WPI-MANA demonstriert neuen GaN-MEMS-Resonator, der bis zu 600 K temperaturstabil ist

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International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), National Institute for Materials Science (NIMS)

Jul 15, 2021, 00:45 ET

TSUKUBA, Japan, 15. Juli 2021 /PRNewswire/ -- Ein Team am WPI-MANA hat einen hochtemperaturstabilen GaN-Resonator demonstriert, der sich durch Hochfrequenzstabilität, einen hohen Q-Faktor und das Potenzial für eine groß angelegte Integration mit Siliziumtechnologie auszeichnet.

(Bild: https://kyodonewsprwire.jp/prwfile/release/M105739/202107067299/_prw_PI1fl_ZGHe6me7.jpg)

Diese Erkenntnis könnte zu schnelleren 5G-Elektronikgeräten führen, dank einer besseren Integration von GaN-basierten mikro- und nano-elektromechanischen Systemen (MEMS/NEMS) mit der aktuellen Halbleitertechnologie.

Der GaN-Resonator, der auf einem Siliziumsubstrat hergestellt wurde, hatte einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF) von mehreren ppm/K (parts per million per degree Kelvin) und Qualitätsfaktoren (Q) ohne Degradation bis zu 600 K.

Das Millimeterwellen-5G-System, das das mit Spannung erwartete „Internet der Dinge" vorantreibt, erfordert eine zunehmende Modulationskomplexität, um die Datenbandbreite zu verbessern. Herkömmliche Quarzoszillatoren sind jedoch dadurch eingeschränkt, dass sie sich nicht gut in die Halbleiterelektronik integrieren lassen. Die Verwendung von MEMS/NEMS für Referenzoszillatoren ist eine Möglichkeit, hohe Resonanzfrequenzen mit weniger Phasenrauschen und hoher Temperaturstabilität zu erreichen.

MEMS-Resonatoren auf Siliziumbasis haben normalerweise einen großen negativen TCF von etwa -30 ppm/K. Temperaturkompensationstechniken, einschließlich Geometriemodifikation, Störstellendotierung und Multilayer-Strukturen, wurden vorgeschlagen, um die TCF zu verbessern, aber diese verschlechterten die Gütefaktoren des Systems.

Das MANA-Team nutzte elastisches Dehnungs-Engineering, eine Technik zur Modulation der Dehnung am Heteroübergang der Resonatorstruktur, die dazu beitrug, Energie zu speichern und dadurch die Gütefaktoren zu erhöhen.

Im Gegensatz zu konventionellen Biegemodi verbesserte der innere thermische Stress bei hohen Temperaturen den TCF des GaN-MEMS-Resonators um mehr als das Zehnfache, ohne den hohen Q-Faktor zu verlieren.

Nitride der Gruppe III haben sich als hervorragende Halbleiter mit breiter Bandlücke für die Hochfrequenzelektronik im 5G-Zeitalter erwiesen. Die Integration solcher MEMS mit Elektronik ist daher vielversprechend für IoT-Sensoren und Kommunikationsgeräte.

Diese Forschung wurde von Liwen Sang, unabhängige Wissenschaftlerin (WPI-MANA, National Institute for Materials Science), und ihren Mitarbeitern durchgeführt.

„Self-Temperature-Compensated GaN MEMS Resonators through Strain Engineering up to 600 K" L. Sang et al., 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (March 11, 2021) https://doi.org/10.1109/IEDM13553.2020.9372065

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