【研究領域課題番号】21H04612 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 新物質探索 / バルク・薄膜 / 第一原理計算 / デバイス / 輸送特性 / 光物性 / ドーピング

【研究成果の概要】

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」に取り組み、また同時進行で研究の次段階ステージとなる「薄膜試料作製」の本格実施のための準備を行った。
・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、SrHfS3と同型のペロブスカイト構造を有するBaZrS3を作製してバンドギャップを見積もったところ、狙い通り、SrHfS3よりも小さくなり、1.85 eVであることを明らかにした。そして、第一原理計算で吸収係数を計算したところ、光吸収層としては理想的な10^6 cm^-1に達することが示唆された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2021-04-05 - 2026-03-31

【配分額】41,730千円 (直接経費: 32,100千円、間接経費: 9,630千円)

【研究領域課題番号】20H00302 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

第一原理計算 / 機械学習 / 半導体 / ドーピング

【研究成果の概要】

系統的な第一原理計算とその結果の機械学習により、無機化合物における固有点欠陥の形成挙動・電子状態と様々な形態でのドーパント添加によるキャリアドーピングの有効性を、半導体としての応用に関わる種々の基礎物性と併せて俯瞰的に考察し、ワイドギャップ半導体の設計・探索の指針を構築することを最終目的として研究を推進した。本年度は、昨年度から開発を進めている高精度と高速を両立させたハイスループット第一原理計算及び機械学習に基づいた基礎物性・安定性・キャリアドーピングの予測技術の高度化を進めるとともに、特定の既知・新規物質の基礎物性と点欠陥・キャリア形成挙動の詳細な考察、候補物質のハイスループットスクリーニングの試行、予測された物質の合成と電子・光学物性評価を継続した。その結果として、代表的なp型ワイドギャップ半導体である銅系複合酸化物の固有点欠陥とドーパントを改めて理論的に検討し、ドーピングに関わる様々な因子を明らかにすることで、新材料系を用いたp型ワイドギャップ半導体の設計及び探索のための有益な指針を得た（2021年10月にPhysical Review Materials 誌に出版）。また、3元系亜鉛窒化物に関して、2つの新物質の存在とそれらの結晶構造、電子構造、光学物性、点欠陥特性を第一原理計算により予測するとともに、各物質の合成及び評価実験から結晶構造と光学物性に関する理論予測を実証した（2021年4月及び10月にChemistry of Materials誌に2編の論文を出版）。その他、ハイスループット第一原理計算及び機械学習を用いた物質探索の効率化手法の開発に関して、上記の最終目的を達成する上での基盤的な成果を得た。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2025-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究領域課題番号】19K05292 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 電子デバイス / 高電子移動度トランジスタ / 結晶成長 / パワーデバイス / ドーピング / スパッタリング / 窒化アルミニウム / トランジスタ

【研究成果の概要】

本研究では、次世代超高耐圧・高出力パワーデバイスとして期待される窒化アルミニウム(AlN)および窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)混晶の結晶成長・デバイスプロセス開発に取り組んだ。
AlN結晶成長には高エネルギー粒子・紫外線照射による欠陥疑フェルミレベル制御というアプローチを導入し、パルススパッタ堆積法を用いて高品質AlN結晶成長・n絶型伝導性制御を実現した。
さらに本手法を用いてAlN/AlGaN高電子移動度トランジスタを作製し、最大電流密度250 mA/mm、絶縁破壊電界が3.0 MV/cmの高出力・高耐圧動作を実証した。

【研究の社会的意義】

本研究では、低コストかつ大面積に成膜可能なスパッタ法を用いて高品質なAlN・AlGaNエピタキシャル成長を実現した点で、産業応用上の価値が高いと考えている。また欠陥疑フェルミレベル制御によるAlN結晶高品質化の可能性を示したことは、結晶学上意義がある。
さらにAlGaN混晶を用いた高移動度電子トランジスタの低抵抗化を世界に先駆けて実現し、高出力・高耐圧動作を実証したことで、次世代パワーエレクトロニクス分野の開拓・進展に資する成果を得たといえる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】13450266 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ドーピング / 薄膜 / 格子定数 / 半導体 / ペロブスカイト / MOD / TEM / PLD / 半導体化 / MOCVD / スパッタリング

【研究成果の概要】

本研究は今後電子セラミックス部品やメモリーデバイスなどに広く利用されることが予想されるペロブスカイト構造セラミックス薄膜に見られるバルク体(焼結体)とは異なる、いわば異常現象を明らかにし、その機構を解明して、セラミック薄膜の特異性から新たな機能を探索する手がかりを得ようとするものである。ここでの特異性は異種原子のドーピング化の難易性、固溶域の拡大、超格子の出現、超薄層からなる積層体の出現などである。本研究では、種々の方法で作成したセラミックス薄膜におけるドーピング異常現象をデータから探索し、物性との関係を検討した。その結果、(1)PLD法で作製したSrTiO_3薄膜ではMOCVDで作製した薄膜と同様に広いSr/Ti比において単相のペロブスカイト相が生成し、格子定数が連続的に大きく変化することを見いだした。これらの試料のTEM観察からは顕著な格子欠陥は見られなかった。一方、化学溶液法であるMOD法で作製したSrTiO_3薄膜はアモルファスとなり、結晶化しなかった。さらに、作製した薄膜の還元熱処理により電流-電圧特性のSr/Ti比依存性を調べた。その結果、電流-電圧特性が直線的に成るものとバリスタ特性を示すものがあることが明らかになった。さらに、(2)バルクでは安定化ジルコニア(YSZ)中にNbはほとんど固溶しないが、PLD法でNbを添加したYSZ薄膜を作製すると、少なくとも20mol%までのNb_2O_5添加までYSZの格子定数は連続的に変化し、容量-電圧特性が著しく改善されることが見いだされた。これらの例が示すように、薄膜ではバルクでは理解することができない多くの異常現象が見いだされた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】15,400千円 (直接経費: 15,400千円)