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2017年9月1日

産総研、世界最高レベルの高性能GaN圧電薄膜をRFスパッタ法で作製

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所センシング材料研究グループ上原雅人主任研究員らは2017年8月31日、村田製作所と共同で、低コストで成膜温度の低いRFスパッタ法を用いた、単結晶と同等の圧電性能を示す窒化ガリウム(GaN)薄膜を作製できる方法を見いだした。さらに、スカンジウム(Sc)添加で圧電性能が飛躍的に向上することを実証し、GaNとしては現在、世界最高性能の圧電薄膜を開発した。
 GaNはAlNに比べて圧電薄膜の作製が難しく、RFスパッタ法では圧電体として利用できる十分に良質な配向薄膜を作製できなかった。今回、ハフニウム(Hf)またはモリブデン(Mo)の金属配向層の上にRFスパッタ法でGaNの配向薄膜を成長させる。この薄膜は単結晶並みの圧電定数d33(約3.5 pC/N)を示した。さらに、Scを添加するとd33が約4倍の14.5 pC/Nまで増加した。圧電定数d33は、MOCVD法などで作製された単結晶GaNの発表されている値と同等であり、良質な薄膜を作製できたことがわかる。今回開発した技術では、MOCVD法に比べて低い温度でGaN薄膜を作製できるため、コスト削減のほか、これまでGaN成膜後の複雑な工程が必要だった金属電極の作製も容易になる。また、比較的低温で作製できるので、他のデバイスや製品へGaN圧電体を付与できると考えられる。
 さらに、AlNの圧電性能を飛躍的に高めることで知られているScの添加をGaNでも試みた。AlNは結晶のある一方向に圧電性を示すが、Scを添加すると結晶構造が少し変化して、その方向にイオンが動きやすくなり、圧電性が向上すると考えられている。今回開発した金属配向層を利用する作製方法により、同じ結晶構造をもつGaNにScを添加した圧電薄膜を作製した。その結果、圧電定数d33は著しく向上し、Sc無添加のGaNの4倍である約14 pC/Nを示した。これまでの作製技術では、Scのような異種元素を添加すると良質な配向薄膜を作製できなかったが、今回開発した方法により、Scを添加しても良質な配向薄膜を作製することができた。今後、この作製方法を利用することで、圧電体としてのGaNの研究開発が促進されると考えられる。
 さらに、今回開発した方法により作製したGaN圧電薄膜を用いてBAW型高周波フィルタを試作し、共振特性を調べところ、Sc無添加の薄膜もScを添加した薄膜も良好な共振特性を示した。特にScを添加した薄膜の電気機械結合係数k2は約6 %と、無添加単結晶の3倍の高い値を示した。なお、今回作製したSc添加GaNの圧電定数d33や電気機械結合係数k2は、現在のところGaN系としては世界最高レベルとなっている。

URL=http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2017/pr20170831_2/pr20170831_2.html







 

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