Search for "green gap free" semiconductor based on spinel-type chalcogenides

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K15363
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo (2022); Tokyo Institute of Technology (2020-2021)
• Principal Investigator: Nagai Takayuki 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 特任研究員 (30851018)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 発光半導体 / スピネル型構造 / グリーンギャップ / 第一原理計算

Outline of Final Research Achievements

In the present study, we focus on spinel-type sulfides for the exploration of tunable light-emitting semiconductors. Our first-principles calculations show that all the spinel-type chalcogenides containing cations with certain electronic configurations have direct-allowed bang gap. This computational prediction is experimentally confirmed by observing the strong absorption and photoluminescence due to the direct-allowed band gap in Zn1-xMgxSc2S4. Furthermore, we reveal that the emission color can be tuned without the degradation of color purity by varying the Mg concentration x.

Free Research Field

無機化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ディスプレイやレーザーなど光学デバイスの発展に伴い、高効率かつ高精細な発光特性を示す半導体材料の需要が急速に高まっており、既存材料の高性能化に加えて、従来物質の延長線上にない新しい物質群の開拓も重要な課題である。スピネル型カルコゲナイドは既存材料であるⅢ-Ⅴ族半導体やペロブスカイト型化合物とは異なる結晶構造に由来したユニークな軌道混成によって発光半導体に有利な電子状態が実現しており、発光半導体探索における新しい指針になり得ると期待される。さらにスピネル型構造は豊富な元素選択性を有することから、組成の最適化によって本物質系からさらなる高機能半導体が創出される可能性がある。