2021 Fiscal Year Annual Research Report
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20J23137
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
我毛 智哉 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / ワイドギャップ半導体 / 点欠陥 / ドーピング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高精度第一原理計算を用いて、酸化物半導体をp型化するための設計指針を構築すると同時に、革新的なp型酸化物半導体の探索を行うことを目的とした。数十種類の酸化物半導体の候補を対象とした体系的調査の結果、価電子帯が純粋な酸素のp軌道によって形成される系をp型化することは、極めて困難であることが示唆された。この知見に基づき、カチオンや酸素以外のアニオンの軌道が価電子帯の酸素の軌道と混成するような系等に焦点を当て、自己束縛正孔の安定性や、競合する意図しないドナー型欠陥の有無、アクセプターの選定などの検討を行った。これにより、ワイドギャップとp型実現可能性を併せ持ついくつかの物質を選出した。昨年度から継続して、いくつかの有望物質に関しては、実験チームと連携して計算結果の実証を進めている。
また、新規p型酸化物半導体の探索と並行して、既存のp型酸化物半導体におけるp型伝導性の起源の解明を行った。具体的には、CuMO2(M = Al, Ga, In)中の点欠陥の性質を詳細に計算し、どの系においても銅空孔がp型伝導性に大きく寄与していることを示した(Physical Review Materials 2021)。CuMO2の価電子帯上端は主に銅のd軌道により形成されるが、このような系を選択することで、自己束縛正孔の形成や、酸素空孔の形成とそれに起因したキャリア補償を抑える効果が見込まれるということを再確認した。
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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
酸化物半導体をp型化するために、カチオンの軌道が価電子帯上端で酸素のp軌道と混成するような系を選択するという方針に加えて、酸素以外のアニオンの軌道が価電子帯上端を形成するような複合アニオン化合物に焦点を当てた材料探索を行った。その結果、ワイドギャップとp型実現可能性を同時に有する新たな複合アニオン化合物を見出すことに成功し、実験チームによる計算結果の実証を進めている最中である。さらに、新規p型酸化物半導体の探索だけではなく、既存のp型酸化物半導体におけるp型伝導性の起源を明らかにすることも並行して進めた。これにより、典型的な酸化物半導体の候補を対象とした体系的調査から得られた設計指針の検証を行い、酸素由来でない軌道を価電子帯の酸素の軌道と混成させる方針の有効性を再確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、酸化物をp型化するための設計指針に基づいた材料探索を推進する。それに加えて、これまでの結果について俯瞰的な解析を行い、自己束縛正孔の安定性およびキャリア補償効果の評価、アクセプター探索という切り口で、酸化物半導体のp型化の可能性を包括的に調査する。
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