透明半導体への微量水素の影響―ミュオン用いた新手法で解明：高エネルギー加速器研究機構ほか
(2019年9月27日発表)
高エネルギー加速器研究機構（KEK）と東京工業大学は9月27日、ディスプレー用透明半導体に混入した微量の水素が半導体の性能に大きな影響を与える仕組みの一端を解明したと発表した。不純物として混入する水素の影響についてはこれまで解明が難しかったが、物質中で水素とよく似た振る舞いをする素粒子「ミュオン」を利用することで、半導体の性能を左右する電子状態の変化を解明することに成功した。
高エネ研の小嶋健児准教授（当時）、門野良典教授らの研究グループが、東工大の井手啓介助教、神谷利夫教授、細野秀雄栄誉教授らと共同で明らかにした。
解明したのはインジウム、ガリウム、亜鉛からなる酸化物半導体（IGZO：イグゾー）に混入した微量水素の影響。IGZOはディスプレー用の透明半導体として広く使われているが、長時間のバックライト照射などの下で性能が不安定になるといった課題があった。その原因が不純物として混入する微量の水素にあることは分かっていたが、どのような仕組みで影響を与えるかについては未解明だった。
そこで研究グループは、素粒子のミュオンが物質中で水素とよく似た振る舞いをすることに注目。J-PARCセンターで得られるミュオンのビームを酸化物半導体に照射して得られる観測データと、極微の世界で成り立つ量子力学による第一原理計算を組み合わせて半導体内でのミュオンの状態を詳しく分析した。そのデータをもとに、水素が不純物として混入したときにどのような振る舞いをするかを推測した。その結果、微量の水素がIGZO内に混入した場合に半導体の性質に思わぬ変化を起こすことなど、多くのことが解明できたという。
微量水素の半導体への影響はこれまで解明が難しかったが、ミュオンで得られる情報と第一原理計算を組み合わせる手法がその解明に有効であることが分かった。研究グループは、新手法が「さまざまな電子材料中での水素不純物の影響を調べる研究に応用される」と期待している。
