Η Imec εισάγει το πλαίσιο για το μοντέλο GaN HEMT και InP HBT RF συσκευών για 5G και 6G

Ειδήσεις: Μικροηλεκτρονική

6 Δεκεμβρίου 2022

Στο 68ο ετήσιο IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) στο Σαν Φρανσίσκο (3–7 Δεκεμβρίου), το ερευνητικό κέντρο νανοηλεκτρονικής imec του Leuven του Βελγίου παρουσίασε ένα πλαίσιο μοντελοποίησης Monte Carlo Boltzmann που, για πρώτη φορά, χρησιμοποιεί μικροσκοπικό φορέα θερμότητας διανομές για την πρόβλεψη της τρισδιάστατης θερμικής μεταφοράς σε προηγμένες συσκευές RF που προορίζονται για ασύρματη επικοινωνία 3G και 5G.

Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν σε δύο προσκεκλημένες εργασίες, από τον Bjorn Vermeersch σχετικά με τη θερμική μοντελοποίηση και από την Nadine Collaert για τις τεχνολογίες νιτριδίου του γαλλίου (GaN) και φωσφιδίου του ινδίου (InP) για ασύρματη επικοινωνία υψηλής χωρητικότητας επόμενης γενιάς, αντίστοιχα [άρθρες 11.5 και 15.3].

Μελέτες περιπτώσεων με τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων GaN (HEMT) και διπολικά τρανζίστορ ετεροσύνδεσης InP (HBT) αποκάλυψαν ότι η μέγιστη θερμοκρασία αυξάνεται έως και τρεις φορές μεγαλύτερη από τις συμβατικές προβλέψεις με ιδιότητες χύδην υλικού. Η Imec εκτιμά ότι το νέο εργαλείο θα είναι χρήσιμο για την καθοδήγηση βελτιστοποιήσεων συσκευών RF επόμενης γενιάς προς θερμικά βελτιωμένα σχέδια.

Σχήμα 1. Μετρήθηκε και προβλεπόταν η θερμική αντίσταση σε σχέση με το πλάτος των δακτύλων των HEMT GaN-on-Si με δύο δάχτυλα.

Οι συσκευές που βασίζονται σε GaN και InP έχουν αναδειχθεί ως ενδιαφέρουσες υποψήφιες για εφαρμογές front-end κινητών κυμάτων 5G (mm-wave) και 6G sub-THz, αντίστοιχα, λόγω της υψηλής ισχύος εξόδου και της απόδοσής τους. Για να βελτιστοποιηθούν αυτές οι συσκευές για εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων και να γίνουν οικονομικά αποδοτικές, δίνεται μεγάλη προσοχή στην αναβάθμιση των τεχνολογιών III/V σε μια πλατφόρμα πυριτίου και να γίνουν συμβατές με CMOS. Ωστόσο, με τη συρρίκνωση των μεγεθών των χαρακτηριστικών και τα αυξανόμενα επίπεδα ισχύος, η αυτοθέρμανση έχει γίνει ένα σημαντικό πρόβλημα αξιοπιστίας, περιορίζοντας ενδεχομένως την περαιτέρω κλιμάκωση της συσκευής RF.

«Ο συντονισμός του σχεδιασμού συσκευών που βασίζονται σε GaN και InP για βέλτιστη ηλεκτρική απόδοση συχνά επιδεινώνει τη θερμική απόδοση σε υψηλές συχνότητες λειτουργίας», σημειώνει η Nadine Collaert, διευθύντρια προγράμματος προηγμένων ραδιοσυχνοτήτων στο imec. «Για τις συσκευές GaN-on-Si, για παράδειγμα, επιτύχαμε πρόσφατα τεράστια πρόοδο στην ηλεκτρική απόδοση, φέρνοντας για πρώτη φορά την προστιθέμενη απόδοση ισχύος και την ισχύ εξόδου στα ίδια επίπεδα με εκείνα του καρβιδίου GaN-on-πυριτίου (SiC). Αλλά η περαιτέρω μεγέθυνση της συχνότητας λειτουργίας της συσκευής θα απαιτήσει τη μείωση του μεγέθους των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών. Σε αυτές τις περιορισμένες πολυεπίπεδες δομές, ωστόσο, η θερμική μεταφορά δεν είναι πλέον διάχυτη, αμφισβητώντας τις ακριβείς προβλέψεις αυτοθέρμανσης», προσθέτει. «Το νέο μας πλαίσιο προσομοίωσης, που ανταποκρίνεται καλά με τις θερμικές μετρήσεις GaN-on-Si, αποκάλυψε ότι η μέγιστη θερμοκρασία αυξάνεται έως και τρεις φορές μεγαλύτερη από ό,τι είχε προβλεφθεί. Θα παρέχει καθοδήγηση για τη βελτιστοποίηση αυτών των διατάξεων συσκευών ραδιοσυχνοτήτων νωρίς στη φάση ανάπτυξης για να διασφαλιστεί η σωστή αντιστάθμιση μεταξύ ηλεκτρικής και θερμικής απόδοσης.»

Σχήμα 2. Γεωμετρία του InP νανοριζών HBT που χρησιμοποιείται στην τρισδιάστατη προσομοίωση.

Σχήμα 3. Επίδραση των μη διάχυτων επιδράσεων θερμικής μεταφοράς (όπως αποτυπώθηκε από την προσομοίωση Monte Carlo του imec) σε HBTs νανοριγεών InP.

Αυτή η καθοδήγηση αποδεικνύεται επίσης πολύτιμη για τα νέα InP HBT, όπου το πλαίσιο μοντελοποίησης της imec υπογραμμίζει τον ουσιαστικό αντίκτυπο που έχει η μη διάχυτη μεταφορά στην αυτοθέρμανση σε σύνθετες αρχιτεκτονικές κλίμακας. Για αυτές τις συσκευές, η μηχανική nanoridge (NRE) είναι μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση ετερογενούς ολοκλήρωσης από την άποψη της ηλεκτρικής απόδοσης. «Ενώ οι κωνικοί πυθμένες κορυφογραμμών επιτρέπουν χαμηλή πυκνότητα ελαττώματος στα υλικά III-V, ωστόσο προκαλούν ένα θερμικό εμπόδιο για την απομάκρυνση της θερμότητας προς το υπόστρωμα», εξηγεί ο Bjorn Vermeersch, κύριο μέλος του τεχνικού προσωπικού στην ομάδα θερμικής μοντελοποίησης και χαρακτηρισμού στο imec. «Οι τρισδιάστατες προσομοιώσεις Monte Carlo των NRE InP HBT δείχνουν ότι η τοπολογία κορυφογραμμής αυξάνει τη θερμική αντίσταση πάνω από 3% σε σύγκριση με ένα υποθετικό μονολιθικό μέσο του ίδιου ύψους», προσθέτει. «Οι αναλύσεις μας υπογραμμίζουν επιπλέον την άμεση επίδραση του υλικού κορυφογραμμής (π.χ. InP έναντι InGaAs) στην αυτοθέρμανση, παρέχοντας ένα πρόσθετο κουμπί για τη βελτίωση των σχεδίων θερμικά».

Ετικέτες: IMEC

Επισκεφθείτε την ιστοσελίδα: www.ieee-iedm.org

Επισκεφθείτε την ιστοσελίδα: www.imec.be

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml