独自の化学設計指針に基づいた革新的新光機能性半導体の創製とデバイス化への展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04612
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 平松 秀典 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (80598136)
• 研究分担者: 飯村 壮史 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (80717934)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• キーワード: 半導体 / 輸送特性 / 光物性 / ドーピング

研究実績の概要

本研究において打ち立てた以下2点の化学設計指針に従って、研究計画におけるロードマップに設定したとおり、「有望物質の探索」に取り組むと同時に、薄膜化への取り組みを行った。
・高対称性結晶（具体的にはペロブスカイト型構造）中に意図的に「非結合性軌道」を導入し、適切なバンドギャップと、p型にもn型にもドーピングが可能な電子状態を実現する。
・高効率化に不可欠な直接遷移型にするために、長周期構造を利用したバンドの折りたたみを利用する。
その結果、これまで見いだしてきたペロブスカイト型構造物質だけでなく、ペロブスカイト型構造とは全く異なる結晶構造を有する別の有望カルコゲナイド物質を見いだした。そして、既に見いだしていたペロブスカイト型構造を有するSrHfS3やBaZrS3の薄膜合成については、パルスレーザー堆積法とクラッキングセルによる直接成長、またはCS2を用いた熱処理により成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ペロブスカイト型構造を有するSrHfS3やBaZrS3の薄膜化に成功し、本課題における化学設計指針に従って、有望物質の探索に取り組んだ結果、ペロブスカイト型構造とは異なる結晶構造を有する別の有望カルコゲナイド物質も見いだしている。

今後の研究の推進方策

・薄膜合成に成功した試料については、より高品質化に取り組むと共にドーピング実験を開始する。
・ペロブスカイト型構造以外の結晶構造を有する別の有望カルコゲナイド物質を見いだすことに成功しているので、今後その物質も研究の基軸に取り込む。
・引き続き、設計指針に合致するペロブスカイト型カルコゲナイドおよび関連化合物を網羅的に合成し、第一原理計算を併用しながら、目的に合ったバンドギャップを有する有望物質候補の試料合成および評価を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Reversible Thermal Conductivity Modulation of Non-equilibrium (Sn1－xPbx)S by 2D－3D Structural Phase Transition above Room Temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Z. Hu, M. Hiramatsu, X. He, T. Katase, T. Tadano, K. Ide, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: ACS Appl. Energ. Mater. 巻: 6 ページ: 3504-3513
  • DOI: 10.1021/acsaem.3c00060
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of fluorine doping on the optical and mechanical properties of bismuth-containing silicate and borate glasses (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Hayashi, T. Shimizu, S. Matsuishi, H. Hiramatsu, and A. Saitoh
  • 雑誌名: J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 巻: 33 ページ: 2242-2256
  • DOI: 10.1007/s10854-021-07508-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Degenerated Hole Doping and Ultra‐Low Lattice Thermal Conductivity in Polycrystalline SnSe by Nonequilibrium Isovalent Te Substitution (2022)
  • 著者名/発表者名: X. He, H. Zhang, T. Nose, T. Katase, T. Tadano, K. Ide, S. Ueda, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: Adv. Sci. 巻: 9 ページ: 2105958
  • DOI: 10.1002/advs.202105958
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic and Lattice Thermal Conductivity Switching by 3D－2D Crystal Structure Transition in Nonequilibrium (Pb1－xSnx)Se (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishimura, X. He, T. Katase, T. Tadano, K. Ide, S. Kitani, K. Hanzawa, S. Ueda, H. Hiramatsu, H. Kawaji, H. Hosono, T. Kamiya
  • 雑誌名: Adv. Electron. Mater. 巻: 8 ページ: 2200024
  • DOI: 10.1002/aelm.202200024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low Residual Carrier Density and High In-Grain Mobility in Polycrystalline Zn3N2 Films on a Glass Substrate (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Li, A. Shimizu, X. He, K. Ide, K. Hanzawa, K. Matsuzaki, T. Katase, H. Hiramatsu, H. Hosono, Q. Zhang, and T. Kamiya
  • 雑誌名: ACS Appl. Electon. Mater. 巻: 4 ページ: 2026-2031
  • DOI: 10.1021/acsaelm.2c00181
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-Mobility Metastable Rock-Salt Type (Sn,Ca)Se Thin Film Stabilized by Direct Epitaxial Growth on a YSZ (111) Single-Crystal Substrate (2022)
  • 著者名/発表者名: X. He, J. Chen, T. Katase, M. Minohara, K. Ide, H. Hiramatsu, H. Kumigashira, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 14 ページ: 18682-18689
  • DOI: 10.1021/acsami.2c01464
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design, Synthesis, and Optoelectronic Properties of the High-Purity Phase in Layered AETMN2 (AE = Sr, Ba; TM = Ti, Zr, Hf) Semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Shiraishi, S. Kimura, X. He, N. Watanabe, T. Katase, K. Ide, M. Minohara, K. Matsuzaki, H. Hiramatsu, H. Kumigashira, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 61 ページ: 6650-6659
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c00604
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-temperature-processable amorphous-oxide-semiconductor-based phosphors for durable light-emitting diodes (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Ide, N. Watanabe, T. Katase, M. Sasase, J. Kim, S. Ueda, K. Horiba, H. Kumigashira, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 121 ページ: 192108
  • DOI: 10.1063/5.0115384
  • 査読あり
• [雑誌論文] Defect formation and carrier compensation in the layered oxychalcogenide La2CdO2Se2: an insight from first principles (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Gake, Y. Kumagai, A. Takahashi, H. Hiramatsu, and F. Oba
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. C 巻: 10 ページ: 16828-16837
  • DOI: 10.1039/d2tc03836f
  • 査読あり