Imec presenta herramienta de simulación para una mejor predicción del flujo de calor en componentes RF para 5G y 6G

Figura 1 - Resistencia térmica medida y predicha en función del ancho de las aletas de HEMTs GaN-on-Si de dos aletas. / Figure 1 - Resistencia térmica medida y predicha en función del ancho de los dedos de HEMTs GaN-on-Si de dos dedos.

Figura 2 - Geometría del HBT de nanorriel de InP utilizado en la simulación 3D.

Figura 3 - Impacto de los efectos de transporte térmico no difusivo (como se captura en la simulación de Monte Carlo de imec) en HBTs de nanoridge de InP. / Figure 3 – Impacto de los efectos de transporte térmico no difusivo (como se captura en la simulación de Monte Carlo de imec) en HBTs de nanoridge de InP.

Esta semana, imec, líder mundial en centros de investigación e innovación en nanoelectrónica y tecnologías digitales, presenta en el International Electron Devices Meeting 2022 (IEEE IEDM 2022) un marco de modelado Monte Carlo-Boltzmann que, por primera vez, utiliza distribuciones microscópicas de portadores de calor para predecir el transporte térmico 3D en componentes de alta frecuencia avanzados para la comunicación inalámbrica 5G y 6G. Estudios de caso con GaN-HEMTs (transistores de alta movilidad de electrones) y transistores bipolares de heterojunción InP mostraron temperaturas máximas hasta tres veces superiores a las predicciones convencionales basadas en propiedades de materiales en bloque. La nueva herramienta de Imec será muy útil para orientar la optimización de componentes de alta frecuencia de próxima generación hacia diseños térmicamente mejorados.

Los componentes basados en GaN e InP han demostrado ser candidatos interesantes para aplicaciones de front-end móvil de ondas milimétricas 5G y sub-THz 6G, debido a su alta potencia de salida y eficiencia. Para optimizar estos componentes para aplicaciones de alta frecuencia y reducir costes, se presta gran atención a la escalabilidad de las tecnologías III/V sobre una plataforma de silicio y su compatibilidad con CMOS. Sin embargo, con la reducción del tamaño y el aumento del rendimiento, el calentamiento se ha convertido en un gran problema para la fiabilidad, lo que podría obstaculizar la escalabilidad futura de los componentes de alta frecuencia.

Nadine Collaert, directora del programa de tecnología de alta frecuencia en imec, comenta: "Ajustar el diseño de componentes basados en GaN e InP para obtener un rendimiento eléctrico óptimo a menudo empeora el rendimiento térmico a altas frecuencias de operación. Por ejemplo, en componentes GaN sobre silicio, hemos logrado recientemente avances considerables en rendimiento eléctrico, alcanzando por primera vez una eficiencia y potencia de salida comparables a las de GaN sobre carburo de silicio (SiC). Sin embargo, aumentar aún más la frecuencia de operación de los componentes requiere reducir las arquitecturas existentes. En estas estructuras multicapa limitadas, el transporte de calor ya no es difusivo, lo que dificulta predicciones precisas del calentamiento. Nuestro marco de simulación innovador, que coincide bien con nuestras mediciones térmicas de GaN sobre silicio, ha mostrado picos de temperatura hasta tres veces mayores que los predichos anteriormente. Esto nos ayudará a optimizar los diseños de estos componentes en las primeras fases de desarrollo, para encontrar el equilibrio adecuado entre rendimiento eléctrico y térmico."

Un análisis similar resulta también muy valioso para los novedosos HBT de InP, donde el marco de modelado de imec revela la influencia significativa del transporte no difusivo en el auto-calentamiento en arquitecturas complejas escaladas. Para estos componentes, la ingeniería de nanoridges (NRE) es un enfoque interesante para la integración heterogénea desde la perspectiva del rendimiento eléctrico. "Mientras que las bases de ridge en rejuvenecimiento permiten una baja densidad de defectos en los materiales III-V, también conducen a un cuello de botella térmico para la evacuación del calor hacia el sustrato", explica Bjorn Vermeersch, director científico del equipo de modelado térmico y caracterización en imec. "Nuestras simulaciones Monte Carlo 3D de NRE-InP-HBT muestran que la topología del ridge aumenta la resistencia térmica en más del 20% en comparación con una mesa monolítica hipotética de la misma altura. Además, nuestros análisis muestran la influencia directa del material del ridge (por ejemplo, InP frente a InGaAs) en el auto-calentamiento, ofreciendo un enfoque adicional para mejorar térmicamente los diseños".

Estos resultados fueron presentados en dos ponencias en el IEDM 2022, una por Bjorn Vermeersch sobre modelado térmico y otra por Nadine Collaert sobre tecnologías de GaN e InP para la próxima generación de comunicaciones inalámbricas de alta potencia [papers 11.5 y 15.3].