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電子-格子相互作用による特異構造の移動・変形の理論

公募研究

研究領域特異構造の結晶科学:完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス
研究課題/領域番号 19H04547
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関和歌山大学

研究代表者

小田 将人  和歌山大学, システム工学部, 講師 (70452539)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード特異構造 / 第一原理計算 / GaN / 電子格子相互作用 / 欠陥反応
研究開始時の研究の概要

窒化物半導体は、発光素子の画期的な新材料として大成功を収め、次世代パワー素子の候補としても期待されている。しかし応用研究が推進される一方で、基礎物性の研究は未解決な問題が山積している。たとえば、デバイス性能に悪影響を与える点欠陥や転位をはじめとする種々の特異構造の密度が、典型的な半導体材料であるシリコンと比べると桁違いに多い。さらに、デバイス使用中に特異構造が増殖・拡散することが知られている。デバイス性能をよりよくするためには、これら特異構造の移動や変形を原子レベルで理解し、制御する必要がある。
本研究では、量子力学の基礎方程式を理論的に解くことで、特異構造の移動・変形の理解を目指す。

研究実績の概要

近年,窒化ガリウム(GaN)半導体は次世代パワーデバイス材料として期待されている.しかし,応用研究が推進される一方で,基礎物性の研究は未解決な問題が山積している.特に,デバイス性能に悪影響を与える点欠陥や転位をはじめとする種々の特異構造が,デバイス作成時のアニール処理によって移動・変形することで偏析するという実験結果が数多く報告されている.特異構造偏析の問題を解決し,デバイス性能を担保するためには,まず偏析の原因である欠陥反応のミクロな機構を明らかにする必要がある.
欠陥反応を理解するためには,注目する欠陥について,電子状態,振動状態,電子-格子相互作用をそれぞれ定量的に求める必要がある.中でも,電子-格子相互作用は,第一原理的な手法を適用するためには計算コストが大きいため,これまで欠陥を含む系を対象にした研究はほとんどなかった.本研究では,欠陥反応に寄与する格子振動の多くが局在モードであることに注目し,簡便な電子-格子相互作用算出方法を開発した.
まず,その手法を用いて,もっとも基本的な系としてGa空孔欠陥(VGa)に注目し,電子状態,振動状態,および電子-格子相互作用を数値的に求め,VGaから別の複合欠陥(VN-NGa)への欠陥反応のミクロな過程を解析した.その結果,この欠陥反応が60 ns程度で起きることを明らかにした.
次に,より大きな特異構造(VGa-VN)から,(VGa-VN)2への反応機構をみるために,それぞれの安定構造を計算した.熱力学的な考察から,個々の空孔欠陥同志の引力相互作用が具体的に0.4 nm程度の距離しか影響しないことを明らかにした.

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 9件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] University College London(英国)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Study on Initial Growth Mechanism of (ZnO)1-x(InN)x Using First-Principles Calculation2020

    • 著者名/発表者名
      R. Furuki, M. Oda, Y. Shinozuka
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 59 号: SG ページ: SGGK11-SGGK11

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab658e

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Investigation of GaAs and AlAs atomic-layer epitaxial growth mechanism based on experimental results and first-principles total energy calculation2020

    • 著者名/発表者名
      Ohtsuka Nobuyuki、Oda Masato、Eshita Takashi、Tanaka Ichiro、Itoh Chihiro
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 59 号: SG ページ: SGGK16-SGGK16

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab6e07

    • NAID

      120007019838

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Effect of a Dopant for Migration Energies of (0001) oriented 5-7 edge dislocation in GaN2021

    • 著者名/発表者名
      J. C. Anderson, T. Miyazaki, J. Nara, and M. Oda
    • 学会等名
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic states calculation of GaAs_{1-x}Bi_x by interacting quasi-band model2021

    • 著者名/発表者名
      C. IIno and M. Oda
    • 学会等名
      The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microscopic Mechanism of Defect reactions in GaN2021

    • 著者名/発表者名
      M. Oda and T. Miyazaki
    • 学会等名
      International Symposium on Wide Gap Semiconductor Growth, Process and Device Simulation 2021
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 窒化ガリウム中に存在する空孔欠陥および複合欠陥の安定性と電子状態の変化2021

    • 著者名/発表者名
      柿原大嗣,小田将人
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Microscopic Structures of vacancy complexes in GaN2021

    • 著者名/発表者名
      M. Oda and T. Miyazaki
    • 学会等名
      Virtual Workshop on Materials Science and Advanced Electronics Created by Singularty
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] (ZnO)1-x(InN)xの結晶成長初期段階の第一原理計算による研究2019

    • 著者名/発表者名
      古木凌太,小田将人,篠塚雄三
    • 学会等名
      応用物理学会2019年秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Novel approach for Growth Mechanism of Atomic Layer Epitaxy of GaAs and AlAs2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Ohtsuka, Masato Oda, Takashi Eshita, Ichiro Tanaka, and Chihiro Itoh
    • 学会等名
      2019 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on the initial growth mechanism of (ZnO)1-x(InN)x using first-principles calculation2019

    • 著者名/発表者名
      Ryota Furuki, Masato Oda, and Yuzo Shinozuka
    • 学会等名
      2019 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Conformational change from VGa to NGa-VN complex in GaN2019

    • 著者名/発表者名
      Taishi Kakihara and Masato Oda
    • 学会等名
      The 9th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Migration Energies of 5-7 Edge Dislocations in GaN2019

    • 著者名/発表者名
      Jesse C Anderson, Masato Oda, Jun Nara, and Tsuyoshi Miyazaki
    • 学会等名
      The 9th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] First-stage of a defect reaction around Ga vacancy in GaN2019

    • 著者名/発表者名
      Masato Oda and Taishi Kakihara
    • 学会等名
      21st International Vacuum Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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