東京工業大学などの研究グループは、窒化銅を使ってp型とn型の両方で高い伝導キャリア移動度を示す半導体の開発に成功した。

 窒化銅は、ありふれた元素のみで構成される半導体であり、かつ太陽光スペクトルに適したバンドギャップと高い光吸収係数をもつことから、新しい薄膜太陽電池材料として注目されている。しかし、高品質な結晶の作製が難しく、これまで半導体としての特性は明らかになっていなかった。

 今回、研究グループは、銅金属の触媒機能に着目し、新しい窒化物合成法としてアンモニアと酸化性ガスを用いた銅の直接窒化反応を考案した。これにより、従来困難であった高品質な窒化銅薄膜の作製を可能とした。この手法で得られた純粋な窒化銅薄膜は、n型半導体であり、電子移動度が高い高性能な半導体だった。

 半導体には、電気伝導を正孔が担うp型半導体と、電子が担うn型半導体がある。太陽電池では、同一材料のp型とn型の半導体を組み合わせることで、高い変換効率が得られる。

 そこで次に、p型半導体を作成するために、第一原理計算に基づいてキャリアドーピングの設計を試み、有効と予測されたフッ素イオンを添加した窒化銅を作製した。これを原子分解能の電子顕微鏡による観察および放射光による電子状態解析で評価したところ、p型半導体であることがわかり、さらにその正孔移動度は、代表的な窒化物半導体である窒化ガリウムよりも高い値を示した。

 こうして、p型とn型の両方を作りこめる高品質な窒化銅半導体を実現した。今回考案した合成法は、大面積・低コスト化に適していることから、同一材料のp型とn型半導体を使った安価な薄膜太陽電池への応用が期待できるとしている。

論文情報:【Advanced Materials】High-Mobility p-Type and n-Type Copper Nitride Semiconductors by Direct Nitriding Synthesis and In Silico Doping Design

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