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氮化镓基谐振器——实现5G的希望

2021/2/1 12:11:44 材料来源：compoundsemiconductor

高灵敏度的氮化镓基MEMS振荡器即使在高温下也能稳定工作

日本国立材料科学研究所国际材料纳米构造中心的科学家Liwen Sang研制了一种在高温下也能稳定工作的MEMS谐振器，是通过调节氮化镓热量引起的应变来实现的。研制结果发表在12月的IEEE国际电子器件会议上(IEDM2020 )。

高速大容量的5G需要高精度的同步。因此，需要一种能够在时间稳定性和时间分辨率之间取得平衡的高性能频率基准振荡器，作为在固定周期上产生信号的定时装置。

传统的石英谐振器集成能力差，因此应用范围受限。尽管MEMS谐振器可以在较小的相位噪声和出色的集成能力下实现较高的时间分辨率，但硅基MEMS谐振器在高温下稳定性较差。

本研究采用MOCVD在硅衬底上制备高质量的氮化镓外延薄膜，用于制作氮化镓谐振器。应变工程被应用于改善时间性能，利用氮化镓和硅衬底之间的晶格失配和热失配来实现应变。因此，无需任何应变去除层即可使氮化镓直接生长在硅上。

通过优化MOCVD生长过程中的降温方法，没有观察到氮化镓有裂纹，其结晶质量与采用超晶格应变去除层的常规方法得到的结果质量相当。

经验证，即使在600K下，氮化镓基MEMS谐振器也能稳定运行。当温度升高时，也表现出较高的时间分辨率和良好的时间稳定性，并且频移很小。这是因为内部热应变补偿了频移并减少了能量消耗。由于器件体积小、灵敏度高并且可与CMOS工艺兼容，因此有望应用于5G通信、IoT定时设备、车载应用以及高级驾驶员辅助系统。

该研究得到了JST的战略基础研究计划“胚胎科学与技术的前期研究”（PRESTO）的支持。研究结果发表在2020年12月12日至18日在线举行的IEEE国际电子设备会议（IEDM2020），题为“通过600K的应变工程实现自温度补偿的氮化镓MEMS谐振器”。

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