数値計算で電子の流れ高精度解明―次世代省エネ型電力用素子に道：筑波大学ほか
(2017年1月25日発表)
筑波大学は1月25日、次世代の省エネ型電力用半導体素子の実現に道をひらく新技術を開発したと発表した。従来のシリコンに代わる省エネ型半導体として期待されるシリコンカーバイド（SiC）内部の電子の流れをコンピューターによる数値計算で高速・高精度に予測できるようにした。電力設備や電気自動車、電車などに欠かせない電力用半導体の性能向上につながり、他の半導体素子への応用もひらけるという。
開発したのは、筑波大、計算科学研究センターの小野倫也准教授らのグループ。電子や原子など極微の世界の物理理論「量子力学」に基づいて電子の流れを原子・電子スケールで高速・高精度に予測する新しい計算手法を開発、SiC素子の性能を低下させる要因の一つを発見した。
シリコン半導体はエネルギーの利用効率の点で限界が近いとされるが、SiCは高電圧高温下でも利用でき省エネ型電力用素子に適している。ただ、SiCは内部の電気抵抗が極めて大きく、半導体素子に必要なオンオフ切り替えのための電圧が極めて不安定になるという課題を抱えていた。
その原因は、電子の流れを制御するゲート部分とSiC基板の間にある絶縁膜の接合面付近に生じる界面欠陥にあると考えられている。しかし、その解明に不可欠な、基板と絶縁膜との間の電子の流れを解明するのは実験的な手法では難しかった。理論に基づく数値計算で解明しようとしても、従来の計算手法では計算量や精度の点で制約があった。
これに対し、小野准教授らが開発した新しい理論計算手法では計算の高速化を実現、スーパーコンピューター「京」などを駆使してSiC素子内部の電子の流れを数値計算で再現できるようにした。その結果、SiC素子では作製過程で界面に酸素原子が侵入して電子の通路を破壊し、電気抵抗が増大していることを突き止めた。
研究グループは「酸素の侵入による電子の通路の破壊を抑えられれば、電気抵抗を低く抑えられる」とみており、エネルギー利用の高効率化が期待できるとしている。
