STREEM InGaN edition

高効率半導体デバイス (青緑LED, 半導体レーザ) 設計のためのMOCVD法によるIII族窒化物エピ成長プロセスにおける歪エンジニアリングシミュレーションツール

STRain Engineering in Electronic Materials-InGaN edition

製品概要

STREEM-InGaNは、MOCVD法により (0001) 面に成長されるInGaN系ヘテロ構造の特性を解析する専用シミュレーションソフトウェアです。TMIn, TMGa/TEGa, TMAlおよびNH3をH2/N2キャリアガス中で用いる従来の成長プロセスに対応しており、量子井戸やバリアから構成されるInGaN/GaN活性層だけでなく、その前後に成長される層も含めたヘテロ構造の解析が可能です。
近年、LED, レーザーダイオード、トランジスタなどのIII族窒化物半導体デバイスは、高性能化と低コスト化の要求を背景に急速な開発が進んでいます。これにより、デバイス設計のみならず、結晶品質や組成、ドーピングを精密に制御するためのエピタキシャル成長条件の最適化が重要な課題となっています。成長圧力、キャリアガス組成、原料ガス流量、成長温度などの条件は、ヘテロ構造内の組成、歪み・応力、転位欠陥密度に大きな影響を及ぼし、デバイス特性に影響を与えます。
STREEM-InGaNは、こうした成長条件とヘテロ構造特性との相関を定量的に理解・予測することで、最適な成長レシピの設計に役立ちます。

製品特徴

①ソフトウェアの機能

STREEM InGaNは、成長レシピがヘテロ構造の特性に与える影響を理解し、その制御および最適化を支援することを目的としたシミュレーションソフトウェアです。
特に、青色・緑色LED向けのInGaN/GaNヘテロ構造において、ヘテロ構造内での表面偏析を考慮したインジウム組成分布、格子不整合に起因する歪み・応力、およびV字転位形成による応力緩和を、シミュレーションにより予測することが可能です。
本ソフトウェアは、特に以下のような課題に対する解析に有効です。

解析事例

①InGaN/GaN量子井戸内の歪み緩和とインジウム組成分布への影響

InGaN/GaNヘテロ構造
InGaN/GaN活性領域のインジウム組成分布

上右図は、InGaN/GaN量子井戸内部のインジウム組成分布を示しています。
3番目の井戸において歪緩和が起こり、インジウム組成の上昇が見られます。

②InGaN成長後の温度ランピングがインジウム組成分布に与える影響

InGaN/GaN量子井戸内のインジウム組成分布 (温度ランピング依存性)

上図は、InGaN成長後の温度上昇がインジウム組成分布に与える影響をSTREEM InGaNを用いて解析した結果です。
グラフ中の灰色ラインは、インジウムの偏析を無視した理想的なインジウム組成分布を示します。
一方、赤色ラインは、温度775℃の結果、青色ラインは、温度750℃の結果をそれぞれ示します。
温度の高い方が、表面のインジウムがより脱離することによって、バリア層であるGaN層における表面偏析により混入したインジウム組成が低くなっていることが分かります。

計算モデル

STREEM InGaNは、III族窒化物半導体のヘテロ構造形成に伴う複雑な物理現象を高精度に予測するため、以下のような特長的な物理モデルを搭載しています。

  • 独自のガス輸送モデルにより、成長表面での成長速度やインジウムの偏析効果を考慮した、空間的に分布したインジウム組成を解析可能です。
    さらに、歪みによってインジウムの取り込みが抑制される効果も考慮しています。
  • 転位生成の予測モデルでは、転位の自己エネルギーと応力開放エネルギーのバランスに基づき、成長中に形成される転位の密度を定量的に計算します。
  • 転位の傾きに伴う圧縮応力の緩和効果もモデル化しており、基板とエピ層間の格子不整合により生じる応力が、傾いた転位を通じてどのように緩和されるかを評価できます。

転位緩和後の有効格子定数は、求められた転位密度および緩和効果に基づいて計算され、ヘテロ構造内の応力状態の変化を反映します。

②LED, 半導体レーザ向けデバイスシミュレータSiLENSeとの連携

組成分布、歪み、転位密度はヘテロ構造内の分極状態や非発光性再結合定数等に影響を与えます。
STREEM InGaNで得られた組成分布、歪分布（有効格子定数）、転位密度をデバイスシミュレータであるSiLENSeで使用することにより、成長レシピがデバイス特性に与える影響を解析することが可能です。
STREEM InGaNで出力されたテキストデータをSiLENSeで読み込むことによって、自動的にSTREEMの計算結果 (組成、格子定数) がSiLENSeの設定に反映されます。

STREEM InGaNとSiLENSeとの連携

③ユーザーインターフェース

STREEM InGaNは、シミュレーションの経験がない方にも扱いやすいグラフィカルユーザインターフェース (GUI) を備えており、成長レシピなどの計算条件の設定、計算の実行および結果の出力までを一貫して行うことができます。
通常は1日程度のトレーニングで基本操作を習得できるよう設計されています。

成長レシピの設定画面