Imec introducerar ramverk för att modellera GaN HEMT och InP HBT RF-enheter för 5G och 6G

Nyheter: mikroelektronik

6 December 2022

Vid det 68:e årliga IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2022) i San Francisco (3–7 december) har nanoelektronikforskningscentret imec i Leuven, Belgien presenterat ett Monte Carlo Boltzmann-modelleringsramverk som för första gången använder mikroskopiska värmebärare distributioner för att förutsäga 3D termisk transport i avancerade RF-enheter avsedda för 5G och 6G trådlös kommunikation.

Resultaten presenterades i två inbjudna artiklar, av Bjorn Vermeersch om termisk modellering och av Nadine Collaert om galliumnitrid (GaN) och indiumfosfid (InP) teknologier för nästa generations högkapacitets trådlös kommunikation, respektive [papper 11.5 och 15.3].

Fallstudier med GaN transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT) och InP heterojunction bipolära transistorer (HBT) avslöjade topptemperaturökningar upp till tre gånger större än konventionella förutsägelser med bulkmaterialegenskaper. Imec räknar med att det nya verktyget kommer att vara användbart för att styra optimeringar av nästa generations RF-enheter mot termiskt förbättrade konstruktioner.

Figur 1. Uppmätt och förutspådd termisk resistans kontra fingerbredd för GaN-on-Si HEMT med två fingrar.

GaN- och InP-baserade enheter har dykt upp som intressanta kandidater för 5G millimetervåg (mm-våg) respektive 6G sub-THz mobila front-end-applikationer, på grund av deras höga uteffekt och effektivitet. För att optimera dessa enheter för RF-tillämpningar och göra dem kostnadseffektiva ägnas mycket uppmärksamhet åt att uppskala III/V-teknologierna till en kiselplattform och göra dem CMOS-kompatibla. Men med krympande funktionsstorlekar och stigande effektnivåer har självuppvärmning blivit ett stort tillförlitlighetsproblem, vilket potentiellt begränsar ytterligare skalning av RF-enheter.

"Att justera designen av GaN- och InP-baserade enheter för optimal elektrisk prestanda försämrar ofta den termiska prestandan vid höga driftsfrekvenser", konstaterar Nadine Collaert, programchef för avancerad RF på imec. "För GaN-on-Si-enheter, till exempel, har vi nyligen uppnått enorma framsteg inom elektrisk prestanda, vilket för första gången bringar den effekttillförda effektiviteten och uteffekten i nivå med GaN-på-kiselkarbid (SiC). Men ytterligare förstoring av enhetens driftfrekvens kommer att kräva nedskärningar av befintliga arkitekturer. I dessa begränsade flerskiktsstrukturer är termisk transport emellertid inte längre diffus, vilket utmanar exakta självuppvärmningsförutsägelser”, tillägger hon. "Vårt nya simuleringsramverk, som gav bra matchningar med våra GaN-on-Si termiska mätningar, avslöjade topptemperaturökningar upp till tre gånger större än tidigare förutspått. Det kommer att ge vägledning för att optimera dessa RF-enhetslayouter tidigt i utvecklingsfasen för att säkerställa rätt avvägning mellan elektrisk och termisk prestanda."

Figur 2. Geometri för InP nanoridge HBT som används i 3D-simuleringen.

Figur 3. Effekten av icke-diffusiva termiska transporteffekter (som fångats av imecs Monte Carlo-simulering) i InP nanoridge HBT.

Sådan vägledning visar sig också vara mycket värdefull för de nya InP HBTs, där imecs modelleringsramverk belyser den betydande inverkan som icke-diffusiv transport har på självuppvärmning i komplexa skalade arkitekturer. För dessa enheter är nanoridge engineering (NRE) en intressant heterogen integrationsstrategi ur en elektrisk prestandasynpunkt. "Medan de avsmalnande åsbottnarna möjliggör låg defektdensitet i III-V-materialen, inducerar de dock en termisk flaskhals för värmeavlägsnande mot substratet", förklarar Björn Vermeersch, chefsmedlem i teknisk personal i termisk modellering och karakteriseringsteam på imec. "Våra 3D Monte Carlo-simuleringar av NRE InP HBTs indikerar att åstopologin höjer det termiska motståndet med över 20 % jämfört med en hypotetisk monolitisk mesa av samma höjd", tillägger han. "Våra analyser visar vidare den direkta påverkan av åsmaterialet (t.ex. InP kontra InGaAs) på självuppvärmning, vilket ger en extra ratt för att förbättra designen termiskt."

Taggar: IMEC

Besök: www.ieee-iedm.org

Besök: www.imec.be

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml