3D Device Simulator

Device 3D는 모든 형태의 소자에 쓰이는 물리 기반 3D 소자 시뮬레이터로서, 오늘날 일반적으로 사용되는 반도체 물질에 대한 물성을 포괄합니다. 광자 흡수, 광자 발산, 벌크 및 경계면 트랩, 자기장, 발열, 전리 방사선의 충격, 핫 캐리어 및 터널링 효과 등 물리적인 현상을 반도체 방정식으로 일관되게 시뮬레이션할 수 있습니다. 그리하여, 태양 전지, CMOS 센서, LED, TFT, EPROM, 진보적인 기술의 CMOS와 파워 소자 등을 시뮬레이션합니다. Device 3D 는 2D/3D 시각화 툴을 갖춘 런타임 환경과 간편하고 유연한 구문을 사용합니다.

나노 크기 소자

첨단 기술의 Fin FET, 나노 와이어 FET, 표준 FET를 Device 3D로 시뮬레이션할 수 있습니다.

Fin FET

Device 3D 구문으로 직접 생성한 Fin FET의 예입니다. 드리프트-확산과 Bohm Quantum Potential(이하 BQP) 3D 모델을 사용하여, 도핑 전자 분포 및 IV 특성을 나타냅니다.

FinFET 소자에서의 인(P) 분포 게이트 하부의 공핍층을 보여주는 전자 분포

 

드리프트-확산과 BQP 솔루션을 비교한 Id/Vg 특성

 

나노 와이어 FET

Quantum의 모델링 성능에 최근 추가된 기능으로, 양자 와이어 소자에서 강력한 양자 구속 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다. 양자 구속 효과를 모델링하기 위해, Quantum 3D는 1D 또는 임의 형태의 2D 슈뢰딩거 방정식과 3D 푸아송 방정식의 일관된 솔루션을 제공합니다.


3D 구조 표면의 전자파 함수 분포. 3D 푸아송 방정식으로 1D(왼쪽), 2D(오른쪽) 슈뢰딩거 방정식을 일관되게 해석합니다.

 


3D 실리콘 나노와이어 FET의 소자 구조(위), 전자 밀도의 등면(isosurface) (가운데), 전체 전류 밀도의 등면 (아래). 소스와 드레인 영역이 활성화되었으며, CMS(Coupled Mode Space) NEGF 방식으로 산출하였습니다.

 


균일한 채널 단면을 갖는 실리콘 나노와이어 트랜지스터의 구조(왼쪽)와 I-V 특성(오른쪽). UMS(Uncoupled Mode Space) NEGF 방식으로 산출하였습니다.

 

앞선 구조의 50nm MOSFET

다음 예는 Victory Process로 생성한 50nm MOSFET 구조입니다. Victory Process는 공정 시뮬레이터 옵션으로서, 임의 형태의 마스크 레이아웃에 의한 3D 공정 시뮬레이션 후에, Device 3D 와 호환되는 구조를 만들 수 있습니다.

마스크 세트, 공정 시뮬레이션 형태, Device 3D 변환 구조, 전기적 특성을 아래에 나타냈습니다.

 

마스크 레이아웃 공정 시뮬레이션 구조

 


gate spacer의 유무에 따른 Atlas 변환 구조

 

넷 도핑의 단면
상이한 채널 도핑에 대한 IV 특성

 

양자 우물 분석

3D 양자 소자에서 속박 상태 및 파동 함수를 해석할 수 있습니다. 아래 예에서, 단일 양자 우물 및 삼중 양자 우물 디자인에 대한 분석을 나타냅니다.

SQW 분석

3QW 분석

GaN/InGaN/GaN 단일 양자 우물(QW)과 델타를 삽입한 QW 양자화

 

메모리 소자

핫 캐리어 주입 및 터널링 모델은 플로팅 게이트에 전하를 주입할 수 있습니다. 이는 메모리 소자의 시뮬레이션에 필수적입니다. 아래의 예는 EPROM입니다.

EPROM 전자 농도 등면 플롯으로 표현한 EPROM 전위 분포

 

프로그래밍 전후의 IV 특성 시간 함수로 나타낸 플로팅 게이트의 집적 전하

 

광전자공학

기타 모든 반도체 방정식으로 광선 추적, 빛의 흡수 및 빛으로 생성된 캐리어를 일관되게 구하여, 포토다이오드, CMOS 센서 등의 광 흡수 소자를 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한, 광자 생성 방정식으로, LED 등의 광 발산 소자를 시뮬레이션할 수 있습니다.

Photodiode 시뮬레이션

InP/InGaAsP/InGaAs/InP photo diode 1.55µm에서 dark/illuminated 양극 전류 vs. 양극 전압

 

CMOS 시뮬레이션

3D의 고급 3D 광선 추적 기능으로, 이미지 배열의 공간 해상도 및 신호 간섭의 문제를 평가합니다. CMOS 센서 전위 분포

 

GaN LED 시뮬레이션


방사성 재조합율 분포

 

Thin Film 트랜지스터

TFT의 전기적인 특성은 벌크 및 표면의 트랩의 존재에 따라 좌우됩니다. Device 3D 에서, 이러한 결함은 밴드갭을 통한 연속체로써 설명하거나, 개별적으로 설정할 수 있습니다. 이들 소자를 제조하는 절연 기판(보통 유리)은 대개 낮은 열 전도율을 나타냅니다. 발열 효과에 대한 추가적인 모델링은 종종 소자의 전기적인 특성에 상당한 영향을 끼칠 수 있습니다.

TFT 엘리먼트의 8각형 배열. 컨택 및 SiO2 레이어를 투명하게 하여, 비정질 실리콘 엘리먼트를 보다 명확하게 볼 수 있습니다.

 

poly-Si TFT의 전달 특성
격자 온도 모델링의 유무에 의한 Id/Vd 특성

 

파워 소자

3D TCAD 소자 모델링을 응용하여, 파워 소자의 동작을 이해합니다. 사이리스터, 트라이액 등의 파워 소자는 종종 특정 반도체 현상으로 좌우되는 전기적인 특성을 갖습니다. 이 현상은 소자의 벌크 실리콘 깊숙이에서 발생하며, 측정값으로 바로 탐지하기는 어렵습니다. 3D TCAD 시뮬레이션으로 스위칭 과도 현상 등에서 언제든지, 전체 소자에서 진행중인 사항을 분석할 수 있습니다. 아래는 UMOS HexFET 시뮬레이션의 예입니다.

UMOS HexFET의 전위 분포
UMOS HexFET의 Id/Vg 특성

 

외부 회로 요소의 추가

파워 소자는 종종 수동 부하 요소를 연결하여, 시험 및 특성화를 수행합니다. 다음은 단자에 부가된 요소로 시험한 바이폴라 트랜지스터의 예입니다.

소자와 회로 요소의 혼합 시뮬레이션

 

시간 함수로 표현한 최대 소자 온도와 베이스 전류

 

발열

전력 소자의 대다수는 일반적인 동작 중에 상당히 열을 받습니다. 발열 효과를 시뮬레이션하여, 디자인에서 열을 내는 부분을 검출할 수 있습니다. 여기에서, 발열 효과를 나타내기 위해 간단한 저항을 사용하였습니다. 발열 효과를 임의의 소자에 대해 모델링할 수 있습니다.

매립형 인터커넥트 알루미늄 선의 발열에 의한 산화 보포막 표면의 온도 플롯

 

 


Atlas 3D 모듈

Giga 3D

3D Non-Isothermal Device Simulator. Giga 3D 모듈은 발열 효과를 소자 시뮬레이션에 접목하여 Device3D를 확장합니다. 이것은 열원, 열 흡수, 열 용량, 열 전도에 관한 모델을 포함합니다. 물리적인 모델 파라미터는 적절한 위치의 격자 온도에 종속하여, 반도체 소자 방정식과 격자 온도를 일관되게 결합합니다.

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TFT 3D

3D Amorphous and Polycrystaline Device Simulator. TFT 3D는 비정질 또는 폴리실리콘 소자를 3D로 시뮬레이션하기 위해, 물리 모델과 특수한 수치 기법을 탑재한 고급 소자 기술 시뮬레이터입니다. TFT 3D는 비정질 물질의 밴드갭에서 결핍 상태 분포에 대한 전기적인 효과를 모델링합니다. 전자/정공에 대한 단면 캡처 또는 수명 외에, 결정립 및 결정립 경계에 대한 에너지의 함수로서 상태 밀도(Density Of States, 이하 DOS)를 설정할 수 있습니다.

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Magnetic 3D

3D Magnetic Device Simulator. Magnetic 3D 모듈은 Atlas 소자 시뮬레이터에 외부 자장이 미치는 영향을 접목하였습니다. 전하 캐리어의 움직임은 로렌츠 힘에 따라 달라집니다. 로렌츠 힘은 캐리어 속도와 자속 밀도 벡터의 벡터 곱에 비례합니다. Magnetic 3D 모듈로 전류 흐름과 전위 분포에 대한 일련의 변화를 계산할 수 있습니다.

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LED 3D

3D Light Emitting Diode Simulator. LED 3D는 발광 다이오드의 시뮬레이션과 분석에 사용하는 모듈입니다. LED 3D는 Atlas 프레임워크에 통합되어, 발광 다이오드의 전기, 빛, 열적 거동을 3차원으로 시뮬레이션합니다.

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Luminous 3D

3D Optoelectric Device Simulator. Luminous 3D는 비평면 반도체 소자의 광학적 반응을 3D로 분석하기 위해 특별히 고안된 고급 시뮬레이터입니다.

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MixedMode 3D

Circuit Simulation for Advanced 3D Devices. MixedMode 3D는 콤팩트 분석 모델 외에 물리 기반 3D 소자를 포함하는 회로 시뮬레이터입니다. 정확한 콤팩트 모델이 없거나, 주요 역활을 담당하는 소자를 아주 정밀하게 시뮬레이션해야 할 경우, 물리 기반 소자를 사용합니다. 물리 기반 소자를 SPICE 넷리스트 회로 서술에 배치하고 Atlas 3D 모듈의 조합을 사용하여 시뮬레이션할 수 있습니다. MixedMode XL 라이센스로 MixedMode 3D 사용자는 물리 소자 또는 콤팩트 모델 소자를 회로 내에서 무제한 이용할 수 있습니다. 이로써 보다 정교하게 회로를 정의할 수 있습니다.

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Quantum 3D

3D Simulation Models for Quantum Mechanical Effects. Quantum 3D는 반도체 소자에서 캐리어의 양자 구속 및 전송에 대한 여러가지 영향을 시뮬레이션하기 위해 모델 세트를 제공합니다. 슈뢰딩거-푸아송 솔버는 속박 상태(bound state) 에너지와 관련 캐리어 파동 함수를 정전기 전위로 일관되게 계산합니다. 슈뢰딩거 솔버는 Non-Equilibrium Green’s Function(이하 NEGF)과 결합하여, 강력한 횡단 구속으로 3D 소자에서 탄도성 양자 전송을 모델링합니다.

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Rev. 120213_07