低抵抗η型ダイヤモンド半導体の気相成長のハイブリッドシミュレーション

2005 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16740163
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 西松 毅 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (70323095)
• Keywords: 第一原理計算 / 分子動力学法 / グラファイト化 / ドーピング / ドーパント / 核形成 / Linux Beowulf cluster / 表面分極 / 粗視化

Research Abstract

本研究の目的は薄膜の気相成長をシミュレートできる第一原理・古典ハイブリッド分子動力学法を確立し、ダイヤモンド半導体素子の実現に不可欠な低抵抗n型ダイヤモンドの成長条件をコンピューターシミュレーションにより見出すことであった。平成16年度には、 Beowulf PCクラスタ計算機システムを構築し、同時に水素ホウ素(BH2)複合欠陥によるダイヤモンドのn型化の真偽と機構を明らかにした。平成17年度には16年度に引き続きハイブリッドシミュレーションのプログラム開発を行うと同時に、気相成長により作成されたPドープダイヤモンド薄膜の電子スピン共鳴実験から新しく報告されたダイヤモンド中のリン(P)不純物の正方晶の対称性を持った構造について大規模第一原理計算により検証を行った。
シミュレーションのプログラム開発においては、表面の分極が気相成長において不純物の高濃度ドーピングを阻害するなど重要な要素になることが分かったので、それを取り入れることのできる新しい粗視化法を採用した分子動力学法のプログラムを完成した。プログラムは並列化されておりBeowulf PCクラスタやスーパーコンピュータ上で高速に動作が可能である。
ダイヤモンド中のP不純物については、216個の炭素原子(C)を含むスーパーセルを用いて格子緩和のみならず格子の歪まで緩和させる大規模第一原理計算をはじめて行った。その結果、 P不純物のCに比べて大きな共有結合半径が格子の内部歪みに大きな影響を与えるため、正方晶の対称性が最安定な構造になることがわかった。