Imec introduce il framework per modellare dispositivi GaN HEMT e InP HBT RF per 5G e 6G

News: Microelectronics

6 Dicembre 2022

In occasione della 68a edizione dell'IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) a San Francisco (3–7 dicembre), il centro di ricerca sulla nanoelettronica imec di Leuven, in Belgio, ha presentato un framework di modellazione Monte Carlo Boltzmann che, per la prima volta, utilizza un vettore di calore microscopico distribuzioni per prevedere il trasporto termico 3D in dispositivi RF avanzati destinati alla comunicazione wireless 5G e 6G.

I risultati sono stati presentati in due documenti invitati, da Bjorn Vermeersch sulla modellazione termica e da Nadine Collaert sulle tecnologie al nitruro di gallio (GaN) e al fosfuro di indio (InP) per la comunicazione wireless ad alta capacità di prossima generazione, rispettivamente [documenti 11.5 e 15.3].

Casi di studio con transistor GaN ad alta mobilità elettronica (HEMT) e transistor bipolari a eterogiunzione InP (HBT) hanno rivelato aumenti della temperatura di picco fino a tre volte maggiori rispetto alle previsioni convenzionali con proprietà del materiale sfuso. Imec ritiene che il nuovo strumento sarà utile per guidare le ottimizzazioni dei dispositivi RF di prossima generazione verso progetti migliorati dal punto di vista termico.

Figura 1. Resistenza termica misurata e prevista rispetto alla larghezza del dito degli HEMT GaN-on-Si a due dita.

I dispositivi basati su GaN e InP sono emersi come candidati interessanti per le applicazioni di front-end mobile 5G a onde millimetriche (mm-wave) e 6G sub-THz, rispettivamente, grazie alla loro elevata potenza di uscita ed efficienza. Per ottimizzare questi dispositivi per applicazioni RF e renderli convenienti, viene prestata molta attenzione all'upscaling delle tecnologie III/V a una piattaforma di silicio e alla loro compatibilità CMOS. Tuttavia, con la riduzione delle dimensioni delle caratteristiche e l'aumento dei livelli di potenza, l'autoriscaldamento è diventato un problema di affidabilità importante, limitando potenzialmente l'ulteriore ridimensionamento del dispositivo RF.

"La messa a punto del design dei dispositivi basati su GaN e InP per prestazioni elettriche ottimali spesso peggiora le prestazioni termiche a frequenze operative elevate", osserva Nadine Collaert, direttore del programma RF avanzato presso imec. “Per i dispositivi GaN-on-Si, ad esempio, abbiamo recentemente ottenuto enormi progressi nelle prestazioni elettriche, portando per la prima volta l'efficienza aggiuntiva e la potenza di uscita alla pari con quella del GaN-on-carburo di silicio (SiC). Ma l'ulteriore ampliamento della frequenza operativa dei dispositivi richiederà il ridimensionamento delle architetture esistenti. In queste strutture multistrato confinate, tuttavia, il trasporto termico non è più diffusivo, sfidando previsioni accurate di autoriscaldamento», aggiunge. “Il nostro nuovo framework di simulazione, che ha prodotto buone corrispondenze con le nostre misurazioni termiche GaN-on-Si, ha rivelato aumenti della temperatura di picco fino a tre volte maggiori di quanto previsto in precedenza. Fornirà una guida per l'ottimizzazione di questi layout di dispositivi RF all'inizio della fase di sviluppo per garantire il giusto compromesso tra prestazioni elettriche e termiche".

Figura 2. Geometria di InP nanoridge HBT utilizzata nella simulazione 3D.

Figura 3. Impatto degli effetti del trasporto termico non diffusivo (catturato dalla simulazione Monte Carlo di imec) negli HBT nanoridge InP.

Tale guida si rivela anche molto preziosa per i nuovi HBT InP, in cui il framework di modellazione di imec evidenzia l'impatto sostanziale che il trasporto non diffusivo ha sull'autoriscaldamento in architetture complesse in scala. Per questi dispositivi, l'ingegneria nanoridge (NRE) è un interessante approccio di integrazione eterogenea dal punto di vista delle prestazioni elettriche. "Mentre i fondi della cresta affusolati consentono una bassa densità di difetti all'interno dei materiali III-V, tuttavia inducono un collo di bottiglia termico per la rimozione del calore verso il substrato", spiega Bjorn Vermeersch, membro principale dello staff tecnico nel team di modellazione termica e caratterizzazione di imec. «Le nostre simulazioni Monte Carlo 3D degli HBT NRE InP indicano che la topologia della cresta aumenta la resistenza termica di oltre il 20% rispetto a un'ipotetica mesa monolitica della stessa altezza», aggiunge. "Le nostre analisi evidenziano inoltre l'impatto diretto del materiale del colmo (ad es. InP rispetto a InGaAs) sull'autoriscaldamento, fornendo una manopola aggiuntiva per migliorare termicamente i progetti".

Tag: IMEC

Visita: www.ieee-iedm.org

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