Gemessener und vorhergesagter Wärmewiderstand in Abhängigkeit von der Lamellenbreite von GaN-on-Si-HEMTs mit zwei Lamellen. (Bild: Imec)
Auf dem International Electron Devices Meeting 2022 vom 3. bis 7.12.2022 präsentierte das Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien Imec einen Monte-Carlo-Boltzmann-Modellierungsrahmen, der zum Vorhersagen des 3D-Wärmetransports in HF-Bausteinen für die 5G- und 6G-Kommunikation erstmals mikroskopische Wärmeträgerverteilungen verwendet. Fallstudien mit GaN-HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren) und InP-HBT (Heterojunction-Bipolartransistoren) ergaben Spitzentemperaturen, die bis zu dreimal höher liegen als bei konventionellen Vorhersagen mit Bulk-Materialeigenschaften.
GaN- und InP-basierende Bauelemente sind aufgrund der hohen Ausgangsleistung und Effizienz interessante Kandidaten für 5G-mm-Wellen- beziehungsweise 6G-Sub-THz-Mobilfunk-Frontend-Anwendungen. Mit schrumpfenden Baugrößen und steigenden Leistungen hat sich die Erwärmung jedoch zu einem großen Problem für die Zuverlässigkeit herausgestellt, was die weitere Skalierung von HF-Bausteinen behindern könnte. So verschlechtert die Abstimmung des Designs von GaN- und InP-basierenden Bausteinen auf optimale elektrische Leistung oft die thermische Leistung bei hohen Betriebsfrequenzen.
Höherer Wärmewiderstand bei Ridge-Topologie
Der neue Simulationsrahmen liefert gute Übereinstimmungen mit den thermischen GaN-on-Si-Messungen und hat Temperaturspitzen ergeben, die bis zu dreimal höher sind als bisher vorhergesagt. Das hilft bei der Optimierung der Layouts dieser HF-Bausteine in der frühen Entwicklungsphase, um den richtigen Kompromiss zwischen elektrischer und thermischer Leistung zu finden.
Eine entsprechende Analyse erweist sich auch als wertvoll für die neuartigen InP-HBTs, bei denen der Modellierungsrahmen von Imec den wesentlichen Einfluss des nichtdiffusiven 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. Imecs 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. Darüber hinaus zeigen die Analysen 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.
