第 4 章 Si ドーパントの第一原理計算 51
4.5 結言
実験的に調べられたドーパントの積層欠陥部への偏析メカニズムについて，電 子構造とドーパント置換による格子ひずみの2つの可能性を第一原理計算によって 検証した．まずそのドーパントの積層欠陥部への偏析挙動を調べるため，n型ドー パントであるN，P，As，Sb，p型ドーパントであるB，Al，Ga，InをSi結晶中 の完全結晶部，または積層欠陥部に各々置換し，ドーパントの溶解エネルギー変 化を比較した．それと同時に各モデルにおけるエネルギー準位図を描画し，電子 構造変化を調べた．また格子ひずみの効果はSi純結晶の完全結晶部と積層欠陥部 を別々に伸縮させたモデルのエネルギー変化を比較することで検証した．
得られた結果は，
• Si結晶中におけるドーパントの偏析挙動
1. Al，Ga，In（p型ドーパント），P，As，Sb（n型ドーパント）は積層欠 陥部に濃化することで溶解エネルギーが低下し，その偏析エネルギーは 0.1eVにもなる．
2. Bは積層欠陥部に隣接する完全結晶部に濃化するモデルが最安定．
3. Nは不純物濃度によって挙動が変化し，濃化層が定まらなかった．
• ドーパント置換時の電子構造変化
1. p型ドーパントのAl，Ga，Inを積層欠陥部に置換した時，完全結晶部 へ置換した時に比べて価電子帯のエネルギーレベルが低下する．
2. n型ドーパントのP，As，Sbを置換した場合，溶解エネルギーに対応す るように不純物準位が上下し，積層欠陥部に置換した場合，完全結晶部 に置換時に比べて不純物が低下する．
• Si純結晶中の格子歪みの効果
1. 完全結晶部に比べて，積層欠陥部は{0001}方向に収縮しにくく，伸張 しやすい．
2. しかしそのエネルギー的利得は小さく，Asの置換による歪みから得ら れるエネルギーの低下は1meV程度．
の通りである．ドーパントの偏析挙動の予測は，大野らによるP，As，Sb，Gaは 積層欠陥部に偏析し，Bは偏析しないという実験結果と整合する2, 3)．またドーパ ントの偏析に格子歪みの影響は少ないという予測もAriasとJoannopoulosのGe半 導体中におけるドーパント偏析の第一原理計算による主張と同じである5, 6)．
これまで，Si結晶中において，n型ドーパントは積層欠陥部に偏析し，p型ドー パントは偏析しないとされており，ドーパントの偏析はドーパントタイプで区分
第4章Siドーパントの第一原理計算
されてきた．それに対して上記結果は，ドーパントタイプによる区分はないこと を示している．n型ドーパントの偏析は不純物準位の低下によるという点に関して はArias & JoannopoulosとJustoらの主張と同じだが，p型ドーパントにおいても 積層欠陥部への偏析によって，価電子帯そのものが下がり，安定化するという新 しい知見を示した5–9)．
参考文献
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