Press Release!ルチル構造でバンドギャップ制御/BG engineering with Rutiles

高根君（D1）らの東京都立産技研、立命館大学との共同研究成果がPhysical Review Materialsに掲載されました。ミストCVDを用いてルチル型の混晶r-Ge_xSn_1−xO₂薄膜を作製し、バンドギャップ制御に成功しました。本成果は超ワイドバンドギャップ酸化物のバンドギャップ制御の重要な実例です！Congrats, Takane-kun! / Takane-kun’s work, in collaboration with Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute and Ritsumeikan-U. has been published on Physical Review Materials!. In this work, we succeeded in bandgap engineering using alloys of r-Ge_xSn_1−xO₂ thin films prepared by mist CVD.

成果をプレスリリースしました!

Rutile-structured germanium oxide (r-GeO₂), an ultrawide band-gap (UWBG) semiconductor, is a promising candidate for future high-power electronics because of its excellent properties, including ambipolar dopability, high carrier mobilities, and a higher thermal conductivity than β-Ga₂O₃.Inthispaper,focusingonawidevariety of its applications, we propose an UWBG alloy system based on r-GeO₂ and other rutile-structured oxides (SnO₂-GeO₂-SiO₂) and clarify the electronic structure and electrical properties based on experiments and the first-principles calculations. Experimentally, (001)-oriented r-Ge_xSn_1−xO₂ alloy thin films with an entire range of Ge compositions (x) were grown by a mist chemical vapor deposition technique. Structural characterizations show that the fabricated r-Ge_xSn_1−xO₂ alloy films with x ⩽ 0.96 and the well-crystallized part of the film with x =1.00 have uniform chemical compositions and the same epitaxial relations with r-TiO₂ (001) substrates. Transmission electron microscopy observations reveal that there are few dislocations inr-Ge_0.66Sn_0.34O₂ because of relatively small in-plane lattice mismatch. In contrast, many dislocations are observed near the film/substrate interface inr-Ge_0.96Sn_0.04O₂. Lattice constants of the alloys both along the a and c axes decrease with increase in Ge compositions. Their band gaps were determined by spectroscopic ellipsometry analysis, indicating that the band gaps increase as Ge compositions increase (3.81 − 4.44eV) with a bowing parameter of 1.2 eV. The values of lattice constants and the trend of band-gap transitions obtained by calculations are in good agreement with those of experimentally obtained each other. Then we presented the calculated natural band alignments of r-Ge_xSn_1−xO₂ and r-Ge_xSi_1−xO₂ alloys, suggesting the possibility of p-type doping in r-GeO₂ and Ge-rich r-Ge_xSn_1−xO₂ and availability of r-SiO₂ and Si-rich r-Ge_xSi_1−xO₂ as a blocking layer of other rutile-structured devices. Finally, electrical measurements demonstrated n-type conductivities inr-Ge_xSn_1−xO₂ (x ⩽ 0.57)./ 超ワイドバンドギャップ (UWBG) 半導体であるルチル構造の酸化ゲルマニウム (r-GeO₂) は、両極性ドープ性、高いキャリア移動度、高い熱伝導率などの優れた特性により、将来の高出力エレクトロニクスの有望な候補です。本論文では、その幅広い用途に焦点を当て、r-GeO₂ およびその他のルチル構造酸化物 (SnO₂-GeO₂-SiO₂) に基づく UWBG 合金系を提案し、実験と 第一原理計算に基づいて電子構造と電気的性質を明らかにします。実験的に、Ge 組成 (x) の全範囲を持つ (001) 配向の r-Ge_xSn_1−xO₂ 合金薄膜を、ミスト化学気相成長法によって成長させました。構造特性は、作製された x ≦0.96 の r-Ge_xSn_1−xO₂ 合金膜と x = 1.00 の膜のよく結晶化された部分が、均一な化学組成と r-TiO₂ (001) 基板との同じエピタキシャル関係を持っていることを示しています。透過型電子顕微鏡観察により、面内格子不整合が比較的小さいため、r-Ge_0.66Sn_0.34O₂ には転位がほとんどないことが明らかになりました。対照的に、r-Ge_0.96Sn_0.04O₂ では膜/基板界面付近に多くの転位が観察されます。 a軸とc軸の両方に沿った合金の格子定数は、Ge組成の増加とともに減少します。それらのバンドギャップは、分光エリプソメトリ分析によって決定され(3.81 – 4.44 eV)、1.2 eVのbowingパラメータでGe組成が増加するにつれてバンドギャップが増加することを示しています。計算によって得られた格子定数の値とバンドギャップ遷移の傾向は、実験的に得られたものとよく一致しています。次に、r-Ge_xSn_1−xO₂ および r-Ge_xSi_1−xO₂ 合金の計算された自然バンド配列を提示し、r-GeO₂ および Ge リッチ r-Ge_xSn_1−xO₂ における p 型ドーピングの可能性と、r-SiO₂ の他のルチル構造デバイスのブロッキング層としての Si リッチ r-Ge_xSi_1−xO₂の利用可能性を示唆しました。最後に、電気測定により、r-Ge_xSn_1−xO₂ (x ⩽ 0.57) の n 型導電率が示されました。

Band-gap engineering of rutile-structured SnO_2-GeO₂-SiO₂ alloy system Hitoshi Takane ,1,2,* Yuichi Ota ,3 Takeru Wakamatsu,1 Tsutomu Araki,4 Katsuhisa Tanaka,1 and Kentaro Kaneko 2,5,6,7PHYSICAL REVIEW MATERIALS 6,　084604(2022)

本研究の一部は科研費（21H01811）の助成を受けました。HTはJST科学技術イノベーション創出に向けた大学フェローシップ創設事業（JPMJFS2123）の助成に感謝します