Imec představuje simulační nástroj pro lepší předpověď tepelného toku v RF komponentách pro 5G a 6G

Obrázek 1 - Měřený a předpovězený tepelný odpor v závislosti na šířce lamely u GaN-on-Si HEMT s dvěma lamelami. / Obrázek 1 - Měřený a předpovězený tepelný odpor vůči šířce prstu dvouprstových GaN-on-Si HEMT.

Obrázek 2 – Geometrie InP nanoridge HBT používaného v 3D simulaci.

Obrázek 3 – Dopad nedifuzivních efektů tepelného přenosu (jak je zachyceno Monte Carlo simulací od imec) u InP nanoridge HBTs.

Tento týden představuje imec, celosvětově přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, na mezinárodním setkání Electron Devices Meeting 2022 (IEEE IEDM 2022) rámec pro Monte-Carlo-Boltzmannovo modelování, který poprvé používá mikroskopické rozdělení tepelného přenosu k předpovědi 3D tepelného toku v pokročilých HF modulech pro bezdrátovou komunikaci 5G a 6G. Případové studie s GaN-HEMTs (transistory s vysokou pohyblivostí elektronů) a InP-HBTs (heterojutkové bipolární tranzistory) ukázaly maximální teploty, které jsou až třikrát vyšší než při konvenčních předpovědích s vlastnostmi hmoty v objemu. Nový nástroj od Imec bude velmi užitečný při optimalizaci HF modulů příští generace směrem k tepelně vylepšeným návrhům.

Zařízení založená na GaN a InP se ukázala jako zajímaví kandidáti pro aplikace v mobilní frontě 5G na vlnové délce mm a 6G na sub-THz frekvencích díky jejich vysokému výkonu a účinnosti. Velká pozornost je věnována škálování technologií III/V na platformu Si a jejich kompatibilitě s CMOS, aby bylo možné tyto prvky optimalizovat a snížit náklady. S klesající velikostí a rostoucím výkonem se však zahřívání stalo významným problémem pro spolehlivost, což by mohlo bránit dalšímu škálování HF modulů.

Nadine Collaert, ředitelka programu pro vysokofrekvenční techniku v imec: "Ladění návrhu GaN- a InP-ových modulů na optimální elektrický výkon často zhoršuje jejich tepelný výkon při vysokých provozních frekvencích. U GaN-on-Si modulů jsme například nedávno dosáhli obrovského pokroku v elektrickém výkonu, takže účinnost a výkon poprvé dohnaly GaN na karbidu křemíku (SiC). Další zvýšení provozní frekvence modulů však vyžaduje zmenšení stávajících architektur. U těchto tenkých vícevrstvých struktur však tepelný přenos již není difuzní, což ztěžuje přesné předpovědi zahřívání. Náš nový simulační rámec, který dobře odpovídá našim měřením tepelného výkonu GaN-on-Si, ukázal teplotní špičky, které jsou až třikrát vyšší než dosud předpovídané. To nám pomůže při optimalizaci rozložení těchto HF modulů v rané fázi vývoje, abychom našli správnou rovnováhu mezi elektrickým a tepelným výkonem."

Podobná analýza je také velmi cenná pro nové InP-HBTs, kde modelovací rámec od imec ukazuje zásadní vliv ne-difuzního přenosu na samovýhřev v komplexních škálovaných architekturách. U těchto modulů je nanoridge engineering (NRE) zajímavým přístupem k heterogenní integraci z pohledu elektrického výkonu. "Zatímco zmenšující se ridge bottoms umožňují nízkou defektovou hustotu v materiálech III/V, vedou však k tepelnému úzkému místu při odvádění tepla směrem ke substrátu," vysvětluje Bjorn Vermeersch, vědecký vedoucí týmu pro tepelný modelování a charakterizaci v imec. "Naše 3D Monte-Carlo simulace NRE-InP-HBTs ukazují, že topologie ridge zvyšuje tepelný odpor o více než 20 procent ve srovnání s hypotetickou monolitickou mísou stejné výšky. Naše analýzy dále ukazují přímý vliv materiálu ridge (například InP vs. InGaAs) na samovýhřev, což nabízí další přístup k tepelnému zlepšení návrhů." 

Tato zjištění byla představena ve dvou přednáškách na IEDM 2022, a to Bjornem Vermeerschem o tepelném modelování a Nadine Collaert o technologiích GaN a InP pro příští generaci bezdrátové vysokovýkonné komunikace [příspěvky 11.5 a 15.3].