[論文レビュー] Electronic Structure of Amorphous Copper Iodide: A p-type Transparent Semiconductor

Zhaofu Zhang, Yuzheng Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2020

Copper-based nanomaterials and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ab-initio分子動力学およびハイブリッド関数法を用いて、非晶状酸化銅インジウム（a-CuI）が低い正孔有効質量を持つランダムな四面体ネットワークを形成することを示した。価電子帯最大値は、I(p)-Cu(t2g)-I(p)の混合性を示し、不規則性に対して安定している。ヨウ素過剰によりフェルミ準位は価電子帯内にシフトするが、ピン留めされない。これにより、効果的なp型ドーピングが可能となり、a-CuIは透明p型半導体として有望である。

ABSTRACT

The atomic and electronic structure of the p-type transparent amorphous semiconductor CuI is calculated by ab-initio molecular dynamics. It is found to consist of a random tetrahedrally bonded network. The hole effective mass is found to be quite low, as in the crystal. The valence band maximum (VBM) state has a mixed I(p)-Cu(t2g)-I(p) character, and its energy is relatively insensitive to disorder. An iodine excess creates holes that move the Fermi level into the valence band, but it does not pin the Fermi level above the VBM mobility edge. Thus the Fermi level can easily enter the valence band if p-doped, similar to the behavior of electrons in In-Ga-Zn oxide semiconductors but opposite to that of electrons in a-Si:H. This suggests that amorphous CuI could make an effective p-type transparent semiconductor.

研究の動機と目的

• 非晶状CuIの電子構造を、潜在的なp型透明半導体として調査すること。
• 結晶状CuIの正孔移動度が非晶状相でも保持されるかどうかを特定すること。
• 非晶状シリコン酸化水素（a-Si:H）とは異なり、a-CuIにおけるフェルミ準位が移動度ギャップ内でピン留めされない理由を理解すること。
• ヨウ素過剰がp型行動を促進するメカニズムと、フェルミ準位ピン留めを回避する役割を調査すること。

提案手法

• 亜鉛鉛型CuIのスーパセルからa-CuI構造を生成するために、GGA+U（U = 4.8 eV）を用いたab-initio分子動力学（MD）を用いた。
• MDプロセスでは、2000 Kでアニールし4 ps後に10 K/psの速度で急速冷却して非晶化を誘導した。
• 構造的緩和はGGA+Uを用いて実施し、力収束基準（<0.02 eV/Å）およびエネルギー収束基準（<10−5 eV/原子）を達成した。
• バンドギャップを正確に補正するために、HSEおよびSXハイブリッド関数法を用いた電子構造計算を実施した。33%のハートリー・フォック交換を用い、実験的バンドギャップ3.1 eVと一致させた。
• 部分状態密度（PDOS）および波動関数解析を用いて、価電子帯最大値および欠陥状態を特徴づけた。
• p型ドーピング条件下でのフェルミ準位挙動を調査するために、ヨウ素過剰モデル（Cu44I46）を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非晶状CuIは、結晶状と同様に低い正孔有効質量と高い移動度を維持できるか？
• RQ2 a-CuIにおける価電子帯最大値の電子的性質は何か？ また、構造的不規則性に対してどれほど安定しているか？
• RQ3 非晶状シリコン酸化水素（a-Si:H）とは異なり、a-CuIにおけるフェルミ準位が移動度ギャップ内でピン留めされないのはなぜか？
• RQ4 ヨウ素過剰は、フェルミ準位の位置とa-CuIにおけるp型ドーピングの可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 径関数解析により、非晶状CuIネットワークが顕著なCu-Cuクラスタリングを示さないランダムな四面体結合構造を形成していることが確認された。
• 価電子帯最大値の正孔有効質量は、結晶状CuIと同様に低く保たれ、これは価電子帯最大値の拡散性に起因する。
• a-CuIにおける価電子帯最大値（VBM）状態は、I(p)-Cu(t2g)-I(p)の混合性を示し、構造的不規則性に対して相対的に感度が低い。
• ヨウ素過剰により正孔が導入され、フェルミ準位が移動度ギャップの上にあるがピン留めされないため、効果的なp型ドーピングが可能になる。
• pドーピングによりフェルミ準位が容易に価電子帯内にシフトする。これは、In-Ga-Zn酸化物半導体における電子輸送と類似しているが、a-Si:Hとは逆の挙動である。
• VBM状態の波動関数は、IおよびCu原子を横断的に拡散しており、非晶状相における良好な正孔輸送特性を示している。