一種新型基于GaN可在高溫環(huán)境工作的MEMS諧振器

發(fā)布時(shí)間：2021-05-08

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美國國家材料科學(xué)研究所國際材料納米建筑國際中心的讀立科學(xué)家Liwen Sang（也是JST PRESTO研究人員）開發(fā)了一種MEMS諧振器，該諧振器即使在高溫下也可以通過調(diào)節(jié)由氮化鎵（GaN）的熱量引起的應(yīng)變來穩(wěn)定運(yùn)行。
具有高速和大容量的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）需要高精度同步。為此，需要一種能夠在時(shí)間穩(wěn)定性和時(shí)間分辨率之間取得平衡的高性能頻率基準(zhǔn)振蕩器，作為在固定周期上產(chǎn)生信號(hào)的定時(shí)裝置。作為振蕩器的常規(guī)石英諧振器具有較差的集成能力，并且其應(yīng)用受到限制。盡管微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）（* 1）諧振器可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率，較小的相位噪聲和出色的集成能力，但基于硅（Si）的MEMS在較高溫度下的穩(wěn)定性很差。

在本研究中，使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）（* 2）在Si襯底上制造了高質(zhì)量的GaN外延膜，以制造GaN諧振器。提出了應(yīng)變工程以改善時(shí)間性能。通過利用GaN和Si襯底之間的晶格失配和熱失配來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變。因此，無需任何應(yīng)變?nèi)コ龑蛹纯芍苯釉赟i上生長GaN。通過優(yōu)化MOCVD生長過程中的降溫方法，在GaN上沒有觀察到裂紋，其晶體質(zhì)量與使用超晶格應(yīng)變?nèi)コ龑拥某Ｒ?guī)方法所獲得的晶體質(zhì)量相當(dāng)。

MEMS諧振器.png

經(jīng)過驗(yàn)證的已開發(fā)的基于GaN的MEMS諧振器即使在600K時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)溫度升高時(shí)，它顯示出高的時(shí)間分辨率和良好的時(shí)間穩(wěn)定性，并且頻移很小。這是因?yàn)閮?nèi)部熱應(yīng)變補(bǔ)償了頻移并減少了能量消耗。由于該設(shè)備小巧，高度靈敏并且可以與CMOS技術(shù)集成在一起，因此有望應(yīng)用于5G通信，IoT定時(shí)設(shè)備，車載應(yīng)用程序和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)。

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