半導体転位におけるキャリア集積機能の実験的評価

• 研究課題/領域番号: 21K18873
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中村 篤智 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20419675)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 転位 / 半導体 / 双結晶 / 単結晶 / 電気伝導 / キャリア / 構造電荷

研究開始時の研究の概要

半導体材料においては、結晶格子欠陥の一種である転位が、自由電子やホールの挙動に強く影響を与えることが知られている。これは転位コア局所の元素配列の乱れが構造電荷を生じるとともに、構造電荷と自由電子やホールなどのキャリアが静電相互作用を起こすためである。そこで本研究では、材料中に構造電荷を意図的に発生させ、そこに集積するキャリアの影響をナノスケールで計測することに挑戦し、転位の持つキャリア集積機能の評価に繋げる。

研究成果の概要

半導体材料では、結晶格子欠陥の存在が自由電子やホールなどのキャリアの挙動に強く影響を与える。本研究では、格子欠陥の１つ、転位の影響に着目し、構造電荷を有する転位がキャリア挙動に及ぼす影響をナノスケールで計測する手法を検討した。実際に、構造電荷を有する極性界面上に転位を作りこみ、その特性を評価したところ、構造電荷が存在する場合に、転位に沿って電気伝導が発現することを確認できた。また、転位を導入した結晶ではマクロに電気伝導性に変化が生じることも確認できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

半導体において転位は避けるべき欠陥として考えられている。しかしながら、我々の研究グループでは、転位のような欠陥がもたらすの物性を、逆転の発想で応用する方法を検討している。転位の特異なナノ構造を利用すれば、希少な元素を添加することなく、材料機能を発現させることも可能である。このように、従来悪いものと思われていたものを利用するという発想の転換を図り、希少元素を利用しない材料開発を実現するための基礎的研究を行っている。本研究では、半導体の転位の機能を実際に評価する手法を考え、実施した。10年20年先に先駆的と見られることを目指した研究と考えている。