Development of a 3D Particle-Based Device Simulator: A Self-Consistent Monte Carlo Approach Using Tetrahedral Grids

Abstract

Essensielt for optimering av halvlederkomponenter er å kunne simulere dem med realistiske geometri- og material-egenskaper. Et nytt simuleringsprogram presenteres som kombinerer en partikkelbasert simuleringsmetode med bruk av tetraedriske rutenett for å simulere høyenergi-ladningstransport i komponenter med kompleks 3D-geometri. Denne rapporten beskriver hvordan de ulike komponentene til programmet er koblet og virker sammen. Sentrale punkt i oppgaven omhandler å 1) diskretisere komponenter med Gmsh, 2) beregne felt med en endelig element løser, 3) simulere ladningstransport med bruk av fullbånds Monte Carlo metode, og 4) forbinde partiklers grensebetingelser til et ustrukturert rutenett. Deretter demonstreres programmets egenskaper ved å simulere responsen fra å påsette en −7 V spenning på en 30 μm x 10 μm x 1 μm avalanche-fotodiode laget av en HgCdTe-legering.

Det vises at programmet er i stand til å simulere de geometrisk komplekse egenskapene til et bredt spekter av mikroskala halvlederkomponenter. Videre diskuteres metoder for å øke programmets kjørehastighet – for eksempel parallellisering – som kan gi nøyaktige resultater til et rimelig tidsforbruk.

The ability to simulate semiconductor devices with realistic geometrical and material properties is essential to their optimization. A new simulation program is presented which combines a particle-based simulation approach using tetrahedral grids to simulate high-energy charge-carrier transport in devices with complex 3D geometry. The report details how the different program components are coupled and interact. Key aspects are 1) generation of device discretizations with Gmsh; 2) field updates computed with a finite element solver; 3) carrier transport simulated with a full-band Monte Carlo approach; and 4) particle boundary conditions coupled with an unstructured grid. The program’s capabilities are then demonstrated by simulating the response of applying a −7 V bias on a 30 μm x 10 μm x 1 μm HgCdTe-alloy avalanche photodiode.

It is shown that the program is capable of simulating the geometrically complex features of a large range of micro-scale semiconductor devices. Furthermore, methods to increase execution speed such as parallelization are discussed for obtaining high accuracy results in a reasonable amount of time.