Imec introduserer rammeverk for modell GaN HEMT og InP HBT RF-enheter for 5G og 6G

Publisert av Platon

Følgere: 0

6 desember 2022

På det 68. årlige IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) i San Francisco (3.–7. desember) har nanoelektronikkforskningssenteret imec i Leuven, Belgia presentert et Monte Carlo Boltzmann-modelleringsrammeverk som for første gang bruker mikroskopisk varmebærer distribusjoner for å forutsi 3D termisk transport i avanserte RF-enheter beregnet for 5G og 6G trådløs kommunikasjon.

Resultatene ble presentert i to inviterte artikler, av Bjorn Vermeersch om termisk modellering og av Nadine Collaert om galliumnitrid (GaN) og indiumfosfid (InP) teknologier for henholdsvis neste generasjons høykapasitets trådløs kommunikasjon [papir 11.5 og 15.3].

Kasusstudier med GaN transistorer med høy elektronmobilitet (HEMT) og InP heterojunction bipolare transistorer (HBT) avslørte topptemperaturøkninger opptil tre ganger større enn konvensjonelle spådommer med bulkmaterialegenskaper. Imec regner med at det nye verktøyet vil være nyttig for å lede optimaliseringer av neste generasjons RF-enheter mot termisk forbedrede design.

Figur 1. Målt og forutsagt termisk motstand versus fingerbredde for GaN-on-Si HEMT-er med to fingre.

Figur 1. Målt og forutsagt termisk motstand versus fingerbredde for GaN-on-Si HEMT-er med to fingre.

GaN- og InP-baserte enheter har dukket opp som interessante kandidater for henholdsvis 5G millimeterbølge (mm-bølge) og 6G sub-THz mobile front-end-applikasjoner på grunn av deres høye utgangseffekt og effektivitet. For å optimalisere disse enhetene for RF-applikasjoner og gjøre dem kostnadseffektive, er det lagt stor vekt på å oppskalere III/V-teknologiene til en silisiumplattform og gjøre dem CMOS-kompatible. Men med krympende funksjonsstørrelser og økende effektnivåer, har selvoppvarming blitt et stort pålitelighetsproblem, noe som potensielt begrenser ytterligere skalering av RF-enheter.

"Tuning av designen til GaN- og InP-baserte enheter for optimal elektrisk ytelse forverrer ofte termisk ytelse ved høye driftsfrekvenser," bemerker Nadine Collaert, programdirektør for avansert RF hos imec. "For GaN-on-Si-enheter, for eksempel, har vi nylig oppnådd en enorm fremgang i elektrisk ytelse, og bringer den ekstra krafteffektiviteten og utgangseffekten for første gang på nivå med GaN-på-silisiumkarbid (SiC). Men ytterligere utvidelse av enhetens driftsfrekvens vil kreve nedbemanning av eksisterende arkitekturer. I disse avgrensede flerlagsstrukturene er termisk transport imidlertid ikke lenger diffus, noe som utfordrer nøyaktige selvoppvarmingsspådommer, legger hun til. "Vårt nye simuleringsrammeverk, som ga gode samsvar med våre GaN-on-Si termiske målinger, avslørte topptemperaturøkninger opptil tre ganger større enn tidligere spådd. Det vil gi veiledning for å optimalisere disse RF-enhetsoppsettene tidlig i utviklingsfasen for å sikre riktig avveining mellom elektrisk og termisk ytelse.»

Figur 2. Geometri av InP nanoridge HBT brukt i 3D-simuleringen.

Figur 2. Geometri av InP nanoridge HBT brukt i 3D-simuleringen.

Figur 3. Påvirkning av ikke-diffusive termiske transporteffekter (som fanget opp av imecs Monte Carlo-simulering) i InP nanoridge HBT-er.

Figur 3. Påvirkning av ikke-diffusive termiske transporteffekter (som fanget opp av imecs Monte Carlo-simulering) i InP nanoridge HBT-er.

Slik veiledning viser seg også å være svært verdifull for de nye InP HBT-ene, der imecs modelleringsrammeverk fremhever den betydelige innvirkningen som ikke-diffusiv transport har på selvoppvarming i komplekse skalerte arkitekturer. For disse enhetene er nanoridge engineering (NRE) en interessant heterogen integrasjonstilnærming fra et elektrisk ytelsessynspunkt. "Mens de koniske ryggbunnene muliggjør lav defekttetthet i III-V-materialene, induserer de imidlertid en termisk flaskehals for varmefjerning mot underlaget," forklarer Bjørn Vermeersch, hovedmedlem av teknisk stab i termisk modellering og karakteriseringsteamet hos imec. "Våre 3D Monte Carlo-simuleringer av NRE InP HBT-er indikerer at ryggtopologien øker den termiske motstanden med over 20 % sammenlignet med en hypotetisk monolittisk mesa med samme høyde," legger han til. "Våre analyser fremhever videre den direkte påvirkningen av mønematerialet (f.eks. InP versus InGaAs) på selvoppvarming, og gir en ekstra knott for å forbedre designene termisk."

Tags: IMEC

Besøk: www.ieee-iedm.org

Besøk: www.imec.be