ワイドギャップ半導体における衝突イオン化現象の理論研究
| Project/Area Number |
21K14195
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
田中 一 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (40853346)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | モンテカルロ / 高電界 / 衝突イオン化 / ワイドギャップ半導体 / キャリア輸送 / シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
炭化ケイ素・酸化ガリウムなどのワイドギャップ半導体は、大きな絶縁破壊電界を持つことから、高耐圧パワーデバイス用材料として期待されている。しかし、絶縁破壊電界を決定する物性値である衝突イオン化係数が、これらの材料のどのような性質に支配されているかは明らかになっていない。
本研究では、ワイドギャップ半導体に関して、高電界におけるキャリア輸送および衝突イオン化係数の理論解析を行い、これらの振る舞いを、バンド構造や散乱レートが衝突イオン化係数に与える影響に着目して定量的に理解することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、パワーデバイス材料として期待されている炭化ケイ素、窒化ガリウム、酸化ガリウムなどのワイドギャップ半導体に関して、衝突イオン化係数などの高電界キャリア輸送特性を理論的に検討することを目的としている。
2022年度は、まず、本研究で用いているフルバンドモンテカルロ法における極性光学フォノン散乱の扱いについて検討した。そのうえで、酸化ガリウムにおける電子輸送を、経験的強束縛近似法および第一原理計算で求めたバンド構造に基づいて解析した。まずは、低電界における移動度の温度依存性を再現する散乱モデルを構築し、そのモデルに基づいて高電界での輸送特性を計算した。その結果、先行研究で報告されている、第一原理計算に基づく複雑な散乱過程を考慮した衝突イオン化係数の振る舞いを、よりシンプルなモデルによってある程度再現できることが分かった。また、衝突イオン化係数の異方性がバンド構造の異方性により理解できることを示した。
また、窒化ガリウムにおける高電界電子輸送の解析も行った。本研究では、電子状態を強束縛近似法で記述し、得られた波動関数の情報を用いて、バンド間トンネル効果も考慮したシミュレーションを行った。まず、無歪の場合について、散乱レートの記述に用いるパラメータを調整することで、低電界での移動度および高電界印加時の衝突イオン化係数のそれぞれの実験値を再現した。そのうえで、歪によるバンド構造の変化を考慮した計算を行い、衝突イオン化係数の歪に対する依存性を解析した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度は、計算手法の面では、極性光学フォノン散乱の扱い方に改良を加え、かつ高電界印加により生じる電子のバンド間トンネル効果による遷移を考慮した電子輸送シミュレータを開発できた。また、酸化ガリウムおよび窒化ガリウムにおける、低電界から高電界にいたる電子輸送を、フルバンドモンテカルロ法により解析することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の研究において、酸化ガリウム・窒化ガリウムにおける高電界電子輸送の計算を行った。今後は、加えて、これらの材料における正孔の輸送特性、および炭化ケイ素における電子・正孔輸送の解析も進める。さらに、解析的なバンド構造を用いた計算結果と、上記の各種ワイドギャップ半導体における計算結果を比較しつつ、ワイドギャップ半導体での衝突イオン化係数の振る舞いの理解を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
