室温で紫~橙色で光るp型/n型半導体を実現~スピネル型硫化物を基盤とした独自の化学設計指針~

2025-09-19 東京科学大学

東京科学大学の研究チームは、スピネル型硫化物 (Zn,Mg)Sc₂S₄ を基盤に、室温で紫~橙色に発光し、かつ p型/n型の両方に制御可能な半導体 を実現した。独自の化学設計指針により、従来光・電子機能とは無縁と考えられてきた材料に新たな機能を付与。これにより、LEDの「グリーンギャップ問題」の克服や高効率太陽電池の開発に大きく貢献できると期待される。pn接合を同一材料で作製できることから高品質デバイス化が可能であり、次世代の光・エネルギーデバイスの基盤技術となる。成果は Journal of the American Chemical Society に掲載。

室温で紫~橙色で光るp型/n型半導体を実現~スピネル型硫化物を基盤とした独自の化学設計指針~
図1. スピネル型構造を有する化合物AB2X4の結晶構造。立方晶の構造でa,b,c軸の格子定数がすべて等しく互いに垂直の関係にあるため高い対称性を有する。(a) 結晶構造の全体像、(b)BとXで構成されるab面。

<関連情報>

色調調整可能な直接バンドギャップと両極性ドーパビリティを有するd0陽イオン系スピネル型硫化物半導体d0 Cation-Based Spinel-Type Sulfide Semiconductors with Color-Tunable Direct-Gap and Ambipolar Dopability

Kota Hanzawa,Takayuki Nagai,Ryoga Nagasawa,Takayoshi Katase,Hideo Hosono,and Hidenori Hiramatsu
Journal of the American Chemical Society  Published: September 17, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c12816

Abstract

This work proposes a materials design concept based on chemical bonding and atomic orbital symmetry to realize a direct bandgap and both n- and p-type dopability in spinel-type AB2X4, which have been overlooked as optoelectronic semiconductors. By combining a heavy s0 cation, a d0 cation, and sulfur at the A, B, and X sites, the conduction band minimum is formed mainly by the deep s0 orbital, whereas the valence band maximum is formed by the shallow nonbonding sulfur p orbitals. These are appropriately aligned for n- and p-type doping. Furthermore, the anisotropic d0 orbitals of B suppress dispersion of competing bands, resulting in a direct bandgap. In the candidate ZnSc2S4, the band gap and photoluminescence are widely tuned via isovalent substitution. Additionally, the n- and p-type conductivities can be controlled through chemical doping by over 9 orders of magnitude from the insulating state, validating the effectiveness of our concept in exploring next-generation semiconductors suitable for photoabsorbers of solar cells and green light-emitting diode sources.

0403電子応用
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