半導体のドーピングに関する理論および予測手法の構築

本研究では、第一原理計算により、窒化物、酸化物、リン化物、硫化物といった複数の化合物半導体に対してドーピング限界の算出と不純物の計算を系統的に行い、ドーピングに対する学理の構築と両極性の伝導キャリアを導入できる最適なドーパントを自動的に提案するシステムの開発を目的とした。本年度における研究計画では、ドーピング特性に関する実験データが存在する半導体約200種について、キャリア補償の原因である固有点欠陥、水素・酸素不純物と、ドーパント候補の形成エネルギーを網羅的に計算することが目標であった。これに対し、本年度では計画の一部として、既知の半導体3種に対する系統的な点欠陥の計算を行った。具体的には、第13族窒化物半導体の固有点欠陥およびドーパントの形成エネルギーと電子準位を系統的に計算し、本研究の目的であるドーピング特性の学理構築に向けた考察を進めた。また、半導体材料として代表的なZn-Ⅵ族化合物、Cd-Ⅵ族化合物、Al-Ⅴ族化合物、Ga-Ⅴ族化合物、In-Ⅴ族化合物およびSiCを対象とし、ドーピング機構と並んで半導体材料の特性を支配するバンド構造と有効質量を系統的に計算した。結晶構造は閃亜鉛鉱型構造とウルツ鉱型構造を採用した。計算対象の系は40種であり、スピン軌道相互作用を取り入れた高精度な計算を系統的に実施することで、統一された条件下における有効質量値を得ることができた。以上の計算結果から、ウルツ鉱型の結晶構造を有する系ではスピン軌道相互作用を取り入れることによって価電子帯上端におけるバンド構造が変化し、ホールの有効質量が減少することが明らかになった。さらにカチオン元素の質量が大きくなるほど有効質量の減少する程度は小さくなることがわかった。

本研究では、第一原理計算により、窒化物、酸化物、リン化物、硫化物といった複数の化合物半導体に対してドーピング限界の算出と不純物の計算を系統的に行い、ドーピングに対する学理の構築と両極性の伝導キャリアを導入できる最適なドーパントを自動的に提案するシステムの開発を目的とした。本年度における研究計画では、ドーピング特性に関する実験データが存在する半導体約200種について、キャリア補償の原因である固有点欠陥、水素・酸素不純物と、ドーパント候補の形成エネルギーを網羅的に計算することが目標であった。これに対し、本年度では計画の一部として、既知の半導体3種に対する系統的な点欠陥の計算を行った。具体的には、第13族窒化物半導体の固有点欠陥およびドーパントの形成エネルギーと電子準位を系統的に計算し、本研究の目的であるドーピング特性の学理構築に向けた考察を進めた。また、半導体材料として代表的なZn-Ⅵ族化合物、Cd-Ⅵ族化合物、Al-Ⅴ族化合物、Ga-Ⅴ族化合物、In-Ⅴ族化合物およびSiCを対象とし、ドーピング機構と並んで半導体材料の特性を支配するバンド構造と有効質量を系統的に計算した。結晶構造は閃亜鉛鉱型構造とウルツ鉱型構造を採用した。計算対象の系は40種であり、スピン軌道相互作用を取り入れた高精度な計算を系統的に実施することで、統一された条件下における有効質量値を得ることができた。以上の計算結果から、ウルツ鉱型の結晶構造を有する系ではスピン軌道相互作用を取り入れることによって価電子帯上端におけるバンド構造が変化し、ホールの有効質量が減少することが明らかになった。さらにカチオン元素の質量が大きくなるほど有効質量の減少する程度は小さくなることがわかった。