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本研究では、パワーデバイス材料として期待されている炭化ケイ素・窒化ガリウム・酸化ガリウムなどのワイドギャップ半導体に関して、衝突イオン化係数などの高電界キャリア輸送特性を理論的に検討することを目的としている。
2023年度は、2022年度より取り組んできた、窒化ガリウムにおける高電界電子輸送の解析に続き、窒化ガリウムにおける正孔について、バンド間トンネル効果も考慮した高電界輸送シミュレーションにより、衝突イオン化係数の歪に対する依存性を解析した。
さらに、4H-SiCにおける電子および正孔の高電界輸送の解析を行った。4H-SiCについては、電子状態を密度汎関数法で記述した。この場合におけるトンネル効果によるバンド遷移の扱いを容易にするため、波動関数の情報を用いずに分散関係のみからトンネル確率を見積もる手法を開発した。この手法を用いて4H-SiCにおける電子および正孔の衝突イオン化係数の理論解析を行い、温度依存性や異方性といった実験結果を再現する計算結果を得た。また、4H-SiCにおける電子の衝突イオン化係数の温度依存性に関連して、2021年度に行った解析的なバンド構造を仮定した計算でみられた現象と類似の現象が生じていることを示した。
さらに、酸化ガリウムにおける高電界正孔輸送の理論解析に向けた基礎検討も行った。
以上、本研究では、研究期間全体を通じて、ワイドギャップ半導体における高電界キャリア輸送特性のシミュレーションのために有用ないくつかのモデル・手法を開発するとともに、炭化ケイ素・窒化ガリウム・酸化ガリウムにおける電子および正孔の高電界キャリア輸送シミュレーションを行い、解析的なバンド構造を仮定した計算とも比較しつつ、これらの材料におけるドリフト速度や衝突イオン化係数といった高電界物性の理論解析を行った。
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