JP6998718B2 - 圧電素子、圧電素子の製造方法、及び圧電素子を用いた共振子 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム構造体、圧電素子、圧電素子の製造方法、及び圧電素子を用いた共振子に関する。
ＧａＮ（窒化ガリウム）は、半導体材料として知られており、ＬＥＤ等の原料として用いられる（非特許文献１）。
また、ＧａＮはＱ値が良好な圧電体としても知られている。例えば非特許文献２においては、Ｔｉ（チタン）を下地金属として用い、当該下地金属上にＧａＮ膜を成膜して用いられている。
Jeong Woo Shon1, Jitsuo Ohta, Kohei Ueno, Atsushi Kobayashi and Hiroshi Fujioka1, "Structural properties of GaN films grown on multilayer graphene films by pulsed sputtering", Applied physics Express 7, 085502 (2014)
Takahiko Yanagitani and Masashi Suzuki, "Enhanced piezoelectricity in YbGaN films near phase boundary", APPLIED PHYSICS LETTERS 105, 122907 (2014)
しかしながらこれまで、ＧａＮ圧電膜に適した下地電極に関する研究は十分でなく、ＧａＮ圧電膜において良好な結晶性を得るには、さらなる改善の余地があった。
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を用いた圧電素子において、良好な結晶性を得ることを目的とする。
本発明の一側面に係る窒化ガリウム構造体は、基板と、基板と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする圧電体層と、圧電体層と前記基板との間に圧電体層と接触して設けられた金属層と、を備え、金属層は、第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属を主成分とする。
本発明によれば、ＧａＮを用いた窒化ガリウム構造体において、良好な結晶性を得ることができる。
［第１の実施形態］
（１．共振子の構成）
以下、添付の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実施形態に係る窒化ガリウム構造体の一例である圧電素子を用いて形成した共振子１０の一例を概略的に示す平面図である。共振子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、本発明に係る圧電素子が用いられるのは図１に示される厚み広がり振動モードを用いた共振子に限定されず、厚み縦振動モード、ラム波振動モード、屈曲振動モード、表面波振動モードに用いられても良い。これらはタイミングデバイス、ＲＦフィルタ、デュプレクサ、超音波トランスデューサーに応用される。さらに、アクチュエーター機能を持った圧電ミラーや圧電ジャイロ、圧力センサー機能を持った圧電マイクロフォンや超音波振動センサー等に用いられても良い。
（１．共振子の構成）
以下、添付の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実施形態に係る窒化ガリウム構造体の一例である圧電素子を用いて形成した共振子１０の一例を概略的に示す平面図である。共振子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、本発明に係る圧電素子が用いられるのは図１に示される厚み広がり振動モードを用いた共振子に限定されず、厚み縦振動モード、ラム波振動モード、屈曲振動モード、表面波振動モードに用いられても良い。これらはタイミングデバイス、ＲＦフィルタ、デュプレクサ、超音波トランスデューサーに応用される。さらに、アクチュエーター機能を持った圧電ミラーや圧電ジャイロ、圧力センサー機能を持った圧電マイクロフォンや超音波振動センサー等に用いられても良い。
図１に示すように、共振子１０は、振動部１２０（圧電素子の一例である。）と、保持部１４０と、保持腕１１０を備えている。
振動部１２０は、ＸＹ平面に沿って平面状に広がる板状の輪郭を有している。振動部１２０は、保持部１４０の内側に設けられており、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。
保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外側を囲むように、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。
保持腕１１０は、保持部１４０の内側に設けられ、振動部１２０と保持部１４０とを接続する。
（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。
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。
本実施形態において、振動部１２０は、基板Ｆ１上に、下部電極Ｅ１（金属層の一例である。）が積層されて形成される。そして、下部電極Ｅ１の上には下部電極Ｅ１を覆うように圧電薄膜Ｆ２（窒化ガリウム層の一例である。）が積層されており、さらに圧電薄膜Ｆ２の上には、上部電極Ｅ２（第２電極の一例である。）が積層されている。
基板Ｆ１は、例えば、厚さ１０μｍ程度の縮退したｎ形Ｓｉ（シリコン）半導体から形成されている。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。なお、基板Ｆ１は縮退したＳｉを主成分とする基板であることが好ましいがこれに限定されない。例えば基板Ｆ１は、非縮退のＳｉや、サファイア等の単結晶から形成されてもよいし、ガラスや酸化膜付きのSiといった非晶質な材料から形成されても良い。
下部電極Ｅ１は、結晶構造が体心立方格子（ｂｃｃ：ｂｏｄｙ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造である単体金属（以下「ｂｃｃ金属」ともいう。）を主成分とする金属層である。例えばｂｃｃ金属合金でもよい。下部電極Ｅ１は、基板Ｆ１との接触面及び圧電薄膜Ｆ２との接触面を有している。下部電極Ｅ１には、ｂｃｃ金属のうち、第２近接距離がＧａＮ（窒化ガリウム）の結晶構造における最近接距離と近い金属が用いられることが好ましい。これにより、圧電薄膜Ｆ２において、より高い結晶性を得ることができる。さらに下部電極Ｅ１には、ｂｃｃ金属のうち、抵抗率の低い金属を用いる場合には、よりエネルギー損失を低減させることができる。より好適には、下部電極Ｅ１に用いるｂｃｃ金属は、例えばＨｆ（ハフニウム）よりも抵抗値が低いＭｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）等である。また、第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属はＨｆ（ハフニウム）よりも抵抗値が低いため、これらに限定されるものではなく種々のｂｃｃ金属を選択可能である。
上部電極Ｅ２は、例えばＭｏ（モリブデン）やＡｌ（アルミニウム）、Ａu（金）、Ｗ(タングステン)、Ｐｔ（プラチナ）等を用いて形成される。
圧電薄膜Ｆ２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を主成分とし、印加された電圧を振動に変換する圧電体の薄膜である。例えば圧電薄膜Ｆ２は、ＧａＮにＳｃ等の元素が添加された膜でもよい。圧電薄膜Ｆ２は、下部電極Ｅ１、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。
なお、図２に示す積層構造は、半導体素子に用いられてもよい。当該積層構造は、例えば、トランジスタや発光素子などの半導体素子において、図２における圧電薄膜Ｆ２が半導体層として、また、下部電極Ｅ１が当該半導体層に接続される電極ないし配線層として用いられてもよい。
（３．成膜方法）
次に、本実施形態に係る、振動部１２０のうち、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。
本実施形態では、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって成膜される。まず、基板Ｆ１上に以下の条件でスパッタリングを行い、下部電極Ｅ１を成膜する。
・ターゲット ｂｃｃ金属（単体金属）
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ４００℃
・出力 １８０Ｗ
・時間 ０．２５時間
次に、本実施形態に係る、振動部１２０のうち、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。
本実施形態では、下部電極Ｅ１及び圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって成膜される。まず、基板Ｆ１上に以下の条件でスパッタリングを行い、下部電極Ｅ１を成膜する。
・ターゲット ｂｃｃ金属（単体金属）
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ４００℃
・出力 １８０Ｗ
・時間 ０．２５時間
次に、形成された下部電極Ｅ１上に以下の条件でスパッタリングを行い、圧電薄膜Ｆ２を成膜する。
・ターゲット ＧａＮ焼結
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ４００℃
・窒素濃度 ４０％（Ａｒ：Ｎ2＝１：１）
・出力 １００Ｗ
・時間 ３時間
圧電薄膜Ｆ２上に上部電極Ｅ２を形成した後、上部電極Ｅ２をエッチング等によって所望の形状に加工する。
・ターゲット ＧａＮ焼結
・圧力 ０．２５Ｐａ
・温度 ４００℃
・窒素濃度 ４０％（Ａｒ：Ｎ2＝１：１）
・出力 １００Ｗ
・時間 ３時間
圧電薄膜Ｆ２上に上部電極Ｅ２を形成した後、上部電極Ｅ２をエッチング等によって所望の形状に加工する。
以上のように、本実施形態に係る振動部１２０は、下部電極Ｅ１と圧電薄膜Ｆ２とをスパッタリングによって成膜する。従って、ＧａＮを低温で成膜することが可能になるため、下部電極Ｅ１を簡易な装置ないしプロセスによって形成することができる。
（４．実験例）
次に図３及び図４の実験結果を参照し、下部電極Ｅ１に用いるｂｃｃ金属として好ましい要件について説明する。図３は、各ｂｃｃ金属につき、第２近接距離と、当該ｂｃｃ金属からなる下部電極Ｅ１上に成膜したＧａＮ膜（圧電薄膜Ｆ２）に対してＸ線回折を行った結果（ＲＣ半値幅）とを示す表である。図３の表の各値を、縦軸をＲＣ半値幅とし、横軸を第２近接距離としてプロットしたグラフが図４である。図４において破線で示す値（ＲＣ半値幅＝４．７ｄｅｇ）は、Ｓｉ上に直接圧電薄膜Ｆ２を成膜した場合の値を示している。
次に図３及び図４の実験結果を参照し、下部電極Ｅ１に用いるｂｃｃ金属として好ましい要件について説明する。図３は、各ｂｃｃ金属につき、第２近接距離と、当該ｂｃｃ金属からなる下部電極Ｅ１上に成膜したＧａＮ膜（圧電薄膜Ｆ２）に対してＸ線回折を行った結果（ＲＣ半値幅）とを示す表である。図３の表の各値を、縦軸をＲＣ半値幅とし、横軸を第２近接距離としてプロットしたグラフが図４である。図４において破線で示す値（ＲＣ半値幅＝４．７ｄｅｇ）は、Ｓｉ上に直接圧電薄膜Ｆ２を成膜した場合の値を示している。
図４から明らかなように、第２近接距離が２．８５Å以上３．４Å以下の範囲であればＳｉ上に直接圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合よりもＲＳ半値幅が小さくなることから、結晶性が向上していることが分かる。ここで、ＧａＮの最近接距離は約３．１８０Åであることから、ＧａＮの結晶構造における最近接距離に近い第２近接距離を有するｂｃｃ金属を下部電極Ｅ１に用いた場合に、圧電薄膜Ｆ２の結晶性が向上するといえる。これは、ＧａＮの最近接距離に近い第２近接距離を有するｂｃｃ金属は、ＧａＮと比較的格子整合がよいためである。
次に図５を参照し、本実施形態に係る下部電極Ｅ１上に形成した圧電薄膜Ｆ２の配向性と、比較例の下部電極上に形成したＧａＮ膜の配向性とを、Ｘ線回折によって検証した結果を説明する。
図５は、上記の比較例の下部電極上に形成したＧａＮ膜と、本実施形態に係る下部電極Ｅ１上に形成した圧電薄膜Ｆ２とのそれぞれに対して、ロッキングカーブ測定を行った検証結果を示す表である。表には、検証に用いたそれぞれの金属の元素記号と結晶構造の種類、Ｘ線回折を行った配向面、第２近接距離、及びロッキングカーブ測定の結果（ＲＣ半値幅）を示している。
図５に結果を示す検証において、比較例の下部電極は、結晶構造が面心立方格子（ｆｃｃ：ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造の金属を用いている。具体的には、比較例の下部電極にはＰｔ（プラチナ）とＣｕ（銅）とを用いた。さらに、本実施形態に係る下部電極Ｅ１には、Ｗ（タングステン）とＭｏ（モリブデン）とを用いた。図６の表から明らかなようにＷとＭｏはいずれもＧａＮの最近接距離（約３．１８０Å）と近い値の第２近接距離を有している。
図５に示すように、ｆｃｃ構造の金属を下部電極とした場合、当該下部電極上に形成されるＧａＮ膜の結晶性は不良であり、ＲＣ半値幅を測定することができなかった。
他方で、ｂｃｃ金属を下部電極と用いた場合には、ＲＣ半値幅が十分に小さいことからピークが急峻であるため、圧電薄膜Ｆ２において良好な結晶性が得られることが分かる。
他方で、ｂｃｃ金属を下部電極と用いた場合には、ＲＣ半値幅が十分に小さいことからピークが急峻であるため、圧電薄膜Ｆ２において良好な結晶性が得られることが分かる。
このように、本実施形態に係る振動部１２０は、ｂｃｃ金属から成る下部電極Ｅ１上に圧電薄膜Ｆ２が形成されている。また、下部電極Ｅ１に用いられるｂｃｃ金属の第２近接距離は、２．８５Å以上３．４Å以下の範囲であり、ＧａＮの結晶構造における最近接距離と近い。これによって、ＧａＮと下部電極Ｅ１との格子整合がよくなるため、圧電薄膜Ｆ２において結晶性が向上する。
［第２の実施形態］
第２の実施形態以降では第１の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。
第２の実施形態以降では第１の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。
図６は、本実施形態に係る振動部１２０の積層構造を示す図である。本実施形態に係る振動部１２０においては、下部電極Ｅ１は、基板Ｆ１上に、シード層Ｓを介して形成される。シード層Ｓは、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、又はＧａＮ（窒化ガリウム）から形成される。
本実施形態に係る下部電極Ｅ１がシード層Ｓを介して基板Ｆ１上に形成されることにより、圧電薄膜Ｆ２において、より結晶性が向上する。
その他の構成、機能は第１実施形態と同様である。
その他の構成、機能は第１実施形態と同様である。
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素子は、基板Ｆ１と、基板Ｆ１と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする圧電体層Ｆ２と、圧電体層Ｆ２と基板Ｆ１との間に設けられた金属層Ｅ１と、を備え、金属層Ｅ１は、第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属を主成分とする。ＧａＮの結晶構造における最近接距離は、約３．１８０Å（０．３１８０ｎｍ）である。したがって、第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属は、ＧａＮと比較的、格子整合がよい。このため、下部電極Ｅ１上に形成された圧電体層Ｆ２の結晶性が向上する。
また、金属層Ｅ１は、Ｍｏ又はＷを主成分とすることが好ましい。
さらに、上述の圧電素子は、基板Ｆ１と金属層Ｅ１との間に、金属層Ｅ１と接触して設けられたシード層Ｓをさらに備えることが好ましい。これによって、圧電体層Ｆ２において、より結晶性が向上する。
また、本発明の一実施形態に係る共振子１０は上述の圧電素子を備える。
さらに、本発明の一実施形態に係る圧電素子製造方法は、基板Ｆ１の上に金属層Ｅ１をスパッタリングによって形成する工程と、金属層Ｅ１の上に窒化ガリウムを主成分とする圧電体層Ｆ２をスパッタリングによって形成する工程と、を含み、金属層Ｅ１は、第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属を主成分とする。
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。
１０ 共振子
１２０ 振動部
Ｆ１ 基板
Ｆ２ 圧電薄膜
Ｅ１ 下部電極
Ｅ２ 上部電極
１２０ 振動部
Ｆ１ 基板
Ｆ２ 圧電薄膜
Ｅ１ 下部電極
Ｅ２ 上部電極
Claims (5)
- 基板と、
前記基板と対向して設けられ、窒化ガリウムを主成分とする窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層と前記基板との間に前記窒化ガリウム層と接触して設けられ、外部から電圧が印加されるように構成される金属層と、
を備え、
前記金属層は、
第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属を主成分とする、
窒化ガリウム構造体を備える圧電素子。 - 前記金属層は、Ｍｏ又はＷを主成分とする、請求項１に記載の圧電素子。
- 前記基板と、前記金属層との間に当該金属層と接触して設けられたシード層をさらに備える、請求項１又は２に記載の圧電素子。
- 請求項１から３のいずれかに記載の圧電素子を備える共振子。
- 基板の上に金属層をスパッタリングによって形成する工程と、前記金属層の上に窒化ガリウムを主成分とする窒化ガリウム層をスパッタリングによって形成する工程と、
を含み、
前記金属層は、外部から電圧が印加されるように構成され、
前記金属層は、第２近接距離が、０．２８５ｎｍ以上０．３４ｎｍ以下である体心立方格子構造を有する金属を主成分とする、
窒化ガリウム構造体を備える圧電素子の製造方法。
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