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

发展半导体掺杂理论和预测方法

• 批准号: 18J22930
• 负责人: 原田 航
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J22930/
• 关键词: 第13族窒化物半導体の点欠陥; スピン軌道相互作用を取り入れたバンド計算; Zn-Ⅵ族化合物; Ga-Ⅴ族化合物; SiC

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。

在本研究中，我们利用第一性原理计算系统地计算了氮化物、氧化物、磷化物和硫化物等多种化合物半导体的掺杂极限和杂质，并建立了掺杂理论和本研究的目的是开发一种自动提出了可以引入导电载流子的最佳掺杂剂。今年的研究计划旨在综合计算约200种已有掺杂特性实验数据的半导体的本征点缺陷、引起载流子补偿的氢和氧杂质以及候选掺杂剂的形成能。作为回应，作为今年计划的一部分，我们对三种已知类型的半导体进行了系统的点缺陷计算。具体来说，我们系统地计算了第13族氮化物半导体中本征点缺陷和掺杂剂的形成能和电子能级，并考虑建立掺杂特性理论，这也是本研究的目的。此外，我们将重点关注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族化合物和SiC等典型半导体材料的能带结构和。系统地计算了控制属性的有效质量。采用的晶体结构为闪锌矿型结构和纤锌矿型结构。需要计算的系统有40个，通过系统地进行包含自旋轨道相互作用的高精度计算，我们能够获得统一条件下的有效质量值。上述计算结果表明，在具有纤锌矿晶体结构的体系中，价带顶部的能带结构因引入自旋轨道相互作用而发生变化，空穴的有效质量减少。此外，还发现阳离子元素的质量越大，有效质量降低的程度越小。