斯坦福大学在2024年IEDM上展示首款60GHz氮化镓IMPATT振荡器，华人科学家主导！
关键要点
使用 GaN 技术在毫米波和亚 THz 频率下运行的 IMPAT（冲击电离雪崩越时间）源有可能成为最强大的高频 （RF） 发生器。
在今年的 IEDM 上，报告了一项重大突破：GaN IMPATT RF 振荡器实现了 60 GHz 的振荡，输出功率为 12.7 dBm。
斯坦福大学团队带头开展设计和制造工作，在边缘端接、基板减薄和器件封装方面引入了关键工艺创新。
QuinStar团队负责电路设计，并使用其行业标准设置进行RF特性测试，以严格评估器件性能。
不同基底材料的IMPATT技术性能对比
氮化镓（GaN）因其优越的性能，如高临界场、高迁移率和高饱和速度，在高功率高频RF应用中崭露头角。这些优点使GaN成为制造IMPATT二极管的理想材料，IMPATT二极管有望成为固态半导体RF器件中功率-频率性能最佳者。理论分析预测，GaN IMPATT二极管的功率-频率乘积可比硅基二极管高出450倍。然而，由于无法实现均匀雪崩，GaN IMPATT二极管的实验演示长期受阻。2020年，首次在GaN PN二极管中观察到800MHz振荡，该二极管具备雪崩击穿能力。斯坦福大学在2024年IEDM上展示的最新成果大大推进了GaN IMPATT技术，实现了60GHz振荡。
IMPATT二极管是独特的器件，它们在击穿状态下工作。对于GaN而言，边缘终端结构对于防止电场集中和过早器件击穿至关重要。在这项工作中，采用了5度斜角台面蚀刻来确保均匀雪崩，这在器件在未钳位感性开关测试期间的均匀电致发光中得到了验证。
5度斜角用于边缘终端和均匀雪崩电致发光
值得强调的是，开发高性能IMPATT二极管不仅需要满足雪崩要求，同样重要的是降低寄生电阻以实现高效高频操作，并增强散热以提高功率密度和器件可靠性。为了解决上述两个挑战，斯坦福大学团队与QuinStar技术公司合作，开发了体GaN衬底减薄工艺，并将二极管与IIa型金刚石散热片集成封装。
减薄工艺经过精心优化，将体GaN衬底从400微米减薄至20微米，同时保持二极管中的雪崩能力。总导通电阻降低了54%，泄漏电流保持最小，且击穿电压在减薄后保持不变。
采用特制的陶瓷柱作为封装，其中集成了金刚石散热片作为基底。该封装在W波段操作下提供了最小的寄生元件。金刚石散热片的采用使二极管能够承受高达2.65 MW/cm²的高输入功率密度而不发生烧毁。
20微米衬底厚度的GaN IMPATT二极管及全封装器件
封装好的二极管嵌入波导谐振腔中，并使用QuinStar公司的行业测试平台进行测试。振荡器电路采用滑动短路器进行阻抗调谐。在17.1 kA/cm²的偏置电流下，二极管能够实现60.8 GHz振荡，输出功率为12.7 dBm。这一结果标志着首款达到V波段操作的GaN IMPATT振荡器诞生，展示了其在毫米波应用中的巨大潜力。
GaN IMPATT振荡器的RF振荡特性及性能基准
展望未来，仍有显著的改进空间。目前，GaN衬底是热阻的主要来源。为了克服这一限制，实现倒装芯片配置并增强GaN与金刚石界面之间的热边界导热至关重要，以提高GaN IMPATT二极管的热容量。器件到电路的协同优化是提高系统效率和输出功率的另一关键。我们接下来的工作将围绕电热协同设计展开，以充分释放GaN在下一代IMPATT技术中的潜力。
报告人简介
斯坦福大学与QuinStar技术公司在斯坦福大学Srabanti Chowdhury教授的领导下，宽带隙实验室一直处于GaN垂直器件创新的前沿。他们最近在金刚石和GaN集成方面的高级热管理研究引起了广泛关注，推动了性能边界。
IMPATT器件是 Zhengliang Bian博士研究的核心内容，他是Chowdhury教授指导下的博士生，并在今年的IEDM上进行了相关展示。Avery Marshall负责电路设计和测量工作，与Lissete Zhang和Tracey Lee紧密合作。在边缘终端、晶圆减薄、散热和独特封装设计方面的关键创新使这项技术的成功演示成为可能，为这一领域的有前途的发展路线图铺平了道路。
Zhengliang Bian 本科来自清华大学，以下是简介：
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