等高線モードMEMSの温度特性ALN圧電リング共鳴

ICの互換性、高い音響速度、熱伝導率が高い結果、窒化アルミニウム（ALN）共振器は過去20年間に広く研究されており、無線周波数（RF）および検知アプリケーションのために広く実装されています。ただし、ALNの周波数（TCF）の温度係数は-25 ppm/°Cであり、これは高く、RFとセンシングアプリケーションを制限します。対照的に、重くドープされたシリコンのTCFは、ALNのTCFよりも大幅に低いです。その結果、この研究では、ALN共振器のTCFを減らすために、底部電極として重くドープされたシリコンを備えたALN輪郭モードリングタイプの共振器を使用しています。シリコンオンインシュレータ（SOI）に基づく単純なマイクロファブリケーションプロセスが提示されています。共振器のTCFを主に大きくドープされたシリコンに依存するように、ALN層へのシリコン底部電極の厚さ比20：1が選択されました。77 Kまでの極低温冷却試験と最大400 Kまでの加熱試験により、ALN共振器の共振周波数が温度変化とともに直線的に変化したことが示されました。TCFは-9.1 ppm/°Cであることが示されました。共振器の特徴的な温度ヒステリシスも測定し、ALN共振器は優れた温度安定性を示しました。品質係数と温度特性も77 K〜400 Kの間に研究されました。温度が低いと品質係数が高くなり、品質係数が56.43％増加し、300 Kで1291.4に77 Kで2020.2に増加することがわかりました。

As a result of their IC compatibility, high acoustic velocity, and high thermal conductivity, aluminum nitride (AlN) resonators have been studied extensively over the past two decades, and widely implemented for radio frequency (RF) and sensing applications. However, the temperature coefficient of frequency (TCF) of AlN is -25 ppm/°C, which is high and limits its RF and sensing application. In contrast, the TCF of heavily doped silicon is significantly lower than the TCF of AlN. As a result, this study uses an AlN contour mode ring type resonator with heavily doped silicon as its bottom electrode in order to reduce the TCF of an AlN resonator. A simple microfabrication process based on Silicon-on-Insulator (SOI) is presented. A thickness ratio of 20:1 was chosen for the silicon bottom electrode to the AlN layer in order to make the TCF of the resonator mainly dependent upon heavily doped silicon. A cryogenic cooling test down to 77 K and heating test up to 400 K showed that the resonant frequency of the AlN resonator changed linearly with temperature change; the TCF was shown to be -9.1 ppm/°C. The temperature hysteresis characteristic of the resonator was also measured, and the AlN resonator showed excellent temperature stability. The quality factor versus temperature characteristic was also studied between 77 K and 400 K. It was found that lower temperature resulted in a higher quality factor, and the quality factor increased by 56.43%, from 1291.4 at 300 K to 2020.2 at 77 K.