高温材料設計のためのマルチスケール解析

本年度は、前年度に研究を行ったSiの熱酸化シミュレーションを発展させ、次世代パワー半導体材料として注目されているSiCの熱酸化を対象として研究を行った。SiCではSiと同様に熱酸化により酸化膜が作成可能であるためパワーMOSFETの材料として期待されているが、界面の品質が十分でなく、また面方位によって酸化速度が大きく異なるなどの特異な現象が報告されており、SiCパワーデバイスの実現に向けて現象の解明が望まれてきた。前年度に作成したSi-O系の原子間ポテンシャルに続き、本年度はSi-C系の原子間ポテンシャル開発を行った。特に、C原子の多様な結合性を表現するため従来用いられてきたTersoffポテンシャル関数形の拡張を行った。Si-C系の原子間ポテンシャルでは、SiC上のグラフェン成長のシミュレーションを行った。10ナノ秒スケールのシミュレーションにより、SiC上でC原子クラスタが形成され、次第に6員環からなるフラットなグラフェンが形成されていく様子が再現された。本研究の成果は査読付き学術雑誌のPhysical Review Bに掲載された。Si-O系、Si-C系の延長としてSiCの熱酸化のためのSi-O-C系の原子間ポテンシャルを作成した。SiCの熱酸化シミュレーションを行い、Siと同様に酸化膜成長を再現した。特に活性化エネルギーの面方位依存性に注目し、様々な温度で酸化膜成長シミュレーションを行うことで、酸化の界面反応の活性化エネルギーが面方位により3倍程度異なるという実験的に報告されていた結果を再現した。また、Si原子の酸化数の変化を追うことで、特に活性化エネルギーの高いSi面ではSi1+が安定であることを発見し、界面に形成されるSi1+を含んだフラットな構造が界面を安定化している説を提唱した。本研究の成果は査読付き学術雑誌に投稿中である。

本年度は、前年度に研究を行ったSiの熱酸化シミュレーションを発展させ、次世代パワー半導体材料として注目されているSiCの熱酸化を対象として研究を行った。SiCではSiと同様に熱酸化により酸化膜が作成可能であるためパワーMOSFETの材料として期待されているが、界面の品質が十分でなく、また面方位によって酸化速度が大きく異なるなどの特異な現象が報告されており、SiCパワーデバイスの実現に向けて現象の解明が望まれてきた。前年度に作成したSi-O系の原子間ポテンシャルに続き、本年度はSi-C系の原子間ポテンシャル開発を行った。特に、C原子の多様な結合性を表現するため従来用いられてきたTersoffポテンシャル関数形の拡張を行った。Si-C系の原子間ポテンシャルでは、SiC上のグラフェン成長のシミュレーションを行った。10ナノ秒スケールのシミュレーションにより、SiC上でC原子クラスタが形成され、次第に6員環からなるフラットなグラフェンが形成されていく様子が再現された。本研究の成果は査読付き学術雑誌のPhysical Review Bに掲載された。Si-O系、Si-C系の延長としてSiCの熱酸化のためのSi-O-C系の原子間ポテンシャルを作成した。SiCの熱酸化シミュレーションを行い、Siと同様に酸化膜成長を再現した。特に活性化エネルギーの面方位依存性に注目し、様々な温度で酸化膜成長シミュレーションを行うことで、酸化の界面反応の活性化エネルギーが面方位により3倍程度異なるという実験的に報告されていた結果を再現した。また、Si原子の酸化数の変化を追うことで、特に活性化エネルギーの高いSi面ではSi1+が安定であることを発見し、界面に形成されるSi1+を含んだフラットな構造が界面を安定化している説を提唱した。本研究の成果は査読付き学術雑誌に投稿中である。