调节氮化镓热量实现高温稳定性的MEMS谐振器

根据JST发布的消息，新设备可在高达600 K的温度下稳定运行，随着温度的升高，频率仅会出现轻微的频率变化（影响时间稳定性）。由内部热应变产生的偏移补偿了频率偏移并减少了能量的耗散。

国际材料纳米建筑学中心和国家材料科学研究所的独立科学家，日本科学技术厅胚胎科学与技术前期研究人员JLi PRESTO研发了一种MEMS谐振器，可通过调节氮化镓传递的热量来实现高温下的工作稳定性，其品质已显示出其作为追求增强型5G通信的高灵敏度振荡器器件的希望。

为了改善时间性能，Sang使用金属有机化学气相沉积法在谐振器本身上制造了高质量的GaN外延膜，该膜在硅基板上制成。氮化镓和硅之间的热和晶格失配使Sang能够获得所需的应变，该应变允许氮化镓直接在硅表面生长而没有应变消除层。

通过还优化和优化化学气相沉积过程中的降温方法，未裂解的氮化镓显示出与通过超晶格应变去除层获得的结晶质量相当的结晶质量，这是一种更常规的方法。

（1）在Si衬底上生长的GaN外延膜。除AlN缓冲层外，不使用应变消除层。（2）在GaN-on-Si样品上旋涂光刻胶。（3）激光光刻技术为双钳位电桥配置定义图案。（4）等离子蚀刻以去除没有光致抗蚀剂的GaN层。（5）化学蚀刻以释放GaN层下方的Si。因此，形成气隙。（6）双钳位桥式谐振器的最终器件结构。激光多普勒方法用于测量不同温度下的频移和分辨率。由Liwen Sang提供。

高速，大容量运行的5G通信系统取决于高度精确的同步。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是必不可少的计时设备，它可以以固定周期产生信号。尽管作为这种系统的常规振荡器，石英谐振器起着振荡器的作用，但其集成质量差，限制了其适用性。

此外，尽管基于硅的MEMS谐振器实现了高的时间分辨率，并且具有较小的相位噪声和更理想的集成能力，但是它在较高温度下不稳定。

根据JST发布的消息，新设备可在高达600 K的温度下稳定运行，随着温度的升高，频率仅会出现轻微的频率变化（影响时间稳定性）。由内部热应变产生的偏移补偿了频率偏移并减少了能量的耗散。

（a）不同温度下GaN谐振器的频率温度系数（TCF）。（b）不同温度下GaN谐振器的品质因数。谐振器的时间稳定性由TCF定义，TCF表示谐振频率随温度变化而变化。对于Si MEMS谐振器，其固有TCF为〜-30 ppm/K。提出了几种降低Si谐振器TCF的方法，但是系统的品质因数大大降低。系统中谐振器的品质因数可用于确定频率分辨率。精确的频率参考需要高质量的因子。在这项工作中开发的GaN谐振器可以同时实现低TCF和高达600 K的高质量因数。TCF低至-5 ppm/K。品质因数大于105，这是GaN系统中报道的最高品质因数。图由Liwen Sang提供。

紧凑且高度灵敏的设备可以与CMOS技术集成在一起。除了支持5G通信的潜力外，它还可以用于IoT定时设备，车载应用程序和驾驶员辅助系统。
编辑：hfy