Imec présente un cadre pour modéliser les dispositifs RF GaN HEMT et InP HBT pour 5G et 6G

Imec présente un cadre pour modéliser les dispositifs RF GaN HEMT et InP HBT pour 5G et 6G

Horodatage: 6 décembre 2022 2:04
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Actualités : Microelectronics

6 Décembre 2022

Lors de la 68e réunion annuelle IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) à San Francisco (3-7 décembre), le centre de recherche en nanoélectronique imec de Louvain, en Belgique, a présenté un cadre de modélisation Monte Carlo Boltzmann qui, pour la première fois, utilise un caloporteur microscopique distributions pour prédire le transport thermique 3D dans les dispositifs RF avancés destinés à la communication sans fil 5G et 6G.

Les résultats ont été présentés dans deux articles invités, par Bjorn Vermeersch sur la modélisation thermique et par Nadine Collaert sur les technologies de nitrure de gallium (GaN) et de phosphure d'indium (InP) pour la communication sans fil haute capacité de nouvelle génération, respectivement [articles 11.5 et 15.3].

Des études de cas avec des transistors GaN à haute mobilité électronique (HEMT) et des transistors bipolaires à hétérojonction InP (HBT) ont révélé des augmentations de température maximales jusqu'à trois fois plus importantes que les prédictions conventionnelles avec des propriétés de matériau en vrac. Imec estime que le nouvel outil sera utile pour guider les optimisations des dispositifs RF de nouvelle génération vers des conceptions thermiquement améliorées.

Figure 1. Résistance thermique mesurée et prédite en fonction de la largeur des doigts des HEMT GaN-sur-Si à deux doigts.

Figure 1. Résistance thermique mesurée et prédite en fonction de la largeur des doigts des HEMT GaN-sur-Si à deux doigts.

Les dispositifs basés sur GaN et InP sont apparus comme des candidats intéressants pour les applications frontales mobiles 5G à ondes millimétriques (ondes mm) et 6G sous-THz, respectivement, en raison de leur puissance de sortie et de leur efficacité élevées. Afin d'optimiser ces dispositifs pour les applications RF et de les rendre rentables, une grande attention est accordée à la mise à l'échelle des technologies III/V vers une plate-forme silicium et à les rendre compatibles CMOS. Cependant, avec la diminution de la taille des fonctionnalités et l'augmentation des niveaux de puissance, l'auto-échauffement est devenu un problème majeur de fiabilité, limitant potentiellement la mise à l'échelle supplémentaire des dispositifs RF.

« Le réglage de la conception des dispositifs à base de GaN et d'InP pour des performances électriques optimales détériore souvent les performances thermiques à des fréquences de fonctionnement élevées », note Nadine Collaert, directrice du programme RF avancé à l'imec. « Pour les dispositifs GaN-sur-Si, par exemple, nous avons récemment réalisé d'énormes progrès en matière de performances électriques, en amenant pour la première fois l'efficacité ajoutée et la puissance de sortie à égalité avec celles du GaN-sur-carbure de silicium (SiC). Mais augmenter encore la fréquence de fonctionnement des dispositifs nécessitera de réduire les architectures existantes. Dans ces structures multicouches confinées, cependant, le transport thermique n'est plus diffusif, ce qui remet en question les prédictions précises d'auto-échauffement », ajoute-t-elle. «Notre nouveau cadre de simulation, qui correspond bien à nos mesures thermiques GaN-sur-Si, a révélé des augmentations de température maximales jusqu'à trois fois plus importantes que prévu. Il fournira des conseils pour optimiser ces dispositions de dispositifs RF au début de la phase de développement afin d'assurer le bon compromis entre les performances électriques et thermiques.

Figure 2. Géométrie du nanoridge HBT InP utilisé dans la simulation 3D.

Figure 2. Géométrie du nanoridge HBT InP utilisé dans la simulation 3D.

Figure 3. Impact des effets de transport thermique non diffusifs (tels que capturés par la simulation de Monte Carlo de l'imec) dans les nanoridges InP HBT.

Figure 3. Impact des effets de transport thermique non diffusifs (tels que capturés par la simulation de Monte Carlo de l'imec) dans les nanoridges InP HBT.

De tels conseils s'avèrent également très précieux pour les nouveaux HBT InP, où le cadre de modélisation d'imec met en évidence l'impact substantiel que le transport non diffusif a sur l'auto-échauffement dans des architectures à l'échelle complexe. Pour ces dispositifs, l'ingénierie nanoridge (NRE) est une approche d'intégration hétérogène intéressante du point de vue des performances électriques. "Alors que les fonds de crête effilés permettent une faible densité de défauts dans les matériaux III-V, ils induisent cependant un goulot d'étranglement thermique pour l'évacuation de la chaleur vers le substrat", explique Bjorn Vermeersch, membre principal du personnel technique de l'équipe de modélisation et de caractérisation thermique chez imec. "Nos simulations Monte Carlo 3D de NRE InP HBT indiquent que la topologie de crête augmente la résistance thermique de plus de 20% par rapport à une mesa monolithique hypothétique de la même hauteur", ajoute-t-il. "Nos analyses mettent en outre en évidence l'impact direct du matériau de crête (par exemple, InP par rapport à InGaAs) sur l'auto-échauffement, fournissant un bouton supplémentaire pour améliorer les conceptions thermiquement."

Mots clés: IMEC

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Visite: www.imec.be

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