平成29年1月25日
国立大学法人 筑波大学
国立研究開発法人 科学技術振興機構
概要
筑波大学計算科学研究センターの小野倫也准教授らは、電子デバイス中の電子の流れを原子・電子のスケールから高速・高精度に予測できる計算方法を開発しました。さらに、次世代省エネパワーデバイスとして有力な候補である、シリコンカーバイド(SiC)デバイスにおける内部の界面での電子の流れる通路に着目した第一原理シミュレーションを世界で初めて行うことで、SiCデバイスの性能を低下させる要因のひとつを発見しました。
エネルギー利用の効率向上において限界を迎えている従来のシリコン(Si)に比べ、SiCはバンドギャップが大きいことから、高電圧高温下で利用されるパワーデバイスへの応用が期待されています。しかし、SiCを用いて作成したデバイスは、結晶に比べて電気抵抗が極めて大きく、オン/オフを切り替えるための電圧（しきい電圧）が不安定という課題があり、その原因はSiC基板とゲート絶縁膜との接合面近くに生じる界面欠陥であると考えられていました。この課題を解決するには、デバイス中のSiCとゲート絶縁膜との間の電子の流れの解明が必要でした。しかしこのような原子・電子スケールでの現象を実験のみで明らかにすることは容易ではない上、従来の理論計算手法では、計算量や計算精度の制約から、界面での電子の流れを解析することは困難でした。
本研究では、小野准教授らが開発した新たな理論計算手法「実空間差分法に基づく第一原理シミュレーションコードRSPACE」を数理研究グループと協力して高速化し、超並列計算機を活用してデバイス中の電子の流れを原子・電子スケールで高速・高精度に予測できる新たな計算技術を開発しました。そして、スーパーコンピュータ「京」などを用いてシミュレーションを行い、デバイス作成過程でSiC界面へ酸素原子が侵入することによってSiC内部の電子の通路が破壊され、界面欠陥が生じない場合でも電気抵抗が増大することを発見しました。
本研究成果は、SiCパワーデバイス界面の作製にあたって従来考慮されてこなかったSiCへの酸素原子侵入を、界面欠陥が生じない場合でも抵抗増大の要因として追加検討する必要があることを示しています。酸素原子侵入による通路の破壊を抑えることができれば、電気抵抗を低く抑え、エネルギー利用の高効率化が期待されます。
本研究成果は、米国物理学協会発行の「Physical Review B Rapid Communications」のオンライン速報版で2017年1月26日（米国東部時間）に公開されます。
図 本研究でのシミュレーションに用いた界面近傍の原子構造。(a) 理想的な表面。(b) 酸素原子が1個侵入した界面。 (c) 酸素原子2個侵入後に界面欠陥ができた界面。酸素原子侵入や欠陥生成により、界面が原子スケールで平坦でなくなる。