Imec presenteert simulatiehulpmiddel voor een betere voorspelling van de warmteflux in RF-componenten voor 5G en 6G

Afbeelding 1 - Gemeten en voorspelde thermische weerstand versus vingerbreedte van tweeving GaN-op-Si HEMTs.

Abbildung 2 - Geometrie des in der 3D-Simulation verwendeten InP-Nanoridge-HBT. / Figure 2 – Geometrie des InP-Nanoridge-HBT, das in der 3D-Simulation verwendet wird.

Figuur 3 - Impact van niet-diffuse thermische transporteffecten (zoals vastgelegd door de Monte Carlo-simulatie van imec) in InP-nanoridge HBT's.

Deze week presenteert imec, wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, op de International Electron Devices Meeting 2022 (IEEE IEDM 2022) een Monte Carlo-Boltzmann-modeleringskader dat voor het eerst microscopische warmteverdelingsverdelingen gebruikt om de 3D-warmteoverdracht in geavanceerde HF-modules voor draadloze 5G- en 6G-communicatie te voorspellen. Casestudy's met GaN-HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistors) en InP-heterojunctie-bipolaire transistors (HBTs) toonden piektemperaturen die tot drie keer hoger liggen dan bij conventionele voorspellingen met bulkmaterialen. Het nieuwe hulpmiddel van imec zal zeer nuttig zijn om de optimalisatie van HF-modules van de volgende generatie te sturen richting thermisch verbeterde ontwerpen.

Op basis van GaN- en InP-gebaseerde componenten zijn interessante kandidaten voor 5G-mm-golven- of 6G-Sub-THz-mobiele voorgrondtoepassingen vanwege hun hoge uitgangsvermogen en efficiëntie. Om deze componenten voor HF-toepassingen te optimaliseren en kosteneffectief te maken, krijgt de opschaling van III/V-technologieën naar een Si-platform en hun CMOS-compatibiliteit grote aandacht. Met afnemende afmetingen en toenemende prestaties is verwarming echter een groot probleem geworden voor de betrouwbaarheid, wat verdere schaalvergroting van HF-modules zou kunnen belemmeren.

Nadine Collaert, programmamanager voor RF-technologie bij imec: "Het afstemmen van het ontwerp van GaN- en InP-gebaseerde modules op optimale elektrische prestaties verslechtert vaak de thermische prestaties bij hoge bedrijfssnelheden. Bij GaN-op-Si-modules hebben we bijvoorbeeld onlangs enorme vorderingen geboekt op het gebied van elektrische prestaties, zodat de efficiëntie en het uitgangsvermogen voor het eerst gelijk zijn aan die van GaN-op-Siliconcarbide (SiC). Het verder verhogen van de bedrijfssnelheid van de modules vereist echter een verkleining van de bestaande architecturen. In deze beperkte meerlaagse structuren is de warmteoverdracht niet meer diffuus, wat nauwkeurige voorspellingen van de verwarming bemoeilijkt. Ons nieuwe simulatiekader, dat goede overeenkomsten vertoont met onze thermische GaN-op-Si-metingen, heeft temperatuurpieken laten zien die tot drie keer hoger zijn dan eerder voorspeld. Dit zal ons helpen bij het optimaliseren van de lay-outs van deze HF-modules in de vroege ontwikkelingsfase om de juiste balans te vinden tussen elektrische en thermische prestaties."

Een vergelijkbare analyse blijkt ook zeer waardevol voor de nieuwe InP-HBTs, waarbij het imec-modeleringskader het essentiële effect van niet-diffusieve transport op zelfverwarming in complexe gescalaarde architecturen aantoont. Voor deze modules is nanoridge-engineering (NRE) een interessante aanpak voor heterogene integratie vanuit het oogpunt van elektrische prestaties. "Terwijl de verjongende ridge-onderkanten een lage defectdichtheid binnen de III-V-materialen mogelijk maken, leiden ze echter tot een thermisch knelpunt voor de warmteafvoer richting het substraat," legt Bjorn Vermeersch uit, wetenschappelijk leider van het team voor thermische modellering en karakterisering bij imec. "Onze 3D-Monte Carlo-simulaties van NRE-InP-HBTs tonen aan dat de ridge-topologie de warmteweerstand met meer dan 20 procent verhoogt in vergelijking met een hypothetische monolithische mesa van gelijke hoogte. Onze analyses laten ook de directe invloed zien van het ridge-materiaal (bijvoorbeeld InP versus InGaAs) op zelfverwarming, wat een extra aanpak biedt voor thermische verbetering van de ontwerpen."

Deze resultaten werden gepresenteerd in twee lezingen op de IEDM 2022, door Bjorn Vermeersch over thermische modellering en door Nadine Collaert over GaN- en InP-technologieën voor de komende generatie draadloze high-performance communicatie [papers 11.5 en 15.3].