1
工作简介
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组，基于自主研制的高性能X-cut LiNbO3/SiO2/SiC异质集成衬底平台，利用压电衬底面内各向异性的带宽调控技术，实现了谐振器机电耦合系数（即滤波器带宽）的大范围灵活可调、滤波器边带陡峭度的针对性调整，最终进行了Sub 4GHz频段的声表面波滤波器单片集成。相关研究工作以“High-steepness and Low-loss SAW Filters with Fractional Bandwidth From 3.7% to 12.4% on a Monolithic X-cut LiNbO3/SiO2/SiC Substrate”为题发表于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生房晓丽和吴进波，论文通讯作者为上海微系统所张师斌研究员和欧欣研究员。
2
研究背景
随着无线通信技术的发展，Sub 4 GHz频谱空间变得异常拥挤，带宽各异的多个频段密集分布，且相对带宽跨度较大，从0.4%（n71）到14%（n78）不等。声表面波滤波器因体积小巧、制造成本低廉，在3.5 GHz以下的射频滤波器市场中占据主导地位。在传统声学滤波器的梯形拓扑结构下，滤波器的带宽主要受限于内置谐振器的机电耦合系数，而这一系数又直接依赖于压电材料平台的压电转换效率。为了满足多样化的带宽需求，业内采用多种不同规格的材料平台，这大大增加了射频前端滤波器的设计复杂性，也显著提高了生产成本。此外，这些频段之间的间隔极小，例如n41频段（2496-2690 MHz）和2.4 GHz Wi-Fi频段（2400-2483MHz）之间仅相隔13 MHz，这对滤波器的裙边陡峭度提出了更高的要求。
当谐振器的机电耦合系数具备高度的灵活可调性时，单一规格的压电材料平台即可满足多个频段的带宽需求，将有效缩减所需压电材料平台的数量。更进一步地，凭借这种灵活调节的特性，我们能够调整梯形结构中特定谐振器的机电耦合系数，使之对应的传输零点更接近通带，从而增强滤波器的边带陡峭度。传统调整谐振器机电耦合系数的方法往往依赖于外接电气元件（如电容、电感），会导致器件的损耗和体积增大，不利于滤波器的小型化和集成化。
3
研究亮点
本文提出了一种创新性的带宽调控技术，该技术巧妙利用了压电衬底材料的面内各向异性特性，成功地在不牺牲其他性能指标的前提下，实现了谐振器机电耦合系数在宽广范围内的灵活且精确调节。
图1（a）6英寸X-cut LiNbO3/SiO2/SiC晶圆照片。(b)制备谐振器的光学显微镜图像。(c)谐振器顶部扫描电子显微镜图像。(d)不同面内取向谐振器的测量值。(e)不同面内取向谐振器的平均最大Bode-Q统计结果。
图2（a）制备谐振器的结构示意图。不同面内取向谐振器测量的导纳和Bode-Q曲线（b）θ=9°，（c）θ=18°，（d）θ=33°。
在上述高性能谐振器的基础上，我们设计和制备了八个不同频段的滤波器，为了满足这些频段各异的带宽需求，对滤波器中内置谐振器的面内取向进行了精细的调整，以确保具有合适的机电耦合系数。图3展示了这些滤波器的传输系数，同时表1详细总结了这八个带通滤波器的关键性能指标。制备的八个滤波器相对带宽跨度达到了3.7%到12.4%，而且均保持着较低的损耗水平。
图3 测量的滤波器S参数响应以及对应的滤波器光镜图（a）n66和n25（b）n40, 2.4 GHz Wi-Fi和n41 (c) n78频段带通滤波器。
表1制备得到的八个不同频段滤波器的关键性能指标
Filter | n66 Tx | n25 Tx | n25 Rx | n66 Rx | n40 | Wi-Fi | n41 | n78 |
fc(GHz) | 1.75 | 1.89 | 1.975 | 2.111 | 2.352 | 2.424 | 2.6 | 3.64 |
ILmin(dB) | 0.98 | 1.44 | 1.03 | 1.03 | 1.18 | 0.87 | 1.38 | 1.8 |
3dB FBW (%) | 4.2 | 3.7 | 3.7 | 4.6 | 4.1 | 4 | 7.7 | 12.4 |
Preset kt2(%) of resonators | 10 | 8 | 8 | 10 | 11 | 11 | 18 | 31 |
为了进一步应对狭窄的频段间隙带来的挑战，本研究采用了通过调整梯形结构中内置谐振器的面内取向使其机电耦合系数降低，从而显著提升滤波器边带陡峭度的技术路线，并在2.4 GHz Wi-Fi和n41频段滤波器上进行了验证。在2.4 GHz Wi-Fi频段滤波器中降低了其中部分串联谐振器的机电耦合系数，显著提升了高频侧的裙边陡峭度。而在n41频段滤波器中，则通过降低其中部分并联谐振器的机电耦合系数，显著提升了低频侧的裙边陡峭度。图7展示了优化后的2.4 GHz Wi-Fi频段和n41频段滤波器的S参数曲线及其内置谐振器的导纳曲线，两个滤波器之间展现了良好的隔离度，显示了该技术路线的有效性。
图4滤波器结构示意图,测量的S参数响应以及内置谐振器导纳响应（a）2.4 GHz Wi-Fi频段，（b）n41频段。（c）测量的Wi-Fi和n41频段滤波器。
4
总结与展望
总结而言，本研究基于X-cut LiNbO3/SiO2/SiC衬底，创新性地提出一种大范围且灵活地调整谐振器机电耦合系数的方法。通过精细调整谐振器的面内取向并辅以特殊IDT电极设计，成功实现了在不增大损耗的前提下，对机电耦合系数的大范围灵活可调。当谐振器的面内取向从0°变化至42°时，机电耦合系数可实现31%到5%范围内的连续可调，同时Q值稳定在较高的水平（约1800）。基于这一创新方法，本团队通过预设合适的内置谐振器面内取向，成功制备和展示了n25，n66，n40，2.4 GHz Wi-Fi，n41和n78频段滤波器，其相对带宽跨度为3.7%到12.4%。特别地，对2.4 GHz Wi-Fi以及n41频段滤波器的边带陡峭性进行了优化。这些结果展示了X-cut LiNbO3/SiO2/SiC平台在实现不同频段滤波器单片集成的能力。后续该团队将会继续优化材料、器件的性能，以推动这一技术的进一步发展！
5
原文传递
文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10552073
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工作简介
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组，基于自主研制的高性能X-cut LiNbO3/SiO2/SiC异质集成衬底平台，利用压电衬底面内各向异性的带宽调控技术，实现了谐振器机电耦合系数（即滤波器带宽）的大范围灵活可调、滤波器边带陡峭度的针对性调整，最终进行了Sub 4GHz频段的声表面波滤波器单片集成。相关研究工作以“High-steepness and Low-loss SAW Filters with Fractional Bandwidth From 3.7% to 12.4% on a Monolithic X-cut LiNbO3/SiO2/SiC Substrate”为题发表于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生房晓丽和吴进波，论文通讯作者为上海微系统所张师斌研究员和欧欣研究员。
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研究背景
随着无线通信技术的发展，Sub 4 GHz频谱空间变得异常拥挤，带宽各异的多个频段密集分布，且相对带宽跨度较大，从0.4%（n71）到14%（n78）不等。声表面波滤波器因体积小巧、制造成本低廉，在3.5 GHz以下的射频滤波器市场中占据主导地位。在传统声学滤波器的梯形拓扑结构下，滤波器的带宽主要受限于内置谐振器的机电耦合系数，而这一系数又直接依赖于压电材料平台的压电转换效率。为了满足多样化的带宽需求，业内采用多种不同规格的材料平台，这大大增加了射频前端滤波器的设计复杂性，也显著提高了生产成本。此外，这些频段之间的间隔极小，例如n41频段（2496-2690 MHz）和2.4 GHz Wi-Fi频段（2400-2483MHz）之间仅相隔13 MHz，这对滤波器的裙边陡峭度提出了更高的要求。
当谐振器的机电耦合系数具备高度的灵活可调性时，单一规格的压电材料平台即可满足多个频段的带宽需求，将有效缩减所需压电材料平台的数量。更进一步地，凭借这种灵活调节的特性，我们能够调整梯形结构中特定谐振器的机电耦合系数，使之对应的传输零点更接近通带，从而增强滤波器的边带陡峭度。传统调整谐振器机电耦合系数的方法往往依赖于外接电气元件（如电容、电感），会导致器件的损耗和体积增大，不利于滤波器的小型化和集成化。
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研究亮点
本文提出了一种创新性的带宽调控技术，该技术巧妙利用了压电衬底材料的面内各向异性特性，成功地在不牺牲其他性能指标的前提下，实现了谐振器机电耦合系数在宽广范围内的灵活且精确调节。
图1（a）6英寸X-cut LiNbO3/SiO2/SiC晶圆照片。(b)制备谐振器的光学显微镜图像。(c)谐振器顶部扫描电子显微镜图像。(d)不同面内取向谐振器的测量值。(e)不同面内取向谐振器的平均最大Bode-Q统计结果。
图2（a）制备谐振器的结构示意图。不同面内取向谐振器测量的导纳和Bode-Q曲线（b）θ=9°，（c）θ=18°，（d）θ=33°。
在上述高性能谐振器的基础上，我们设计和制备了八个不同频段的滤波器，为了满足这些频段各异的带宽需求，对滤波器中内置谐振器的面内取向进行了精细的调整，以确保具有合适的机电耦合系数。图3展示了这些滤波器的传输系数，同时表1详细总结了这八个带通滤波器的关键性能指标。制备的八个滤波器相对带宽跨度达到了3.7%到12.4%，而且均保持着较低的损耗水平。
图3 测量的滤波器S参数响应以及对应的滤波器光镜图（a）n66和n25（b）n40, 2.4 GHz Wi-Fi和n41 (c) n78频段带通滤波器。
表1制备得到的八个不同频段滤波器的关键性能指标
Filter | n66 Tx | n25 Tx | n25 Rx | n66 Rx | n40 | Wi-Fi | n41 | n78 |
fc(GHz) | 1.75 | 1.89 | 1.975 | 2.111 | 2.352 | 2.424 | 2.6 | 3.64 |
ILmin(dB) | 0.98 | 1.44 | 1.03 | 1.03 | 1.18 | 0.87 | 1.38 | 1.8 |
3dB FBW (%) | 4.2 | 3.7 | 3.7 | 4.6 | 4.1 | 4 | 7.7 | 12.4 |
Preset kt2(%) of resonators | 10 | 8 | 8 | 10 | 11 | 11 | 18 | 31 |
为了进一步应对狭窄的频段间隙带来的挑战，本研究采用了通过调整梯形结构中内置谐振器的面内取向使其机电耦合系数降低，从而显著提升滤波器边带陡峭度的技术路线，并在2.4 GHz Wi-Fi和n41频段滤波器上进行了验证。在2.4 GHz Wi-Fi频段滤波器中降低了其中部分串联谐振器的机电耦合系数，显著提升了高频侧的裙边陡峭度。而在n41频段滤波器中，则通过降低其中部分并联谐振器的机电耦合系数，显著提升了低频侧的裙边陡峭度。图7展示了优化后的2.4 GHz Wi-Fi频段和n41频段滤波器的S参数曲线及其内置谐振器的导纳曲线，两个滤波器之间展现了良好的隔离度，显示了该技术路线的有效性。
图4滤波器结构示意图,测量的S参数响应以及内置谐振器导纳响应（a）2.4 GHz Wi-Fi频段，（b）n41频段。（c）测量的Wi-Fi和n41频段滤波器。
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总结与展望
总结而言，本研究基于X-cut LiNbO3/SiO2/SiC衬底，创新性地提出一种大范围且灵活地调整谐振器机电耦合系数的方法。通过精细调整谐振器的面内取向并辅以特殊IDT电极设计，成功实现了在不增大损耗的前提下，对机电耦合系数的大范围灵活可调。当谐振器的面内取向从0°变化至42°时，机电耦合系数可实现31%到5%范围内的连续可调，同时Q值稳定在较高的水平（约1800）。基于这一创新方法，本团队通过预设合适的内置谐振器面内取向，成功制备和展示了n25，n66，n40，2.4 GHz Wi-Fi，n41和n78频段滤波器，其相对带宽跨度为3.7%到12.4%。特别地，对2.4 GHz Wi-Fi以及n41频段滤波器的边带陡峭性进行了优化。这些结果展示了X-cut LiNbO3/SiO2/SiC平台在实现不同频段滤波器单片集成的能力。后续该团队将会继续优化材料、器件的性能，以推动这一技术的进一步发展！
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原文传递
文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10552073
