Imec stellt Framework zur Modellierung von GaN-HEMT- und InP-HBT-HF-Geräten für 5G und 6G vor

News: Mikroelektronik

6 Dezember 2022

Auf dem 68. jährlichen IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) in San Francisco (3.–7. Dezember) hat das Nanoelektronik-Forschungszentrum imec aus Leuven, Belgien, einen Monte-Carlo-Boltzmann-Modellierungsrahmen vorgestellt, der zum ersten Mal mikroskopisch kleine Wärmeträger verwendet Verteilungen zur Vorhersage des 3D-Wärmetransports in fortschrittlichen HF-Geräten, die für die drahtlose 5G- und 6G-Kommunikation vorgesehen sind.

Die Ergebnisse wurden in zwei eingeladenen Vorträgen präsentiert, von Bjorn Vermeersch über thermische Modellierung und von Nadine Collaert über Galliumnitrid (GaN)- und Indiumphosphid (InP)-Technologien für die drahtlose Hochleistungskommunikation der nächsten Generation [Beiträge 11.5 und 15.3].

Fallstudien mit GaN-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) und InP-Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) zeigten Spitzentemperaturanstiege, die bis zu dreimal größer sind als herkömmliche Vorhersagen mit Massenmaterialeigenschaften. Imec geht davon aus, dass das neue Tool nützlich sein wird, um Optimierungen von HF-Geräten der nächsten Generation in Richtung thermisch verbesserter Designs zu lenken.

Abbildung 1. Gemessener und vorhergesagter thermischer Widerstand gegenüber der Fingerbreite von Zwei-Finger-GaN-auf-Si-HEMTs.

GaN- und InP-basierte Geräte haben sich aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung und Effizienz als interessante Kandidaten für mobile 5G-Millimeterwellen- (mm-Wellen) bzw. 6G-Sub-THz-Front-End-Anwendungen herausgestellt. Um diese Bauelemente für HF-Anwendungen zu optimieren und kosteneffektiv zu machen, wird viel Wert darauf gelegt, die III/V-Technologien auf eine Siliziumplattform hochzuskalieren und sie CMOS-kompatibel zu machen. Mit schrumpfenden Strukturgrößen und steigenden Leistungspegeln ist die Selbsterwärmung jedoch zu einem großen Zuverlässigkeitsproblem geworden, das möglicherweise die weitere Skalierung von HF-Geräten einschränkt.

„Die Abstimmung des Designs von GaN- und InP-basierten Geräten auf optimale elektrische Leistung verschlechtert oft die thermische Leistung bei hohen Betriebsfrequenzen“, bemerkt Nadine Collaert, Programmdirektorin für Advanced RF bei imec. „Bei GaN-auf-Si-Geräten haben wir beispielsweise kürzlich enorme Fortschritte bei der elektrischen Leistung erzielt, indem wir die Leistungseffizienz und die Ausgangsleistung zum ersten Mal auf das Niveau von GaN-auf-Siliziumkarbid (SiC) gebracht haben. Aber eine weitere Vergrößerung der Gerätebetriebsfrequenz erfordert eine Verkleinerung der bestehenden Architekturen. In diesen begrenzten Mehrschichtstrukturen ist der Wärmetransport jedoch nicht mehr diffusiv, was genaue Vorhersagen zur Selbsterwärmung in Frage stellt“, fügt sie hinzu. „Unser neuartiger Simulationsrahmen, der gute Übereinstimmungen mit unseren thermischen GaN-auf-Si-Messungen ergab, zeigte Spitzentemperaturanstiege, die bis zu dreimal größer sind als zuvor vorhergesagt. Es wird eine Anleitung zur Optimierung dieser HF-Gerätelayouts in der frühen Entwicklungsphase geben, um den richtigen Kompromiss zwischen elektrischer und thermischer Leistung sicherzustellen.“

Abbildung 2. Geometrie des in der 3D-Simulation verwendeten InP-Nanoridge-HBT.

Abbildung 3. Auswirkung von nicht-diffusiven Wärmetransporteffekten (erfasst durch die Monte-Carlo-Simulation von imec) in InP-Nanoridge-HBTs.

Eine solche Anleitung erweist sich auch für die neuartigen InP-HBTs als sehr wertvoll, wo der Modellierungsrahmen von imec die wesentlichen Auswirkungen hervorhebt, die der nicht-diffusive Transport auf die Selbsterwärmung in komplex skalierten Architekturen hat. Für diese Geräte ist Nanoridge Engineering (NRE) ein interessanter heterogener Integrationsansatz aus Sicht der elektrischen Leistung. „Während die sich verjüngenden Rippenböden eine geringe Defektdichte innerhalb der III-V-Materialien ermöglichen, induzieren sie jedoch einen thermischen Engpass für die Wärmeabfuhr zum Substrat“, erklärt Bjorn Vermeersch, leitender technischer Mitarbeiter im Team für thermische Modellierung und Charakterisierung bei imec. „Unsere 3D-Monte-Carlo-Simulationen von NRE-InP-HBTs zeigen, dass die Kammtopologie den Wärmewiderstand im Vergleich zu einer hypothetischen monolithischen Mesa gleicher Höhe um über 20 % erhöht“, fügt er hinzu. „Unsere Analysen heben außerdem den direkten Einfluss des Stegmaterials (z. B. InP gegenüber InGaAs) auf die Selbsterwärmung hervor und bieten einen zusätzlichen Knopf zur thermischen Verbesserung der Designs.“

Stichworte: IMEC

Besuchen Sie: www.ieee-iedm.org

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• Quelle: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml