デバイス・シミュレーション・フレームワーク

Atlas™はシリコン、2元/3元/4元系材料デバイスの DC、AC、過渡解析を行う 2次元/3次元デバイス・シミュレータです。Atlasは半導体デバイスの幅広い技術について特性解析や最適化を行うことができます。

はじめに

デバイス・シミュレーションを利用すると、デバイス内部の物理現象を理解することができ、次世代デバイスの動作について信頼性の高い予測を行うことができます。正しく選択されたモデルと適切に定義されたメッシュ構造を使って実行した2次元デバイス・シミュレーションから、新たなデバイス構造をパラメータ解析して予測する上で非常に有益な結果を得ることができます。また、2次元/3次元モデリングおよびシミュレーション・プロセスを活用することによって、現行デバイスと新規デバイスのどちらについても、特性と動作をより正確に把握できるようになります。これにより信頼性と拡張性を向上させることができ、同時に、開発期間の短縮やリスクと不確実性の軽減にも効果を発揮します。

おもな特長

  • 費用のかかる試作実験の代替として、物理ベースのデバイスにおける電気特性/光学特性/温度特性を2次元または3次元で正確に解析
  • 歩留まりおよびプロセス変動の問題を解決し、速度、パワー、密度、降伏現象、リーク電流、光度、信頼性などの最適な組み合わせを実現します。
  • Athena 2次元プロセス・シミュレーション・フレームワークと完全に統合し、分かりやすい視覚化ツール、豊富な例題集、容易なデバイス入力環境を提供
  • 多様なテクノロジに対応-シリコン、III-V、II-VI、IV-IV、ポリマー等を材料とした、CMOS、バイポーラ、高耐圧パワー・デバイス、VCSEL、TFT、オプトエレクトロニクス、レーザ、LED、CCD、センサ、ヒューズ、NVM、強誘電体、SOI、Fin-FET、HEMT、HBT、有機テクノロジなど
  • Atlasのシミュレーション結果は、Utmostに取り込みSPICEパラメータ抽出が可能-Connecting TCAD to Tapeoutを実現
  • マルチ・コアおよびマルチ・プロセッサ搭載のSMPマシンでの並列処理、分散コンピューティングが可能
  • グローバルなサポート体制
  • お客様とサード・パーティ企業の大切な知的財産を守る、シルバコの強力な暗号化技術を利用可能

メリット

  • 先端半導体デバイスの電気特性、温度特性、光学特性を解析評価して、デバイス特性の最適化を実現します
  • 現在技術の課題に対処できるため、製品開発期間の短縮につながります
  • 新たなデバイス技術を探索して、次世代デバイスへ応用することができます

使用用途

パワー・デバイス

Atlasには、パワーMOS、LDMOS、SOIサイリスタ、IGBTなどのパワー・デバイスの電気的、熱的振る舞いを最適化できる機能があります。Atlasに採用されている拡張精度数値解法により、SiCやGaNなどバンドギャップの広い素材に対して、高い安定性と精度を備えたシミュレーション結果を得ることができます。これらのパワー・デバイスを回路に組み込んで、内蔵のSPICE回路シミュレータによるシミュレーションを行うこともできます。

ラッチ状態のデバイスにおけるホット・スポットの位置と電流フローを示しています。
先端CMOS

ホット・キャリア、ストレスおよび量子的補正、トンネリング・モデルを使って、FinFETやFDSOIなどの先端CMOSのシミュレーションを行うことができます。

イン・プレーン有効質量mx=my=mt=0.19m0 およびアウト・プレーン質量mz=me=0.91m0の谷を持つサラウンド・ゲート型トランジスタの直径10nmのチャネルにおける波動関数を示しています。
グリッド・ポイント数5041のメッシュ上の高速なプロダクト・スペース2次元シュレディンガー・ソルバにより求められた、1020 cm-3 にドーピングされた14×14 nm矩形構造のセルフコンシステントな量子化された電子密度を示しています。
化合物半導体

Atlasは、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、SiC、GaN、AlGaN、InGaNなど、幅広い化合物材料に対応しているため、複雑な化合物を使用した半導体デバイスの解析を行うことができます。

Blazeによって生成された解析結果ファイルには、電子密度など、デバイス内部の変数が含まれています。ショットキー障壁により、ゲートの下に空乏層が形成されます。電子はチャネル内のバンドギャップの狭い材料に集まります。
上図は、GaAs/ AlGaAs HEMTデバイス構造のゲート下の伝導帯のポテンシャル変動ならびに最初の7つのエネルギー準位を示しています。へテロ接合による閉じ込めおよびAlGaAs上層の空乏層によるポテンシャル井戸が存在することがわかります。
ディスプレイ

Atlasでは高度な欠陥モデルを使用できるため、薄膜デバイスの特性を解析することができます。

トップ・ゲート型n-チャネル・ポリシリコン薄膜トランジスタ構造図です。このタイプのデバイスは、アクティブ・マトリックス方式ディスプレイ素子を駆動するために使用されます。この図では、0Vにおけるポテンシャルの等高線を表示しています。結晶粒サイズ600nm、ポリシリコン膜厚50nm、ゲート酸化膜厚140nmです。

ボトム・ゲート型a-Si TFTのようなデバイスにとって、金属電極の形状は重要です。TFT 3Dでは、形状が電流および容量に与える効果を解析します。

ボトム・ゲート型a-Si TFTデバイス(Vd=1V時)
オプトエレクトロニクス

Atlasでは、太陽電池、CMOSイメージ・センサ、LED、OLED、レーザ、VCSELなどのデバイスに関して、光電応答をシミュレートできます。モード・ソルバ、レイ・トレース、トランスファー・マトリクス法(TMM)、時間領域差分(FDTD)光学法を使用できます。

Athenaで生成したマイクロレンズCCDのデバイス構造のプロットです。Luminousで生成した幾何学的レイ・トレースのデータを構造図に重ねて表示しています。幾何学的レイ・トレース機能により複雑なノンプレーナ構造の解析が可能となり、収率を最適化し、クロストークを減少させることができます。光電流発生率は、レイ・トレースによって得た局所光強度をベースにして計算しています。
特定の波長の光がイメージング・アレイの1つのセルに入射する様子を3次元でレイ・トレースした図
時間領域差分法を適用した、フォトニック結晶や回折格子などの光結合デバイスのLED出力結合の解析
放射線

シングル・イベント効果(シングル・イベント・アップセット、シングル・イベント・バーンアウト、シングル・イベント・ゲート破壊)などの放射線効果、総ドーズ量、線量率について、定常状態、AC、過渡の各解析でシミュレーションを行うことができます。

SEU衝突の定義には、粒子の進入ポイントからの距離や、時間、粒子軌道中心からの 距離に応じた電子正孔対の生成が含まれます。進入ポイントと退出ポイントは任意であり、複数の粒子衝突に対応しています。
新規デバイス

強誘電性絶縁体、磁性体、およびイオン輸送に対応した各モデルを使用して、新規デバイスの特性を評価することができます。

異なるゲート・バイアス値に対する非飽和強誘電体分極曲線

Atlas モジュール

S-Pisces

2次元シリコン・デバイス・シミュレータ。S-Piscesは、シリコン・ベース・テクノロジに対する高度な2次元デバイス・シミュレータで、ドリフト拡散とエネルギー・バランスの両方の輸送方程式を内蔵しています。表面/バルクの移動度、再結合、インパクト・イオン化、トンネルなどのモデルを含む非常に多くの物理モデルを備えています。

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Luminous

2次元光電デバイス・シミュレーション・モジュール。Luminousは、ノンプレーナ半導体デバイスの光の吸収と光電効果のモデリングに特化した高度なデバイス・シミュレーション・モジュールです。幾何学的レイ・トレース法を使用することで、一般的な光源に対する正確なソリューションを提供します。この機能により、任意の形状、内部および外部での反射や屈折、偏光、および散乱を考慮できます。また、多層構造のデバイスにおけるコヒーレンス効果に対して、光学的トランスファー・マトリクス法による解析も提供します。ビーム伝播法を使用して、コヒーレンス効果および回折をシミュレートすることも可能です。

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Organic Solar

有機太陽電池および光検出器シミュレーション・モジュールOrganic Solarモジュールを使用すると、Atlasにおいて、有機太陽電池デバイス、光検出器、およびイメージ・センサの電気的および光学的プロパティをシミュレートできます。Organic Solarは、有機光電変換デバイスの電気的/ 光学的振る舞いに関して、定常、過渡、ACの各解析におけるシミュレーション機能を提供します。励起子の濃度、拡散、生成/再結合、解離のすべての特性をシミュレート可能です。

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MixedMode

2次元デバイス用回路シミュレーション・モジュール。MixedModeは、SPICEコンパクト・モデルに加えて、物理ベースのデバイス・シミュレーションを統合する回路シミュレーション・モジュールです。正確なコンパクト・モデルが存在しない場合、または重要な役割を果たすデバイスを高精度でシミュレートする必要がある場合、物理ベースのデバイス・シミュレーションを使用します。SPICEネットリストの回路記述に従って物理ベースのデバイスを設定し、Atlasの2次元モジュールを任意に組み合わせてシミュレートすることが可能です。

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VCSEL

面発光型半導体レーザ用シミュレーション・モジュール。VCSELは、Atlasフレームワーク内で連携して、面発光型半導体レーザ(Vertical CavitySurface Emitting Laser: VCSEL)に対して物理方程式に基づいたシミュレーションを実行します。また、高度なデバイス・シミュレーションと連結して、光学的振る舞いの最先端モデルを用いて電気的振る舞いと熱的振る舞いを求めることが可能です。

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Quantum

量子効果2次元デバイス・シミュレーション・モジュール。Quantumは、半導体デバイスにおけるキャリアの量子閉じ込めおよび量子輸送など、さまざまな効果をシミュレートするモデルを提供します。シュレディンガー-ポアソン方程式のソルバにより、静電ポテン シャルとセルフコンシステントに基底状態エネルギーのキャリアの波動関数を計算できます。シュレディンガー方程式は、非平衡グリーン関数法 (Non-Equilibrium Green’s Function: NEGF) と連立させることができるため、強い横の閉じ込め状態にある2 次元デバイスまたは円柱形デバイスのバリスティック量子輸送のモデリングが可能です。Quantumはまた、ドリフト拡散および流体輸送方程式に対しての量子力学的補正のためのモデルも含みます。

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Magnetic

磁場効果2次元デバイス・シミュレーション・モジュール。Magneticモジュールを使用すると、デバイス・シミュレータAtlasで、デバイスの振る舞いにおける外部から加えられた磁場の効果を考慮したシミュレーションを実行することができます。キャリアの動きは、ローレンツ力が加わることにより変わります。この力は、キャリア速度と加えられた磁束密度ベクトルのベクトル積に比例します。Magneticモジュールにより、計算対象の電流フローおよびポテンシャル分布の変化を見ることができます。

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REM

放射線効果モジュール。REM(Radiation Effect Module)放射線効果モジュールにより、Atlas2次元/3次元デバイス・シミュレータやVictory3次元シミュレータは絶縁材料中の欠陥状態や固定電荷、電荷輸送を生成し、半導体の総線量、線量率、ならびにSEU効果のモデル化を実現します。

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Blaze

先端材料系2次元デバイス・シミュレータ。Blazeは、先端材料を使用して製造するデバイスをシミュレートします。2元、3元、および4元系半導体向けの物理モデルおよび材料パラメータのライブラリを備えています。

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Giga

2次元熱解析デバイス・シミュレーション・モジュール。Gigaは、S-PiscesおよびBlazeと連携して、自己発熱効果のシミュレーションを実行することができます。また、熱生成、熱フロー、格子温度、ヒート・シンクおよび物理定数における局所温度効果のモデルが含まれて います。温度効果と電気的物理効果はセルフコンシステントな計算により結合されます。

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LED

2次元LEDシミュレーション・モジュール。LEDは発光ダイオードのシミュレーションおよび解析に使用するモジュールです。LEDは、Atlasフレームワーク内でBlazeシミュレータと連携して、発光ダイオードの電気的振る舞い、光学的振る舞い、熱的振る舞いをシミュレートします

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TFT

2次元アモルファスおよび多結晶デバイス・シミュレーション・モジュール。TFTは物理モデルを備えた高度なデバイス・テクノロジ・シミュレーション・モジュールで、薄膜トランジスタを含むアモルファス・デバイスまたはポリシリコン・デバイスをシミュレートするために必要な数値手法に特化しています。フラット・パネル・ディスプレイ(FPD)などの大型ディスプレイ製品や太陽電池のシミュレーションに特に適しています。

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Organic Display

OLEDおよびOTFT向け有機ディスプレイ・シミュレーション・モジュール。有機ディスプレイ・シミュレーション・モジュールを使用すると、AtlasにおいてOTFTやOLEDなど有機ディスプレイ・デバイスの電気的および光学的プロパティをシミュレートできます。また、アクティ ブな有機デバイスの電気的振る舞いおよび光の振る舞いについて、一重項および三重項の励起子濃度、ドーパント励起子濃度、および光学発光特性を考慮に入れ、定常状態および過渡状態をシミュレートできます。

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Laser

半導体レーザ・ダイオード用シミュレーション・モジュール。Laserは、世界で初めて市販化された半導体レーザ・ダイオード用シミュレーション・モジュールです。Atlasフレームワーク内でBlazeと連携して、端面ファブリ・ぺロ型レーザ・ダイオードの電気的振る舞い(DCおよび過渡応答)や光学的振る舞いの数値解を提供します。

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Ferro

強誘電体デバイス用モジュールFerroは、強誘電性フィルムの特性を表現するためにマクスウェルの第1次方程式とFETの電荷シート・モデルを組み合わせたモジュールです。デバイスの静的I-V特性、ならびに過渡モードと小信号モードにおける動的応答を正確に予測することができます。

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Noise

2次元小信号ノイズ・シミュレーション・モジュール。Noiseは、S-PiscesまたはBlazeと連携して、半導体デバイス内で生成した小信号ノイズの解析を実行します。Noiseは、すべての小信号ノイズ源に対して正確な特性を解析し、回路設計の最適化に重要な性能指数を抽出します。

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