2016 Fiscal Year Research-status Report
実現する原子配置と材料物性値の計算手法の開発とIV族半導体結晶の高品位化への適用
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16K04950
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| Research Institution | Okayama Prefectural University |
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Principal Investigator |
末岡 浩治 岡山県立大学, 情報工学部, 教授 (30364095)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 秀和 千葉工業大学, 工学部, 教授 (00581141)
中塚 理 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20334998)
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| Project Period (FY) |
2016-10-21 – 2019-03-31
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| Keywords | IV族半導体 / 第一原理計算 / 原子配置 / 大口径シリコン結晶 / パワーデバイス用シリコン / 太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の全体的な構想は，ダイヤモンド構造を有する結晶において実現する原子配置と材料物性値を計算により求める手法を開発し，この計算手法を適用することにより，現代の電子デバイスの主流材料であるSi結晶を中心とするIV族半導体の高品位化に貢献することである．
平成28年度は「置換位置と格子間位置の両方を考慮した，独立な原子配置と各配置における等価な配置数を算出するプログラム」の作成を行った．プログラムのアルゴリズムは，(1)与えた組成において，置換位置とすべての格子間位置を同時に考慮して可能な原子配置をすべて求め，(2)動径分布関数を用いて各構造を比較し，独立な原子配置と各配置における等価な配置数を求める，構成となっている．
さらにこのプログラムを用い，450 mm直径無欠陥Si結晶の育成条件の提示を目指すシミュレーションを行った．得られた主要な結果は以下の通りである．(1)Si結晶育成中の固液界面近傍における様々な熱応力状態を考慮した，点欠陥の形成エンタルピーを求めた．(2)300mm結晶育成におけるVoronkov の臨界v/G値をシミュレーションにより再現することに成功した．(3)CZ法育成で取り込まれる酸素が点欠陥濃度に与える影響について，実験を再現することに成功した．
なお，本研究成果に関し数件の論文発表を行うとともに，電子情報通信学会，電気化学会において招待講演を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成28年度には「置換位置と格子間位置の両方を考慮した，独立な原子配置と各配置における等価な配置数を算出するプログラム」の作成を計画していたが，作業は順調に進行した．その結果，一部の原子配置において検討の余地は残るものの，研究の遂行には問題ない精度のプログラムを開発できた．
さらにこのプログラムを用い，450 mm直径無欠陥Si結晶の育成条件の提示を目指すシミュレーションを行った．得られた主要な結果は以下の通りである．(1)Si結晶育成中の固液界面近傍における様々な熱応力状態を考慮した，点欠陥の形成エンタルピーを求めた．(2)300mm結晶育成におけるVoronkov の臨界v/G値をシミュレーションにより再現することに成功した．(3)CZ法育成で取り込まれる酸素が点欠陥濃度に与える影響について，実験を再現することに成功した．大口径Si結晶の高品位化に関する研究は平成30年度末まで継続するが，現時点で本研究成果に関し数件の論文発表を行うとともに，電子情報通信学会，電気化学会において招待講演を行うなど，予定以上の成果が挙がっている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度はSi結晶成長の研究と並行して，パワーデバイス用Si結晶中のキャリア・ライフタイム制御欠陥も研究対象とする．リン（P）ドープn型Si結晶のライフタイム制御を目的として電子線照射により意図的に導入したV-V（原子空孔対）やV-P（空孔リン対）のような深い準位の欠陥を想定している．これらの欠陥の形成過程や，格子間Oや格子間Cとの相互作用により，これらの欠陥が構造変化する機構の解明を目的とする．
平成30年度はSi結晶成長の研究と並行して，太陽電池用のIV族混晶系半導体に本計算手法を適用する．Ge母相やSi母相に%オーダーでCやSnを格子置換することによりバンド構造を制御することが検討されているが，「任意の組成において置換位置を占める添加元素の割合」を予測する手法がなく，バンドギャップの予測もベガード則の適用に留まっている．本計算手法では，任意の組成において独立な原子配置と各配置における等価な配置数を算出し，独立な各配置の形成エネルギーを第一原理計算により得る．従って，独立な原子配置群をカノニカル集団として扱い，統計力学における分配関数を求めることで，各原子配置の実現確率やバンドギャップなどの期待値を求めることができる．これにより，たとえばSi中でCやSnが置換位置を占める割合を予測したり，実験と比較しうるバンドギャップの期待値を得ることを目標とする．
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| Causes of Carryover |
予定より高性能の計算機を導入したため物品費が予算額を超えたが，外注作業を平成28年度と29年度に分けて実施することとしたため，平成28年度には238,552円の残額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度の残額238,552円は，外注作業の残りを実施するために使用する．平成29年度の当初予算は，予定通り成果発表や打ち合わせのための旅費として使用する．
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