Imec, 5G 및 6G용 GaN HEMT 및 InP HBT RF 장치 모델링을 위한 프레임워크 소개

플라톤에 의해 재발행

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6 12월 2022

샌프란시스코(68월 2022-3일)에서 열린 제7회 IEEE 국제 전자 장치 회의(IEDM 3)에서 벨기에 루벤의 나노전자 연구 센터 imec은 처음으로 미세한 열 운반체를 사용하는 Monte Carlo Boltzmann 모델링 프레임워크를 발표했습니다. 5G 및 6G 무선 통신을 위한 고급 RF 장치에서 XNUMXD 열 전달을 예측하기 위한 분포.

그 결과는 열 모델링에 대한 Bjorn Vermeersch의 초청 논문과 차세대 고용량 무선 통신을 위한 질화 갈륨(GaN) 및 인화 인듐(InP) 기술에 대한 Nadine Collaert의 초청 논문에 각각 발표되었습니다[논문 11.5 및 15.3].

GaN HEMT(high-electron-mobility transistor) 및 InP HBT(heterojunction bipolar transistor)를 사용한 사례 연구에서 벌크 재료 특성을 가진 기존 예측보다 최대 XNUMX배 더 큰 피크 온도 상승이 나타났습니다. Imec은 새로운 도구가 열적으로 개선된 설계를 향한 차세대 RF 장치의 최적화를 안내하는 데 유용할 것이라고 생각합니다.

그림 1. 투핑거 GaN-on-Si HEMT의 핑거 폭에 대한 측정 및 예측 열 저항.

그림 1. 투핑거 GaN-on-Si HEMT의 핑거 폭에 대한 측정 및 예측 열 저항.

GaN 및 InP 기반 장치는 높은 출력 전력 및 효율성으로 인해 각각 5G 밀리미터파(mm-wave) 및 6G 서브 테라헤르츠 모바일 프런트 엔드 애플리케이션의 흥미로운 후보로 부상했습니다. RF 애플리케이션용으로 이러한 장치를 최적화하고 비용 효율적으로 만들기 위해 III/V 기술을 실리콘 플랫폼으로 업스케일링하고 CMOS 호환 가능하게 만드는 데 많은 관심을 기울였습니다. 그러나 피처 크기가 줄어들고 전력 수준이 높아지면서 자가 발열이 주요 신뢰성 문제가 되었고 잠재적으로 추가적인 RF 장치 확장을 제한하게 되었습니다.

imec의 고급 RF 프로그램 책임자인 Nadine Collaert는 "최적의 전기적 성능을 위해 GaN 및 InP 기반 장치의 설계를 조정하면 종종 높은 작동 주파수에서 열 성능이 악화됩니다."라고 말합니다. “예를 들어, GaN-on-Si 장치의 경우, 우리는 최근 GaN-on-실리콘 카바이드(SiC)와 동등한 전력 추가 효율성 및 출력 전력을 가져오면서 전기적 성능에서 엄청난 발전을 달성했습니다. 그러나 장치 작동 주파수를 더 확대하려면 기존 아키텍처를 축소해야 합니다. 그러나 이러한 한정된 다층 구조에서는 열 전달이 더 이상 확산되지 않아 정확한 자체 발열 예측이 어렵습니다.”라고 덧붙입니다. “GaN-on-Si 열 측정과 잘 일치하는 우리의 새로운 시뮬레이션 프레임워크는 이전에 예측한 것보다 최대 XNUMX배 더 큰 최고 온도 상승을 나타냈습니다. 이는 개발 단계 초기에 이러한 RF 장치 레이아웃을 최적화하는 지침을 제공하여 전기 성능과 열 성능 간의 적절한 균형을 보장할 것입니다.”

그림 2. 3D 시뮬레이션에 사용된 InP nanoridge HBT의 형상.

그림 2. 3D 시뮬레이션에 사용된 InP nanoridge HBT의 형상.

그림 3. InP nanoridge HBT에서 비확산 열 전달 효과의 영향(imec의 Monte Carlo 시뮬레이션으로 포착).

그림 3. InP nanoridge HBT에서 비확산 열 전달 효과의 영향(imec의 Monte Carlo 시뮬레이션으로 포착).

이러한 지침은 또한 imec의 모델링 프레임워크가 비확산 전송이 복잡한 규모의 아키텍처에서 자체 발열에 미치는 실질적인 영향을 강조하는 새로운 InP HBT에 대해 매우 가치가 있음을 입증합니다. 이러한 장치의 경우 나노리지 엔지니어링(NRE)은 전기적 성능 관점에서 흥미로운 이기종 통합 접근 방식입니다. imec의 열 모델링 및 특성화 팀의 주요 기술 직원인 Bjorn Vermeersch는 "테이퍼형 융기 바닥은 III-V 재료 내에서 낮은 결함 밀도를 가능하게 하지만 기판 쪽으로 열을 제거하기 위한 열 병목 현상을 유발합니다."라고 설명합니다. "NRE InP HBT의 3D Monte Carlo 시뮬레이션은 능선 토폴로지가 동일한 높이의 가상 모놀리식 메사에 비해 열 저항을 20% 이상 높인다는 것을 나타냅니다."라고 그는 덧붙입니다. "우리의 분석은 능선 재료(예: InP 대 InGaAs)가 자가 발열에 미치는 직접적인 영향을 더욱 강조하여 설계를 열적으로 개선하기 위한 추가 손잡이를 제공합니다."

태그 : IMEC

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