Imec 引入框架来模拟 5G 和 6G 的 GaN HEMT 和 InP HBT RF 设备

新闻： 微电子

6. 2022

在旧金山举行的第 68 届年度 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM 2022) 上（3 月 7 日至 3 日），比利时鲁汶的纳米电子学研究中心 imec 提出了蒙特卡罗玻尔兹曼建模框架，该框架首次使用微观热载体分布以预测用于 5G 和 6G 无线通信的高级射频设备中的 XNUMXD 热传输。

结果在两篇受邀论文中发表，分别是 Bjorn Vermeersch 的热建模和 Nadine Collaert 的下一代高容量无线通信的氮化镓 (GaN) 和磷化铟 (InP) 技术 [论文 11.5 和 15.3]。

对 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和 InP 异质结双极晶体管 (HBT) 的案例研究表明，峰值温度上升幅度比传统预测的大块材料特性高出三倍。 Imec 认为新工具将有助于指导下一代 RF 设备的优化以实现热改进设计。

图 1. 测量和预测的热阻与双指 GaN-on-Si HEMT 的指宽。

基于 GaN 和 InP 的器件因其高输出功率和效率而分别成为 5G 毫米波 (mm-wave) 和 6G sub-THz 移动前端应用的热门候选者。 为了针对 RF 应用优化这些设备并使其具有成本效益，人们非常关注将 III/V 技术升级到硅平台并使其与 CMOS 兼容。 然而，随着特征尺寸的缩小和功率水平的上升，自热已成为主要的可靠性问题，可能会限制 RF 设备的进一步扩展。

“调整基于 GaN 和 InP 的设备的设计以获得最佳电气性能通常会使高工作频率下的热性能恶化，”imec 高级 RF 项目总监 Nadine Collaert 指出。 “例如，对于 GaN-on-Si 器件，我们最近在电气性能方面取得了巨大进步，首次将功率附加效率和输出功率与碳化硅基 GaN (SiC) 相提并论。 但进一步扩大设备工作频率将需要缩小现有架构。 然而，在这些受限的多层结构中，热传输不再扩散，这对准确的自热预测提出了挑战，”她补充道。 “我们新颖的模拟框架与我们的 GaN-on-Si 热测量结果非常匹配，显示峰值温度上升幅度比之前预测的高出三倍。 它将在开发阶段的早期为优化这些 RF 设备布局提供指导，以确保电气和热性能之间的正确权衡。”

图 2. 3D 模拟中使用的 InP 纳米脊 HBT 的几何结构。

图 3. InP 纳米脊 HBT 中非扩散热传输效应（由 imec 的蒙特卡罗模拟捕获）的影响。

这种指导对于新型 InP HBT 也被证明非常有价值，imec 的建模框架强调了非扩散传输对复杂尺度架构中的自热的重大影响。 对于这些设备，从电气性能的角度来看，纳米脊工程 (NRE) 是一种有趣的异构集成方法。 imec 热建模和表征团队的主要技术人员 Bjorn Vermeersch 解释说：“虽然锥形脊底部能够在 III-V 材料中实现低缺陷密度，但它们会导致热量向基板散热的热瓶颈。” “我们对 NRE InP HBT 的 3D 蒙特卡罗模拟表明，与假设的相同高度的单片台面相比，脊形拓扑将热阻提高了 20% 以上，”他补充道。 “我们的分析进一步强调了脊材料（例如 InP 与 InGaAs）对自热的直接影响，提供了一个额外的旋钮来改进热设计。”

标签： IMEC

访问： www.ieee-iedm.org

访问： www.imec.be

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