[논문 리뷰] Single-Crystal AlN Wafer-Based Bulk Acoustic Resonators for Piezoelectric Power Conversion

Ziqian Yao, Clarissa Daniel외 6명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 19.

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한 줄 요약

이 논문은 단일 결정 AlN 웨이퍼 기반 TE 모드 벌크 음향 공진기의 첫 사례를 piezoelectric 전력 변환용으로 제시하여, 높은 Q 1677 및 k^2 6.1%를 달성하고 접지 링을 이용한 스퓨리어 모드 억제를 보여준다.

ABSTRACT

In this work, we demonstrate the first single-crystal aluminum nitride (AlN) wafer-based thickness-extensional (TE) mode bulk acoustic resonator for piezoelectric power conversion. The device exhibits a high series resonance 3-dB quality factor ($Q$) of 1677 and an electromechanical coupling coefficient ($k^2$) of 6.1%, highlighting the strong potential of AlN resonators for efficient power conversion. To suppress in-band spurious modes, a grounded ring structure is proposed and experimentally validated. The measured frequency-domain impedance response shows a spurious suppression of the spectrum above the resonance at 13.52 MHz. A comparative analysis with prior PZT, LN, and LT-based resonators indicates that AlN achieves a competitive figure of merit and $f \cdot Q$ product, while its material thermal conductivity is orders of magnitude higher than that of the incumbent piezoelectric power-converter resonators. The power-handling capability is expected to be superior in AlN single-crystal wafers and will be demonstrated in ongoing experiments. These results suggest that AlN offers a promising platform for compact, robust piezoelectric power converters and next-generation power electronic systems.

연구 동기 및 목표

• piezoelectric 전력 변환을 위한 단일 결정 AlN 웨이퍼 기반 TE 모드 벌크 음향 공진기를 구현한다.
• 전기기계적 성능(Q, k^2) 및 공진 특성을 정량화한다.
• 대역 내 스퓨리어 모드 억제를 평가하고 AlN의 성능을 기존 압전 재료와 비교한다.
• 향후 전력 변환 소자에 대한 열 특성과 전력 처리 가능성의 시사점을 강조한다.

제안 방법

• 단일 결정 AlN 웨이퍼에서 TE 모드 벌크 음향 공진기를 제작한다.
• 공진 및 스퓨리어 모드를 식별하기 위해 주파수 영역 임피던스를 특성화한다.
• 대역 내 스퓨리어 모드를 억제하기 위해 접지 링 구조를 구현하고 검증한다.
• 3-dB 직렬 공진 Q 및 전기기계 결합 계수 k^2를 측정한다.
• PZT, LN, LT 벤치마크와의 비교를 통해 AlN 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 결정 AlN 웨이퍼가 piezoelectric 전력 변환에 적합한 TE 모드 벌크 음향 공진기를 구현할 수 있는가?
• RQ2 AlN TE 모드 공진기가 달성할 수 있는 Q 및 k^2 값은 무엇인가?
• RQ3 AlN 공진기에서 대역 내 스퓨리어 모드를 효과적으로 억제할 수 있는가, 그리고 접지 링이 스펙트럼에 미치는 영향은 어떤가?
• RQ4 전통적인 압전 재료에 비해 AlN의 성능(f·Q 곱, 전력 처리 가능성)은 어떤가?

주요 결과

• 3-dB 직렬 공진 Q를 1677로 달성했다.
• k^2를 6.1%로 측정했다.
• 접지 링 구조는 대역 내 스퓨리어 모드를 억제하여 공진 위의 스펙트럼을 13.52 MHz에서 감소시킨다.
• AlN은 PZT, LN, LT 기반 공진기에 비해 경쟁력 있는 f·Q 및 성능 지표를 제시한다.
• AlN의 더 높은 열전도도는 단일 결정 웨이퍼에서 우수한 전력 처리 가능성을 시사한다.
• 결과는 AlN을 소형이고 견고한 압전 전력 변환 소자로서 유망한 플랫폼으로 제시한다.