Imec introducerer rammer til modellering af GaN HEMT og InP HBT RF-enheder til 5G og 6G

Nyheder: Microelectronics

6 December 2022

Ved det 68. årlige IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) i San Francisco (3.-7. december) har nanoelektronikforskningscenteret imec i Leuven, Belgien præsenteret en Monte Carlo Boltzmann-modelleringsramme, der for første gang bruger mikroskopisk varmebærer distributioner til at forudsige 3D termisk transport i avancerede RF-enheder beregnet til 5G og 6G trådløs kommunikation.

Resultaterne blev præsenteret i to inviterede artikler, af Bjorn Vermeersch om termisk modellering og af Nadine Collaert om galliumnitrid (GaN) og indiumphosphid (InP) teknologier til næste generation af højkapacitets trådløs kommunikation, henholdsvis [papir 11.5 og 15.3].

Casestudier med GaN transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er) og InP heterojunction bipolære transistorer (HBT'er) afslørede spidstemperaturstigninger op til tre gange større end konventionelle forudsigelser med bulkmaterialeegenskaber. Imec regner med, at det nye værktøj vil være nyttigt til at guide optimeringer af næste generations RF-enheder mod termisk forbedrede designs.

Figur 1. Målt og forudsagt termisk modstand versus fingerbredde af GaN-on-Si HEMT'er med to fingre.

GaN- og InP-baserede enheder er dukket op som interessante kandidater til henholdsvis 5G millimeterbølge (mm-bølge) og 6G sub-THz mobile frontend-applikationer på grund af deres høje udgangseffekt og effektivitet. For at optimere disse enheder til RF-applikationer og gøre dem omkostningseffektive lægges der stor vægt på at opskalere III/V-teknologierne til en siliciumplatform og gøre dem CMOS-kompatible. Men med krympende funktionsstørrelser og stigende effektniveauer er selvopvarmning blevet et stort pålidelighedsproblem, hvilket potentielt begrænser yderligere RF-enhedsskalering.

"Tuning af designet af GaN- og InP-baserede enheder til optimal elektrisk ydeevne forringer ofte den termiske ydeevne ved høje driftsfrekvenser," bemærker Nadine Collaert, programdirektør for avanceret RF hos imec. "For GaN-on-Si-enheder har vi for eksempel for nylig opnået enorme fremskridt inden for elektrisk ydeevne, hvilket bragte den ekstra effekteffektivitet og udgangseffekt for første gang på niveau med GaN-on-siliciumcarbid (SiC). Men yderligere udvidelse af enhedens driftsfrekvens vil kræve nedskæring af de eksisterende arkitekturer. I disse afgrænsede flerlagsstrukturer er termisk transport imidlertid ikke længere diffus, hvilket udfordrer nøjagtige selvopvarmningsforudsigelser,” tilføjer hun. "Vores nye simuleringsramme, der gav gode matcher med vores GaN-on-Si termiske målinger, afslørede spidstemperaturstigninger op til tre gange større end tidligere forudsagt. Det vil give vejledning i at optimere disse RF-enhedslayouts tidligt i udviklingsfasen for at sikre den rigtige afvejning mellem elektrisk og termisk ydeevne."

Figur 2. Geometri af InP nanoridge HBT brugt i 3D-simuleringen.

Figur 3. Påvirkning af ikke-diffusive termiske transporteffekter (som fanget af imecs Monte Carlo-simulering) i InP nanoridge HBT'er.

En sådan vejledning viser sig også at være meget værdifuld for de nye InP HBT'er, hvor imecs modelleringsramme fremhæver den væsentlige indvirkning, som ikke-diffusiv transport har på selvopvarmning i komplekse skalerede arkitekturer. For disse enheder er nanoridge engineering (NRE) en interessant heterogen integrationstilgang fra et elektrisk ydeevnesynspunkt. "Mens de tilspidsede rygbunde muliggør lav defekttæthed i III-V-materialerne, inducerer de dog en termisk flaskehals for varmefjernelse mod substratet," forklarer Bjørn Vermeersch, hovedmedlem af teknisk personale i det termiske modellerings- og karakteriseringsteam hos imec. "Vores 3D Monte Carlo-simuleringer af NRE InP HBT'er indikerer, at højderyggens topologi hæver den termiske modstand med over 20% sammenlignet med en hypotetisk monolitisk mesa af samme højde," tilføjer han. "Vores analyser fremhæver desuden den direkte påvirkning af rygningsmaterialet (f.eks. InP versus InGaAs) på selvopvarmning, hvilket giver en ekstra knap til at forbedre designs termisk."

tags: IMEC

Besøg: www.ieee-iedm.org

Besøg: www.imec.be

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml