本周IEEE國際電子會議（IEDM）上，比利時微電子研究中心（imec）利用一套蒙地卡羅（Monte Carlo）模型架構，首次展示如何透過微觀尺度的熱載子分佈來進行先進射頻元件的3D熱傳模擬，用於5G與6G無線傳輸應用。案例分析結果顯示，氮化鎵（GaN）高電子遷移率電晶體（HEMT）與磷化銦（InP）異質接面雙極性電晶體（HBT）的元件最高溫度是傳統塊材預估的三倍。imec開發的全新工具將能有助於引導新一代射頻元件設計實現熱傳優化。

採用奈米脊設計的InP HBT在3D模擬系統所用的幾何資訊。

GaN與InP元件分別具備高輸出功率與高效率，因而在5G毫米波與6G太赫茲以下（sub-THz）的前端應用嶄露頭角，成為備受矚目的潛力技術。為了優化這些元件的射頻性能，並使其達到成本效益，如何將這些三五族材料技術導入矽基製程並與CMOS技術相容成為焦點。然而，隨著特徵尺寸縮小與功耗增加，自發熱已成為元件可靠度的主要問題，有可能限制射頻元件的微縮進展。

比利時微電子研究中心（imec）先進射頻元件研究計畫主持人Nadine Collaert表示：「為了取得最佳電性而調整GaN和InP元件設計，通常會導致高頻應用的熱性能下降。以矽基GaN元件（GaN-on-Si）為例，我們近期在電性表現方面取得重大進展，首次達到與基於碳化矽的GaN元件（GaN-on-SiC）媲美的功率轉換效率（PAE）與輸出功率。不過如果要繼續調高元件的操作頻率，就需要微縮現有的架構。然而，受限於多層的元件架構，熱傳不再擴散，因而難以精準預測元件的自發熱現象。我們開發的先進模擬架構顯示了元件最高溫度可以達到原先預測的三倍，與我們研究的矽基GaN元件的測量結果相符。這套架構將能在射頻元件的開發早期階段作為優化佈局的參考，確保在電性與熱傳性能之間做出正確取捨。」

對新興的InP HBT來說這套架構也很有參考價值，它顯示了在具備複雜微縮架構的元件中，非擴散傳輸對自發熱現象的深遠影響。考量這類元件的電性表現，奈米脊工程（nanoridge engineering）是備受關注的異質整合方案。imec熱模型與熱傳特性研究團隊的技術研究主任Bjorn Vermeersch說明：「雖然奈米脊的底部構型越來越窄能讓三五族材料降低缺陷密度，但卻帶來熱傳瓶頸，使得熱能不易傳輸到基板上。」

「我們對採用奈米脊工程技術的InP HBT進行3D蒙地卡羅模擬，結果顯示，奈米脊的拓撲結構會增加熱阻，與理論上具備相同高度的一體成型結構相比高出了20%。接著，我們分析奈米脊材料（比較InP與InGaAs）對自發熱效應的直接影響，提供改良元件熱性能的另一種可能。」他表示。

上述研究成果皆在2022年IEEE國際電子會議（IEDM）imec受邀發表的兩篇論文中呈現，分別由Bjorn Vermeersch撰寫有關熱模擬技術，以及由Nadine Collaert執筆探討用於新一代大容量無線通訊的GaN與InP技術。