WPI-MANA démontre qu'un nouveau résonateur MEMS en GaN est stable en température jusqu'à 600 K

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TSUKUBA, Japon, 14 juillet 2021 /PRNewswire/ -- Une équipe de WPI-MANA a fait la démonstration d'un résonateur GaN hautement stable en température qui présente une stabilité à haute fréquence, un facteur Q élevé et un potentiel d'intégration à grande échelle avec la technologie du silicium.

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

Cette découverte pourrait déboucher sur des dispositifs électroniques 5G plus rapides grâce à une meilleure intégration des systèmes micro-électromécaniques et nano-électromécaniques (MEMS/NEMS) basés sur le GaN avec la technologie actuelle des semi-conducteurs.

Le résonateur GaN, fabriqué sur un substrat de silicium, présentait un faible coefficient de température de fréquence (TCF) de plusieurs ppm/K (parties par million par degré Kelvin) et des facteurs de haute qualité (Q) sans dégradation jusqu'à 600 K.

Le système 5G à ondes millimétriques, qui est à l'origine de l'« internet des objets » tant attendu, nécessite une complexité de modulation croissante pour améliorer la bande passante des données. Mais les oscillateurs à quartz classiques sont limités par leur incapacité à bien s'intégrer à l'électronique à semi-conducteurs. L'utilisation de MEMS/NEMS pour les oscillateurs de référence est un moyen d'obtenir des fréquences de résonance élevées avec un bruit de phase moindre et une grande stabilité en température.

Les résonateurs MEMS à base de silicium ont généralement un TCF négatif important d'environ -30 ppm/K. Des techniques de compensation de la température, notamment la modification de la géométrie, le dopage par impuretés et les structures multicouches, ont été proposées pour améliorer le TCF, mais elles ont dégradé les facteurs Q du système.

L'équipe MANA a utilisé l'ingénierie de la déformation élastique, une technique permettant de moduler la déformation au niveau de l'hétérojonction de la structure du résonateur, ce qui a permis de stocker de l'énergie et d'augmenter ainsi les facteurs Q.

Contrairement aux modes de flexion classiques, la contrainte thermique interne à haute température a amélioré de plus de 10 fois le TCF du résonateur GaN MEMS, sans perdre le facteur Q élevé.

Les nitrures du groupe III ont été d'excellents semi-conducteurs à large bande interdite pour l'électronique haute fréquence à l'ère de la 5G. L'intégration de ces MEMS à l'électronique est donc prometteuse pour les capteurs et les dispositifs de communication de l'IoT.

Cette recherche a été menée par Liwen Sang, scientifique indépendant (WPI-MANA, National Institute for Materials Science), et ses collaborateurs.

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

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