SiLENSe

発光デバイスのバンドギャップ解析

Modeling of bandgap in optical device

リリースノート

SiLENSe ver6.5がリリースされました。

主な新機能・改善点

  • トンネル接合の計算
  • プロジェクトファイル読み込みに関する不具合の修正

製品概要

SiLENSeは、LED素子ヘテロ構造の1Dバンド構造計算、LED・レーザー特性の最適化のために開発されたシミュレーションソフトウェアです。
特に、GaN, AlGaN, InGaN, ZnO等のウルツ構造の半導体、GaAs, GaInP, AlInP等の閃亜鉛構造のLEDのヘテロ構造のバンド構造計算を行うことが出来ます。
通常、微細なヘテロ構造特性を測定、及び最適化することは非常に困難です。
SiLENSeは、この様な実験では難しい課題を解決することが出来ます。
また、SiLENSeはワイドバンドギャップウルツ鉱構造LEDデバイスの性能に影響する様々な物理現象をシミュレーションします。
さらにバンドギャップエンジニアリングにおいて重要な傾斜組成へテロ構造の考慮も可能です。

製品特徴

①ソフトウェアの機能

SiLENSeではLED・レーザの特性を窒化物半導体特有の性質 (強ピエゾ効果、自発電気分極、低アクセプタ活性、高貫通転位密度) を考慮したキャリア (電子、ホール) の1次元ドリフト・拡散輸送モデル、または量子ポテンシャルモデルを使用してシミュレーションを行います。

出力結果

SiLENSeでは、主に以下の様なLED・レーザ特性 (出力結果) を得ることが出来ます。

  • バイアス値依存のバンド構造 (伝導帯、価電子帯、フェルミ準位)
  • 電子 (エレクトロン) ・正孔 (ホール) の濃度分布
  • 電場・電位分布
  • 発光性・非発光性再結合率分布
  • 電流-電圧特性 (I-V特性)
  • 内部量子効率
  • 量子井戸 (Quantum Well) 内活性領域の電子・正孔波動関数
  • 発光・利得スペクトル
  • 導波路 (TE,TM) モード (Laser Editionのみ)
  • レーザー発振の閾値電流、出力レーザーパワー (Laser Editionのみ)
  • 共鳴フォトルミネッセンス　スペクトル
図1. 多重量子井戸構造 (MQW) LEDのバンド構造
図2. バンド構造とキャリア波動関数

物理モデル

SiLENSeでは、主に以下の様な特長的な物理モデルを実装しています。

  • SiLENSEでは発光性電子・空孔再結合の他に、貫通転位コアでキャリアがトラップされることによる非発光性キャリア再結合も考慮されています。後者は、発光性・非発光性再結合チャネル間の相互作用を解析し、貫通転位密度依存のLED内部発光効率を計算することが出来ます。 また、点欠陥上での非発光性再結合や、Auger (オージェ) 再結合も考慮する事が出来ます。
  • 窒化物半導体特有の自発分極、及びピエゾ歪分極によって発生する、LED内の分極電荷を考慮しています。
  • 縮退性、非縮退性半導体における電子・空孔にはフェルミ統計が適用されています。 また、擬フェルミレベルの位置に依存したドナー、アクセプタのイオン化率 (イオン濃度) が計算されます。
  • LED構造の歪は、最初の基板からどの程度歪を引き継ぐかを、使用者はヘテロ構造における各層の歪緩和係数を設定する事で決めることが出来ます。
  • LEDチップのI-V特性はチップ横方向電流拡散、オーミック接触抵抗を考慮した直列抵抗から求められます。
  • 単一量子井戸 (SQW) ・多重量子井戸 (MQW) における活性化領域内の発光スペクトルは、ウルツ鉱構造半導体の荷電子帯構造を考慮して計算されます。具体的には、キャリアのエネルギー、及び波動関数に関しては、電子、正孔の有効質量によるシュレディンガー方程式を計算することによって得られます。
  • 量子井戸内での、指定波長の励起光の吸収によるキャリアの発生と発生したキャリアの再結合モデルによるPLスペクトル計算モデル
  • TE/TM導波モードにおける電磁場を、III族窒化物の複屈折を考慮して計算します。周波数に依存した誘電率は全スペクトル範囲において計算されます。 (レーザーエディションのみ有効)
  • 自由キャリアの吸収による光学損失は電場分布、キャリア濃度から計算されます。（レーザーエディションで有効）
  • トンネル接合を考慮したキャリアの輸送計算モデル

a

b

c

d

図3 (a-d) . n-Gan/InGan/AlGan/p-GaN
SQWのバンド構造(a)、電子・正孔濃度分布(b)、量子井戸付近のバンド構造(c)、発光スペクトル (バイアス変化) (d)
図4.量子井戸内のキャリアの発生と再結合 (左)
PLスペクトル (右)

②対応している半導体材料

SiLENSeでは、LED等で通常使用される様々な半導体材料に対応しています。
GaN (窒化ガリウム) をはじめ、AlN (窒化アルミニウム) 、InN (窒化インジウム) の二元系窒化物半導体やZnO (酸化亜鉛) 、MgO (酸化マグネシウム) 等の酸化物にも対応しています。
また、ボーイングパラメータを使用する事により、三元系のAlInGaN, InGaN, ZnMgO等の混晶を考慮するが出来ます。
他に、GaAs (ヒ化ガリウム) 、GaP (リン化ガリウム) 、AlGaAs、GaInPなど多くの半導体材料に対応しております。
また、これらの代表的な材料の物性に関しては、付属のデータベースにデータベース化されています。
使用者は、これらのデータベースを編集 (修正、追加) することが可能です。

図5. 材料物性データベース編集画面
(Properties Editor)

③ユーザーインターフェイス

SiLENSeでは、シミュレーションの経験がない方にも分かりやすいグラフィカルユーザインターフェース (GUI) を用意しています。
一つのGUIで、ヘテロ構造の構築、条件設定、結果出力を行うことが出来ます。
また、バッチ機能版では複数の計算モデルをバッチ処理 (連続計算) することが出来ます。
また、計算条件をスクリプト化し計算モデルの準備を効率よく行う事が出来ます。

通常1日程度のトレーニングを受けていただければ、習得することが可能です。

また、STREEM InGaN/AlGaN editionと連携させることによって成長プロセス条件がデバイス効率に与える影響を検討することが出来ます。

図6. SiLENSe GUI
ヘテロ構造作成画面

動作環境

GUI (計算条件設定、計算結果出力) ：Windows OS
4GB RAM, Windows 10, 11 Professional 以上