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阪大・東北大・東大、超ワイドバンドギャップ半導体における磁性元素を用いた価電子制御法を提案

発表日:2021年08月24日

次世代半導体のための新たな価電子制御法のデザイン

~EX-doping法:母体物質に依存しない汎用的で一般的な価電子制御法の提案~

【研究成果のポイント】

◆ 第一原理計算(※1)を用いた計算機シミュレーションによって、超ワイドバンドギャップ半導体(※2)における、磁性元素を用いた新しい価電子制御(※3)法を提案しました。

◆ 半導体素子はp型とn型の二種類の電気的性質をもつ試料を組み合わせて作製されます。しかし、高出力半導体デバイスやスピントロニクス(※4)応用に用いられる超ワイドバンドギャップ半導体の多くは、その単極性(※5)(p型とn型のうちの一方の作製が難しい性質)を有します。このため、III-V族窒化物半導体では、低抵抗p型試料作製が困難でした。

◆ 〈原理の概要〉p型半導体では価電子帯トップの正孔が電気伝導に寄与します。極端に大きなバンドギャップを持つ物質では結晶の安定性のため価電子帯に正孔を導入すると大きなエネルギーの上昇があり、困難でした。そこで、価電子帯のトップに正孔をドープ(※6)することにより、結晶の共有結合性を強化しました。また、安定状態を作り出す磁性元素をドープすることで、価電子帯の電子を引き抜くことが可能になります。

◆ 〈原理の詳細〉Fe,Co,Ni,Mnなどの3d遷移金属磁性元素やEu, Gd, Tbなどの4f希土類磁性元素をワイドギャップ半導体や超ワイドバンドギャップ半導体にドープすることで、磁性元素のもつ多体的な交換相関相互作用(※7)による大きなスピンの交換分裂によるエネルギーが利得されます。さらに、母体半導体と磁性元素との強い共有結合によるエネルギーも同時に利得されます。これらを併用することにより、母体半導体の広がった価電子帯や伝導帯に正孔や電子を容易にドープすることが可能となり、低抵抗p型化や低抵抗n型化が実現されます。

◆ 今回の新たな価電子制御法は、窒化物半導体(AlN, GaN, BN, …)に限らず、価電子制御が難しい他の超ワイドバンドギャップ半導体、例えば酸化物(SrTiO3, TiO2, Ga2O3,Al2O3, ZnO,MgO,…)や炭素系物質(ダイヤモンドやSiC, …)のドーピングにおける単極性にも解決の目処を与えるものと思われます。

◇概要

大阪大学大学院基礎工学研究科・スピントロニクス学術連携研究教育センターの真砂啓・特任准教授(常勤)の参加する大阪大学、東北大学、東京大学を拠点としたネットワーク型ラボ研究グループでは、第一原理計算手法を用い、単極性のため低抵抗p型化が難しかったワイドバンドギャップ半導体を低抵抗p型化するための磁性元素を用いた新しい価電子制御法を提案しました。本価電子制御法は、母体化合物に依存しない一般的で、汎用的なものであることから、ワイドバンドギャップを持つ窒化物に限らず、価電子制御が難しい超ワイドバンドギャップをもつ酸化物や炭化物などでのドーピングによる価電子制御における単極性の問題を一般的に解決することができると期待されます。

本研究成果は、応用物理学会欧文誌「Applied Physics Express」に、8月24日(火)18時(日本時間)に公開されます。

*以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/616583/01_202108241512.pdf

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