실리콘 나이트라이드‑리튬 나이오베이트 기반 저손실 포논 집적 회로

본 논문은 마이크로파 대역(1 GHz)에서 저손실 포논 집적 회로(PnIC)를 구현하기 위한 새로운 재료 스택과 설계 방법론을 제시한다. 저자들은 얇은 실리콘 나이트라이드(SiN) 막(두께 300 nm)을 X‑cut 리튬 나이오베이트(LN) 기판 위에 패터닝함으로써, 전기‑기계 결합 효율(k²≈4.2 % at 1 GHz)과 높은 전기‑음향 변조성을 동시에 확보하였다. 이 구조는 기존 GaN, AlScN 등 피에조 전자재료가 가진 높은 삽입 손실과 낮은 Q 문제를 극복한다. 첫 번째로, 파형 가이드 설계에 중점을 두었다. 가이드는 LN 표면에 슬롯을 형성해 SiN을 제거한 형태이며, 파형 전파 방향을 LN의 Z축에 대해 30° 회전시켜 가장 낮은 위상 속도 영역을 이용한다. 이는 파형이 LN 내부에 강하게 confinement되어 손실을 최소화한다는 장점이 있다. 탭핑 구조는 넓은 전극(IDT)에서 좁은 가이드로 전환할 때 발생하는 모드 불일치를 해소하기 위해 설계되었으며, 탭핑 각 θ≈4.3°의 선형 탭핑을 적용해 손실을 <1 dB로 억제하였다. 실험 결과, 10 µm 폭의 다중모드 가이드에서 전파 손실은 3.5 dB/cm, 6 µm 폭의 단일모드 가이드에서는 1.9 dB/cm를 기록했다. 이는 현재 보고된 가장 낮은 손실 수준이며, 기존 GaN‑on‑SiC(≈36 dB/cm)와 비교해 수십 배 개선된 것이다. 두 번째로, 굽힘 손실을 최소화하기 위한 설계가 수행되었다. U‑shape 굽힘 반경을 300 µm에서 1300 µm까지 변화시킨 결과, 작은 반경에서는 2차 모드와의 결합으로 인해 176.5 dB/cm의 손실이 발생했으나, 반경 1300 µm에서는 6.5 dB/cm로 크게 감소하였다. 이는 포톤 회로에서 흔히 사용하는 아디아빗 굽힘 원리를 음향 파형에 적용한 것으로, 파형이 굽힘 구간에서도 기본 모드에 머무르게 함으로써 손실을 억제한다. 세 번째로, 디렉셔널 커플러를 구현하였다. 두 개의 인접 가이드를 2 µm 간격으로 배치하고, 커플링 길이 Lc를 100 µm에서 300 µm까지 조절함으로써 전력 분배 비율을 자유롭게 제어했다. Lc=100 µm에서는 50/50 전력 분할을, Lc=300 µm에서는 거의 완전 전력 전송(소멸비 25 dB)을 달성했으며, 커플러 자체의 삽입 손실은 3.5 dB~6.5 dB 수준이었다. 네 번째로, 고품질 링 공진기를 제작하였다. 반경 1300 µm, 폭 14 µm, 커플링 갭 2 µm, 커플링 길이 100 µm인 링 구조는 자유 스펙트럼 간격(FSR) 0.403 MHz를 가지며, 1001.15 MHz 중심 주파수에서 로드된 Q≈1.79 × 10⁴, 삽입 손실 –28.2 dB를 기록했다. 시간 결합 모드 이론을 적용해 내부 Q와 커플링 Q를 분리 분석한 결과, 내부 Q≈20 k, 커플링 Q≈292 k로 언커플드(under‑coupled) 영역에서 동작함을 확인했다. 손실률 α=3.9 dB/cm은 앞서 측정한 가이드 손실과 일치한다. 이러한 고Q 링을 이용해 포논 오실레이터를 구현하였다. 저잡음 증폭기(LNA)와 위상 조정기를 포함한 양성 피드백 루프를 구성해, 5.6 dBm 출력 전력을 얻었다. 위상 잡음 측정 결과, 1 kHz 오프셋에서 –106.3 dBc/Hz, 10 kHz에서 –138.4 dBc/Hz, 100 kHz에서 –159 dBc/Hz를 달성했으며, 이는 상용 신호 발생기 대비 각각 9.5 dB, 22.3 dB, 13 dB 개선된 수치이다. 저주파 영역에서는 온도 플럭투에이션에 의한 –30 dB/decade 슬로프가 관찰되었고, 고주파 영역에서는 LNA의 열 잡음이 지배한다. 전체적으로 이 연구는 (1) 초저손실 단일모드 파형 가이드, (2) 손실 최소화 탭핑 및 굽힘 설계, (3) 가변 전력 분배가 가능한 디렉셔널 커플러, (4) 고Q 저삽입 손실 링 공진기, (5) 이를 기반으로 한 저위상 잡음 포논 오실레이터라는 일련의 핵심 빌딩 블록을 제공한다. 이러한 빌딩 블록은 마이크로파 신호 처리, 고감도 센싱, 양자 트랜스듀싱, 초전도 큐비트와의 하이브리드 통합 등 다양한 응용 분야에 바로 적용 가능하다. 특히, LN의 강한 전기‑기계 결합과 SiN의 낮은 기계 손실을 결합함으로써, 기존 GaN‑on‑sapphire, AlScN‑on‑SiC 등과 비교해 손실·Q·전력 효율 전반에서 우수한 성능을 보여준다. 향후 연구에서는 다층 구조, 비선형 변조소자, 초저온(밀리켈빈) 동작, 그리고 광‑음향 하이브리드 인터페이스를 추가해 초전도 양자 회로와의 직접 통합을 목표로 할 수 있다.