2017 Fiscal Year Annual Research Report
新規窒化物半導体のインシリコデザインと材料創成・デバイス化への展開
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17H01318
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大場 史康 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (90378795)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤松 寛文 九州大学, 工学研究院, 准教授 (10776537)
平松 秀典 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (80598136)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / 第一原理計算 / 点欠陥 / ドーピング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究計画に従って、既知の窒化物半導体の系統的な理解と新物質探索のための計算・実験手法の開発及びその応用を進めた。計算に関しては、バンドギャップ、有効質量、吸収係数等の基礎物性、状態図中での競合相に対する熱力学的安定性、点欠陥、表面、界面等の格子欠陥の形成エネルギーや電子状態の第一原理計算に基づいた予測の高精度・高速化により、窒化物半導体の系統的評価を可能とする理論設計・予測基盤を構築するための手法の開発を行った。また、この計算手法の適用性を評価するため、窒化亜鉛（Physical Review Applied 2017）、窒化スカンジウム（Physical Review Applied 2018）、窒化銅（論文投稿中）等の既知の2元系窒化物半導体のバンド構造、光吸収特性、点欠陥特性の予測に応用した。その結果、これらの窒化物における空孔等の固有点欠陥や水素・酸素不純物の形成・導入挙動と固有点欠陥・不純物由来の電子状態、電子キャリア生成に伴う光学バンドギャップの増加、p型ドーピングの可能性の予測に関する結果が得られた。さらに、本研究の主要なターゲットである3元系窒化物半導体についても、既知物質を中心に同様な解析を行い、3元系特有のカチオンの不規則化や点欠陥の形成挙動を明らかにした。これらは、本研究が目指す新規窒化物半導体の設計・探索及び既知窒化物半導体の系統的理解にとって有益な基礎的知見である。また、窒化物及び比較対象の多彩な関連化合物について、焼結体合成及び製膜の条件の検討並びに半導体物性・電子状態計測を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計算に関しては、基礎物性及び格子欠陥特性の理論予測基盤の構築のためのプログラム開発を主目的として研究を進めた。また、この手法のテストと既知物質の理解を兼ねて、上述のような多様な2元系及び3元系窒化物半導体の解析に応用した。これにより、格子欠陥の特性まで踏まえた新規窒化物半導体の設計に関する重要な知見が得られた。また、計算手法の自動実行のためのプログラム開発を進めることで、本研究の主目的である新規窒化物半導体の設計及びハイスループットスクリーニングによる探索を行うための基盤技術が、当初予定の段階まで構築できた。実験に関しては、これまでに高圧合成に頼っていた亜鉛系窒化物の合成に関して、他の合成条件の検討が予定通り進行できた。また、多様な既知化合物半導体を対象に、半導体物性及び電子状態計測に関する技術開発も進んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、高精度・高速第一原理計算に基づいた候補物質のハイスループットスクリーニングによる有望物質選定のためのプログラムの開発と応用並びに検証実験を行う。スクリーニング手法の開発に関しては、候補物質の安定性の評価を効率的かつ高精度に評価するための手法の高度化に注力する。これには、多様な競合相とのエネルギーの精確な比較が不可欠であり、既知物質に関する計算データのデータベース化を並行して進める。また、フォノン計算を適宜組み合わせることで、ギブズ自由エネルギーを温度、圧力の関数として算出し、より詳細な安定性の評価を行うとともに、合成に適した条件の提案を目指す。さらに、点欠陥及び表面・界面の特性まで考慮して、既知窒化物半導体の理論的検討を継続することで、窒化物半導体の系統的な理解を進めるとともに、新規窒化物半導体の探索のための本格的なハイスループットスクリーニングを実行する。実験に関しては、窒化物半導体の製膜に注力するとともに、薄膜の電子・光学物性の評価を進める。
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Research Products
(22 results)
