本周IEEE国际电子会议（IEDM）上，比利时微电子研究中心（imec）利用一套蒙地卡罗（Monte Carlo）模型架构，首次展示如何透过微观尺度的热载子分布来进行先进射频元件的3D热传模拟，用於5G与6G无线传输应用。案例分析结果显示，氮化??（GaN）高电子迁移率电晶体（HEMT）与磷化??（InP）异质接面双极性电晶体（HBT）的元件最高温度是传统块材预估的三倍。imec开发的全新工具将能有助於引导新一代射频元件设计实现热传优化。

采用奈米脊设计的InP HBT在3D模拟系统所用的几何资讯。

GaN与InP元件分别具备高输出功率与高效率，因而在5G毫米波与6G太赫兹以下（sub-THz）的前端应用崭露头角，成为备受瞩目的潜力技术。为了优化这些元件的射频性能，并使其达到成本效益，如何将这些三五族材料技术导入矽基制程并与CMOS技术相容成为焦点。然而，随着特徵尺寸缩小与功耗增加，自发热已成为元件可靠度的主要问题，有可能限制射频元件的微缩进展。

比利时微电子研究中心（imec）先进射频元件研究计画主持人Nadine Collaert表示：「为了取得最隹电性而调整GaN和InP元件设计，通常会导致高频应用的热性能下降。以矽基GaN元件（GaN-on-Si）为例，我们近期在电性表现方面取得重大进展，首次达到与基於碳化矽的GaN元件（GaN-on-SiC）媲美的功率转换效率（PAE）与输出功率。不过如果要继续调高元件的操作频率，就需要微缩现有的架构。然而，受限於多层的元件架构，热传不再扩散，因而难以精准预测元件的自发热现象。我们开发的先进模拟架构显示了元件最高温度可以达到原先预测的三倍，与我们研究的矽基GaN元件的测量结果相符。这套架构将能在射频元件的开发早期阶段作为优化布局的叁考，确保在电性与热传性能之间做出正确取舍。」

对新兴的InP HBT来说这套架构也很有叁考价值，它显示了在具备复杂微缩架构的元件中，非扩散传输对自发热现象的深远影响。考量这类元件的电性表现，奈米脊工程（nanoridge engineering）是备受关注的异质整合方案。imec热模型与热传特性研究团队的技术研究主任Bjorn Vermeersch说明：「虽然奈米脊的底部构型越来越窄能让三五族材料降低缺陷密度，但却带来热传瓶颈，使得热能不易传输到基板上。」

「我们对采用奈米脊工程技术的InP HBT进行3D蒙地卡罗模拟，结果显示，奈米脊的拓扑结构会增加热阻，与理论上具备相同高度的一体成型结构相比高出了20%。接着，我们分析奈米脊材料（比较InP与InGaAs）对自发热效应的直接影响，提供改良元件热性能的另一种可能。」他表示。

上述研究成果皆在2022年IEEE国际电子会议（IEDM）imec受邀发表的两篇论文中呈现，分别由Bjorn Vermeersch撰写有关热模拟技术，以及由Nadine Collaert执笔探讨用於新一代大容量无线通讯的GaN与InP技术。