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一种新型基于GaN可在高温环境工作的MEMS谐振器

发布时间:2021-05-08

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       美国国家材料科学研究所国际材料纳米建筑国际中心的读立科学家Liwen Sang(也是JST PRESTO研究人员)开发了一种MEMS谐振器,该谐振器即使在高温下也可以通过调节由氮化镓(GaN)的热量引起的应变来稳定运行。 
       具有高速和大容量的第五代移动通信系统(5G)需要高精度同步。为此,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。作为振荡器的常规石英谐振器具有较差的集成能力,并且其应用受到限制。尽管微机电系统(MEMS)(* 1)谐振器可以实现高时间分辨率,较小的相位噪声和出色的集成能力,但基于硅(Si)的MEMS在较高温度下的稳定性很差。

       在本研究中,使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)(* 2)在Si衬底上制造了高质量的GaN外延膜,以制造GaN谐振器。提出了应变工程以改善时间性能。通过利用GaN和Si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直接在Si上生长GaN。通过优化MOCVD生长过程中的降温方法,在GaN上没有观察到裂纹,其晶体质量与使用超晶格应变去除层的常规方法所获得的晶体质量相当。 

MEMS谐振器.png

       经过验证的已开发的基于GaN的MEMS谐振器即使在600K时也能稳定运行。当温度升高时,它显示出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。由于该设备小巧,高度灵敏并且可以与CMOS技术集成在一起,因此有望应用于5G通信,IoT定时设备,车载应用程序和高级驾驶员辅助系统。
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