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斯坦福大學(xué)在2024年IEDM上展示首款60GHz氮化鎵IMPATT振蕩器，華人科學(xué)家主導(dǎo)！
關(guān)鍵要點(diǎn)

使用 GaN 技術(shù)在毫米波和亞 THz 頻率下運(yùn)行的 IMPAT（沖擊電離雪崩越時(shí)間）源有可能成為最強(qiáng)大的高頻（RF）發(fā)生器。
在今年的 IEDM 上，報(bào)告了一項(xiàng)重大突破：GaN IMPATT RF 振蕩器實(shí)現(xiàn)了 60 GHz 的振蕩，輸出功率為 12.7 dBm 。
斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)帶頭開展設(shè)計(jì)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(guān)鍵工藝創(chuàng)新。
QuinStar團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì) ，并使用其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置進(jìn)行RF特性測試，以嚴(yán)格評估器件性能。

不同基底材料的IMPATT技術(shù)性能對比
氮化鎵（GaN）因其優(yōu)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(yīng)用中嶄露頭角。這些優(yōu)點(diǎn)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(tài)半導(dǎo)體RF器件中功率-頻率性能最佳者。理論分析預(yù)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(shí)現(xiàn)均勻雪崩， GaN IMPATT二極管的實(shí)驗(yàn)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(xué)在2024年IEDM上展示的最新成果大大推進(jìn)了GaN IMPATT技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)了60GHz振蕩。
IMPATT二極管是獨(dú)特的器件，它們在擊穿狀態(tài)下工作。對于GaN而言，邊緣終端結(jié)構(gòu)對于防止電場集中和過早器件擊穿至關(guān)重要。在這項(xiàng)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(guān)測試期間的均勻電致發(fā)光中得到了驗(yàn)證。
5度斜角用于邊緣終端和均勻雪崩電致發(fā)光
值得強(qiáng)調(diào)的是，開發(fā)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(shí)現(xiàn)高效高頻操作，并增強(qiáng)散熱以提高功率密度和器件可靠性。為了解決上述兩個(gè)挑戰(zhàn) ，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)與QuinStar技術(shù)公司合作，開發(fā)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(jīng)過精心優(yōu)化，將體GaN襯底從400微米減薄至20微米，同時(shí)保持二極管中的雪崩能力。總導(dǎo)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(dá)2.65 MW/cm2的高輸入功率密度而不發(fā)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(dǎo)諧振腔中，并使用QuinStar公司的行業(yè)測試平臺進(jìn)行測試。振蕩器電路采用滑動短路器進(jìn)行阻抗調(diào)諧。在17.1 kA/cm2的偏置電流下，二極管能夠?qū)崿F(xiàn)60.8 GHz振蕩，輸出功率為12.7 dBm 。這一結(jié)果標(biāo)志著首款達(dá)到V波段操作的GaN IMPATT振蕩器誕生，展示了其在毫米波應(yīng)用中的巨大潛力。
GaN IMPATT振蕩器的RF振蕩特性及性能基準(zhǔn)
展望未來，仍有顯著的改進(jìn)空間。目前， GaN襯底是熱阻的主要來源。為了克服這一限制，實(shí)現(xiàn)倒裝芯片配置并增強(qiáng)GaN與金剛石界面之間的熱邊界導(dǎo)熱至關(guān)重要，以提高GaN IMPATT二極管的熱容量。器件到電路的協(xié)同優(yōu)化是提高系統(tǒng)效率和輸出功率的另一關(guān)鍵。我們接下來的工作將圍繞電熱協(xié)同設(shè)計(jì)展開，以充分釋放GaN在下一代IMPATT技術(shù)中的潛力。
報(bào)告人簡介
斯坦福大學(xué)與QuinStar技術(shù)公司在斯坦福大學(xué)Srabanti Chowdhury教授的領(lǐng)導(dǎo)下，寬帶隙實(shí)驗(yàn)室一直處于GaN垂直器件創(chuàng)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(guān)注，推動了性能邊界。
IMPATT器件是 Zhengliang Bian博士研究的核心內(nèi)容，他是Chowdhury教授指導(dǎo)下的博士生，并在今年的IEDM上進(jìn)行了相關(guān)展示。 Avery Marshall負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)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(dú)特封裝設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵創(chuàng)新使這項(xiàng)技術(shù)的成功演示成為可能，為這一領(lǐng)域的有前途的發(fā)展路線圖鋪平了道路。
Zhengliang Bian 本科來自清華大學(xué) ，以下是簡介：

本文由EETOP編譯整理自semiwiki
【重大突破：華人科學(xué)家世界首創(chuàng)60GHz GaN IMPATT 振蕩器!】https://semiwiki.com/events/351816-stanford-showcases-the-first-60-ghz-gan-impatt-oscillator-at-iedm-2024