Research | 白石研究室

GaN中のらせん転位と不純物の複合体の理論的研究

GaNはデバイス特性に優れた次世代パワー半導体材料として、期待を集めている。GaN自立基板上縦型p-nダイオードにおいて、逆バイアス印加により検出されるリークスポットはらせん転位の位置に一致することが分かっている。本研究では、Mg不純物とらせん転位との複合体における電子構造を第一原理計算で解析し、リーク電流との関係を明らかにした。

計算結果は、Mg原子が転位芯に近づくほど安定化することを示した。これは、らせん転位はMg不純物を引き付ける傾向を持つことを意味する。転位芯からのMg原子の距離が離れた系に対して電子構造を解析したところ、Mg原子が転位芯に近づくにつれ、Highest occupied levelが伝導帯の下端に向けて上昇することが明らかになった。これらの結果から、らせん転位の周りにMg不純物が凝集し、Mgとらせん転位との複合体が形成されると、らせん転位とMg不純物の複合体はドナーとして振る舞い、リーク電流の原因になることが示された。

GaNの結晶成長過程の原子レベルでの解析

GaNのMOVPE法は青色発光ダイオードの作製等に用いられており、パワーデバイスや深紫外光デバイスへの応用に向け活発な研究がなされている。MOVPE成長は、水素（H₂）または窒素（N₂）キャリアガスにより原料ガスであるトリメチルガリウム（TMGa,(CH₃)₃Ga: TMG）とアンモニア（NH₃）を表面温度1300Kの基板に供給する。しかし、TMG分解の詳細な過程は未だ解明されていない。そこで、原料ガスであるTMGとNH₃に加えてH₂も含めた分解反応の活性化自由エネルギーをab initio計算によって求めることにより、TMG分解反応の主反応経路についての詳細な理論的考察を行った。

その結果、TMGにH₂およびNH₃が反応したときの分解反応を考えると下図のようになる。この分解反応にはNH₂やHなど明らかに不安定な分子および原子が発生しないように選んでいる。計算した活性化自由エネルギーを用いて、反応速度を計算すると図1で示した赤色の矢印のように、NH₃ とH₂が交互に反応する経路が最も反応速度が速い経路になることがわかった。これはTMGがNH₃と反応しアミノ基が形成されても、すぐにH₂によって分解されることを示している。また、GaCH₃やGaHは活性化自由エネルギーが高くなるため生成されにくく、最終的にはGaH₃が形成されてこれがGaN表面に取りこまれることが明らかとなった。

エネルギーハーベスティング技術の理論的研究

周囲のエネルギーを電力に変換して発電するエネルギーハーベスティング技術が多くの研究者・技術者によって盛んに研究されてされている。エネルギーハーベスティング技術の中でも、カリウムイオンエレクトレットを用いた振動型MEMS発電デバイスはその高い性能から大きな期待を集めている（図1）。カリウムイオンエレクトレットは半永久的に負電荷を保持する材料であり、カリウムを含んだa-SiO₂を電圧処理しカリウムイオンを除去することで得られる。しかしカリウムイオンエレクトレットにおける負電荷蓄積機構・保持機構は未だ解明されていない。本研究ではカリウムイオンエレクトレットの負電荷蓄積機構・保持機構の理論的解明を行った。

第一原理計算による解析の結果、通常のa-SiO₂中のSiは4配位構造を取る野に対し、カリウムイオンエレクトレットで用いられるa-SiO₂中には5つの酸素と結合を持つ5配位のSiO₅構造が存在することを明らかにした（図2）。SiO₅構造では、Siは＋4価になっているのに対し、酸素原子は－2価になっている。Oは2つのSiとボンドを形成するのでSi原子1個あたりの価数は－１である。つまり、SiO₅構造は全体として－1価に帯電し、カリウムイオンエレクトレットの負電荷蓄積の起源となる。Si-O結合は非常に強い結合であるため、このSiO₅構造構造は堅固な構造である。従って、カリウムイオンエレクトレットの負電荷保持能力は高く、これを用いた振動型MEMS発電デバイスは長寿命となることが期待できる。

炭素より重いIV族元素から成る二次元結晶の作成方法に関する理論的提案

炭素より重いIV族元素の二次元結晶（シリセンやゲルマネン）は、様々な興味深い電子物性をもつことが予言されている究極の薄膜材料である。近年それらは金属上にうまく合成できるようになっているが、金属表面原子との強い相互作用によりその電子状態は著しい変調を受けることが明らかにされている。すなわち，シリセンやゲルマネンそのものの優れた電子物性を測定するためには、何にも接していないフリースタンディング構造を作成する必要がある。一方、水素化したシリセン（シリカン）やゲルマネン（ゲルマナン）は、CaSi2やCaGe2結晶を水素化して得られる層状結晶を剥離することによって作成されうる。もしシリカンやゲルマナンに吸着している水素を何らかの方法により脱離することができれば、シリセンやゲルマネンの新たな作成方法であり大変興味深い。

本研究では、雰囲気を調整することによってシリカンやゲルマナンの水素が脱離できるかどうか、すなわちシリカンやゲルマナンからシリセンやゲルマネンが作成可能かどうかを理論的に検討した。第一原理計算と統計力学的手法を駆使して水素脱離前後のギブス自由エネルギーを計算した結果、いずれの場合も温度を上げ、真空度を高めれば水素が脱離していくことが明らかとなった。特に、ゲルマナンからはより容易に水素が脱離する。以上の結果から、シリカンやゲルマナンの架橋構造を作成し雰囲気を調整することによって水素を脱離すれば、シリセンやゲルマネンそのものの優れた電子物性を計測することが可能となるだろう。