Parallel mixed-mode 3D-TCAD simulation of power semiconductor devices

The push for deployment of renewable energy technologies across the EU is generating transformation pressure on the transmission infrastructure. Novel Power Semiconductor devices such as the BiGT or improvements in well–proven devices such as the thyristor are a key enabling technology allowing for the feasibility of HVDC grids. Technology Computer Aided Design (TCAD) simulations play a key role in the development and optimization of new devices. As complex geometries are an important ingredient for optimal performance of high power, large area semiconductor devices, full scale 3D simulations are required. Large current densities and fast switching speeds, lead to non–negligible multi–physics effects such as interactions of charge transport with substrate heating. The complexity of the physical phenomena that govern the performance of new and advanced device structures makes it extremely difficult to develop compact models for them. Furthermore, available compact models depend on a very large number of parameters, that require a lengthy and expensive tuning procedure in order to be accurate over a wide range of operating conditions. For such reason in the technology design phase it is often required to perform mixed–mode simulations, i.e., to simulate the device performance when coupled to controlling circuit and load. The models and algorithms presented in this thesis are built in order to satisfy all of these often much demanding requirements. The thesis was carried out in the framework of a collaboration between the Modeling and Scientific Computing (MOX) lab of Politecnico di Milano, and the Power Electronics department in the Corporate Research Center of ABB in Baden–Dättwil, Switzerland aimed at implementing a parallel 3D TCAD simulator especially tailored for the needs of the Power Semiconductors industry in general and for those of ABB in particular. Particular emphasis was devoted during the development of this thesis to the implementation and assessment of various linear and nonlinear iteration strategies.

La spinta verso le energie rinnovabili nell'Unione Europea sta generando una pressione verso la trasformazione delle infrastrutture d itrasmissione energetica. Dispositivi di nuova concezine, come i BiGT, o miglioramenti nei dispositivi già affermati, come i tiristori, sono fattori abilitanti per la fattibilità di infrastrutture HVDC. Simulazioni in Technology Computer Aided Design (TCAD) giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo e nell'ottimizazione di nuovi dispositivi. Geometrie complesse sono fondamentali per migliorare le performance di dispositivi a semiconduttore ad alta potenza e grandi dimensioni, E quindi sono necessarie simulazioni 3D dei dispositivi. Grandi correnti e transitori veloci creano interazioni come il riscaldamento del sustrato non trascurabili. I fenomeni fisici complessi che governano la performance di dispositivi avanzati rende difficile lo sviluppo di modelli compatti ed accurati. Inoltre i modelli esistenti dipendono da un gran numero di parametri, che vanno tarati con processi assai dispendiosi per poter garantire sufficiente accuratezza. Per questo in fase di progettazione è spesso richiesto di eseguire simulazioni mixed–mode, ovvero simulare dispositivi accoppiati a circuiti di controllo non banali. I modelli ed algoritmi presentati in questa tesi sono stati costruiti per soddisfare questi stringenti requisiti. La tesi è stat sviluppata nell'ambito di una collaborazione tra il Laboratorio di Modeling and Scientific Computing (MOX) al Politecnico di Milano, ed il dipartimento Power Electronics del Corporate Research Center di ABB in Baden–Dättwil, Svizzera, allo scopo di implementare un simulatore TCAD 3D parallelo su misura per i bisogni dell'industria di ellettronica di potenza in generale, e di ABB in particolare. Grande enfasi è stata posta nello sviluppo, implementazione e verifica di vari algoritmi iterativi per solutori lineari and nonlineari.