パワーデバイス
パワー半導体チームが直面する課題
炭化ケイ素と窒化ガリウムは、シリコンだけでは達成できない領域へパワーエレクトロニクスを進化させています。車載、5G、産業、民生、高性能コンピューティング、航空宇宙・防衛の設計で活用されています。現在、ワイドバンドギャップデバイスが機能するかどうかが未解決の問いになることはまれです。課題は、プロセス構想から回路設計者が信頼できるコンパクトモデルまで、いかに迅速に到達するかです。
ウェーハごとにそれを確かめるのは、時間も費用もかかります。シミュレーションは、ファブでの試作に先立って知見を得られるようにします。画面上でレシピ、構造、バイアスを変更し、デバイスの挙動を確認します。量産までに必要な試作を減らせます。新しいSiC MOSFETでは、これが推測と確かな答えの違いになります。
フローにおけるSilvacoの役割
プロセス、デバイス、モデル、回路、レイアウト。すべてを実行することも、チームに
不足するステップだけを組み込むこともできます。アプリケーションエンジニアが、必要に応じてモデル、フロー、ツールチェーンをお客様の技術に適合させます。
入力
プロセス構想
レシピ、デバイス構造、目標定格
課題が単一デバイスからファブ全体へ広がる場合に対応します。Fab Technology Co-OptimizationはDTCOを超え、検証済みの同じ物理モデルをファブデータに基づいて校正し、プロセスのデジタルツインを構築します。
技術とデバイス
プロセスシミュレーションは、エッチングと成膜、イオン注入、不純物の活性化、酸化、応力に対応します。オープンな
モデルライブラリと材料データベースが基盤となります。2Dで迅速にデバッグし、同じ構造を3Dへ展開できます。デバイス
シミュレーションはマルチスレッドで実行し、難しいケースには拡張された数値精度を使用します。すべてのモデルをお客様独自の
測定データで校正します。新しいワイドバンドギャップ材料も、物理パラメータを調整して導入できます。
炭化ケイ素とシリコン
PINダイオード、ショットキーバリアダイオード、DMOSFET、JFET、IGBT、BJT、サイリスタ、スーパージャンクションデバイスと、それぞれのエッジ終端。
4H-SiCでは、SiC MOSFETが高電界に耐えられるかを決定するモデルを利用できます。以下が含まれます。
- 3D異方性酸化;
- 異方性衝突電離;
- 2レベル移動度;
- 界面準位と信頼性に関するトラップ・欠陥モデリング;
- Al、B、P、Nについて校正されたMonte Carloイオン注入モデルと活性化モデル。
窒化ガリウム
ショットキーおよびPINダイオード、横型・縦型HEMT、MIS HEMT、p-GaNゲートHEMT、マルチチャネルHEMT、スーパージャンクションデバイス。RF GaNについては、専用の「ワイヤレスとRF」ページを用意しています。
GaNには、シリコンでは必要とされなかった物理モデルが必要です。
- 合金組成に応じたバンドボーイングを含む、分極電荷と圧電電荷;
- 界面とバルクの信頼性を扱うトラップ・欠陥モデル;
- 負性微分移動度を含む、窒化物固有の低電界・高電界移動度;
- 重要なリーク経路：ホットキャリア注入、フォノン支援トンネリング、可変範囲ホッピング。
コンパクトモデリング
Utmost IVはTCADフローや測定データからSPICEパラメータを抽出し、温度、ウェーハ、ダイ、デバイスにわたって最適化します。Vt、Idsat、ftなどの抽出値とともに、DC、容量、Sパラメータのデータをフィッティングします。階層型マクロモデルを構築し、デバイスモデルとネットリストのパラメータを同時に調整できます。抽出とシミュレーションは、いずれも3つのGaNコンパクトモデルに対応します。
SmartSpiceでは、Circuit Rubberbandが時間軸データに基づいて過渡挙動を調整します。ゲート電荷、ミラープラトー、逆回復（trrとQrr）などが対象です。
レイアウトと検証
パワーデバイスのレイアウトには曲線が多く含まれます。Expertはそれらを描画・反復配置し、繰り返し部分をスクリプト化します。
SmartDRC/LVSは、これらの曲線に対してルールデッキを実行します。実際の違反を検出し、丸みのあるエッジに起因する誤検出に埋もれさせません。
用途
画面上の最初のSiC MOSFET構造から、回路設計者がシミュレーションに使うモデルまで。
SiCおよびGaNパワーデバイスの開発
ダイオード、MOSFET、IGBT、HEMTを、ソフトウェア上だけで、プロセス構想から動作するデバイスへ展開します。
電気自動車・ハイブリッド車のパワートレインデバイス
ハイブリッド車と電気自動車は、パワー半導体のSiC・GaNへの移行を牽引する市場の1つです。
産業用途および5Gの電力変換
産業用途と5Gの電力段について、実機評価の前に動作条件をシミュレーションで掃引します。
パワーデバイスライブラリ向けコンパクトモデル生成
回路チームが設計に使用するライブラリ向けに、SPICEモデルを抽出、検証、調整します。
このフローを現在利用しているパワーデバイスチーム
SiCデバイスメーカー、GaN接続技術企業、研究機関、電力変換の専門企業による公開事例。
お客様
2022年2月
SemiQ
SiCパワーデバイス、モジュール、エピタキシャルウェーハを製造しています。SemiQは、プロセス・デバイスシミュレーション向けにVictory TCADを評価した後、複数年の契約を締結しました。
「Silvacoの迅速で専門的な技術サポートと、パワーデバイス設計に特化した独自のツール機能により、酸化シミュレーションなどの新機能を迅速に導入し、次世代デバイスへの理解を深めることができました。」
Mike Robinson、CEO、SemiQ
お客様
2022年2月
Wavetek
Victory TCADで、5G、Wi-Fi、IoT接続向けのGaNデバイスを開発しています。
「SilvacoのVictory TCADプラットフォームにより、実際の動作条件におけるGaNデバイスの挙動を正確にモデル化できます。」
Dr. Barry Lin、CTO、Wavetek
研究パートナー
2022年2月
Fraunhofer ISIT
設計された基板上の高耐圧横型・縦型GaNデバイスに、SilvacoのDTCOフローを使用しています。
「Silvacoの先進的なTCADソリューションを使用することで、当社のチームはGaNデバイスの性能を、より深く効率的に探索、理解、最適化できます。」
Michael Mensing, Ph.D、先進デバイスグループ責任者、Fraunhofer ISIT
お客様
2022年2月
Analog Power Conversion
シリコンおよびSiCパワーデバイス向けの単一のDTCOフローとして、Victory TCAD、Utmost IV、SmartSpiceを導入しました。
「SilvacoのエンドツーエンドのDTCOプラットフォームを統合することで、プロセスから回路まで、パワーデバイスのシミュレーション、キャラクタライズ、最適化を行う統一環境が得られます。」
Dumitru Sdrulla、CTO、Analog Power Conversion
協業 · 記事
2022年2月
mi2-factoryとの協業によるSiCスーパージャンクションMOSFETの迅速な開発
SiCでスーパージャンクション構造を製造するのは困難です。この記事では、mi2-factoryとのシミュレーションが開発を短縮する方法を示します。
プレゼンテーション · PDF
2022年2月
SiCおよびシリコン向けTCADパワーデバイス開発の概要
プロセスシミュレーションからSPICEモデルまで、シリコンおよびSiCデバイス向けのフロー全体。
プレゼンテーション · PDF
2022年2月
GaN向けTCADパワーデバイス開発の概要
分極および窒化物の移動度モデルを含む、GaNデバイス向けの同じフロー。
ウェビナー
2022年2月
TCADと物理ベースのデジタルツインによるGaNデバイス設計の加速
GaNが強みを発揮する領域、Victory TCADによるプロセス工程からデバイスまでのモデル化、および結果を回路シミュレーションにつなぐ方法。
ウェビナー
2022年2月
Si、GaN、SiC技術向けパワーデバイスのSPICEモデリング
パワーFET向けのコンパクトモデルとマクロモデル、およびモデリングを難しくする寄生成分への対処方法。
パワーデバイスの詳細
動画 · SURGE 2025
2022年2月
詳細なSiC DMOSパラメータ抽出手法を用いたパワーデバイスのSPICEモデリング
動画 · SURGE 2025
2022年2月
ディスクリートパワーデバイスの物理設計向けEDAソリューション
動画 · SURGE 2022
2022年2月
4H-SiCの予測的TCADシミュレーションに向けた改訂移動度モデル
ウェビナー
2022年2月
GaN HEMTを理解するためのツールとしてデバイスシミュレーションを活用する方法
ウェビナー
2022年2月
Silvaco TCADソリューションを用いたワイドバンドギャップパワーデバイスの設計方法
ウェビナー
2022年2月
SiCおよびその他のワイドバンドギャップ材料：プロセスからデバイスシミュレーションまで
ウェビナー
2022年2月
RFデバイスのイノベーションを支えるSilvaco TCAD
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2022年2月
窒化ガリウムトライゲート接合HEMTの3D TCADシミュレーション
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2022年2月
GaNベースの縦型FET（HEMT）のTCADシミュレーション
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2022年2月
窒化ガリウムのトレンチ型パワーデバイスにおける電界分布のTCADシミュレーション
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2022年2月
非クランプ誘導性スイッチングにおけるGaNパワーHEMTのTCADミックスドモードシミュレーション
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2022年2月
窒化ガリウムHEMTに対する総電離線量（TID）効果のTCADによる検討
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2022年2月
TCADを用いた2um、1,500 VoltのSiCスーパージャンクショントレンチMOSデバイスの最適化
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2022年2月
Victory ProcessのOpen Model Interfaceを使用したエッチングエミュレーションモデルのカスタマイズ – 例：炭化ケイ素トレンチのドライエッチング中のマイクロトレンチング効果の再現
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2022年2月
狭メサトレンチIGBTに実装したSingular Point Source MOS Cell Concept（S-MOS）
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2022年2月
短絡条件下のIGBTマルチセルアレイにおける電流フィラメントの3D TCAD混合モードシミュレーション
アプリケーション例
2022年2月
パワーとRF
SiC、GaN、シリコンのパワーデバイスを開発していますか。
開発対象と障害となっている工程を、当社のパワーデバイスエンジニアにお知らせください。お客様の構造に近いものを確認し、
モデルをお客様の技術に合わせて調整する必要がある部分をご説明します。
パワーデバイス開発に関する質問
パワーデバイス開発におけるTCADとは何ですか。
TCAD（Technology Computer-Aided Design）は、パワーデバイスの製造過程と、その後の電気的挙動をシミュレーションします。ソフトウェア上で不純物分布、トレンチ深さ、バイアス点を調整し、各変化の原因を追跡できます。ウェーハを投入する前にデバイスを調整できるため、量産前の試作回数を減らせます。
SiCとGaNのデバイスシミュレーションの違いは何ですか。
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。
どのパワーデバイス構造に対応していますか。
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。
TCADフローからSPICEモデルをどのように生成しますか。
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。
Fab Technology Co-Optimizationとは何ですか。また、パワーデバイスチームにはいつ必要ですか。
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。
SilvacoのパワーデバイスツールはファウンドリPDKと併用できますか。
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。
関連情報
TCAD
仮想製造からSPICEモデルまで対応する、プロセス・デバイスシミュレーションソフトウェア。
Victory Process
SiC、GaN、シリコンのエッチング、成膜、イオン注入、酸化を2Dと3Dで解析。
Victory Device
形成したデバイスの電気的・熱的挙動と信頼性。
Utmost IV
シミュレーションまたは測定したデバイスにフィッティングしたコンパクトモデルパラメータ。
SmartSpice
抽出したモデルを活用する回路シミュレーション。
FTCO
TCADで検証済みの物理モデルに基づく、ファブ全体のプロセス最適化。
車載半導体
パワートレインを含む車載開発向けのデバイスおよびIC開発。