酸化物薄膜トランジスタに関連する特許群
は、過去の一時期、株式会社パテント・リザルト調査
での化学業界にける『他社牽制力ランキング』のトッ
図 7.12 積層型アモルファス IGZO-TFT の Vgs -Ids 特性

プの座を複数年に亘り堅持していた 98）。

（文献（89）より、小野雅司氏のご厚意により一部改訂して頂き記載）

7.3.3

InGaZnO4 バルク単結晶の育成

2019 年、東京理科大学教授の宮川宣明とメキシコ・216

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. Marchソノラ大学客員教授の君塚昇らの共同研究チームは、フ加えて宮川らは電気特性の温度依存性を測定し、酸ローティングゾーン（FZ）法によって透明酸化物半導体

素雰囲気下でのアニール処理により、キャリア密度と電材料として注目されている InGaZnO4 のバルク単結晶の気伝導率をそれぞれ、7 × 10 17 cm−3 から 6 × 10 1 9 cm−3、育成に成功し、専門誌に発表した 99）。これまでに報告

及び 1 S/cm から 2000 S/cm の間で制御できることをされていた InGaZnO4 単結晶に関する過去の 3 例100）-102）

確認した。またキャリア密度が増加すると移動度も増加とは大きく異なり、センチメートルクラスの大きなバすることも確認され、野村らの研究成果 105）-107）と一致しルク単結晶である。この材料系での殆どの研究事例ており、IGZO 系物質の持つ固有の物性と思われる。さは薄膜としての材料物性であり、それ以前の研究ではらには単結晶の c 軸に沿った電気伝導率σc が、ab 面

NIMS 時代の君塚ら 100）による 0.02 × 0.1 × 0.1 cm3 の内の電気伝導率σab よりもかなり小さいこと等も明確と

小片の InGaO（ZnO）
33 単結晶であったり、徳島大学のなった。その後宮川らは IGZO-11 から IGZO-19 までの森賀らのような多結晶

単結晶を育成し、その n 値の増加に伴って、光学ギャッのセラミックス焼結体であり、今回の宮川が報告したよプ（Tauc ギャップ）が単調減少することも確認した 108）。

うなセンチメートル級のバルク単結晶の報告例は無い。

この傾向は、森賀らによる ZnO 層数の増加に伴う光学バルク単結晶材料を用いての基礎物性の把握と解明は、吸収波長の長波長化へのシフトと一致する 103）。

、そして HOYA の折田ら

103）

104）

今後、薄膜トランジスタ特性を更に改良する上でも非このようなバルク単結晶の電気伝導の異方性の正確

常に貴重な技術であり、宮川らによる大型のバルク単な値を知ることは、今後の応用デバイスを思考する上結晶育成の発表は非常に重要な意義がある。

でも非常に有益な情報となる。今後さらにいろいろな

宮 川 ら は、 一 般 化 学 式：
（InGaO3）m（ZnO）n（m, n= 自然数）に対して「IGZO-mn」と表記しているため、物性値が明らかにされることで、より一層酸化物トランジスタの性能向上が期待されると確信する。

InGaZnO4 は「IGZO-11」ということになる。FZ 法により育成された IGZO-11 単結晶は、そのままでの as-grown

7.3.4

細野グループによるその後の研究展開

状態では、若干深い青みを帯びた色調であるが、酸素雰

細野グループは、その後 a-IGZO の本質を探る各種

囲気中でのポストアニール熱処理により、その単結晶は図研究を実施し、2004 年当時よりも高品質なトランジ

7.14 に示すように見事に透明になることが明瞭にわかる。

スタ特性と詳細な電子状態を表すバンド構造に関して、図 7.15（a）、（b）、（c）を発表している 109）-120）。
ここで、a-IGZO TFT の特徴として、負のゲート電圧を印加した際に流れるオフ電流は極めて低い。
（a-Si
よりも数桁低い。）これは、価電子帯上端（VBM）近傍に伝導帯下端（CBM）近傍よりもはるかに高密度な酸素欠陥由来の局在準位が存在するためと考えられている。この a-IGZO トランジスタの特徴は、ディスプレ
イ駆動応用においては、リーク電流の抑制、即ち低消費電力化につながる好材料となっている一面もある。
いずれにしても光照射中に負バイアス印加で特性が変化してしまうと電流制御である有機 EL ディスプレイ
などでは重大な問題となるため、薄膜作製時の水分量や酸素分圧などの調整により、VBM 近傍の局在準位を適切に調整していると考えられる。
細野グループのその後の研究で、筆者が注目した研究成果の事例をここで数編だけ触れておきたい。その一つは、東工大元素戦略研究センター助教の金正煥（Junghwan Kim、キム・ジョンファン）とセンター

InGaZnO4（IGZO-11）単結晶の写真イメージ 99）

長の細野秀雄らのグループによる、移動度と安定性（a）は as-grown 結晶のイメージ画像、（b）は酸素ガスフロー
で 1000 ℃ -72 時間アニール熱処理後の単結晶のイメージ画像。
単結晶片の厚みは 0.195 mm。（Royal Society of Chemistry より許可を得て掲載）のトレードオフ問題を解決する形で創製した ITZO

図 7.14（=InSnZnOx）[20 nm]/IGO（=InGaOx）[15 nm] の 2 層積層チャンネル構造の TFT である 121）。

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

217

図 7.15 アモルファス IGZO（a-IGZO）の電子構造と薄膜
トランジスタの特性（a）出力特性（ドレイン電流のドレイン電圧依存性）であり、飽和領域から求められる移動度は 10cm2/Vs 以上である。
（b）伝達特性（ドレイン電流のゲート電圧依存性）であり、そのS 値（S.S.: Subthreshold swing）は、TFT として問題ない
小さな値になっている。
（c）a-IGZO の電子構造（バンド構造）で、縦軸は電子のエネル
ギーを、横軸は電子の状態密度をイメージとして模式的に表している。
（なおこの 3 図は、細野教授のご厚意で、文献（118）の図を参考に改訂して頂いたものを記載）

図 7.16 移動度と安定性のトレードオフ問題の解決を図った 2 層積層チャネル構造 TFT（a）その TFT の構成イメージ図（b）代表的な特性として NBTS 安定性を示すトランジスタ特性（なおこの 2 図は、細野教授のご厚意で、文献（121）の図を参考に改訂して頂いたものを転載）

リア電子が供給されることを意味する。移動度が 10
cm2/Vs 程度の a-IGZO には供給されないため元々安定であるが、この理由として、伝導帯の下端（CBM）の位置が Sn 等が入ることによって大きく下がってい218

高い移動度を示す In-Sn 系の酸化物 TFT では長くるため、キャリアが供給され易くなっていると考えら

繰り返し使用していると、閾値電圧がシフトしてしれる。このようにトランジスタ特性に関する綿密な解

まい、同じゲート電圧でもドレイン電流値が大きく

析と共に、問題の元凶であったカーボン不純物を除去

変化してしまうため、電流駆動の OLED には搭載ですることで、図 7.16（b）に示すような閾値安定性の高きなかった。その原因がゲート絶縁膜に生じると考え

い TFT 特性（ここでは NBTS 安定性の特性）を実現られる電荷トラップなのか、チャネルを構成する半した。

導体層のキャリア密度の変化なのかを明らかにする

この 2 層積層構造のアモルファス酸化物チャネルの構

ため、図 7.16（a）に示すような NBTS（負バイアス温成が素晴らしいという以上に、この Nature Electronics

度ストレス）に安定な In-Ga-O 層と NBTS に不安定な誌の論文の本質は、NBTS の原因をこの 2 層チャネル

In-Sn-Zn-O 層を積層した構成のトランジスタを作製

をモデルとしてデバイスシミュレーションとして引き出し、デバイスシミュレーションと突き合わせる形で解した点であり、実験構想も良く練られており、非常に傑析した。その結果、ゲート絶縁膜に生じる電荷トラッ

出した研究成果である。この成果の本質的内容は、産プではなく、高移動度 InSnZnO 層のキャリア密度の業界にとっても極めて重要なインフォーメーションと上昇が原因であることが突き止められた。さらにこのなるはずである。電子移動度が 70 cm2/Vs 程度もあキャリア密度の上昇の原因が半導体リソグラフィー・

り、繰り返し利用による閾値不安定性の問題も解決しプロセス過程で生じるカーボン不純物（CO）であるこ

た今、アモルファスゆえ大面積化も可能なので、低温とも突き止めた。すなわち負バイアスの印加によりポリシリコン（LTPS）TFT を上回る大画面化・高精残存していた不純物 CO から酸化物チャネル層にキャ細化に十分対応できる能力をアモルファス酸化物半導

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March体 TFT は持ってきたとの印象を深めた。

野にもこの材料および TFT 技術が波及・浸透してい上記の不安定性の原因となるトランジスタの作製プる。特に近年の医療用 X 線撮像装置での開発状況はロセス由来の不純物カーボンに関しては、同時期に活発 183-196）で、さらに 2004 年に登場した「IGZO-TFT」

細野らのグループから別途論文が発表されている 122）。

を X 線フラットパネルに応用する研究報告は非常に材料とデバイス作製プロセスの両者を俯瞰した視点で活発である 197）-213）。

の開発の重要性が指摘されており、貴重な知見である。

アモルファス IGZO の創製は、エレクトロニクスのも う 一 つ は、p 型 酸 化 物 半 導 体 ト ラ ン ジ ス タ の中枢である半導体材料に大きなイノベーションがなさ

SnO-TFT の創製と、Sb をドーピングすることでれると、その波は徐々により大きな波となり、着実にn 型化して、pn 両極性の性質を付与できることを実証波及していく典型例であることを世に示した。きっとした研究である 124）, 125）。まず成膜中の酸素分圧を高度

今後益々改良が進み、より高精度で細密なデバイスがに制御して YSZ 単結晶基板上にエピタキシャルに作製構築され、より豊かな生活環境に技術が還元されて来した SnO-TFT の実現は、その電界効果移動度も p 型

るに違いない。この「IGZO」のパイオニアである細野としては 1 cm /Vs を超えて高く、加えて Sb を 8％以

秀雄もそうなることを誰よりも願っているに違いない。

123）

2

上ドーピングすることで極性が反転し n 型となることも見出され、ホモ接合での明瞭な整流特性を得ていることも材料への機能追究という視点で極めて重要な展開と考える。この一連の研究は、重要な CMOS 回路を酸化物半導体だけで構築できることへの見通しを付けたという意義があり、酸化物エレクトロニクスにおける大きな扉をまた一つ開けたことに相当する。p 型酸化物半導体分野では今後更なる発展が期待されるが、最近では p 型酸化物トランジスタに関するレビュー論文 126）-128）
も散見され、細野によって切り拓かれた新しい材料技
術が全世界に着実に浸透していることが伺える。
7.3.5

世界の研究者への波及と大いなる発展

細野秀雄による「透明アモルファス酸化物半導体
IGZO の発見と発明」は、すでに 18 年を過ぎようとしている今、改めて全世界のエレクトロニクスメー
カーに大変革をもたらした大きな材料イノベーションであったと感じる。これまでに記してきたように、日本国内はもとより、韓国、台湾、中国などの海外のディスプレイ企業による大画面フラットパネルディス
プレイや高精細な有機 EL 画面搭載のスマートフォン
等がその典型的な実用化事例である。それだけではな
く、この IGZO の発見・発明の意義は、「Si でなくても酸化物でもいろいろな因子を丁寧に制御して作製す
れば、Si と同等の、あるいは Si を置き換える以上のデバイスが出来るかもしれない」という大きな期待感
を、全世界の材料研究者に与えたことではないだろうか。細野が大きく投げ上げたボールは全世界の著名な研究者に受け入れられ、彼らの目線を通して彼らなりの第二、第三の材料の研究路線を俯瞰した形で多くの新たな研究の方向性がレビューされている 129）-182）。その応用はディスプレイ用 TFT だけに留まらず、エレクトロニクスではメモリー応用、バイオ・医療の分薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～219

IGZO 関連論文の動向調査の手法
材料研究者であった筆者独自の思考ではあるが、論文や国際会議の調査対象母集団を以下の 4 通り（ⅰ）～（ⅳ）とし、2005 年から 2022 年 9 月（＝調査時）までのデータで抽出できる内容で検討した。
（ⅰ）国際的な視点で材料の基礎的な研究状況を把握する目的• 対象論文：Applied Physics Letters, Journal of Applied Physics, AIP Advances• 調査 URL：https://aip.scitation.org/search/advanced （2022.09.26 調査）（ⅱ）研究水準の高い世界の材料研究の動向を把握する目的：• 対象論文：Advanced Materials, Advanced Functional Materials,
Advanced Electronic Materials, Advanced Materials Interfaces,
Advanced Optical Materials, Advanced Materials Technologies, Advanced Science, Small• 調査 URL：https://onlinelibrary.wiley.com/search/advanced?publication=15214095&text1= （2022.09.26 調査）（ⅲ）フラットパネル／フレキシブル・ディスプレイ分野への展開などを把握する目的• 対象国際会議、論文： SID, J. Soc. Inform. Display,• 調査 URL：https://sid.onlinelibrary.wiley.com/search/advanced?publication=19383657&text1= （2022.09.28 調査）（ⅳ）半導体デバイス、回路、センサー、ディスプレイ要素技術などへの応用展開を把握する目的• 対象国際会議、論文： IEEE Electron Device Letters, IEEE Trans. Electron Dev.,
J. Display Technol., AM-FPD, IEDM, ISSCC, VLSI Symposium 等• 調査 URL：https://ieeexplore.ieee.org/search/advanced （2022.09.27 調査）

なお、
今回の（ⅰ）～（ⅳ）の各調査に用いた技術キーワードは、筆者の経験から、以下の「キーワード条件」
で、出来るだけ論文や国際会議の発表における「タイトル」に対して検索抽出する形で調査を実施した。
◎調査に用いたキーワード：“IGZO” OR “InGaZnO” OR “InGaZn” OR “InGaZnO4” OR “GaInZnO” OR “GaInZn”
OR “GIZO” OR “In-Ga-Zn-O” OR “In-Ga-Zn” OR “Ga-In-Zn-O” OR “Ga-In-Zn”
OR “indium-gallium-zinc-oxide” OR “indium-gallium-zinc” OR “gallium-indium-zincoxide” OR “gallium-indium-zinc” OR “caac” OR “cac-os” OR “InGaO3(ZnO)” OR“transparent-amorphous-oxide-semiconductor” OR “amorphous-oxide-semiconductor”
OR “oxide-based thin film transistor”

220

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

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Momoyo Yamaguchi, Atsuo Isobe, Yoshinori Ando,
Daisuke Matsubayashi, Kiyoshi Kato, Hai Biao Yao, Chi
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Shunpei Yamazaki, Toshimitsu Obonai, Yasuharu Hosaka
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Haruyuki Baba, Tatsuya Onuki, Hitoshi Kunitake,Kazuaki Ohshima, Daigo Shimada, Hajime Kimura,
Tsutomu Murakawa, Tomoaki Atsumi and Kiyoshi
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semiconductor）–based devices for artificial intelligence” ,Int. J. Ceramic Eng. Sci., 1, 6-20（2019）.
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 ャープと半導体エネルギー研究所がディスプレイを革新する酸化物半導体の新技術を共同開発 （2012 年 6 月 1 日）
https://www.sel.co.jp/news/news/2012_06_igzo/press.
html （2022.10.01 閲覧）78） SEL の CAAC 材料技術：https://www.sel.co.jp/technology/
os_caac.html （2022.10.01 閲覧）79） 山 﨑舜平：「Indium Gallium Zinc Oxide（CAAC/CAC-OS）の発見とその応用」, 第 64 回応用物理学会春季学術講演会
講演予稿集、14p-213-1（2017 パシフィコ横浜）80） シャープの HP の「シャープの歩み」： https://corporate.
jp.sharp/info/history/chronology/ （2022.10.06 閲覧）• 2012 年：酸化物半導体（IGZO）を採用した液晶パネルの量産を開始• 2013 年：ノート PC 向け IGZO 液晶パネルを生産開始• 2019 年：ディスプレイのコア技術「IGZO」が進化、「第5 世代 IGZO」開発• 2021 年：ライカカメラ社と協業し、スマートフォン最大級の 1 インチカメラセンサーと世界初 1 Hz-240 Hz
駆動「Pro IGZO OLED」搭載のスマートフォン「AQUOS R6」商品化
81） SEL の HP の「液晶ディスプレイ」https://www.sel.co.jp/
technology/os_display.html#liquid （2022.10.06 閲覧）82） 吉 田茂人：「モバイルディスプレイ～ IGZO 技術のアプ
ローチ～」,   映像情報メディア学会誌、68, <5>, 367-371（2014）.
83） シ
 ャープのディスプレイのコア技術「IGZO（イグゾー）」とは？
https://blog.sharp.co.jp/2020/04/14/22774/（2022.10.06 閲覧）84） 特別連載 シャープ「IGZO」の本領 〜エレクトロニクスに革新をもたらす新材料〜  発展を続ける次世代電子材料「IGZO」 新構造を備えた進化版の展開が本格化 https://jp.sharp/igzo/pdf/media_130802.pdf （2022.10.06 閲覧）85） 二 星学、塚本優人、菊池克浩、三ツ井精一、池田寿雄、
瀬尾哲史、平形吉晴、山﨑舜平：「フレキシブル OLED ディスプレイ」, シャープ技報、108, 17-20（2015 年 3 月）.
86） Soonoh Jeong, Seokmin Jang, Hoonhee Han, Hyeontae
Kim and Changhwan Choi：“C-axis aligned crystalline
indium-gallium-zinc oxide （CAAC-IGZO） and high-k
charge trapping film for flash memory application” , J.
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87） Hoonhee Han, Seokmin Jang, Duho Kim, Taeheun Kim,
Hyeoncheol Cho, Heedam Shin and Changhwan Choi：“Memory Characteristics of Thin Film Transistor with
Catalytic Metal Layer Induced Crystallized Indium-GalliumZinc-Oxide（IGZO）Channel” , Electronics, 11, 53（2022）.
88） 山﨑舜平氏らは、「結晶性酸化物半導体 CAAC-IGZO」に224

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

関する図書 3 冊を執筆・編集しており、以下に記す。
https://www.sel.co.jp/images/news/os-books_2020.pdf（2022.10.15 閲覧）• Noboru Kimizuka and Shunpei Yamazaki： “Physics
and Technology of Crystalline Oxide Semiconductor
CAAC-IGZO: Fundamentals” , Wiley, ISBN: 978-1119-24737-1, （October 2016）. https://www.wiley.
com/en-jp/Physics+and+Technology+of+Crystalline+Oxide+Semiconductor+CAAC+IGZO%3A+
Fundamentals-p-9781119247371（2022.10.15 閲覧）• S h u n p e i Y a m a z a k i （ E d i t o r ） a n d    M a s a h i r o  F u j i t a （ E d i t o r ）： “ P h y s i c s a n d T e c h n o l o g yof Crystalline Oxide Semiconductor CAACIGZO：Application to LSI” , Wiley, ISBN: 9781 - 1 1 9 - 2 4 7 4 3 - 2 , （ O c t o b e r 2 0 1 6 ）. h t t p s : / / w w w .
wiley.com/en-jp/Physics+and+Technology+of+Crystalline+Oxide+Semiconductor+
CAAC+IGZO%3A+Application+to+
LSI-p-9781119247432（2022.10.15 閲覧）• S h u n p e i Y a m a z a k i （ E d i t o r ） a n d T e t s u o  Tsutsui （Editor）： “Physics and   Technology of
Crystalline Oxide Semiconductor CAAC-IGZO:
Application   to Displays” , Wiley, ISBN: 978-11 1 9 - 2 4 7 4 8 - 7 , （ N o v e m b e r 2 0 1 6 ）. h t t p s : / / w w w .
wiley.com/en-jp/Physics+and+Technology+
of+Crystalline+Oxide+Semiconductor+CAAC+IGZO%3A+Application+to+
Displays-p-9781119247487（2022.10.15 閲覧）89） M asashi Ono, Masahiro Takata, Fumihiko Mochizuki,
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90） 2010 年春季 第 57 回 応用物理学関係連合講演会（東海大学）［2010 年 3 月 17 日（水）～ 20 日（土）開催］○梅田賢一、田中淳、鈴木真之：17a-TL-2「セラミックス
固相法による In2-xGaxZnO4-δ 固溶系の研究」○奈 良裕樹、高田真宏、梅田賢一、望月文彦、田中淳、
鈴木真之：17a-TL-3「InGaZnO4 単結晶薄膜の作製と電気特性評価」○梅田賢一、平井博幸、東耕平、南宮麻紀、田中淳： 17aTL-7「液相プロセスによる In-Ga-Zn-O, In-Zn-O TFT の作製」○中山昌哉、板井雄一郎、多田宏、今井真二、三島康由：
17a-TL-8「IGZO-TFT 活性層上の GaO 層の効果」○濱 威史、望月文彦、田中淳、鈴木真之： 17a-TL-9「高Ga 濃度 IGZO TFT の可視光照射時における光安定性」
91） Sun Il Kim, Chang Jung Kim, Jae Chul Park, Ihun Song,Sang Wook Kim, Huaxiang Yin, Eunha Lee, Jae Chul Lee
and Youngsoo Park：“High Performance Oxide Thin
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92） Hironori Wakana, Tetsufumi Kawamura, Kuniharu Fujii,
Hiroyuki Uchiyama and Mutsuko Hatano： “Amorphous
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40, 1287-1290（2010）.
93） Tze-Ching Fung, Chiao-Shun Chuang, Kenji Nomura,Han-Ping David Shieh, Hideo Hosono and Jerzy Kanicki：“Photofield-Effect in Amorphous In-Ga-Zn-O（a-IGZO）
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94） Chiao-Shun Chuang, Tze-Ching Fung, Barry G. Mullins,

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Hideo Hosono and Jerzy Kanicki： “Photosensitivity ofAmorphous IGZO TFTs for Active-Matrix Flat-Panel
Displays” , SID Symp. Dig. Tech. Papers, 39, 1215-1218（2008）.
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produced by eliminating deep subgap defects” , Appl.
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96） 松 枝洋二郎（AU Optronics）：「【IDW】移動度が 40cm2/
Vs を超える IGZO TFT を富士フイルムが発表」日経ク
ロステック、（2011.12.19）. https://xtech.nikkei.com/dm/
article/NEWS/20111219/202793/ （2022.09.01 閲覧）97） Masashi Ono, Masahiro Takata, Fumihiko Mochizuki,
Atsushi Tanaka and Masayuki Suzuki：“Developmentof stacked-layer channel IGZO TFTs with high mobility
and high photostability” , The 12th International Meetingon Information Display （IMID2012）,（August 28-31,
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98） 株 式会社パテント・リザルトは毎年、独自に分類した化学業界の企業を対象に、他社特許への拒絶理由として引用された件数を企業別に集計した「化学業界 他社牽制力
ランキング」をまとめている。 以下参照。
【化学】他 社牽制力ランキング 2017 （2022.09.01 閲覧）https://www.patentresult.co.jp/news/2018/06/
fcitchem.html【化学】他 社牽制力ランキング 2018 （2022.09.01 閲覧）https://www.patentresult.co.jp/news/2019/06/
fcitchem.html99） Y usuke Tanaka, Kazuhiro Wada, Yuki Kobayashi,
Takenori Fujii, Saleem J. Denholme, Ryotaro Sekine,
Naoki Kase, Noboru Kimizuka and Nobuaki Miyakawa：“Single crystal growth of bulk InGaZnO4 and analysis of
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100） N oboru Kimizuka, Mitsumasa Isobe and Masaki
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InGaO（ZnO）
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m （m = 7, 8, 9, and 16）
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107） K enji Nomura, Hiromichi Ohta, Kazushige Ueda,
Toshio Kamiya, Masahiro Hirano and Hideo Hosono：“Carrier transport of extended and localized states in
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110） K enji Nomura, Toshio Kamiya, Hiroshi Yanagi, Eiji
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amorphous oxide semiconductor, In–Ga–Zn–O, observed
by bulk sensitive x-ray photoelectron spectroscopy” ,Appl. Phys. Lett., 92, 202117（2008）.
111） Toshio Kamiya, Kenji Nomura, Masahiro Hirano and
Hideo Hosono： “Electronic structure of oxygen deficient
amorphous oxide semiconductor a-InGaZnO4–x: Opticalanalyses and first-principle calculations” , Phys. Status
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228

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

202） Yangbing Xu, Jun Chen and Kai Wang： “A DirectConversion X-ray Detector Based on A Vertical
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Thin-Film Transistors（CAD-TFT）（16-18 Nov.2018）.
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206） A u n n a s h a S e n g u p t a , C h u m i n Z h a o , A n a s t a s i o s
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207） R ikiya Takita, Wataru Nakamura, Akinori Kubota,
Fumiki Nakano, Kazuhide Tomiyasu, Yu Nakamura andNaoki Makita： “Flexible Image Sensor Array Using
IGZO TFT Backplane Technology for X-ray Detector” ,Proc. International Display Workshop （IDW’ 20）, 27,
921-924（2020）.
208） A lbert J.J.M. van Breemen, Matthias Simon, Olivier
Tousignant, Santhosh Shanmugam, Jan-Laurens van der
Steen, Hylke B. Akkerman, Auke Kronemeijer, Walter
Ruetten, Rob Raaijmakers, Lex Alving, Jan Jacobs,
Pawel E. Malinowski, Florian De Roose and Gerwin H.
Gelinck： “Curved digital X-ray detectors” , npj Flexible
Electronics, 4, 22（2020）.
209） Auke Jisk Kronemeijer, Bart Peeters, Gerard de Haas,
Roy Verbeek, Thijs Bel, Robert van de Laar, Leslye
Astrid Ugalde Lopez, Laurens C. J. M. Peters andGerwin H. Gelinck： “Active-matrix mesh electronics
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211） T akeshi Fujiwara, Hiroaki Miyoshi, Yuki Mitsuya,
Norifumi L. Yamada, Yasuo Wakabayashi, Yoshie Otake,
Masahiro Hino, Koichi Kino, Masahito Tanaka, Nagayasu
Oshima, and Hiroyuki Takahashi： “Neutron flat-panel
detector using In–Ga–Zn–O thin-film transistor” , Rev.
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212） Niral Milan Sheth , Ali Uneri, Patrick A Helm, Wojciech
Zbijewski and Jeffrey H Siewerdsen：“Technicalassessment of 2D and 3D imaging performance of an
IGZO-based flat-panel X-ray detector” , Med. Phys., 49,<5>, 3053-3066（2022）.
213） S teven Freestone, Richard Weisfield, Carlo Tognina,
Isaias Job and Richard E. Colbeth：“Analysis of a new
indium gallium zinc oxide （IGZO） detector” , Proc. of
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8 まとめ本系統化調査では、アモルファス酸化物半導体トラされている IGZO 薄膜は、ディスプレイだけでなくメンジスタが、どのような技術的経緯を経て誕生したのモリーへの応用や医療分野の X 線ディテクター応用、か、その材料技術の系譜を明らかにすることを主眼とバイオセンサーへの応用など、当初の予想をはるかにした。世界がシリコン半導体で隆盛を誇っている最中超える形で IGZO の技術が波及している。実際に企業に、細野秀雄は３つの実験結果を糧として作業仮説をで量産化されている技術の転用の速さには目を見張る立て、著名な国際会議でアモルファス酸化物の有用性

ものを感じる。

について講演したが反響は殆どなく、そのような四面その一方で細野は、誰も挑戦してこなかった技術の楚歌の中においても自己の「発想」を信じ続けたこと、種をゼロベースから作り上げ、他の人達に理解しても加えて研究プロジェクト開始に際して優秀な若手研究

らうまでの苦難の時期を少なくとも 7 ～ 8 年間、噛み者に恵まれたこと、そして総括責任者としてプロジェ

しめていたはずである。細野を「異端」と呼ぶ雰囲気

クト内のコミュニケーションと技術内容の相互理解にもわからないこともないが、そんな簡単な表現だけでも心血を注いだと思われること、そういった諸々の事は済ませられない、何物にも屈しない頑強な芯を細野

案が全ての面でプラスに作用して生まれた研究成果のには感じる。「異端」の元となった「作業仮説」は、「結晶」が、2003 年の Science 誌と 2004 年の Nature

いくつかの実験事実から論理的に導き出され、そして誌の 2 報の論文である。

数年間を要してその「作業仮説」の必要十分条件を満

また、この発見・発明の時期に適切なタイミングでたす実験結果も見事に得て発表している。「作業仮説」

多くの識者からの支援を得て国内外に特許出願を行を単なる「思いつき」ではなく、エビデンスに基づいい、その後の知財の権利獲得と維持の過程では、国た理論に押し上げようとする細野のサイエンティスト

内だけでなく海外にも自ら出向いて技術のオリジナリ

としての哲学をそこに見ることが出来る。

ティーの説明を行うなど、通常の大学業務の範疇を遥

実験室の現場から得られた研究成果の一つ一つの糸かに超えるような努力も、このイノベーションの主要を、細野によって緻密に織りあげられて完成させたのな要因の一つである。今日多くのエレクトロニクスメー

が、2004 年発表の Nature 論文であったと考える。発カーが、アモルファス IGZO-TFT を実際に使用してい表から 18 年を経て、イノベーションの源泉となったると考えられることからも、科学技術振興機構（JST）

Nature 論文［Nature, 432, 488-492（2004）.］は、材料と協力して酸化物薄膜トランジスタの基本特許をしっ

科学と半導体の 2 分野における「珠玉の論文」となり、かりと権利維持されてきたことは、本技術の実用化を歴史に大きな一歩が刻まれた。

考える上で間違いなく重要な基盤となっている。
材料科学において、「結晶」ではなく「アモルファス」にすることで実用化の路線を見出した一連の細野秀雄の構想プロセスは実に秀逸であった。昔から「ガラス」という材料科学に親しんできた細野でしか成し得なかったことではないかと考える。細野による 2004
年の Nature 発表以降、製品化を計画している多くの企業の研究開発担当者は、「この a-IGZO が本物かどうか」、数年間いろいろチェックし確認したのだろうと想像する。そして数年後の 2008 年頃までに、「IGZO
は本物で産業化路線に乗せられる」との確証を得たに違いない。そこを境にそれ以降、全世界の研究者から
IGZO 関連の新しい研究開発の大きな波が伝播し始めて、今日でもその波は拡がり続いている。細野が産んだ a-IGZO の種は、全世界の多くの研究者が認め、その種を持ち帰ってそれぞれの畑で育て上げ、そしてまた新たな果実が生まれようとしている。すでに実用化
薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

229

9 謝辞

本系統化調査においては、特に 3 章、4 章、5 章、JST 知的財産マネジメント推進部産学連携アドバイ

6 章のサイエンティフィックな記述のところを中心

ザー）、さらには細野研究室との共同研究下での国内に、細野秀雄教授に学術的な考え方の観点からご確認

外における特許生産活動の詳細やスパッタリングにをして頂いた。本調査報告書においては全章に亘り、よる薄膜作製と a-IGZO デバイス開発の様子そして製いろいろな箇所において筆者の推理、推測、あるいは品情報など、当時から最近までの IGZO-TFT の情勢

想像が盛り込まれている。それらに関しては「第三者」

についてお聞かせ頂いた上、資料提供にも快くご対応としての筆者の考え方や見解でもあるため、仮に事実頂いた雲見日出也博士（JST 知的財産マネジメント推とは若干異なっていたとしても、細野教授には敢えて

進部主任専門員、東工大元素戦略センター特任教授兼コメントを控えて頂くことを、失礼を承知でお願いし任）にも改めて深く感謝する。

た。このような非礼なお願いに対しても、広いお心でまた、高田憲一氏、後藤義満氏、丸山正明氏、松尾ご対応頂いた。誠に恐縮である。加えて筆者が希望し義之氏、山口泰博氏それぞれによる細野教授へのインた図面などに関しては、場合によっては少し改訂されタビュー記事は大変参考になった上、一部転載をさせるなどして快くご提供頂いた。大変ご多忙な中、筆者て頂いた。巻末に恐縮であるが、ここに厚く御礼を申の立場や希望に快くご理解とご対応を頂いた細野秀雄

し添えたい。
さらに本調査に際しては、以下の方々にいろいろな

栄誉教授に心より感謝申し上げる。
上記のような背景があるため、記載内容には真実と形でご支援を頂いた。以下五十音順となるが、池ノ上は若干異なったところもあるかもしれないが、どうかお

芳章様、奥野幸洋様、小野雅司様、久保正浩様、佐々木許し頂きたい。加えて筆者の浅学さゆえ、材料物理へ

勉様、高田真宏様、宮田英之様、それぞれに感謝申しの理解が乏しく、学会での認識から逸れた記載になっ上げる。

ているとしたら、そこもどうかお許し頂きたい。細野先本系統化調査報告書を終えるに際して最後に、2010

生はじめ、神谷先生や太田先生らの諸論文や解説等で、

年 11 月 12 日に「International Workshop on Elements

再度正しくご確認をお願い出来れば幸いである。

Science and Technology for Materials Innovation」がまた本調査に際しては、ERATO「細野透明電子

東京工業大学すずかけ台キャンパスのすずかけホール

活性プロジェクト」の当時の様子をお聞かせ頂いたにて開催されたが、その国際会議のバンケット時に久古川雅士博士（JST イノベーション拠点推進部企画

しぶりにお会いした際に撮影させて頂いた写真を以下課課長）、知的財産におけるライセンス契約など当時にご紹介させて頂く。

の特許活動の詳細をお聞かせ頂いた尾崎勝博士（当時

図 9.1 2010 年 11 月に東工大すずかけホールで開催された国際会議のバンケットでの歓談風景（左）細野秀雄教授、（右）筆者＝鈴木真之

230

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March薄 膜 トランジス タ用 透 明 酸 化 物 半 導 体 材 料 の 系 統 図

東京工業大学 元素戦略MDX研究センター遠望 （筆者撮影）

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

231

232

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査 ～IGZO系酸化物半導体材料の創製経緯と技術波及～

233

234

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.32 2023. March

2

1

番号

（PLD）成膜装置

ザーデポジション（ULVAC）

高温域まで制御可能で、チャンバー内の酸素分圧も広範な範囲での制御が可能となっており、結果的に酸化物半導体に対してはアモルファス薄膜からエピタキシャル単結晶化薄膜まで創製できる特別な仕様の材料探索用の高機能薄膜材料創製用のツールとなっている。この装置を用いて、材料科学で傑4259 R3-D 棟
東京工業大学すずか
け台キャンパス科学
技術創成研究院フロ
ンティア材料研究所

細野・神谷・平松研究室

学界及び産業界双方にとって大変貴重な資料である。

な装置であり、将来に亘って記念＆保存していくに相応しい

PLD 装置である。この PLD 成膜装置は産業史上極めて貴重

出し多元系酸化物薄膜デバイスの道を切り拓いたのはこのは今日殆どスパッタリング手法ではあるが、その原点を創ている。生産時には大面積で成膜するため、各社の製造装置

メモリーにも大きく展開しており、イノベーションを起こし

今日多くのディスプレイに実用化され、各種センサーや新規

特にアモルファス IGZO-TFT は、低温成膜という利点から

誌の 2 報の論文が産まれた。

出した成果となった 2003 年の Science 誌、2004 年の Nature

この PLD 成膜装置は、酸化物薄膜の結晶成長温度を超えるえるに相応しい材料科学上の傑出した遺産である。

して産業上極めて重要である。適切に保管して後世に永く伝

正にこの薄膜トランジスタの資料はイノベーションの起点と横浜市緑区長津田町

東京工業大学エレクトロニクスへの大きな扉を開ける「さきがけ」となっ

センター

株式会社アルバック

め、基板として PET などの有機材料を選べ、フレキシブル

元 素 戦 略 MDX 研 究

ジェクト」

スタ

1995 年頃

導体薄膜はアモルファスであるがゆえに低温成膜が可能なたけ台キャンパス野透明電子活性プロ

IGZO 薄膜トランジ

高性能パルスレー

ランジスタとして高い動作性能を持っている。この酸化物半

東京工業大学すずか＆ JST-ERATO「 細透明アモルファスた。さらには透明エレクトロニクスへの道も開けつつあり、が広く可視域透明でしかもキャリア制御性が高く、半導体ト4259 S8 棟

細野秀雄研究室

細 野・ 神 谷 研 究 室

たフレキシブルなアモルファス IGZO 系酸化物半導体薄膜は、バンドギャップ

選定理由

横浜市緑区長津田町

所在地

所在確認

東京工業大学

2004 年PET 上 に 構 成 し製造社／製造者

産業技術史資料

東京工業大学製作年

名称

薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査

「薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査」
報告書冊子との相違点（正誤表）
全文 PDF 版
2023 年 8 月（正）第 32 集冊子版
2023 年 3 月

ページ

段落

行

114

右

下から 2 行目

GrundmanGrundmann116

左下から 8 行目

可視・赤外で良特性を備え、可視・赤外で良特性を示すことに加え、

119

コラム内の
参考文献

文献（17）の 1 ～ 2 行目

大矢豊、伊藤智和、金子昌弘、伴隆幸、高橋康隆：「酸化インジウム中への酸化スズの固溶限界」,

Yutaka Ohya, Tomokazu Ito, Masahiro
Kaneko,Takayuki Ban and Yasutaka
Takahashi：“Solid Solubility of SnO2 in
In2O3”,

119

コラム内の
参考文献

文献（27）の最下段

14, 43（2022）.

14, <43>, 49313-49325（2022）.

121

左上から 12 ～ 13 行目

英国のカナード（Cannard）ら

英国の P・J・カナード（P. J. Cannard）ら

121

左下から 14 ～ 13 行目など Fe 酸化物の複酸化物のなどの Fe 系複酸化物の

125

コラム

上から 7 行目

化合物が存在する。

化合物群が存在する。

125

コラム

上から 7 行目

このような化合物の

このような化合物群の

129

コラム内の
参考文献

文献（4）の 3 行目

635（1932）.

635-636（1932）.

129

コラム内の
参考文献

文献（5）の 3 行目

141（1933）.

141-168（1933）.

129

コラム内の
参考文献

文献（6）の 2 行目

225（1937）.

225-245（1937）.

129

コラム内の
参考文献

文献（10）の 1 行目

政田辰三

政田辰三郎

129

コラム内の
参考文献

文献（14）の 1 行目

Uber

Über

131

左

上から 11 行目

見出した

見出された

131

右

上から 12 行目

As-madeas-made

132

参考文献左

文献（1）の 1 行目

Üeber

Uber

132

参考文献左

文献（1）の 2 ～ 3 行目

854

854-885

132

参考文献左

文献（4）の 1 行目

GrundmanGrundmann

135

参考文献左

文献（125）の 2 行目

MIIMIIIlnO4

MIIMIIIlnO4

135

参考文献右

文献（152）の 2 行目

LuFeO3（ZnO）m

LuFeO（ZnO）
3
m

135

参考文献右

文献（153）の 2 行目

InGaZnO4

InGaZnO4

136

参考文献右

文献（168）の 3 行目

工学部研究報告、（発行 2005-03-25）

工学部研究報告、No.50, 7-12（発行 2005-0325）

137

参考文献左

文献（182）の 1 行目

D. Lahra,

D. Lahr,

137

参考文献左

文献（185）の 4 行目

Ga2O（ZnO）
m
3

Ga2O（ZnO）
3
m

137

参考文献右

文献（200）の 1 ～ 2 行目

河本邦仁：「酸化物熱電変換材料の研究開発動向」、33,<3>, 161-165（1998）.

河本邦仁：「酸化物熱電変換材料の研究開発動向」、セラミックス、33,<3>, 161-165（1998）.

141

表 3.1

1 列◆ ZnRh2O4 の
2 番目の文献MRS Symp. Proc., 747, F2.2.1-F2.2.6（2002）.

MRS Symp. Proc., 747, V2.2.1-V2.2.6（2002）.
迫った

146

右

上から 6 行目

迫る

147

コラム

下から 12 行目

以下に

147

コラム

下から 7 行目

盛り上がりを見せていおり、盛り上がりを見せており、

148

コラム内の
参考文献

文献（8）の 6 行目

Lett., 100, 103504（2012）.

Lett., 100, 013504（2012）.

148

コラム内の
参考文献

文献（16）の 4 行目

2208-

2208

150

左

下から 10 行目

物質材料研究機構

物質・材料研究機構

162

参考文献右

文献（41）の 5 行目

747, F2.2.1-F2.2.6（2002）.

747, V2.2.1-V2.2.6（2002）.

162

参考文献右

文献（46）の 4 行目

MRS Proceedings,

MRS Symp. Proc.,「薄膜トランジスタ用透明酸化物半導体材料の系統化調査」
報告書冊子との相違点（正誤表）
全文 PDF 版
2023 年 8 月（正）第 32 集冊子版
2023 年 3 月

ページ

段落

行

166

参考文献右

文献（168）の 5 行目

Appl. Phys. Lett., 67, 2615-（1995）.

Appl. Phys. Lett., 67, 2615-2617（1995）.

168

参考文献左

文献（219）の 11 行目

12CaO・7Al2O3

12CaO・7Al2O3

168

参考文献右

文献（230）の 3 行目

66-74（2020）.

846-854（2020）.

170

右上から 1 行目

ハイルの特許の特許明細書

ハイルの出願した特許明細書

170

右上から 5 行目

最初の事例

最初の特許事例172

右

図 4.8 の図説明文の2 行目

タラ（右）18）

タラ（右） （出典はWikimedia Commons18））177

図 4. 13

右列上から 8 行目

GdBa2Cu3O7-d -TFT

GdBa2Cu3O7-δ -TFT

178

参考文献左

文献（18）の 6 行目

アタラ（左）

アタラ（右）

178

参考文献右

文献（30）の 2 行目

2094-295（1968）.

2094-2095（1968）.

178

参考文献右

文献（36）の 3 行目

1193（1975）.

1193-1196（1975）.

178

参考文献右

文献（37）の 3 行目

105（1976）.

105-107（1976）.

189

参考文献右

文献（17）の 3 行目

ZnO-In2O3

ZnO-In2O3

H. Ohta, K. Kawamura, N. Sarukura,
M.Orita, M. Hirano and H. Hosono：
Fabrication of UV-light emitting diodeusing transparent conductive oxides

H. Ohta, K. Kawamura, M. Orita, M. Hirano,
N. Sarukura and H. Hosono：“Current
injection emission from a transparent p-njunction composed of p-SrCu2O2/n-ZnO”

190

参考文献左

文献（25）の 1 ～ 3 行目

190

参考文献左

文献（35）の 4 行目

Mat. Res. Soc. Symp. Proc.,

MRS Symp. Proc.,

191

参考文献右

文献（76）の 3 行目

23-（2014）.

23-26（2014）.

［JST 記事］細野秀雄： 透明な酸化物の半導体 IGZO-TFT が引き起こすディスプレイ革命（2017 年度更新版）. https://www.jst.
go.jp/seika/bt49-50.html（2022.10.04 閲覧）松尾義之（細野秀雄・東京工業大学教授へのインタビュー）：「材料科学の“新大陸”を発見 研究にオール・オア・ナッシングはあり得ない」、産学官連携ジャーナル、5, <6>,
6-11（2009）.

66-74（2020）.

846-854（2020）.

192

参考文献左

文献（81）

192

参考文献右

文献（85）の折り返し
右・最上段 1 行目

214

左上から 3 行目

CAAC Ⓡは SEL 社の登録商標である。

CAAC Ⓡは SEL 社の登録商標第 5473530 号
である。

214

左

下から 6 行目

［CAAC： C-Axis Aligned Crystal］［CAAC Ⓡ： C-Axis Aligned Crystal］

217

右下から 24 行目

実施し、トランジスタ特性と電子状態を表すバンド構造に関して、

実施し、2004 年当時よりも高品質なトラン
ジスタ特性と詳細な電子状態を表すバンド構造に関して、

224

参考文献右

文献（90）の 4 行目

In2-xGaxZnO4-d

In2-xGaxZnO4-δ

224

参考文献右

文献（90）の 6 行目

InGaZnO4

InGaZnO4

226

参考文献右

文献（141）の 1 行目

ChenWei

Chen Wei

227

参考文献左

文献（158）の 6 行目

40300 − 40309

40300-40309

November 2018）. DOI:10.1109/CADTFT.2018.8608109 203）Tobias Cramer,
Ilaria Fratelli, Pedro Barquinha, Ana Santa,
Cristina Fernandes, Franck D’Annunzio,
Christophe Loussert, Rodrigo Martins,
Elvira Fortunato and Beatrice Fraboni：“Passive radiofrequency x-ray dosimetertag based on flexible radiation-sensitiveoxide field-effect transistor”, Science
Advances, 4: eaat1825（2018）.

Nov.2018）.
203）	Tobias Cramer, Ilaria Fratelli, Pedro
Barquinha, Ana Santa, Cristina
Fernandes, Franck D’Annunzio,
Christophe Loussert, Rodrigo Martins,
Elvira Fortunato and Beatrice
Fraboni：“Passive radiofrequency
x-ray dosimeter tag based on flexible
radiation-sensitive oxide field-effecttransistor”, Science Advances, 4:
eaat1825（2018）.

そこはどうか

そこもどうか228

参考文献右

文献（202）の 5 行目〜

230

左下から 8 行目

232

系統図の
左ページ

最下段