分子動力学法を用いた歪ＩＶ－ＩＶ族混晶半導体のＰＤＰ導出に関する研究

• 研究課題/領域番号: 15J07583
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 富田 基裕 早稲田大学, 理工学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2016年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2015年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 分子動力学法 / IV族混晶 / 熱伝導 / フォノン / 半導体 / 分子動力学 / IV-IV族混晶 / SiGe / GeSn / SiSn / 混晶 / IV-IV族

研究実績の概要

本年度は2体ポテンシャルによるC原子の再現可能性の検討と、昨年度に完成した2元系SiGeSnポテンシャルの3元系への拡張を行った。
SiGe, GeSny, SiSn, GeSiSnおよび SiCの熱伝導率のSiおよびSn濃度依存性についてMD計算によって調査を行った。なお、SiCの計算にはTersoffポテンシャルを、その他の混晶にはSWポテンシャルを用いた。2元系混晶の結果について比較を行うと、最も平均質量が軽いSiCで熱伝導率の低下が一番小さく、最も質量差の大きい組み合わせであるSiSnが最も低い熱伝導率を示した。また、3元系混晶についてはSiSnと同等の熱伝導率低下率を示している。
混晶における熱伝導率低下率は平均質量と構成原子の質量差に大きく依存しているが、最も平均質量が重いGeSnよりSiSnやGeSiSnの方が低い熱伝導率を示していることから、構成原子の質量差による寄与が大きいと考えられる。これらの傾向は先行研究の時間独立ボルツマン方程式による計算結果においても見られており、ボルツマン方程式の仮定に含まれる種々の散乱仮定の再現ができているものと考えている。また、SiCの計算結果については組成ごとに計算結果のばらつきが大きい。これはTersoffポテンシャルを用いたMD計算が原子組成や原子の初期配列に対して敏感であり、計算結果がばらついているものだと考えている。本ポテンシャルを用いた熱伝導率評価を行うためには複数の初期配置を計算して統計的な解析を行う必要がある。
本年度はGeSiSn3元系混晶を再現可能なポテンシャルの開発を完了することができた。このポテンシャルを用いることでMD法を用いたIV族混晶のフォノン物性や熱伝導率の詳細な解析が可能になる。しかし、C元素についてはSi、Ge、Snと違って取り扱いが難しく、ポテンシャル関数の検討から行う必要があると考える。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Development of interatomic potential of Ge(1- x-y )SixSny ternary alloy semiconductors for classical lattice dynamics simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomita Motohiro、Ogasawara Masataka、Terada Takuya、Watanabe Takanobu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 4S ページ: 04FB04-04FB04
  • DOI: 10.7567/jjap.57.04fb04
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Miniaturized planar Si-nanowire micro-thermoelectric generator using exuded thermal field for power generation (2018)
  • 著者名/発表者名: Tianzhuo Zhan, Ryo Yamato, Shuichiro Hashimoto, Motohiro Tomita, Shunsuke Oba, Shunsuke, Yuya Himeda, Kohei Mesaki, Hiroki Takezawa, Ryo Yokogawa, Yibin Xu, Takashi Matsukawa, Atsushi Ogura, Yoshinari Kamakura, Takanobu Watanabe
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials (STAM) 巻: 未定 号: 1 ページ: 443-453
  • DOI: 10.1080/14686996.2018.1460177
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of controlled strain in silicon nanowire by UV Raman spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokogawa Ryo、Hashimoto Shuichiro、Asada Shuhei、Tomita Motohiro、Watanabe Takanobu、Ogura Atsushi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 号: 6S1 ページ: 06GG10-06GG10
  • DOI: 10.7567/jjap.56.06gg10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced nickelidation rate in silicon nanowires with interfacial lattice disorder (2017)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Shuichiro、Yokogawa Ryo、Oba Shunsuke、Asada Shuhei、Xu Taiyu、Tomita Motohiro、Ogura Atsushi、Matsukawa Takashi、Masahara Meishoku、Watanabe Takanobu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 122 号: 14 ページ: 144305-144305
  • DOI: 10.1063/1.4999195
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nano-scale evaluation of electrical tree initiation in silica/epoxy nano-composite thin film (2017)
  • 著者名/発表者名: Onishi Takuya、Hashimoto Shuichiro、Tomita Motohiro、Watanabe Takanobu、Mura Kotaro、Tsuda Toshihiro、Yoshimitsu Tetsuo
  • 雑誌名: Conference Proceedings of International Symposium Electrical Insulating Materials (ISEIM) 2017 巻: 2 ページ: 359-362
  • DOI: 10.23919/iseim.2017.8088759
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 分子動力学法を用いた2元系IV-IV族混晶半導体のフォノン物性の再現と予測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小椋 厚志, 渡邉 孝信
  • 雑誌名: 電子情報通信学会技術研究報告 巻: 116 ページ: 61-66
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of Interatomic Potential of Group IV Alloy Semiconductors for Lattice Dynamics Simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tomita, A. Ogura, and T. Watanabe
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 75 号: 8 ページ: 785-794
  • DOI: 10.1149/07508.0785ecst
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 分子動力学法を用いた2元系IV-IV族混晶半導体の格子-フォノン物性の予測と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小笠原 成崇, 寺田 拓哉, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 「電子デバイス界面テクノロジー研究会 ―材料・プロセス・デバイス特性の物理―」 (第23回研究会)
• [学会発表] Thermoelectric Characteristics of Rapid-Melting-Grown SiGe Wires Measured by Peltier Cooling Experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: huichiro Hashimoto, Kouta Takahashi, Shunsuke Oba, Takuya Terada, Masataka Ogasawara, Motohiro Tomita, Masashi Kurosawa, and Takanobu Watanabe
  • 学会等名: 2nd Electron Devices Technology and Manufacturing (EDTM) Conference 2018
  • 国際学会
• [学会発表] シリコンナノワイヤを用いた微小熱電発電デバイスの短レグ効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 武澤 宏樹, 姫田 悠矢, 橋本 修一郎, 大場 俊輔, 大和 亮, 熊田 剛大, 徐 茂, 目崎 航平, 富田 基裕, 詹 天卓, 松木 武雄, 松川 貴, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Persistent Homology を用いたアモルファスSiO2膜の構造解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: テイ チュウ, 寺田 拓哉, 富田 基裕, 渡邉 孝信, 小山 晃
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] IV族混晶のマイクロ熱電発電デバイス応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 孝信, 橋本 修一郎, 富田 基裕, 黒澤 昌志, 池田 浩也
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 熱電デバイス用組成傾斜SiGeワイヤの構造評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横川 凌, 橋本 修一郎, 高橋 恒太, 大場 俊輔, 富田 基裕, 黒澤 昌志, 渡邉 孝信, 小椋 厚志
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによるIV族混晶のフォノン物性の起源の調査 (2018)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小笠原 成崇, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 10μW/cm2-Class High Power Density Silicon Thermoelectric Energy Harvester Compatible with CMOS-VLSI Technology (2018)
  • 著者名/発表者名: Motohiro Tomita, Shunsuke Ohba, Yuya Himeda, Ryo Yamato, Keisuke Shima, Takehiro Kumada, Mao Xu, Hiroki Takezawa, Kohhei Mesaki, Kazuaki Tsuda, Shuichiro Hashimoto, Tianzhuo Zhan, Hui Zhang, Yoshinari Kamakura, Yuhhei Suzuki, Hiroshi Inokawa, Hiroya Ikeda, Takashi Matsukawa, Takeo Matsuki, Takanobu Watanabe
  • 学会等名: 2018 Symposium on VLSI Technology
  • 国際学会
• [学会発表] 分子動力学法を用いたGeSnおよびSiSn混晶内のフォノン物性予測と評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小椋 厚志, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 温度分布と不純物濃度分布が熱電特性に与える影響の考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 島 圭佑, 富田 基裕, 鎌倉 良成, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 分子動力学法を用いたSi/Si(1-x)Gex構造の界面熱抵抗評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 寺田 拓哉, 小出 隆太, 富田 基裕, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 水浸ラマン分光法による酸化膜被覆型Siナノワイヤの異方性二軸応力評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 横川 凌, 鈴木 貴博, 橋本 修一郎, 麻田 修平, 富田 基裕, 渡邉 孝信, 小椋 厚志
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-14
• [学会発表] 分子動力学法を用いた2元系IV-IV族混晶半導体のフォノン物性の再現と予測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小椋 厚志, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 電子デバイス研究会/シリコン材料・デバイス研究会
  • 発表場所: 北海道
  • 年月日: 2017-02-24
• [学会発表] 分子動力学法および分子軌道法を用いたGeSn混晶内のフォノン再現に関する考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小椋 厚志, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第22回電子デバイス界面テクノロジー研究会
  • 発表場所: 静岡
  • 年月日: 2017-01-20
• [学会発表] 分子動力学法を用いたGeSiSn三元混晶内のフォノン物性予測と評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小笠原 成崇, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 分子動力学計算によるAlOxNy/SiO2界面におけるダイポール形成の駆動力の調査 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋 憶人, 中川 宣託, 富田 基裕, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 分子動力学法を用いたIV-IV族結晶(SiGe, GeSn, SiSn)の熱伝導率評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小笠原 成崇, 寺田 拓也, 富田 基裕, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ニューラルネットワークを用いた多元酸化物界面のダイポールモーメントの予測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中根 滉稀, 富田 基裕, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 水浸ラマン分光法によるAr+イオン照射を施した酸化膜被覆型Si ナノワイヤの異方性二軸応力評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 横川 凌, 橋本 修一郎, 富田 基裕, 渡邉 孝信, 小椋 厚志
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Nano-scale Evaluation of Electrical Tree Initiation in Silica/Epoxy Nano-Composite Thin Film (2017)
  • 著者名/発表者名: Takuya Onishi, Genki Obana, Shuichiro Hashimoto, Motohiro Tomita, Takanobu Watanabe, Kotaro Mura, Toshihiro Tsuda, Tetsuo Yoshimitsu
  • 学会等名: 8th International Symposium on Electrical Insulating Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Interatomic Potential of Ge(1-x-y)SixSny Ternary Alloy Semiconductors for Classical Lattice Dynamics Simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Motohiro Tomita, Takanobu Watanabe
  • 学会等名: 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Possibility of Thermoelectric Property Improvement by Non-uniformly Doped Si (2017)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shima, Motohiro Tomita, Yoshinari Kamakura, Takanobu Watanabe
  • 学会等名: 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 分子動力学計算によるⅣ族混晶系の熱伝導シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕
  • 学会等名: 電気学会ナノエレクトロニクス新機能創出・集積化技術専門員会「半導体シミュレーション技術」
  • 招待講演
• [学会発表] Machine Learning of Interfacial Dipole Moments Between Multicomponent Oxide Films by Neural Network Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Koki Nakane, Motohiro Tomita, Takanobu Watanabe
  • 学会等名: 2017 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES: SCIENCE AND TECHNOLOGY(IWDTF 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Dipole Formation at AlOxNy/SiO2 interface by MD simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Okuto Takahashi, Nobuhiro Nakagawa, Motohiro Tomita, Takanobu Watanabe
  • 学会等名: 2017 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES: SCIENCE AND TECHNOLOGY(IWDTF 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Development and Verification of Interatomic Potential of Group IV Binary Alloy Semiconductors for Lattice Dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tomita, A. Ogura, and T. Watanabe
  • 学会等名: 7th Int. Symp. on Advanced Science and Technology of Silicon Materials
  • 発表場所: コナ, ハワイ
  • 年月日: 2016-11-21
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Interatomic Potential of Group IV Alloy Semiconductors for Lattice Dynamics Simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Tomita, A. Ogura, and T. Watanabe
  • 学会等名: Pacific Rim Meeting (PRiME) 2016 / 230th Electrochemical Society (ECS) Meeting
  • 発表場所: ホノルル, ハワイ
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] 分子動力学法および分子軌道法を用いたGeSn混晶内のフォノン再現に関する考察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕, 小椋 厚志, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 分子動力学法によるSiナノワイヤの熱伝導シミュレーション－波付き構造と酸化被膜の影響の比較－ (2016)
  • 著者名/発表者名: 小出 隆太, 富田 基裕, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] ニューラルネットによるHigh-k/SiO2界面分極の予測能力 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中根 滉稀, 功刀 遼太, 富田 基裕, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Ar+イオン照射によるSiナノワイヤのNi合金化反応の高精度制御” (2016)
  • 著者名/発表者名: 大場 俊輔、橋本 修一郎、武井 康平、ソン セイ、張 旭、徐 泰宇、麻田 修平、臼田 稔宏、遠藤 清、富田 基裕、徳武 寛紀、今井 亮佑、小椋 厚志、松川 貴、昌原 明植、渡邉 孝信
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 分子動力学法および分子軌道法を用いたSiGe混晶内のフォノン再現に関する考察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕、小椋 厚志、渡邉 孝信
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Ar+イオン照射によるSiナノワイヤのNi合金化プロセスの制御性向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 麻田 修平, 橋本 修一郎, 武井 康平, ソン セイ, 張 旭, 徐 泰宇, 臼田 稔宏, 遠藤 清, 大場 俊輔, 富田 基裕, 今井 亮佑, 小椋 厚志, 松川 貴, 昌原 明植, 渡邉 孝信
  • 学会等名: 電子デバイス界面テクノロジー研究会 ―材料・プロセス・デバイス特性の物理― (第21回研究会)
  • 発表場所: 東レ研修センター（静岡県三島市
  • 年月日: 2016-01-22
• [学会発表] Controlling Nickelidation Process of Si Nanowire by Ar+ Ion Irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Asada, S. Hashimoto, K. Takei, J. Sun, X. Zhang, T. Xu, T.Usuda, M. Tomita, R. Imai, A. Ogura, T. Matsukawa, M. Masahara, and T. Watanabe
  • 学会等名: 28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2015)
  • 発表場所: 富山国際会議場
  • 年月日: 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of Preferential Diffusion of Ni along Si/SiO2 Interface in Si Nanowire (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Hashimoto, K. Takei, J. Sun, S. Asada, X. Zhang, T. Xu, T. Usuda, M. Tomita, R. Imai, A. Ogura, T. Matsukawa, M. Masahara, and T. Watanabe
  • 学会等名: 28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2015)
  • 発表場所: 富山国際会議場
  • 年月日: 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] Ar+イオン照射によるSi ナノワイヤのNi 合金化プロセスの制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 張 旭、橋本 修一郎、武井 康平、ソン セイ、徐 泰宇、麻田 修平、臼田 稔宏、富田 基裕、今井 亮佑、小椋 厚志、松川 貴、昌原 明植、渡邉 孝信
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] BSP法を用いたSiGe/Geナノワイヤー構造に生じる応力緩和分布の高空間分解能測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕、武内 一真、山本 章太郎、小瀬村 大亮、臼田 宏治、小椋 厚志
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 分子動力学法および分子軌道法を用いたSiGe混晶内の原子間ポテンシャルに関する考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 富田 基裕、小椋 厚志、渡邉 孝信
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] GeO2酸化膜を考慮したGeナノワイヤ構造の熱伝導率およびフォノン分散関係の分子動力学的解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小出 隆太、志村 昴亮、橋本 修一郎、富田 基裕、渡邉 孝信
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2015-09-13