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(fā)了一種MEMS諧振器,該諧振器即使在高溫下也可以通過調節(jié)由氮化鎵(GaN)的熱量引起的應變來穩(wěn)定運行。
具有高速和大容量的第五代移動通信系統(tǒng)(5G)需要高精度同步。為此,需要一種能夠在時間穩(wěn)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(guī)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(tǒng)(MEMS)(* 1)諧振器可以實現(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(yōu)化MOCVD生長過程中的降溫方法,在GaN上沒有觀察到裂紋,其晶體質量與使用超晶格應變去除層的常規(guī)方法所獲得的晶體質量相當。
經過驗證的已開發(fā)的基于GaN的MEMS諧振器即使在600K時也能穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)。