日本物理学会2002年3月 領域10 概要集原稿 26pXR- 4 オーダーN 電子構造計算による半導体脆性破壊プロセス 東大工星健夫, 下司雅章, 藤原毅夫 Order-N electronic-structure theory and brittle fracture of semiconductors Dept. of Appl. Phys., Univ. of To kyo, Ta keo Hoshi, Masaaki Geshi, Ta keo Fujiwara オーダーN 法とは、計算コストが粒子数に比例する計算手法の総称であり、 大規模電子構造計算の基礎をなす。我々は変分法・摂動法を用いたオーダー N 法を確立し[1]、それに基づく分子動力学プログラムを開発した。テストと して、最大約26 万原子系に対する計算を標準的PC ( 1 x Pentium 4、2GB メモ リ)と数種の並列計算機で行った。 応用として、半導体シリコン単結晶の脆性破壊をシミュレートし、内部変 数である局在波動関数を解析した。特にsp 混成比に着目した解析を行い[2]、 以下の知見が得られた。シリコン脆性破壊プロセスにおいては、混成自由 度が、各波動関数ごとに大きく変化している。これは、結合切断による、(a) 結合エネルギーの損失、と、(b) sp3 混成を解消しs 成分が増えることによる エネルギーの利得、とが競合していることによるものである。ハミルトニ アン行列要素においても、両者の値は同程度( 約6-8eV)であり、上記理論を 支持している。両者の優劣は、局所的環境とくに配位数によって逆転しうる ものであり、これが脆性破壊の原因となっている。ただし、波動関数の直交 性により、上記性質は局所的であり、巨視的効果にはなりえない。従来から 知られている脆性破壊の基礎理論( 理論)は連続体描像に基づくもの であったが、本理論はそれとは異なり、原子スケールの理論になっている。 [1] Hoshi and Fu jiwara,JPSJ 69, 3773 (2000). [2] sp 混成比の自由度は、周期律表 の「縦」の自由度に相当するものとして、その重要性が古くから知られてい る。レビューとして、Phillips, RM P 42, 317 (1970). 図(省略) 図:破壊プロセスシミュレーションにおける断面( 一部)。(001) 方向( 図では 左右)に引っ張り試験をしている。(a) から(d) までの経過時間は約0.7ps。各局 在波動関数をノルム分布によって、原子軌道( 球)と結合軌道( 棒)によって 表現している。実際の図は、さらに混成自由度により色分けされており、結 合切断にともない、混成比が大きく変化することが分かる。