Для системы мобильной связи пятого поколения (5G) требуется высокоточная синхронизация с высокой скоростью и большой пропускной способностью. Для этого необходим высокопроизводительный опорный генератор частоты, который может уравновешивать временную стабильность и временное разрешение, как устройство синхронизации для генерации сигналов в фиксированном цикле.
Обычный кварцевый резонатор в качестве генератора имеет плохую интегрирующую способность, и его применение ограничено. Хотя резонатор микроэлектромеханической системы (МЭМС) (* 1) может достигать высокого временного разрешения с небольшим фазовым шумом и превосходной интеграционной способностью, МЭМС на основе кремния (Si) страдает плохой стабильностью при более высоких температурах.
В настоящем исследовании высококачественная эпитаксиальная пленка GaN была изготовлена на подложке Si с использованием химического осаждения из газовой фазы из металлоорганических соединений (MOCVD) (* 2) для изготовления резонатора GaN. Была предложена деформационная инженерия для улучшения временных характеристик.
Деформация была достигнута за счет использования рассогласования решеток и теплового рассогласования между подложкой GaN и Si. Таким образом, GaN выращивался непосредственно на Si без какого-либо слоя снятия деформации. Благодаря оптимизации метода снижения температуры во время роста MOCVD, на GaN не было обнаружено трещин, а его кристаллическое качество сравнимо с качеством, полученным обычным методом с использованием слоя снятия деформации сверхрешетки.
Разработанный MEMS-резонатор на основе GaN был проверен на стабильную работу даже при 600K.
Он показал высокое временное разрешение и хорошую временную стабильность с небольшим сдвигом частоты при повышении температуры. Это связано с тем, что внутренняя тепловая деформация компенсирует сдвиг частоты и снижает рассеяние энергии. Поскольку устройство небольшое, высокочувствительное и может быть интегрировано с технологией CMOS, оно многообещающе для приложения для связи 5G, устройства синхронизации IoT, автомобильных приложений и расширенной системы помощи водителю.
Исследование было поддержано Программой стратегических фундаментальных исследований JST, Исследование прекурсоров для эмбриональной науки и технологий (PRESTO).
Этот результат был представлен на Международной конференции по электронным устройствам IEEE (IEDM2020), которая проходила онлайн с 12 по 18 декабря 2020 года и озаглавлена «МЭМС-резонаторы на основе GaN с самотемпературной компенсацией с помощью деформационной инженерии до 600 К."
(1) Микро-электромеханические системы (МЭМС)
Устройство, в котором механические компоненты, датчики, исполнительные механизмы и электрическая цепь интегрированы на подложку, такую как полупроводник, стекло или органический материал, с помощью технологии микротехнологии.
Для основного компонента трехмерная форма и подвижные конструкции создаются путем травления.
(2) Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD)
Полезный метод выращивания кристаллов для создания пластины для сложных полупроводников.
Металлоорганические соединения Группы III и Группы V одновременно наносятся на нагретую кристаллическую поверхность подложки для достижения эпитаксиального роста.