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東工大と京大 赤く光る新窒化物半導体発見 ３元系で希少元素使わず

　東京工業大学と京都大学の研究グループは、希少元素を使わずに赤く光る新たな窒化物半導体を発見した。発見したのは３元系の窒化物半導体「窒化カルシウム亜鉛」（ＣａＺｎ２Ｎ２）。発光デバイスだけでなく太陽電池への応用も期待できる。「マテリアルズ・インフォマティクス」を用いて効率的に候補物質を探索し、高圧合成実験で創成した。他にも１０種類の有望な３元系窒化物を導き出している。窒化物半導体の裾野を広げるだけでなく、マテリアルズ・インフォマティクスによる新材料開発にも大きく道が拓かれたといえるだろう。
　窒化物は半導体に適した電子・光学物性を持ち、かつ窒素は地球上に豊富に存在する。一方で、実用化されている窒化物半導体は、緑色や青色、紫外線の発光ダイオード（ＬＥＤ）に用いる窒化ガリウムのほか、窒化インジウムまたは窒化アルミニウムとの固溶体にほぼ限定されている。また、赤色や黄色のＬＥＤでは希少元素や廃棄が難しい元素が使用されている。このため新たな窒化物半導体の創製が期待されている。
　太陽光をはじめ有用な光波長領域でバンドギャップを持ち、結晶の安定性伝導キャリアの輸送特性などに優れる新たな窒化物半導体を探索した。伝導キャリアの輸送に有利な電子構造の観点から、亜鉛を含む３元系窒化物半導体を対象に選定。既知および結晶構造から予想した仮想的な３元系亜鉛窒化物を含む５８３物質の候補物質を見いだし、半導体として有望な物質を絞り込んだ。
　マテリアルズ・インフォマティクスにより絞り込まれたのは２１種類の窒化物半導体で、新物質は１１種類あった。うち、窒化カルシウム亜鉛は豊富な元素だけで構成、シリコンやガリウム・ヒ素などの既存の半導体と同様なデバイス構造に利用できる可能性があることが分かった。実際に高圧合成法で創製したところ、結晶構造やバンドギャップは理論予想とほぼ一致したほか、予想通り赤色発光も観測した。
　既知だが半導体として未開拓な物質は４種類、すでに知られている半導体は６種類が導き出された。とくに半導体として既知の窒化物がヒットしたことは、マテリアルズ・インフォマティクスの有効性を示す結果といえる。窒化物だけでなく、マテリアルズ・インフォマティクスがさまざまな新物質開拓の有力なツールとなることが期待される。

　【マテリアルズ・インフォマティクス】計算科学、データ科学、合成・評価実験およびこれらの手法を連携させて膨大な数の物質を評価。その結果に基づいて新物質や新機能を効率的に開拓するアプローチ。