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研究内容

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計算機シミュレーションによる物性予測・新材料の創出

　主に計算機シミュレーションで、ワイドギャップ半導体の性質を予測・解析する研究を行っています。ワイドギャップ半導体の代表例としては、青色LEDの材料となっている窒化ガリウム（GaN）があります。窒化ガリウムと窒化アルミニウムや窒化インジウムを混合することで、広い発光領域をカバーすることができ、様々な色のLEDやレーザー、そして太陽電池の材料としてのポテンシャルも持ち合わせます。また、電子回路で使われるトランジスタの材料としても研究・開発が行われており、多くの可能性を秘めた材料です。

図1 InAlNの結晶構造（左図）と不純物を入れたSiCの電子密度分布（右図）

　酸化ガリウムは、パワー半導体（電力制御トランジスタ材料）の性能指数として使われるバリガ性能指数がSiCやGaNよりも大きい値であったり、オン抵抗が小さいことから、高効率でさらなる省エネが実現できるパワーデバイス材料に適していると考えられています。またそのバンドギャップの広さから、日中でも火炎の検知に使うことができる光センサの材料としても有望視されている材料です。

　酸化ガリウムは、単斜晶が安定構造ですが、他の結晶構造も存在しています。しかし、その物性の詳細は未知の部分が多く、電子材料として使うためには物性を明らかにしていく必要があります。また、酸化アルミニウムや酸化インジウムとの混晶で物性を変えることで、電子材料としての可能性を広げることができますが、酸化アルミニウムの安定構造は三方晶、酸化インジウムの安定構造は立方晶であるため、安定構造が単斜晶である酸化ガリウムとの混晶の物性がどうなるかは、とても複雑です。

　そこで当研究室では、様々な結晶構造の酸化ガリウムや、他の酸化物との混晶の物性を明らかにするために、第一原理計算による計算機シミュレーションを行っています。

　計算機シミュレーションでは、第一原理計算と呼ばれる計算方法を用いています。この第一原理計算では、その物質に対する実験結果を参照することなく電子状態を計算することができるので、物質の様々な性質（結晶構造、分子構造、格子振動、弾性的性質、誘電的性質、電子バンド構造、電子分極、結合エネルギー、形成エネルギー、格子欠陥構造、表面構造、…）を予測することができます。また応用として、未知物質の合成や実験では検証が難しい高圧状態での物質の性質の予測、電子デバイスの設計に役立てることができます。

図3 第一原理計算によるデバイス設計

　下の図は、同じ原子配置を仮定して計算したシリコン、炭化ケイ素、ダイヤモンド、窒化アルミニウムの価電子密度分布（s電子とp電子）です。電子密度分布の違いからそれぞれの材料の結合特性を視覚的にとらえることができます。

図4 原子核の周りの価電子密度分布

　計算機シミュレーションには、主に外部機関のスーパーコンピュータを用いています。