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窒化ガリウムでMEMS振動子を開発 ~5G通信向けの高集積発振器に期待~

 国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は,2020年12月14日,JST戦略的創造研究推進事業において,物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点のサン・リウエン独立研究者(JSTさきがけ研究者兼任)が,窒化ガリウム(GaN)の熱によるひずみを制御することで,高温でも安定に動作するMEMS振動子を開発したことを発表した.本研究成果は,国際学会IEEE Interna-tional Electron Devices Meeting(IEDM 2020)で発表された(注).

 高速大容量,多接続,低遅延を実現する第5世代移動通信システム(5G)は,ヒトのインターネットにモノのインターネット(IoT)が加わり,AIが普及する新しい社会を実現する鍵技術として注目されている.そのG5には「タイミングデバイス」として時間安定性と時間分解能を両立させる高性能な周波数基準発振器が必要である.以前に使われた水晶発振器は大きく集積化には不向きで,MEMS発振器が,熱安定性,位相雑音の低減,周波数の調整,CMOSとの集積性に優れ,タイミングデバイスとして使われている.ただ,Si系MEMS振動子は弾性体の周波数温度係数(TCF:時間安定性に効く)が最良でも-30ppm/Kで,品質係数(Q値:時間分解能を決める)が低く,特に高温で悪化するという課題があった.

 本研究では,Siに代わり窒化ガリウム(GaN)を用いることを考えた.GaNはバンドギャップが大きく,独特の圧電特性を持ち,熱安定性が高く,化学的に不活性で,IoTのセンサーや通信におけるMEMS周波数基準発振器の振動子として有望視されている素材である.Si基板上にエピタキシャル成長させたGaN膜:GaN-on-Si(ガン・オン・シリコン)の品質を向上させることで,GaN系MEMS振動子のCMOS技術との統合が可能となる.GaNとSiの結晶構造の違いによるひずみを調整し活用する戦略を立てた.

 Si基板上にAlN緩衝層を介してGaN層を有機金属気相成長法(MOCVD)により成長させ,その際,GaNとSiの界面のひずみを除去するために,大きなひずみをGaN内部に実現させた.特に,MOCVD成長での温度の下げ方を最適化したことによって,亀裂がなく,ひずみ除去層を用いる従来手法に匹敵する高品質のGaN結晶膜を得た.このGaN結晶膜にフォトレジストをコートし,レーザー描画で両持ち梁型振動子の平面パターンのマスクを作製のあとプラズマエッチングで振動子のGaN部分を形成し,その梁部分の下の基板のSiを剥離して梁を宙に浮かせることで,両持ち梁型振動子を形成した.

 作製したGaN系MEMS振動子には2つの共振モードがある.ヤング率で共振周波数が決まる曲げモードと,座屈たわみ(梁の両端から圧縮性応力を加えたときにおこる梁のたわみ)とヤング率で共振周波数が決まる座屈モードである.温度が上がるとヤング率は低下するが,座屈たわみは増加する.GaNとSiの熱膨張係数は温度によって異なるため,熱によって梁内部に生じる応力が座屈たわみを起こす.そのため,座屈モードの温度に対する周波数安定性は大幅に改善し,300K~600Kの温度範囲で,TCFは-5ppm/K~-13ppm/KとSi系の1/6の低い値を示し,Q値は1.1×105~1.9×105とGaN系の最高値を達成した.

 本GaN系MEMS振動子は,小型・高感度でCMOS技術との統合による高集積化ができて,5G通信とIoT向けタイミングデバイス,車載アプリケーション および先進運転支援システムへの応用が期待される.

(注)Liwen Sang, Huanying Sun, Xunlin Yang, Tiefu Li, Bo Shen, Meiyong Liao, "Self-Temperature-Compensated GaN MEMS Resonators through Strain Engineering up to 600 K", IEEE International Electron Devices Meeting, Session 26 : Sensors, MEMS and Bioelectronics, 26.4, December 16, 2020.