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次世代半導体のための新たな価電子制御法のデザイン 〜EX-doping法:母体物質に依存しない汎用的で一般的な価電子制御法の提案〜

大阪大学大学院基礎工学研究科・附属スピントロニクス学術連携研究教育センターの真砂啓 特任准教授は、東北大学電気通信研究所の新屋ひかり 助教、東京大学物性研究所・Beyond AI 連携事業の福島鉄也 特任准教授、大阪大学大学院工学研究科の佐藤和 准教授、東京大学大学院工学系研究科・附属スピントロニクス学術連携研究教育センター・特任研究員(上席研究員)で大阪大学名誉教授の吉田博と共同で、第一原理計算手法を用い、単極性のため低抵抗p型化が難しかったワイドバンドギャップ半導体を低抵抗p型化するための磁性元素を用いた新しい価電子制御法を第一原理計算によって提案しました。

MnやEuなどの磁性元素を超ワイドバンドギャップ半導体にドープすると、磁性元素のもつ多体的な交換相関相互作用による上向きスピンと下向きスピンの状態間に大きなスピン交換分裂が生じ、磁性元素の3d軌道や4f軌道の上向きスピンの電子のみで占有された高スピン状態となる磁気的な交換エネルギーの利得により系のエネルギーがより安定化します。そのとき、上向きスピン状態では、磁性元素の局在した3d軌道や4f軌道と母体半導体の広がった窒素の2p軌道が量子力学的に強く混じり合って、価電子帯の深いところに局在した3d軌道や4f軌道が主成分となる結合状態を形成し、一方、その片割れである反結合状態となる不純物バンドが価電子帯トップの近傍に出現します。このような反結合状態の不純物バンドでは、母体半導体結晶に広がった窒素の2p軌道が主成分である不純物バンドが価電子帯のトップに形成されます。その際、系の電荷的中性を保つため反結合状態に正孔がドープされて、スピンの大きな交換分裂によるエネルギの利得に加えて、正孔がドープされたことによる共有結合性の強化により、更なるエネルギー利得があるため、低抵抗p型化が実現されます。磁性元素の3d軌道や4f軌道はすべて上向きスピンのみで満たされるため、大きな交換相関相互作用により全体として低いエネルギー状態が実現され、最終的に反結合状態に入った正孔のため低抵抗p型化が容易に実現されされます。この新奇価電子制御法は、磁性元素のもつ量子力学的な多体的交換相関相互作用によるスピン分極を利用したものであり、今までまったく見つかっていなかった新しい物理機構による価電子制御法です。

fig1
図:状態密度による解釈。結晶に広がったN-2p軌道と局在した4f (3d)軌道との強い共有結合性によるp-f (p-d)混成のため、エネルギーの深い位置に局在した4f (3d)電子を主成分とする結合状態(N-2p成分は少ない)が出現し、閉殻構造(4f7や3d5)に近い電子状態をとる。一方、p-f (p-d)混成による広がったN-2p軌道を主成分とする反結合状態が価電子帯上端(VBM)に出現する。 電荷中性を保つため、正孔(h+)が主として広がったN-2pを主成分(4fや3d成分は少ない)とする不純物バンドにドープされるため、4f6 ⇒ 4f7+ h+@VBM、および 3d4 ⇒ 3d5+ h+@VBM、の電子状態が実現される。

このような新奇な価電子制御法は、母体化合物に依存せず、一般的で汎用的なものであることから、超ワイドバンドギャップ半導体を持つ窒化物(AlN, GaN, BN, …)に限らず、価電子制御が難しい超ワイドバンドギャップをもつ酸化物や半導体などでの不純物ドーピングによる価電子制御および単極性の問題を解決することができます。磁性元素の電子間における自己相互作用を補正し、多体的相互作用をする系を取り扱うことのできる第一原理計算手法によるドーピング機構解明に基づいて、価電子制御法をデザインし、単極性を解決する磁性元素を用いた現実的な価電子制御法である「EX-doping法」を提案しました。また、電子と正孔は対称的であるため、この「EX-doping法」は母体となる半導体や絶縁体の種類やp型、n型には依存しないため、一般的で汎用的な価電子制御法であることがその微視的物理機構から得られました。そのため、これらの結果は、超ワイドバンドギャップ窒化物を用いた高出力電力半導体デバイスやスピントロニクス・デバイスの実現に新たな道を開くのみならず、単極性のためp型、n型のうち一方しか実現できず、その現実的な産業応用のためのデバイス応用において多くの困難に直面しているTiO2, SrTiO3, BaTiO3, Ga2O3,MgO,ZnOなどの酸化物(単極性のため低抵抗p型化が困難)、SiC(単極性のため低抵抗p型化が困難)、ダイヤモンド(単極性のため低抵抗n型化が困難)などの価電子制御に新しい道を開くと期待されます。

本価電子制御法は、母体化合物に依存しない一般的で、汎用的なものであることから、ワイドバンドギャップを持つ窒化物に限らず、価電子制御が難しい超ワイドバンドギャップをもつ酸化物や炭化物などでのドーピングによる価電子制御における単極性の問題を一般的に解決することができると期待されます。

本研究成果は、応用物理学会欧文誌「Applied Physics Express」に、8月24日(火)に公開されます。

本研究への支援: 本研究は、科学研究費補助金(基盤研究S)、科学技術振興機構CREST (JPMJCR1777)、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク (Spin-RNJ)の支援を受けて行われました。

掲載論文

  • 掲載誌:Applied Physics Express
  • タイトル:“A novel method for generating p-type wide- and ultrawide-bandgap III-nitride by doping with magnetic elements”
  • 著者名:A. Masago, H. Shinya, T. Fukushima, K. Sato, H. Katayama-Yoshida
(公開日: 2021年08月24日)