Imec présente un outil de simulation pour une meilleure prévision du flux thermique dans les composants RF pour la 5G et la 6G

Figure 2 – Géométrie du HBT à nanoridge en InP utilisé dans la simulation 3D.

Figure 3 – Impact des effets de transport thermique non diffusifs (capturés par la simulation Monte Carlo d’imec) dans les HBT à nanoridge en InP.

Cette semaine, imec, centre de recherche et d'innovation mondialement reconnu pour la nanoélectronique et les technologies numériques, présente lors de l'International Electron Devices Meeting 2022 (IEEE IEDM 2022) un cadre de modélisation Monte-Carlo-Boltzmann, qui pour la première fois utilise des distributions microscopiques de porteurs de chaleur pour prévoir le transport thermique 3D dans des modules haute fréquence avancés destinés à la communication sans fil 5G et 6G. Des études de cas avec des GaN-HEMTs (transistors à haute mobilité d’électrons) et des HBT en InP (phosphure d’indium) ont révélé des températures maximales jusqu’à trois fois plus élevées que celles prévues par des modèles conventionnels utilisant des propriétés de matériaux en vrac. Le nouvel outil d’imec sera très utile pour orienter l’optimisation des modules haute fréquence de prochaine génération vers des conceptions thermiquement améliorées.

Les composants à base de GaN et d’InP se sont révélés être des candidats intéressants pour des applications en front-end mobile 5G mm-wave ou 6G sous-THz, en raison de leur haute puissance de sortie et de leur efficacité. Pour optimiser ces composants pour les applications HF et réduire leurs coûts, une attention particulière est portée à la montée en échelle des technologies III/V sur plateforme Si et à leur compatibilité CMOS. Cependant, avec la réduction des tailles et l’augmentation des performances, le chauffage est devenu un problème majeur pour la fiabilité, ce qui pourrait freiner la poursuite de la miniaturisation des modules HF.

Nadine Collaert, directrice du programme en haute fréquence chez imec : « L’alignement du design des modules à base de GaN et d’InP sur une performance électrique optimale dégrade souvent la performance thermique à haute fréquence de fonctionnement. Par exemple, pour les modules GaN sur Si, nous avons récemment réalisé d’énormes progrès en termes de performance électrique, permettant pour la première fois d’atteindre un rendement et une puissance de sortie comparables à ceux du GaN sur carbure de silicium (SiC). Cependant, augmenter encore la fréquence de fonctionnement de ces modules nécessite de réduire la taille des architectures existantes. Dans ces structures multicouches limitées, le transport thermique n’est plus diffus, ce qui complique la prévision précise de la chauffe. Notre nouveau cadre de simulation, qui montre une bonne concordance avec nos mesures thermiques sur GaN sur Si, a révélé des pics de température jusqu’à trois fois plus élevés que prévu jusqu’à présent. Cela nous aidera à optimiser la disposition de ces modules HF lors des premières phases de développement, afin de trouver le compromis optimal entre performance électrique et thermique.»

Une analyse similaire s’avère également très précieuse pour les nouveaux HBT en InP, où le cadre de modélisation d’imec met en évidence l’impact essentiel du transport non diffusif sur l’auto-chauffage dans des architectures complexes et scalées. Pour ces composants, l’ingénierie des nanoridges (NRE) constitue une approche intéressante pour l’intégration hétérogène du point de vue de la performance électrique. « Tandis que les ridges inférieurs en voie de disparition permettent une faible densité de défauts dans les matériaux III-V, ils entraînent cependant un goulot d’étranglement thermique pour l’évacuation de la chaleur vers le substrat », explique Bjorn Vermeersch, directeur scientifique de l’équipe de modélisation thermique et de caractérisation chez imec. « Nos simulations Monte-Carlo 3D des NRE-InP-HBT montrent que la topologie des ridges augmente la résistance thermique de plus de 20 % par rapport à une mesa monolithique hypothétique de même hauteur. Nos analyses révèlent également l’impact direct du matériau du ridge (par exemple InP vs InGaAs) sur l’auto-chauffage, offrant ainsi une autre piste pour améliorer thermiquement ces designs. »

Ces résultats ont été présentés lors de deux conférences à l’IEDM 2022, par Bjorn Vermeersch sur la modélisation thermique et par Nadine Collaert sur les technologies GaN et InP pour la prochaine génération de communications sans fil haute performance [papers 11.5 et 15.3].