【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)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】17H01318 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

窒化物半導体 / 材料設計 / 第一原理計算 / 点欠陥 / 薄膜 / 格子欠陥 / ドーピング

【研究成果の概要】

高精度・多角的な第一原理計算並びに機械学習に立脚したインシリコ（計算機中）での材料設計と候補物質のスクリーニングにより、半導体として有望な窒化物を選定することを目指して研究を推進した。既知の窒化物半導体の詳細な理論検討結果に基づいて材料設計の指針を構築し、インシリコスクリーニングを実行することにより、複数の有望物質を提案した。また、バンドギャップ制御及びキャリアドーピングに関する理論予測を実験により実証した。

【研究の社会的意義】

本研究では理論計算、機械学習と合成・評価実験の密接な連携により、窒化物半導体の設計・探索・創製を行った。これは、近年注目を集めている計算科学並びにマテリアルズインフォマティクス手法による効率的な材料設計・探索の好例と言え、有効な材料研究手法の提案という観点からも意義深いと言える。また、本研究では窒化物半導体の設計・探索を主題としたが、本アプローチは他の材料系への応用も見込めることから、波及効果が大きいと考えられる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】25889022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子デバイス・集積回路 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 二硫化モリブデン / スパッタ / 第一原理計算 / 2次元層状半導体 / ドーピング

【研究成果の概要】

将来ヒューマンインターフェース用トランジスタのチャネルとして、比較的移動度が高い、原子2次元層状二硫化モリブデン(MoS2)半導体について、第一原理計算も用いて研究した。バンド構造計算より、アルカリ金属汚染でピニング現象が発生し、MoS2膜が高濃度n型化することを確認した。他機関キャリヤ濃度1021 cm-3と合致している。そこでクリーンプロセスとして、スパッタ法によりMoS2膜を成膜することで、1017 cm-3程度まで低減できることを確認した。次にMoS2の下地SiO2膜の表面平坦性向上により、1016 cm-3に低減でき、従来7倍である27 cm2/V-s (Hall移動度)を達成した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2013-08-30 - 2015-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】17760527 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

窒化ホウ素 / 第一原理計算 / ドーピング / イオン化エネルギー / 形成エネルギー / 電子構造

【研究成果の概要】

六方晶窒化ホウ素(h-BN)の半導体化に最適なドーパントの理論予測を目的として,第一原理計算により様々な不純物のイオン化エネルギー及び形成エネルギーと電子構造を立方晶窒化ホウ素(c-BN)と比較しながら系統的に評価した.具体的には,h-BN及びc-BNスーパーセル中に様々なドーパント元素を導入し,第一原理PAW法による原子・電子構造の最適化計算を行った.得られたスーパーセルの全エネルギーを用いて不純物のイオン化エネルギーと形成エネルギーを求め,これらの値をもとにp型,n型化に適したドーパント種を考察した.本年度はとくにh-BNの層間へのドーパントの挿入に着目し,サイズミスフィットの大きな不純物も含めて系統的な計算を行った.その際,Li等のアルカリ金属元素の添加やそれに伴う欠陥形成を定量的に評価するため,基本的な窒化物及び酸化物を対象として高精度な計算技法を確立した.これをh-BNに適用した結果,n型ドーピングに関しては様々なアルカリ金属元素により低い形成エネルギーと浅いドナー準位が両立されることがわかった.また,p型ドーピングの場合は,h-BN特有の電子構造の考察からハロゲンの添加により同様な効果が期待されたため,系統的な計算を行った.その結果,フッ素の添加によりとくに浅いアクセプタ準位が形成されることが判明した.これらは,層間へのドーピングによるh-BNの半導体化の可能性を示す結果である.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)