[論文レビュー] Realizing Chemical Codoping in Oxide Semiconductors

Fang Wang, Yilin Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2013

Semiconductor materials and devices被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、窒素（N）を最初に、次にリン（P）を追加する逐次化学共ドーピング戦略をTiO2に適用し、同時にバンドギャップの縮小とバンド端の調整を実現した。この手法により、N–P結合の形成によってバンドギャップが3.0 eVから1.8 eVに低下し、複数の特性評価手法で確認された。本手法は酸化物半導体のオプトエレクトロニクス応用における性能向上に実用的かつ有効な道筋を提供する。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally a chemical codoping approach that would simultaneously narrow the band gap and control the band edge positions of oxide semiconductors. Using TiO2 as an example, we show that a sequential doping scheme with nitrogen (N) leading the way, followed by phosphorous (P), is crucial for the incorporation of both N and P into the anion sites. Various characterization techniques confirm the formation of the N-P bonds, and as a consequence of the chemical codoping, the band gap of the TiO2 is reduced from 3.0 eV to 1.8 eV. The realization of chemical codoping could be an important step forward in improving the general performance of electronic and optoelectronic materials and devices.

研究の動機と目的

• 酸化物半導体において、バンドギャップの縮小とバンド端位置の制御を同時に達成する課題に対処すること。
• 単一元素ドーピングの限界を克服すること。単一ドーピングは、しばしば深レベル欠陥や十分なバンドギャップの縮小を招くことがある。
• 酸化物の陰イオンサイトに複数のドーパントを安定して取り込むことができる化学的共ドーピング戦略を開発すること。
• N–P結合の形成とその電子構造への影響を実験的に検証すること。
• TiO2におけるオプトエレクトロニクス性能を向上させる実用的で逐次的なドーピングプロセスを示すこと。

提案手法

• Nを最初に、次にPを追加する逐次ドーピングプロセスを採用し、TiO2の陰イオンサイトへの共挿入を促進した。
• 相分離を防ぎ、合成中にN–P結合の形成を促進するために、逐次的手法が設計された。
• ドーパントの挿入と結合状態の確認のために、XPS、XRD、UV-Vis分光法などの複数の特性評価手法が用いられた。
• バンドギャップの低下はUV-Vis吸収分光法を用いて定量され、Taucプロット解析により光学的バンドギャップ値が抽出された。
• 理論的解析により、アナターゼ相TiO2におけるN–P共ドーピングの形成エネルギーが有利であることが示された。
• 高い固溶度と欠陥生成の最小限化を確保するため、合成プロセスが最適化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiO2におけるNとPの逐次的化学的共ドーピングは、バンドギャップの縮小と制御されたバンド端の整列を両立できるか？
• RQ2 ドーピング順序が、NとPの陰イオンサイトへの共挿入を可能にする役割は何か？
• RQ3 N–P結合は、TiO2の電子構造および光学的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 N–P結合の形成を信頼性高く確認できる実験的手法は何か？
• RQ5 この共ドーピング戦略によって、TiO2のバンドギャップはどの程度まで低減できるか？

主な発見

• Nを最初に、次にPをドーピングする逐次共ドーピングにより、両ドーパントがTiO2の陰イオン格子に共挿入されたことが成功した。
• X線フォトンエミッション分光法（XPS）により、N–P結合の形成が確認され、ドーパント間の化学的相互作用が示された。
• TiO2の光学的バンドギャップは3.0 eVから1.8 eVに低下し、1.2 eVの顕著な縮小が達成された。
• UV-Vis分光法により、バンドギャップの低下に起因する可視光領域への吸収増加が観察された。
• 共ドーピングされたTiO2は、太陽光エネルギー応用を想定した優れたオプトエレクトロニクス特性を示した。
• 本手法は、広帯ギャップ酸化物半導体におけるバンド構造の工学的設計に実用的かつ有効な道筋を提供する。