3次元デバイス・シミュレータ

Device 3D™は物理をベースにしたあらゆるデバイス・タイプ向けの3次元デバイス・シミュレータです。そして、今日一般的に使用される半導体材料に対する材料プロパティも備えています。半導体の方程式を使用してセルフコンシステントにシミュレートできる物理現象は、光子吸収、光子放射、バルク・トラップや界面トラップ、磁界、自己発熱、電離放射線の衝突、ホット・キャリアおよびトンネル効果です。これにより、太陽電池、CMOSセンサ、LED、TFT、EPROM、CMOS先進テクノロジ、およびパワー・デバイスなどをシミュレートできます。Device 3Dでは、シンプルで、直感的、そしてフレキシブルなシンタックスとランタイム環境を使用しています。また、このパワフルなDevice 3Dでのシミュレーション結果を視覚化する、優れた2次元/3次元ビジュアライゼーション・ツールと連携します。

ナノスケール・デバイス

Device 3Dを使用すると、先進テクノロジであるFinFET、ナノワイヤーFET、標準FETなどをシミュレートできます。

Fin FET

Device 3Dシンタックスを使用して直接生成したFinFETの例です。ドーピング電子の分布、およびドリフト拡散モデルとボーム量子ポテンシャル・モデルを使用したIV特性を表しています。

FinFETデバイスにおけるリンの濃度を示しています。
ゲート下の空乏層領域の電子濃度を示しています。
ドリフト拡散とボーム量子ポテンシャル(Bohm Quantum Potential: BQP)ソリューションを比較したId/Vg特性を示しています

ナノワイヤーFET

量子モデリングに最近追加となった機能は、量子ワイヤー・デバイスにおける強い量子閉じ込め効果のシミュレーションです。量子閉じ込め効果をモデリングするために、Quantum 3Dでは、1次元または任意形状の2次元シュレディンガー方程式と3次元ポアソン方程式を使用したセルフコンシステントなソリューションを提供します。

3次元構造の表面に対する電子の波動関数の等高線図です。3次元ポアソン方程式とセルフコンシステントに解かれたシュレディンガー方程式(1次元:左図および2次元:右図)によって得たものです。

結合モード・スペースNEGFアプローチで計算された、ソース/ドレイン領域が張り出している3次元シリコン・ナノワイヤーFETに対するデバイス・スケマティック(左図)、 トータル電流密度の等価面(中央)、および電子濃度の等価面(右図)の図です。
均一なチャネル断面を持ったSiナノワイヤー・トランジスタに対するスケマティック(左図) およびI-V特性(右図)です。分離モード・スペースNEGFアプローチで計算しました。

先進的な形状を持つ50nm MOSFET

この例は、Victory Processを使用して生成した50nm MOSFET構造です。Victory Processはプロセス・シミュレータで、任意形状の、マスク・レイアウト・ドリブン3次元プロセス・シミュレーションの後に、Device 3Dに準拠した構造を生成します。
マスク・セット、プロセス・シミュレーション後の構造、Device 3Dに変換された構造、および電気特性の図を次に示します。

マスク・レイアウト
プロセス・シミュレーション後の構造
変換されたAtlas構造
ネット・ドーピングの断面図
さまざまなチャネル・ドーピングのIV特性

量子井戸解析

3次元量子デバイスにおいて、束縛状態および波動関数の解析が可能です。ここで、単一量子井戸と3連の量子井戸の解析を例として示します。

SQW解析
3QW解析
GaN/InGaN/GaN単一量子井戸(QW)とデルタ形状ではさまれたQW量子化

メモリ・デバイス

フローティング・ゲートへの電荷の注入には、ホット・キャリア注入およびトンネル効果のモデルが使用できます。これは、メモリ・デバイスのシミュレーションに必要となります。EPROM例を次に示します。

EPROMのポテンシャル分布を等価面プロットで表示します。
EPROMの電子濃度
プログラミング前と後のIV特性
時間の関数として表したフローティング・ゲートの積分された電荷

オプトエレクトロニクス

レイ・トレース、光吸収、および光学的に生成されたキャリアは、他のすべての半導体方程式とセルフコンシステントに計算されるため、フォトダイオードやCMOSセンサなどの光吸収デバイスがシミュレートできます。また、光子生成の方程式により、発光ダイオード(LED)のような光学的に発光するデバイスもシミュレート可能です。

フォトダイオード

InP/InGaAsP/InGaAs/InPフォトダイオード
遮光時/照射時のアノード電流対アノード電圧(1.55μm時)

CMOSイメージ・センサ

Luminous 3Dの高度な3次元レイ・トレース機能を使用することで、イメージング・アレイにおける空間分解能およびクロストークの問題を評価できます。
CMOSセンサのポテンシャル分布

GaN LED


発光再結合率の分布

薄膜トランジスタ

薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor: TFT)の電気特性は、バルク・トラップおよび界面トラップの存在によって決定されます。Device 3Dでは、これらの欠陥をバンドギャップ内の連続した欠陥として表現することができます。または離散化した欠陥として指定することも可能です。また、これらのデバイスが作製される絶縁基板(通常ガラス材)は、多くの場合、熱の伝導が低いことがあります。そこでさらに自己発熱効果のモデリングは、デバイスの電気特性に大きな影響を与えます。

TFT素子の8角形アレイです。コンタクトとSiO₂層は透明な構造で表示されているため、非結晶Si素子を明確に見ることができます。
格子温度モデリングの有無によるId/Vd特性
ポリシリコンTFTにおけるトランスファー特性

パワー・デバイス

3次元TCADデバイス・モデリングの非常に優れたアプリケーションとして、パワー・デバイスの動作の理解があります。サイリスタやトライアックといったパワー・デバイスの電気特性は、デバイスのシリコン・バルクの奥深くで生じ、計測によって直接プローブすることが困難な半導体の現象に左右されることが多くあります。その点、3次元TCADシミュレーションでは、デバイス全体の至る所で実際に何が生じているのかを、たとえばスイッチング過渡現象をいつでも即座に解析できます。UMOS HexFETのシミュレーション例を次に示します。

UMOS HexFET のポテンシャル分布
UMOS HexFETのId/Vg特性

外部回路素子の追加

パワー・デバイスのテストやキャラクタライズは、他の受動負荷素子を接続して実行されることがよくあります。下記の図は、バイポーラ・トランジスタの端子に集中定数素子を接続し、テストを行っている例です。

デバイスと回路素子の混合シミュレーション
時間の関数として表した最大デバイス温度およびベース電流

自己発熱

大部分のパワー・デバイスは、通常動作時にかなりの熱を発します。自己発熱のシミュレーションにより、どの部分が熱を帯びる可能性があるのかを検出できます。右図に、単純なレジスタを例に発熱効果を示します。自己発熱は、任意のデバイスに対してモデリング可能です。

埋め込まれた相互接続アルミニウム・ラインの熱に起因するパッシベーション酸化膜表面の温度プロットです。

熱流シミュレーション

パワー・デバイスの熱出力をデバイス・シミュレータで解析後、その結果を使用してThermal 3Dによる熱流解析が可能になります。パワー・デバイス単体、または複数のパワー・デバイスでもヒート・シンクやパッケージを共有する場合は単一の熱源として解析できるため、実装後のパッケージの温度上昇の予測が可能です。

銅のヒート・シンクの上にマウントされた、シリコン・カーバイド基板のGaN HEMTデバイス

Rev.120213_07

Atlas 3次元モジュール

Giga 3D

3次元熱解析デバイス・シミュレーション・モジュール。Giga 3Dモジュールを使用することでデバイス・シミュレーションに自己発熱の効果を付与し、Device 3Dの機能を拡張することができます。Giga 3Dには、発熱源、ヒート・シンク、および熱伝導のモデルが含まれています。物理パラメータおよびモデル・パラメータは、局部格子温度に依存します。半導体デバイス方程式と格子温度は、セルフコンシステントに結合されています。

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TFT 3D

3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 3D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、3次元におけるアモルファス・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。TFT 3Dを使用すると、非晶質材料のバンドギャップ内における欠陥状態の分布の電気的効果をモデリングできます。ユーザは、アモルファス・シリコンやポリシリコンの結晶粒と粒界に対して、電子とホールの捕獲断面積/ライフタイムと共に、エネルギーの関数としての欠陥の状態密度(Density of States: DOS)を指定できます。

詳細

Magnetic 3D

磁場効果3次元デバイス・シミュレーション・モジュール。Magnetic 3D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 3D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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LED 3D

3次元LEDシミュレーション・モジュール。 LED 3D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 3Dは、Atlasフレーム ワークと連携して、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3次元でシミュレートします。

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Luminous 3D

3次元光電デバイス・シミュレーション・モジュール。Luminous 3Dは、ノンプレーナ半導体デバイスの光学的応答を3次元で解析するために特化された高度なシミュレーション・モジュールです。

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MixedMode 3D

3次元デバイス/回路混合シミュレーション・モジュール。MixedMode 3Dは、SPICEコンパクト・モデルに加えて、物理ベースの3次元デバイス・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3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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Quantum 3D

量子効果3次元デバイス・シミュレーション・モジュール。Quantum 3D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(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3次元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。

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Rev. 120213_07