Imec แนะนำเฟรมเวิร์กสำหรับโมเดลอุปกรณ์ GaN HEMT และ InP HBT RF สำหรับ 5G และ 6G

ข่าว: อิเล็กทรอนิคขนาดเล็ก

6 2022 ธันวาคม

ในการประชุม IEEE International Electron Devices Meeting ประจำปีครั้งที่ 68 (IEDM 2022) ในซานฟรานซิสโก (3-7 ธันวาคม) ศูนย์วิจัยนาโนอิเล็กทรอนิกส์ imec เมือง Leuven ประเทศเบลเยียม ได้นำเสนอกรอบการสร้างแบบจำลอง Monte Carlo Boltzmann ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ใช้ตัวพาความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ การกระจายเพื่อทำนายการขนส่งความร้อน 3 มิติในอุปกรณ์ RF ขั้นสูงที่มีไว้สำหรับการสื่อสารไร้สาย 5G และ 6G

ผลลัพธ์ถูกนำเสนอในเอกสารรับเชิญสองฉบับ โดย Bjorn Vermeersch เกี่ยวกับการสร้างแบบจำลองความร้อน และโดย Nadine Collaert เกี่ยวกับเทคโนโลยีแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) สำหรับการสื่อสารไร้สายความจุสูงยุคหน้า ตามลำดับ [เอกสาร 11.5 และ 15.3]

กรณีศึกษาที่ใช้ทรานซิสเตอร์แบบเคลื่อนที่ด้วยอิเล็กตรอนสูง GaN (HEMTs) และทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบ InP heterojunction (HBTs) เผยให้เห็นว่าอุณหภูมิสูงสุดเพิ่มขึ้นมากกว่าการคาดการณ์ทั่วไปถึงสามเท่าด้วยคุณสมบัติของวัสดุจำนวนมาก Imec คิดว่าเครื่องมือใหม่นี้จะเป็นประโยชน์ในการชี้นำการปรับอุปกรณ์ RF ยุคหน้าให้เหมาะสมสำหรับการออกแบบที่ปรับปรุงด้านความร้อน

รูปที่ 1 วัดและคาดการณ์ความต้านทานความร้อนเทียบกับความกว้างนิ้วของ GaN-on-Si HEMT แบบสองนิ้ว

อุปกรณ์ที่ใช้ GaN และ InP ได้กลายเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันส่วนหน้ามือถือ 5G คลื่นมิลลิเมตร (คลื่นมิลลิเมตร) และ 6G sub-THz ตามลำดับ เนื่องจากกำลังขับและประสิทธิภาพสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์เหล่านี้สำหรับแอปพลิเคชัน RF และทำให้ประหยัดค่าใช้จ่าย ความสนใจอย่างมากจึงจ่ายไปที่การยกระดับเทคโนโลยี III/V ให้เป็นแพลตฟอร์มซิลิกอนและทำให้เข้ากันได้กับ CMOS อย่างไรก็ตาม ด้วยขนาดฟีเจอร์ที่ลดลงและระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น การทำความร้อนด้วยตัวเองจึงกลายเป็นข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือที่สำคัญ ซึ่งอาจจำกัดการปรับขนาดอุปกรณ์ RF เพิ่มเติม

“การปรับแต่งการออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้ GaN และ InP เพื่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีที่สุดมักจะทำให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนแย่ลงที่ความถี่การทำงานสูง” Nadine Collaert ผู้อำนวยการโครงการ RF ขั้นสูงของ imec กล่าว “ตัวอย่างเช่น สำหรับอุปกรณ์ GaN-on-Si เมื่อเร็ว ๆ นี้ เราประสบความสำเร็จอย่างมากในด้านประสิทธิภาพทางไฟฟ้า โดยนำประสิทธิภาพที่เพิ่มเข้ามาและกำลังขับออกมาเป็นครั้งแรกที่เทียบเท่ากับ GaN-on-silicon carbide (SiC) แต่การขยายความถี่การทำงานของอุปกรณ์เพิ่มเติมจะต้องลดขนาดสถาปัตยกรรมที่มีอยู่ อย่างไรก็ตาม ในโครงสร้างหลายชั้นที่จำกัดเหล่านี้ การถ่ายเทความร้อนจะไม่แพร่กระจายอีกต่อไป ท้าทายการคาดการณ์ความร้อนในตัวเองที่แม่นยำ” เธอกล่าวเสริม “เฟรมเวิร์กการจำลองแบบใหม่ของเรา ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่ดีกับการวัดความร้อน GaN-on-Si ของเรา เผยให้เห็นว่าอุณหภูมิสูงสุดเพิ่มขึ้นมากกว่าที่คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้ถึงสามเท่า โดยจะให้คำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพการจัดวางอุปกรณ์ RF เหล่านี้ในช่วงต้นของขั้นตอนการพัฒนา เพื่อให้แน่ใจว่ามีการแลกเปลี่ยนที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพไฟฟ้าและความร้อน”

รูปที่ 2 รูปทรงเรขาคณิตของ InP nanoridge HBT ที่ใช้ในการจำลอง 3 มิติ

รูปที่ 3 ผลกระทบของผลกระทบของการถ่ายเทความร้อนแบบไม่กระจาย (ตามการจำลองแบบมอนติคาร์โลของ imec) ใน InP nanoridge HBT

คำแนะนำดังกล่าวยังพิสูจน์ให้เห็นถึงคุณค่าอย่างมากสำหรับ InP HBTs ที่แปลกใหม่ โดยที่กรอบการสร้างแบบจำลองของ imec เน้นย้ำถึงผลกระทบที่สำคัญที่การขนส่งที่ไม่กระจายมีต่อการให้ความร้อนในตัวเองในสถาปัตยกรรมที่มีมาตราส่วนที่ซับซ้อน สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ วิศวกรรมนาโนริดจ์ (NRE) เป็นวิธีการผสานรวมที่แตกต่างกันที่น่าสนใจจากมุมมองของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า Bjorn Vermeersch สมาชิกหลักของเจ้าหน้าที่ด้านเทคนิคในทีมสร้างแบบจำลองและกำหนดคุณลักษณะทางความร้อนของ imec อธิบายว่า "ในขณะที่ก้นสันที่เรียวทำให้มีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำภายในวัสดุ III-V แต่จะทำให้เกิดคอขวดทางความร้อนเพื่อกำจัดความร้อนไปยังพื้นผิว" “การจำลองแบบมอนติคาร์โล 3 มิติของเราของ NRE InP HBTs บ่งชี้ว่าโทโพโลยีของสันเขาเพิ่มความต้านทานความร้อนได้มากกว่า 20% เมื่อเทียบกับเมซ่าเสาหินสมมุติฐานที่มีความสูงเท่ากัน” เขากล่าวเสริม “การวิเคราะห์ของเรายังเน้นให้เห็นถึงผลกระทบโดยตรงของวัสดุสัน (เช่น InP เทียบกับ InGaAs) ต่อการให้ความร้อนในตัวเอง ทำให้มีปุ่มเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงการออกแบบทางความร้อน”

คีย์เวิร์ด: ไอเมค

เยี่ยม: www.ieee-ieedm.org

เยี่ยม: www.imec.be

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://www.semiconductor-today.com/news_items/2022/dec/imec-061222.shtml