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

2001 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: 透明強磁性半導体 / マテリアルデザイン / 第一原理計算 / スピングラス / スピンFET / ハーフメタル / 磁性半導体 / ZnO ZnS GaN

研究概要

第一原理計算に基づいて、ZnO, ZnSやGaN, AINなどの透明なワイドギャップ半導体に遷移金属を高濃度にドープした系について透明強磁性体のマテリアルデザインをおこない、II-VI族半導体ではV, Crが、またIII-V族半導体ではV, Cr, Mnが強磁性状態で、しかも、一方のスピン状態だけにフェルミ面があり片方のスピン状態が絶縁体であるハーフメタリックな系を予言した。実際に実験グループが新物質の創製を行いZnO : V, ZnO : Co, GaN : Mnで強磁性を確認し、第一原理計算によるマテリアルデザインの有効性を検証した。第一原理計算によるマテリアルデザインの結果に立脚して、スピン・FETやスピン・トランジスタなどのプロトタイプの新機能スピンデバイスをデザインした。

研究成果

• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Stabilization of Ferromagnetic States by Electron Doping in Fe-, Co-or Ni-Doped ZnO"Jpn. J. Appl. Phys.. 40. L334-L336 (2001)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida, T.Nishimatsu, T.Yamamoto, N.Orita: "Codoping Method for the Fabrication of Low-resistivity wide Band-gap Semiconductors in p-type GaN, p-type AIN and n-type Diamond : Prediction vs. Experiment"J. Physics Condens. Matter. 13. 8901-8914 (2001)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Material Design of GaN-based Ferromagnetic Diluted Magnetic Semiconductors"Jpn. J. Appl. Phys.. 40. L485-L487 (2001)
• [文献書誌] H.Katayama-Yoshida, R.Kato, T.Yamamoto: "New Valence Control and Spin Control Method in GaN and AIN by Codoping and Transition Atom Doping"J. Crystal Growth. 231. 428-436 (2001)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Hyperfine Interactions and Magnetism of 3d Transition-Metal-Impurities in II-VI and III-V Compound-Based Diluted Magnetic Semiconductors"(Hyperfine Interactions) at HFI-12 (USA). (In press).
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Ferromagnetism in a transition metal atom doped ZnO"Physica E. 10. 251-255 (2001)
• [文献書誌] T.Yamamoto, H.Katayama-Yoshida: "Physics and control of valence states in ZnO by codoping method"Physica B. 302-303. 155-162 (2001)
• [文献書誌] K.Matsushita, H.Harima, A.Yanase, H.Katayama-Yoshida: "Prediction of ferromagnetic (Zn, Mn)Se superlattice"Physica E. 10. 247-250 (2001)
• [文献書誌] T.Kawasaki, H.Katayama-Yoshida: "Valence control method of co-doping for the fabrication of metallic silicon from the first-principles calculation"Physica B. 302-303. 163-165 (2001)
• [文献書誌] T.Nishimatsu, H.Katayama-Yoshida, N.Orita: "Theoretical study of hydrogen-related complexes in diamond for low-resistive n-type diamond semiconductor"Physica B. 302-303. 149-154 (2001)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Materials Design of Transparent and Half-Metallic Ferromagnets in V-or Cr-doped ZnS, ZnSe and ZnTe without P-or N-type Doping Treatment"Jpn. J. Appl. Phys.. 40. L651-L653 (2001)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Theoretical prediction for transparent ferromagnets with transition metal atom doped ZnO"Proc. 25^<th> Int. Conf. Phys. Semicond., Osaka 2000 (Springer Proceedings in Physics, 87, Eds. N.Miura and T.Ando). 236-237 (2001)
• [文献書誌] K.Matsushita, H.Harima, A.Yanase, H.Katayama-Yoshida: "Electronic Structure and Magnetic Properties of (Zn, Mn)Se With Carrier Doping Studies by FLAPW Method"Proc. 25^<th> Int. Conf. Phys. Semicond., Osaka 2000 (Springer Proceedings in Physics, 87, Eds. N.Miura and T.Ando). 264-265 (2001)
• [文献書誌] T.Yamamoto, H.Katayama-Yoshida: "Materials design for the fabrication of p-type ZnO by codoping method"Proc. 25^<th> Int. Conf. Phys. Semicond., Osaka 2000 (Springer Proceedings in Physics, 87, Eds. N.Miura and T.Ando). 1409-1410 (2001)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Material and device design with ZnO-based diluted magnetic semiconductors"Mat. Res. Soc. Symp. Proc.. Vol.666. F4.6.1-F4.6.10 (2002)
• [文献書誌] K.Sato, H.Katayama-Yoshida: "Ab intio study on the magnetism in ZnO-, ZnS-, ZnSe-, and ZnTe-based diluted magnetic semiconductors"Phys. sat. sol. (b). (in press). (2002)
• [文献書誌] 佐藤和則, 吉田博: "解説:第一原理計算による新機能希薄磁性半導体のマテリアルデザイン"固体物理. 36. 377-390 (2001)
• [文献書誌] 吉田博, 佐藤和則, 山本哲也: "第一原理計算による新機能性半導体のマテリアルデザイン -予言と実験の比較-"応用物理学会誌. Vol.70 No.8. 969-975 (2001)