量子論コンピューティクスによるパワー半導体界面形成機構と電子物性の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03873
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 押山 淳 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任教授 (80143361)
• 研究分担者: 洗平 昌晃 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427) ; 松下 雄一郎 東京工業大学, 物質・情報卓越教育院, 特任准教授 (90762336)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: コンピューティクス / 密度汎関数理論 / デバイス界面 / 原子反応 / エピタキシャル成長 / 深層学習

研究実績の概要

本課題においては、大規模長時間シミュレーションを可能にする計算手法の開発と、それを用いたパワー半導体界面形成機構と電子物性の解明、の二点を研究目的としている。
第一の手法開発については、深層学習（ニューラルネットワーク：NN）と密度汎関数理論（DFT）を結合させた新手法、Orbital-Free DFT （OFDFT）手法、を完成させた。これはDFTでの運動エネルギー汎関数T[n]の表式（ここでn(r)は電子密度）を、NNを用いて新たに生み出し、それにより従来手法である軌道（orbital）を用いた計算方式を革新し、計算時間をターゲットサイズNに比例するように高速化（オーダーN計算）する手法である。実際、固体ダイヤモンドの構造物性を教師データとして新たな汎関数を開発し、他の24の物質群（原子、分子、半導体、金属、イオン性物質）の構造的性質を高精度で再現することに成功した。また、計算時間もオーダーNであることを実証した。成果はPhys Rev Research誌に公表された。
第二の物質計算の側面では、1) パワー半導体GaN、SiCのエピタキシャル成長機構の原子スケールでの解明、2) GaN-MOS デバイスの最適ゲート絶縁膜の探索、3) SiC上グラフェン生成機構の原子スケールでの解明、を中心に計算が実行された。1)では成長表面上での比較的に弱いGa-Gaボンドが成長のホットスポットになること、2)では、アルミナとシリカの混合酸化膜AlSiOがGaNとのきれいな界面を形成すること、3)ではSiC上Siが選択的に脱離してグラフェンが生成されること、が明らかとなった。結果は、Phys Rev Materials誌、J. App. Phys. 誌等で公表され、第31回半導体中欠陥国際会議、第20回MOVPE国際会議等で招待講演として発表された。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Strasbourg(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University of Strasbourg
• [雑誌論文] Microscopic physical origin of charge traps in 3D NAND flash memories (2023)
  • 著者名/発表者名: Nanataki Fugo、Iwata Jun-Ichi、Chokawa Kenta、Araidai Masaaki、Oshiyama Atsushi、Shiraishi Kenji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SC1038～SC1038
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acaeb3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Insight into the step flow growth of gallium nitride based on density functional theory (2023)
  • 著者名/発表者名: My Bui Kieu、Shiraishi Kenji、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 613 ページ: 155840～155840
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.155840
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic and electronic structures of interfaces between amorphous (Al2O3)_(1-x)(SiO2)_x and GaN polar surfaces revealed by first-principles simulated annealing technique (2023)
  • 著者名/発表者名: Chokawa Kenta、Shiraishi Kenji、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 133 ページ: 065301～065301
  • DOI: 10.1063/5.0132033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploration of a large-scale reconstructed structure on GaN(0001) surface by Bayesian optimization (2022)
  • 著者名/発表者名: Kusaba A.、Kangawa Y.、Kuboyama T.、Oshiyama A.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 120 ページ: 021602～021602
  • DOI: 10.1063/5.0078660
  • 査読あり
• [雑誌論文] An atomistic insight into reactions and free-energy profiles of NH3 and Ga on GaN surfaces during the epitaxial growth (2022)
  • 著者名/発表者名: Boero Mauro、My Bui Kieu、Shiraishi Kenji、Ishisone Kana、Kangawa Yoshihiro、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 599 ページ: 153935～153935
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153935
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microscopic identification of stepped SiC(0001) and the reaction site of hydrogen-rich epitaxial growth (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Tomoya、Chokawa Kenta、Shiraishi Kenji、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 035309
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.035309
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chickens or Eggs in the Atomic World: Structures and Electronic Properties of Defects in Semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: JPSJ News and Comments 巻: 19 ページ: 12
  • DOI: 10.7566/JPSJNC.19.12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomistic insight into the initial stage of graphene formation on SiC(0001) surfaces (2022)
  • 著者名/発表者名: Boero Mauro、Imoto Fumihiro、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 093403
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.093403
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic and electronic structures of nitrogen vacancies in silicon nitride: Emergence of floating gap states (2022)
  • 著者名/発表者名: Nanataki Fugo、Shiraishi Kenji、Iwata Jun-ichi、Matsushita Yu-ichiro、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 155201
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.155201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic mechanism of adatom diffusion on stepped SiC surfaces revealed by first-principles calculations (2021)
  • 著者名/発表者名: Seino Kaori、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 561 ページ: 149927～149927
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.149927
  • 査読あり
• [雑誌論文] Defect-free interface between amorphous (Al2O3)_(1-x)(SiO2)_x and GaN(0001) revealed by first-principles simulated annealing technique (2021)
  • 著者名/発表者名: Chokawa Kenta、Shiraishi Kenji、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 119 ページ: 011602～011602
  • DOI: 10.1063/5.0047088
  • 査読あり
• [雑誌論文] Order-N orbital-free density-functional calculations with machine learning of functional derivatives for semiconductors and metals (2021)
  • 著者名/発表者名: Imoto Fumihiro、Imada Masatoshi、Oshiyama Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 033198
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.033198
  • 査読あり
• [学会発表] `Clarification of Microscopic Mechanisms of GaN Epitaxial Growth and Interface Formation by Density-Functional Calculations (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Oshiyama
  • 学会等名: The 20th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computics approach to development of the next-generation semiconductor science (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Oshiyama
  • 学会等名: The 30th Anniversary Symposium of the Center for Computational Sciences at the University of Tsukuba
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computics Approach to Dislocation-Impurity Complexes and Interface Characteristics of GaN Devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Oshiyama
  • 学会等名: The 31st Int Conf Defects in Semiconducotors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computics Approach in Science of Power Electronics (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Oshiyama
  • 学会等名: 1st Int Conf on Computational Science and Data Analytics: COMDATA 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 押山研究室 名古屋大学未来材料・システム研究所
  • URL: http://ccs.engg.nagoya-u.ac.jp/oshiyama/
• [備考] 「富岳」成果創出加速プログラム 省エネルギー次世代半導体デバイス開発のための量子論
  • URL: https://fugaku-semicon.jp/