阪大ら,次世代半導体の新規価電子制御法を提案

大阪大学,東北大学,東京大学は,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提案した(ニュースリリース)。

半導体素子はp型とn型の二種類の電気的性質をもつ試料を組み合わせて作製される。しかし,高出力半導体デバイスやスピントロニクス応用に用いられる超ワイドバンドギャップ半導体の多くは。その単極性(p型とn型のうちの一方の作製が難しい性質)を有する。このため,III-V族窒化物半導体では,低抵抗p型試料作製が困難だった。

p型半導体では価電子帯トップの正孔が電気伝導に寄与する。極端に大きなバンドギャップを持つ物質では結晶の安定性のため価電子帯に正孔を導入すると大きなエネルギーの上昇があり,困難だった。そこで,価電子帯のトップに正孔をドープすることにより,結晶の共有結合性を強化した。また,安定状態を作り出す磁性元素をドープすることで,価電子帯の電子を引き抜くことが可能になる。

具体的には,Fe,Co,Ni,Mnなどの3d遷移金属磁性元素やEu,Gd,Tbなどの4f希土類磁性元素をワイドギャップ半導体や超ワイドバンドギャップ半導体にドープすることで,磁性元素のもつ多体的な交換相関相互作用による大きなスピンの交換分裂によるエネルギーが利得される。さらに,母体半導体と磁性元素との強い共有結合によるエネルギーも同時に利得される。

これらを併用することにより,母体半導体の広がった価電子帯や伝導帯に正孔や電子を容易にドープすることが可能となり,低抵抗p型化や低抵抗n型化が実現されるという。この新奇価電子制御法「EX-doping 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だとする。

研究グループは,「EX-doping 法」について,窒化物半導体(AlN,GaN,BN,…)に限らず,価電子制御が難しい他の超ワイドバンドギャップ半導体,例えば酸化物(SrTiO3,TiO2,Ga2O3,Al2O3,ZnO,MgO,…)や炭素系物質(ダイヤモンドやSiC,…)のドーピングにおける単極性にも解決の目処を与えるものだとしている。

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