First-principles molecular dynamics simulation of SiC devices; Generation of amorphous SiO/SiC interface

SiCデバイスの第一原理分子動力学シミュレーション; アモルファスSiO/SiC界面の生成

宮下 敦巳; 吉川 正人; 叶野 琢磨; 大沼 敏治*; 酒井 高行*; 岩沢 美佐子*; 曽根田 直樹*

Miyashita, Atsumi; Yoshikawa, Masahito; Kano, Takuma; Onuma, Toshiharu*; Sakai, Takayuki*; Iwasawa, Misako*; Soneda, Naoki*

Siに比べ優れた物理特性を持つSiCを用いた半導体デバイスは、従来のSiやGaAs半導体デバイスでは動作が困難な、原子炉や宇宙環境等、極限環境下で用いられる素子として期待されている。半導体素子界面では原子レベルの欠陥の荷電状態が電気特性を支配しているため、この界面構造を計算機上で模擬し、界面欠陥構造がどのようにデバイス特性に影響するのか導出するため、地球シミュレータを用いた第一原理分子動力学計算で界面構造を構築し電子構造を決定する。400原子程度の中規模モデルを用いてアモルファス界面構造生成を行った。加熱温度は4000K、加熱時間は3ps、急冷速度は-1000K/ps、界面でのSiC可動層は4層とし、2200Kで側終端固定層を開放し自由端とすることによって、層でのアモルファス化を促進させた。生成された界面はダングリングボンドが消滅しており、清浄界面に近い状態が再現されたが、バンドギャップ中には欠陥準位が存在するのが観察された。欠陥準位は界面に存在する酸素から生じており、結合に寄与できない局在した電子分布が準位の原因となっていることがわかった。

Silicon carbide semiconductor device is expected to be used under a severe environment like the nuclear reactor and the space environment. On the semiconductor device interface, the electric charge state of the defect decides an electric characteristic. To emulate interfacial structure the interface structure is generated and the electronic geometry is decided by the first-principle molecular dynamics simulation with the earth simulator. The amorphous interface structure is made by medium-scale model of about 400 atoms. The heating temperature is 4000K, the heating time is 3.0ps, the speed of rapid cooling is -1000K/ps, and SiC movable layers in the interface are assumed to be 4 layers. In temperature 2200K the terminal was opened to make the layer more amorphous. The model has almost abrupt interface, however, some defects energy levels were still observed in the band gap. The energy levels are originated from interfacial oxygen. The localized electronic distribution of the dangling bond causes defect energy levels.