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一種新型基于GaN可在高溫環境工作的MEMS諧振器

發布時間:2021-05-08

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

       在本研究中,使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)(* 2)在Si襯底上制造了高質量的GaN外延膜,以制造GaN諧振器。提出了應變工程以改善時間性能。通過利用GaN和Si襯底之間的晶格失配和熱失配來實現應變。因此,無需任何應變去除層即可直接在Si上生長GaN。通過優化MOCVD生長過程中的降溫方法,在GaN上沒有觀察到裂紋,其晶體質量與使用超晶格應變去除層的常規方法所獲得的晶體質量相當。 

MEMS諧振器.png

       經過驗證的已開發的基于GaN的MEMS諧振器即使在600K時也能穩定運行。當溫度升高時,它顯示出高的時間分辨率和良好的時間穩定性,并且頻移很小。這是因為內部熱應變補償了頻移并減少了能量消耗。由于該設備小巧,高度靈敏并且可以與CMOS技術集成在一起,因此有望應用于5G通信,IoT定時設備,車載應用程序和高級駕駛員輔助系統。
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