Imec introduceert raamwerk om GaN HEMT- en InP HBT RF-apparaten voor 5G en 6G te modelleren

Nieuws: Microelectronics

6 december 2022

Op de 68e jaarlijkse IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) in San Francisco (3–7 december) heeft nano-elektronica-onderzoekscentrum imec uit Leuven, België een Monte Carlo Boltzmann-modelleringsraamwerk gepresenteerd dat voor het eerst gebruikmaakt van microscopisch kleine warmtedragers. distributies om 3D thermisch transport te voorspellen in geavanceerde RF-apparaten bedoeld voor 5G en 6G draadloze communicatie.

De resultaten werden gepresenteerd in twee uitgenodigde papers, door Bjorn Vermeersch over thermische modellering en door Nadine Collaert over respectievelijk galliumnitride (GaN) en indiumfosfide (InP) technologieën voor draadloze communicatie met hoge capaciteit van de volgende generatie [papers 11.5 en 15.3].

Casestudy's met GaN-transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) en InP heterojunction bipolaire transistors (HBT's) onthulden piektemperatuurstijgingen tot drie keer groter dan conventionele voorspellingen met bulkmateriaaleigenschappen. Imec denkt dat de nieuwe tool nuttig zal zijn bij het begeleiden van optimalisaties van volgende generatie RF-apparaten in de richting van thermisch verbeterde ontwerpen.

Figuur 1. Gemeten en voorspelde thermische weerstand versus vingerbreedte van tweevingerige GaN-op-Si HEMT's.

GaN- en InP-gebaseerde apparaten zijn naar voren gekomen als interessante kandidaten voor respectievelijk 5G millimetergolf (mm-golf) en 6G sub-THz mobiele front-end-toepassingen, vanwege hun hoge uitgangsvermogen en efficiëntie. Om deze apparaten voor RF-toepassingen te optimaliseren en kosteneffectief te maken, wordt veel aandacht besteed aan het opschalen van de III/V-technologieën naar een siliciumplatform en het CMOS-compatibel maken ervan. Echter, met krimpende functiegroottes en stijgende vermogensniveaus, is zelfverhitting een groot betrouwbaarheidsprobleem geworden, wat mogelijk verdere schaalvergroting van RF-apparaten beperkt.

“Het afstemmen van het ontwerp van GaN- en InP-gebaseerde apparaten voor optimale elektrische prestaties verslechtert vaak de thermische prestaties bij hoge werkfrequenties”, zegt Nadine Collaert, programmadirecteur geavanceerde RF bij imec. “Voor GaN-op-Si-apparaten hebben we onlangs bijvoorbeeld enorme vooruitgang geboekt op het gebied van elektrische prestaties, waardoor de toegevoegde waarde en het uitgangsvermogen voor het eerst vergelijkbaar zijn met die van GaN-op-siliciumcarbide (SiC). Maar het verder vergroten van de werkfrequentie van het apparaat vereist een inkrimping van de bestaande architecturen. In deze besloten meerlaagse structuren is thermisch transport echter niet langer diffuus, wat nauwkeurige voorspellingen van zelfopwarming in de weg staat”, voegt ze eraan toe. "Ons nieuwe simulatieraamwerk, dat goede overeenkomsten opleverde met onze GaN-op-Si thermische metingen, onthulde piektemperatuurstijgingen die tot drie keer groter waren dan eerder voorspeld. Het zal begeleiding bieden bij het optimaliseren van deze RF-apparaatlay-outs vroeg in de ontwikkelingsfase om de juiste afweging tussen elektrische en thermische prestaties te garanderen.”

Figuur 2. Geometrie van InP nanoridge HBT gebruikt in de 3D-simulatie.

Figuur 3. Impact van niet-diffuse effecten van thermisch transport (zoals vastgelegd door imec's Monte Carlo-simulatie) in InP nanoridge HBT's.

Dergelijke richtlijnen blijken ook zeer waardevol te zijn voor de nieuwe InP HBT's, waar imecs modelleringskader de substantiële impact benadrukt die niet-diffusief transport heeft op zelfverhitting in complexe geschaalde architecturen. Voor deze apparaten is nanoridge engineering (NRE) een interessante heterogene integratiebenadering vanuit het oogpunt van elektrische prestaties. "Hoewel de taps toelopende nokbodems een lage defectdichtheid binnen de III-V-materialen mogelijk maken, veroorzaken ze echter een thermisch knelpunt voor warmteafvoer naar het substraat", legt Bjorn Vermeersch uit, hoofdlid van de technische staf in het thermische modellerings- en karakteriseringsteam bij imec. "Onze 3D Monte Carlo-simulaties van NRE InP HBT's geven aan dat de noktopologie de thermische weerstand met meer dan 20% verhoogt in vergelijking met een hypothetische monolithische mesa van dezelfde hoogte", voegt hij eraan toe. "Onze analyses benadrukken bovendien de directe impact van het nokmateriaal (bijv. InP versus InGaAs) op zelfverhitting, wat een extra knop biedt om de ontwerpen thermisch te verbeteren."

Tags: IMEC

Bezoek: www.ieee-iedm.org

Bezoek: www.imec.be

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml