Thermal Response and TC f of GaN/AlN Heterostructure Multimode Micro String Resonators From −10 °C Up to 325 °C
Thermal Response and TC f of GaN/AlN Heterostructure Multimode Micro String Resonators From −10 °C Up to 325 °C
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GaN/AlN 异质结构多模微弦谐振器在 −10 °C 至 325 °C 范围内的热响应和 TC f
DOI：
10.1109/jmems.2021.3089703
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发表时间：
2021
影响因子：
2.7
通讯作者：
P. Feng
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wen Sui;Xu;Ji;B. Alphenaar;P. Feng
我们首次报道了共振频率的热响应和温度系数的实验表征和分析(TC<；Inline-Formal>；<；Tex-Math Notation=“LaTeX”>；$f$<；/Tex-Math>；<；/Inline-Formal>；氮化镓/氮化铝(GaN/AlN)异质结构微弦谐振器，温度范围从−10°C到325°C，由于其优异的电气和机械性能以及化学惰性，近年来引起了人们对GaN微电子机械系统在新兴的大功率、高温和恶劣环境应用的日益增长的兴趣。硅片上的GaN薄膜通常需要AlN缓冲层，因此GaN外延层和GaN/AlN异质层中的残余拉应力分布对MEMS的性能和性能有很大的影响。在这里，我们设计并制作了GaN/AlN异质结构微串谐振器，其长度为<；内嵌公式>；<；tex-matic notation=“LaTeX”>；$L=100$<；/tex-mah&>；<；，200和300<；内嵌-公式&>200和300<；，以探索应力和热效应对共振行为的影响。所有离面弯曲模式都表现出明显的弦行为，多模共振频率随着温度的升高几乎呈线性下移，最高可达325°C。GaN/AlN异质结谐振腔的线性温度依赖关系和TC<；内联公式>；$f$<；/tex-ath>；/内联公式>；值可直接用于热敏。不同设备之间的比较表明，较高的拉伸应力水平有助于较小的TC<；串联公式>；$f$<；/tex数学>；/串联公式>；值，这表明可以利用应变工程来有意地调节TC<；串联公式>；；tex-数学符号=“laex”>；$f$<；/tex-数学>；<；/串联公式>；
We report on the first experimental characterization and analysis of the thermal response and temperature coefficient of resonance frequency (TC<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$f$ </tex-math></inline-formula>) of gallium nitride/aluminum nitride (GaN/AlN) heterostructure micro string resonators, in a wide temperature range from −10 °C up to 325 °C. Thanks to its excellent electrical and mechanical properties and chemical inertness, GaN has recently stimulated growing interests in GaN microelectromechanical systems (MEMS) for emerging high-power, high-temperature, and harsh-environment applications. GaN films on Si wafers often require AlN buffer layers, thus the residual tensile stress profile in the GaN epilayers and GaN/AlN hetero-layers can play a key role in affecting the MEMS specifications and performance. Here we design and fabricate GaN/AlN heterostructure micro string resonators with length <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$L = 100$ </tex-math></inline-formula>, 200 and 300 <inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$\mu \text{m}$ </tex-math></inline-formula> to probe the stress and thermal effects on resonance behavior. All out-of-plane flexural modes show clear string behavior, and the multimode resonance frequencies downshift almost linearly with increasing temperature up to 325 °C. The linear temperature dependence and TC<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$f$ </tex-math></inline-formula> values of GaN/AlN heterostructure resonators can be directly employed for thermal sensing. Comparison among different devices indicates that higher tensile stress levels contribute to smaller TC<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$f$ </tex-math></inline-formula> values, suggesting strain engineering may be exploited for intentionally regulating the TC<inline-formula> <tex-math notation="LaTeX">$f$ </tex-math></inline-formula>.