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論文

Development of diagnostic method for deep levels in semiconductors using charge induced by heavy ion microbeams

加田 渉*; 神林 佑哉*; 岩本 直也*; 小野田 忍; 牧野 高紘; 江夏 昌志; 神谷 富裕; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 児島 一聡*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.240 - 245, 2015/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:40.75(Instruments & Instrumentation)

Deep level defects in semiconductors act as carrier traps Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) is known as one of the most famous techniques to investigate deep levels. However, DLTS does not well work for samples with high resistivity. To overcome this issue, DLTS using charge generated by ion incidence was proposed. Recently, we developed a deep level evaluation system based on Charge Transient Spectroscopy using alpha particles from $$^{241}$$Am (Alpha Particle Charge Transient Spectroscopy: APQTS) and reported the effect of deep levels in 6H SiC pn diodes generated by electron irradiation on the characteristics as particle detectors. In this study, we report the development of Charge Transient Spectroscopy using Heavy Ion Microbeams (HIQTS). The HIQTS can detect deep levels with micron meter spatial resolution since microbeams are applied. Thus, we can clarify the relationship between deep levels and device characteristics with micron meter resolution. When a 6H-SiC pn diode was irradiated with 12 MeV-oxygen (O) ions at 4$$times$$10$$^{9}$$ and 8$$times$$10$$^{9}$$ /cm$$^{2}$$, the charge collection efficiency (CCE) decreased to 71 and 52%, respectively. HIQTS signals obtained from those damaged regions using 15 MeV-O microbeams increased at measurement temperature ranges above 350 K, and the signals are larger with increasing 12 MeV-O ion fluence.

論文

Radiation hardness of n-type SiC Schottky barrier diodes irradiated with MeV He ion microbeam

Pastuovi$'c$, $v{Z}$*; Capan, I.*; Cohen, D.*; Forneris, J.*; 岩本 直也*; 大島 武; Siegele, R.*; 星乃 紀博*; 土田 秀一*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.233 - 239, 2015/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:54.79(Instruments & Instrumentation)

The relationship between defects created in SiC semiconductors and the degradation of SiC particle detectors was investigated. The n-type Schottky barrier diodes (SBD) fabricated on an epitaxial 4H-SiC layer were irradiated with a raster scanned alpha particle microbeam (either 2 or 4 MeV He$$^{2+}$$ ions) to introduce crystal damage with different depths. Deep level transient spectroscopy (DLTS) was applied to characterize defects generated in SiC by He ion irradiation. Ion Beam Induced Charge (IBIC) microscopy was used to determine the degradation of the charge collection efficiency (CCE). DLTS and electrical characteristics measurements suggested that minority carrier lifetime decreased with increasing the concentration of Z$$_{1/2}$$ defect. Also, the free carrier concentration in SiC decreased with increasing He fluence. Furthermore, the formation of new type of defects, i.e. complex (cluster) defects was detected. In conclusion, the value of CCE decreased due to above-mentioned effects.

論文

Heavy-ion induced anomalous charge collection from 4H-SiC Schottky barrier diodes

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 平尾 敏雄*; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(4), p.2647 - 2650, 2013/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:59.34(Engineering, Electrical & Electronic)

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象研究の一環として、逆方向電圧を印加したn型六方晶(4H)SiCショットキーダイオードへ重イオンを照射し、ダイオード内で収集される電荷量を測定した。その結果、イオンの飛程がエピタキシャル層厚と同等、もしくはそれ以上の場合に、本来、入射イオンがイオンダイオード内に生成する電荷量を越えた多量の電荷収集が発生することが観測された。解析の結果、ショットキーダイオードにおける過剰な電荷収集においては、イオンの飛程とエピタキシャル層厚の関係が重要なパラメータであり、エピタキシャル層と基板の界面付近で発生した電荷によりポテンシャルが変動し、基板側から電荷が流れ込むという描像で説明できることが見いだされた。

論文

Defect-induced performance degradation of 4H-SiC Schottky barrier diode particle detectors

岩本 直也; Johnson, B. C.; 星乃 紀博*; 伊藤 雅彦*; 土田 秀一*; 児島 一聡*; 大島 武

Journal of Applied Physics, 113(14), p.143714_1 - 143714_5, 2013/04

 被引用回数:27 パーセンタイル:77.13(Physics, Applied)

A correlation between radiation induced defects and charge collection performance of 4H-SiC Schottky barrier diodes has been studied. Charge collection efficiency (CCE) of the detectors is degraded by irradiation with 1 MeV electrons to a fluence of 1$$times10^{15}$$ cm$$^{-2}$$. Three electron traps, labeled EH$$_1$$, Z$$_{1/2}$$ and EH$$_3$$, are observed after the electron irradiation by deep level transient spectroscopy. Low temperature annealing at 300 $$^circ$$C is found to recover CCE significantly and remove EH$$_1$$ and EH$$_3$$ completely. On the other hand, Z$$_{1/2}$$ is not removed by annealing up to 400 $$^{circ}$$C, and does not correlate the annealing behavior of CCE. Therefore, we conclude that EH$$_1$$ and EH$$_3$$ are more responsible for the degraded CCE than Z$$_{1/2}$$.

論文

Heavy-ion-induced charge enhancement in 4H-SiC schottky barrier diodes

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 大島 武

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.66 - 69, 2012/12

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象の発生メカニズム解明を目指し、n型六方晶(4H)SiCショットキーダイオード内で発生する電荷量を測定した。ショットキーダイオードは、n型4H-SiC基板の上に成長させた30$$mu$$m厚のエピタキシャル層上に作製した。照射は、ダイオード内での飛程約26$$mu$$mを持つKr-322MeVを用いた。ダイオードに逆方向電圧を印加し、収集される電荷量をチャージアンプ(ORTEC 142C)で測定した。測定の結果、400V以上の電圧を印加した場合、Krがダイオード内に生成する電荷量を越えた電荷収集が発生した。イオン入射数と観測された電荷発生イベント数が同じであることから、この過剰な電荷は、ダイオード内に生成された電荷が何らかの理由で増幅されたものといえる。ダイオードは電荷によって破壊されることから、SiCショットキーダイオードの破壊現象の発生メカニズムにとって重要な知見といえる。

論文

Annealing effects on charge collection efficiency of an electron-irradiated 4H-SiC particle detector

岩本 直也; Johnson, B. C.; 大島 武; 星乃 紀博*; 伊藤 雅彦*; 土田 秀一*

Proceedings of 10th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-10) (Internet), p.62 - 65, 2012/12

Thermal annealing effects on the charge collection efficiency (CCE) of an electron-irradiated 4H-SiC Schottky barrier diode (SBD) particle detector have been studied. The SBD particle detector was irradiated with 1 MeV electrons to a fluence of 1$$times$$10$$^{15}$$ cm$$^{-2}$$ and subsequently annealed between 100 $$^{circ}$$C and 600 $$^{circ}$$C for 30 minutes. The CCE of the SBD was characterized by using 5.5 MeV alpha particles. Before the electron irradiation, a CCE value of 100% is obtained at a reverse bias voltage of 20 V and higher. Degradation of the CCE is seen after electron irradiation and is more pronounced at lower bias voltages. The degraded CCE recovers as the anneal temperature increases up to 300 $$^{circ}$$C. However, the CCE starts to decrease again by 350 $$^{circ}$$C. From these results, it is concluded that thermal annealing for the recovery of SBD particle detector performance should not exceed 300 $$^{circ}$$C.

論文

SiCパワーデバイス開発のためのシミュレーション

大沼 敏治*; 宮下 敦巳; 吉川 正人; 土田 秀一*; 岩沢 美佐子*

平成21年度先端研究施設共用促進事業「地球シミュレータ産業戦略利用プログラム」利用成果報告書, p.21 - 27, 2010/07

ワイドギャップ半導体である炭化珪素(SiC)は従来のシリコン(Si)半導体に比べて飛躍的な性能向上を実現するパワー半導体デバイスの材料として期待されている。また、SiC半導体デバイスは低損失の省エネデバイスとして開発が進められているとともに、Si半導体デバイスと同様に熱酸化により酸化絶縁膜を作製できるため、次世代のMOS型パワーデバイスとして有望である。しかし、従来のSiC MOS型パワーデバイスは、界面トラップの存在等によりチャネル移動度が理論的な予想値より遥かに小さく、優れた特性を発揮できていなかった。これらの特性を改善するためには、原子レベルで界面の構造と熱酸化の機構を明らかにすることが重要となる。SiCの熱酸化過程のシミュレーションにおいては、化学反応を伴うことと、界面においてさまざまな結合があることから、経験的なパラメータを一切用いない第一原理法が強力なツールとなるが、計算量が膨大なためこれまで行われてこなかった。地球シミュレータによる大規模な第一原理分子動力学計算によりSiCの熱酸化過程・アニーリング及び界面準位のシミュレーションが可能になったのでここに報告する。

論文

Enhanced annealing of the Z$$_{1/2}$$ defect in 4H-SiC epilayers

Storasta, L.*; 土田 秀一*; 宮澤 哲哉*; 大島 武

Journal of Applied Physics, 103(1), p.013705_1 - 013705_7, 2008/01

 被引用回数:80 パーセンタイル:92.75(Physics, Applied)

六方晶炭化ケイ素(4H-SiC)中のキャリア寿命低下の原因であるZ$$_{1/2}$$センターの低減化技術として、エピ膜表面層に炭素イオン注入を行った後に熱処理を行うプロセス(炭素イオン注入/熱処理プロセス)を試みた。その結果、炭素イオンを注入し2$$times$$10$$^{19}$$/cm$$^{3}$$,深さ300nmの炭素過剰層を形成し、その後、1800$$^{circ}$$C,30分の熱処理を行うことで、100$$mu$$m厚のエピ膜のほぼ全域にわたってZ$$_{1/2}$$センター濃度が検出限界(1$$times$$10$$^{11}$$/cm$$^{3}$$)以下にまで低減されることを見いだした。また、炭素イオンのみをはじき出す200keV以下の電子線照射を行ったところZ$$_{1/2}$$センターの増加が観測された。これより、Z$$_{1/2}$$センターは炭素欠陥起因であり、今回の炭素イオン注入/熱処理プロセスはSiC中に過剰な炭素を供給することでセンターが消滅したと考えられる。

論文

Generation of amorphous SiO$$_{2}$$/SiC interface structure by the first-principles molecular dynamics simulation

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 岩沢 美佐子*; 土田 秀一*; 吉川 正人

Materials Science Forum, 556-557, p.521 - 524, 2007/00

SiCデバイスは宇宙や原子炉等の極限環境下で動作する素子として期待されている。しかしながら現状のSiCデバイスは理論的に予想されている性能を発揮しているとは言いがたい。その理由はSiCとその酸化膜であるSiO$$_{2}$$との界面に存在する欠陥が素子の性能を低下させているからだと考えられる。実デバイスにある界面欠陥構造を計算機シミュレーションで再現しようとするなら、現実の界面にあるようなアモルファスSiO$$_{2}$$/SiCの構造を計算機上に再現することが非常に重要となってくる。われわれは444原子からなる結晶/結晶界面構造を計算機上に構築し、それに対して加熱・急冷計算を行うことでアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC構造を生成した。加熱温度,加熱時間,急冷速度はそれぞれ4000K, 3ps, -1000K/psである。得られた界面構造のSiO$$_{2}$$領域はバルクのアモルファスSiO$$_{2}$$構造とよく適合し、界面におけるダングリングボンド欠陥も消滅していることが確かめられた。

論文

Dynamical simulation of SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001) interface oxidation process; From first-principles

大沼 敏治*; 宮下 敦巳; 岩沢 美佐子*; 吉川 正人; 土田 秀一*

Materials Science Forum, 556-557, p.615 - 620, 2007/00

平面波近似とスーパーセルモデルを用い、SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001)酸化過程の第一原理分子動力学計算による動的シミュレーションを行った。反応の初期構造の生成には加熱・急冷法を用いた。この初期構造は界面ダングリングボンドのないSiO$$_{2}$$/SiC構造である。酸化反応の引き金とするために、界面付近のSiC層に炭素空孔を導入した。酸化反応シミュレーションは界面付近の空隙に酸素分子を一つずつ置いて行くことによって行った。酸化反応シミュレーションは2500Kの下で行った。酸素分子は解離しSiO$$_{2}$$中のSi原子と結合を組み、また、界面付近にいるSiC層中のSi原子も酸化されSiO$$_{2}$$層を形成した。界面欠陥の候補の一つと考えられている炭素クラスタ構造が界面に形成され、さらに、酸素分子は炭素クラスターと反応しCO分子を形成した。

論文

炭化ケイ素基板上に成長させた1200$$^{circ}C$$ドライ酸化膜中の界面欠陥の電気特性とその熱アニーリング効果

吉川 正人; 石田 夕起*; 直本 保*; 土方 泰斗*; 伊藤 久義; 奥村 元*; 高橋 徹夫*; 土田 秀一*; 吉田 貞史*

電子情報通信学会論文誌, C, 86(4), p.426 - 433, 2003/04

1200$$^{circ}C$$ドライ酸化やそれに引き続いて行われる熱アニーリングが、酸化膜と4積層周期六方晶炭化ケイ素(4H-SiC)基板の界面に与える影響を調べた。n型及びp型4H-SiC基板を1200$$^{circ}C$$の乾燥酸素雰囲気中で3時間酸化して50nmの酸化膜を作製した後、酸化膜を500から950$$^{circ}C$$のアルゴン雰囲気中で3時間熱アニーリングした。その酸化膜を用いて金属/酸化膜/半導体(MOS)構造を形成してC-V特性を測定し、酸化膜と4H-SiC界面の電気特性に及ぼす熱アニーリング効果を調べた。1200$$^{circ}C$$ドライ酸化膜を用いて形成した4H-SiC MOS構造のC-V特性は、電圧軸に沿って正方向へ大きくシフトした。界面には負電荷が蓄積していた。600$$^{circ}C$$で3時間の熱アニーリングを行うとC-V特性が負方向へシフトしはじめ、950$$^{circ}C$$3時間の熱アニーリングで電圧シフトが消失した。一方、p型4H-SiC MOS構造のC-V特性を調べると、n型とは反対に電圧軸に沿って負方向へ大きくシフトした。界面には正電荷が蓄積していた。n型とp型のシフト方向の違いと界面欠陥の荷電状態の関連性について調べ、界面欠陥の熱アニーリングのメカニズムを議論した。

口頭

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$$rm SiO_2/SiC$$界面の生成

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*

no journal, , 

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$$rm SiO_2/SiC$$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$$rm-1000K/ps$$、終端以外の$$rm SiO_2$$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$$rm SiO_2$$終端固定層を開放し自由端とすることによって、$$rm SiO_2$$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。

口頭

4H-SiC(0001)基板表面に堆積させたSiO$$_{2}$$酸化膜のCV法による評価

吉川 正人; 中村 智宣*; 宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 土田 秀一*

no journal, , 

界面中間層のない急峻な界面形成を目指して、水素雰囲気下で表面をエッチングして平坦化させたエピ膜付4H-SiC基板表面に、シランと亜酸化窒素を用いてSiO$$_{2}$$膜を化学気層成長させた。電気的に良好な特性を有する堆積酸化膜形成条件をCV法で調べた結果、酸化膜堆積温度が850$$^{circ}$$C以下で堆積後のアルゴンアニーリング温度が1100$$^{circ}$$Cを超えると、界面の電気特性が良好になることがわかった。

口頭

アモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造の第一原理計算による生成

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 岩沢 美佐子*; 吉川 正人; 土田 秀一*

no journal, , 

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、SiCデバイスのチャネル移動度低下の原因となる界面欠陥が多く存在しており、その構造とデバイス特性との関連性を追求することは非常に重要である。本研究では実際の界面に近い状態の原子構造を計算機上で生成し、その電子状態が界面電気特性に与える影響を追求している。実際のデバイス絶縁膜を模擬するために、加熱・急冷計算によりアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造を計算機上に構築し電子構造を決定した。計算には第一原理分子動力学計算コードであるVASPを用い、地球シミュレータ上で行った。444原子構造モデルを用いた加熱・急冷計算によって、初期構造では界面Si原子に存在していたダングリングボンドが完全に消滅した急峻界面が再現された。この時の条件は、加熱温度4000K,加熱時間3ps,急冷速度-1000K/psであり、さらに、急冷時の2200Kにおいて加熱中は固定してあったSiO$$_{2}$$終端を自由端とすることによって、SiO$$_{2}$$層での歪を低減させるとともにアモルファス化を促進させた。バンドギャップ中にはなお欠陥準位が存在したが、これはアモルファスSiO$$_{2}$$中の酸素のダングリングボンドに起因していることがわかった。

口頭

SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001)界面における熱酸化過程の第一原理分子動力学シミュレーション; 炭素クラスターの形成

大沼 敏治*; 宮下 敦巳; 岩沢 美佐子*; 吉川 正人; 土田 秀一*

no journal, , 

平面波基底のPAW(Projector Augment Wave)法による第一原理分子動力学計算を行い熱酸化過程の動的シミュレーションを行った。計算は地球シミュレーターで行った。界面モデルはスラブモデルを用い、界面の初期構造は加熱及び急冷法により作成した。界面モデルは急峻かつダングリングボンドのない綺麗な界面に酸化過程のきっかけとして炭素空孔を導入したものを用いた。酸化過程のシミュレーションは酸素分子を一つずつSiO$$_{2}$$層に追加することにより行った。酸素分子はSiO$$_{2}$$層中及びSiC界面のSi原子と反応し解離した。SiC界面のSi原子が酸化されることによりSi原子とC原子との結合が切れてCダングリングボンドが生成される。Cダングリングボンドの生成がきっかけとなり炭素クラスターが生成されるのが観察された。CO分子はCクラスタと酸素分子が反応することにより生成された。

口頭

シミュレーションによるアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面の生成; 第一原理分子動力学計算

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 岩沢 美佐子*; 土田 秀一*; 吉川 正人

no journal, , 

SiCデバイス絶縁膜を模擬するために、加熱・急冷計算によりアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造を計算機上に構築し電子構造を決定した。計算は地球シミュレータ上で第一原理分子動力学計算コード(VASP)を用いて行った。444原子を含む構造モデルを用いた加熱・急冷計算において、初期構造では界面Si原子に存在していたダングリングボンドが、室温まで冷却された最終構造では完全に消滅した急峻界面が生成されていた。この時の加熱条件は4000K/3ps、冷却条件は-1000K/psである。Si-Oの最近接原子間距離は0.165nmであり、$$alpha$$水晶の0.161nmとほぼ等しい。Si-Siの最近接原子間距離は0.315nmであり、これをSi-O-Siの結合角に換算すると145$$^{circ}$$となりシリカガラスでのSi-O-Siの結合角(145$$pm$$10)$$^{circ}$$と合致する。さらに、O-Oの再近接原子間距離は0.266nm であり、これをO-Si-Oの結合角に換算すると107$$^{circ}$$となり四面体配位での結合角109.5$$^{circ}$$とほぼ等しい。短距離秩序が結晶の値にほぼ回復したのに対して長距離秩序は回復しておらず、これにより加熱・急冷計算でアモルファスSiO$$_{2}$$層が生成できたことが確認できた。

口頭

耐放射線性SiCデバイス用酸化膜の第一原理分子動力学シミュレーション

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 岩沢 美佐子*; 土田 秀一*; 吉川 正人

no journal, , 

SiC半導体デバイスは耐放射線に優れ高電圧・高温での動作が可能なことから、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、現状ではSiCデバイスの特性を左右する酸化膜界面には界面欠陥が多く存在しており、理論的に予測されるデバイス特性が実現されているとは言いがたい。本研究では、第一原理分子動力学法を用いて実デバイスの酸化膜界面を模擬できるアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面欠陥構造を計算機上に生成し電子構造を算出することで、実験的手法では推定することが難しい、界面欠陥の物理構造と電気特性との関連性を明らかにする。一千原子規模の結晶SiO$$_{2}$$/結晶SiC界面原子構造モデルに対して加熱・急冷計算を実行することで、アモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造の生成に成功した。SiO$$_{2}$$層の動径分布関数(RDF)を解析したところ、長周期構造を反映した微細構造は認められなかった。また部分RDFを評価したところ、Si-O結合距離は0.165nm,Si-O-Si結合角は135$$^{circ}$$,O-Si-O結合角は109$$^{circ}$$となり、良好なアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造が生成されていることが確かめられた。

口頭

アモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造の第一原理計算による生成,2

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 岩沢 美佐子*; 土田 秀一*; 吉川 正人

no journal, , 

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、従来の半導体デバイスでは動作が困難な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SiCと酸化膜の界面には、SiCデバイスのチャネル移動度低下の原因となる界面欠陥が多く存在しており、その欠陥構造と素子特性との関連性を追求することは非常に重要である。本研究では実際のデバイスでの酸化膜界面を模擬するため、アモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面を計算機上に構築し、内在する欠陥構造の電子状態を算出することで、それが界面電気特性に与える影響を追求している。アモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造の生成は、第一原理分子動力学計算コードを用いた加熱・急冷計算法にて行った。1017原子界面構造モデルに対して、4000K$$cdot$$3psの固定終端加熱,終端解放後,3500K$$cdot$$2psの継続加熱,-2000K/psで室温までの急冷を行った。生成したSiO$$_{2}$$層の動径分布関数を評価したところ、Si-O結合距離は0.165nm,Si-O-Si結合角は135$$^{circ}$$,O-Si-O結合角は109$$^{circ}$$と得られ、かつ、局所密度分布からも良好なアモルファス特性を示していることが確かめられた。

口頭

SiO$$_{2}$$/4H-SiC(0001)界面における酸素解離反応の活性化エネルギー

大沼 敏治*; 宮下 敦巳; 岩沢 美佐子*; 吉川 正人; 土田 秀一*

no journal, , 

ワイドギャップ半導体であるSiCはSi同様熱酸化により絶縁膜を作製できるため、次世代のMOS型パワーデバイスとして有望である。しかしSiC/SiO$$_{2}$$界面においては、Si/SiO$$_{2}$$界面に比べて界面トラップ密度が高いことや、MOSデバイスのチャンネル移動度が低いことが知られている。このような性能劣化の原因となる欠陥構造の形成過程の解明のためには、SiC/SiO$$_{2}$$界面の熱酸化過程のメカニズムを明らかにすることが重要であることから、われわれは第一原理分子動力学シミュレーションを用いた界面酸化模擬計算を進めている。界面へ酸素分子を導入して計算を行ったところ、一番目の酸素分子は界面中のSi原子と結合解離し、反応の活性化エネルギーは1.8eVとSiの熱酸化における値とほぼ同じ大きさであった。二番目の酸素分子は界面Si原子と結合・解離し、反応の活性化エネルギーは3.6eVであった。界面Si原子との酸化反応の活性化エネルギーが大きいことから、直接界面Si原子を酸化するよりはSiO$$_{2}$$層中のSi原子と反応しやすいことがわかる。三番目の酸素分子の解離反応の活性化エネルギーはほぼ0eVであり、酸化が進みダングリングボンドが多数存在すると解離反応が容易に起きることがわかった。

口頭

第一原理計算によるSiC酸化と界面準位発生の問題; 界面構造生成と欠陥構造

宮下 敦巳; 大沼 敏治*; 岩沢 美佐子*; 土田 秀一*; 吉川 正人

no journal, , 

第一原理分子動力学計算コードであるVASPコードを用いた加熱・急冷計算法による計算機シミュレーションによりアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造の生成を行った。444原子界面構造モデルに対して、4000K, 3psで加熱融解、-1000K/psで室温までの急冷を行った。生成したSiO$$_{2}$$層の動径分布関数を評価したところ、全原子によるRDFでは長周期構造を反映した微細構造は認められず良好なアモルファス状態となっていた。部分RDFを評価したところ、Si-O結合距離は0.165nmであった。SiとSiの近接距離は約0.23nmに小さなピーク,0.315nmに大きなピークが認められる。0.23nmはSi-Si結合によるものでSiO$$_{2}$$中にSi-Si欠陥構造が存在することがわかる。0.315nmはSi-O-Si結合でのSi間距離に相当しSi-O-Si結合角は145$$^{circ}$$である。また、OとOの近接距離は0.266nmにピークを持ちO-Si-O結合角に換算すると107$$^{circ}$$となった。これらの値はアモルファスSiO$$_{2}$$の条件に適合し、加熱・急冷計算によって良好なアモルファスSiO$$_{2}$$/SiC界面構造が生成されていることが確かめられた。

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