第一原理計算によるワイドギャップ半導体の価電子制御と物質設計

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12042246
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 吉田 博 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30133929)
• 研究分担者: 白井 光雲 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (60178647) ; 播磨 尚朝 大阪大学, 産業科学研究所, 助教授 (50211496)
• キーワード: 透明強磁性体 / ZnO / 第一原理計算 / 同時ドーピング / マテリアルデザイン / 磁性半導体 / 補償機構

研究概要

第一原理計算に基づいて、ZnOやGaNなどのワイドギャップ半導体の新しい価電子制御法を発見した。このような系では、誘電率が小さいためにアクセプターの準位が深くなり、溶解度が小さいために低抵抗化が困難であることを見いだし、これらを解決するためにアクセプターとドナーを同時にドープすることにより、不純物準位を浅くしてキャリアーの活性化率を上げ、しかも溶解度を増すための同時ドーピング法を見いだした。ZnOに遷移金属をドープした場合にはMnは反強磁性的な超交換相互作用により反強磁性状態が基底状態になり、これらにホールをドープすることにより強磁性的な二重交換相互作用が支配的になり強磁性に転移することを見いだした。また、ZnOにV,Cr,Fe,Co,Niをドープすると強磁性状態が基底状態となることを発見した。これらの強磁性体は可視光を通して透明であることから、将来のエレクトロニクスやスピントロニクスに応用することができ、現実の物質創製に大きなインパクトを与える。これらを用いて、キャリアー誘起や光誘起強磁性体などの新機能性半導体やスピントランジスターに必要な物質のデザインが可能になってきた。

研究成果

• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida and T.Yamamoto: "Theoretical Prediction for Codoping Properties in Wide Band-gap Semiconductors [Invited Paper]"Jpn.J.Appl.Phys.(ICTMC-12, Taiwan, 2000). (To be published).
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida,K.Sato,and T.Yamamoto: "Materials Design for the Low-Resistivity p-type ZnO and Transparent Ferromagnet with Transition Metal Atom Doped ZnO : Prediction vs.Experiment [Invited Paper]"MRS Symposium Proc.. Vol.623. 65-75 (2000)
• [文献書誌] T.Yamamoto and H.Katayama-Yoshida: "Control of Valence States in ZnO by Codoping Method. [Invited Paper]"MRS Symposium Proc.. Vol.623. 223-234 (2000)
• [文献書誌] K.Sato and H.Katayama-Yoshida: "Material Design for Transparent Ferromagnets with ZnO-based Magnetic Semiconductors"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.39 No.6B. L555-L558 (2000)
• [文献書誌] K.Shirai and H.Katayama-Yoshida: "Effects of the Geometricies of Boron-Rich Crystals on the Lattice Dynamics"J.Solid State Chemistry. 154. 20-25 (2000)
• [文献書誌] 吉田博,佐藤和則,加藤竜次,山本哲也: "解説「ワイドギャップ半導体の新しい価電子制御法:予測と実験」"まてりあ. 第39巻 第9号. 749-756 (2000)
• [文献書誌] 吉田博,佐藤和則,加藤竜次,山本哲也: "解説「熱非平衡結晶成長における同時ドーピング法による新しい価電子制御法とスピン制御法」"日本結晶成長学会誌. 第27巻 第4号. 232-240 (2000)
• [文献書誌] 吉田博(共著): "新しい放射光の科学〜内殻励起が拓く新物質科学〜"講談社. 244 (2000)