Imec wprowadza platformę do modelowania urządzeń GaN HEMT i InP HBT RF dla 5G i 6G

News: Microelectronics

6 grudnia 2022

Na 68. dorocznym spotkaniu IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) w San Francisco (3–7 grudnia) centrum badań nanoelektroniki imec z Leuven w Belgii zaprezentowało model modelowania Monte Carlo Boltzmanna, który po raz pierwszy wykorzystuje mikroskopijny nośnik ciepła dystrybucje do przewidywania transportu termicznego 3D w zaawansowanych urządzeniach RF przeznaczonych do komunikacji bezprzewodowej 5G i 6G.

Wyniki zostały zaprezentowane w dwóch zaproszonych artykułach, autorstwa Bjorna Vermeerscha na temat modelowania termicznego oraz Nadine Collaert na temat technologii azotku galu (GaN) i fosforku indu (InP) dla komunikacji bezprzewodowej nowej generacji o dużej przepustowości, odpowiednio [artykuły 11.5 i 15.3].

Studia przypadków dotyczące tranzystorów GaN o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) i heterozłączowych tranzystorów bipolarnych InP (HBT) wykazały, że szczytowy wzrost temperatury jest nawet trzykrotnie większy niż konwencjonalne przewidywania dotyczące właściwości materiałów masowych. Imec uważa, że ​​nowe narzędzie będzie przydatne w kierowaniu optymalizacją urządzeń RF nowej generacji w kierunku projektów ulepszonych termicznie.

Rysunek 1. Zmierzony i przewidywany opór cieplny w funkcji szerokości palca dwupalcowych HEMT GaN-on-Si.

Ze względu na wysoką moc wyjściową i wydajność urządzenia oparte na GaN i InP okazały się interesującymi kandydatami do zastosowań mobilnych 5G na falach milimetrowych (fale mm) i 6G sub-THz. Aby zoptymalizować te urządzenia do zastosowań RF i uczynić je opłacalnymi, wiele uwagi poświęca się przeskalowaniu technologii III/V do platformy krzemowej i uczynieniu ich kompatybilnymi z CMOS. Jednak wraz ze zmniejszającymi się rozmiarami funkcji i rosnącymi poziomami mocy samonagrzewanie stało się głównym problemem związanym z niezawodnością, potencjalnie ograniczając dalsze skalowanie urządzeń RF.

„Dostrajanie konstrukcji urządzeń opartych na GaN i InP w celu uzyskania optymalnej wydajności elektrycznej często pogarsza wydajność termiczną przy wysokich częstotliwościach roboczych”, zauważa Nadine Collaert, dyrektor programowy ds. zaawansowanych technologii radiowych w firmie imec. „Na przykład w przypadku urządzeń GaN-on-Si osiągnęliśmy ostatnio ogromny postęp w wydajności elektrycznej, przynosząc po raz pierwszy wydajność dodaną mocy i moc wyjściową na poziomie GaN-on-węglik krzemu (SiC). Jednak dalsze zwiększanie częstotliwości pracy urządzeń będzie wymagało zmniejszenia istniejących architektur. Jednak w tych ograniczonych wielowarstwowych strukturach transport termiczny nie jest już dyfuzyjny, co stanowi wyzwanie dla dokładnych prognoz samonagrzewania” – dodaje. „Nasze nowatorskie ramy symulacyjne, dające dobre dopasowanie do naszych pomiarów termicznych GaN-on-Si, ujawniły szczytowy wzrost temperatury nawet trzykrotnie większy niż wcześniej przewidywano. Zapewni wskazówki dotyczące optymalizacji układów tych urządzeń RF na wczesnym etapie rozwoju, aby zapewnić właściwy kompromis między wydajnością elektryczną i termiczną”.

Rysunek 2. Geometria nanogrzbietu InP HBT użytego w symulacji 3D.

Rysunek 3. Wpływ efektów niedyfuzyjnego transportu termicznego (uchwyconych przez symulację Monte Carlo firmy imec) w HBT nanoridge InP.

Takie wskazówki okazują się również bardzo cenne w przypadku nowych InP HBT, w których ramy modelowania firmy imec podkreślają istotny wpływ transportu niedyfuzyjnego na samonagrzewanie się w złożonych skalowanych architekturach. W przypadku tych urządzeń inżynieria nanoridge (NRE) jest interesującym podejściem do integracji heterogenicznej z punktu widzenia wydajności elektrycznej. „Podczas gdy zwężające się dna grzbietu umożliwiają niską gęstość defektów w materiałach III-V, powodują one jednak termiczne wąskie gardło w odprowadzaniu ciepła w kierunku podłoża”, wyjaśnia Bjorn Vermeersch, główny członek personelu technicznego w zespole modelowania termicznego i charakteryzacji w firmie imec. „Nasze symulacje 3D Monte Carlo NRE InP HBT wskazują, że topologia grzbietu zwiększa opór cieplny o ponad 20% w porównaniu z hipotetycznym monolitycznym płaskowyżem o tej samej wysokości” – dodaje. „Nasze analizy podkreślają ponadto bezpośredni wpływ materiału grzbietu (np. InP w porównaniu z InGaAs) na samonagrzewanie, zapewniając dodatkowe pokrętło do termicznego ulepszania projektów”.

tagi: IMEC

Odwiedź: www.ieee-iedm.org

Odwiedź: www.imec.be

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml