第一原理分子動力学シミュレーションによるアモルファス界面の生成

Generation of amorphous interface by the first-principles molecular dynamics simulation

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 吉川 正人; 岩沢 美佐子*; 中村 智宣*; 土田 秀一*

Miyashita, Atsumi; Onuma, Toshiharu*; Yoshikawa, Masahito; Iwasawa, Misako*; Nakamura, Tomonori*; Tsuchida, Hidekazu*

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。しかしながら、SiCの酸化膜とSiCの界面には界面欠陥が多く存在しており、この欠陥構造がSiCデバイスのチャネル移動度低下の原因となっている。半導体素子界面では原子構造が作り出す電子状態がその電気特性に影響を与えることから、界面欠陥構造とデバイス特性との関連性を追求することが重要である。本研究では、デバイス特性に影響を与える欠陥構造の解明を目標とし、欠陥を含んだ実際の界面に近い状態の原子構造を計算機上で模擬しエネルギー準位の計算を行っている。シミュレーション計算には地球シミュレータを用い、第一原理分子動力学計算による加熱・急冷計算によってアモルファス界面構造を構築し電子構造を決定した。シミュレーションには444原子の原子構造モデルを用い、加熱温度4000K、加熱時間3ps、急冷速度、終端以外の層の可動、界面のSiC可動層4層との条件を用いた。急冷時の2200Kにおいて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。生成された界面は初期構造では界面Si原子に存在した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ていた。しかし、バンドギャップ中にはいまだ準位が存在し、欠陥準位は界面付近に存在する酸素原子の結合に寄与しない局在電荷分布に起因しているこがわかった。

Silicon carbide (SiC) semiconductor devices are expected to be used under severe environments such as outer space and/or nuclear power plants. However, at this time, SiC devices don't present the predictable performance, since defects at interface reduce electric characteristics of them. The relation among atomic structures, interfacial defects and electric characteristics is not clear. Therefore, we tried to solve these problems by the computer simulation. The SiO/SiC interface structure is generated and the electronic geometry is decided by the first-principle molecular dynamics (MD) simulation with the Earth-Simulator. The amorphous interface structure is made by heating and rapid quench calculation using 444 atoms model. The heating temperature is 4000K, the heating time is 3.0ps, and the speed of rapid quench is . After a rapid quench, the atomic structure became an almost perfect interfacial structure. However, a few defect energy levels were still observed in the band gap. The defect energy levels are originated from the localized electronic distribution of the interfacial oxygen.