調(diào)節(jié)氮化鎵熱量實現(xiàn)高溫穩(wěn)定性的MEMS諧振器

根據(jù)JST發(fā)布的消息，新設備可在高達600 K的溫度下穩(wěn)定運行，隨著溫度的升高，頻率僅會出現(xiàn)輕微的頻率變化（影響時間穩(wěn)定性）。由內(nèi)部熱應變產(chǎn)生的偏移補償了頻率偏移并減少了能量的耗散。

國際材料納米建筑學中心和國家材料科學研究所的獨立科學家，日本科學技術(shù)廳胚胎科學與技術(shù)前期研究人員JLi PRESTO研發(fā)了一種MEMS諧振器，可通過調(diào)節(jié)氮化鎵傳遞的熱量來實現(xiàn)高溫下的工作穩(wěn)定性，其品質(zhì)已顯示出其作為追求增強型5G通信的高靈敏度振蕩器器件的希望。

為了改善時間性能，Sang使用金屬有機化學氣相沉積法在諧振器本身上制造了高質(zhì)量的GaN外延膜，該膜在硅基板上制成。氮化鎵和硅之間的熱和晶格失配使Sang能夠獲得所需的應變，該應變允許氮化鎵直接在硅表面生長而沒有應變消除層。

通過還優(yōu)化和優(yōu)化化學氣相沉積過程中的降溫方法，未裂解的氮化鎵顯示出與通過超晶格應變?nèi)コ龑荧@得的結(jié)晶質(zhì)量相當?shù)慕Y(jié)晶質(zhì)量，這是一種更常規(guī)的方法。

（1）在Si襯底上生長的GaN外延膜。除AlN緩沖層外，不使用應變消除層。（2）在GaN-on-Si樣品上旋涂光刻膠。（3）激光光刻技術(shù)為雙鉗位電橋配置定義圖案。（4）等離子蝕刻以去除沒有光致抗蝕劑的GaN層。（5）化學蝕刻以釋放GaN層下方的Si。因此，形成氣隙。（6）雙鉗位橋式諧振器的最終器件結(jié)構(gòu)。激光多普勒方法用于測量不同溫度下的頻移和分辨率。由Liwen Sang提供。

高速，大容量運行的5G通信系統(tǒng)取決于高度精確的同步。能夠平衡時間穩(wěn)定性和時間分辨率的高性能頻率參考振蕩器是必不可少的計時設備，它可以以固定周期產(chǎn)生信號。盡管作為這種系統(tǒng)的常規(guī)振蕩器，石英諧振器起著振蕩器的作用，但其集成質(zhì)量差，限制了其適用性。

此外，盡管基于硅的MEMS諧振器實現(xiàn)了高的時間分辨率，并且具有較小的相位噪聲和更理想的集成能力，但是它在較高溫度下不穩(wěn)定。

根據(jù)JST發(fā)布的消息，新設備可在高達600 K的溫度下穩(wěn)定運行，隨著溫度的升高，頻率僅會出現(xiàn)輕微的頻率變化（影響時間穩(wěn)定性）。由內(nèi)部熱應變產(chǎn)生的偏移補償了頻率偏移并減少了能量的耗散。

（a）不同溫度下GaN諧振器的頻率溫度系數(shù)（TCF）。（b）不同溫度下GaN諧振器的品質(zhì)因數(shù)。諧振器的時間穩(wěn)定性由TCF定義，TCF表示諧振頻率隨溫度變化而變化。對于Si MEMS諧振器，其固有TCF為?-30 ppm/K。提出了幾種降低Si諧振器TCF的方法，但是系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)大大降低。系統(tǒng)中諧振器的品質(zhì)因數(shù)可用于確定頻率分辨率。精確的頻率參考需要高質(zhì)量的因子。在這項工作中開發(fā)的GaN諧振器可以同時實現(xiàn)低TCF和高達600 K的高質(zhì)量因數(shù)。TCF低至-5 ppm/K。品質(zhì)因數(shù)大于105，這是GaN系統(tǒng)中報道的最高品質(zhì)因數(shù)。圖由Liwen Sang提供。

緊湊且高度靈敏的設備可以與CMOS技術(shù)集成在一起。除了支持5G通信的潛力外，它還可以用于IoT定時設備，車載應用程序和駕駛員輔助系統(tǒng)。
編輯：hfy