Imec präsentiert Simulationswerkzeug zur besseren Vorhersage des Wärmeflusses in RF-Bausteinen für 5G und 6G

Abbildung 1 - Gemessener und vorhergesagter Wärmewiderstand in Abhängigkeit von der Lamellenbreite von GaN-on-Si-HEMTs mit zwei Lamellen. / 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. / Figure 2 – Geometry of the InP nanoridge HBT used in the 3D simulation.

Abbildung 3 - Auswirkungen von nicht-diffusiven thermischen Transporteffekten (wie in der Monte-Carlo-Simulation von imec erfasst) in InP-Nanoridge-HBTs. / Figure 3 – Impact of non-diffusive thermal transport effects (as captured by imec’s Monte Carlo simulation) in InP nanoridge HBTs.

Diese Woche präsentiert imec, weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, auf dem International Electron Devices Meeting 2022 (IEEE IEDM 2022) einen Monte-Carlo-Boltzmann-Modellierungsrahmen, der zur Vorhersage des 3D-Wärmetransports in hochentwickelten HF-Bausteinen für die drahtlose 5G- und 6G-Kommunikation zum ersten Mal mikroskopische Wärmeträgerverteilungen verwendet. Fallstudien mit GaN-HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren) und InP-Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) ergaben Spitzentemperaturen, die bis zu dreimal höher liegen als bei konventionellen Vorhersagen mit Bulk-Materialeigenschaften. Das neue Tool von Imec wird sehr nützlich sein, um die Optimierung von HF-Bausteinen der nächsten Generation in Richtung thermisch verbesserter Designs zu lenken.

GaN- und InP-basierte Bauelemente haben sich aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung und Effizienz als interessante Kandidaten für 5G-mm-Wellen- bzw. 6G-Sub-THz-Mobilfunk-Frontend-Anwendungen erwiesen. Um diese Bauelemente für HF-Anwendungen zu optimieren und kostengünstig zu gestalten, wird der Hochskalierung der III/V-Technologien auf eine Si-Plattform und ihrer CMOS-Kompatibilität große Aufmerksamkeit geschenkt. Mit schrumpfenden Baugrößen und steigenden Leistungen ist die Erwärmung jedoch zu einem großen Problem für die Zuverlässigkeit geworden, was die weitere Skalierung von HF-Bausteinen behindern könnte.

Nadine Collaert, Programmdirektorin für Hochfrequenztechnik bei imec: "Die Abstimmung des Designs von GaN- und InP-basierten Bausteinen auf optimale elektrische Leistung verschlechtert oft die thermische Leistung bei hohen Betriebsfrequenzen. Bei GaN-on-Si-Bausteinen haben wir zum Beispiel vor kurzem enorme Fortschritte bei der elektrischen Leistung erzielt, so dass der Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung zum ersten Mal mit denen von GaN-on-Siliziumkarbid (SiC) gleichgezogen haben. Die weitere Erhöhung der Betriebsfrequenz der Bausteine erfordert jedoch eine Verkleinerung der bestehenden Architekturen. In diesen begrenzten Mehrschichtstrukturen ist der Wärmetransport jedoch nicht mehr diffus, was exakte Vorhersagen der Erwärmung erschwert. Unser neuartiger Simulationsrahmen, der gute Übereinstimmungen mit unseren thermischen GaN-on-Si-Messungen liefert, hat Temperaturspitzen ergeben, die bis zu dreimal höher sind als bisher vorhergesagt. Dies wird uns bei der Optimierung der Layouts dieser HF-Bausteine in der frühen Entwicklungsphase helfen, um den richtigen Kompromiss zwischen elektrischer und thermischer Leistung zu finden."

Eine entsprechende Analyse erweist sich auch als sehr wertvoll für die neuartigen InP-HBTs, bei denen der Modellierungsrahmen von imec den wesentlichen Einfluss des nicht-diffusiven Transports auf die Selbsterwärmung in komplexen skalierten Architekturen aufzeigt. Für diese Bausteine ist das Nanoridge-Engineering (NRE) ein interessanter Ansatz für die heterogene Integration aus Sicht der elektrischen Leistung. "Während die sich verjüngenden Ridge Bottoms eine niedrige Defektdichte innerhalb der III-V-Materialien ermöglichen, führen sie jedoch zu einem thermischen Engpass für die Wärmeabfuhr in Richtung Substrat", erklärt Bjorn Vermeersch, wissenschaftlicher Leiter des Teams für thermische Modellierung und Charakterisierung am imec. "Unsere 3D-Monte-Carlo-Simulationen von NRE-InP-HBTs zeigen, dass die Ridge-Topologie den Wärmewiderstand um über 20 Prozent im Vergleich zu einer hypothetischen monolithischen Mesa gleicher Höhe erhöht. Unsere Analysen zeigen darüber hinaus den direkten Einfluss des Ridge-Materials (z.B. InP vs. InGaAs) auf die Selbsterwärmung, was einen zusätzlichen Ansatzpunkt für die thermische Verbesserung der Designs bietet." 

Diese Ergebnisse wurden in zwei Vorträgen auf der IEDM 2022 vorgestellt, und zwar von Bjorn Vermeersch über thermische Modellierung und von Nadine Collaert über GaN- und InP-Technologien für die kommende Generation drahtloser Hochleistungskommunikation [papers 11.5 and 15.3].