초고주파 스칼라 알루미늄 나이트라이드 고정밀 고주파 공진기

초록

본 논문은 67.6 nm 두께의 Sc₀.₃Al₀.₇N 피에조층과 40 nm Pt 매립 전극을 이용해 8.5쌍의 SiO₂/Ta₂O₅ 브래그 반사체 위에 구성한 고체 장착형 음향 공진기(SMR)를 구현한다. 설계된 구조는 3차 두께‑연장(TE) 모드를 효율적으로 구속·전환하도록 최적화되었으며, 실험적으로 62.6 GHz에서 k² = 0.8 %와 Bode Q = 51을 달성, 현재 보고된 SMR 중 최고 주파수를 기록하였다.

상세 분석

이 연구는 mmWave 대역(30 GHz 이상)에서 고품질 인덕터·필터를 구현하기 위한 핵심 기술인 고주파 BAW 공진기의 한계를 극복하고자 한다. 기존 FBAR는 얇은 피에조층(≤100 nm)에서 높은 손실과 제조 난이도가 발생하는 반면, SMR은 브래그 반사체를 이용해 기판으로의 음향 누출을 억제하고 구조적 견고성을 확보한다. 저자들은 Sc₀.₃Al₀.₇N이라는 고전압계수와 높은 기계 강성을 가진 합금질 피에조재료를 선택했으며, 67.6 nm 두께는 3차 TE 모드의 반파장에 맞춰 설계되었다. 매립 Pt 전극(40 nm)은 전기장 집중을 위한 두께‑필드 전극 구조를 제공하고, 상부 Pt 전극(≈40 nm)과 결합해 전기적 및 기계적 경계 조건을 최적화한다.

브래그 반사체는 저임피던스 SiO₂(28.2 nm)와 고임피던스 Ta₂O₅(24.3 nm)를 8.5쌍 쌓아 60 % 이상의 스톱밴드 폭을 확보하였다. 이는 제조 공정 변동에도 강인한 음향 구속을 가능하게 하며, 전자기 피드스루를 최소화한다. COMSOL 3D 유한요소 해석을 통해 49.2 GHz에서 목표 TE₃ 모드가 강하게 구속되는 것을 확인했으며, 전기‑기계 결합 효율을 나타내는 k²는 시뮬레이션에서 2.2 %로 예측되었다.

실제 공정에서는 HR‑Si 기판 위에 스퍼터링으로 Bragg 스택을 형성하고, Pt와 ScAlN을 차례로 증착하였다. TEM/EDS와 XRD 분석을 통해 각 층의 두께와 조성을 정확히 확인했으며, ScAlN의 c‑축 정렬이 우수함을 확인하였다. 이후 포토리소그래피·이온밀링·PECVD SiO₂ 백필·전자빔 증착 순으로 디바이스를 제작하였다.

전기적 측정은 67 GHz까지 동작 가능한 GSG 프로브와 VNA를 이용해 수행했으며, 62.6 GHz에서 명확한 시리즈 공진과 63.8 GHz에서 안티공진을 관측했다. Butterworth‑Van Dyke 모델링을 적용해 k² = 0.8 %와 Bode Q = 50.9(63.75 GHz) 를 추출했으며, f·Q 제품은 3.13 × 10¹² Hz로 높은 성능을 입증한다. 측정된 Q가 시뮬레이션보다 낮은 이유는 얇은 Pt 전극에 기인한 높은 직렬 저항(Rₛ = 52 Ω)과 인덕턴스(Lₛ = 0.06 nH)이며, 이는 금속 두께 증대·저저항 전극 재료 교체 등으로 개선 가능하다.

또한 2차 TE 모드가 40.4 GHz에서 나타난 것은 상하 Pt 전극 두께 불균형을 시사한다. 후처리 FEA와 실측 주파수를 매칭함으로써 상부 Pt 두께가 설계값(40 nm)보다 얇아 28 nm 수준임을 추정하였다. 이러한 비대칭은 모드 위치와 k² 감소에 영향을 주었지만, 60 % 이상의 Bragg 스톱밴드가 유지되어 전체 구속성은 크게 손상되지 않았다.

결과적으로, 이 연구는 ScAlN 기반 SMR이 60 GHz 이상에서도 실용적인 Q와 k²를 달성할 수 있음을 증명했으며, 차세대 5G/6G mmWave RF 프론트엔드에 적용 가능한 고주파, 고밀도 필터·공진기 설계에 중요한 이정표를 제공한다. 향후 연구에서는 금속 Bragg 스택을 통한 열 방출 향상, 전극 저항 감소, 다중 공진기 직렬 연결 등을 통해 전력 처리량과 선형성을 더욱 강화할 계획이다.