斯坦福新突破！薄化GaN 结合金刚石热沉，创毫米波功率纪录

DT半导体材料 2026-01-15 19:17

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氮化镓（GaN）作为一种重要的宽禁带半导体，凭借其优异的电子特性，如高临界电场和高电子饱和速度，已成为高功率射频（RF）生成源的理想材料。近年来，基于GaN的IMPATT（冲击电离雪崩过渡时间）二极管在毫米波和太赫兹频段的应用受到了广泛关注，尤其是在高功率雷达和通信领域。

近日，斯坦福大学团队基于体GaN衬底薄化至~10 µm并键合金刚石热沉的技术方案，成功实现了高散热、高功率的GaN IMPATT振荡器，在52.3 GHz频率下输出功率达24.5 dBm（约281 mW），创毫米波段GaN IMPATT新纪录，为突破毫米波固态高功率源散热限制提供了创新路径。研究成果以“52 GHz Oscillation in GaN IMPATT Diode Bonded to Diamond With 24 dBm Output Power”为题，发表在IEEE Electron Device Letters。

核心技术创新：薄化+金刚石热沉协同

针对毫米波GaN IMPATT的自热与寄生电阻难题，团队提出将体GaN衬底薄化至极致并直接键合金刚石热沉，同时完整保留雪崩能力。

关键工艺包括：

鲁棒雪崩设计：采用5°斜角台面（bevel mesa）边缘终端，通过光刻胶回流形成干法刻蚀掩膜，有效抑制边缘场集中。击穿电压正温度系数达2.3×10⁻⁴/K（室温至150 ℃），证实雪崩均匀且可靠。
衬底极致薄化：先机械研磨至150 µm，再优化BCl₃/Cl₂干法刻蚀至~10 µm（SEM实测9.4 µm），背面粗糙度<5 nm，未引入裂纹保证了衬底的完整性，同时避免了衬底破裂的风险。薄化将衬底串联电阻贡献从0.34 mΩ·cm²降至<0.01 mΩ·cm²，正向比接触电阻达0.20 mΩ·cm²（p接触0.08、n背面0.10 mΩ·cm²）。
金刚石热沉封装：切割后器件通过热压键合（>150 ℃，<500 MPa）粘接至CVD金刚石，嵌入铜柱底座，周围焊接陶瓷环，金带连接阳极，形成陶瓷pill封装。

基于该工艺，器件雪崩能力显著提升，脉冲模式下最高承受33.5 kA/cm²电流密度（偏压152 V）。在V波段波导谐振腔脉冲测试（200 ns脉宽）中，实现52.3 GHz频率下24.5 dBm（约281 mW）输出功率，效率约0.1%，功率-频率乘积较前期20 µm衬底器件提升13倍。Silvaco TCAD热模拟进一步揭示，衬底薄化至10 µm可将结温冷却时间从3.9 µs缩短至2.3 µs；结合低热边界电阻（TBR）优化（如降至5 m²·K/GW），峰值结温可进一步降低约150 ℃，为翻芯片无衬底方案指明方向。

上述结果表明，通过边缘终端优化、衬底极致薄化、金刚石热沉集成与波导腔协同，实现了GaN IMPATT在毫米波段的高功率突破，器件雪崩电流密度与输出功率均大幅提升，展现了其在高功率雷达、毫米波通信及射频能源领域的广阔前景。

当前仍受热限制（更高偏置导致烧毁），未来需聚焦电-热协同设计：翻芯片无衬底、低TBR界面工程、接触电阻优化。这些改进有望将输出功率推向更高水平，真正开启GaN固态毫米波高功率时代。

图文导读