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科学家开发出可在高温下稳定运行的GaN MEMS谐振器

时间:2021-02-08   访问量:9

    在一个独立的科学家国际中心材料Nanoarchitectonics,国立材料科学,并且也是JST PRESTO研究员,梨温桑,已开发出MEMS谐振器,可以在高温下通过从氮化镓调节由热惹起的应变(稳定地操纵GaN)。

    

    5G挪动通讯需求高精度同步,以支持其高速和大容量。为此,需求一种能够在时间稳定性和时间分辨率之间获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按时装置。作为振荡器的通例石英谐振用具有较差的集成能力,并且其使用受到限制。只管微机电系统(MEMS)谐振器可实现高的时间分辨率,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非常差。

    

    

    图: 用于在Si衬底上的双钳位GaN桥谐振器的器件处分:(1)在Si衬底上生长的GaN外延膜。除AlN缓冲层外,不使用应变去除层。(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)化学蚀刻以开释GaN层下方的Si。所以,形成气隙。(6)双钳位桥式谐振器的最终器件布局。我们使用激光多普勒方法来测量差别温度下的频移和分辨率。

    

    在本研究中,使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在Si衬底上生产了高质量的GaN外延膜,以生产GaN谐振器。提出了应变工程以改善时间性能。通过行使GaN和Si衬底之间的晶格失配和热失配来实现应变。所以,无需任何应变去除层即可直接在Si上生长GaN。通过优化MOCVD生长过程当中的降温方法,在GaN上未观察到裂纹,其晶体质量可与使用超晶格应变消除层的通例方法获得的晶体质量相媲美。

    

    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,并且频移非常小。这是因为里面热应变补偿了频移并减少了能量花消。由于该装备小巧,高度灵敏并且可以与CMOS技术集成在一起,所以有望使用于5G通讯,IoT按时装备,车载使用程序和高级驾驶员辅助系统。

    

    

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