고주파 얇은막 리튬니오베이트 기반 격자 XBAR 필터 구현

본 논문은 차세대 무선·센서 시스템에 요구되는 고주파, 넓은 대역폭, 저손실 RF 전면부를 구현하기 위해, 주기적으로 폴링된 얇은막 리튬니오베이트(P3F TFLN) 위에 측면으로 구동되는 벌크 음향 공명기(XBAR)를 기반으로 한 격자형 밴드패스 필터를 최초로 제시한다. 기존의 FBAR·SAW 필터는 10 GHz 이상에서 전기‑기계 결합(k²) 감소와 기계적 손실 증가로 스케일링에 한계가 있었지만, XBAR는 얇은 TFLN 층과 높은 전기‑기계 결합을 유지하면서 100 GHz까지 확장이 가능하다. 특히 P3F 구조는 두 층의 두께 차이를 이용해 k²를 더욱 증폭시켜, 넓은 분수 대역폭(FBW)을 설계할 수 있게 한다. 먼저, 128°Y 절단 P3F TFLN(하부 110 nm, 상부 75~125 nm) 위에 인터디지털 전극(IDEs)을 배치하고, COMSOL 기반 유한요소 해석을 통해 S₂ 대칭 Lamb 모드가 주 공진임을 확인한다. 두께 불일치가 A₁·A₃와 같은 비대칭 모드를 유도한다는 점을 발견하고, 이를 반영하기 위해 다중 모션 브랜치를 갖는 수정된 Butterworth‑Van Dyke(mBVD) 모델을 구축하였다. 격자 토폴로지는 두 개의 포트‑연결(Y_A)와 두 개의 교차 연결(Y_B)으로 이루어지며, 두 가지 구현 방식을 제안한다. 첫 번째는 전통적인 직접 격자(direct lattice)로, GSG 패드와 평면 라우팅을 사용하지만 그라운드 노드가 하나 남아 비대칭성을 초래한다. 두 번째는 레이아웃‑밸런스형(layout‑balanced)으로, Y_A를 두 개의 동일한 섹션으로 분할해 모든 노드가 완전히 연결되도록 설계하였다. 두 설계 모두 ADS 회로 시뮬레이션에서 mBVD 파라미터와 레이아웃 유도 기생 저항·인덕턴스(R_s, L_s)를 포함시켜 최적화했으며, A₁·A₃ 모드가 필터 응답에 미치는 영향을 점선 S₂₁ 곡선으로 별도 표시하였다. 제조 공정은 NGK 사의 P3F 바이레이어 TFLN/aSi/사파이어 웨이퍼를 사용해, 이온 밀링으로 상부 P3F 층을 50 nm 트리밍하고 알루미늄(350 nm) 전극을 증착한 뒤, 추가 550 nm 알루미늄을 버스라인에 두께 보강한다. 이후 aSi를 XeF₂로 선택적 제거해 XBAR 활성 영역을 서스펜드한다. 측정 결과, 직접 격자 필터는 1.15 × 0.81 mm² 면적에 19.7 GHz 중심 주파수에서 0.88 dB 삽입 손실과 27 % FBW를 달성하였다. 복소 매칭 임피던스(Port 1: 30.4 + j28.2 Ω, Port 2: 31.1 + j8.8 Ω)를 적용해 최적화했으며, A₁·A₃ 모드가 옆밴드에 스퍼리어스 피크를 유발한다는 점을 확인했다. 레이아웃‑밸런스형 필터는 1.29 × 0.85 mm² 면적에 17.7 GHz에서 0.96 dB IL·39 % FBW를 기록했으며, 대칭 레이아웃 덕분에 매칭 네트워크 구현이 용이했다. 그러나 레이아웃에 의한 전자기 공진과 IDE 크기 차이에 따른 시리즈 공진 주파수 이동이 S₂₁ 롤‑업을 초래했으며, 이는 mmW 대역에서 설계·모델링 정확도를 저해한다. 논문은 이러한 비이상성을 해결하기 위한 향후 과제로 (1) 다중 모드 억제 및 전자기‑음향 결합 해석, (2) 레이아웃‑유도 기생 요소에 대한 정밀 모델링, (3) 격자형 필터에 대한 체계적인 합성 이론 개발을 제시한다. 최종적으로, XBAR 기반 격자 아키텍처는 20 GHz 이상에서 낮은 삽입 손실과 넓은 대역폭을 동시에 제공하며, 차세대 6G·7G 통신 및 고해상도 레이더·이미징 시스템에 적용 가능한 소형 고성능 RF 전면부 솔루션으로 기대된다.