Imec presenta un marco para modelar dispositivos GaN HEMT e InP HBT RF para 5G y 6G

Imec presenta un marco para modelar dispositivos GaN HEMT e InP HBT RF para 5G y 6G

Marca de tiempo: 6 de diciembre de 2022 2:04 p.m.
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Noticias: Microelectrónica

6 de diciembre 2022

En la 68.ª reunión anual IEEE International Electron Devices (IEDM 2022) en San Francisco (del 3 al 7 de diciembre), el centro de investigación de nanoelectrónica imec de Lovaina, Bélgica, presentó un marco de modelado de Monte Carlo Boltzmann que, por primera vez, utiliza un portador de calor microscópico distribuciones para predecir el transporte térmico 3D en dispositivos de RF avanzados destinados a la comunicación inalámbrica 5G y 6G.

Los resultados se presentaron en dos documentos invitados, por Bjorn Vermeersch sobre modelado térmico y por Nadine Collaert sobre tecnologías de nitruro de galio (GaN) y fosfuro de indio (InP) para la comunicación inalámbrica de alta capacidad de próxima generación, respectivamente [documentos 11.5 y 15.3].

Los estudios de casos con transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN y transistores bipolares de heterounión (HBT) de InP revelaron aumentos de temperatura pico hasta tres veces mayores que las predicciones convencionales con propiedades de materiales a granel. Imec considera que la nueva herramienta será útil para guiar las optimizaciones de los dispositivos RF de próxima generación hacia diseños térmicamente mejorados.

Figura 1. Resistencia térmica medida y predicha frente al ancho de los dedos de los HEMT de GaN sobre Si de dos dedos.

Figura 1. Resistencia térmica medida y predicha frente al ancho de los dedos de los HEMT de GaN sobre Si de dos dedos.

Los dispositivos basados ​​en GaN e InP se han convertido en candidatos interesantes para aplicaciones front-end móviles de 5G de onda milimétrica (onda milimétrica) y 6G sub-THz, respectivamente, debido a su alta potencia de salida y eficiencia. Para optimizar estos dispositivos para aplicaciones de RF y hacerlos rentables, se presta mucha atención a escalar las tecnologías III/V a una plataforma de silicio y hacerlas compatibles con CMOS. Sin embargo, con la reducción de los tamaños de las características y el aumento de los niveles de potencia, el autocalentamiento se ha convertido en un problema importante de confiabilidad, lo que podría limitar aún más el escalado de dispositivos de RF.

“Ajustar el diseño de los dispositivos basados ​​en GaN e InP para un rendimiento eléctrico óptimo a menudo empeora el rendimiento térmico a altas frecuencias operativas”, señala Nadine Collaert, directora del programa de RF avanzada en imec. “Para los dispositivos GaN-on-Si, por ejemplo, recientemente logramos un tremendo progreso en el rendimiento eléctrico, poniendo las eficiencias de energía agregada y la potencia de salida por primera vez a la par con la de GaN-on-carburo de silicio (SiC). Pero ampliar aún más la frecuencia operativa del dispositivo requerirá reducir el tamaño de las arquitecturas existentes. Sin embargo, en estas estructuras multicapa confinadas, el transporte térmico ya no es difusivo, lo que desafía las predicciones precisas de autocalentamiento”, agrega. “Nuestro novedoso marco de simulación, que produce buenas coincidencias con nuestras mediciones térmicas de GaN-on-Si, reveló aumentos de temperatura máxima hasta tres veces mayores de lo previsto anteriormente. Brindará orientación para optimizar estos diseños de dispositivos de RF al principio de la fase de desarrollo para garantizar el equilibrio correcto entre el rendimiento eléctrico y térmico”.

Figura 2. Geometría de InP nanoridge HBT utilizada en la simulación 3D.

Figura 2. Geometría de InP nanoridge HBT utilizada en la simulación 3D.

Figura 3. Impacto de los efectos del transporte térmico no difusivo (según lo capturado por la simulación de Monte Carlo de imec) en los HBT de InP nanoridge.

Figura 3. Impacto de los efectos del transporte térmico no difusivo (según lo capturado por la simulación de Monte Carlo de imec) en los HBT de InP nanoridge.

Dicha orientación también resulta muy valiosa para los nuevos InP HBT, donde el marco de modelado de imec destaca el impacto sustancial que tiene el transporte no difusivo en el autocalentamiento en arquitecturas escaladas complejas. Para estos dispositivos, la ingeniería de nanoridges (NRE) es un enfoque de integración heterogéneo interesante desde el punto de vista del rendimiento eléctrico. “Si bien los fondos de las crestas cónicas permiten una baja densidad de defectos dentro de los materiales III-V, inducen un cuello de botella térmico para la eliminación de calor hacia el sustrato”, explica Bjorn Vermeersch, miembro principal del personal técnico del equipo de caracterización y modelado térmico de imec. “Nuestras simulaciones 3D Monte Carlo de NRE InP HBT indican que la topología de la cresta aumenta la resistencia térmica en más del 20 % en comparación con una mesa monolítica hipotética de la misma altura”, agrega. “Nuestros análisis además destacan el impacto directo del material de la cresta (por ejemplo, InP versus InGaAs) en el autocalentamiento, proporcionando una perilla adicional para mejorar los diseños térmicamente”.

Tags: IMEC

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