JP2017222549A - N-type semiconductor material, p-type semiconductor material, and semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＴｉとＭｇとＮとの化合物を含む半導体材料、および、その用途に関する。詳細には、本発明は、伝導型を制御した、ＴｉＭｇＮ２を含むｎ型半導体材料、ｐ型半導体材料およびこれらの用途に関する。 The present invention relates to a semiconductor material containing a compound of Ti, Mg, and N and its use. Specifically, the present invention relates to an n-type semiconductor material containing TiMgN 2 having a controlled conductivity, a p-type semiconductor material, and applications thereof.
シリコン（Ｓｉ）は、豊富な資源、良質な単結晶が得られることから元素半導体として利用されるが、耐熱性に劣るため、約１２０℃以上の温度での使用が難しい。また、Ｓｉに代替する半導体として種々の化合物半導体が開発され、電子デバイス、光デバイス等に利用されている。例えば、化合物半導体としてＧａＡｓ化合物半導体は、太陽電池に応用されているが、原料が高価であるため、コストパフォーマンスに優れていない。このように代替する半導体材料が常に求められている。 Silicon (Si) is used as an elemental semiconductor because abundant resources and high-quality single crystals are obtained, but it is difficult to use at a temperature of about 120 ° C. or higher because of poor heat resistance. In addition, various compound semiconductors have been developed as semiconductors to replace Si and are used in electronic devices, optical devices, and the like. For example, a GaAs compound semiconductor as a compound semiconductor is applied to a solar cell, but its cost performance is not excellent because the raw material is expensive. There is always a need for alternative semiconductor materials.
一方、Ｌ１１構造をとるＴｉＭｇＮ２で表される化合物が半導体となることが報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。しかしながら、このような化合物を実用的な半導体素子に応用するためには、化合物の伝導型を制御する必要がある。 On the other hand, it has been reported that a compound represented by TiMgN 2 having an L1 1 structure is a semiconductor (see, for example, Non-Patent Document 1). However, in order to apply such a compound to a practical semiconductor element, it is necessary to control the conductivity type of the compound.
以上より、本発明の課題は、ＴｉとＭｇとＮとからなり、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物を含むｎ型半導体材料、ｐ型半導体材料、および、その用途を提供することである。 As described above, an object of the present invention is to provide an n-type semiconductor material, a p-type semiconductor material, which includes Ti, Mg, and N and includes a compound represented by TiMgN 2 , and uses thereof.
本発明によるＴｉとＭｇとＮとからなる化合物を含むｎ型半導体材料は、前記化合物は、一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、前記化合物は、Ｌ１１の結晶構造を有し、前記化合物は、前記Ｎの一部が欠損した窒素空孔を有し、これにより上記課題を解決する。
前記窒素空孔の濃度は、１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲であってもよい。
前記化合物は、基板上に位置したエピタキシャル膜であってもよい。
前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−ＳｉＣからなる群から選択されてもよい。
本発明によるＴｉとＭｇとＮとからなる化合物を含むｐ型半導体材料は、前記化合物は、一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、前記化合物は、Ｌ１１の結晶構造を有し、前記化合物は、前記Ｔｉおよび／または前記Ｍｇの一部が欠損した金属空孔を有し、これにより上記課題を解決する。
前記金属空孔の濃度は、１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲であってもよい。
前記化合物は、基板上に位置したエピタキシャル膜であってもよい。
前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−ＳｉＣからなる群から選択されてもよい。
本発明による少なくともｎ型半導体材料とｐ型半導体材料とを備えた半導体素子は、前記ｎ型半導体材料は、上述のｎ型半導体材料であり、かつ／または、前記ｐ型半導体材料は、上述のｐ型半導体材料であり、前記ｎ型半導体材料と前記ｐ型半導体材料とはｐｎ接合を形成しており、これにより上記課題を解決する。
前記半導体素子は、太陽電池または受光センサーであってもよい。
In an n-type semiconductor material including a compound of Ti, Mg, and N according to the present invention, the compound is represented by the general formula TiMgN 2 , and the compound has a crystal structure of L1 1 , It has nitrogen vacancies in which a part of N is missing, thereby solving the above problem.
The concentration of the nitrogen vacancies may be in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 .
The compound may be an epitaxial film located on the substrate.
The substrate may be selected from the group consisting of GaN, AlN, 6H—SiC, and 4H—SiC.
In the p-type semiconductor material including a compound of Ti, Mg, and N according to the present invention, the compound is represented by the general formula TiMgN 2 , and the compound has a crystal structure of L1 1 , It has metal vacancies in which a part of Ti and / or Mg is missing, thereby solving the above problem.
The concentration of the metal vacancies may be in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 .
The compound may be an epitaxial film located on the substrate.
The substrate may be selected from the group consisting of GaN, AlN, 6H—SiC, and 4H—SiC.
In a semiconductor device comprising at least an n-type semiconductor material and a p-type semiconductor material according to the present invention, the n-type semiconductor material is the above-described n-type semiconductor material and / or the p-type semiconductor material is the above-described n-type semiconductor material. It is a p-type semiconductor material, and the n-type semiconductor material and the p-type semiconductor material form a pn junction, thereby solving the above problem.
The semiconductor element may be a solar cell or a light receiving sensor.
本発明によるｎ型半導体材料およびｐ型半導体材料は、一般式ＴｉＭｇＮ２で表される化合物を含む。このような化合物は、高価な元素を含まないので、半導体材料を安価に提供できる。また砒素やリンのような毒性のある元素を含まない。さらに、本発明によるｎ型半導体材料およびｐ型半導体材料における化合物は、Ｌ１１の結晶構造を有し、各構成元素が層状に配列しているので、原子レベルでの各層の製造・制御が容易であり、現実的に作製可能である。また、本発明によるｎ型半導体材料およびｐ型半導体材料は、複雑なドーピングをすることなく、単に構成元素を欠損させ、空孔を形成するだけで、伝導型が制御されるので、製造時の複雑な制御を不要とし、これらのｐｎ接合も容易に製造できるので、ｐｎ接合を利用した太陽電池や受光センサー等の半導体素子に有利である。 The n-type semiconductor material and the p-type semiconductor material according to the present invention include a compound represented by the general formula TiMgN 2 . Since such a compound does not contain an expensive element, a semiconductor material can be provided at a low cost. It does not contain toxic elements such as arsenic and phosphorus. Furthermore, the compounds in the n-type semiconductor material and p-type semiconductor material according to the invention have a L1 1 crystal structure, since the respective elements are arranged in a layered manner, easily manufactured and controlled in each layer at the atomic level And can be produced realistically. In addition, the n-type semiconductor material and the p-type semiconductor material according to the present invention can control the conductivity type by simply losing the constituent elements and forming vacancies without complicated doping. Since complicated control is not required and these pn junctions can be easily manufactured, it is advantageous for a semiconductor element such as a solar cell or a light receiving sensor using the pn junction.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明のｎ型／ｐ型半導体材料およびその製造方法について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an n-type / p-type semiconductor material of the present invention and a manufacturing method thereof will be described.
図１は、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物の結晶構造を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a crystal structure of a compound represented by TiMgN 2 .
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料は、ＴｉとＭｇとＮとからなる化合物を含み、この化合物は、一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、図１に示す結晶構造を有する。図１によればＴｉ原子が白で示され、Ｍｇが黒で示され、Ｎ原子が灰色で示され、Ｌ１１の結晶構造を有する。 The n-type / p-type semiconductor material of the present invention includes a compound composed of Ti, Mg, and N. This compound is represented by the general formula TiMgN 2 and has a crystal structure shown in FIG. According to Figure 1 Ti atoms are shown in white, Mg is shown in black, the N atom shown in gray, with a L1 1 crystal structure.
本願発明者らは、このようなＴｉＭｇＮ２で表される化合物において、単に構成元素を欠損させるだけで、ｎ型あるいはｐ型の伝導型を制御できることを見出し、本発明に至った。 The inventors of the present application have found that in such a compound represented by TiMgN 2 , the n-type or p-type conductivity can be controlled simply by losing a constituent element, and the present invention has been achieved.
（ｉ）ｎ型半導体材料
本発明のｎ型半導体材料は、上述のＴｉＭｇＮ２で表される化合物を含むが、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物において、Ｎの一部が欠損した窒素空孔（欠陥）を有することを特徴とする。本願発明者らは、このような窒素空孔を意図的に形成することにより、ドナーレベルを形成し、電子（キャリア）を生成させることができ、ｎ型半導体材料として機能し得ることを見出した。
(I) n-type semiconductor material The n-type semiconductor material of the present invention includes the compound represented by TiMgN 2 described above, but in the compound represented by TiMgN 2 , nitrogen vacancies (defects in which a part of N is missing) ). The inventors of the present application have found that by intentionally forming such nitrogen vacancies, a donor level can be formed, electrons (carriers) can be generated, and this can function as an n-type semiconductor material. .
窒素空孔の濃度は、好ましくは、１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲である。窒素空孔の濃度が１×１０１５／ｃｍ３より小さい場合、十分なキャリアが生成せず、ｎ型半導体として機能し得ない。窒素空孔の濃度が１×１０２０／ｃｍ３を超えると、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物の結晶構造が維持できず、良質な化合物が得られない恐れがある。
The concentration of nitrogen vacancies is preferably in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 . When the concentration of nitrogen vacancies is smaller than 1 × 10 15 / cm 3 , sufficient carriers are not generated and the semiconductor cannot function as an n-type semiconductor. If the concentration of nitrogen vacancies exceeds 1 × 10 20 / cm 3 , the crystal structure of the compound represented by TiMgN 2 cannot be maintained, and a high-quality compound may not be obtained.
（ｉｉ）ｐ型半導体材料 本発明のｐ型半導体材料は、上述のＴｉＭｇＮ２で表される化合物を含むが、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物において、Ｔｉおよび／またはＭｇの一部が欠損した金属空孔（欠陥）を有することを特徴とする。本願発明者らは、このような金属空孔を意図的に形成することにより、アクセプタレベルを形成し、正孔（キャリア）を生成させることができ、ｐ型半導体材料として機能し得ることを見出した。 (Ii) p-type semiconductor material The p-type semiconductor material of the present invention contains the compound represented by TiMgN 2 described above, but in the compound represented by TiMgN 2 , a metal in which a part of Ti and / or Mg is deficient. It has a hole (defect). The inventors of the present application have found that, by intentionally forming such metal vacancies, acceptor levels can be formed, holes (carriers) can be generated, and they can function as p-type semiconductor materials. It was.
金属空孔の濃度は、好ましくは、１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲である。金属空孔の濃度が１×１０１５／ｃｍ３より小さい場合、十分なキャリアが生成せず、ｐ型半導体として機能し得ない。金属空孔の濃度が１×１０２０／ｃｍ３を超えると、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物の結晶構造が維持できず、良質な化合物が得られない恐れがある。 The concentration of metal vacancies is preferably in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 . When the concentration of metal vacancies is smaller than 1 × 10 15 / cm 3 , sufficient carriers are not generated and the semiconductor cannot function as a p-type semiconductor. If the concentration of metal vacancies exceeds 1 × 10 20 / cm 3 , the crystal structure of the compound represented by TiMgN 2 cannot be maintained, and a high-quality compound may not be obtained.
なお、窒素空孔あるいは金属空孔の濃度は、例えば、電子顕微鏡等により測定することができる。
The concentration of nitrogen vacancies or metal vacancies can be measured by, for example, an electron microscope.
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料は、基板をさらに備え、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物が基板上に位置するエピタキシャル膜であってもよい。より好ましくは、基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−ＳｉＣからなる群から選択される。これらの基板は、いずれも、六方晶系の結晶構造を有しており、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物が、これら基板のｃ面に対してエピタキシャル成長できる。特に、４Ｈ−ＳｉＣであれば、格子定数のミスマッチが１．９％以下であるため、エピタキシャル成長をさせやすいので有利である。このとき、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物は、Ｎ層／Ｍｇ層／Ｔｉ層／Ｎ層を繰り返し単位として、ｚ軸方向に成長し得る。 The n-type / p-type semiconductor material of the present invention may be an epitaxial film that further includes a substrate and in which the compound represented by TiMgN 2 is located on the substrate. More preferably, the substrate is selected from the group consisting of GaN, AlN, 6H—SiC and 4H—SiC. These substrates all have a hexagonal crystal structure, and a compound represented by TiMgN 2 can be epitaxially grown on the c-plane of these substrates. In particular, 4H—SiC is advantageous because the lattice constant mismatch is 1.9% or less, which facilitates epitaxial growth. At this time, the compound represented by TiMgN 2 can grow in the z-axis direction using N layer / Mg layer / Ti layer / N layer as a repeating unit.
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料において、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物は、高価な元素を含まないので、安価に提供できる。 In the n-type / p-type semiconductor material of the present invention, the compound represented by TiMgN 2 does not contain an expensive element and can be provided at a low cost.
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料において、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物は、好ましくは、バンドギャップＥｇが１．０ｅＶ以上１．７ｅＶ以下の範囲を有する。これにより、理想的な太陽電池および受光センサーとなるので、有利である。 In the n-type / p-type semiconductor material of the present invention, the compound represented by TiMgN 2 preferably has a band gap Eg of 1.0 eV or more and 1.7 eV or less. This is advantageous because it is an ideal solar cell and light receiving sensor.
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料において、ＴｉＭｇＮ２で表される化合物は、間接遷移半導体である。このような間接遷移半導体において、単に、窒素空孔あるいは金属空孔を生成するだけで、伝導型の制御を達成できる。 In the n-type / p-type semiconductor material of the present invention, the compound represented by TiMgN 2 is an indirect transition semiconductor. In such an indirect transition semiconductor, conduction type control can be achieved simply by generating nitrogen vacancies or metal vacancies.
次に、本発明のｎ型／ｐ型半導体材料の例示的な製造方法について説明する。 Next, an exemplary method for manufacturing the n-type / p-type semiconductor material of the present invention will be described.
例示的には、パルスレーザ蒸着法（ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ）、熱蒸着法、分子線エピタキシー法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、スパッタリング法、化学気相蒸着法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）、金属有機物化学気相蒸着法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、および、原子層蒸着法（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）からなる群から選択される方法が採用される。中でも、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤおよびＡＬＤは、原子層レベルで制御できるため、好ましい。 Illustratively, pulse laser deposition (PLD), thermal deposition, molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, chemical vapor deposition (CVD), metal A method selected from the group consisting of organic-chemical vapor deposition (MOCVD) and atomic layer deposition (ALD) is employed. Among these, MBE, MOCVD, and ALD are preferable because they can be controlled at the atomic layer level.
ここでは、簡単のため、本発明のｎ型／ｐ型半導体材料が、基板を備えたＴｉＭｇＮ２で表される化合物からなる薄膜であり、ＭＢＥによって製造される場合を例示する。 Here, for the sake of simplicity, the case where the n-type / p-type semiconductor material of the present invention is a thin film made of a compound represented by TiMgN 2 provided with a substrate and is manufactured by MBE is illustrated.
少なくとも、ＴｉソースおよびＭｇソースそれぞれの金属供給源と、窒素ラジカルを供給できるラジカルガンと、基板加熱可能な成長室とを備えたＭＢＥチャンバ内に基板を配置する。基板は、好ましくは、上述したＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−ＳｉＣからなる群から選択され、ｃ面である。チャンバ内を所定の圧力（例えば、１０−１０Ｔｏｒｒ）に維持し、基板を加熱（例えば、８００℃）する。 The substrate is placed in an MBE chamber having at least a metal source of each of a Ti source and an Mg source, a radical gun capable of supplying nitrogen radicals, and a growth chamber capable of heating the substrate. The substrate is preferably selected from the group consisting of GaN, AlN, 6H—SiC and 4H—SiC as described above and is c-plane. The inside of the chamber is maintained at a predetermined pressure (for example, 10 −10 Torr), and the substrate is heated (for example, 800 ° C.).
（１）ＴｉソースからＴｉを供給、停止し、基板上にＴｉ層を形成する。
（２）ラジカルガンから窒素ラジカルを供給し、停止し、Ｔｉ層上にＮ層を形成する。
（３）ＭｇソースからＭｇを供給、停止し、Ｎ／Ｔｉ層上にＭｇ層を形成する。
（４）ラジカルガンから窒素ラジカルを供給し、停止し、Ｍｇ／Ｎ／Ｔｉ層上にＮ層を形成する。
この（１）〜（４）の工程を繰り返すことにより、原子層レベルで制御されたＴｉＭｇＮ２で表される化合物からなる薄膜を基板上にエピタキシャル成長させることができる。
(1) Supply and stop Ti from the Ti source, and form a Ti layer on the substrate.
(2) Supply nitrogen radicals from a radical gun, stop, and form an N layer on the Ti layer.
(3) Supply and stop Mg from the Mg source to form an Mg layer on the N / Ti layer.
(4) Supply nitrogen radicals from the radical gun, stop, and form an N layer on the Mg / N / Ti layer.
By repeating the steps (1) to (4), a thin film made of a compound represented by TiMgN 2 controlled at the atomic layer level can be epitaxially grown on the substrate.
ここで、ｎ型半導体材料を得たい場合には、工程（２）および（４）において、供給量を制御すれば、Ｎを欠損させることができるので、窒素空孔を形成することができる。 Here, when it is desired to obtain an n-type semiconductor material, N can be lost by controlling the supply amount in the steps (2) and (4), so that nitrogen vacancies can be formed.
同様に、ｐ型半導体材料を得たい場合には、工程（１）および／または（３）において、供給量を制御すれば、Ｔｉおよび／またはＭｇを欠損させることができるので、金属空孔を形成することができる。 Similarly, when it is desired to obtain a p-type semiconductor material, Ti and / or Mg can be lost by controlling the supply amount in steps (1) and / or (3). Can be formed.
このような原料の供給量は、例えば、ビームフラックスモニター（ＢＦＭ）などにより測定することによって、制御できる。 The supply amount of such a raw material can be controlled by measuring with, for example, a beam flux monitor (BFM).
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料は、ドーパントを添加することなく、単に構成元素を欠損させるだけで伝導型を制御できるので、ドーパントを所定の格子サイトに導入する複雑な制御を不要とできる。また、ドーパントを用いないので、同じチャンバを用いて、本発明のｎ型半導体材料上にｐ型半導体材料を連続的に製造し、ｐｎ接合を形成する場合であっても、ドーパントによる半導体材料の汚染を生じることはなく、プロセスが簡略化され有利である。 Since the n-type / p-type semiconductor material of the present invention can control the conduction type by simply losing the constituent elements without adding a dopant, complicated control for introducing the dopant into a predetermined lattice site can be eliminated. . In addition, since no dopant is used, even when a p-type semiconductor material is continuously manufactured on the n-type semiconductor material of the present invention and a pn junction is formed using the same chamber, Contamination does not occur and the process is simplified and advantageous.
（実施の形態２）
次に、実施の形態１で説明した本発明のｎ型半導体材料および／またはｐ型半導体材料を用いた半導体素子について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor element using the n-type semiconductor material and / or p-type semiconductor material of the present invention described in Embodiment Mode 1 will be described.
本発明の半導体素子は、実施の形態１で説明したｎ型半導体材料および／またはｐ型半導体材料を用い、ｐｎ接合を形成している。このような半導体素子には、代表的には、太陽電池、受光センサーがあり得る。 In the semiconductor element of the present invention, the pn junction is formed using the n-type semiconductor material and / or the p-type semiconductor material described in the first embodiment. Such a semiconductor element typically includes a solar cell and a light receiving sensor.
図２は、本発明の半導体素子として太陽電池を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic view showing a solar cell as the semiconductor element of the present invention.
本発明の太陽電池２００は、導電性を持つ透明基板２１０と、その上に設けられた本発明のｐ型半導体材料２２０と、ｐ型半導体材料２２０上に設けられた本発明のｎ型半導体材料２３０と、ｎ型半導体材料２３０上に設けられた金属電極２４０とを備える。ｐ型半導体材料２２０とｎ型半導体材料２３０とは、ｐｎ接合を形成している。 The solar cell 200 of the present invention includes a transparent substrate 210 having conductivity, a p-type semiconductor material 220 of the present invention provided thereon, and an n-type semiconductor material of the present invention provided on the p-type semiconductor material 220. 230 and a metal electrode 240 provided on the n-type semiconductor material 230. The p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230 form a pn junction.
透明基板２１０は、透光性のある任意の導電基板を用いることができ、例示的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣおよび４Ｈ−ＳｉＣ等の格子が整合する導電基板であり得る。 As the transparent substrate 210, any conductive substrate having a light transmitting property can be used. For example, the transparent substrate 210 may be a conductive substrate in which lattices such as GaN, AlN, 6H—SiC, and 4H—SiC are matched.
ｐ型半導体材料２２０およびｎ型半導体材料２３０は、実施の形態１で詳述したとおりであるため、説明を省略する。金属電極２４０は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ等であり得る。 Since the p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230 are as described in detail in the first embodiment, description thereof is omitted. The metal electrode 240 may be Al, Cu, Ni, Ti, Pt, or the like.
このような太陽電池２００の動作原理を説明する。ｐｎ接合の接合部付近では、ｐ型半導体材料２２０のキャリアである正孔と、ｎ型半導体材料２３０のキャリアである電子とが互いに拡散した空乏層を生じる。太陽電池２００の透明基板２１０側から光が照射されると、光は、ｐ型半導体材料２２０を透過し、ｐｎ接合の接合部、次いで、ｎ型半導体材料２３０にも入射する。 The operation principle of such a solar cell 200 will be described. In the vicinity of the junction of the pn junction, a depletion layer is generated in which holes that are carriers of the p-type semiconductor material 220 and electrons that are carriers of the n-type semiconductor material 230 are diffused. When light is irradiated from the transparent substrate 210 side of the solar cell 200, the light passes through the p-type semiconductor material 220 and is incident on the junction of the pn junction and then the n-type semiconductor material 230.
このような光の照射により、価電子帯にいる電子は励起され、伝導電子となり、電流を流すキャリアとなる。同時に、電子の抜けた箇所が正孔となり、同じく電流を流すキャリアとなる。空乏層内に生成されたこれらキャリアは、正孔はｐ型半導体材料２２０へ、電子はｎ型半導体材料２３０へと引き寄せられる。この結果、ｐ型半導体材料２２０とｎ型半導体材料２３０との間に起電力を発生する。このようにして、本発明の太陽電池２００は、光エネルギーを電力に変換し得る。 By such light irradiation, electrons in the valence band are excited, become conduction electrons, and become carriers that carry current. At the same time, the holes from which electrons have been removed become holes, which also serve as carriers through which current flows. These carriers generated in the depletion layer attract holes to the p-type semiconductor material 220 and electrons to the n-type semiconductor material 230. As a result, an electromotive force is generated between the p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230. Thus, the solar cell 200 of the present invention can convert light energy into electric power.
本発明の太陽電池２００は、例示的には、透明基板２１０上に、実施の形態１で説明したｐ型半導体材料２２０およびｎ型半導体材料２３０を形成し、次いで、再度電極形成技術により金属電極２４０を形成することによって製造される。 In the solar cell 200 of the present invention, for example, the p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230 described in Embodiment 1 are formed on the transparent substrate 210, and then a metal electrode is again formed by an electrode formation technique. Manufactured by forming 240.
なお、受光センサーも太陽電池２００と同様の構造を有する。ｐ型半導体材料２２０とｎ型半導体材料２３０とのｐｎ接合の接合部近傍に、ｐ型半導体材料２２０およびｎ型半導体材料２３０の禁制帯幅よりも大きなエネルギーを有する光（例えば、１０００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長の光）が照射されると、キャリアが生成され、光電流が流れる。したがって、本発明による受光センサーは、１０００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長を有する赤外光を検出するセンサーとして機能し得る。 The light receiving sensor has the same structure as that of the solar cell 200. Light having energy larger than the forbidden band width of the p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230 (for example, 1000 nm or more and 1200 nm or less) in the vicinity of the pn junction between the p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230 When light of a wavelength of () is irradiated, carriers are generated and a photocurrent flows. Therefore, the light receiving sensor according to the present invention can function as a sensor that detects infrared light having a wavelength of 1000 nm to 1200 nm.
図２を参照して、半導体素子２００におけるｐ型半導体材料２２０およびｎ型半導体材料２３０が、いずれも、実施の形態１で説明した本発明のｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料である場合を説明してきたが、本発明の半導体素子２００はこれに限らない。例えば、半導体素子２００のｐ型半導体材料２２０が、本発明のｐ型半導体材料であり、半導体素子２００のｎ型半導体材料２３０は、例えば、酸素、スカンジウム、バナジウム等のｎ型ドーパントを含むＴｉＭｇＮ２であってもよいし、リンをドープしたシリコン等の既存のｎ型半導体材料であってもよい。あるいは、半導体素子２００のｎ型半導体材料２３０が、本発明のｎ型半導体材料であり、半導体素子２００のｐ型半導体材料２２０は、例えば、炭素、ナトリウム、スカンジウム等のｐ型ドーパント（条件によってはｎ型となる場合もあり得る）を含むＴｉＭｇＮ２であってもよいし、ボロンをドープしたシリコン等の既存のｐ型半導体材料であってもよい。しかしながら、ドーパントや異なる構成元素による半導体材料の汚染の懸念がなく、プロセスが簡略化されることから、ｐ型半導体材料２２０およびｎ型半導体材料２３０ともに本発明のｐ型半導体材料およびｎ型半導体材料が好ましい。 Referring to FIG. 2, a case where p-type semiconductor material 220 and n-type semiconductor material 230 in semiconductor element 200 are both the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material of the present invention described in the first embodiment. Although described, the semiconductor element 200 of the present invention is not limited to this. For example, the p-type semiconductor material 220 of the semiconductor element 200 is the p-type semiconductor material of the present invention, and the n-type semiconductor material 230 of the semiconductor element 200 is, for example, TiMgN 2 containing an n-type dopant such as oxygen, scandium, or vanadium. It may be an existing n-type semiconductor material such as silicon doped with phosphorus. Alternatively, the n-type semiconductor material 230 of the semiconductor element 200 is the n-type semiconductor material of the present invention, and the p-type semiconductor material 220 of the semiconductor element 200 is a p-type dopant (for example, depending on conditions) such as carbon, sodium, and scandium. It may be TiMgN 2 , which may be n-type), or may be an existing p-type semiconductor material such as silicon doped with boron. However, since there is no concern about contamination of the semiconductor material due to dopants or different constituent elements, and the process is simplified, the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material of the present invention are used for both the p-type semiconductor material 220 and the n-type semiconductor material 230. Is preferred.
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.
［実施例１］
実施例１では、Ｌ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２について、結晶の全エネルギー、ならびに、各原子を１個欠損させた場合の状態密度を第一原理計算により算出した。本実施例で行った第一原理計算は、一般化密度勾配近似（ＧＣＡ）法を採用した密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づいて行われた。計算には、ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｗａｖｅ（ＰＡＷ）法を用いた。これら計算は使用したＰＨＡＳＥ／０パッケージ（例えば、Ｔ．Ｙａｍａｍｏｔｏら，Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ａ３７３，３９８９，２００９を参照）に含まれる。波動関数を最大３４０ｅＶ運動エネルギーカットオフまで平面波展開した。原子間力が２．５×１０−２ｅＶ／Åとなるまで、結晶構造モデルを完全に緩和した。なお、計算では、まず、ＴｉＮの格子定数（４．２４Å）用い、次いで、格子定数の値を、応力テンソルを用いて最適化した。結果を、図３〜図６および表１〜表３に示す。
[Example 1]
In Example 1, the TiMgN 2 having L1 1 crystal structure, the total energy of the crystal, as well as the density of states in the case where each atom is one defect was calculated by first-principles calculation. The first principle calculation performed in this example was performed based on density functional theory (DFT) employing a generalized density gradient approximation (GCA) method. For the calculation, a projector augmented wave (PAW) method was used. These calculations are included in the PHASE / 0 package used (see, eg, T. Yamamoto et al., Phys. Lett. A373, 3989, 2009). The wave function was expanded into a plane wave up to a maximum 340 eV kinetic energy cutoff. The crystal structure model was completely relaxed until the atomic force was 2.5 × 10 −2 eV / Ｖ. In the calculation, first, the lattice constant of TiN (4.24 cm) was used, and then the value of the lattice constant was optimized using a stress tensor. The results are shown in FIGS. 3 to 6 and Tables 1 to 3.
［比較例２］
比較例２では、実施例１と同様に、Ｌ１０の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２について、結晶の全エネルギーを第一原理計算により算出した。結果を図３および表１〜表２に示す。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, as in Example 1, the TiMgN 2 having a crystal structure of L1 0, the total energy of the crystal was calculated by first-principles calculation. The results are shown in FIG. 3 and Tables 1 and 2.
［比較例３］
比較例３では、実施例１と同様に、ＣＨの結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２について、結晶の全エネルギーを第一原理計算により算出した。結果を図３および表１〜表２に示す。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, as in Example 1, for TiMgN 2 having a CH crystal structure, the total energy of the crystal was calculated by the first principle calculation. The results are shown in FIG. 3 and Tables 1 and 2.
図３は、実施例／比較例１〜３のＴｉＭｇＮ２の結晶構造を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a crystal structure of TiMgN 2 in Examples / Comparative Examples 1 to 3.
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、実施例１のＬ１１の結晶構造、実施例２のＬ１０の結晶構造およびＣＨの結晶構造のＴｉＭｇＮ２の模式図を示す。図３中、Ｔｉ原子が白で示され、Ｍｇが黒で示され、Ｎ原子が灰色で示される。 Figure 3 (A) ~ (C) respectively show L1 1 of the crystal structure of Example 1, a schematic diagram of TiMgN 2 of the crystal structure of the crystal structure and CH of L1 0 Example 2. In FIG. 3, Ti atoms are shown in white, Mg is shown in black, and N atoms are shown in gray.
ブリルアンゾーン積分を、実施例１のＬ１１結晶構造の１２原子ブラベー格子については、８×８×４のｋ点を用いて、比較例２のＬ１０結晶構造の８原子ブラベー格子については、８×８×８のｋ点を用いて、比較例３のＣＨ結晶構造の１６原子ブラベー格子については、８×８×４のｋ点を用いて行った。 The Brillouin zone integration was performed using the 8 × 8 × 4 k point for the L1 1 crystal structure of the L1 1 crystal structure of Example 1, and 8 × 8 × 8 for the 8 atom Bravey lattice of the L1 0 crystal structure of Comparative Example 2. The 16-atom Bravay lattice of the CH crystal structure of Comparative Example 3 was used by using 8 × 8 × 4 k points using × 8 × 8 k points.
表１は、実施例／比較例１〜３の各結晶構造のＴｉＭｇＮ２の格子定数の一覧を示す。格子定数は、応力テンソルを用いて算出された。 Table 1 shows a list of lattice constants of TiMgN 2 having the crystal structures of Examples / Comparative Examples 1 to 3. The lattice constant was calculated using a stress tensor.
表２は、実施例／比較例１〜３の各結晶構造のＴｉＭｇＮ２の単位格子あたりの計算による全エネルギーの一覧を示す。表２では、実施例１のＬ１１の結晶構造のＴｉＭｇＮ２の全エネルギーに対する、比較例２および比較例３のそれらの結果を示す。表２によれば、Ｌ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２がもっともエネルギーが低いことが分かった。すなわち、一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、Ｌ１１の結晶構造を有する化合物が、もっとも安定であり、製造も容易であることが示された。さらに、図３（Ａ）に示されるように、Ｌ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２は、Ｎ層／Ｍｇ層／Ｔｉ層／Ｎ層を繰り返し単位とする層状構造であることから、エピタキシャル成長されることが示唆される。 Table 2 shows a list of total energies obtained by calculation per unit cell of TiMgN 2 of each crystal structure of Examples / Comparative Examples 1 to 3. Table 2 shows the results of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 with respect to the total energy of TiMgN 2 having the crystal structure of L1 1 of Example 1. According to Table 2, it was found that TiMgN 2 having the crystal structure of L1 1 has the lowest energy. That, is represented by the general formula TiMgN 2, compounds having the L1 1 of the crystal structure, the most stable, was shown to be produced is also easy. Furthermore, as shown in FIG. 3 (A), TiMgN 2 having L1 1 crystal structure, since a layered structure a repeating unit of the N layer / Mg layer / Ti layer / N layer is epitaxially grown It is suggested.
図４は、実施例１のＴｉＭｇＮ２の単純格子（ａ）、第１ブリルアンゾーン（ｂ）およびエネルギーバンド構造（ｃ）を示す図である。 4 is a diagram showing a simple lattice (a), a first Brillouin zone (b), and an energy band structure (c) of TiMgN 2 of Example 1. FIG.
菱面体晶である４原子からなる単純格子（図４（ａ））について、８×８×８のｋ点を用いてブリルアンゾーン積分を行った。ＧＧＡを用いてＬ１１結晶構造のＴｉＭｇＮ２のバンドギャップを算出した。この結果、図４（ｂ）および（ｃ）に示されるように、価電子帯の上端（ＶＢＭ）は、Γ＝（０，０，０）に見られ、伝導帯の下端（ＣＢＭ）は、Ｘ＝（０．５，０，−０．５）に見られた。このことから、Ｌ１１結晶構造のＴｉＭｇＮ２は、０．２７ｅＶのバンドギャップを有し、間接遷移半導体であることを確認した。また、ハイブリッド計算を用いて算出したバンドギャップの値から、本発明の半導体材料を受光センサーに用いた場合、１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの赤外光の受光センシングができることが分かった。 Brillouin zone integration was performed using a 8 × 8 × 8 k-point for a simple lattice of rhombohedral crystals consisting of 4 atoms (FIG. 4A). The band gap of TiMgN 2 having the L1 1 crystal structure was calculated using GGA. As a result, as shown in FIGS. 4B and 4C, the upper end (VBM) of the valence band is seen at Γ = (0,0,0), and the lower end (CBM) of the conduction band is X = (0.5, 0, −0.5). Therefore, TiMgN 2 of L1 1 crystal structure, has a band gap of 0.27 eV, was confirmed to be an indirect transition semiconductor. Further, from the band gap value calculated using hybrid calculation, it was found that when the semiconductor material of the present invention is used for a light receiving sensor, infrared light sensing of 1000 nm to 1200 nm can be performed.
図５は、実施例１の状態密度の算出に用いたＴｉＭｇＮ２の結晶構造を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the crystal structure of TiMgN 2 used for calculation of the density of states in Example 1.
実施例１では、図５に示すように、８６４個の原子含むＬ１１結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２を用いて、状態密度の算出を行った。状態密度の算出は、８６４個の原子のうち、１個のＴｉ原子、１個のＭｇ原子および１個のＮ原子をそれぞれ欠損させた場合の形成エネルギーを算出し、欠損による点欠陥（ＴｉまたはＭｇの金属空孔、あるいは、窒素空孔）の状態密度に及ぼす影響を調べた。 In Example 1, as shown in FIG. 5, using the TiMgN 2 having L1 1 crystal structure containing 864 atoms were calculated density of states. The density of states is calculated by calculating the formation energy when one Ti atom, one Mg atom, and one N atom are deficient among 864 atoms, and point defects (Ti or The effect on the density of states of Mg metal vacancies or nitrogen vacancies was investigated.
図６は、実施例１のＴｉＭｇＮ２の種々の場合の状態密度を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the density of states in various cases of TiMgN 2 of Example 1. FIG.
図６（ａ）は、上から、ＴｉＭｇＮ２が欠陥を有しない場合、Ｎ原子が１個欠損した場合、Ｔｉ原子が１個欠損した場合、および、Ｍｇ原子が１個欠損した場合の状態密度を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のフェルミレベル（ＥＦ）近傍を拡大して示す。ここで、ＥＦは、価電子帯の頂上であると規定した。 FIG. 6A shows, from above, the density of states when TiMgN 2 has no defect, when one N atom is lost, when one Ti atom is lost, and when one Mg atom is lost. FIG. FIG. 6B shows an enlarged view of the vicinity of the Fermi level (E F ) in FIG. Here, E F was defined as the top of the valence band.
ＴｉＭｇＮ２が欠陥を有しない場合の状態密度は、非特許文献１の結果に一致した。詳細には、ＥＦより下約１５ｅＶのエネルギーにおいて、窒素の２ｓ半内殻状態が見られ、ＥＦより下６．５ｅＶと０ｅＶとの間のエネルギーにおいて、結合状態が見られた。さらに、ＴｉＭｇＮ２が欠陥を有しない場合の状態密度によれば、ＴｉＮで見られる結合状態と非結合状態との重なりは、ＭｇがＴｉＮ中のＴｉと置換するにしたがって減少した。このことは、Ｌ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２が半導体であることを示唆する。 The density of states in the case where TiMgN 2 has no defect coincided with the result of Non-Patent Document 1. Specifically, in energy of approximately 15eV below E F, 2s half inner shell states of nitrogen is observed, the energy between the lower 6.5eV and 0eV than E F, the bonding state was observed. Furthermore, according to the density of states when TiMgN 2 has no defects, the overlap between the bonded state and the non-bonded state seen in TiN decreased as Mg replaced with Ti in TiN. This suggests that TiMgN 2 having the crystal structure of L1 1 is a semiconductor.
一方、図６（ｂ）によれば、ＴｉＭｇＮ２からＮ原子が１個欠損した場合、ＥＦが約０．４ｅＶ価電子帯側にシフトした。このことは、Ｎ原子の欠損によって、ドナーレベルが導入され、ＴｉＭｇＮ２はｎ型半導体材料となることを示す。 On the other hand, according to FIG. 6 (b), when the N atom from TiMgN 2 and one deficient, E F is shifted to approximately 0.4eV valence band side. This indicates that the donor level is introduced by the deficiency of N atoms, and TiMgN 2 becomes an n-type semiconductor material.
さらに、図６（ｂ）によれば、ＴｉＭｇＮ２からＴｉ原子またはＭｇ原子が１個欠損した場合、ＥＦが約０．２ｅＶ伝導帯側にシフトした。このことは、Ｔｉ原子、Ｍｇ原子の両方またはいずれか一方の欠損によって、アクセプタレベルが導入され、ＴｉＭｇＮ２はｐ型半導体材料となることを示す。 Furthermore, according to FIG. 6 (b), when the Ti atom or Mg atoms from TiMgN 2 and one deficient, E F is shifted to approximately 0.2eV conduction band. This indicates that an acceptor level is introduced by the deficiency of both Ti atoms and / or Mg atoms, and TiMgN 2 becomes a p-type semiconductor material.
また、図６（ｂ）から、Ｌ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２においてＴｉ、ＭｇおよびＮ欠損の状態数は、それぞれ、４、２および３と算出され、これらの値は、各元素の価数に等しいことが分かった。 Further, from FIG. 6 (b), the number of states of Ti, Mg and N deficient in TiMgN 2 having L1 1 of the crystal structure, respectively, are calculated as 4,2 and 3, these values, the valence of each element It turns out that it is equal to the number.
ここで、図５に示す実施例１のＬ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２超格子構造において、Ｎ原子が１個欠損した場合の窒素空孔の濃度は、１×１０２０／ｃｍ３であった。同様に、Ｔｉ原子が１個欠損した場合の金属空孔の濃度は、１×１０２０／ｃｍ３であり、Ｍｇ原子が１個欠損した場合の金属空孔の濃度は、１×１０２０／ｃｍ３であった。このことから、ＴｉＭｇＮ２における窒素空孔の濃度が１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲であれば、ｎ型半導体材料となり、ＴｉＭｇＮ２における金属空孔の濃度が１×１０１５／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下の範囲であれば、ｐ型半導体材料となることが示された。 Here, in the TiMgN 2 superlattice structure having the L1 1 crystal structure of Example 1 shown in FIG. 5, the concentration of nitrogen vacancies when one N atom is lost is 1 × 10 20 / cm 3. It was. Similarly, the concentration of the metal vacancies in the case where the Ti atom was 1 deficiency is 1 × 10 20 / cm 3, the concentration of metal voids in the case where the Mg atoms are one defect, 1 × 10 20 / cm 3 . From this, if the concentration of nitrogen vacancies in TiMgN 2 is in the range of 1 × 10 15 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less, it becomes an n-type semiconductor material, and the concentration of metal vacancies in TiMgN 2 is It has been shown that a p-type semiconductor material is obtained when it is in the range of 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 .
次に、実施例１のＬ１１の結晶構造を有するＴｉＭｇＮ２（図５に示す超格子構造）における特定の欠陥（すなわち、Ｔｉ空孔、Ｍｇ空孔およびＮ空孔）の形成エネルギーを算出した。平衡成長条件であると仮定し、欠陥の形成エネルギーを算出した。欠陥の形成エネルギーＥｆは、次式を用いて求めた。
Ｅｆ＝Ｅｄ−Ｅｈｏｓｔ＋Σｉｎｉμｉ
ここで、Ｅｄは、欠陥を有する超格子構造の形成エネルギーであり、Ｅｈｏｓｔは、欠陥を有しない超格子構造の形成エネルギーであり、ｎｉは、元素供給源（Ｔｉソース／Ｍｇソースである金属供給源、または、窒素を供給できるガス供給管）からの原子数であり、μｉは、各原子の安定相における原子の化学的ポテンシャルである。なお、本実施例では、ＴｉおよびＭｇの安定相は六方最密充填（ｈｃｐ）構造であり、Ｎの安定相はＮ２分子であるとした。
Next, the formation energy of specific defects (that is, Ti vacancies, Mg vacancies and N vacancies) in TiMgN 2 (superlattice structure shown in FIG. 5) having the crystal structure of L1 1 of Example 1 was calculated. . Assuming equilibrium growth conditions, the formation energy of defects was calculated. Defect formation energy E f was determined using the following equation.
E f = E d -E host + Σ i n i μ i
Here, E d is the formation energy of the super lattice structure having a defect, E host is the formation energy of the super lattice structure having no defects, n i is an element source (in Ti source / Mg source The number of atoms from a certain metal source or a gas supply pipe capable of supplying nitrogen), and μ i is the chemical potential of the atoms in the stable phase of each atom. In this example, the stable phase of Ti and Mg has a hexagonal close-packed (hcp) structure, and the stable phase of N is assumed to be N 2 molecules.
表３は、実施例１のＬ１１の結晶構造を有する図５に示すＴｉＭｇＮ２の超格子構造における、Ｔｉ原子、Ｍｇ原子およびＮ原子のそれぞれ１個が欠損した場合の形成エネルギーの一覧を示す。 Table 3 shows a list of formation energies when one of each of Ti atom, Mg atom and N atom is missing in the superlattice structure of TiMgN 2 shown in FIG. 5 having the crystal structure of L1 1 of Example 1. .
表３に示されるように、Ｎ原子が１個欠損した場合の形成エネルギーは、１．９９ｅＶであった。一方、Ｔｉ原子が１個欠損した場合の形成エネルギーは、８．９３ｅＶであり、Ｍｇ原子のそれ（４．４４ｅＶ）の２倍であった。 As shown in Table 3, the formation energy when one N atom was lost was 1.99 eV. On the other hand, the formation energy when one Ti atom was lost was 8.93 eV, which was twice that of the Mg atom (4.44 eV).
以上説明してきたように、本発明の一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、Ｌ１１の結晶構造を有する化合物を含む半導体材料は、化合物にドーパントを添加することなく、化合物中のＮの一部が欠損した窒素空孔を有することにより、ドナーレベルが導入され、ｎ型半導体材料となり、化合物中のＴｉおよび／またはＭｇの一部が欠損した金属空孔を有することにより、アクセプタレベルが導入され、ｐ型半導体材料となることが示された。 As described above, represented by the general formula TiMgN 2 of the present invention, a semiconductor material comprising a compound having the L1 1 crystal structure, without the addition of dopant compound, a portion of the N in the compound deficient By having the nitrogen vacancies introduced, the donor level is introduced and becomes an n-type semiconductor material, and by having the metal vacancies in which a part of Ti and / or Mg in the compound is missing, the acceptor level is introduced and p It was shown to be a type semiconductor material.
本発明のｎ型／ｐ型半導体材料は、その構成元素からなるＴｉ−Ｍｇ−Ｎ系材料がコーティング材としても検討されていることから熱に強く、Ｓｉに比べて耐久性に優れているため、既存の半導体材料に代替できる。また、本発明のｎ型／ｐ型半導体材料は、高価な元素を使用しないため安価に提供できるだけでなく、ドーパントの固溶といった複雑な制御も不要であるため、有利である。さらには、本半導体材料は毒性を持つ元素を使用しない。このような本発明のｎ型／ｐ型半導体材料は、既存の半導体材料の用途に適用されるが、とりわけ、太陽電池、受光センサー等に適用される。 The n-type / p-type semiconductor material of the present invention is resistant to heat because a Ti—Mg—N-based material composed of its constituent elements has been studied as a coating material, and is superior in durability to Si. It can replace existing semiconductor materials. In addition, the n-type / p-type semiconductor material of the present invention is advantageous because it does not use expensive elements and can be provided at low cost and does not require complicated control such as solid solution of dopants. Furthermore, the semiconductor material does not use toxic elements. Such an n-type / p-type semiconductor material of the present invention is applied to the use of an existing semiconductor material, and is particularly applied to a solar cell, a light receiving sensor and the like.
２００ 太陽電池
２１０ 透明基板
２２０ ｐ型半導体材料
２３０ ｎ型半導体材料
２４０ 金属電極
200 solar cell 210 transparent substrate 220 p-type semiconductor material 230 n-type semiconductor material 240 metal electrode
Claims (10)
前記化合物は、一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、
前記化合物は、Ｌ１１の結晶構造を有し、
前記化合物は、前記Ｎの一部が欠損した窒素空孔を有する、ｎ型半導体材料。 An n-type semiconductor material containing a compound composed of Ti, Mg, and N,
The compound is represented by the general formula TiMgN 2 ,
The compound has a L1 1 crystal structure,
The compound is an n-type semiconductor material having nitrogen vacancies in which a part of N is missing.
前記化合物は、一般式ＴｉＭｇＮ２で表され、
前記化合物は、Ｌ１１の結晶構造を有し、
前記化合物は、前記Ｔｉおよび／または前記Ｍｇの一部が欠損した金属空孔を有する、ｐ型半導体材料。 A p-type semiconductor material containing a compound composed of Ti, Mg, and N,
The compound is represented by the general formula TiMgN 2 ,
The compound has a L1 1 crystal structure,
The compound is a p-type semiconductor material having a metal vacancy in which a part of the Ti and / or the Mg is missing.
前記ｎ型半導体材料は、請求項１〜３のいずれかに記載のｎ型半導体材料であり、かつ／または、
前記ｐ型半導体材料は、請求項５〜７のいずれかに記載のｐ型半導体材料であり、
前記ｎ型半導体材料と前記ｐ型半導体材料とはｐｎ接合を形成している、半導体素子。 A semiconductor device comprising at least an n-type semiconductor material and a p-type semiconductor material,
The n-type semiconductor material is the n-type semiconductor material according to any one of claims 1 to 3, and / or
The p-type semiconductor material is a p-type semiconductor material according to any one of claims 5 to 7,
A semiconductor element, wherein the n-type semiconductor material and the p-type semiconductor material form a pn junction.
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