Imec apresenta framework para modelar dispositivos GaN HEMT e InP HBT RF para 5G e 6G

news: Microelectronics

6 de Dezembro de 2022

No 68º encontro anual IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) em São Francisco (3 a 7 de dezembro), o centro de pesquisa em nanoeletrônica imec de Leuven, na Bélgica, apresentou uma estrutura de modelagem Monte Carlo Boltzmann que, pela primeira vez, usa transportadores de calor microscópicos distribuições para prever o transporte térmico 3D em dispositivos de RF avançados destinados à comunicação sem fio 5G e 6G.

Os resultados foram apresentados em dois artigos convidados, por Bjorn Vermeersch sobre modelagem térmica e por Nadine Collaert sobre tecnologias de nitreto de gálio (GaN) e fosfeto de índio (InP) para comunicação sem fio de alta capacidade de próxima geração, respectivamente [artigos 11.5 e 15.3].

Estudos de caso com transistores GaN de alta mobilidade eletrônica (HEMTs) e transistores bipolares de heterojunção InP (HBTs) revelaram aumentos de temperatura de pico até três vezes maiores do que as previsões convencionais com propriedades de material a granel. A Imec acredita que a nova ferramenta será útil para orientar as otimizações dos dispositivos de RF de próxima geração em direção a projetos melhorados termicamente.

Figura 1. Resistência térmica medida e prevista versus largura do dedo de HEMTs GaN-on-Si de dois dedos.

Os dispositivos baseados em GaN e InP surgiram como candidatos interessantes para aplicativos front-end móveis 5G de onda milimétrica (onda mm) e 6G sub-THz, respectivamente, devido à sua alta potência de saída e eficiência. Para otimizar esses dispositivos para aplicações de RF e torná-los econômicos, muita atenção é dada ao aprimoramento das tecnologias III/V para uma plataforma de silício e torná-las compatíveis com CMOS. No entanto, com tamanhos de recursos cada vez menores e níveis de potência crescentes, o autoaquecimento tornou-se uma grande preocupação de confiabilidade, potencialmente limitando o dimensionamento adicional de dispositivos de RF.

“Ajustar o design de dispositivos baseados em GaN e InP para desempenho elétrico ideal geralmente piora o desempenho térmico em altas frequências de operação”, observa Nadine Collaert, diretora do programa de RF avançado do imec. “Para os dispositivos GaN-on-Si, por exemplo, recentemente alcançamos um tremendo progresso no desempenho elétrico, trazendo as eficiências de adição de energia e a potência de saída pela primeira vez em pé de igualdade com o GaN-on-silício carboneto (SiC). Mas aumentar ainda mais a frequência operacional do dispositivo exigirá a redução do tamanho das arquiteturas existentes. Nessas estruturas multicamadas confinadas, no entanto, o transporte térmico não é mais difuso, desafiando previsões precisas de autoaquecimento”, acrescenta ela. “Nossa nova estrutura de simulação, produzindo boas correspondências com nossas medições térmicas de GaN-on-Si, revelou aumentos de temperatura de pico até três vezes maiores do que o previsto anteriormente. Ele fornecerá orientação para otimizar esses layouts de dispositivos de RF no início da fase de desenvolvimento para garantir a compensação correta entre desempenho elétrico e térmico”.

Figura 2. Geometria do InP nanoridge HBT usado na simulação 3D.

Figura 3. Impacto dos efeitos de transporte térmico não difusivo (conforme capturado pela simulação de Monte Carlo do imec) em HBTs nanoridge InP.

Essa orientação também se mostra muito valiosa para os novos InP HBTs, onde a estrutura de modelagem do imec destaca o impacto substancial que o transporte não difusivo tem no autoaquecimento em arquiteturas de escala complexa. Para esses dispositivos, a engenharia nanoridge (NRE) é uma abordagem de integração heterogênea interessante do ponto de vista do desempenho elétrico. “Embora os fundos das arestas cônicas permitam baixa densidade de defeitos nos materiais III-V, eles induzem um gargalo térmico para remoção de calor em direção ao substrato”, explica Bjorn Vermeersch, principal membro da equipe técnica da equipe de modelagem e caracterização térmica do imec. “Nossas simulações 3D Monte Carlo de NRE InP HBTs indicam que a topologia do cume aumenta a resistência térmica em mais de 20% em comparação com uma hipotética mesa monolítica da mesma altura”, acrescenta. “Nossas análises destacam ainda o impacto direto do material da aresta (por exemplo, InP versus InGaAs) no autoaquecimento, fornecendo um botão adicional para melhorar os projetos termicamente.”

Tags: IMEC

Visite: www.ieee-iedm.org

Visite: www.imec.be

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