초고품질 밀리미터파 리튬니오베이트 얇은막 고차 비대칭 모드 공진기

초록

본 논문은 얇은 필름 리튬니오베이트(LN) 기반의 고차 비대칭(A3) 모드를 이용한 밀리미터파(30‑50 GHz) X‑형 벌크 음향 공진기(XBAR)를 제시한다. 39.8 GHz에서 전기‑기계 결합계수 k²≈4 %, Qₛ≈97, Qₚ≈342, FoM≈13.8을 달성했으며, 32 × 44 µm²의 초소형 풋프린트를 구현하였다. 피에조 전극 두께와 래터럴 파장 등을 최적화해 주파수 확장성을 검증하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 mmWave 영역에서 BAW/SAW 디바이스가 직면한 고전압, 높은 손실, 미세 패터닝 요구와 같은 한계를 극복하고자 한다. 저자들은 128° Y‑cut LN 박막(두께 110‑160 nm)을 사용해 A3(3차 비대칭) 람모 모드를 선택했으며, 이는 A1 모드에 비해 전기‑기계 결합(k²)을 유지하면서도 라테럴 파장을 크게 줄일 수 있다. 라테럴 파장을 3.15‑4 µm로 설정함으로써 디바이스 면적을 최소화하고, 전극 간격을 50 % 듀티 사이클, 전극 두께 50 nm(알루미늄)로 얇게 설계해 금속 손실을 감소시켰다. COMSOL 기반 FEA 시뮬레이션은 전극 두께 감소가 임피던스 비율을 높여 Qₚ를 향상시키는 것을 보여주며, 실제 측정에서도 Qₚ가 342까지 도달한다.

전기‑기계 결합계수는 mBVD 모델 피팅을 통해 4 %로 추출되었으며, 이는 A1 모드에서 보고된 5‑7 %보다 다소 낮지만, 전극 및 전자기 자체공명에 의한 손실을 고려한 실질적인 값이다. Qₛ는 전극 저항 및 기계적 손실에 크게 영향을 받아 A3 모드에서 A1보다 낮은 97을 기록했으며, 이는 고주파(>40 GHz)에서 금속 손실이 지배적임을 시사한다.

주파수 스케일링 실험에서는 LN 두께를 변형시켜 30‑50 GHz 전역에 걸쳐 동일한 레이아웃을 유지했으며, Qₚ는 210‑464, Qₛ는 33‑102 범위로 변동했다. Qₚ는 주파수가 상승함에 따라 선형적으로 감소했으며, 이는 고주파에서 음향 및 유전 손실이 증가하기 때문이다. FoM은 8‑22.3 사이로, 기존 단일층 LN XBAR(예: 57 GHz, FoM≈3.4) 대비 크게 향상되었다.

또한, f·Q 제품(1.4 × 10¹³)과 정규화된 풋프린트(≈0.86 µm²·GHz⁻¹)에서도 현저히 우수한 성능을 보였다. 이는 라테럴 파장 축소와 얇은 전극 설계가 전반적인 손실을 최소화하고, 고주파에서도 50 Ω 매칭을 가능하게 함을 의미한다.

향후 과제는 전극 재료·두께 최적화, 금속 손실 감소를 위한 고품질 알루미늄 혹은 복합 금속 적용, 앵커 구조와 라우팅 저항 최소화, 그리고 열처리(어닐링) 등을 통한 기계적 Q 향상이다. 이러한 개선이 이루어지면, mmWave 필터 및 프론트‑엔드 모듈에 직접 통합 가능한 고성능, 저손실 음향 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.