Imec prezentuje narzędzie symulacyjne do lepszego przewidywania przepływu ciepła w elementach RF dla 5G i 6G

Rysunek 1 - Mierzony i przewidywany opór cieplny w zależności od szerokości lameli w dwulamelowych HEMTach GaN-on-Si. / Figure 1 - Measured and predicted thermal resistance vs. finger width of two-finger GaN-on-Si HEMTs.

Abbildung 2 - Geometrie des in der 3D-Simulation verwendeten InP-Nanoridge-HBT. / Rysunek 2 – Geometria InP-nanoridge HBT używanego w symulacji 3D.

Rysunek 3 – Wpływ nie-dyfuzyjnych efektów transportu cieplnego (zarejestrowanych w symulacji Monte Carlo firmy imec) w InP-nanoridge HBT. / Figure 3 – Impact of non-diffusive thermal transport effects (as captured by imec’s Monte Carlo simulation) in InP nanoridge HBTs.

W tym tygodniu imec, światowy lider w dziedzinie badań i innowacji w zakresie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, zaprezentuje na Międzynarodowym Spotkaniu Urządzeń Elektronicznych 2022 (IEEE IEDM 2022) ramy modelowania Monte Carlo-Boltzmann, które po raz pierwszy wykorzystują mikroskopowe rozkłady nośników ciepła do przewidywania 3D transportu ciepła w zaawansowanych układach HF dla bezprzewodowej komunikacji 5G i 6G. Studium przypadków z GaN-HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor) i InP-Heterojunction-Bipolar-Transistor (HBT) wykazały maksymalne temperatury sięgające nawet trzech razy wyższe niż przy konwencjonalnych przewidywaniach opartych na właściwościach materiałów w stanie bulk. Nowe narzędzie od imec będzie bardzo przydatne do optymalizacji układów HF następnej generacji w kierunku termicznie ulepszonych projektów.

Elementy oparte na GaN i InP okazały się interesującymi kandydatami do zastosowań w front-endach mobilnych 5G-mm-fali i 6G-Sub-THz ze względu na wysoką moc wyjściową i efektywność. Aby zoptymalizować te elementy dla zastosowań HF i uczynić je bardziej opłacalnymi, dużą uwagę zwraca się na skalowanie technologii III/V na platformę Si oraz ich kompatybilność z CMOS. Wraz z malejącymi rozmiarami i rosnącą mocą, nagrzewanie się staje się jednak poważnym problemem dla niezawodności, co może hamować dalszą skalowalność układów HF.

Nadine Collaert, dyrektor ds. wysokiej częstotliwości w imec: „Dopasowanie projektu układów GaN i InP do optymalnej wydajności elektrycznej często pogarsza wydajność termiczną przy wysokich częstotliwościach pracy. Na przykład w układach GaN-on-Si niedawno osiągnęliśmy ogromne postępy w wydajności elektrycznej, dzięki czemu sprawność i moc wyjściowa po raz pierwszy zrównały się z tymi w GaN-on-silicon carbide (SiC). Jednak dalsze zwiększanie częstotliwości pracy wymaga zmniejszenia architektur. W tych ograniczonych, wielowarstwowych strukturach transport ciepła nie jest już dyfuzyjny, co utrudnia dokładne przewidywania nagrzewania się. Nasz nowatorski system symulacji, który dobrze zgadza się z naszymi pomiarami termicznymi GaN-on-Si, wykazał temperatury szczytowe nawet trzykrotnie wyższe od dotychczasowych prognoz. Pomoże nam to w optymalizacji układów tych elementów na wczesnym etapie rozwoju, aby znaleźć właściwy kompromis między wydajnością elektryczną a termiczną."

Podobna analiza okazuje się również bardzo cenna dla nowatorskich InP-HBT, gdzie ramy modelowania od imec ujawniają kluczowy wpływ transportu nie-dyfuzji na samogrzanie się w skomplikowanych, skalowanych architekturach. Dla tych układów interesującym podejściem jest inżynieria nanoridge (NRE), która z punktu widzenia wydajności elektrycznej umożliwia heterogeniczną integrację. „Podczas gdy odwracające się ridge bottoms pozwalają na niską gęstość defektów w materiałach III-V, prowadzą one jednak do termicznego wąskiego gardła w kierunku odprowadzania ciepła do podłoża,” wyjaśnia Bjorn Vermeersch, kierownik zespołu ds. modelowania i charakteryzacji termicznej w imec. „Nasze 3D symulacje Monte Carlo NRE-InP-HBT pokazują, że topologia ridge zwiększa opór cieplny o ponad 20 procent w porównaniu do hipotetycznej monolitycznej mesa o tej samej wysokości. Analizy te wskazują również na bezpośredni wpływ materiału ridge (np. InP vs. InGaAs) na samogrzanie się, co stanowi dodatkowy punkt wyjścia do poprawy termicznej projektów.”

Wyniki te zostały przedstawione w dwóch referatach na IEDM 2022, przez Bjorn Vermeersch na temat modelowania termicznego oraz Nadine Collaert na temat technologii GaN i InP dla nadchodzącej generacji bezprzewodowej wysokowydajnej komunikacji [artykuły 11.5 i 15.3].