Imec推出新型热建模工具

GaN HEMT和InP HBT的案例研究表明，下一代5G和6G射频器件的热优化具有优势

在2022年国际电子器件会议（IEEE IEDM 2022）上，Imec将首次提出蒙特卡洛-玻尔兹曼模型框架，该框架使用微观热载流子分布来预测用于5G和6G无线通信的先进GaN和InP RF器件中的3D热传输。

他们对GaN HEMT和InP异质结双极晶体管（HBT）的案例研究表明，峰值温度升高比传统预测的散装材料性能高出三倍。Imec表示，其新工具将在指导下一代RF器件的优化以实现热改进设计方面非常有用。

基于GaN和InP的器件由于其高输出功率和效率，分别成为5G毫米波和6G亚太赫兹移动前端应用的有趣候选器件。为了优化这些器件的RF应用并使其具有成本效益，我们非常重视将III/V技术升级到Si平台，并使其与CMOS兼容。然而，随着功能尺寸的缩小和功率水平的提高，自加热已成为一个主要的可靠性问题，可能会限制RF器件的进一步扩展。

Imec高级射频项目总监Nadine Collaert表示：“调整GaN和InP基器件的设计以获得最佳的电性能通常会降低高工作频率下的热性能。例如，对于GaN-on-Si 器件，我们最近在电性能方面取得了巨大进步，使功率增加效率和输出功率首次与GaN-on-SiC相媲美。

“但进一步扩大器件工作频率将需要缩小现有架构。然而，在这些受限的多层结构中，热传输不再是扩散性的，这对准确的自热预测具有挑战性。我们新颖的模拟框架与我们的GaN-on-Si热测量结果相匹配，所揭示的峰值温度比先前预测的高出三倍。它将在开发阶段早期为优化这些RF器件布局提供指导，以确保在电气性能和热性能之间进行适当的权衡。”

这种指导对于新型InP HBT也证明是非常有价值的，其中Imec的建模框架强调了非扩散传输对复杂规模结构中的自加热的实质性影响。对于这些器件，从电学性能的角度来看，纳米脊工程（NRE）是一种有趣的异构集成方法。

Imec热建模和表征团队的主要技术人员比Bjorn Vermeersch解释道：“虽然锥形脊底部使III-V材料内的缺陷密度较低，但它们会导致向衬底散热的热瓶颈。我们对NRE InP HBT的3D蒙特卡罗模拟表明，与假设的相同高度的单片台面相比，脊形拓扑将热阻提高了20%以上。我们的分析进一步强调了脊形材料（例如，InP与InGaAs）对自加热的直接影响，提供了一个额外的旋钮来改善热设计。”

这些结果分别发表在2022年IEDM上的两篇受邀论文中，分别由Bjorn Vermeersch撰写热建模，Nadine Collaert撰写下一代高容量无线通信的GaN和InP技术。