BESST

III 族窒化物超格子のバンドギャップ解析

Modeling of bandgap in superlattice based on III-Nitride materials

リリースノート

BESST 製品紹介ページを公開しました。

製品概要

BESST (Band-structure and Emission Simulation Software Tool) は、III族窒化物材料をベースとする短周期超格子 (SPSL: Short-Period SuperLattice) 構造を対象に、発光デバイスの特性を解析する一次元シミュレーションソフトウェアです。
SPSL構造は、ヘテロ構造デバイスにおける設計・性能上の課題に対する有効な解決手段として注目されています。

特に以下のような技術的効果が期待されます：

  • エピタキシャル層の貫通転位密度の低減
  • Mgアクセプタの活性促進
  • ホール注入効率の向上 (p-型・n-型エミッタおよび活性層)

これらの効果を正確に評価し、SPSLの優位性を引き出すためには、構成層の厚みや組成に依存する電気的・光学的物性を把握することが不可欠です。
BESSTは、異なるドーピング条件のSPSL領域を含むデバイス構造に対して、バンドダイアグラムやキャリア輸送特性、さらには発光スペクトルの予測が可能です。
これにより、材料・構造パラメータの最適設計と、デバイス性能の事前評価に役立ちます。

製品特徴

BESSTは、III族窒化物短周期超格子 (SPSL) 構造を持つデバイスに対して、バンドダイアグラム、キャリア輸送、発光特性などを解析するための一次元シミュレーションソフトウェアです。
以下に、本ソフトウェアで利用可能な主な機能を示します。

①ソフトウェアの機能

出力結果

BESSTでは、主に以下の様な特性 (出力結果) を得ることが出来ます。

デバイス中の超格子の電気的物性の計算により以下の特性を得ることが出来ます。

  • 電子構造：局在化したキャリアのエネルギー準位と波動関数、ミニバンドパラメータ
  • キャリア濃度と不純物のイオン化率
  • 電場分布
  • 超格子中の電気伝導度

キャリア輸送方程、Poisson, Schrodinger方程式のセルフコンシステント解法により、指定バイアスにおけるデバイスの以下の特性を得ることができます。

  • バンドダイアグラム
  • 量子井戸中キャリアのエネルギー準位と波動関数
  • キャリア濃度と不純物イオン化率
  • キャリア流束と再結合率
  • 発光スペクトル
  • 連続バイアス値指定による電流-電圧 (I-V) 特性

上記出力をとおして、超格子ベースのデバイス動作を深く理解し、個々の超格子パラメータや超格子接続を最適化することができます。

量子井戸のバンドダイアグラムと波動関数
超格子全体のバンドダイアグラム
電流密度と再結合速度分布
発光スペクトル

物理モデル

BESSTでは、超格子ベースのヘテロ構造に対して、キャリア輸送方程式、Poisson方程式、Schrodinger方程式のセルフコンシステントな解法を使用します。

Poisson方程式で計算したバンドダイアグラム

  • 自発分極、ピエゾ分極を考慮します。
  • キャリア密度はキャリアの量子特性を考慮して計算します。
  • 末端の境界条件は超格子周期の電気的中性条件が使われます。

キャリア密度の量子論モデル

  • 短周期超格子においても、電子、ヘビー・ライト・スプリットオフホールに対し、有効質量アプローチが適用されます。
  • 個々の量子井戸中の局在化キャリアはSchrodinger方程式を数値的に解く事により計算します。
  • 量子井戸間のカップリングとミニバンドの形成は強結合近似 (TBA) が使われます。

キャリア輸送と再結合

  • 超格子ベースのヘテロ構造のキャリア輸送の記述には離散的ドリフト拡散モデルが使用されます。
  • バンド・バンド間遷移輻射再結合には電子・ホール波動関数の重なりを考慮し、個々の量子井戸に対し計算されます。

②対応可能な半導体材料

対応材料は、主にGaN (窒化ガリウム)、AlN (窒化アルミニウム)、InN (窒化インジウム) などの三族窒化物半導体となります。
これらの代表的な材料に関する物性パラメータは、ソフトウェアに付属するデータベースに内蔵されており、ユーザーは必要に応じてデータの編集や追加を行うことができます。

③ユーザーインターフェース

BESSTは、シミュレーションの経験がない方でも直感的に操作できるグラフィカルユーザインターフェース (GUI) を備えています。
1つのGUI上で、ヘテロ構造の構築、計算条件の設定、結果の表示・出力までを一貫して行うことが可能です。
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。

BESST GUI 超格子構造の設定画面

動作環境

GUI (計算条件設定、計算結果出力) ：Windows OS
8GB RAM, Windows 10, 11 Professional 以上