(57)【要約】【課題】ＧａＮ圧電膜において、圧電性を向上させる。【解決手段】ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電膜であって、窒化ガリウム結晶は、２価の典型金属元素と４価の遷移元素、又は２価の典型金属元素と５価の遷移元素を含み、窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が前記元素に置換された構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電膜であって、前記窒化ガリウム結晶は、２価の典型金属元素と４価の遷移元素、又は２価の典型金属元素と５価の遷移元素を含み、前記窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が、前記２価の典型金属元素と前記４価の遷移元素、又は前記２価の典型金属元素と前記５価の遷移元素に置換された構造を有する圧電膜。
【請求項２】
前記２価の典型金属元素は、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、及びストロンチウムのうち少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の圧電膜。
【請求項３】
前記４価の遷移元素は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムのうち少なくともいずれかを含む、請求項１又は２に記載の圧電膜。
【請求項４】
前記５価の遷移元素は、タンタル、ニオブ、及びバナジウムのうち少なくともいずれかを含む、請求項１又は２に記載の圧電膜。
【請求項５】
前記圧電膜におけるガリウム原子の数と、前記２価の典型金属元素及び前記４価の遷移元素の原子数、又は前記２価の典型金属元素及び前記５価の遷移元素の原子数との総量に対する、前記２価の典型金属元素及び前記４価の遷移元素の原子数、又は前記２価の典型金属元素及び前記５価の遷移元素の原子数の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電膜。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電膜を備える圧電部品。
【請求項７】
ガリウムと、前記２価の典型金属元素及び前記４価の遷移元素、又は前記２価の典型金属元素及び前記５価の遷移元素と、から成る合金をターゲットとして、基板上に請求項１〜５いずれか一項に記載の圧電膜を形成する、圧電膜製造方法。
【請求項８】
ガリウムから成るターゲットと、前記２価の典型金属元素から成るターゲットと、前記４価の遷移元素又は前記５価の遷移元素から成るターゲットと、を用いて基板上に請求項１〜５いずれか一項に記載の圧電膜を形成する、圧電膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電膜及びその製造方法並びに圧電膜を用いた圧電部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電効果、逆圧電効果を有する圧電体を利用するデバイスは幅広い分野において用いられており、省電力化が求められる通信機器等においてその使用が拡大している。その一例としてＭＥＭＳデバイス等を挙げることができる。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイス等に用いられる圧電体の材料としてはＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等を挙げることができる。この中でも特にＧａＮは、ＬＥＤの材料として広く利用されているため、その製造プロセスが確立されており、製造コストを低減することができる。また、ＧａＮ圧電体は非特許文献１の通り、Ｑ値の特性が良好であることが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Mina Rais-Zadeh, Senior Member, IEEE, Vikrant Jayant Gokhale, Student Member, IEEE, Azadeh Ansari, Student Member, IEEE, Marc Faucher, Didier Theron, Member, IEEE, Yvon Cordier, and Lionel Buchaillot, Member, IEEE, "Gallium Nitride as an Electromechanical Material", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 23, NO. 6, DECEMBER 2014, p.1252-1271
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載されているような従来のＧａＮ圧電膜は、十分な圧電性が得られていない。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＧａＮ圧電膜において、圧電性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る圧電膜は、ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電膜であって、窒化ガリウム結晶は、２価の典型金属元素と４価の遷移元素、又は２価の典型金属元素と５価の遷移元素を含み、窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が前記元素に置換された構造を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＧａＮ圧電膜において、圧電性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜を備える圧電デバイスの構造を概略的に示す平面図である。
【図２】図１のＡＡ´線に沿った断面の模式図である。
【図３Ａ】検証１の結果を示すグラフである。
【図３Ｂ】検証１の結果を示すグラフである。
【図４Ａ】検証２の結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】検証２の結果を示すグラフである。
【図５Ａ】検証３の結果を示すグラフである。
【図５Ｂ】検証３の結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜を備える圧電デバイスの構造を概略的に示す平面図である。
【図７】図６のＣＣ´線に沿った断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１実施形態］
（１．圧電デバイスの構成）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電デバイス１０（圧電部品の一例である。）の一例を概略的に示す平面図である。圧電デバイス１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子であり、図１の直交座標系におけるＸＹ平面内で面内振動する。なお、本発明に係る圧電膜が用いられるのは面内振動するＭＥＭＳ振動子に限定されず、厚み縦振動子等に用いられても良い。
【００１１】
図１に示すように、圧電デバイス１０は、振動部１２０と、保持部１４０と、保持腕１１０を備えている。
【００１２】
振動部１２０は、ＸＹ平面に沿って平面状に広がる矩形形状の輪郭を有している。振動部１２０は、保持部１４０と所定の隙間を隔てて、保持部１４０の内側に設けられている。すなわち、振動部１２０と保持部１４０との間には、所定の間隔で空間が形成されている。
【００１３】
保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外縁を囲むように、矩形の枠状に形成される。例えば、保持部１４０は、角柱形状の枠体から一体に形成されている。なお、保持部１４０は、振動部１２０の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、枠状の形状に限定されない。
【００１４】
保持腕１１０は、振動部１２０と保持部１４０との間に設けられ、振動部１２０と保持部１４０とを接続する。
【００１５】
（２．振動部の積層構造）
次に、図２を用いて本実施形態に係る振動部１２０の積層構造について説明する。図２は、図１のＡＡ´断面図である。
【００１６】
本実施形態において、振動部１２０は、基板Ｆ１上に、下部電極Ｅ１、圧電薄膜Ｆ２（圧電膜の一例である。）及び上部電極Ｅ２が積層された構造を有する。
【００１７】
基板Ｆ１は、酸化シリコン層Ｆ１１と、シリコン（Ｓｉ）層Ｆ１２とから成る。酸化シリコン層Ｆ１１は、例えば厚さ４００ｎｍ程度のＳｉＯ2の層である。また、シリコン層Ｆ１２は、例えば、厚さが１０μｍ程度であり、抵抗率が１ｍΩ・ｃｍ（濃度７×１０19／ｃｍ3）程度である縮退したｎ型Ｓｉから形成されている。シリコン層Ｆ１２は、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などを含むことができる。
【００１８】
下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２は、例えばＭｏ（モリブデン）やＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（金）等の金属材料を用いて形成される。下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２の厚さは例えば１００ｎｍ程度である。
【００１９】
なお、シリコン層Ｆ１２と下部電極Ｅ１との間には、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成る２０ｎｍ程度のシード層を設けてもよい。
【００２０】
圧電薄膜Ｆ２は、印加された電圧を振動に変換する圧電性を有する薄膜である。圧電薄膜Ｆ２の厚さは例えば１０００ｎｍ程度である。圧電薄膜Ｆ２は、下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２によって圧電薄膜Ｆ２に印加される電界に応じて、ＸＹ平面の面内方向に伸縮する。この圧電薄膜Ｆ２の伸縮によって、振動部１２０は、Ｙ軸方向に輪郭振動する。
【００２１】
圧電薄膜Ｆ２の構造について説明する。圧電薄膜Ｆ２は、ウルツ鉱構造を有するＧａＮ（窒化ガリウム）結晶からなる。圧電薄膜Ｆ２を構成するＧａＮ結晶は、ＧａＮ結晶中における一部のＧａ原子が所定の原子（以下、「置換原子」とも呼ぶ。また、置換原子の元素を「置換元素」とも呼ぶ。）に置換された構造を有する。
【００２２】
本実施形態において、置換元素は、（１）２価の典型金属元素及び４価の遷移元素、又は（２）２価の典型金属元素及び５価の遷移元素、を含む。２価の典型金属元素は、２族又は１２族の元素であり、具体的には、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｚｎ（亜鉛）のうちの少なくともいずれかである。また、４価の遷移元素は、４族の元素であり、具体的には、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）のうちの少なくともいずれかである。また、５価の遷移元素は、５族の元素であり、具体的にはＴａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）のうちの少なくともいずれかである。
【００２３】
また、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、Ｇａ原子の数と置換原子の数との総量に対する、置換原子の数の割合（以下、「置換原子の割合」とも呼ぶ。）が所定の値に設定される。これにより、良好な圧電性を有する圧電薄膜を得ることができる。
【００２４】
置換元素が（１）２価の典型金属元素及び４価の遷移元素である場合、置換原子の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましい。これにより、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができ、圧電性が向上する。なお、置換原子の総量における２価の典型金属元素と４価の遷移元素の原子数の割合は１：１であることが好ましい。
【００２５】
また、置換元素が（２）２価の典型金属元素及び５価の遷移元素である場合、圧電薄膜Ｆ２における置換原子の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができ、圧電性が向上する。なお、置換原子の総量における２価の典型金属元素と５価の遷移元素の原子数の割合は２：１であることが好ましい。
【００２６】
（３．成膜方法）
次に、圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって基板Ｆ１上に成膜される。スパッタ法は、例えば、Ｇａの単体金属、及び置換元素の単体金属のそれぞれをターゲットに用いる多元スパッタリング、又は、Ｇａ金属と置換元素の金属との合金をターゲットとして用いる１元スパッタリングを用いることができる。
【００２７】
（３−１．多元スパッタリング）
多元スパッタリングによって圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合、ターゲットにはＧａの単体金属、及び置換元素の単体金属（即ち（１）２価の典型金属元素の単体金属及び４価の遷移元素の単体金属、又は（２）２価の典型金属元素の単体金属及び５価の遷移元素の単体金属）を用いる。
【００２８】
スパッタリング装置の真空チャンバ内には、Ａｒ（アルゴン）ガスと窒素ガスを混合したガスが導入される。Ａｒガスは、ターゲットをスパッタするための不活性ガスであり、窒素ガスは、圧電薄膜Ｆ２を構成する窒素原子の供給源である。圧電薄膜Ｆ２における、置換原子の割合は、ターゲットに供給する電力を調整することによって、調整することができる。
【００２９】
上述の通りスパッタリングを行うことによって、圧電薄膜Ｆ２が基板Ｆ１上に形成される。
【００３０】
（３−２．１元スパッタリング）
１元スパッタリングによって圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合、ターゲットにはＧａ金属と置換元素の金属との合金（即ち（１）Ｇａ金属、２価の典型金属元素の単体金属及び４価の遷移元素の単体金属の合金、又は（２）Ｇａ金属、２価の典型金属元素の単体金属及び５価の遷移元素の単体金属の合金）を用いる。この場合、６インチや８インチのような大型ウエハに対しても、均一な膜厚分布と圧電性分布で成膜することができる。
【００３１】
形成する圧電薄膜Ｆ２における置換原子の割合は、ターゲットとする合金における組成比を調整することによって、調整することができる。
【００３２】
１元スパッタリングにおいても、スパッタリング装置の真空チャンバ内には、上述の混合ガスが導入される。
【００３３】
上述の通りスパッタリングを行うことによって、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２が基板Ｆ１上に形成される。
【００３４】
（４．検証例）
ＧａＮ結晶におけるＧａ原子を置換原子で置換することによる効果をシミュレーションにより検証した。
【００３５】
（４−１．検証１  弾性定数）
図３Ａ，３Ｂは置換原子の割合と圧電薄膜Ｆ２の弾性定数（ｃ３３）との関係を示す図である。図３Ａ，３Ｂのいずれのグラフでも縦軸は弾性定数を示し、横軸は置換原子の割合を示している。
【００３６】
シミュレーションは密度汎関数理論に基づく第１原理計算によって行った。計算プログラムはＶＡＳＰ ｖｅｒ．５．３．５を用い、基底関数は５００ｅＶのカットオフエネルギーを持つ平面波を用いた。電子相関・交換エネルギーの計算方法としては一般化勾配近似を用い、原子ポテンシャルはＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ  ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  ｗａｖｅ）法に基づく原子ポテンシャルを用いた。ｋ点サンプリングメッシュとしては６×６×４を用い、計算モデルはウルツ鉱型結晶構造ＧａＮを、ａ,ｂ,ｃ方向にそれぞれ２倍に拡張したスーパーセルを用いた。圧電定数、比誘電率および弾性定数の計算方法としては密度汎関数摂動理論および有限差分法を用いた。
【００３７】
図３Ａの検証では、置換元素として２価の典型金属元素、及び４価の遷移元素を用いてシミュレーションを行った。より具体的には、２価の典型金属元素としてＺｎとＭｇを、４価の遷移元素としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆを用いた場合のすべての組み合わせについて、シミュレーションを行った。図３Ａの各グラフにおける、置換元素の組み合わせは以下のとおりである。なお、図３Ａには比較例として、圧電薄膜としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いて、Ａｌ原子をＳｃ原子で置換した場合の検証結果（比較例１）と、ＧａＮにおけるＧａ原子をＬｕ（ルテチウム）で置換した場合の検証結果（比較例２）とを合わせて示している。
【００３８】
プロットを白い丸で示したグラフ    Ｔｉ−Ｍｇ
プロットを白い三角で示したグラフ  Ｚｒ−Ｍｇ
プロットを四角で示したグラフ      Ｈｆ−Ｍｇ
プロットを十字で示したグラフ      Ｔｉ−Ｚｎ
プロットを×印で示したグラフ      Ｚｒ−Ｚｎ
プロットを米印で示したグラフ      Ｈｆ−Ｚｎ
プロットを黒い丸で示したグラフ    Ｓｃ−ＡｌＮ（比較例１）
プロットを黒い三角で示したグラフ  Ｌｕ−ＧａＮ（比較例２）
【００３９】
図３Ａから明らかなように、圧電薄膜Ｆ２の弾性定数は、置換原子の割合が０から増加するに従い漸減している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が２価の典型金属元素及び４価の遷移元素に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の弾性定数が減少することがわかる。この傾向は、高い圧電性を有する比較例１、比較例２で用いた膜においても同様である。
【００４０】
このように図３Ａの検証結果から、置換原子の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましいことが分かる。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、弾性定数を減少させることができる。
【００４１】
他方で、図３Ｂの検証では、置換元素として２価の典型金属元素、及び５価の遷移元素を用いてシミュレーションを行った。より具体的には、２価の典型金属元素としてＺｎとＭｇを、５価の遷移元素としてＶ、Ｎｂ、Ｔａを用いた場合のすべての組み合わせについてシミュレーションを行った。各グラフにおける組み合わせは以下のとおりである。なお、図３Ｂには、比較例として、圧電薄膜としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いて、Ａｌ原子をＳｃ原子で置換した場合の検証結果（比較例１）と、ＧａＮにおけるＧａ原子をＬｕ（ルテチウム）で置換した場合の検証結果（比較例２）とを合わせて示している。
【００４２】
プロットを白い丸で示したグラフ    Ｖ−２Ｍｇ
プロットを白い三角で示したグラフ  Ｎｂ−２Ｍｇ
プロットを四角で示したグラフ      Ｔａ−２Ｍｇ
プロットを十字で示したグラフ      Ｖ−２Ｚｎ
プロットを×印で示したグラフ      Ｎｂ−２Ｚｎ
プロットを米印で示したグラフ      Ｔａ−２Ｚｎ
プロットを黒い丸で示したグラフ    Ｓｃ−Ａｌｎ（比較例１）
プロットを黒い三角で示したグラフ  Ｌｕ−Ｇａｎ（比較例２）
【００４３】
図３Ｂから明らかなように、圧電薄膜Ｆ２の弾性定数は、置換原子の割合が０から増加するに従い漸減している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が２価の典型金属元素及び５価の遷移元素に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の弾性定数が減少することがわかる。この傾向は、高い圧電性を有する比較例１、比較例２で用いた膜においても同様である。
【００４４】
このように図３Ｂの検証結果から、置換原子の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましいことが分かる。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、弾性定数を減少させることができる。
【００４５】
（４−２．検証２  圧電定数）
図４Ａ、４Ｂは、置換原子の割合と圧電薄膜Ｆ２の圧電定数（ｄ３３）との関係を示す図である。図４Ａ，４Ｂのいずれにおいても、縦軸は圧電薄膜Ｆ２の圧電定数を示し、横軸は置換原子の割合を示している。なお、シミュレーションは上述の検証１と同様の密度汎関数理論に基づく第１原理計算によって行った。
【００４６】
図４Ａの検証では、置換元素として２価の典型金属元素、及び４価の遷移元素を用いてシミュレーションを行った。より具体的には、２価の典型金属元素としてＺｎとＭｇを、４価の遷移元素としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆを用いた場合のすべての組み合わせについてシミュレーションを行った。各グラフにおける組み合わせは以下のとおりである。なお、図４Ａには比較例として、圧電薄膜としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いて、Ａｌ原子をＳｃ原子で置換した場合の検証結果（比較例１）と、ＧａＮにおけるＧａ原子をＬｕ（ルテチウム）で置換した場合の検証結果（比較例２）とを合わせて示している。
【００４７】
プロットを白い丸で示したグラフ    Ｔｉ−Ｍｇ
プロットを白い三角で示したグラフ  Ｚｒ−Ｍｇ
プロットを四角で示したグラフ      Ｈｆ−Ｍｇ
プロットを十字で示したグラフ      Ｔｉ−Ｚｎ
プロットを×印で示したグラフ      Ｚｒ−Ｚｎ
プロットを米印で示したグラフ      Ｈｆ−Ｚｎ
プロットを黒い丸で示したグラフ    Ｓｃ−Ａｌｎ（比較例１）
プロットを黒い三角で示したグラフ  Ｌｕ−Ｇａｎ（比較例２）
【００４８】
図４Ａから明らかなように、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数は、置換原子の割合が０から増加するに従い漸増している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が２価の典型金属元素及び４価の遷移元素に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数が向上することがわかる。特に、置換元素としてＭｇとＺｒを用いた場合や、ＭｇとＨｆを用いた場合には、置換元素を４０％以上の高濃度までドープすることで、圧電薄膜Ｆ２に、比較例１のＳｃＡｌＮ膜に匹敵する程の高い圧電性を獲得させることができることが分かる。
【００４９】
このように図４Ａの結果から、置換原子が２価の典型金属元素及び４価の遷移元素である場合、置換原子の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましいことが分かる。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。
【００５０】
他方で、図４Ｂの検証では、置換元素として２価の典型金属元素、及び５価の遷移元素を用いてシミュレーションを行った。図３Ｂの例では、２価の典型金属元素としてＺｎとＭｇを、５価の遷移元素としてＶ、Ｎｂ、Ｔａを用いた場合のすべての組み合わせについてシミュレーション結果を示している。各グラフにおける組み合わせは以下のとおりである。
プロットを白い丸で示したグラフ    Ｖ−２Ｍｇ
プロットを白い三角で示したグラフ  Ｎｂ−２Ｍｇ
プロットを四角で示したグラフ      Ｔａ−２Ｍｇ
プロットを十字で示したグラフ      Ｖ−２Ｚｎ
プロットを×印で示したグラフ      Ｎｂ−２Ｚｎ
プロットを米印で示したグラフ      Ｔａ−２Ｚｎ
プロットを黒い丸で示したグラフ    Ｓｃ−Ａｌｎ（比較例１）
プロットを黒い三角で示したグラフ  Ｌｕ−Ｇａｎ（比較例２）
【００５１】
図４Ｂから明らかなように、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数は、置換原子の割合が０から増加するに従い漸増している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が２価の典型金属元素及び５価の遷移元素に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数が向上することがわかる。
【００５２】
このように図４Ｂの結果から、置換原子が２価の典型金属元素及び５価の遷移元素である場合、置換原子の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましいことが分かる。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。
【００５３】
（４−３．検証３  置換態様）
検証３では、スパッタリングによってＧａＮ結晶中のＧａ原子が置換された場合におけるａ軸の格子定数、及びｃ軸の格子定数の変化を示した。図５Ａ、５Ｂは検証２の結果を示すグラフである。図５Ａ、５Ｂは、ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率における変化を示すグラフである。図４Ａ、４Ｂにおいて、各グラフの縦軸はａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率を示し、横軸は置換原子の割合している。
【００５４】
図５Ａの検証では、置換元素として２価の典型金属元素、及び４価の遷移元素を用いてシミュレーションを行った。より具体的には、２価の典型金属元素としてＺｎとＭｇを、４価の遷移元素としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆを用いた場合のすべての組み合わせについてシミュレーションを行った。各グラフにおける組み合わせは以下のとおりである。なお、図５Ａには比較例として、圧電薄膜としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いて、Ａｌ原子をＳｃ原子で置換した場合の検証結果（比較例１）と、ＧａＮにおけるＧａ原子をＬｕ（ルテチウム）で置換した場合の検証結果（比較例２）とを合わせて示している。
【００５５】
プロットを白い丸で示したグラフ    Ｔｉ−Ｍｇ
プロットを白い三角で示したグラフ  Ｚｒ−Ｍｇ
プロットを四角で示したグラフ      Ｈｆ−Ｍｇ
プロットを十字で示したグラフ      Ｔｉ−Ｚｎ
プロットを×印で示したグラフ      Ｚｒ−Ｚｎ
プロットを米印で示したグラフ      Ｈｆ−Ｚｎ
プロットを黒い丸で示したグラフ    Ｓｃ−Ａｌｎ（比較例１）
プロットを黒い三角で示したグラフ  Ｌｕ−Ｇａｎ（比較例２）
【００５６】
図５Ａに示すように、ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率は、置換原子の割合が増加するに従い漸減している。
【００５７】
他方で、図５Ｂの検証では、置換元素として２価の典型金属元素、及び５価の遷移元素を用いてシミュレーションを行った。より具体的には、２価の典型金属元素としてＺｎとＭｇを、５価の遷移元素としてＶ、Ｎｂ、Ｔａを用いた場合のすべての組み合わせについてシミュレーションを行った。各グラフにおける組み合わせは以下のとおりである。なお、図５Ｂには比較例として、圧電薄膜としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用いて、Ａｌ原子をＳｃ原子で置換した場合の検証結果（比較例１）と、ＧａＮにおけるＧａ原子をＬｕ（ルテチウム）で置換した場合の検証結果（比較例２）とを合わせて示している。
【００５８】
プロットを白い丸で示したグラフ    Ｖ−２Ｍｇ
プロットを白い三角で示したグラフ  Ｎｂ−２Ｍｇ
プロットを四角で示したグラフ      Ｔａ−２Ｍｇ
プロットを十字で示したグラフ      Ｖ−２Ｚｎ
プロットを×印で示したグラフ      Ｎｂ−２Ｚｎ
プロットを米印で示したグラフ      Ｔａ−２Ｚｎ
プロットを黒い丸で示したグラフ    Ｓｃ−Ａｌｎ（比較例１）
プロットを黒い三角で示したグラフ  Ｌｕ−Ｇａｎ（比較例２）
【００５９】
図５Ｂに示すように、ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率は、置換原子の割合が増加するに従い漸減している。
【００６０】
以上のように、検証３の結果から、置換原子の割合が増加するに従い、ａ軸の格子定数が長くなり、ｃ軸の格子定数は一定の割合まで長くなり、一定の割合から減少することが分かる。即ち、Ｇａ原子が置換原子に置換されることによって、ＧａＮ結晶の外部電場に対する分極応答性が上がり、弾性率が下がる。Ｇａ原子および置換された原子が動きやすい結晶構造に変化するといえる。この結果、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａＮ結晶において、Ｇａ原子が置換原子に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数が向上する。
【００６１】
［第２実施形態］
第２実施形態以降では第１実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
【００６２】
図６は、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２を用いて形成された圧電デバイス２０の外観を示す図である。圧電デバイス２０は、音圧を電気信号に変換するＭＥＭＳマイクを構成するためのデバイスであり、振動板２１０、支持部２１１、及び圧電部２１２を含んでいる。また、圧電デバイス２０は、例えば１μｍ以下程度の微小なスリット２１３によって２分割されている。
【００６３】
振動板２１０は、音圧により振動する薄膜であり、シリコン（Ｓｉ）により形成される。振動板２１０は、略方形の形状を有しており、対向する１組の辺２１４，２１５の下部が、支持部２１１によって支持される。即ち、振動板２１０は、両持ち梁構造となっている。振動板２１０を形成するＳｉは、抵抗率１．５ｍΩ・ｃｍ以下の縮退したｎ型Ｓｉ半導体であり、後述するように、圧電部２１２の下部電極としての機能を有する。
【００６４】
圧電部２１２は、振動板２１０上における、支持部２１１によって支持された部分に沿って配設される。なお、図６に示す構成では、振動板２１０上に４つの圧電部２１２が配設されているが、圧電部２１２の数はこれに限られない。また、図６に示す構成では、圧電部２１２は、端部が辺２１４または辺２１５の上に配設されているが、端部が辺２１４または辺２１５から離れて配設されてもよい。
【００６５】
図７は、図６に示すＣＣ´線における、圧電デバイス２０の断面図である。支持部２１１は、基体２２０及び絶縁層２２１を含んでいる。
【００６６】
基体２２０は、例えば、厚さ４００ｎｍ程度のシリコン（Ｓｉ）により形成される。また、絶縁層２２１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）により形成される。このように形成される支持部２１１の上に、振動板２１０が形成される。
【００６７】
振動板２１０上における、支持部２１１によって支持された部分に沿って配設された圧電部２１２は、圧電薄膜Ｆ２、上部電極Ｅ２、配線２２２，２２３を含んでいる。
【００６８】
本実施形態において圧電薄膜Ｆ２は、振動板２１０の振動に伴って振動するように振動板２１０上に配設される。本実施形態における圧電薄膜Ｆ２の厚さは、５００ｎｍ程度である。
【００６９】
振動板２１０の中央から支持部２１１までの距離（Ｃ）に対する、圧電薄膜Ｆ２の振動部分の幅（Ｄ）の割合は、例えば４０％程度とすることができる。例えば、距離Ｃを３００μｍ程度、幅Ｄを１２０μｍ程度とすることができる。
【００７０】
圧電薄膜Ｆ２の上側には、上部電極Ｅ２が配設される。上部電極Ｅ２は、本実施形態では、５０ｎｍ程度の厚さのＡｌ（アルミニウム）とすることができる。また、上部電極Ｅ２は、引張応力を有する構造とすることができる。上部電極Ｅ２に引張応力を持たせることにより、圧電部２１２における応力が補正され、振動板２１０の変形を抑制することができる。
【００７１】
配線２２２は、上部電極Ｅ２と電気的に接続される。また、配線２２３は、下部電極（振動板２１０）と電気的に接続される。配線２２２，２２３は、例えば、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いて形成される。配線２２２、２２３の厚さは７００ｎｍ程度である。
【００７２】
以上に説明した構成の圧電デバイス２０おいては、音圧による振動板２１０の振動に伴って、圧電薄膜Ｆ２が振動する。そして、圧電薄膜Ｆ２の振動に応じた電圧が圧電部２１２の配線２２２，２２３を介して出力される。
【００７３】
以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電膜であって、窒化ガリウム結晶は、２価の典型金属元素と４価の遷移元素、又は２価の典型金属元素と５価の遷移元素を含み、窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が、２価の典型金属元素と４価の遷移元素、又は２価の典型金属元素と５価の遷移元素に置換された構造を有する。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電性を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができ、圧電性が向上する。
【００７４】
また、２価の典型金属元素は、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、及びストロンチウムのうち少なくともいずれかを含むことが好ましい。また、４価の遷移元素は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムのうち少なくともいずれかを含むことが好ましい。また、５価の遷移元素は、タンタル、ニオブ、及びバナジウムのうち少なくともいずれかを含むことが好ましい。さらに、圧電膜におけるガリウム原子の数と、２価の典型金属元素及び４価の遷移元素の原子数、又は２価の典型金属元素及び５価の遷移元素の原子数との総量に対する、２価の典型金属元素及び４価の遷移元素の原子数、又は２価の典型金属元素及び５価の遷移元素の原子数の割合は、０ａｔ％より大きく７５ａｔ％以下であることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電性を向上させることができる。
【００７５】
また、本発明の一実施形態に係る圧電膜製造方法は、ガリウムと、２価の典型金属元素及び４価の遷移元素、又は２価の典型金属元素及び前記５価の遷移元素と、から成る合金をターゲットとして、基板上に上述の圧電薄膜Ｆ２を形成することが好ましい。また、ガリウムから成るターゲットと、２価の典型金属元素から成るターゲットと、４価の遷移元素又は５価の遷移元素から成るターゲットと、を用いて基板上に上述の圧電薄膜Ｆ２を形成することも好ましい。この場合、良好な圧電性を有する圧電薄膜Ｆ２を形成することができる。
【００７６】
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７７】
１０，２０        圧電デバイス
Ｆ１              基板
Ｆ２              圧電薄膜
Ｅ１              下部電極
Ｅ２              上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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