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在2024年国际电子器件会议（IEDM）上，斯坦福大学的研究团队展示了全球首款60GHz氮化镓（GaN）IMPATT振荡器，标志着高频射频（RF）技术的发展迈出了重要一步。本次研究由华人科学家领导，具有里程碑式的意义，为毫米波和亚THz频率下的应用提供了新的动力。IMPATT（冲击电离雪崩越时间）振荡器以其高频率和高功率输出而闻名，最新研发的GaN IMPATT振荡器在60GHz下实现了输出功率高达12.7dBm。这一成就背后的关键在于GaN材料的优越性能，包括高临界场、高迁移率及高饱和速度，使其在高功率高频RF应用中展现出强大的潜力。与传统的硅基二极管相比，GaN IMPATT二极管的功率-频率乘积的理论预测可高出450倍，这使得其成为固态半导体RF器件的理想选择。然而，实现GaN IMPATT振荡器的技术并非易事，主要挑战在于之前无法实现均匀雪崩现象。斯坦福大学团队在研究中采用5度斜角的台面蚀刻技术，成功确保了均匀雪崩，从而提高了器件的可靠性。通过与QuinStar技术公司合作，团队还创新性地减少了衬底材料的厚度，从400微米减薄至20微米，同时保持了二极管的优良电性，优化了散热性能。为了满足高频操作的需求，研究团队采用了特制的陶瓷柱作为封装，集成金刚石散热片，以降低寄生电阻。这项设计使得GaN IMPATT二极管能够在高达2.65MW/cm²的功率密度下稳定运行，而不发生烧毁，显示出其在极端条件下的卓越表现。此次展示的GaN IMPATT振荡器同样对电路设计提出了高要求。团队在实验中使用滑动短路器进行阻抗调谐，借助QuinStar的行业标准测试平台，验证了这一创新设计的有效性。结果表明，该器件在17.1 kA/cm²的偏置电流下，实现了60.8GHz的振荡，显示出其在毫米波应用中的巨大潜力。未来，进一步研究将集中在优化热管理和性能提升方面，这包括实现倒装芯片配置和增强GaN与金刚石之间的热界面导热，以提高器件的热容量。此外，团队希望通过电热协同设计，释放GaN IMPATT技术的全部潜力，进一步推动高频应用的发展。此次实验的主要负责人Srabanti Chowdhury教授和其博士生Zhengliang Bian在IEDM上的展示，不仅展示了华人科学家在前沿科技领域的实力，也为GaN技术的进一步发展奠定了基础。在日益增长的无线通讯、雷达和传感器应用需求下，这项技术的突破将极大地推动相关领域的创新与应用。随着研究的深入，GaN IMPATT振荡器有望为未来高频率、高功率的射频技术开辟新的可能。
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