シルバコ・ジャパン： Silvaco Japan 製品FAQ

TCAD

Q1 外部から光をデバイスに照射する際に、周期構造のデバイスにも適応可能ですか？（例えば、表面に凹凸を持つ太陽電池デバイスに広範囲に光を当てるような場合です。)
Q2 GaN　HEMT シミュレーションでチャンネル部の２DEGを量子効果を考慮してシミュレーションすることは可能ですか？
Q3 UMOSにおける内部抵抗成分を求めることは可能ですか？例えば、ソース側、チャンネル部、エピ部、ドレイン側の抵抗成分です。
Q4 MOSキャパシターをシミュレーションする際に、周波数依存のCVカーブを得ることは可能でしょうか？
Q5 pn接合から空乏層の広がりを見たいのですが、可能でしょうか？
Q6 ATHENAでシミュレーション領域を大きく取ると、MESHが多くなり、シミュレーション時間が増えてしまいます。違う２つの構造を行うことでシミュレーション時間を短縮し、後につないで完全な構造を作ることは可能でしょうか？
Q7 3次元構造でLUMINOUS3Dではx-z平面からの設定ができるように書かれていますが、x-y平面から光を照射することは可能でしょうか？
Q8 多層膜の反射率を波長依存の特性を得ることは可能でしょうか？
Q9 SSUPREM4でUMOSにおいてトレンチの底に丸みをつけたエッチングをしたいのですが、可能でしょうか？
Q10 ATLASでゲート酸化膜に違う任意の誘電率を設定したいが、どのようにしますか？

Q1	外部から光をデバイスに照射する際に、周期構造のデバイスにも適応可能ですか？（例えば、表面に凹凸を持つ太陽電池デバイスに広範囲に光を当てるような場合です。）

A1	可能です。光源をbeamで設定する際に、PERIODICというパラメータをオンすることで、２次元でも３次元でも周期的な構造への境界条件を与えることが可能になります。 beam num=1 angle=90 front.refl reflects=2 wavelength=0.670 x.ori=2 y.ori=-6.0 period


ATLAS/LUMINOUS Solar Cell Texture Surface without PERIODIC	ATLAS/LUMINOUS Soller Cell Texture Surface with PERIODIC
図1. 左がPERIODICをオフにした場合の光線追跡、右がPERIODICをオンにした場合の光線追跡


ATLAS/LUMINOUS Solar Cell Texture Surface without PERIODIC	ATLAS/LUMINOUS Soller Cell Texture Surface with PERIODIC
図2. 同じ条件で光の強度分布の比較


ATLAS/LUMINOUS Solar Cell Texture Surface without PERIODIC	ATLAS/LUMINOUS Soller Cell Texture Surface with PERIODIC
図3. 同じ条件での光電効果による生成率の比較


ATLAS/LUMINOUS Solar Cell Texture Surface without PERIODIC	ATLAS/LUMINOUS Soller Cell Texture Surface with PERIODIC

図4. 同様な条件で再結合率の比較

Q2	GaN　HEMT シミュレーションでチャンネル部の２DEGを量子効果を考慮してシミュレーションすることは可能ですか？

シュレディンガー方程式とポワーソン方程式を結合したシミュレーションから量子化された２DEGを求めて、デバイスの特性をシミュレーションすることが可能です。 QUANTUMというモジュールをBLAZEと結合させて、以下のようなGaNのチャンネル層内部に存在するエネルギ準位と波動関数、そして電子濃度を求めることが可能です。

次のようなモデルの組合せと
model schrodinger.n eigens=8 fixed.fermi ^calc.fermi qy.min=-0.01 \
qy.max=0.25 qx.min=0.0 qx.max=5.0 \
fermi new.eig num.direct=1 qminconc=1.0e10 \
srh auger k.p orth.schro=0.0002
そして、
output con.band val.band band.param eigens=5
でバンド構造やシュレーディンガー方程式で得られた固有値を５つまで保存させます。

図１．GaN　HEMTの構造およびバンド構造や波動関数そして電子濃度分布

さらに、古典的に求めるバンド構造や電子濃度と量子効果によって得られたバンド構造や電子濃度を比較すると図２のように量子効果によるバンドシフトがおきかつ電子濃度がチャンネル領域から染み出される効果までがシミュレーションできます。

図２古典的な解析と量子効果を考慮した解析の比較バンド構造および電子濃度分布

Q3	UMOSにおける内部抵抗成分を求めることは可能ですか？例えば、ソース側、チャンネル部、エピ部、ドレイン側の抵抗成分です。

A3	可能です。図1のような構造のUMOSの抵抗成分の分布を求めるためには、PROBEを用いて、バイアスに依存した擬フェルミレベルと電流の関係から求めます。

図1. UMOS構造および内部抵抗成分

図1に知りたい場所の座標と抵抗を示しています。
ここで、x0は見たい場所のｘ座標でy0～5は表面から各抵抗成分をわけるｙ座標です。

logステートメントの前で次のように指定して

probe name=”Rref”	x=x0 y=y0 qfn
probe name=”Rn	x=x0 y=y1 qfn
probe name=”Rchan”	x=x0 y=y2 qfn
probe name=”Raccu”	x=x0 y=y3 qfn
probe name=”Repi”>	x=x0 y=y4 qfn
probe name=”Rsub”	x=x0 y=y5 qfn

log outf=idvg.log
　　　solve vstep=0.05 vfinla=5.0 name=gate
log off

例えば、全体の抵抗成分とチャンネル部の抵抗成分を見たい場合は次のようなPOST処理でEXTRACTを用いて各々のカーブを抽出します。

extract init infile=”idvg.log”
extract name=”Rchan” curve(v.”gate”, (probe.”Rchan”-probe.”Rref”)/i.”drain”) \
　　　outfile=”R_Channel.dat”
extract name=”Rtotal” curve(v.”gate”, (probe.”Rsub”-probe.”Rref”)/i.”drain”) \
　　　outfile=”R_Total.dat”

から、I-Rchannel, I-Rtotalのカーブが得られます。

図2. ガート電圧と内部抵抗成分

図3. ゲート電圧と内部抵抗の逆数

Q4	MOSキャパシターをシミュレーションする際に、周波数依存のCVカーブを得ることは可能でしょうか？

A4	簡単な構造として、図１のような構造のMOSCAPを考慮します。

図1. シミュレーション対象のMOSCAP

表1. MOSCAPシミュレーションのための各パラメータ

図2. 周波数依存のCVカーブ

以下のような設定で
ゲート・酸化膜・ｐ型シリコンのバンド構造が決まります。

models cvt auger srh Fermi print
material material=SiO2 semiconductor
material material=SiO2 eg300=9.0 affinit=0.9 \
　　　permi=3.9
material material=Silicon eg300=1.08 \
　　　affinity=4.17 permi=11.8

contact name=gate workf=4.25
interface qf=5e10

そして、あらかじめゲートに-3Vをかけてから、
＋３Vまでゲート電圧を振り、その際のゲート容量やバイアスごとの構造をファイルを保存し、バンド構造のバイアスによって変化することを確認します。

output con.band val.band band.param

で保存するファイルの内容にバンドパラメータを追加します。
solve vstep=-0.5 vfinal=-3.0 name=gate
log outf=cv-high.log
　　　solve vgate=-3.0 vstep=0.1 vfinal=3.0 \
　　　 name=gate ac freq=1e6 outf=test000 master
log off

図3. アニメーションゲート電圧―３Ｖ～＋３Ｖに対するバンド構造の変化

Q5	pn接合から空乏層の広がりを見たいのですが、可能でしょうか？

２つの方法があります。
ATLASであるバイアスをかけてからTonyplotで空乏層の線を表示させる方法とExtractでその定義から空乏層の幅を抽出する方法です。

まず、Tonyplotで見る方法ですが、
図１のようにDisplayからxjのアイコンを選択し、
DefineからJunctionsで図２のDepeletion Edgesをクリックし、Applyを押すと図３のようにｐｎ接合ラインと空乏層ラインが表示されます。
空乏層の定義は不純物濃度に対する多数キャリアの比です。
つまり、Depletion Edgesが0.5であれば、不純物濃度に対して多数キャリアが半分になるところを空乏化されたとします。

図1. Display Window

図2. Junctions Windows

図3. ｐｎ接合ラインと空乏層ライン

次はExtractを用いて空乏層の幅を求める方法ですが、まず、空乏層の定義は不純物の濃度に対して多数キャリアが半分になったところを空乏化されたとみなします。
そしてExtractを使って、求めます図３の構造を例とすると、x=1.1umとなる深さ方向に対して求めます。
すでに得られた構造ファイルを参照するので、vdrain5.strを初期ファイルとして読み込み、x=1.1umとなる場所でドナーに対して電子が半分になる深さを求めます。

extract init infile="vdrain5.str"
extract name="Dxn" x.val from curve(depth, (impurity="Electron Conc"
material="Silicon" mat.occno=1 x.val=1.1)/impurity="Donor Conc"
material="Silicon" mat.occno=1 x.val=1.1) where y.val=0.5

そして、こんどはアセプターに対して正孔が半分になる深さを求めます。
extract init infile="vdrain5.str"
extract name="Dxp" x.val from curve(depth, (impurity="Hole Conc"
material="Silicon" mat.occno=1 x.val=1.1)/impurity="Acceptor Conc"
material="Silicon" mat.occno=1 x.val=1.1) where y.val=0.5

最後に、EXTRACTで空乏層の幅を求めます。

extract name="Depletion Width@x=1.1um " $Dxp-$Dxn

図４にはDeckbuildで実行し、求めた例を示します。

図4. DeckbuildでExtractを用いて空乏層幅を求めた例　

Q6	ATHENAでシミュレーション領域を大きく取ると、MESHが多くなり、シミュレーション時間が増えてしまいます。違う２つの構造を行うことでシミュレーション時間を短縮し、後につないで完全な構造を作ることは可能でしょうか？

A6	可能です。 DEVEDITを用いてATHENA、DEVEDIT、ATLASなどで得られた構造をマージし、メッシュを再生成して、デバイスシミュレーションのATLASにつなぎます。 DEVEDITのJOINを用います。まず、locos.strを読み込み、JOINコマンドを用いて右側につないで、REMESHをすることで完全な構造を作ります。

図1. ATHENAでLOCOS構造とACTIVE構造を別にシミュレーションし、
結合する前

図2. DEVEDITで基準となるLOCOS構造にACTIVE構造をJOINして結合した構造

Q7	3次元構造でLUMINOUS3Dではx-z平面からの設定ができるように書かれていますが、x-y平面から光を照射することは可能でしょうか？

可能です。
ｘ方向は0～10um、ｙ方向も0～10umの大きさに、ｚ方向は10umの厚さのシリコンの領域に(5, 5, -2)を原点にする光源をシリコンに当てる場合には角度を調整して照射します。angle=180.0 theta=270とし、nxとnzで光源のサンプリングを解像度を設定します。そうしますと、図のようにx-y平面から光を照射することが可能となります。

# SECTION 5: Optical source specification
#
beam   num=1 x.origin=5.0 y.origin=5.0 z.origin=-2 angle=180.0 theta=270 \
             wavelength=0.623 nx=31 nz=31 raytrace=optoex13-1.str \
             xmin=-3 xmax=3 zmin=-3 zmax=3

Q8	多層膜の反射率を波長依存の特性を得ることは可能でしょうか？

可能です。例えば、GaN/AlNの20.5 PairのDBR層における反射率は各材料における屈折率モデルSellmeierを用いた例を示します。
まず、DBR構造を作る方法はいくつかありますが、LOOP STEPS/L.END 機能を用いた方法を紹介します。
表面から下にDBR層を設ける方法でBOTTOMというparameterをREGIONの中で指定します。この際にはMESHでAUTOをオンにすることでこの機能が適応されます。

mesh auto

x.mesh l=0.0 s=0.5
x.mesh l=10.0 s=0.5

region bottom material=GaN thick=0.046 ny=20

loop steps=20
region bottom material=AlN thick=0.053 ny=20
region bottom material=GaN thick=0.045 ny=20
l.end
region bottom material=AlN thick=0.025 ny=20
region bottom material=Sapphire thick=1.0 ny=40

図１ 20.5 PairのGaN/AlN DBR

そして、屈折率モデルのSellmeier法を適応するために次のような設定とパラメータ、そしてMODEL設定することで図２のような反射率の特性を得ることが可能です。

# refractive index of Sellmeier method
material material=AlN ndx.sellmeier s0sell=3.14 s1sell=1.3786 s2sell=3.861\
             l1sell=0.1715 l2sell=15.0333
material material=GaN ndx.sellmeier s0sell=3.6 s1sell=1.75 s2sell=4.1 \
             l1sell=0.256 l2sell=17.86057
material material=Sapphire ndx.sellmeier s0sell=1 s1sell=1.0058264 \
             s2sell=5.280792 l1sell=0.1107 l2sell=17.9266
vcsel vcsel.check photon.energy=1.24/0.467 einit=2.34 efinal=3.1 nspec=390

図２ GaN/AlN 20.5 Pairにおける反射率の波長依存性

Q9	SSUPREM4でUMOSにおいてトレンチの底に丸みをつけたエッチングをしたいのですが、可能でしょうか？

A9	エッチングを行う際に、円曲線から、多点を結ぶようにし、ポリゴンとして座標を設定することで可能となります。たとえば、Trenchの幅がa um、深さがb umとすると、この２つのパラメータからTrenchの底が円形となるようにxとYを決めます。図１に右半分のTrenchの場合について適応した例を示します。

set xori=0
set yori=$b-$a/2
set radius=$a/2

set x1=$radius

etch silicon start x=-$'x1' y=-1.0
etch cont x=$'x1' y=-1.0
etch cont x=$'x1' y=$'yori'

etch cont x=$'x1'-0.01 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.01)*($x1-0.01))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.02 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.02)*($x1-0.02))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.03 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.03)*($x1-0.03))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.04 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.04)*($x1-0.04))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.06 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.06)*($x1-0.06))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.08 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.08)*($x1-0.08))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.10 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.10)*($x1-0.10))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.12 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.12)*($x1-0.12))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.14 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.14)*($x1-0.14))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.16 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.16)*($x1-0.16))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.18 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.18)*($x1-0.18))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.20 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.20)*($x1-0.20))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.22 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.22)*($x1-0.22))+$yori
【中略】
etch cont x=$'x1'-0.84 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.84)*($x1-0.84))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.86 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.86)*($x1-0.86))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.88 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.88)*($x1-0.88))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.90 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.90)*($x1-0.90))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.92 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.92)*($x1-0.92))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.94 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.94)*($x1-0.94))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.95 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.95)*($x1-0.95))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.96 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.96)*($x1-0.96))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.97 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.97)*($x1-0.97))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.98 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.98)*($x1-0.98))+$yori
etch cont x=$'x1'-0.99 y=sqrt($'radius'*$'radius'-($x1-0.99)*($x1-0.99))+$yori

etch cont x=-$'x1' y=$b
etch done x=-$'x1' y=$b

図 1. 丸みをつけたTrench構造

Q10	ATLASでゲート酸化膜に違う任意の誘電率を設定したいが、どのようにしますか？

A10

多層のゲート絶縁膜の場合や同じ材料でも違う誘電率を設定したい場合には次のような方法で可能です。

方法1

MATERIAL material=X permittivity=Y

方法2

MATERIAL region=A permittivity=Y

ここで、Xは材料名（ATLASマニュアルの付録BのテーブルB-1に材料名の一覧があります）、AはREGION番号で、YはXまたはAの誘電率です。

例えば、3層となるゲート絶縁膜として、REGION番号と材料名の構成が (1)PolySilicon -- (2)SiO2 -- (3)Si3N4 -- (4)SiO2 -- (5)Siliconのような構造の場合には

MATERIAL material=SiO2 permittivity=3.9
MATERIAL material=Si3N4 permittivity=22.0

または

MATERIAL region=2 permittivity=3.9
MATERIAL region=3 permittivity=22.0
MATERIAL region=4 permittivity=4.2

のように、材料名またはREGION番号にて設定可能です。