ホーム > ソリューション > フォトニクスとオプトエレクトロニクス

フォトニクスとオプトエレクトロニクス:イメージセンサー、太陽電池、レーザー、シリコンフォトニクス

カメラの画素からシリコンフォトニクスのレーザーまで、あらゆる光デバイスでは光と電荷を一体として設計する必要があります。Silvacoは両者を1回の連成解析でシミュレーションし、試作費用をかける前にデバイスを確定できるようにします。

オプトエレクトロニクス市場に共通する課題

オプトエレクトロニクスデバイスは、光を取り込むか、放出します。イメージセンサー、CCD、太陽電池は光を吸収し、レーザーとLEDは光を放出します。CMOSイメージセンサーは4つの市場の中で最大であり、スマートフォンのカメラに牽引され、高性能・科学用イメージングにも広がっています。太陽電池は再生可能エネルギーへの需要に応えます。また、シリコンフォトニクスのレーザーと導波路は、主に光ファイバーでデータを伝送するために用いられます。

共通点は、難しさの原因でもあります。光学設計を終えてから電子回路設計を始めることはできません。画素は、電池駆動で、多くの場合3Dパッケージ化された部品の内部で、非常に高い感度で光を捉える必要があります。そこでは熱、IRドロップ、エレクトロマイグレーションが同じマージンを消費します。レーザーの成否は光モードに左右されます。半導体メーカーはこの課題にシミュレーションで取り組んでいます。ProMOSは2025年にシリコンフォトニクスデバイスの開発向けにVictory TCADを選定し、Teledyne e2vはCMOSイメージセンサー向けのVictory TCADの利用を拡大しました。

Silvacoの役割

単一デバイスの物理現象から始め、検証済みのイメージセンサーレイアウトまで進めます。フォトニック
コンポーネントには、並行して専用の電磁界シミュレーションを行います。

入力

お客様の光デバイス

画素、太陽電池、レーザー、導波路

01

実際のプロセスと同じようにデバイス構造を形成

02

レーザー共振器モードを含め、光学的挙動と電気的挙動を連成解析

03

イメージセンサーの読み出しデバイス向けSPICEモデルを抽出

04

大規模な抽出済み設計を含め、アナログ読み出し回路をシミュレーション

05

カスタム設計のレイアウトを作成

06

設計ルールと回路図に照らしてレイアウトを検証

並行支援

フォトニックコンポーネントの電磁界シミュレーション

デバイスの種類と、それを支える
光学手法

各デバイスで光と電荷の結合の仕方が異なるため、それぞれに
適した光学手法を使用します。

CMOSイメージセンサーとCCD

イメージセンサーは、画素アレイとその検出・制御回路から構成され、非常に高い感度を得るよう調整されます。TCADによる画素設計から、大規模な抽出済み設計のSPICEシミュレーション、カスタムレイアウトへ進み、3Dパッケージ部品のエレクトロマイグレーション、IRドロップ、熱的挙動を検証します。複数のファウンドリからCISプロセス用PDKが提供されています。CCDも同じTCADスイートで解析できます。

太陽電池

櫛形バックコンタクト型ヘテロ接合構造からCIGSモジュール、トンネル接合を含むGaInP/GaAs多接合セルまで、シリコン、薄膜、III-V族太陽電池をモデル化します。ペロブスカイト・シリコンタンデムもTCADで解析でき、TCADからSPICEへのフローにより、単一セルからパネルレベルへ展開できます。

レーザー、LED、シリコンフォトニクス

レーザーとLEDのシミュレーションは、端面発光レーザー、VCSEL、LED、光ファイバーリンクの導波路に加え、導波路型フォトダイオード、赤外線・アバランシェ光検出器に対応します。モードソルバとウィスパリングギャラリーモード解析により、共振器による光の閉じ込めを確認できます。レイトレーシング、伝達行列法、ビーム伝搬法、FDTDがその他の光学解析を担い、電気モデルと連成して解きます。

用途

連成シミュレーションが効果を発揮する4つの用途

CMOSイメージセンサー開発

シミュレーションで画素構造を比較し、読み出し回路の設計、レイアウト、検証を行います。

太陽電池デバイス設計

光学とキャリアを連成解析し、シリコンからタンデムまでのセル構造を評価します。

レーザーとVCSELのシミュレーション

最初のダイを作製する前に、端面発光レーザーや垂直共振器レーザーの光モードを確認します。

導波路とシリコンフォトニクスのコンポーネント

マスク作成前に、導波路とフォトニックコンポーネントをシミュレーションします。

お客様の事例と技術資料

お客様 · シリコンフォトニクス

2022年2月

ProMOS Technologies

シリコンフォトニクスデバイスの開発にVictory TCADを選定しました。

「SilvacoのVictory TCADツールの採用は、ProMOSによる次世代フォトニックデバイス開発における大きな前進です。」

Lynn Lin、バイスプレジデント、ProMOS Technologies

お客様 · イメージセンサー

2022年2月

Teledyne e2v

CMOSイメージセンサー開発でVictory TCADの活用をさらに拡大しました。

「Victory TCADソリューションにより、さまざまな画素構造を迅速に解析できます。」

Ana González Márquez、技術・製品開発担当ディレクター、Teledyne e2v

お客様 · 赤外線検出器

2022年2月

LYNRED

Silvaco TCADを使用して赤外線検出器の性能を調整し、開発期間を短縮しています。

「SilvacoのTCADソリューションは、お客様のニーズを満たすよう設計と技術を微調整するのに役立ち、赤外線検出器市場の進歩をリードすることを可能にしています。」

Jocelyn Berhoz, PhD、技術エキスパート、LYNRED

お客様 · 光センサー

2022年2月

KODENSHI CORP.

SmartSpice Proで光センサーICを設計しています。

「高機能・高付加価値の光センサーを短期間でリリースできるようにするため、SmartSpice Proの採用を決定しました。」

Hiroyuki Fukui、IC設計部門シニアマネージャー、KODENSHI CORP.

Silvaco TCADによるレーザーと導波路のシミュレーション

プレゼンテーション · PDF

2022年2月

光シミュレーションのプレゼンテーション

レーザーや導波路を含む、光を放出・吸収するデバイスをSilvaco TCADでシミュレーションする方法。

ウェビナー · イメージセンサー

2022年2月

より優れた画素をより速く開発:次世代CIS向けのTCADを活用したデジタルツイン

Victory TCAD、Victory DoE、Victory Analyticsを画素のデジタルツインとして使用し、プロセス、デバイス、光学を協調最適化します。

ウェビナー · フォトニックIC

2022年2月

FTCO™とデジタルツインによる、製造を考慮したフォトニック集積回路シミュレーションの高速化

GDSのインポートからデジタルツインまで、ラインエッジラフネス、側壁角度、CDシフトを考慮し、実際に製造される状態のフォトニックデバイスをシミュレーションします。

ウェビナー · 太陽電池

2022年2月

TCADを用いたシリコンおよびペロブスカイトベースのタンデム太陽電池シミュレーション

櫛形バックコンタクトセル、ペロブスカイトセル、シリコン・ペロブスカイトタンデムをTCADでモデル化します。

ウェビナー · 光学手法

2022年2月

太陽電池、導波路、LEDの光電子シミュレーション

太陽電池、導波路、LEDの例を通じて、FDTDの設定と出力を解説します。

パワーデバイスの詳細

記事 · 2021

アモルファスセレンベースのアバランシェ光子検出器のTCADモデリング

ウェビナー · 2017

有機オプトエレクトロニクスデバイスのTCADシミュレーション

ウェビナー · 2015

TCADとSPICEを用いた太陽電池モデリング

記事 · 2015

太陽電池の上部金属コンタクト設計の最適化への導入

記事 · 2013

2D IBC-SHJ太陽電池のシミュレーションと最適化

記事 · 2011

MCTベースのデュアルバンド(MWIR/LWIR)光検出器の設計検討と性能解析

記事 · 2010

高速光通信向けSiGe導波路型フォトダイオードのFDTD法による検討

記事 · 2010

CIGS太陽電池モジュールのモデリングと最適化

記事 · 2009

テクスチャ付き薄膜太陽電池のシミュレーション

記事 · 2009

第3世代太陽電池技術:局在表面プラズモン

記事 · 2009

トンネル接合を含むGaInP/GaAs二接合太陽電池のモデリング

記事 · 2003

SmartSpiceでRPI VCSELモデルをリリース

お客様のデバイスを当社の
アプリケーションエンジニアにご相談ください

研究室で答えが得られるのが遅れがちな課題は何ですか。アプリケーションエンジニアが、お客様の構造に近い例を使い、
シミュレーションで先に解決できる部分をご紹介します。

フォトニクスシミュレーションに関する質問

オプトエレクトロニクスシミュレーションとは何ですか。

光を吸収または放出する半導体デバイスの挙動を、作製前に求めます。レイトレーシング、TMM、ビーム伝搬法、FDTDなどの光学手法を、デバイスの電気的な物理モデルと連成します。これにより、試作ウェーハではなくソフトウェア上で、イメージセンサー、太陽電池、光検出器、レーザー、LEDを調整できます。

ニューラルネットワーク(教師あり、フィードフォワード、非線形活性化)、ガウス過程回帰、決定木とフォレスト、古典的な多変量統計という4系統の手法を利用します。感度解析にはSobol指数または決定フォレストを使用します。オプティマイザは、Levenberg-Marquardt法やHooke-Jeeves法などの局所手法から、遺伝的アルゴリズムや差分進化法などの大域的手法まで対応します。

実行にも、工場レベルの業務にも必要ありません。Victory Analyticsは、シミュレーション工程なしで、生産データと測定データを単独で解析できます。TCADシミュレーション出力を追加すると、物理と製造データの両方から同時にモデルを学習できます。

はい。工場レベルの用途である異常検出・分類と統計的プロセス制御は、生産データを直接扱います。FTCO内では、Victory Analyticsがシミュレーションデータと製造データを組み合わせて学習するため、得られるデジタルツインには物理と実際の製造ラインの結果がともに反映されます。

複数の出力を同時に最適化する方法です。各出力について理想値への近さをスコア化し、それらを1つの望ましさ指数にまとめます。これにより、手作業でトレードオフに順位を付ける代わりに、オプティマイザは単一の数値を最大化できます。

はい。データの読み込み、学習、スコア評価、最適化まで、ワークフロー全体に対応するPythonインターフェースを利用できます。スクリプト化はFTCO業務で効果を発揮します。モデルがデジタルツインとして使えるようになるまで、学習、次の実験群の実行、再学習を繰り返します。

フォトニクス

フォトニックコンポーネントのシミュレーション向け製品ファミリー

XSim Photonics

フォトニックデバイスの電磁界シミュレーション

Victory Device

光学と電気を連成して解くデバイスシミュレーション

TCAD

構造からSPICEモデルまでのプロセス・デバイスシミュレーション

ディスプレイ

画素デバイスからパネル全体の設計まで