Creation of ultra-wide bandgap p-type transition metal oxides and device applications

超宽带隙p型过渡金属氧化物的制备及器件应用

基本信息

批准号：
21H01811
负责人：
金子健太郎
金额：
$ 11.48万
依托单位：
Ritsumeikan University (2022-2023)Kyoto University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、4.0 eV以上の禁制帯幅を有する新しい超ワイドバンドギャップp型半導体の合成を柱とするものである。初年度には、n型とp型の両伝導が理論的に予測されていながら、これまで合成が非常に困難であった新しい超ワイドバンドギャップ半導体である、二酸化ゲルマニウム(GeO2)(バンドギャップ 4.6 eV)の薄膜合成を達成した。二年目の今年度はGeO2の安価で安定的な薄膜合成と、同じルチル構造をもつ酸化物との混晶作製の合成と物性探索を行った。GeO2薄膜は現状では酸化チタン(TiO2)基板上で結晶成長が確認されているが、TiO2基板は10mm角で約1万円と非常に高価である。そこで、実験回数をより多くするために、安価なサファイア基板上での結晶成長を試みたところ、初歩的なGeO2結晶の薄膜成長を確認した。しかしながら、膜内の均質性や結晶の配向性に関して継続的な実験が必要なため、サファイア基板上での結晶成長を進めながら、混晶薄膜の合成は引き続きTiO2基板上で行った。GeO2のバンドギャップ変調のために、同じ結晶構造をもつ酸化スズ(SnO2)との混晶作製を行った。X線回折測定の結果から、Geの混入量の増加に伴い、SnO2のピークからGeO2のピークに連続的にシフトし、 (Ge,Sn)O2薄膜が全組成領域で作製可能である事を示した。さらに、分光透過率測定および分光エリプソメトリーを用いた光学測定から、(Ge,Sn)O2薄膜のバンドギャップがGeの混入量増加により、3.81 eV(SnO2)から、Ge濃度96%の(Ge,Sn)O2の4.44 eVまで拡張している事を実験的に確認した。さらに、Ge組成が57%以下(バンドギャップ 3.98 eV以下)の薄膜において、(Ge,Sn)O2薄膜がn型伝導を示す事も確認され、(Ge,Sn)O2薄膜の導電性制御に向けた成果が得られた。

这项研究的重点是合成新的超宽带隙P型半导体，禁止带宽度为4.0 eV或更多。在第一年，我们达到了薄膜的二氧化锗（GEO2）（带量4.6 eV）的薄膜合成，这是一种新的超宽带隙半导体，尽管n-和p型电导率都具有理论上的预测，但以前很难合成。今年，第二年，我们进行了GEO2的合成和物理特性，它们是薄膜廉价且稳定的合成，以及具有具有相同金红石结构的氧化物的混合晶体制造。目前，GEO2薄膜的晶体生长已在氧化钛（TiO2）底物上得到证实，但是TiO2底物在10毫米平方左右（约10,000日元）时非常昂贵。因此，为了增加实验的数量，我们试图在廉价的蓝宝石底物上种植晶体，并确认GEO2晶体的基本薄膜生长。然而，对于膜和晶体方向的同质性需要连续实验，因此混合晶体薄膜的合成在TiO2底物上继续进行，而在蓝宝石底物上进行了晶体生长。对于GEO2的带隙调制，用具有相同晶体结构的氧化锡（SNO2）制备混合晶体。 X射线衍射测量结果的结果表明，随着GE污染的量增加，SNO2的峰从GEO2的峰连续移动到GEO2的峰，表明（GE，SN）O2薄膜可以在整个组合区域制造。此外，通过使用光谱椭圆测量法光谱透射测量和光学测量值，经过实验证实，（GE，SN）O2薄膜的带隙从3.81 eV（SNO2）膨胀到4.44 EV（GE，SN）O2，GE浓度为96％。此外，已经证实（GE，SN）O2薄膜在薄膜中表现出N型电导率，GE组成为57％或更少（带隙为3.98 eV或更少），从而控制了（GE，SN）O2薄膜的电导率。