Imec bemutatja a szimulációs eszközt a hőáramlás jobb előrejelzésére az RF-alkatrészekben az 5G és 6G számára

Ábra 1 - Mért és előre jelzett hőellenállás a kétujjas GaN-on-Si HEMT-eknél a lamellák szélességétől függően. / 1. ábra - Mérhető és előre jelzett hőellenállás kétujjas GaN-on-Si HEMT-ek esetén, a lamellák szélessége szerint.

Ábra 2 - Az InP nanorög HBT geometriája, amelyet a 3D-s szimulációban használnak. / Figure 2 – Geometry of the InP nanoridge HBT used in the 3D simulation.

Ábra 3 - A nem diffúz termikus szállítási hatások (amelyeket az imec Monte Carlo szimulációja rögzített) hatása InP nanoridge HBT-kben. / Figure 3 – A nem diffúz termikus szállítási hatások (amelyeket az imec Monte Carlo szimulációja rögzített) hatása InP nanoridge HBT-kben.

Ebben a héten az imec, a világ vezető kutatási és innovációs központ a nanoelektronikában és digitális technológiákban, bemutat egy Monte-Carlo-Boltzmann modellezési keretrendszert a 2022-es Nemzetközi Elektronikai Eszközök Találkozóján (IEEE IEDM 2022), amely elsőként mikroszkópos hőmérséklet-eloszlásokat használ a 3D hőátadás előrejelzéséhez fejlett HF-alkatrészekben a vezeték nélküli 5G- és 6G kommunikációhoz.

GaN- és InP-alapú alkatrészek magas kimeneti teljesítményük és hatékonyságuk miatt érdekes jelöltek a 5G-mm hullám- és a 6G-Sub-THz mobilhálózati front-end alkalmazásokhoz. Az ilyen alkatrészek optimalizálására és költséghatékony kialakítására nagy figyelmet fordítanak a III/V technológiák szilíciumplatformra történő méretnövelésének és CMOS-kompatibilitásának területén. Az egyre kisebb méretek és növekvő teljesítmények mellett azonban a hőtermelés komoly problémává vált a megbízhatóság szempontjából, ami a HF-alkatrészek további skálázását akadályozhatja.

Nadine Collaert, az imec magas frekvenciás technológiai programigazgatója szerint: „A GaN- és InP-alapú alkatrészek optimális elektromos teljesítményre való hangolása gyakran rontja a hőteljesítményt magas működési frekvenciákon. Például a GaN-on-Si alkatrészek esetében nemrég óriási előrelépést értünk el az elektromos teljesítmény terén, így az hatásfok és a kimeneti teljesítmény első ízben ért el szintet a GaN-on-szilícium-karbid (SiC) technológiával. Az alkatrészek működési frekvenciájának további növelése azonban a meglévő architektúrák kicsinyítését teszi szükségessé. Ezekben a réteges szerkezetekben azonban a hőátadás már nem diffúz, ami megnehezíti a pontos hőmérséklet-előrejelzéseket. Az általunk kifejlesztett új szimulációs keretrendszer, amely jól egyezik a GaN-on-Si mérési eredményeinkkel, olyan hőmérsékleti csúcsokat mutat, amelyek akár háromszor magasabbak a korábbi előrejelzéseknél. Ez segíteni fog minket az első szakaszban a HF-alkatrészek elrendezésének optimalizálásában, hogy megtaláljuk a megfelelő kompromisszumot az elektromos és a hőteljesítmény között."

Ez az elemzés nagyon értékesnek bizonyul az InP-HBT-k esetében is, ahol az imec modellezési keretrendszere feltárja a nem diffúz transzport jelentőségét az önmelegedésben összetett, skálázott architektúrákban. Ezeknél az alkatrészeknél a nanoridge-technikát (NRE) érdekes megközelítésnek tartják a heterogén integráció szempontjából az elektromos teljesítmény javítása érdekében. „Míg a visszafejlődő Ridge Bottoms alacsony hibaarányt tesz lehetővé a III-V anyagok között, ez azonban hőszűk keresztmetszetet okoz a hőelvezetésben a substrát felé” – magyarázza Bjorn Vermeersch, az imec hőmodellezési és jellemzési csapatának vezetője. „A 3D Monte-Carlo szimulációink az NRE-InP-HBT-k esetében kimutatták, hogy a Ridge-topológia több mint 20 százalékkal növeli a hőellenállást egy azonos magasságú monolitikus mesa esetében. Elemzéseink továbbá rávilágítanak a Ridge-anyag (pl. InP vs. InGaAs) közvetlen hatására az önmelegedésre, ami további lehetőséget ad a tervek hőtechnikai fejlesztésére.”

Ezek az eredmények két előadásban kerültek bemutatásra az IEDM 2022-en, Bjorn Vermeersch a hőmodellezésről, Nadine Collaert pedig a GaN- és InP-technológiákról a következő generációs vezeték nélküli nagy teljesítményű kommunikációhoz [papírok 11.5 és 15.3].