WPI-MANA demuestra que un nuevo resonador GaN MEMS es estable a temperaturas de hasta 600 K

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TSUKUBA, Japón, 15 de julio de 2021 /PRNewswire/ — Un equipo de WPI-MANA ha demostrado un resonador de GaN altamente estable a elevada temperatura que cuenta con estabilidad de alta frecuencia, alto factor Q y el potencial de integración a gran escala con la tecnología de silicio.

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

El hallazgo podría dar lugar a dispositivos electrónicos 5G más rápidos gracias a una mejor integración de los sistemas microelectromecánicos y nanoelectromecánicos (MEMS/NEMS) basados en GaN con la actual tecnología de semiconductores.

El resonador GaN, fabricado sobre un sustrato de silicio, tenía un coeficiente de frecuencia de baja temperatura (TCF) de varias ppm/K (partes por millón por grado Kelvin) y factores de alta calidad (Q) sin degradación hasta 600 K.

El sistema 5G de ondas milimétricas que impulsa el tan esperado “Internet de las Cosas” requiere una complejidad de modulación cada vez mayor para mejorar el ancho de banda de los datos. Pero los osciladores de cuarzo convencionales están limitados por su incapacidad para integrarse bien con la electrónica de semiconductores. El uso de MEMS/NEMS para los osciladores de referencia es una forma de conseguir altas frecuencias de resonancia con menos ruido de fase y alta estabilidad de temperatura.

Los resonadores MEMS basados en el silicio suelen tener un gran TCF negativo de alrededor de -30 ppm/K. Se han propuesto técnicas de compensación de la temperatura, como la modificación de la geometría, el dopaje de impurezas y las estructuras multicapa, para mejorar el TCF, pero éstas degradan los factores Q del sistema.

El equipo de MANA utilizó la ingeniería de deformación elástica, una técnica para modular la deformación en la heterounión de la estructura del resonador, que ayudó a almacenar energía y, por tanto, a aumentar los factores Q.

En contraste con los modos de flexión convencionales, la tensión térmica interna a altas temperaturas mejoró el TCF del resonador GaN MEMS en más de 10 veces, sin perder el alto factor Q.

Los nitruros del grupo III han sido excelentes semiconductores de banda ancha para la electrónica de alta frecuencia en la era 5G. La integración de estos MEMS con la electrónica es, por tanto, prometedora para los sensores del IoT y los dispositivos de comunicación.

Esta investigación fue realizada por Liwen Sang, científica independiente (WPI-MANA, Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales), y sus colaboradores.

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

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