神大ら,SiC中の高密度窒素層のふるまいを予測

神戸大学と北海道大学の研究グループは,第一原理計算に基づいたSiC中の高密度窒素層の構造モデルの提案を行なった(ニュースリリース)。

パワーエレクトロニクス用途向けの次世代半導体材料として注目を集めているSiCはMOSFETに用いることで,高耐圧性・高速応答性などの優れた高性能な電力変換デバイスが実現できると期待されている。

しかしながら,現在のSiC-MOSFETではキャリア移動度の改善が課題としてある。MOSFETの製造では,SiC表面上にSiO2の絶縁被膜の形成(酸化処理)が必要になるが,処理中に偶発的に入り込む欠陥によりキャリア移動度が著しく低下することが知られている。

近年では,窒素系ガス中での熱処理(窒素アニール)により,SiC-MOSFETの特性が向上することが報告されている。実験によると表面には高密度(1cm2あたり1014~1015個)の窒素原子が層状に存在すると考えられる。

SiC結晶は特性の異なるさまざまな結晶面をもつが,窒化のしやすさは面方位にも依存することが知られている。このように,様々な結晶面の方位を考慮したとき,原子スケールで見たときに窒素原子がどのような構造を取るのかよく理解されていなかった。

研究では,SiC結晶中に形成される高密度窒素層の理論モデルを提案した。このモデルはさまざまな結晶面の方位(面方位)に対する窒素原子の配置を普遍的に記述することができる。

提案した構造は4H-SiCのバルク結晶中に窒素原子(NC)とそれを取り囲むようなシリコン空孔(VSi)を添加したもので,不対結合を生じないため化学的安定性が予想されるという。窒素原子密度は一平方cm2あたり1.2~1.5×1015個程度と,報告されている数値をよく再現している。

さらに,研究グループが開発を進める第一原理電子状態計算プログラムを用いたシミュレーションにより,構造最適化とエネルギーの安定性評価を行なった。形成エネルギーの面方位依存性から窒素添加の起こりやすさには異方性があり,今回のバルク結晶の場合はa面に沿った窒化が優位になることを理論的に予測した。

さらに,この挙動が窒素原子近傍のシリコン原子の窒素・炭素配位数に由来した電子状態の変化に起因することを明らかにした。窒化の異方性について,原子スケールからみたメカニズムの解明は初の試みだという。

研究グループは提案した高密度窒素層の構造モデルについて,窒化された界面をコンピュータで扱うための低コストな計算モデル構築に役立つとしている。

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