重大突破：華人科學家世界首創60GHz GaN IMPATT 振蕩器!
2025-01-09 11:38:53 EETOP斯坦福大學在2024年IEDM上展示首款60GHz氮化鎵IMPATT振蕩器，華人科學家主導！
關鍵要點
使用 GaN 技術在毫米波和亞 THz 頻率下運行的 IMPAT（沖擊電離雪崩越時間）源有可能成為最強大的高頻 （RF） 發生器。
在今年的 IEDM 上，報告了一項重大突破：GaN IMPATT RF 振蕩器實現了 60 GHz 的振蕩，輸出功率為 12.7 dBm。
斯坦福大學團隊帶頭開展設計和制造工作，在邊緣端接、基板減薄和器件封裝方面引入了關鍵工藝創新。
不同基底材料的IMPATT技術性能對比
氮化鎵（GaN）因其優越的性能，如高臨界場、高遷移率和高飽和速度，在高功率高頻RF應用中嶄露頭角。這些優點使GaN成為制造IMPATT二極管的理想材料，IMPATT二極管有望成為固態半導體RF器件中功率-頻率性能最佳者。理論分析預測，GaN IMPATT二極管的功率-頻率乘積可比硅基二極管高出450倍。然而，由于無法實現均勻雪崩，GaN IMPATT二極管的實驗演示長期受阻。2020年，首次在GaN PN二極管中觀察到800MHz振蕩，該二極管具備雪崩擊穿能力。斯坦福大學在2024年IEDM上展示的最新成果大大推進了GaN IMPATT技術，實現了60GHz振蕩。
IMPATT二極管是獨特的器件，它們在擊穿狀態下工作。對于GaN而言，邊緣終端結構對于防止電場集中和過早器件擊穿至關重要。在這項工作中，采用了5度斜角臺面蝕刻來確保均勻雪崩，這在器件在未鉗位感性開關測試期間的均勻電致發光中得到了驗證。
5度斜角用于邊緣終端和均勻雪崩電致發光
值得強調的是，開發高性能IMPATT二極管不僅需要滿足雪崩要求，同樣重要的是降低寄生電阻以實現高效高頻操作，并增強散熱以提高功率密度和器件可靠性。為了解決上述兩個挑戰，斯坦福大學團隊與QuinStar技術公司合作，開發了體GaN襯底減薄工藝，并將二極管與IIa型金剛石散熱片集成封裝。
減薄工藝經過精心優化，將體GaN襯底從400微米減薄至20微米，同時保持二極管中的雪崩能力。總導通電阻降低了54%，泄漏電流保持最小，且擊穿電壓在減薄后保持不變。
采用特制的陶瓷柱作為封裝，其中集成了金剛石散熱片作為基底。該封裝在W波段操作下提供了最小的寄生元件。金剛石散熱片的采用使二極管能夠承受高達2.65 MW/cm2的高輸入功率密度而不發生燒毀。
20微米襯底厚度的GaN IMPATT二極管及全封裝器件
封裝好的二極管嵌入波導諧振腔中，并使用QuinStar公司的行業測試平臺進行測試。振蕩器電路采用滑動短路器進行阻抗調諧。在17.1 kA/cm2的偏置電流下，二極管能夠實現60.8 GHz振蕩，輸出功率為12.7 dBm。這一結果標志著首款達到V波段操作的GaN IMPATT振蕩器誕生，展示了其在毫米波應用中的巨大潛力。
GaN IMPATT振蕩器的RF振蕩特性及性能基準
展望未來，仍有顯著的改進空間。目前，GaN襯底是熱阻的主要來源。為了克服這一限制，實現倒裝芯片配置并增強GaN與金剛石界面之間的熱邊界導熱至關重要，以提高GaN IMPATT二極管的熱容量。器件到電路的協同優化是提高系統效率和輸出功率的另一關鍵。我們接下來的工作將圍繞電熱協同設計展開，以充分釋放GaN在下一代IMPATT技術中的潛力。
報告人簡介
斯坦福大學與QuinStar技術公司在斯坦福大學Srabanti Chowdhury教授的領導下，寬帶隙實驗室一直處于GaN垂直器件創新的前沿。他們最近在金剛石和GaN集成方面的高級熱管理研究引起了廣泛關注，推動了性能邊界。
IMPATT器件是 Zhengliang Bian博士研究的核心內容，他是Chowdhury教授指導下的博士生，并在今年的IEDM上進行了相關展示。Avery Marshall負責電路設計和測量工作，與Lissete Zhang和Tracey Lee緊密合作。在邊緣終端、晶圓減薄、散熱和獨特封裝設計方面的關鍵創新使這項技術的成功演示成為可能，為這一領域的有前途的發展路線圖鋪平了道路。
Zhengliang Bian 本科來自清華大學，以下是簡介：
