Abstract

High-performance radio-frequency filters are key components of modern wireless communication technologies operating in the GHz range. Particularly in frequency bands above 1 GHz—relevant for current and future mobile communication and data transfer standards—bulk acoustic wave (BAW) resonators have proven superior to surface acoustic wave (SAW) filters. Within this category, solidly mounted resonators (SMRs) based on acoustic Bragg reflectors offer a well-established technology for high-performance multiplexers in radio-frequency front-end (RFFE) modules.

This project explored the potential of amorphous hydrogenated silicon oxycarbonitride (a-SiOCN:H) as a novel low acoustic impedance (low-Z) material for Bragg reflectors. The corresponding thin films are synthesized using low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) processes. Compared to the current state-of-the-art—where silicon dioxide (SiO₂) is typically used as the low-Z material—a-SiOCN:H enables a significantly enhanced acoustic impedance contrast to the high-Z material tungsten (W). By reducing the mass density while maintaining high mechanical stiffness, viscous damping losses were minimized. As a result, acoustic impedance values as low as 7.1 MRayl were achieved, increasing the high-Z to low-Z impedance ratiofrom 8:1 to 14:1.

This research was carried out within the framework of the COMET K1 – Austrian Smart Systems Integration Research Center ASSIC2 (Project Number: 865890). The novel material system was demonstrated through the integration of a-SiOCN:H into SMR-based RF filters and evaluated with respect to its performance and suitability for integration into next-generation communication systems.

Publications

  1. Berger, Claudio, et al. "Plasma-enhanced chemical vapor deposition a-SiOCN: H low-Z thin films for bulk acoustic wave resonators." Journal of Applied Physics 135.16 (2024), https://doi.org/10.1063/5.0197261
  2. Berger, Claudio, et al. "Bulk acoustic wave—Solidly mounted resonator with a-SiOCN: H as low-Z material." Journal of Applied Physics 136.14 (2024), https://doi.org/10.1063/5.0226103
  3. Berger, Claudio, et al. "Fully dielectric acoustic Bragg mirror of a-SiOCN: H and a-SiC: H layers for bulk acoustic wave resonators." Journal of Applied Physics 137.14 (2025), https://doi.org/10.1063/5.0250701 

Funding

  • FFG COMET K1 – Austrian Smart Systems Integration Research Center ASSIC2 (project number: 865890) 

     

Kurzbeschreibung

Leistungsfähige Hochfrequenzfilter sind eine Schlüsselkomponente moderner drahtloser Kommunikationstechnologien im GHz-Bereich. Besonders in Frequenzbändern oberhalb von 1  GHz, wie sie für aktuelle und zukünftige Mobilfunk- und Datentransferstandards genutzt werden, haben sich Bulk-Akustikwellen-Resonatoren (BAW) gegenüber Oberflächenakustikwellen-Filtern (SAW) als überlegen erwiesen. In dieser Klasse bieten sogenannte solidly mounted resonators (SMR) – basierend auf akustischen Bragg-Spiegeln – eine etablierte Technologie für leistungsstarke Multiplexer in HF-Frontend-Modulen (RFFE).

Ziel dieses Projekts war es, das Potenzial von amorphem, wasserstoffhaltigem Silicium-Oxycarbonitrid (a-SiOCN:H) als neuartiges Material mit niedriger akustischer Impedanz (low-Z) für Bragg-Spiegel zu untersuchen. Die Dünnschichten wurden mittels niedertemperaturbasierter PECVD-Prozesse (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung) hergestellt. Im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik, bei dem SiO₂ als Standardmaterial für die low-Z-Schicht eingesetzt wird, ermöglicht a-SiOCN:H eine signifikant erhöhte Impedanzkontrastierung zum hochimpedanten Material Wolfram (W). Durch die gezielte Reduktion der Massendichte bei gleichzeitig hoher mechanischer Elastizität konnten akustische Verluste durch viskose Dämpfung minimiert werden. So wurden akustische Impedanzwerte bis hinunter zu 7,1 MRayl realisiert, wodurch sich das Impedanzverhältnis von high-Z zu low-Z von 8:1 auf 14:1 erhöhte.

Dieses Projekt wurde im Rahmen des COMET K1 – Austrian Smart Systems Integration Research Center ASSIC2(Projektnummer: 865890) durchgeführt. Dabei wurde das neue Materialsystem exemplarisch durch die Integration von a-SiOCN:H in SMR-basierte HF-Filter demonstriert und hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit in moderne Kommunikationssysteme evaluiert.

Pulikationen

  1. Berger, Claudio, et al. "Plasma-enhanced chemical vapor deposition a-SiOCN: H low-Z thin films for bulk acoustic wave resonators." Journal of Applied Physics 135.16 (2024), https://doi.org/10.1063/5.0197261
  2. Berger, Claudio, et al. "Bulk acoustic wave—Solidly mounted resonator with a-SiOCN: H as low-Z material." Journal of Applied Physics 136.14 (2024), https://doi.org/10.1063/5.0226103
  3. Berger, Claudio, et al. "Fully dielectric acoustic Bragg mirror of a-SiOCN: H and a-SiC: H layers for bulk acoustic wave resonators." Journal of Applied Physics 137.14 (2025), https://doi.org/10.1063/5.0250701 

Fördergeber

  • FFG COMET K1 – Austrian Smart Systems Integration Research Center ASSIC2 (Projektnummer: 865890)