Imec introduce un cadru pentru modelarea dispozitivelor GaN HEMT și InP HBT RF pentru 5G și 6G

Știri: microelectronică

6 decembrie 2022

La cea de-a 68-a întâlnire anuală a IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) din San Francisco (3-7 decembrie), centrul de cercetare în nanoelectronica imec din Leuven, Belgia, a prezentat un cadru de modelare Monte Carlo Boltzmann care, pentru prima dată, folosește un purtător de căldură microscopic. distribuții pentru a prezice transportul termic 3D în dispozitivele RF avansate destinate comunicațiilor fără fir 5G și 6G.

Rezultatele au fost prezentate în două lucrări invitate, de Bjorn Vermeersch privind modelarea termică și de Nadine Collaert despre tehnologiile cu nitrură de galiu (GaN) și fosfură de indiu (InP) pentru comunicațiile wireless de mare capacitate de generație următoare, respectiv [articole 11.5 și 15.3].

Studiile de caz cu tranzistoare GaN cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT) și tranzistoare bipolare cu heterojuncție InP (HBT) au evidențiat creșteri ale temperaturii de vârf de până la trei ori mai mari decât previziunile convenționale cu proprietăți ale materialului în vrac. Imec consideră că noul instrument va fi util în ghidarea optimizărilor dispozitivelor RF de generația următoare către proiecte îmbunătățite termic.

Figura 1. Rezistența termică măsurată și prezisă în funcție de lățimea degetului a HEMT GaN-on-Si cu două degete.

Dispozitivele bazate pe GaN și InP au apărut ca candidați interesanți pentru aplicațiile front-end mobile 5G cu undă milimetrică (mm-wave) și, respectiv, 6G sub-THz, datorită puterii și eficienței lor ridicate de ieșire. Pentru a optimiza aceste dispozitive pentru aplicații RF și pentru a le face rentabile, se acordă multă atenție extinderii tehnologiilor III/V la o platformă de siliciu și a le face compatibile CMOS. Cu toate acestea, odată cu micșorarea dimensiunilor caracteristicilor și a nivelurilor de putere în creștere, auto-încălzirea a devenit o problemă majoră de fiabilitate, limitând potențial scalarea suplimentară a dispozitivelor RF.

„Ajustarea designului dispozitivelor bazate pe GaN și InP pentru o performanță electrică optimă înrăutățește adesea performanța termică la frecvențe de operare înalte”, notează Nadine Collaert, director de program RF avansat la imec. „Pentru dispozitivele GaN-on-Si, de exemplu, am realizat recent progrese uriașe în performanța electrică, aducând eficiența cu putere adăugată și puterea de ieșire pentru prima dată la egalitate cu cea a carburii de siliciu GaN-on-SiC (SiC). Dar extinderea în continuare a frecvenței de operare a dispozitivului va necesita reducerea arhitecturilor existente. Cu toate acestea, în aceste structuri limitate cu mai multe straturi, transportul termic nu mai este difuziv, provocând predicțiile precise de auto-încălzire”, adaugă ea. „Noul nostru cadru de simulare, care oferă potriviri bune cu măsurătorile noastre termice GaN-on-Si, a dezvăluit creșteri ale temperaturii de vârf de până la trei ori mai mari decât se prevedea anterior. Acesta va oferi îndrumări în optimizarea acestor dispozitive RF la începutul fazei de dezvoltare, pentru a asigura un compromis corect între performanța electrică și termică.”

Figura 2. Geometria InP nanoridge HBT utilizată în simularea 3D.

Figura 3. Impactul efectelor transportului termic nedifuziv (așa cum a fost capturat de simularea Monte Carlo de la imec) în HBT-urile InP nanoridge.

O astfel de îndrumare se dovedește, de asemenea, foarte valoroasă pentru noile HBT-uri InP, în care cadrul de modelare al imec evidențiază impactul substanțial pe care transportul nedifuziv îl are asupra autoîncălzirii în arhitecturile la scară complexă. Pentru aceste dispozitive, ingineria nanoridge (NRE) este o abordare interesantă de integrare eterogenă din punct de vedere al performanței electrice. „În timp ce fundul crestei conice permite o densitate scăzută a defectelor în materialele III-V, ele induc totuși un blocaj termic pentru îndepărtarea căldurii către substrat”, explică Bjorn Vermeersch, membru principal al personalului tehnic în echipa de modelare și caracterizare termică de la imec. „Simulările noastre 3D Monte Carlo ale HBT-urilor NRE InP indică faptul că topologia crestei crește rezistența termică cu peste 20% în comparație cu o masă monolitică ipotetică de aceeași înălțime”, adaugă el. „Analizele noastre evidențiază, în plus, impactul direct al materialului de creastă (de exemplu, InP versus InGaAs) asupra autoîncălzirii, oferind un buton suplimentar pentru a îmbunătăți designul termic.”

Etichete: IMEC

Vizitați: www.ieee-iedm.org

Vizitați: www.imec.be

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml