단일 박막 바륨 티타네이트 기반 조정 가능한 초음파 공진기

본 논문은 무선 통신의 고주파 대역이 점점 세분화되고, 다중 밴드를 동시에 처리해야 하는 요구가 증가함에 따라, 소형·저손실·주파수 조정이 가능한 RF 필터 기술의 필요성을 제시한다. 기존의 알루미늄 나이트라이드(AlN), 스칸듐 알루미늄 나이트라이드(ScAlN), 리튬 나이오베이트(LN) 등은 고정 주파수의 피에조 전기공진기에 주로 사용돼, 각 밴드마다 별도의 필터가 필요했다. 반면, 페로일렉트릭 물질은 DC 바이어스만으로 전기‑기계 결합(k²)과 유효 강성을 변화시켜 주파수를 튜닝할 수 있어, 하나의 공진기로 다중 밴드를 커버할 수 있는 잠재력을 가진다. 바륨 티타네이트(BTO)는 높은 유전 상수와 강한 페로일렉트릭 특성, 그리고 실리콘 위에 에피택셜 성장 가능한 장점을 갖고 있어, 튜너블 초음파 공진기 재료로 적합하다. 그러나 기존 BTO/BST 기반 공진기는 두께 정의형(FBAR) 구조에 의존하고, 바텀 전극이 필요해 온칩 다중 주파수 구현이 복잡했다. 이에 저자들은 X‑컷 BTO 멤브레인을 사용해 측면 전극으로 대칭 라멕(S0) 모드를 횡방향으로 구동하는 새로운 설계를 제안한다. COMSOL Multiphysics를 이용한 3‑D 유한요소 시뮬레이션에서는 BTO 두께 125 nm, 금 전극 75 nm, 전극 폭 1.25 µm, 전극 간격 50 µm, 전체 멤브레인 길이 7.75 µm인 구조가 여러 고차 고조파(overtone)와 강하게 결합함을 확인했다. 전극 간격과 에칭된 실리콘 창 사이의 간격이 고주파 오버톤을 동시에 흡수하도록 설계돼, 단일 전극 구성이 다중 주파수 응답을 제공한다. 실험적으로는 5 nm STO 완충층 위에 120 nm BTO를 700 °C에서 RF 오프축 스퍼터링으로 성장시켰으며, RHEED와 XRD를 통해 고품질 에피택셜 성장과 격자 상수 4.036 Å를 확인했다. 전압이 없을 때는 무작위 도메인 배향으로 인해 전기‑기계 결합이 상쇄돼 전송 특성이 거의 나타나지 않는다. DC 바이어스를 가하면 도메인이 정렬되어 유효 피에조 계수(e₁₁)가 활성화되고, S0 라멕 모드가 명확히 관측된다. 주요 결과는 300 MHz와 700 MHz 근처에서 각각 k²≈3 %와 8 %를 달성했으며, Q≈150을 유지한다는 점이다. 전압을 0 → 20 V 구간에서 증가시키면, 전기‑기계 결합이 강화되어 시리즈 공진 주파수가 거의 선형적으로 낮아지고, 동시에 Q와 k²가 상승한다. 이는 전압에 의한 유전율 감소와 유효 강성 증가가 동시에 일어나기 때문이다. 20 V를 초과하면 전기스트릭션 혹은 전극/박막 파괴가 의심되는 급격한 특성 전이가 발생한다. 구체적으로는 시리즈 공진 주파수가 급격히 상승하고, k²가 크게 감소한다. 이는 전압 의존성 비선형성을 나타내며, 실제 RF 필터 설계 시 안전 전압 한계를 명시해야 함을 의미한다. 전극 수를 늘리면 응력 프로파일이 상쇄돼 k²가 사라지는 현상이 관찰되어, 현재 설계에서는 두 전극만을 사용해야 최적의 결합을 얻을 수 있다. 이는 전극 배치와 도메인 폴링 사이의 상호작용을 정밀히 제어해야 함을 시사한다. 표 1에서는 기존 STO, ScAlN, BST 기반 공진기와 비교했을 때, 본 BTO 라테럴 구조는 온칩 다중 주파수 구현, 바텀 전극 불필요, 그리고 비교적 높은 k²와 Q를 동시에 달성한다는 장점을 가진다. 특히, 0.7 GHz 이하의 서브‑GHz 대역에서 1 % 수준의 전압 튜닝 비율을 보이며, 이는 5G/6G 대역의 재구성 가능한 전면 필터에 적합하다. 결론적으로, 저자들은 BTO 박막을 측면 전극으로 구동하는 라멕 모드 공진기가 높은 Q와 전기‑기계 결합을 유지하면서 전압에 따라 주파수를 조정할 수 있음을 입증했다. 이는 바텀 전극이 필요 없는 단일 공정으로, 다양한 주파수를 온칩에 구현할 수 있는 새로운 설계 패러다임을 제시한다. 향후 연구에서는 멤브레인 크기 확대와 BTO 두께 증가를 통해 손실을 감소시키고, 임피던스를 낮춰 전력 효율을 높이는 것이 목표다. 또한, 전압 전이 현상의 메커니즘을 전자‑구조 시뮬레이션과 실시간 도메인 이미징으로 규명하면, 보다 넓은 전압 범위에서 안정적인 튜닝이 가능해질 전망이다.