第一原理量子論によるSiC/SiO2界面形状と電子物性の相関

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16K18075
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 松下 雄一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90762336)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: SiC / 界面欠陥 / 単一光子光源

研究実績の概要

炭化ケイ素(SiC)は、その優れた物性からパワーデバイス半導体として近年注目を集めており、実際にすでにSiCパワーデバイスは市場に出回り始めている。SiCには、自然酸化膜としてSiO2を持ち、SiC-MOSFET（電界効果トランジスタ）の絶縁膜として利用できるという利点がある。しかし、現在のSiC-MOSFETでは、SiC/SiO2界面に高密度に存在する高密度欠陥準位の存在によりデバイス特性が理論性能値のたかだか10%未満しか出ていない。SiCデバイスの更なる普及、信頼性獲得のためにはSiC/SiO2界面欠陥の理解と、それらのデバイスへの影響を理解する必要がある。SiC/SiO2界面欠陥は必ずしもネガティブな側面ばかりではなく、新たな物理現象の舞台でもあることが最近明らかになって来た。SiC/SiO2界面の欠陥が単一光子光源として振舞うことが報告された。この界面の単一光子光源の正体を明らかにすることも、実応用に向けて重要な課題となっている。
今年度はSiC/SiO2界面近傍の炭素関連欠陥の網羅的な絞り込みと、それらの電子状態解明を進めた。昨年度の実験との共同研究により、界面には炭素関連欠陥が大量に存在する可能性が示唆されたが、その微視的形態に関しては依然未解明であった。本研究では、CPMD（カーパリネロ分子動力学法）用いたsimulated annealing法により、炭素関連欠陥の網羅的な探索を行なった。その結果、界面の酸素分圧に依存して、炭素関連欠陥の形態が大きく変わることを示した。特に、酸素分圧が小さい時に、炭素の凝集体の存在が示唆された。
本年度は、SiC/SiO2界面の欠陥と単一光子光源の発光波長との関係も調べた。SiO2のアモルファス構造に由来し、局所的な構造の違いが単一光子光源の発光波長に影響し、発光波長にばらつきが出ることを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Unfolding energy spectra of double-periodicity two-dimensional systems: Twisted bilayer graphene and MoS2 on graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsushita Yu-ichiro、Nishi Hirofumi、Iwata Jun-ichi、Kosugi Taichi、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 ページ: 010801～010806
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.010801
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-Principles Prediction of Densities of Amorphous Materials: The Case of Amorphous Silicon (2018)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Yoritaka、Matsushita Yu-ichiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 024701～024701
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.024701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive Study on Band-Gap Variations insp3-Bonded Semiconductors: Roles of Electronic States Floating in Internal Space (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsushita Yu-ichiro、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 054702～054702
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.86.054702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of single and composite structural defects in pure amorphous silicon: A first-principles study (2017)
  • 著者名/発表者名: Furukawa Yoritaka、Matsushita Yu-ichiro
  • 雑誌名: Journal of Non-Crystalline Solids 巻: 473 ページ: 64～73
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.07.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Novel Intrinsic Interface State Controlled by Atomic Stacking Sequence at Interfaces of SiC/SiO2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsushita Yu-ichiro、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 17 ページ: 6458～6463
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03490
  • 査読あり
• [雑誌論文] Periodicity-Free Unfolding Method of Electronic Energy Spectra (2017)
  • 著者名/発表者名: Kosugi Taichi、Nishi Hirofumi、Kato Yasuyuki、Matsushita Yu-ichiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 124717～124717
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.86.124717
  • 査読あり
• [学会発表] 結合クラスター理論と自己エネルギー汎関数理論に基づく原子の電子状態の比較 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小杉太一, 西紘史, 古川頼誉, 松下雄一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会（2018年）
• [学会発表] Coupled-cluster理論に基づくグリーン関数による周期系の電子状態計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 古川頼誉, 小杉太一, 西紘史, 松下雄一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会（2018年）
• [学会発表] 角度分解光電子分光と第一原理計算を用いた層状強磁性V1/3NbS2の電子構造の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田訓, 松下雄一郎, 岩田潤一, 厳正輝, 坂野昌人, 下志万貴博, 堀場弘司, 小野寛太, 組頭広志, 長鶴徳彦, 高阪勇輔, 井上克也, 秋光純, 石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会（2018年）
• [学会発表] 第一原理計算によるアモルファスの密度決定手法の提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 古川頼誉, 松下雄一郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会プログラム