安価な非毒性の元素のみで構成された直接遷移型の近赤外線向け半導体を発見 NIMS

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物質・材料研究機構(NIMS)は2020年12年11日、東京工業大学と共同で、安価で毒性のないカルシウム、シリコン、酸素から構成される「Ca3SiO」が、赤外線用のLEDや検出器として応用できる直接遷移型の半導体であることを発見したと発表した。

赤外線領域で利用される半導体は、これまで毒性元素を含む材料が用いられてきた。一方、毒性のない元素からなる赤外半導体は、発光特性などが期待できない間接遷移型と呼ばれる半導体だ。そのため、毒性のない元素から構成され、バンドギャップが赤外線領域にあり、高機能素子へ応用できる直接遷移型半導体の開発が望まれていた。

研究グループは、通常+4価の陽イオンとしてふるまうシリコンが-4価の陰イオンとして寄与する結晶構造に着目。逆ペロブスカイト型結晶構造を持つ酸珪化物のCa3SiOなどの物質群を選択し、その合成、物性評価、理論計算を進めた。その結果、それらのバンドギャップが約0.9eV(波長では1.4μm)という小さな値を示し、直接遷移型の半導体となることを発見したという。

これまではバンドギャップなどの半導体特性を制御するために、周期表のIV族元素の左右に位置する元素を組み合わせていたが、毒性元素が含まれるテルル化カドミウム水銀、ヒ化ガリウムのような組み合わせを利用する必要があった。そこで、毒性元素を含まない半導体を見つけ出すため、これまでの半導体の探索指針とは異なる指針を検討し、その過程でCa3SiOを発見した。

Ca3SiOを構成するカルシウム、シリコン、酸素は、すべて非毒性元素で、地殻に多く含まれる安価なありふれた元素だ。長波長の赤外線をバンドギャップが小さいほど吸収したり、検出したりできる材料となる。直接遷移型のため、赤外線発光特性や、薄くしても光を漏らさず吸収する特性が期待でき、LEDなどの赤外線光源や赤外線検出器を構成できる新しい近赤外線向け半導体として期待できる材料だという。

NIMSは今後、発見した半導体の大型単結晶の合成、薄膜成長プロセスの開発、ドーピング・固溶による物性制御を進め、赤外線領域の高輝度LEDや高感度検出器の開発を目指すという。これらの実現によって、これまで用いられてきた毒性元素を含む近赤外線向け半導体素子を、毒性のない元素で構成された素子に代替させられるとしている。

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