(57)【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、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれかを含み、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３価の遷移金属元素に置換された構造を有し、
前記圧電膜は、
ａ軸長に対するｃ軸長の比が１．５４以上１．６４以下である、
圧電膜。
【請求項２】
前記３価の遷移金属元素はルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムのうち少なくともいずれか１つを含む、請求項１に記載の圧電膜。
【請求項３】
前記圧電膜は、
ハフニウムを主成分とする金属膜上に形成された、
請求項１又は２に記載の圧電膜。
【請求項４】
前記圧電膜におけるガリウム原子の数と、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数との総量に対する、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さい、請求項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、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数との総量に対する、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数の割合は、３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい、請求項４に記載の圧電膜。
【請求項６】
請求項１〜５いず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３価の遷移金属元素の少なくともいずれか１つと、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３価の遷移金属元素の少なくともいずれか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。
【請求項９】
前記３価の遷移金属元素の少なくともいずれかから成るターゲットにおける含有酸素量が５０００ｗｔｐｐｍ以下である、請求項７又は８に記載の圧電膜製造方法。
【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。【０００４】
さらに、ＧａＮやＡｌＮなどの圧電膜に様々な元素を添加することにより圧電定数を向上される研究が行われている。特に非特許文献２には、スパッタリングによってＧａＮ圧電膜にＹｂ（イッテルビウム）を添加することによって、ＧａＮ圧電膜の圧電性が向上することが開示されており、非特許文献３にはＡｌＮ圧電膜にＳｃ（スカンジウム）を添加することによりＡｌＮ圧電膜の圧電定数が向上することが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【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
【非特許文献２】Takahiko Yanagitani and  Masashi Suzuki, “Enhanced piezoelectricity in YbGaN films near phase boundary”, APPLIED PHYSICS LETTERS 105, 122907 (2014)
【非特許文献３】Akihiko Teshigahara, Ken-ya Hashimoto, and Morito Akiyama, “Scandium aluminum nitride: Highly piezoelectric thin film for RF SAW devices in multi GHz range”, Ultrasonics Symposium (IUS), 2012 IEEE International
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１乃至３に記載されているような従来の研究では、圧電定数が向上するメカニズムが解明されておらず、圧電膜に添加する元素も限定的なものであった。さらに、従来の研究ではＧａＮ圧電膜は、十分な圧電性が得られておらず、改善の余地があった。【０００７】
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、圧電定数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】
【０００８】
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、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれかを含み、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３価の遷移金属元素に置換された構造を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＧａＮ圧電膜において、圧電定数を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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３】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４Ｃ】検証２の結果を示すグラフである。
【図５】実験条件および評価結果を示す表である。
【図６Ａ】ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率と圧電定数ｄ３３の関係を示したグラフである。
【図６Ｂ】置換元素がＬｕである場合に、下部電極をＨｆにした場合の効果を示したグラフである。
【図６Ｃ】置換元素がＹである場合に、下部電極をＨｆにした場合の効果を示したグラフである。
【図６Ｄ】置換元素がＤｙである場合に、下部電極をＨｆにした場合の効果を示したグラフである。
【図６Ｅ】置換元素がＳｃである場合に、下部電極をＨｆにした場合の効果を示したグラフである。
【図６Ｆ】ターゲット中含有酸素量と圧電定数ｄ３３の関係を示したグラフである。
【図７】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８】図７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】
【００１１】
［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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
基板Ｆ１は、酸化Ｓｉ（シリコン）層Ｆ１１と、Ｓｉ層Ｆ１２とから成る。酸化Ｓｉ層Ｆ１１は、例えば厚さ４００ｎｍ程度のＳｉＯ２の層である。また、Ｓｉ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。Ｓｉ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。
【００１９】
下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２は、例えばＴｉ(チタン)、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（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。なお、下部電極Ｅ１にHfを用いることでより圧電性を向上させることができるので、好ましい。この場合、下部電極Ｅ１のＨｆはＴｉ、Ａｌ、Ａｕといった別の金属膜の上に形成してもよい。これによって、比抵抗が低いので配線抵抗を減らすことができる。
【００２０】
なお、Ｓｉ層Ｆ１２と下部電極Ｅ１との間には、例えば、Ｔｉ(チタン)や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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。本実施形態において、置換元素は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つ以上を含む。例えば、置換元素は、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）及びＳｃ（スカンジウム）の少なくともいずれかである。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。
【００２３】
置換原子がＬｕ原子である場合、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａ原子の数と、Ｌｕ原子の数との総量に対する、Ｌｕ原子の数の割合（以下、「Ｌｕ原子の割合」とも呼ぶ。）は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは４０ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。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る。
【００２４】
また、置換原子がＹ原子である場合、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａ原子の数と、Ｙ原子の数との総量に対する、Ｙ原子の数の割合（以下、「Ｙ原子の割合）とも呼ぶ。）は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。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る。
【００２５】
さらに、置換原子がＤｙ原子である場合、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａ原子の数と、Ｄｙ原子の数との総量に対する、Ｄｙ原子の数の割合（以下、「Ｄｙ原子の割合」とも呼ぶ。）は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。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る。
【００２６】
即ち、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の組成比がＬｕＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）である場合には、圧電定数を向上させることができる。なお、圧電薄膜Ｆ２の組成比のより好適な範囲は、ＬｕＸＧａ１−ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１−ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１−ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）である。
【００２７】
詳細については後述するが、圧電薄膜Ｆ２に置換原子をドープすることによって、ｃ軸の格子定数が長くなり、これにより圧電定数が向上する。本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、さらに、ａ軸長に対するｃ軸長の比ｃ／ａが、１．５４程度以上１．６４程度以下の範囲に設定されていることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２において、より圧電定数を向上させることができる。
【００２８】
ＧａはＡｌよりもイオン半径が大きい。したがって、圧電定数Ｆ２にＧａＮを用いることで、添加する元素の候補を増やすことができる。さらに、ＧａＮに置換元素をドープする場合には、例えばＡｌＮにＳｃをドープする場合よりもｃ／ａの変化率が小さいため、ドープによる圧電定数ｄ３３の変動がなだらかになる。このため、圧電薄膜Ｆ２にＧａＮを用いた方が、所望の圧電定数ｄ３３を得やすくなる。
【００２９】
（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２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。
【００３０】
（３−１．２元スパッタリング）
２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、またはＧａＮ焼結体及び置換元素の窒化物の焼結体を用いる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
（４．検証例）
（４−１．検証１  置換原子の割合と圧電定数の関係）
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。図３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３では、置換元素としてＬｕ、Ｙ、Ｄｙを用いてシミュレーションを行った。図３において、横軸は、置換元素がＬｕ，Ｙ，Ｄｙそれぞれの場合における、置換原子の割合を示している。また、縦軸は、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数を示している。
【００３８】
シミュレーションは密度汎関数理論に基づく第１原理計算を行った。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。
【００３９】
また、図３において、丸形で測定点を示すグラフは置換元素にＬｕを用いたＬｕＸＧａ１−ＸＮの結果を示し、四角形で測定点を示すグラフは置換元素にＹを用いたＹＸＧａ１−ＸＮの結果を示し、三角形で測定点を示すグラフは置換元素にＤｙを用いたＤｙＸＧａ１−ＸＮの結果を示している。
【００４０】
図３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原子が置換原子（Ｌｕ原子，Ｙ原子、Ｄｙ原子の少なくともいずれか）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。さらに図３のグラフから、ＬｕＸＧａ１−ＸＮ、ＹＸＧａ１−ＸＮ、及びＤｙＸＧａ１−ＸＮのいずれの場合においても０．３７５≦Ｘ＜０．５の場合に、圧電定数の上昇率が大きい。
【００４１】
図３の結果から、置換原子がＬｕ原子である場合、Ｌｕ原子の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。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る。さらに、図３のグラフから、この効果は置換原子がＬｕ原子の場合に、Ｙ原子、Ｄｙ原子の場合と比較して、より顕著である。これは、Ｌｕ原子のイオン半径がＧａ原子のイオン半径に、Ｙ原子やＤｙ原子に比べて近いためであると考えられる。
【００４２】
また、置換原子がＹ原子である場合、Ｙ原子の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。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る。
【００４３】
さらに、置換原子がＤｙ原子である場合、Ｄｙ原子の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。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る。
【００４４】
即ち、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の組成比がＬｕＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）である場合には、圧電定数を向上させることができ、より好適には、ＬｕＸＧａ１−ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１−ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１−ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）である。
【００４５】
（４−２．検証２  置換態様）
検証２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４Ａ〜４Ｃは検証２の結果を示すグラフである。図４Ａはａ軸の格子定数の変化を示すグラフであり、図４Ｂはｃ軸の格子定数の変化を示すグラフである。また、図４Ｃ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〜４Ｃにおいて、各グラフの横軸は、置換元素がＬｕ，Ｙ，Ｄｙそれぞれの場合における、置換原子の割合している。また、各グラフの縦軸は、図４Ａにおいてはａ軸の格子定数を示し、図４Ｂにおいてはｃ軸の格子定数を示し、図４Ｃにおいてはａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率を示している。
【００４６】
また、図４において、丸形で測定点を示すグラフは置換元素にＬｕを用いたＬｕＸＧａ１−ＸＮの結果を示し、四角形で測定点を示すグラフは置換元素にＹを用いたＹＸＧａ１−ＸＮの結果を示し、三角形で測定点を示すグラフは置換元素にＤｙを用いたＤｙＸＧａ１−ＸＮの結果を示している。
【００４７】
図４Ａに示すように、圧電薄膜Ｆ２のａ軸の格子定数は、置換原子の割合を０から増加させるに従い漸増している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が置換原子（Ｌｕ原子，Ｙ原子、Ｄｙ原子の少なくともいずれか）に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２はａ軸が長くなることがわかる。他方で、図４Ｂに示すように、圧電薄膜Ｆ２のｃ軸の格子定数は、置換原子の割合を０から増加させると一定の割合まで長くなり、一定の割合から短くなる。また、図４Ｃ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。
【００４８】
以上のように、検証２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。
【００４９】
また、図３および図４Ｃの関係からc／aが小さくなるに従い、圧電定数が漸増していることがわかる。ここで、図４Ｂより、Ｌｕ，Ｙ，Ｄｙ元素の割合が０．２５at％以上の場合、ｃ軸の格子定数が漸減へと転じている。一方でa軸の格子定数はほぼ一定割合で増加している。よって、置換原子の割合が０．２５at％以上のときc／aの値の減少率が大きくなっていることがわかる。
【００５０】
（４−３．検証３  ａ軸長に対するｃ軸長の比ｃ／ａと圧電定数の関係）
次に、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実験により検証した結果について説明する。この実験においては、置換元素は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つであることが好ましく、より好ましくは、置換元素は、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、及びＳｃ（スカンジウム）の少なくともいずれか１つである。なお、置換元素は、１種類に限定されるものではなく、例示した複数の種類の元素であってもよい。図５を参照し、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の効果について検証した実験結果について説明する。検証にあたって、比較例及び実験例それぞれについて圧電薄膜Ｆ２を形成し、形成した圧電薄膜Ｆ２における圧電性と置換原子の割合（ａｔ％）を測定した。
【００５１】
検証に用いた圧電薄膜Ｆ２は、下部電極Ｅ１としてＨｆ、又はＴｉを用いており、当該下部電極Ｅ１上に、Ｇａの単体金属ターゲットと置換元素の単体金属ターゲットとの２元スパッタリングによって形成した。スパッタリングにあたっては、いずれの検証でも製膜温度を４００度、スパッタ圧力を０．２５Ｐａとした。また、Ｇａのターゲットに与える電力を１００Ｗとし、置換元素のターゲットに与える電力は、ドープさせる置換元素の割合に応じて調整した。また、比較例１、実験例１乃至実験例５、実験例６Ａ、６Ｂ乃至実験例３１Ａ，３１Ｂでは、ターゲット中の酸素量を１０００ｐｐｍとし、実験例３２乃至実験例３５では、酸素量を変化させて検証を行った。
【００５２】
比較例１では、下部電極Ｅ１にＴｉを用いて、ＧａＮ原子に置換原子の添加を行わなかった。このときの圧電薄膜Ｆ２の圧電定数ｄ３３（１．４）を基準として、種々の条件が圧電定数に与える影響について、実験例１以降では検証を行った。
【００５３】
まず、実験例１乃至実験例５では、下部電極Ｅ１にＴｉを用いて、ＧａＮに３価の遷移金属原子をドープすることの効果の検証を行った。置換原子として、実験例１ではＬａ（ランタン）を用いており、実験例２ではＬｕ（ルテチウム）を用いており、実験例３ではＹ（イットリウム）を用いており、実験例４ではＤｙ（ジスプロシウム）を用いている。いずれの実験でもｃ／ａは１．６前後になるように置換原子の割合の調整を行った。比較例１と実験例１乃至５の結果から、ＧａＮに３価の遷移金属原子をドープすることにより、圧電定数ｄ３３が向上することが分かる。
【００５４】
次に、実験例６乃至３１では、ｃ／ａを種々の範囲に変更して、ｃ／ａの値が圧電定数ｄ３３に与える影響について検証を行った。また、このとき下部電極Ｅ１として、Ｈｆ（実験例６Ａ乃至３１Ａ）とＴｉ（実験例６Ｂ乃至３１Ｂ）を用いた。実験例６乃至１０は置換元素としてＬｕを用いて、ｃ／ａを１．５３から１．６５まで変化させて検証を行った。実験例１１乃至１７は置換元素としてＹを用いて、ｃ／ａを１．５３から１．６６まで変化させて検証を行った。実験例１８乃至２３は置換元素としてＤｙを用いて、ｃ／ａを１．５１から１．６５まで変化させて検証を行った。実験例２４乃至３１は置換元素としてＳｃを用いて、ｃ／ａを１．４４から１．６５まで変化させて検証を行った。なお、いずれの実験でも、ｃ／ａの調整は、置換元素の単体金属ターゲットに与える電力量を調整することにより、置換原子のドープ量を変化させることによって行った。
【００５５】
図６Ａは、実験例６Ａ乃至３１Ａ（Ｈｆ下地の場合）の結果を示すグラフである。図６Ａの横軸はｃ／ａの値を示し、縦軸は圧電薄膜Ｆ２の圧電定数ｄ３３を示している。図６Ａのグラフにおいて、破線は比較例１における圧電薄膜の圧電定数ｄ３３である。実験例６Ａ乃至３１Ａの結果から、置換元素がＬｕ、Ｙ、Ｄｙ、及びＳｃのいずれの場合においても、ｃ／ａの値が、１．５４程度以上１．６４程度以下である場合には、比較例１の結果よりも圧電定数ｄ３３が向上することが分かる。なお、同様のことが下部電極Ｅ１にＴｉを用いた場合にもそのままあてはまることは、図５に示した検証結果から明らかである。
【００５６】
次に、実験例６Ｂ乃至３１Ｂでは、実験例６Ａ乃至３１Ａと同様の検証を下部電極Ｅ１にＴｉを用い、その他の条件は変えずに検証を行った。図６Ｂは、置換元素がＬｕである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例６Ａ乃至１０Ａと実験例６Ｂ乃至１０Ｂとの比較結果）であり、図６Ｃは、置換元素がＹである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例１１Ａ乃至１７Ａと実験例１１Ｂ乃至１７Ｂとの比較結果）であり、図６Ｄは置換元素がＤｙである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例１８Ａ乃至２３Ａと実験例１８Ｂ乃至２３Ｂとの比較結果）であり、図６Ｅは置換元素がＳｃである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例２４Ａ乃至３１Ａと実験例２４Ｂ乃至３１Ｂとの比較結果）である。いずれのグラフでも横軸はｃ／ａの値を示し、縦軸は圧電薄膜Ｆ２の圧電定数ｄ３３を示している。また、三角形で示す測定点は下部電極Ｅ１にＨｆを用いた場合を示し、丸形で示す測定点は下部電極Ｅ１にＴｉを用いた場合を示している。図６Ｂ乃至図６Ｅから、下部電極Ｅ１にＨｆを用いた方が、圧電定数ｄ３３がより向上することが分かる。
【００５７】
次に、実験例３２乃至３５では、スパッタリングにおけるターゲット中の酸素量が圧電定数ｄ３３に与える影響について検証を行った。図６Ｆは、実験例３２乃至３５の結果を示すグラフである。図６Ｆのグラフにおいて、横軸は酸素含有量を示し、縦軸は圧電薄膜Ｆ２における圧電定数ｄ３３を示している。図６Ｆのグラフから、ターゲット中の酸素量が５０００ｗｔｐｐｍ以下の場合に、圧電定数ｄ３３が向上することが分かる。
【００５８】
以上より、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、圧電薄膜Ｆ２を構成するＧａＮ結晶中における一部のＧａ原子が所定の置換原子に置換された構造を有することで、圧電性が向上する。さらに置換元素は３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つであることが好ましく、より好ましくは、置換元素は、Ｌｕ、Ｙ、Ｄｙ、及びＳｃの少なくともいずれか１つである。
【００５９】
また、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、ａ軸長に対するｃ軸長の比ｃ／ａが、１．５４程度以上１．６４程度以下の範囲に設定さることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２において、圧電定数をより向上させることができる。
【００６０】
［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。
【００６１】
図７は、第１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。
【００６２】
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。
【００６３】
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７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７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。
【００６４】
図８は、図７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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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薄膜Ｆ２であって、窒化ガリウム結晶は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つを含み、窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が３価の遷移金属元素に置換された構造を有する。例えば、３価の遷移金属元素は、ルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム及びスカンジウムのうち少なくともいずれか１つを含む。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。
【００７３】
また、圧電薄膜Ｆ２は、Ｈｆを主成分とする下部電極Ｅ１上に形成されることが好ましい。ＨｆはＧａＮと格子定数が近い金属であるため、下部電極にＨｆを用いることにより、当該ハフニウム膜Ｅ１上に形成される圧電薄膜Ｆ２の結晶性を向上させることができる。
【００７４】
また、圧電薄膜Ｆ２におけるガリウムの原子の数と、ルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムの原子の数の総量に対する、ルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムのうちの少なくともいずれか１つの原子の数の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％以下であることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数をより向上させることができる。より好適には原子の数の割合は、３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％以下である。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数をより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デバイス１０は、上述の圧電薄膜Ｆ２を備える。これによって、圧電デバイスにおいて、圧電定数を向上させることができる。
【００７６】
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、３価の遷移金属元素（例えばルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムの少なくともいずれか１つ）と、から成る合金をターゲットとして、基板Ｆ１上に上述の圧電薄膜Ｆ２を形成する。これによって、良好な圧電定数を有する圧電薄膜Ｆ２を得ることができる。
【００７７】
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から成るターゲットと、３価の遷移金属元素（例えばルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム及びスカンジウムの少なくともいずれか１つ）から成るターゲットと、を用いて基板Ｆ１上に上述の圧電薄膜Ｆ２を形成する。これによって、良好な圧電定数を有する圧電薄膜Ｆ２を得ることができる。
【００７８】
また、３価の遷移金属元素（例えばルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム及びスカンジウムの少なくともいずれか１つ）から成るターゲットにおける含有酸素量は５０００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２（又はＦ２）において、より圧電定数を向上させることができる。
【００７９】
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】
【００８０】
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】
0006698159.tif 000002
【図２】
0006698159.tif 000003
【図３】
0006698159.tif 000004
【図４Ａ】
0006698159.tif 000005
【図４Ｂ】
0006698159.tif 000006
【図４Ｃ】
0006698159.tif 000007
【図５】
0006698159.tif 000008
【図６Ａ】
0006698159.tif 000009
【図６Ｂ】
0006698159.tif 000010
【図６Ｃ】
0006698159.tif 000011
【図６Ｄ】
0006698159.tif 000012
【図６Ｅ】
0006698159.tif 000013
【図６Ｆ】
0006698159.tif 000014
【図７】
0006698159.tif 000015
【図８】
0006698159.tif 000016