JP2022513852A - 圧電材料および圧電デバイス - Google Patents

Abstract

改善された特性を有する圧電窒化物化合物材料が提供される。圧電材料は、アルミニウム、窒素、並びに、銀、ニオブおよび／またはスカンジウムから、あるいは銀および／またはニオブから選択され得る二元および三元ドーパントを含む。【選択図】 図６

Description

本発明は、圧電材料および圧電材料を含む圧電デバイスに関する。

圧電材料は、－それらの圧電効果により－機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、また、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために利用され得る。圧電材料は、多種多様なデバイスに使用され得る。例えば、電気音響共振器を備える電気音響ＲＦデバイスが、電極構造と圧電材料とが組み合わされた共振構造を有し得る。圧電材料の性能は、弾性パラメータと、誘電パラメータと、圧電パラメータとのセットによって決定される。弾性パラメータは、例えば、ヤング率、Ｃ_３３（材料の剛性テンソルの成分）、格子密度などである。音波の励起の効率を決定する別の重要なパラメータである電気機械結合係数κ^２が、機械的性能と電気的性能とを橋渡しする（bridges）。別のパラメータが、材料の圧電テンソルの成分である圧電定数ｅ_３３である。その他は、縦剛性ｃ_３３および誘電率ε_３３である。

例えば、電気音響用途では、圧電材料が高い電気機械結合係数κ^２を有することが好ましい。既知の圧電材料は、電気音響共振器、例えば、ＢＡＷ共振器（ＢＡＷ＝バルク音波(bulk acoustic wave)）において使用され得るウルツ鉱型ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。ＢＡＷ共振器は、下部電極、下部電極の上の上部電極、および下部電極と上部電極との間に挟まれた圧電材料を有する。ＢＡＷ共振器の圧電材料は、薄膜堆積技法を介して設けられ得ることが好ましい。

さらに既知の圧電材料は、ＳｃドープＡｌＮ（スカンジウムドープＡｌＮ）である。ＳｃドープＡｌＮは、純粋な窒化アルミニウムよりも高い電気機械結合係数κ^２を提供する可能性を有する。

しかしながら、圧電デバイスにおける使用に好適な代替材料に対する要望が存在する。さらに、Ｓｃドーピングは、縦剛性係数Ｃ_３３の低減において現れる、ＡｌＳｃＮ格子軟化に起因して、対応するデバイスの機械的特性を劣化させ得ることが分かった。

求められているのは、同時に、すなわち、これらの性能パラメータにトレードオフ効果を持たせることなく、改善された圧電特性、特に、増大された電気機械結合係数κ^２を有し、かつ良好な機械的特性、特に、高い縦剛性係数Ｃ_３３を有する、多種多様な圧電デバイスにおいて使用され得る圧電材料である。

この目的のために、独立請求項に記載の圧電材料および圧電デバイスが提供される。従属請求項は、好ましい実施形態を提供する。

以下で、圧電材料のための組成が提供される。組成が同等と見なされ得る原子の量についての許容レベルは、±１原子％または±２原子％であり得る。

圧電材料は、Ａｌ_１－ｘ［（Ａｇ_ａ，Ｎｂ_ｂ，Ｓｃ_ｃ）_ｙ］_ｘＮをその主成分として含む。ａは、０．０５５以上１．３３以下である。ｂは、０．０５５以上１．３３以下である。

ｃは、０以上である。ｘは、０．０３以上０．７５以下である。

また、０．００１≦ａ≦０．１２４および０．００１≦ｂ≦０．１２４であることも可能である。

従って、圧電材料は、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ｎｂ（ニオブ）およびＮ（窒素）を含む。

さらに、材料は、Ｓｃ（スカンジウム）を含み得る。

ＡｇおよびＮｂ－並びに、存在する場合には、Ｓｃ－は、Ａｌを置換し得るドーパントを確立する。ｙの値は、これらドーパントが、ドーパント群の各原子がＡｌ_１－ｘ［（Ａｇ_ａ，Ｎｂ_ｂ，Ｓｃ_ｃ）_ｙ］_ｘＮのウルツ鉱型格子におけるＡｌを部分的に置換し得る群と見なされ得るように選択される。この場合、ｘは、Ａｌ原子のドーピング／置換レベルを示す。

このような圧電材料は、良好な電気機械結合係数κ^２などの、良好な圧電特性を有することが分かった。さらに、上述されたような主成分を有する圧電材料はまた、同等の電気機械結合係数κ^２の、純粋なＡｌＮまたはＳｃドープＡｌＮと比較して、より高い剛性、特に、より高い剛性パラメータＣ_３３を有し得る。

さらに、上述されたような圧電材料は、純粋なＡｌＮまたはＳｃドープＡｌＮに基づく電気音響共振器と比較して、品質係数Ｑが増加した圧電共振器を可能にすることが分かった。従って、改善された性能を有する対応するＲＦフィルタまたは他の圧電コンポーネントが可能である。

０．０３≦ｘ≦０．３７２であることが可能である。

ドーピングレベルｘは、０．０３、０．０６、０．０６２５、０．０９、０．１２、０．１５、０．１８、０．２１、０．２４、０．２７、０．３０、０．３３、０．３６、０．３９、０．４２、０．４５、０．４８、０．５１、０．５４、０．５７、０．６０、０．６３、０．６６、０．６９、０．７２および０．７５から選択されることが可能である。

主成分は、Ａｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎであることが可能である。この場合、ドーパントは、ＡｇおよびＮｂである。

主成分は、主成分は、Ａｌ_{０．８１４}Ａｇ_{０．０６２}Ｎｂ_{０．０６２}Ｓｃ_{０．０６２}Ｎであることが可能である。この場合、ドーパントは、Ａｇ、ＮｂおよびＳｃである。

少なくとも２５．６（原子％）、３１．８（原子％）、３８．０％（原子％）、４４．２（原子％）、５０．４（原子％）、５６．６（原子％）、６２．８（原子％）、６９．０（原子％）、７５．２（原子％）、８１．４（原子％）、８７．６（原子％）、９０．８（原子％）、９３．８（原子％）、９５．８（原子％）、９８．０（原子％）がＡｌであるとともに、残りのバランスが、Ａｇ（銀）およびＮｂ（ニオブ）を含有する二元ドープＡｌＮ圧電材料の組合せであることが可能である。

少なくとも２５．６（原子％）、３０．２５（原子％）、３４．９％（原子％）、４４．２（原子％）、５３．５（原子％）、６２．８（原子％）、７２．１（原子％）、７５．４（原子％）、８１．４（原子％）、８７．４（原子％）、９０．７（原子％）、９３．８（原子％）、９５．３５（原子％）、９６．２８（原子％）、９６．９（原子％）がＡｌであるとともに、残りのバランスが、Ａｇ（銀）、Ｎｂ（ニオブ）およびＳｃ（スカンジウム）を含有する二元ドープＡｌＮ圧電材料の組合せであることが可能である。

四元系または五元系窒化物の上記組成は、以下の表（表１および表２）に示される良好な電気機械的特性および良好な機械的特性をもたらす。アブイニシオ特性（Ab initio properties）は、密度関数摂動理論計算（density functional perturbation theory calculations）から導出される。計算と実験との間の比較は、十分な数の準ランダム構造（ＳＱＳ：quasi-random structures）および中央統計値が各組成例について得られるので、与えられた計算値が、期待される実験値に近いと見なされ得ることを正当化する。

残りの成分は、必要な製造工程などにより不可避であり得る他の原子を含み得る。

圧電デバイスは、上述されたような材料を含むことが可能である。

このようなデバイスは、以下から選択され得る。
－電気音響共振器、ＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ、ソリッドマウント反射器、ＳＭＲ(solidly mounted reflector)、ＢＡＷ共振器、（ＳＭＲ－）ＢＡＷフィルタ、誘導型ＢＡＷ（ＧＢＡＷ：guided BAW）共振器、ＧＢＡＷフィルタ、薄膜バルク音波（ＦＢＡＲ：film bulk acoustic wave）共振器、ＦＢＡＲフィルタ、
－ラム波、音響板波（ＡＰＷ：acoustic plate wave）、レイリーＳＡＷ（Ｒ－ＳＡＷ：Rayleigh SAW）、セザワモード波(Sezawa mode waves)、せん断－横波型ＳＡＷ（ＳＨ－ＳＡＷ：shear-horizontal SAWs）、ラブモード波(Love mode waves)、擬似表面弾性波（ＰＳＡＷ：pseudo-surface acoustic waves）もしくは漏洩型ＳＡＷ（ＬＳＡＷ：Leaky SAWs）で作動するデバイス、
－マルチプレクサ、デュプレクサ、クアッドプレクサ、ヘキサプレクサ、上述のタイプの共振器のいずれかに基づくマルチプレクサ、圧電発電機、圧電センサ、質量センサ、マイクロ流体センサ、圧電トランスデューサ、エネルギーハーベスタ、超音波デバイス、トランスデューサもしくはトランスミッター、圧電（ＭＥＭＳ）マイクロフォン、または薄膜もしくはバルクセラミックの形態で正圧電効果もしくは逆圧電効果を利用する同様のデバイス。

ＳＡＷフィルタは、少なくとも１つのＳＡＷ共振器を有するＲＦフィルタである。ＳＡＷ共振器は、圧電材料と、この圧電材料上に互いに隣り合って配置された電極指を備えたインターディジタル電極構造とを有する。各電極指は、２つの母線のうちの１つに電気的に接続されている。ＲＦ信号が母線に印加されると、－圧電効果により－電極構造は、ＲＦ信号と音波の間の変換を行う。音波の波長は、基本的に、同じ極性の隣接する電極指間の距離によって決定される。圧電材料の表面を伝搬する表面波が確立される。周波数は、波長と、波の速度とに依存する。

このような共振器を、例えば、ラダー型構造における直列共振器および並列共振器として、または格子型構造における共振器として利用することは、例えば、ワイヤレス通信デバイス用の、帯域通過フィルタまたは帯域阻止フィルタを作成することを可能にする。

ＢＡＷ共振器では、圧電材料は、下部電極と上部電極との間に挟まれている。ＳＡＷ共振器での音波が圧電材料の表面に平行な方向に伝搬する一方で、ＢＡＷ共振器では、音波は垂直方向に伝搬する。音響エネルギーを共振器構造に閉じ込めるために、共振器構造は、その環境から音響的に減結合されなければならない。これに対応して、ＢＡＷ共振器は、ＳＭＲ型共振器（ＳＭＲ＝ソリッドマウント共振器(solidly mounted resonator)）またはＦＢＡＲ型共振器（ＦＢＡＲ＝薄膜バルク音波共振器(film bulk acoustic wave resonator)）であることが可能である。ＳＭＲ型共振器では、共振器構造は、音響エネルギーを閉じ込めるための音響ブラッグミラーとして機能する、高音響インピーダンスおよび低音響インピーダンスの２つ以上の層からなる音響ミラー上に配置されている。ＦＢＡＲ型共振器では、下部電極は、共振器構造を音響的に絶縁するために、キャビティの上方に配置され得る。

ＧＢＡＷフィルタでは、電極構造は、ＳＡＷフィルタにおける共振器のものと同様である。しかしながら、音波は、導波路構造（waveguiding structure）が得られるように、圧電材料とカバー層との間の界面において縦方向に伝搬する。

帯域通過フィルタは、マルチプレクサを確立するために、－場合によっては、追加のインピーダンス整合回路と－組み合わされ得る。例えば、デュプレクサでは、送信フィルタおよび受信フィルタは、送られるべきＲＦ信号および受信されるべきＲＦ信号が、共通のアンテナポートを共有するが、それぞれ送信信号経路および受信信号経路において、別個の信号経路で伝搬し得るように、組み合わされる。これに対応して、より高次のマルチプレクサ、例えば、クアッドプレクサが、追加の帯域通過フィルタおよび追加の信号経路を備える。

エネルギーハーベスタでは、圧電材料は、例えば、それぞれのデバイスの環境から得られた機械エネルギーをバッテリまたはキャパシタに導入する（load）ために、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために利用され得る。

従って、改善された圧電デバイス、特に、改善された品質係数を有する共振器デバイスを可能にする改善された圧電材料が提供される。

圧電デバイスは、上述されたデバイスに限定されない。さらなるデバイスも可能である。

図１は、ＳＡＷ共振器のインターディジタル構造の配置を例示する。 図２は、ＳＭＲ－ＢＡＷ共振器の配置を例示する。 図３は、デュプレクサを確立するための電気音響共振器の組合せを例示する。 図４は、電気機械結合係数κ^２の計算値と、ＡｌＮにおけるＳｃの異なるドーピングレベルから作製された圧電層を有する実際のＳＭＲ－ＢＡＷ共振器からの測定値との比較を示す。 図５は、ＳＭＲ－ＢＡＷから測定された外挿機械的品質係数（Ｑ_ｍ）と、アブイニシオ計算から得られた値との比較を示し、ＡｌＮにおけるＳｃの異なるドーピングレベルでＱ_ｍがどれだけ速く変化しているかを示す。 図６は、結合係数κ^２の範囲にわたって、より高いＣ_３３を有するＡｌ_１－ｘＳｃ_ｘＮ（０．０６２５≦ｘ≦０．３１）材料の代替についてのＣ_３３対結合係数κ^２挙動の依存性を示す。 図７は、結合係数κ^２の範囲にわたって、中程度により高いＣ_３３を有するＡｌ_１－ｘＳｃ_ｘＮ（０．０６２５≦ｘ≦０．３１）材料の代替についてのＣ_３３対結合係数κ^２挙動の依存性を示す。

図１は、単結晶圧電基板として、または薄層として設けられた圧電材料によって設けられ得る、圧電材料ＰＭ上の電極構造の基本配置を例示する。電極構造は、互いに隣接して配置された電極指ＥＦＩを備える、インターディジタル構造ＩＤＳを有する。電極指ＥＦＩの各々は、２つの母線のうちの１つに電気的に接続されている。図１に示される配置では、音波は、圧電材料の表面において、電極指に直交する方向に伝搬する。

図２は、ＢＡＷ共振器ＢＡＷＲの基本構造を例示する。ＢＡＷ共振器ＢＡＷＲは、下部電極ＢＥと上部電極ＴＥとの間に挟まれた圧電材料ＰＭを有する。図２はまた、２つの電極と圧電材料とを備える共振器構造が音響ミラー上に配置された、ＳＭＲ型共振器を例示する。音響ミラーは、ミラー層ＭＬを有する。隣接するミラー層ＭＬは、異なる音響インピーダンスを有する。異なる音響インピーダンスの異なるミラー層ＭＬ間の界面において、音響エネルギーの一部が反射され、これにより、ミラー層ＭＬの組合せが、音響エネルギーを閉じ込めるためのブラッグミラー(Bragg mirror)を確立する。

図３は、デュプレクサを確立するために、送信フィルタＴＸＦと受信フィルタＲＸＦとを組み合わせる可能性を例示する。送信フィルタＴＸＦおよび受信フィルタＲＸＦは、直列共振器ＳＲが直列に電気的に接続された信号経路を備える。並列共振器ＰＲが、信号経路と接地との間のシャント経路において電気的に接続されている。インピーダンス整合回路が、アンテナＡＮが接続され得る共通ポートにおいて整合された周波数依存インピーダンスを提供するために、送信フィルタＴＸＦと受信フィルタＲＸＦとの間に配置され得る。

図４は、測定データと計算データとの比較を示す。曲線（１）は、異なるドーピングレベルｘにわたって、ＳｃドープＡｌＮ（Ａｌ_１－ｘＳｃ_ｘＮ）のＳｃドーピングレベルに対する結合係数κ^２の実験的に測定された依存性を示す。曲線（２）は、ＳｃドープＡｌＮの理論モデルを決定するためのシミュレーションにおいて行われた計算の結果を示す。実験は、アブイニシオ計算結果を本質的に検証（verify）していることが確認できる。

同様に、図５も、測定データと計算データとの比較を示す。曲線（３）は、ＳｃドープＡｌＮ（Ａｌ_１－ｘＳｃ_ｘＮ）のＳｃドーピングレベルに対する実験的に製造された共振器のインピーダンス応答から導出された機械的品質係数Ｑ_ｍの測定された依存性を示す。曲線（４）は、シミュレーションにおいて行われた計算の結果を示す。この場合も、実験的に導出された値は、計算結果を本質的に検証する。

従って、本組成のベースとなる計算は、信頼できる。

図６は、ＳｃドープＡｌＮとＡｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎ（表の組成Ａ）に対応する）との複数のパラメータ間の比較を示す。曲線（５）によって示されるように、異なるＳｃドープＡｌＮ組成についてのＳｃドーピングレベルは、本質的にＣ_３３を決定する。曲線（６）は、Ａｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎの異なる準ランダム構造についてのκ^２に対するＣ_３３の依存性を示す計算されたデータ点の多項式補間を示す。Ａｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎの異なる準ランダム構造は、Ａｌ原子を置換する各ドーパントの正確な位置が異なる。計算は、実際の組成においては、これらの準ランダム構造の混合物が、約０．１１のκ^２および２９３．１ＧＰａのＣ_３３が得られるように提供されることを示す。従って、Ａｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎは、非常に類似しているκ^２（０．１０に近い）で（with）ＳｃドープＡｌＮベースラインシステム（baseline system）のものよりも約７．０ＧＰａ大きいＣ_３３を有し、一方、Ａｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎの中央値は、非常に類似しているκ^２（０．１０１に近い）でＳｃドープＡｌＮベースラインシステムのものよりも約１．２５ＧＰａ小さい（誤差範囲内）Ｃ_３３を有する。

図７は、ＳｃドープＡｌＮとＡｌ_{０．８１４}Ａｇ_{０．０６２}Ｎｂ_{０．０６２}Ｓｃ_{０．０６２}Ｎ（表の組成Ｂ）に対応する）との複数のパラメータ間の比較を示す。曲線（７）によって示されるように、異なるＳｃドープＡｌＮ組成についてのＳｃドーピングレベルは、本質的にＣ_３３を決定する。曲線（８）は、Ａｌ_{０．８１４}Ａｇ_{０．０６２}Ｎｂ_{０．０６２}Ｓｃ_{０．０６２}Ｎの異なる準ランダム構造についてのκ^２に対するＣ_３３の依存性を示す計算されたデータ点の多項式補間を示す。Ａｌ_{０．８１４}Ａｇ_{０．０６２}Ｎｂ_{０．０６２}Ｓｃ_{０．０６２}Ｎの異なる準ランダム構造は、Ａｌ原子を置換する各ドーパントの正確な位置が異なる。計算は、実際の組成においては、これらの準ランダム構造の混合物が、約０．１１５のκ^２および２６８．４ＧＰａのＣ_３３が得られるように提供されることを示す。従って、Ａｌ_{０．８７６}Ｃａ_{０．０６２}Ｒｕ_{０．０６２}Ｂ_{０．１２４}Ｎは、非常に類似しているκ^２（０．１２に近い）で約３．８ＧＰａであるＣ_３３を有する。

ＡＮ：アンテナ
ＢＡＷＲ：ＢＡＷ共振器
ＢＥ：下部電極
ＤＵ：デュプレクサ
ＥＦＩ：電極指
ＩＤＳ：インターディジタル電極構造
ＭＬ：音響ミラー層
ＰＭ：圧電材料
ＰＲ：並列共振器
ＲＸＦ：受信フィルタ
ＳＡＷＲ：ＳＡＷ共振器
ＳＲ：直列共振器
ＴＥ：上部電極
ＴＸＦ：送信フィルタ

Claims (9)

1. 圧電材料であって、
   Ａｌ_１－ｘ［（Ａｇ_ａ，Ｎｂ_ｂ，Ｓｃ_ｃ）_ｙ］_ｘＮをその主成分として含み、
   ここで、
   ０．０５５≦ａ≦１．３３または０．００１≦ａ≦０．１２４、
   ０．０５５≦ｂ≦１．３３または０．００１≦ｂ≦０．１２４、
   ０≦ｃ、
   ｙ＝１／（ａ＋ｂ＋ｃ）、
   ０．０３≦ｘ≦０．７５である、圧電材料。
2. ０．００１≦ａ≦０．１２４、
   ０．００１≦ｂ≦０．１２４、
   ０．０３≦ｘ≦０．３７２である、請求項１に記載の圧電材料。
3. ｘは、０．０３、０．０６、０．０６２５、０．０９、０．１２、０．１５、０．１８、０．２１、０．２４、０．２７、０．３０、０．３３、０．３６、０．３９、０．４２、０．４５、０．４８、０．５１、０．５４、０．５７、０．６０、０．６３、０．６６、０．６９、０．７２および０．７５から選択される、請求項１または２に記載の圧電材料。
4. 前記主成分は、Ａｌ_{０．８７５}Ａｇ_{０．０６２５}Ｎｂ_{０．０６２５}Ｎである、請求項１に記載の圧電材料。
5. 前記主成分は、Ａｌ_{０．８１４}Ａｇ_{０．０６２}Ｎｂ_{０．０６２}Ｓｃ_{０．０６２}Ｎである、請求項１に記載の圧電材料。
6. 前記主成分において、少なくとも２５．６（原子％）、３１．８（原子％）、３８．０％（原子％）、４４．２（原子％）、５０．４（原子％）、５６．６（原子％）、６２．８（原子％）、６９．０（原子％）、７５．２（原子％）、８１．４（原子％）、８７．６（原子％）、９０．８（原子％）、９３．８（原子％）、９５．８（原子％）、９８．０（原子％）がＡｌであるとともに、残りのバランスが、Ａｇ（銀）およびＮｂ（ニオブ）を含有する二元ドープＡｌＮ圧電材料の組み合わせである、請求項１乃至５のうちの一項に記載の圧電材料。
7. 前記主成分において、少なくとも２５．６（原子％）、３０．２５（原子％）、３４．９％（原子％）、４４．２（原子％）、５３．５（原子％）、６２．８（原子％）、７２．１（原子％）、７５．４（原子％）、８１．４（原子％）、８７．４（原子％）、９０．７（原子％）、９３．８（原子％）、９５．３５（原子％）、９６．２８（原子％）、９６．９（原子％）がＡｌであるとともに、残りのバランスが、Ａｇ（銀）、Ｎｂ（ニオブ）およびＳｃ（スカンジウム）を含有する二元ドープＡｌＮ圧電材料の組合せである、請求項１乃至６のうちの一項に記載の圧電材料。
8. 請求項１乃至７のうちの一項に記載の材料を含む圧電デバイス。
9. －電気音響共振器、ＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ、ソリッドマウント反射器、ＳＭＲ、ＢＡＷ共振器、（ＳＭＲ－）ＢＡＷフィルタ、誘導型ＢＡＷ（ＧＢＡＷ）共振器、ＧＢＡＷフィルタ、薄膜バルク音波（ＦＢＡＲ）共振器、ＦＢＡＲフィルタ、
   －ラム波、音響板波（ＡＰＷ）、レイリーＳＡＷ（Ｒ－ＳＡＷ）、セザワモード波、せん断－横波型ＳＡＷ（ＳＨ－ＳＡＷ）、ラブモード波、擬似表面弾性波（ＰＳＡＷ）もしくは漏洩型ＳＡＷ（ＬＳＡＷ）で作動するデバイス、
   －マルチプレクサ、デュプレクサ、クアッドプレクサ、ヘキサプレクサ、上のタイプの共振器のいずれかに基づくマルチプレクサ、圧電発電機、圧電センサ、質量センサ、マイクロ流体センサ、圧電トランスデューサ、エネルギーハーベスタ、超音波デバイス、トランスデューサもしくはトランスミッター、圧電（ＭＥＭＳ）マイクロフォン、または薄膜もしくはバルクセラミックの形態で正圧電効果もしくは逆圧電効果を利用する同様のデバイス
   から選択されるデバイスである、請求項８に記載の圧電デバイス。
   

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