62.6 GHz ScAlN Solidly Mounted Acoustic Resonators

기술 요약: 62.6 GHz ScAlN 고정 결합형 음향 공진기(SMR)

문제 정의
무선 시스템이 5G/6G 및 밀리미터파(mmWave) 대역(30 GHz 이상)으로 진화함에 따라, 음향 필터를 더 높은 주파수로 스케일링하는 데 상당한 도전 과제가 발생하고 있습니다. 표면 탄성파(SAW) 소자는 인터디지테이티드 트랜스듀서(IDT)의 크기가 축소됨에 따라 제작 복잡성과 손실 메커니즘 문제에 직면하는 반면, 벌크 탄성파(BAW) 소자는 mmWave 영역에서 기본 모드를 구현하기 위해 일반적으로 100nm 미만의 박막을 필요로 하며, 이는 재료 품질 저하와 손실 증가를 초래합니다. 고차 두께 방향(thickness-extensional, TE) 모드를 활용하는 것이 mmWave 성능을 위한 하나의 경로를 제공하지만, 기존의 고정 결합형 공진기(SMR)는 일반적으로 수십 GHz 미만에서 동작합니다. 높은 주파수에서 높은 품질 계수($Q$)와 전기 기계 결합 계수($k_t^2$)를 동시에 유지하는 것은 줄어드는 음향 파장, 측면 전계(lateral-field) 여기의 한계, 그리고 불완전한 모드 가둠 현상으로 인해 매우 어렵습니다. 또한, 최근의 전금속 브래그 반사체(all-metal Bragg reflector)를 이용한 고주파 시연은 복잡한 공정 흐름을 요구하며 피드스루(feedthrough) 문제가 심각하게 발생합니다.

방법론
본 연구는 전방향 유전체 음향 브래그 반사체 위에 위치한 매립형 백금(Pt) 하부 전극과 Sc$_{0.3}$Al$_{0.7}$N 압전층을 이용한 63 GHz SMR을 보여줍니다. 설계 전략은 다음과 같습니다:

• 스택 설계: 유한 요소 분석(FEA)을 통해 두께 방향 전계(thickness-field)를 사용하여 3차 TE 벌크 탄성파 모드를 효율적으로 가두고 여기할 수 있도록 스택을 설계했습니다. 구조는 40 nm 매립형 Pt 하부 전극과 패턴화된 Pt 상부 전극 사이에 샌드위치된 67.6 nm Sc$_{0.3}$Al$_{0.7}$N 활성층으로 구성됩니다.
• 브래그 반사체: 정전 용량 피드스루를 최소화하고 부유형 FBAR에 비해 구조적 견고함을 개선하기 위해, SiO$_2$(28.2 nm)와 Ta$_2$O$_5$(24.3 nm) 층이 교대로 배치된 전방향 유전체 반사체를 채택했습니다. 이 재료들은 높은 음향 임피던스 대비(12.4 대 33.3 Mkgm$^{-2}$s$^{-1}$)를 제공하여 약 60%의 분율 스톱밴드 대역폭을 형성하도록 선택되었습니다.
• 제작: 소자는 고저항 실리콘(HR-Si) 기판 위에 제작되었습니다. 공정은 브래그 반사체를 스퍼터링하고, 매립형 Pt 전극을 증착한 후, ScAlN 층을 성장시키는 과정을 거쳤습니다. 활성 영역은 UV 포토리소그래피와 이온 밀링을 통해 정의되었으며, 격리를 위해 저온 PECVD SiO$_2$ 백필(backfill) 공정이 수행되었습니다. 상부 Pt 전극은 전자빔 증착법으로 패턴화되었으며, 접점 패드는 300 nm Al로 형성되었습니다.
• 특성 분석: 소자는 67 GHz 벡터 네트워크 분석기(VNA)에 연결된 GSG 프로브를 사용하여 특성을 분석했습니다. 2포트 S-파라미터는 Y-파라미터로 변환되었으며, 라우팅 기생 성분($L_s$, $R_s$)을 고려한 수정된 Butterworth–Van Dyke(BVD) 회로 모델이 적용되었습니다.

핵심 기여

• 기록적인 주파수: 현재까지 보고된 SMR 중 가장 높은 동작 주파수인 62.6 GHz에서 동작하는 SMR을 제작했습니다.
• 전방향 유전체 반사체: 고용량 밀도 mmWave SMR의 핵심인 정전 용량 피드스루를 줄이기 위해 SiO$_2$/Ta$_2$O$_5$ 브래그 반사체를 구현하였으며, 이를 통해 전금속 반사체와 관련된 복잡성과 피드스루 문제를 회피했습니다.
• 두께 방향 전계 여기: 매립형 하부 전극을 성공적으로 활용하여 측면 전계 대신 $e_{33}$ 계수를 이용해 3차 TE 모드의 효율적인 두께 방향 전계 여기를 달성했습니다.
• 설계 검증: 3차 TE 모드 가둠을 실험적으로 검증하였으며, 컴팩트한 mmWave 음향 부품을 위한 실질적인 경로를 제시했습니다.

결과

• 공진 주파수: 제작된 소자는 62.6 GHz에서 명확한 직렬 공진을, 63.8 GHz에서 반공진을 보입니다. 40.4 GHz에서는 2차 TE 모드가, 11.7 GHz에서는 1차 TE 모드가 관찰되었습니다.
• 성능 지표: 추출된 3차 TE 모드의 압전 결합 계수($k_t^2$)는 0.8%입니다. 위상 기반 보데(Bode) 품질 계수($Q$)는 63.75 GHz에서 50.91로 정점에 도달했으며, 결과적으로 $3.13 \times 10^{12}$의 높은 $f \cdot Q$ 생성물을 나타냈습니다.
• 불일치 사항: 측정된 공진 주파수(62.6 GHz)는 시뮬레이션 목표값(약 49~50 GHz)보다 높았습니다. 제작 후 FEA 매칭 결과, 이러한 편차는 상부 및 하부 Pt 전극 간의 두께 불일치(추정된 상부 Pt 두께 28 nm, 설계치 40 nm) 및 박막 재료 특성의 변화 때문인 것으로 나타났습니다.
• 손실 메커니즘: 저주파 SMR에 비해 상대적으로 낮은 $Q$ 값은 반사체 밴드갭 중심 이탈(mis-centering)로 인한 잔류 누설, Pt/ScAlN/Pt 캐비티 내의 고유 손실, 그리고 라우팅 직렬 저항($R_s = 52 \, \Omega$)에 의한 전기적 부하 때문입니다.

의의
저자들은 본 결과가 차세대 RF 프런트엔드용 필터 및 공진기를 위한 mmWave SMR 소자의 경로를 구축한다고 밝히고 있습니다. 두께 방향 전계 여기와 전방향 유전체 반사체를 사용하여 60 GHz 이상에서 효과적으로 동작할 수 있음을 입증함으로써, 본 연구는 구조적 견고함과 고주파 동작 사이의 균형을 맞추는 설계 방법론을 검증했습니다. 현재의 $k_t^2$와 $Q$가 저주파 대응물들에 비해 다소 낮기는 하지만, 역대 최고 SMR 주파수를 달로한 것은 이 플랫폼이 미래의 컴팩트하고 저손실인 mmWave 음향 부품에 대한 타당성을 입증한 것입니다. 논문은 향후 연구가 고주파 손실 감소, $k_t^2$ 개선을 위한 스택/전극 구성 최적화, 그리고 이 공진기들을 필터 프로토타입에 통합하는 데 집중될 것임을 결론짓고 있습니다.