特集　酸化亜鉛の新展開(2) ・機能性セラミックス関連材料の現在と今後

特集にあたって
東北大学多元物質科学研究所,(株)福田結晶技術研究所　福田　承生

酸化亜鉛 (ZnO) は,天然ゴムの加硫促進剤や,UVカット顔料や脱臭剤などに使用されており,セラミックスは圧電性を利用した圧電ジャイロなどへの応用が期待されている.また,ZnOは3.2〜3.4eVのバンドギャップを持ちn-型半導体の性質を有する.可視光に対し透明であるため,透明半導体としての応用が期待される.多岐に渡る応用が期待されるZnOは,これまで多くの研究者によって研究・開発がされている.1999年12月に発行された本誌マテリアルインテグレーションでは,「多様な電子機能を持つ酸化亜鉛の新展開」について特集が組まれ,ZnOを用いた紫外レーザーや透明電導膜,SAWフィルタや蛍光体・ELデバイスなど様々な方面からZnOの持つ可能性についてまとめられた.これらの研究は薄膜や多結晶を用いて行われたものであり,当時,ZnOバルク結晶はまだ出てきていなかった.ZnOの研究開発は2000年代前半にドラスチックに加速する.2000年に入り,東北大と東京電波の共同研究により2インチサイズ高品質バルクZnO単結晶の開発に成功し,東京電波により量産されるようになった.また,2004年には東北大・金研の川崎教授らによって窒素添加によるZnOのp型化と,それを用いたp-i-n接合によるZnOの青色発光が発表され,紫外--青色発光素子としての応用に注目が集まっている.バルク単結晶の開発と,ZnOのp型化という2つのブレークスルーを突破したことにより,ZnOは世界中の注目を集めることとなった.欧州では2002年に11カ国24機関が一体となり,ZnOを用いたダイオードの開発を目指すプロジェクトSemiconductor OXides for UV OptoElectronics, Surface acoustics and Spintronics (SOXESS) がスタートした.

バルク単結晶基板の開発とp型化という2つの大きなブレークスルーを突破したZnOは,環境調和型の次世代デバイスを支える材料として注目されているが,半導体としてのZnOは実用化には達していない.そのため,ZnOを用いた結晶作製及び結晶技術を,諸外国に先駆けて戦略的に開発し,実用化を早期実現させることが強く要望される.

応用物理学会結晶工学分科会シリサイド系半導体と関連物質研究会によりまとめられたロードマップによると,ZnO結晶技術は2030年に従来技術との融合による透明多機能デバイス,2040年にSiとの融合によるシステムオンチップが実現される.これらを支える基盤技術として,低抵抗・大面積均一化の開発によるInフリー透明電導膜の実現や,GaN用基板としてのバルク単結晶,不純物低減・電動制御・界面制御技術の確立による高効率紫外レーザーや低コストLEDの開発,また,ナノ構造の制御による透明トランジスタ,生体バイオセンサーの開発や室温強磁性による透明磁石スピントロニクスなどの実現が要求される.そのためには,ZnO基板を用いたホモエピ成長技術が非常に重要となってくる.現在のバルクZnO結晶は,不純物などの問題があり半導体グレードには達しておらず更なる開発が必要である.現在,欧州ではSOXESSによる連合体制で取り組んでいるが,日本では各社単独での開発であり1社のみが結晶を提供している.結晶開発技術の飛躍的な向上に向け,SiやGaAs単結晶開発は複数社が国家プロジェクトをもとに共同で行った.ZnOも類似の方法(ソルボサーマル法)で開発されているGaN結晶と併して国家戦略として取り上げても良いテーマではないだろうか.

酸化亜鉛の新展開(2)

水熱合成法によるZnO単結晶育成技術
■著者
東京電波株式会社　新素材事業部　鈴木　崇雄　他

■要約
単結晶基板は,LED,紫外線センサーや圧電デバイスなど,様々な利用が期待されている.本稿では,人工水晶の育成技術を応用した水熱合成 法によるZnO単結晶の作製方法やその諸特性,及び最近の開発動向を紹介する.



反応性プラズマ蒸着法によるZnO薄膜の特性と応用
■著者
学校法人　高知工科大学総合研究所　山本　哲也　他

■要約
酸化亜鉛透明導電膜 (ZnO-TCO) は,資源問題・環境問題・エネルギー問題の観点から,ディスプレイ,特に高輝度が要求される In-Cell Type の入出力表示装置や大面積薄膜太陽電池といった応用において,今後,重要な役割を担うことが期待される.われわれは機能安定なZnO-TCO付き液晶パネルの実現を最近,発表した.ZnO-TCOは薄膜構造・電気特性・光学特性にいかなる特徴を有するのか,加えていかにその特徴を引き出すのかについて解説する.


スパッタ法によるZnO系薄膜の作製とLCDへの応用
■著者
金沢工業大学　光電相互変換デバイスシステムR & D センター　南　内嗣

■要約
現在,液晶ディスプレイ(LCD)の透明電極として広く実用されているITO(Indium-Tin-Oxide)透明導電膜を,不純物ドープ酸化亜鉛(ZnO系)透明導電膜で代替する場合の問題点を述べ,残されている問題点とその解決のための研究開発の現状について述べている.ITO透明導電膜の作製で全面的に採用されている直流マグネトロンスパッタリング(dc-MS)成膜技術を用いてZnO系透明導電膜を作製すると生じる基板上での大きな抵抗率分布の改善技術を述べる.ZnO系の実用成膜に適合したスパッタ用ZnO系焼結体ターゲット開発及び高周波重畳dc-MS成膜等からなる酸化抑制型dc-MS成膜技術開発の現状を述べる.


酸化亜鉛薄膜のデバイスへの応用
■著者
(独) 産業技術総合研究所　エレクトロニクス研究部門　柴田　肇　他

■要約
ZnOを利用した電子デバイスと光デバイスの実現を目指して,高品質なZnOのエピタキシャル単結晶薄膜成長技術の開発から始めて種々のブレークスルーを重ね,結晶極性制御技術,Zn1-xMgxO混晶成長技術を確立し,高品質なヘテロ接合と2次元電子ガスを実現する事に成功した経緯を紹介する.試作したHEMTデバイスは明瞭なピンチオフを示し,2μmゲート長を有する素子では26[mS/mm]の相互コンダクタンスが得られた.またZn1-xMgxO混晶はMg濃度を増大させて発光波長を短波長化するに従って発光効率が上昇する事を見出し,紫外線領域の発光材料として純粋なZnO以上に有望である事を明らかにした.


酸化亜鉛の欠陥構造と物性
■著者
独立行政法人　物質・材料研究機構　大橋　直樹　他

■要約
酸化亜鉛の半導体素子としての応用を目指す上で,ドーピングやバンドギャップ制御は不可欠な技術である.そうした技術を発展させる上で,結晶内に生成する欠陥の捕捉とその制御は,ますますその重要性を増してきている.ここでは,水素不純物の効果,あるいは,混晶によるバンドギャップ制御の視点から酸化亜鉛の欠陥について近年の研究動向を述べる.


導電性ZnOパウダの開発とその特性
■著者
ハクスイテック株式会社　技術部　山本　泰生

■要約
導電性パウダの電気抵抗は圧密の度合いによって変化するので,測定方法と不可分な数値となる.先ず,パウダの比抵抗の例として導電性酸化亜鉛粉末について述べる.パウダの比抵抗には粒子内の抵抗の他に粒子間の接触抵抗が大きく寄与するが,それらの分離は難しい.ひとつの試みとして,導電性ZnOのキャリア電子のプラズマ振動が近赤外領域に近いことから,粒子内の導電性を強く反映しているとみられる分光反射率の測定例を紹介する.最近では,ナノ粒子化することにより,透明性をもつ導電材料として,更にはキャリア電子のプラズマ振動を利用する熱線遮蔽への応用が注目されている.ZnO透明導電膜としてパウダの分散・塗布によって得た塗布膜の分光特性を紹介し,イオンプレーティング法などの物理成膜によって得られる膜に比べて顕著な差が見られることを報告する.


機能性セラミックス関連材料の現在と今後

MRAM開発の最新動向
■著者
(独)物質・材料研究機構　磁性材料センター　フェロー　猪俣　浩一郎

■要約
MRAMの動作原理とメモリとしての位置付け,開発の現状と課題、および大容量化のための研究動向について述べた.ギガビット級の大容量MRAMを実現するためには,低電流スピン注入磁化反転技術および熱揺らぎ耐性の高い微小・低抵抗強磁性トンネル接合素子の開発が必要である.


機能性セラミックスの不純物・欠陥制御とそのキャラクタリゼーション--センサ材料を例に--
■著者
(独)物質・材料研究機構　センサ材料センター　羽田　肇

■要約
本稿では,添加物の制御方法とそれらのキャラクタリゼーション,あるいは格子欠陥との関係について概観する.


自動車用リチウムイオン電池の開発状況
■著者
オートモーティブエナジーサプライ株式会社　内海　和明

■要約
地球環境問題と,エネルギー問題解決のため,ハイブリット自動車 (HEV) ,電気自動車 (BEV),燃料電池車 (FCV) などの環境対応自動車の開発・実用化が加速している.環境対応自動車はエンジンに代わって電気モーターを動力源とするため,高性能な二次電池が不可欠である.環境対応自動車用に開発が進んでいる自動車用リチウムイオン二次電池の開発状況について,大容量積層ラミネート型マンガン系リチウムイオン電池を中心に紹介する.


連載
第2次世界大戦後の日本のセラミックス科学の発達に友好と親善に尽力した世界の大学教授,科学者(36)祖父張公權,父張国利,息子張邦衡と3代にわたり日本のために尽力した張一家,息子は現在アメリカ Northwestern大学　材料科学工学科のR. P. H. (Bob) Chang教授
■著者
宗宮　重行


連載
研究生活のためのインフォマティクス 【第1回】ポケットひとつの原則---ファイルは手ぶらで運ぶもの
■著者
物質・材料研究機構 光材料センター　轟　眞市