Liwen Sang, científico independiente del Centro Internacional de Nanoarquitectónica de Materiales, Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (también investigador de JST PRESTO) desarrolló un resonador MEMS que funciona de manera estable incluso a altas temperaturas regulando la tensión causada por el calor del nitruro de galio (GaN).
Se requiere una sincronización de alta precisión para el sistema de comunicaciones móviles de quinta generación (5G) con alta velocidad y gran capacidad. Para ello, es necesario un oscilador de referencia de frecuencia de alto rendimiento que pueda equilibrar la estabilidad temporal y la resolución temporal como dispositivo de temporización para generar señales en un ciclo fijo. El resonador de cuarzo convencional como oscilador tiene poca capacidad de integración y su aplicación es limitada. Aunque un resonador de sistema microelectromecánico (MEMS) * 1 puede lograr una alta resolución temporal con un ruido de fase pequeño y una capacidad de integración superior, el MEMS basado en silicio (Si) adolece de una mala estabilidad a temperaturas más altas.
En el presente estudio, se fabricó una película epitaxial de GaN de alta calidad sobre un sustrato de Si utilizando deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) * 2 para fabricar el resonador de GaN. La ingeniería de deformaciones se propuso para mejorar el rendimiento temporal. La deformación se logró utilizando el desajuste de la red y el desajuste térmico entre el sustrato de GaN y Si. Por lo tanto, GaN se cultivó directamente sobre Si sin ninguna capa de eliminación de deformaciones. Al optimizar el método de disminución de la temperatura durante el crecimiento de MOCVD, no se observó ninguna fisura en GaN y su calidad cristalina es comparable a la obtenida por el método convencional de usar una capa de eliminación de deformaciones de superrejilla.
Se verificó que el resonador MEMS desarrollado basado en GaN funciona de manera estable incluso a 600K. Mostró una alta resolución temporal y una buena estabilidad temporal con poco cambio de frecuencia cuando se aumentó la temperatura. Esto se debe a que la deformación térmica interna compensó el cambio de frecuencia y redujo la disipación de energía. Dado que el dispositivo es pequeño, altamente sensible y puede integrarse con la tecnología CMOS, es prometedor para la aplicación a la comunicación 5G, el dispositivo de temporización de IoT, las aplicaciones en el vehículo y el sistema avanzado de asistencia al conductor.
La investigación fue apoyada por el Programa de Investigación Básica Estratégica de JST, Investigación Precursora para la Ciencia y Tecnología Embrionarias (PRESTO). Este resultado se presentó en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos de IEEE (IEDM2020) que se llevó a cabo en línea del 12 al 18 de diciembre de 2020, titulada “Resonadores MEMS de GaN con compensación de temperatura propia mediante ingeniería de deformación hasta 600 K.”
(1) Sistemas microelectromecánicos (MEMS)
Dispositivo donde los componentes mecánicos, sensores, actuadores y circuitos eléctricos se integran en un sustrato, como semiconductores, vidrio o material orgánico a través de tecnología de microfabricación. Para el componente principal, la forma tridimensional y las estructuras móviles se construyen mediante grabado.
(2) Deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD)
Un método de crecimiento de cristales útil para construir una oblea para semiconductores compuestos. Los compuestos organometálicos del Grupo III y Grupo V se proporcionan simultáneamente a la superficie cristalina calentada del sustrato para lograr el crecimiento epitaxial.