JP2012236729A - In-Ga-Zn-BASED OXIDE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

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雅司 笠見
Masayuki Itose
将之 糸瀬
Emi Kawashima
絵美 川嶋
Kiminori Yano
公規 矢野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel In-Ga-Zn-based oxide useful as a semiconductor material etc., and a method for manufacturing the same.SOLUTION: The oxide containing In, Ga, and Zn includes a repeated structure in which four layered structures are assumed to be one unit, the layered structures each consist of an oxide containing at least one of In, Ga, and Zn.

Description

本発明は、In、Ga及びZnを含む酸化物、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an oxide containing In, Ga and Zn, and a method for manufacturing the same.

酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In)、又は酸化亜鉛及び酸化ガリウム(Ga)からなる非晶質の酸化物膜は、可視光透過性を有し、かつ、導電体又は半導体から絶縁体まで広い電気特性を有するため、透明導電膜や半導体膜(例えば、各種センサーや薄膜トランジスタ等に用いられる)として着目されている。
特に、細川等によって、InとZnOを含むn型半導体材料が見出されて以来(特許文献1)、InとZnOを含む種々の酸化物半導体が注目されてきた。
Zinc oxide (ZnO), indium oxide (In 2 O 3 ), or an amorphous oxide film made of zinc oxide and gallium oxide (Ga 2 O 3 ) has visible light permeability and is a conductor. Alternatively, since it has wide electrical characteristics from a semiconductor to an insulator, it has attracted attention as a transparent conductive film or a semiconductor film (for example, used for various sensors, thin film transistors, etc.).
In particular, since the discovery of an n-type semiconductor material containing In 2 O 3 and ZnO by Hosokawa et al. (Patent Document 1), various oxide semiconductors containing In 2 O 3 and ZnO have attracted attention.

近年、結晶状態における組成式がIn2−xGa(ZnO)(但し、0<x<2、mは自然数)で表される六方晶の層状化合物の結晶構造(ホモロガス結晶構造)を有した酸化物材料が注目を浴びている。 In recent years, the crystal structure of a hexagonal layered compound represented by the composition formula in the crystalline state is In 2−x Ga x O 3 (ZnO) m (where 0 <x <2, m is a natural number) (homologus crystal structure) Oxide materials with the attention are attracting attention.

層状化合物としては、上記のほかにIn(ZnO)(m=2〜20)、InGaZnO、InGaZnO等の公知の結晶型の組成、又はそれと近い組成のものを中心に検討されている。具体的には、InとZnを主成分とし、一般式In(ZnO)(m=2〜20)で表される六方晶層状化合物を含む酸化物や、この酸化物にさらに正三価以上の原子価を有する元素の少なくとも1種を20原子%以下でドープした酸化物が公開されている(特許文献2)。また、InGaZnOやInGaZnOのホモロガス結晶構造を示す酸化物が検討されている(特許文献3、4、5)。 As the layered compound, in addition to the above, a known crystal type composition such as In 2 O 3 (ZnO) m (m = 2 to 20), InGaZnO 4 , In 2 Ga 2 ZnO 7 , or a composition close to that is known. It is being studied mainly. Specifically, an oxide containing a hexagonal layered compound represented by the general formula In 2 O 3 (ZnO) m (m = 2 to 20) containing In and Zn as main components, An oxide in which at least one element having a valence of at least a valence is doped at 20 atomic% or less is disclosed (Patent Document 2). In addition, oxides having a homologous crystal structure of InGaZnO 4 or In 2 Ga 2 ZnO 7 have been studied (Patent Documents 3, 4, and 5).

さらに、In(ZnO)(m=2〜20)の六方晶層状化合物とInとの混合物や、In(ZnO)(m=2〜20)のホモロガス結晶構造とZnOとの混合物からなる酸化物(特許文献2)、InGaZnOのホモロガス結晶構造とZnGaのスピネル構造の混合物からなる酸化物(特許文献6)等、混合物の特性を生かした酸化物の開発が検討されている。
特許文献7にはInGaO(ZnO)等、InGaO(ZnO)(m=1〜20)で表される酸化物及びその合成方法が公開されている。
Furthermore, a mixture of a hexagonal layered compound of In 2 O 3 (ZnO) m (m = 2 to 20) and In 2 O 3 or a homologous crystal of In 2 O 3 (ZnO) m (m = 2 to 20). Oxidation utilizing the characteristics of the mixture, such as an oxide composed of a mixture of a structure and ZnO (Patent Document 2), an oxide composed of a mixture of a homologous crystal structure of InGaZnO 4 and a spinel structure of ZnGa 2 O 4 (Patent Document 6) Development of products is under consideration.
Patent Document 7 discloses an oxide represented by InGaO 3 (ZnO) m (m = 1 to 20) such as InGaO 3 (ZnO) 2 and a synthesis method thereof.

しかし、今まで検討がなされてきた上記の酸化物はいずれもIn、Ga、Znからなる、3つの層状構造を繰り返した構造をとり、In、Ga、Znからなる、4つの層状構造を繰り返した特徴的な構造を含む酸化物は得られていなかった。   However, each of the above-described oxides that have been studied so far has a structure in which three layered structures composed of In, Ga, and Zn are repeated, and four layered structures composed of In, Ga, and Zn are repeated. An oxide containing a characteristic structure has not been obtained.

特開2006−114928号公報JP 2006-114928 A 特開平6−234565号公報JP-A-6-234565 特開平8−245220号公報JP-A-8-245220 特開2007−73312号公報JP 2007-73312 A 国際公開第2009/084537号パンフレットInternational Publication No. 2009/084537 Pamphlet 国際公開第2008/072486号パンフレットInternational Publication No. 2008/072486 Pamphlet 特開昭63−239117号公報JP-A-63-239117

本発明の目的は、半導体材料等として有用な新規なIn−Ga−Zn(IGZO)系酸化物とその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel In—Ga—Zn (IGZO) -based oxide useful as a semiconductor material or the like and a method for producing the same.

本発明によれば、以下の酸化物等が提供される。
1.In、Ga、Znを含む酸化物であって、4つの層状構造を1ユニットとする繰り返し構造を含み、前記層状構造はそれぞれIn、Ga、Znのうち少なくとも1つを含む酸化物からなる酸化物。
2.前記繰り返し構造が、In2−xGa(ZnO)(式中、xは0.45≦x<1.0である)で表わされる、下記結晶構造A、B又は両方である1に記載の酸化物。
結晶構造A:
第1層 : InO1.5
第2層 : Zn(1+x)/2In(1−x)/2
第3層 : GaZn1−x1.5
第4層 : Zn(1+x)/2In(1−x)/2
結晶構造B:
第1層 : InO1.5
第2層 : ZnIn1−x
第3層 : GaZn1−x1.5
第4層 : ZnO
3.xが0.50≦x≦0.80である2に記載の酸化物。
4.前記酸化物の格子定数のうちa軸及びc軸がそれぞれ以下を満たす1〜3のいずれかに記載の酸化物。
3.29Å<a軸<3.34Å
22.50Å<c軸<22.90Å
5.亜鉛化合物とガリウム化合物の原料粉を混合して500℃〜1000℃、1〜100時間で第1の焼成をした後、インジウム化合物の原料粉を混合して800℃〜1600℃、30分〜360時間で第2の焼成をする1〜4のいずれかに記載の酸化物の製造方法。
6.第1の焼成、及び第2の焼成の最高焼成温度までの平均昇温速度が8℃/分以下であり、前記最高焼成温度からの平均降温速度が4℃/分以下である5に記載の酸化物の製造方法。
According to the present invention, the following oxides and the like are provided.
1. An oxide containing In, Ga, and Zn, including a repeating structure including four layered structures as one unit, wherein each of the layered structures is an oxide containing at least one of In, Ga, and Zn .
2. The repeating structure is represented by In 2 -xGa x O 3 (ZnO) 2 (wherein x is 0.45 ≦ x <1.0), and is the following crystal structure A, B, or both 1 The oxide described in 1.
Crystal structure A:
First layer: InO 1.5
Second layer: Zn (1 + x) / 2 In (1-x) / 2 O
Third layer: Ga x Zn 1-x O 1.5
Fourth layer: Zn (1 + x) / 2 In (1-x) / 2 O
Crystal structure B:
First layer: InO 1.5
Second layer: Zn x In 1-x O
Third layer: Ga x Zn 1-x O 1.5
Fourth layer: ZnO
3. 3. The oxide according to 2, wherein x is 0.50 ≦ x ≦ 0.80.
4). The oxide in any one of 1-3 whose a axis and c axis satisfy | fill each of the lattice constants of the said oxide respectively.
3.29mm <a-axis <3.34mm
22.50 mm <c-axis <22.90 mm
5. After the zinc compound and the gallium compound raw material powder are mixed and first baking is performed at 500 ° C. to 1000 ° C. for 1 to 100 hours, the indium compound raw material powder is mixed and 800 ° C. to 1600 ° C. for 30 minutes to 360 ° The manufacturing method of the oxide in any one of 1-4 which performs 2nd baking by time.
6). The average temperature rising rate to the maximum baking temperature of the first baking and the second baking is 8 ° C./min or less, and the average temperature decreasing rate from the maximum baking temperature is 4 ° C./min or less. Production method of oxide.

本発明によれば、半導体材料等として有用な新規なIGZO系酸化物とその製造方法を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel IGZO type oxide useful as a semiconductor material etc. and its manufacturing method can be provided.

本発明の酸化物の結晶構造、及び既知のIn(ZnO)及びInGaO(ZnO)の結晶構造を模式的に示す図である。The crystal structure of the oxide of the present invention, and the known In 2 O 3 (ZnO) 2 and InGaO 3 (ZnO) 2 crystal structure is a view schematically showing.

以下、本発明の酸化物、及びその製造方法について、図面を用いて説明する。
本発明の酸化物は、インジウム元素(In)、ガリウム元素(Ga)、及び亜鉛元素(Zn)を含む酸化物であって、4つの層状構造を1ユニットとする繰り返し構造を含む。上記層状構造はそれぞれ、In、Ga、Znのうち少なくとも1つを含む酸化物からなる。例えばIn酸化物、In−Zn酸化物、Ga−Zn酸化物、Zn酸化物等である。4つの層状構造は全て互いに異なる必要は無い。
Hereinafter, the oxide of this invention and its manufacturing method are demonstrated using drawing.
The oxide of the present invention is an oxide containing indium element (In), gallium element (Ga), and zinc element (Zn), and includes a repeating structure including four layered structures as one unit. Each of the layered structures is made of an oxide containing at least one of In, Ga, and Zn. For example, an In oxide, an In—Zn oxide, a Ga—Zn oxide, a Zn oxide, or the like can be given. All four layered structures need not be different from each other.

本発明の酸化物は、従来から知られていたIn(ZnO)及びInGaO(ZnO)の結晶型とは異なる、新たな結晶構造を含む酸化物である。 The oxide of the present invention is an oxide including a new crystal structure different from the conventionally known crystal types of In 2 O 3 (ZnO) m and InGaO 3 (ZnO) m .

具体的には、本発明の酸化物は、例えば、In2−xGa(ZnO)で表わされる下記結晶構造A、B又は両方を繰り返し構造として含む。
結晶構造A
第1層 : InO1.5
第2層 : Zn(1+x)/2In(1−x)/2
第3層 : GaZn1−x1.5
第4層 : Zn(1+x)/2In(1−x)/2
結晶構造B
第1層 : InO1.5
第2層 : ZnIn1−x
第3層 : GaZn1−x1.5
第4層 : ZnO
Specifically, the oxide of the present invention includes, for example, the following crystal structures A and B represented by In 2-x Ga x O 3 (ZnO) 2 as a repeating structure.
Crystal structure A
First layer: InO 1.5
Second layer: Zn (1 + x) / 2 In (1-x) / 2 O
Third layer: Ga x Zn 1-x O 1.5
Fourth layer: Zn (1 + x) / 2 In (1-x) / 2 O
Crystal structure B
First layer: InO 1.5
Second layer: Zn x In 1-x O
Third layer: Ga x Zn 1-x O 1.5
Fourth layer: ZnO

上記において、xは0.45≦x<1.0であり、好ましくは0.50≦x≦0.80である。
xの値は原料混合比を調整することによって調節できる。xが上記の値であると、本発明の結晶構造を得られやすいため好ましい。
図1に本発明の酸化物の結晶構造を模式的に示す。
In the above, x is 0.45 ≦ x <1.0, and preferably 0.50 ≦ x ≦ 0.80.
The value of x can be adjusted by adjusting the raw material mixing ratio. It is preferable that x is the above value because the crystal structure of the present invention can be easily obtained.
FIG. 1 schematically shows the crystal structure of the oxide of the present invention.

本発明の酸化物はJCPDS(Joint Commite of Power Diffraction Standards)カードにはなく、今まで確認されていない新規な結晶である。
酸化物を構成する結晶相は、単結晶であっても多結晶であってもよい。
The oxide of the present invention is not found in the JCPDS (Joint Committee of Power Diffraction Standards) card, and is a novel crystal that has not been identified so far.
The crystal phase constituting the oxide may be single crystal or polycrystalline.

本発明の酸化物のXRDチャートに対してピークサーチを行ったところ、既知の化合物であるInGaO(ZnO)の構造に近いが、明らかにピーク位置、及びピーク強度比が異なるため、InGaO(ZnO)とは異なる新規な結晶構造を有していることが明らかとなった。 When a peak search was performed on the XRD chart of the oxide of the present invention, it was close to the structure of InGaO 3 (ZnO) 2 which is a known compound, but the peak position and the peak intensity ratio were clearly different, so InGaO 3 It became clear that it has a novel crystal structure different from (ZnO) 2 .

本発明の酸化物の結晶構造は、InGaO(ZnO)(JCPDS:40−0252)の結晶構造、及びIn(ZnO)(JCPDS:20−1442)の結晶構造に類似していると考えられるが、異なる結晶構造である。 The crystal structure of the oxide of the present invention is similar to the crystal structure of InGaO 3 (ZnO) 2 (JCPDS: 40-0252) and In 2 O 3 (ZnO) 2 (JCPDS: 20-1442). The crystal structure is different.

図1に参考としてIn(ZnO)の結晶構造と、InGaO(ZnO)の結晶構造を示す。 For reference, FIG. 1 shows a crystal structure of In 2 O 3 (ZnO) 2 and a crystal structure of InGaO 3 (ZnO) 2 .

In(ZnO)(mは1〜20の整数)で表される結晶構造やInGaO(ZnO)(mは1〜20の整数)で表される結晶構造は「六方晶層状化合物」又は「ホモロガス相の結晶構造」と呼ばれ、異なる物質の結晶層を何層か重ね合わせた長周期を有する「自然超格子」構造からなる結晶である。結晶周期ないし各薄膜層の厚さが、ナノメーター程度の場合、これら各層の化学組成や層の厚さの組み合わせによって、単一の物質や各層を均一に混ぜ合わせた混晶の性質とは異なる固有の特性が得られる。 The crystal structure represented by In 2 O 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to 20) or the crystal structure represented by InGaO 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to 20) is “hexagonal layered. It is called “compound” or “crystal structure of homologous phase”, and is a crystal having a “natural superlattice” structure having a long period in which several crystal layers of different substances are superposed. When the crystal cycle or thickness of each thin film layer is on the order of nanometers, depending on the combination of the chemical composition of these layers and the thickness of the layers, it differs from the properties of a single crystal or a mixed crystal in which each layer is uniformly mixed. Unique characteristics can be obtained.

ホモロガス相の結晶構造は、例えば、焼結体の粉砕物や切削片又は焼結体そのものから直接測定したX線回折パターンが、組成比から想定されるホモロガス相の結晶構造X線回折パターンと一致することから確認できる。具体的には、JCPDSカードから得られるホモロガス相の結晶構造X線回折パターンと一致することから確認することができる。   As for the crystal structure of the homologous phase, for example, the X-ray diffraction pattern measured directly from the pulverized product of the sintered body, the cut piece, or the sintered body itself matches the crystal structure X-ray diffraction pattern of the homologous phase assumed from the composition ratio It can be confirmed by doing. Specifically, it can be confirmed from the coincidence with the crystal structure X-ray diffraction pattern of the homologous phase obtained from the JCPDS card.

In(ZnO)(mは1〜20の整数)で表される結晶構造は、InO1.5層とInZnO2.5層とZnO層が1:1:(m−1)の比率で周期的に繰り返された構造を有すると考えられている。
また、InGaO(ZnO)(mは1〜20の整数)で表される結晶構造は、InO1.5層とGaZnO2.5層とZnO層が1:1:(m−1)の比率で周期的に繰り返されると考えられている。
このように、In(ZnO)(mは1〜20の整数)で表される結晶構造や、InGaO(ZnO)(mは1〜20の整数)で表される結晶構造のX線回折による測定結果は、ピーク位置が異なる(格子間距離は異なる)がパターンは似たものとなる。
The crystal structure represented by In 2 O 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to 20) is such that the InO 1.5 layer, the InZnO 2.5 layer, and the ZnO layer are 1: 1: (m−1). It is believed to have a structure that is periodically repeated in proportion.
The crystal structure represented by InGaO 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to 20) is such that the InO 1.5 layer, the GaZnO 2.5 layer, and the ZnO layer are 1: 1: (m−1). It is believed to be repeated periodically at a rate.
Thus, a crystal structure represented by In 2 O 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to 20) or a crystal structure represented by InGaO 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to 20). As a result of X-ray diffraction measurement, the peak positions are different (interstitial distances are different), but the patterns are similar.

さらに、本発明の酸化物をEPMAにて形態観察をしたところ、単相であることが確認された。このことからも、本発明が新規な結晶であることが分かる。   Furthermore, when the form of the oxide of the present invention was observed with EPMA, it was confirmed to be a single phase. This also shows that the present invention is a novel crystal.

即ち、本発明の酸化物は、上記の結晶相の単相からなる(実質的に上記の結晶構造A,Bの繰り返しのみからなる)。尚、ここでいう「単相」とは、酸化物の粉末をX線回折装置で測定した場合に、測定結果から確認される全てのピークがIn、Ga、Znのいずれかからなる結晶構造(IGZO系の結晶構造)から起因するものであり、不純物に起因するピークが見られないことを意味する。従って、仮に酸化物の粉末がX線回折測定によって確認できない程度の微量の不純物を含んでいたとしても、当該酸化物は単相からなると言える。   That is, the oxide of the present invention consists of a single phase of the above crystal phase (substantially consists only of the repetition of the above crystal structures A and B). The term “single phase” as used herein refers to a crystal structure in which all peaks confirmed from the measurement results are made of any one of In, Ga, and Zn when the oxide powder is measured with an X-ray diffractometer. IGZO-based crystal structure), meaning that no peak due to impurities is observed. Therefore, even if the oxide powder contains a trace amount of impurities that cannot be confirmed by X-ray diffraction measurement, it can be said that the oxide consists of a single phase.

本発明の酸化物はIGZO系の結晶構造の単相からなるので、複数の結晶構造が混在している場合に比べ、粒界等で電子散乱が生じることを抑制し、キャリア(電子)の移動度を保持することができ、光センサーやガスセンサー、半導体用の素子、太陽電池の電極材料等に好適である。   Since the oxide of the present invention is composed of a single phase having an IGZO-based crystal structure, it suppresses the occurrence of electron scattering at grain boundaries and the like, compared to the case where a plurality of crystal structures are mixed, and moves carriers (electrons). It is suitable for optical sensors, gas sensors, semiconductor elements, solar cell electrode materials, and the like.

本発明の酸化物は、リートベルト解析により詳細にその構造を同定することができる。リートベルト解析に使用する諸条件は例えば以下の通りである。
使用プログラム TOPAS3.0(Bruker AXS社製)
プロファイル関数 Psude−Voigt関数(非対称)
選択配向関数 修正March−Dollase関数((001)配向:0.885(1))
The structure of the oxide of the present invention can be identified in detail by Rietveld analysis. Various conditions used for Rietveld analysis are as follows, for example.
Use program TOPAS3.0 (manufactured by Bruker AXS)
Profile function Psude-Voight function (asymmetric)
Selective orientation function Modified March-Dollase function ((001) orientation: 0.885 (1))

リートベルト解析の手順を以下に示す。
XRDチャートに対して多項式フィッティングによりバックグラウンドを精密化する。フィッティング関数は、例えばPseudo−Voigt関数、Fundamental Parameter関数が使用できる。これは、光学系(装置)によるピークの広がりを理論的にピーク関数に足し合わせてピークフィッティングする方法である。
The procedure for Rietveld analysis is shown below.
Refine the background by polynomial fitting to the XRD chart. As the fitting function, for example, a Pseudo-Voigt function and a Fundamental Parameter function can be used. This is a method of performing peak fitting by theoretically adding a peak spread by an optical system (apparatus) to a peak function.

解析に使用できるプログラムは、TOPAS及びRietan−FPである。
具体的な解析手順としては、まず、格子定数、バックグラウンド、ピーク形状の関数をまず変数として、これらの変数を収束させ、続いて原子座標を動かして収束させる。これがおおよそ収束した後、温度因子、席占有率をパラメータとして動かせる。
基本的に、重い原子に対して収束を試みることが一般的であり、本発明では、陽イオンについてパラメータが収束するようにフィッティングの精度を上げていくことが好ましい。その後、酸素についても温度因子、席占有率を動かしてフィッティングが収束する条件を探す。
The programs that can be used for analysis are TOPAS and Rietan-FP.
As a specific analysis procedure, first, the lattice constant, background, and peak shape functions are used as variables, and these variables are converged, and then the atomic coordinates are moved to converge. After this converges, the temperature factor and seat occupancy can be moved as parameters.
Basically, it is general to try to converge on heavy atoms, and in the present invention, it is preferable to increase the accuracy of fitting so that the parameters converge on cations. After that, for oxygen, the temperature factor and the seat occupancy are moved to search for conditions for the fitting to converge.

本発明の酸化物は、その結晶構造がA、B又は両方である範囲において、上述したIn、Ga、Zn以外の他の金属元素、例えば、Sn、Ge、Si、Ti、Zr、Hf等を不純物として含有していてもよい。   The oxide of the present invention contains other metal elements other than the above-mentioned In, Ga, Zn, such as Sn, Ge, Si, Ti, Zr, Hf, etc., as long as the crystal structure is A, B, or both. You may contain as an impurity.

本発明の酸化物は、例えば、上記結晶構造A,Bの組成に対応する配合量で各金属元素を含有する原料粉末を焼結することにより製造できる。
具体的には、インジウム化合物と、ガリウム化合物を混合して仮焼をした後、亜鉛化合物を混合して焼成をする。
The oxide of the present invention can be produced, for example, by sintering raw material powder containing each metal element in a blending amount corresponding to the composition of the crystal structures A and B.
Specifically, an indium compound and a gallium compound are mixed and calcined, and then a zinc compound is mixed and baked.

原料としては、インジウム化合物の粉末、ガリウム化合物の粉末、亜鉛化合物の粉末等の粉末を用いる。
インジウムの化合物としては、例えばIn、水酸化インジウム(In(OH))等が挙げられる。ガリウムの化合物としては、例えばGa、水酸化ガリウム(Ga(OH))等が挙げられる。亜鉛の化合物としては、例えばZnO、水酸化亜鉛(Zn(OH))等が挙げられる。
各々の化合物として、焼結のし易さ、副生成物の残存のし難さから、酸化物が好ましい。
As the raw material, powders such as indium compound powder, gallium compound powder, and zinc compound powder are used.
Examples of the indium compound include In 2 O 3 and indium hydroxide (In (OH) 3 ). Examples of the gallium compound include Ga 2 O 3 and gallium hydroxide (Ga (OH) 3 ). Examples of the zinc compound include ZnO and zinc hydroxide (Zn (OH) 2 ).
As each compound, an oxide is preferable because it is easy to sinter and it is difficult to leave a by-product.

原料の純度は、通常2N(99質量%)以上、好ましくは3N(99.9質量%)以上、特に好ましくは4N(99.99質量%)以上である。純度が2Nより低いと、本発明である酸化物を得ることができない可能性がある。原料の一部として金属亜鉛(亜鉛末)を用いることが好ましい。   The purity of the raw material is usually 2N (99% by mass) or more, preferably 3N (99.9% by mass) or more, particularly preferably 4N (99.99% by mass) or more. If the purity is lower than 2N, the oxide according to the present invention may not be obtained. It is preferable to use metallic zinc (zinc powder) as a part of the raw material.

原料として酸化物を使用する場合、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛の比表面積(BET比表面積)は、通常各々3〜18m/g、3〜18m/g、3〜18m/gであり、好ましくは各々7〜16m/g、7〜16m/g、3〜10m/gであり、より好ましくは各々7〜15m/g、7〜15m/g、4〜10m/gであり、特に好ましくは各々11〜15m/g、11〜15m/g、4〜5m/gである。
比表面積が小さすぎると焼結体中に各々の元素の凝集体が成長する、原料粉末の結晶型が残存する、想定外の結晶型が生成し性状が変化する、等のおそれがある。比表面積が大きすぎると想定外の結晶型が生成し性状が変化し、本発明の酸化物の結晶構造が得られない等のおそれがある。
以下各工程について説明する。
When using an oxide as a raw material, the specific surface areas (BET specific surface areas) of indium oxide, gallium oxide, and zinc oxide are usually 3 to 18 m 2 / g, 3 to 18 m 2 / g, and 3 to 18 m 2 / g, respectively. Yes, preferably 7 to 16 m 2 / g, 7 to 16 m 2 / g, 3 to 10 m 2 / g, and more preferably 7 to 15 m 2 / g, 7 to 15 m 2 / g, and 4 to 10 m 2 , respectively. / g, and particularly preferably each 11~15m 2 / g, 11~15m 2 / g, 4~5m 2 / g.
If the specific surface area is too small, aggregates of the respective elements may grow in the sintered body, the crystal form of the raw material powder may remain, an unexpected crystal form may be generated, and the properties may change. If the specific surface area is too large, an unexpected crystal form may be generated and the properties may be changed, and the crystal structure of the oxide of the present invention may not be obtained.
Each step will be described below.

(1)配合工程
原料の配合工程は、本発明の酸化物に含有される金属元素の化合物のうち、亜鉛化合物、及びガリウム化合物を混合する工程である。
上記の原料を混合し、通常の混合粉砕機、例えば、湿式ボールミルやビーズミル又は超音波装置を用いて、均一に混合・粉砕することが好ましい。また上記原料を混合、粉砕した後、スプレードライによる乾燥を行うことが好ましい。
(1) Compounding Step The compounding step of the raw material is a step of mixing a zinc compound and a gallium compound among the metal element compounds contained in the oxide of the present invention.
It is preferable to mix the above raw materials and uniformly mix and pulverize them using an ordinary mixing and grinding machine such as a wet ball mill, a bead mill, or an ultrasonic device. Moreover, it is preferable to perform drying by spray drying after mixing and pulverizing the raw materials.

(2)仮焼工程(第1の焼成)
仮焼工程では上記(1)で得られた混合・粉砕物を仮焼する。
(2) Calcination step (first firing)
In the calcining step, the mixed and pulverized product obtained in the above (1) is calcined.

仮焼工程においては、500〜1000℃で、1〜100時間の条件で上記の混合物を熱処理することが好ましい。500℃未満又は1時間未満の熱処理では、ガリウム化合物や亜鉛化合物の熱分解が不十分となる場合がある。一方、熱処理条件が、1100℃を超えた場合又は100時間を超えた場合には、粒子の粗大化が起こる場合がある。また亜鉛化合物が昇華する場合がある。
従って、特に好ましいのは、800〜1200℃の温度範囲で、2〜50時間、熱処理(仮焼)することである。
In the calcination step, the above mixture is preferably heat-treated at 500 to 1000 ° C. for 1 to 100 hours. A heat treatment of less than 500 ° C. or less than 1 hour may result in insufficient thermal decomposition of the gallium compound or zinc compound. On the other hand, when the heat treatment condition exceeds 1100 ° C. or exceeds 100 hours, grain coarsening may occur. Moreover, a zinc compound may sublime.
Therefore, it is particularly preferable to perform heat treatment (calcination) for 2 to 50 hours in a temperature range of 800 to 1200 ° C.

仮焼工程は、InとGaを焼成し均一に反応させるため、大気雰囲気、窒素雰囲気、酸素ガス雰囲気又は酸素ガス加圧下で行うことが好ましい。   The calcination step is preferably performed under an air atmosphere, a nitrogen atmosphere, an oxygen gas atmosphere, or an oxygen gas pressurization in order to bak In and Ga to react uniformly.

尚、ここで得られた仮焼物は、下記の焼成工程の前に粉砕し、インジウム化合物(例えば酸化インジウム)の原料粉と合わせて十分混合することが好ましい。粉砕は原料粉の粒径が体積平均粒径におけるメジアン径(D50)が好ましくは2μm以下、より好ましくは1μm以下、特に好ましくは0.5μm以下まで行うとよい。目的は、原料の均一分散化である。粒径の大きい原料粉が存在すると場所による組成むらが生じ、本酸化物の結晶構造が得られないおそれがある。   In addition, it is preferable that the calcined product obtained here is pulverized before the following firing step and sufficiently mixed together with the raw material powder of the indium compound (for example, indium oxide). The pulverization may be performed so that the raw material powder has a median diameter (D50) in the volume average particle diameter of preferably 2 μm or less, more preferably 1 μm or less, and particularly preferably 0.5 μm or less. The purpose is uniform dispersion of raw materials. If raw material powder having a large particle size is present, compositional unevenness may occur depending on the location, and the crystal structure of the present oxide may not be obtained.

(3)焼成工程(第2の焼成)
焼成工程は、仮焼物にインジウム化合物を混合して得られた混合物を焼成する工程である。
焼成は、熱間静水圧(HIP)焼成等によって行うことができる。
焼成条件としては、酸素ガス雰囲気又は酸素ガス加圧下に、通常800〜1600℃、好ましくは1100〜1600℃において、通常30分〜360時間、好ましくは8〜180時間、より好ましくは12〜96時間焼成する。
焼成温度が800℃未満であると、酸化物の密度が上がり難くなったり、焼結に時間がかかり過ぎるおそれがある。一方、1600℃を超えると成分の気化により、組成がずれたり、炉を傷めたりするおそれがある。燃焼時間が30分未満であると、IGZO酸化物の密度が上がり難く、360時間より長いと、製造時間がかかり過ぎコストが高くなるため、実用上採用できない。
一方、酸素を含有しない雰囲気で焼成したり、1600℃超の温度において焼成したりすると、得られる酸化物の密度を十分に向上させることができない恐れがある。
(3) Firing step (second firing)
A baking process is a process of baking the mixture obtained by mixing an indium compound with calcined material.
Firing can be performed by hot isostatic pressure (HIP) firing or the like.
The firing conditions are usually 800 to 1600 ° C., preferably 1100 to 1600 ° C., usually 30 minutes to 360 hours, preferably 8 to 180 hours, more preferably 12 to 96 hours in an oxygen gas atmosphere or oxygen gas pressurization. Bake.
If the firing temperature is less than 800 ° C., the oxide density may be difficult to increase, or the sintering may take too long. On the other hand, if the temperature exceeds 1600 ° C., the composition may shift due to vaporization of the components, or the furnace may be damaged. If the burning time is less than 30 minutes, the density of the IGZO oxide is difficult to increase, and if it is longer than 360 hours, it takes too much production time and the cost becomes high, so that it cannot be used practically.
On the other hand, if the firing is performed in an atmosphere not containing oxygen or the firing is performed at a temperature higher than 1600 ° C., the density of the obtained oxide may not be sufficiently improved.

第1及び第2の焼成時の平均昇温速度は、通常8℃/分以下、好ましくは4℃/分以下、より好ましくは2℃/分以下である。8℃/分以下であると本発明の酸化物が得られやすい。
また、第1及び第2の焼成時の平均降温速度は、通常4℃/分以下、好ましくは2℃/分以下である。4℃/分以下であると本発明の酸化物が得られやすい。
The average rate of temperature increase during the first and second firing is usually 8 ° C./min or less, preferably 4 ° C./min or less, more preferably 2 ° C./min or less. The oxide of this invention is easy to be obtained as it is 8 degrees C / min or less.
Moreover, the average temperature-fall rate at the time of the 1st and 2nd baking is 4 degrees C / min or less normally, Preferably it is 2 degrees C / min or less. The oxide of this invention is easy to be obtained as it is 4 degrees C / min or less.

以下に、本発明の酸化物及びその製造方法について実施例により説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the oxide of the present invention and the production method thereof will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
(1)IGZO系酸化物の作製
IGZO系酸化物の原料として、In(純度4N、アジア物性材料社製)、Ga(純度4N、アジア物性材料社製)及びZnO(純度4N、高純度化学社製)を使用した。
これらの原料を得られる焼結体(ペレット)が表1の組成となるように秤量し、まず、ZnO及びGaの混合物を湿式媒体攪拌ミルを使用して混合粉砕した。尚、湿式媒体攪拌ミルの媒体には1mmφのジルコニアビーズを使用した。そして混合粉砕後、スプレードライヤーで乾燥させた。
Example 1
(1) Production of IGZO-based oxides As raw materials for IGZO-based oxides, In 2 O 3 (purity 4N, manufactured by Asian Physical Materials Company), Ga 2 O 3 (purity 4N, manufactured by Asian Physical Materials Company) and ZnO (purity) 4N, high purity chemical) was used.
The sintered bodies (pellets) from which these raw materials were obtained were weighed so as to have the composition shown in Table 1. First, a mixture of ZnO and Ga 2 O 3 was mixed and ground using a wet medium stirring mill. In addition, 1 mmφ zirconia beads were used as the medium of the wet medium stirring mill. And after mixing and grinding, it was dried with a spray dryer.

得られた粉末を一軸プレスにより成形した。圧力は400kgf/cmとし、ペレット状に成形した。ペレットを封管した状態で電気炉にて仮焼した。仮焼条件は以下の通りとした。この工程によりIn、Gaが十分に混合され、より本発明のIGZO系酸化物が得やすくなる。
昇温速度:2℃/分
焼結温度:1000℃
焼結時間:6時間
焼結雰囲気:酸素流入
降温時間:72時間
降温速度:8℃/分
The obtained powder was molded by uniaxial pressing. The pressure was 400 kgf / cm 2 and the product was molded into pellets. The pellet was calcined in an electric furnace in a sealed state. The calcination conditions were as follows. In this step, In and Ga are sufficiently mixed, and the IGZO-based oxide of the present invention is more easily obtained.
Temperature increase rate: 2 ° C / min Sintering temperature: 1000 ° C
Sintering time: 6 hours Sintering atmosphere: Oxygen inflow Temperature drop time: 72 hours Temperature drop rate: 8 ° C / min

仮焼結体をメノウ乳鉢にて粉砕し、さらに先に計量したInを加え混合した。得られた粉末を一軸プレスによりペレット状に再度成形した。その時の圧力は仮焼工程前と同様に400kgf/cmで成形した。
上記ペレットを電気炉にて本焼成した。本焼成の条件は以下の通りとした。
昇温速度:2℃/分
焼結温度:1500℃
焼結時間:6時間
焼結雰囲気:酸素流入
降温時間:72時間
降温速度:4℃/分
得られた酸化物焼結体(ペレット)について、ICP発光分析装置により組成を測定した。結果を表1に示す。
The pre-sintered body was pulverized in an agate mortar, and In 2 O 3 weighed earlier was added and mixed. The obtained powder was molded again into a pellet by a uniaxial press. The pressure at that time was molded at 400 kgf / cm 2 as before the calcination step.
The pellet was fired in an electric furnace. The conditions for the main firing were as follows.
Temperature increase rate: 2 ° C / min Sintering temperature: 1500 ° C
Sintering time: 6 hours Sintering atmosphere: oxygen inflow Temperature drop time: 72 hours Temperature drop rate: 4 ° C./min The composition of the obtained oxide sintered body (pellet) was measured by an ICP emission spectrometer. The results are shown in Table 1.

(2)IGZO系酸化物の構造解析
得られた酸化物焼結体(ペレット)についてX線回折(XRD)測定を行った。XRD測定は以下の条件により行った。試料は標準のガラスホルダーに詰め、広角X線回折法で測定した。
・X線回折装置 Bruker AXS社製 D8ADVANCE(封入管型)
X線源:Cu−Kα線
波長:1.5406Å(グラファイトモノクロメータにて単色化)
出力:40kV、40mA
スリット系:DS:0.6°、RS:0.2mm
検出器:シンチレーションカウンター
・スキャン方式 2θ−θステップスキャン
・測定範囲(2θ) 5〜155°
・ステップ幅(2θ) 0.02°
・計測時間 15秒/ステップ
(2) Structural analysis of IGZO-based oxide X-ray diffraction (XRD) measurement was performed on the obtained oxide sintered body (pellet). XRD measurement was performed under the following conditions. The sample was packed in a standard glass holder and measured by wide angle X-ray diffraction.
-X-ray diffractometer Bruker AXS D8ADVANCE (enclosed tube type)
X-ray source: Cu-Kα ray Wavelength: 1.5406 mm (single color with graphite monochromator)
Output: 40kV, 40mA
Slit system: DS: 0.6 °, RS: 0.2 mm
Detector: Scintillation counter / scan method 2θ-θ step scan / measurement range (2θ) 5 to 155 °
・ Step width (2θ) 0.02 °
・ Measurement time 15 seconds / step

得られたIGZO系酸化物はJCPDSカードにはなく、今まで確認されていない新規な結晶であった。   The obtained IGZO-based oxide was not found in the JCPDS card, and was a new crystal that had not been confirmed so far.

この新規な結晶の構造を同定するために上記XRDチャートに対してリートベルト解析を行った。リートベルト解析の条件は次の通りである。
・使用プログラム TOPAS3.0(Bruker AXS社製)
・プロファイル関数 Psude−Voigt関数(非対称)
・選択配向関数 修正March−Dollase関数((001)配向:0.885(1))
In order to identify the structure of this new crystal, Rietveld analysis was performed on the XRD chart. The conditions for Rietveld analysis are as follows.
・ Use program TOPAS3.0 (manufactured by Bruker AXS)
Profile function Psude-Voight function (asymmetric)
-Selective orientation function Modified March-Dollase function ((001) orientation: 0.885 (1))

まず既知の化合物であるInGaO(ZnO)についてリートベルト解析を実施した。
フィッティングの際に使用した空間群はP6/mmcである。リートベルト解析によるフィッティング結果では23°及び32°付近のXRDチャート強度が大きくずれ、フィッティングの精度を示すGOFが2以上超の大きな値となった。GOFの値を表1に示す。
このことからも、本発明のIGZO系酸化物は、既知化合物であるInGaO(ZnO)とは異なることが分かる。
First, Rietveld analysis was performed on InGaO 3 (ZnO) 2 which is a known compound.
The space group used for the fitting is P6 3 / mmc. In the fitting result by the Rietveld analysis, the XRD chart strengths near 23 ° and 32 ° greatly deviated, and the GOF indicating the fitting accuracy was a large value of 2 or more. The value of GOF is shown in Table 1.
This also indicates that the IGZO-based oxide of the present invention is different from InGaO 3 (ZnO) 2 which is a known compound.

尚、GOF(Goodness Of Fit)はフィッティング誤差であり、以下の式により求める。
GOF=Rw/Rexp
Rw:重み付け平均2乗誤差
Rexp:実験値に対する平均2乗誤差
GOFが2以下であればフィッティングによる精度が高く、構造を同定したといえる。
Note that GOF (Goodness Of Fit) is a fitting error and is obtained by the following equation.
GOF = Rw / Reexp
Rw: weighted mean square error Rexp: mean square error with respect to experimental value If GOF is 2 or less, the accuracy by fitting is high, and it can be said that the structure has been identified.

In、Zn、Gaの配位数はそれぞれ主に6配位、4配位、5配位であるが、鋭意検討した結果、本発明のIGZO系酸化物においては、Znサイトに過剰なInが位置し、またGaサイトにZnが一部位置している新結晶モデルに至った。
そこで、上記モデルの下にリートベルト解析をさらに進め、XRDチャートのフィッティングを行ったところ、精度よくフィッティングすることができた。GOFの値を表1に示す。このIGZO系酸化物の1ユニットに含まれる層数は4層であった。尚、新結晶モデルでリートベルト解析によりフィッティングしGOFが2以下でる場合に層数が4層であると決定した。
この結果、本実施例1のIGZO系酸化物は結晶構造A、B又は両方で表わされる4つの層状構造を繰り返した構造である新結晶モデルであることが同定された。
The coordination numbers of In, Zn, and Ga are mainly 6-coordinate, 4-coordinate, and 5-coordinate, respectively. As a result of intensive studies, in the IGZO-based oxide of the present invention, excess In is present at the Zn site. And a new crystal model in which Zn is partly located at the Ga site.
Therefore, the Rietveld analysis was further advanced under the above model, and the fitting of the XRD chart was performed. As a result, the fitting could be performed with high accuracy. The value of GOF is shown in Table 1. The number of layers contained in one unit of this IGZO-based oxide was four. In addition, when the GOF was 2 or less after fitting by Rietveld analysis with a new crystal model, the number of layers was determined to be 4.
As a result, the IGZO-based oxide of Example 1 was identified as a new crystal model having a structure in which four layered structures represented by crystal structures A, B, or both are repeated.

また、リートベルト解析により、IGZO系酸化物の格子定数を測定した結果、a軸長が3.32993Å、c軸長が22.8496Åであった。またその空間群はP6/mmcであると考えられる。 As a result of measuring the lattice constant of the IGZO-based oxide by Rietveld analysis, the a-axis length was 3.32993 mm and the c-axis length was 22.896 mm. The space group is considered to be P6 3 / mmc.

実施例2〜5
原料混合比を変えた他は実施例1と同様にしてペレットを作製し、評価した。結果を表1に示す。実施例2〜5においても上記新結晶をモデルとしたGOFの値は2以下を示し、また1ユニットに含まれる層の数は4層であった。
Examples 2-5
Pellets were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the raw material mixing ratio was changed. The results are shown in Table 1. In Examples 2 to 5, the GOF value using the new crystal as a model was 2 or less, and the number of layers contained in one unit was 4.

比較例1
原料混合比を変えた他は実施例1と同様にしてペレットを作製し、評価した。InGaO(ZnO)をモデルとした場合、リートベルト解析によるフィッティングが収束しなかった。また、上記新結晶をモデルとした場合、GOFは2超となった。そのため1ユニットに含まれる層数は決定できなかった。
Comparative Example 1
Pellets were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the raw material mixing ratio was changed. When InGaO 3 (ZnO) 2 was used as a model, fitting by Rietveld analysis did not converge. When the new crystal was used as a model, the GOF was more than 2. Therefore, the number of layers included in one unit could not be determined.

比較例2
原料混合比を変えた他は実施例1と同様にしてペレットを作製し、評価した。InGaO(ZnO)をモデルとしたリートベルト解析によるフィッティングは収束し、GOFの値も2以下であった。1ユニットに含まれる層数が3層の公知の結晶構造InGaO(ZnO)であるため、本発明の新結晶モデルによる解析ができなかった。
Comparative Example 2
Pellets were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the raw material mixing ratio was changed. The fitting by Rietveld analysis using InGaO 3 (ZnO) 2 as a model converged, and the GOF value was 2 or less. Since the number of layers contained in one unit is the known crystal structure InGaO 3 (ZnO) 2 having three layers, the analysis by the new crystal model of the present invention could not be performed.



Figure 2012236729
尚、実施例1〜5の酸化物は半導体特性に優れ、ガスセンサーや光センサー、太陽電池用の電極材料、ダイオード、液晶表示装置やEL表示装置等として使用できることが確認された。

Figure 2012236729
In addition, it was confirmed that the oxides of Examples 1 to 5 have excellent semiconductor characteristics and can be used as gas sensors, optical sensors, electrode materials for solar cells, diodes, liquid crystal display devices, EL display devices, and the like.

本発明により得られた酸化物は光機能材料、半導体材料、光触媒材料等として有用なものである。例えば蛍光体、半導体用の素子、塗布型半導体用インク、スパッタリングターゲット、太陽電池用の電極材料、ダイオード、光センサー、ガスセンサー、液晶表示装置やEL表示装置等に利用できる。   The oxide obtained by the present invention is useful as a photofunctional material, a semiconductor material, a photocatalyst material, and the like. For example, it can be used for phosphors, semiconductor elements, coated semiconductor inks, sputtering targets, electrode materials for solar cells, diodes, optical sensors, gas sensors, liquid crystal display devices, EL display devices, and the like.

Claims (6)

In、Ga、Znを含む酸化物であって、4つの層状構造を1ユニットとする繰り返し構造を含み、前記層状構造はそれぞれIn、Ga、Znのうち少なくとも1つを含む酸化物からなる酸化物。   An oxide containing In, Ga, and Zn, including a repeating structure including four layered structures as one unit, wherein each of the layered structures is an oxide containing at least one of In, Ga, and Zn . 前記繰り返し構造が、In2−xGa(ZnO)(式中、xは0.45≦x<1.0である)で表わされる、下記結晶構造A、B又は両方である請求項1に記載の酸化物。
結晶構造A:
第1層 : InO1.5
第2層 : Zn(1+x)/2In(1−x)/2
第3層 : GaZn1−x1.5
第4層 : Zn(1+x)/2In(1−x)/2
結晶構造B:
第1層 : InO1.5
第2層 : ZnIn1−x
第3層 : GaZn1−x1.5
第4層 : ZnO
The repeating structure is the following crystal structure A, B, or both represented by In 2-x Ga x O 3 (ZnO) 2 (where x is 0.45 ≦ x <1.0). Item 2. The oxide according to Item 1.
Crystal structure A:
First layer: InO 1.5
Second layer: Zn (1 + x) / 2 In (1-x) / 2 O
Third layer: Ga x Zn 1-x O 1.5
Fourth layer: Zn (1 + x) / 2 In (1-x) / 2 O
Crystal structure B:
First layer: InO 1.5
Second layer: Zn x In 1-x O
Third layer: Ga x Zn 1-x O 1.5
Fourth layer: ZnO
xが0.50≦x≦0.80である請求項2に記載の酸化物。   The oxide according to claim 2, wherein x is 0.50 ≦ x ≦ 0.80. 前記酸化物の格子定数のうちa軸及びc軸がそれぞれ以下を満たす請求項1〜3のいずれかに記載の酸化物。
3.29Å<a軸<3.34Å
22.50Å<c軸<22.90Å
The oxide in any one of Claims 1-3 in which the a-axis and c-axis satisfy | fill the following among the lattice constants of the said oxide, respectively.
3.29mm <a-axis <3.34mm
22.50 mm <c-axis <22.90 mm
亜鉛化合物とガリウム化合物の原料粉を混合して500℃〜1000℃、1〜100時間で第1の焼成をした後、インジウム化合物の原料粉を混合して800℃〜1600℃、30分〜360時間で第2の焼成をする請求項1〜4のいずれかに記載の酸化物の製造方法。   After the zinc compound and the gallium compound raw material powder are mixed and first baking is performed at 500 ° C. to 1000 ° C. for 1 to 100 hours, the indium compound raw material powder is mixed and 800 ° C. to 1600 ° C. for 30 minutes to 360 ° The method for producing an oxide according to any one of claims 1 to 4, wherein the second baking is performed with time. 第1の焼成、及び第2の焼成の最高焼成温度までの平均昇温速度が8℃/分以下であり、前記最高焼成温度からの平均降温速度が4℃/分以下である請求項5に記載の酸化物の製造方法。   6. The average temperature rising rate up to the maximum baking temperature of the first baking and the second baking is 8 ° C./min or less, and the average temperature decreasing rate from the maximum baking temperature is 4 ° C./min or less. The manufacturing method of the oxide of description.
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