可在高温下稳定工作的GaN基MEMS谐振器
2021-01-24 10:50:50 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

在这项研究中，研究人员利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在Si衬底上制备高质量的GaN外延薄膜，以制造基于GaN的MEMS谐振器。通过应变设计提高器件的时间性能。通过利用GaN和Si衬底之间的晶格失配和热失配实现应变调节。

这项研究成果有望用于5G及物联网时钟器件、车载应用和高级驾驶辅助系统（ADAS）的高灵敏振荡器。

据麦姆斯咨询报道，日本国立材料研究所材料纳米结构国际研究中心的独立科学家Liwen Sang（也是JST-PRESTO项目研究员）开发了一种新型MEMS谐振器，通过调节GaN和Si之间晶格失配和热失配引起的应变，即使在高温下也可以稳定工作。

5G应用需要高速、大容量的高精度同步。为此，需要一种能够平衡时间稳定性和时间分辨率的高性能频率参考振荡器作为时钟器件，以在固定周期内生成信号。传统的石英谐振器作为振荡器，集成能力弱，应用受限。尽管MEMS谐振器具有高时间分辨率、低相位噪声和高集成度等优点，但硅基MEMS器件在高温下的稳定性较差。

在这项研究中，研究人员利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在Si衬底上制备高质量的GaN外延薄膜，以制造基于GaN的MEMS谐振器。通过应变设计提高器件的时间性能。通过利用GaN和Si衬底之间的晶格失配和热失配实现应变调节。由此，GaN在不需要任何应变消除层的情况下直接在Si衬底上生长。通过在MOCVD生长过程中优化降温方法，GaN外延薄膜上未见裂纹，其结晶质量与传统使用超晶格应变消除层的方法相当。

Si衬底上双端固支梁GaN桥谐振器的器件工艺

Si衬底上双端固支梁GaN桥谐振器的器件工艺：（1）Si衬底上生长GaN外延膜。除氮化铝缓冲层外，不使用应变消除层。（2）GaN-on-Si上的光刻胶旋涂。（3）激光光刻定义双端固支梁结构图形。（4）等离子蚀刻去除无光刻胶的GaN层。（5）化学蚀刻释放GaN层下Si，形成空腔。（6）最后得到双端固支梁桥式谐振器的器件结构。研究人员利用激光多普勒法测量了不同温度下的频移和分辨率。

经验证，这款GaN基MEMS谐振器即使在600 k的温度下也能稳定工作。当温度升高时，它具有较高的时间分辨率和良好的时间稳定性，且频移较小。这是因为内部热应变补偿了频移，降低了能量耗散。由于该器件体积小，灵敏度高，并且可以与CMOS技术集成，因此，有望在5G通信、物联网时钟器件、车载应用和ADAS等领域获得广阔的应用前景。

不同温度下这款GaN基MEMS谐振器的频率温度系数（TCF）