JPS61148810A - 強誘電体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ 本発明は、強誘電体素子に関する。

［発明の背景］ 最近、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）など
の強誘電体が、その圧電性、焦電性および強誘電性など
の特性を利用した用途に用いられている。特に、強誘電
体の持つ焦電性を利用して赤外線センナあるいは温度セ
ンサなどとして利用されることが多くなっている。

強誘電体は、単結晶として使用することにより、優れた
焦電性を利用することができることが知られているにも
かかわらず、上記のような強誘電体は引き上げ法などに
よる単結晶の製造が困難であるとの理由により、通常は
焼成して磁器として使用されることが多い、しかしなが
ら、焼成物は薄膜に加工することが困難である。特に、
強誘電体を、たとえば焦電材料として使用する場合には
、一定のエネルギーに対しての温度上昇をより大きくす
るために、強誘電体の熱容量が小さいことが必要であり
、このために強誘電体の体積比熱が小さく、かつ強誘電
体の厚さをできるだけ薄くすることが必要となる。

［従来技術およびその問題点］ このような要求から、従来より使用されていた磁器に代
り、基板上に薄膜の強誘電性単結晶を成長させることが
容易な反応性スパッタ蒸着法あるいはＣＶＤ法などの方
法が利用されている。

たとえば、特開昭５９−３５０９８号公報には、鉛、チ
タン、およびランタンの酸化物（たとえば、ＰＬＺＴ）
の薄膜の［１１１１結晶面をサファイアＣ面基板上にエ
ピタキシャル成長させることを主な特徴とする発明が開
示されている。

この発明により開示されている薄膜は、反応性スパッタ
蒸着法により製造されたものである。この方法により得
られた薄膜は、磁器のものとは異り無色透明である。さ
らに磁器のもの下は特に顕著な効果を奏することがなか
ったペロブスカイト構造の結晶の［１１１］面が優れた
電気光学的効果を奏することが示されている。

しかしながら、上記のサファイアＣ面に成長したＰＬＺ
Ｔなどのペロブスカイト構造を有する強誘電体薄膜の焦
電効果については何等開示がなされていない、さらに、
強誘電体薄膜を利用した種々の回路を集積回路化するた
めには、サファイア基板上に直接集積回路を付設するこ
とはできず、通常は、サファイア基板上をシリコンなど
の物質で表面処理しなければならないとの問題がある。

［発明の目的］ 本発明は、新規な強誘電体素子を提供することを目的と
する。

さらに本発明は、特に焦電効果の優れた強誘電体素子を
提供することを目的とする。

［発明の要旨］ 本発明は、ＧａａＡｓ単結晶基板の［１００］面上に成
長したベロブス力謙ト構造の強誘電体結晶よりなる薄膜
であって、該基板単結晶の［１００］面と平ザな該讐誘
電隼薄膜結晶面の省なくとも４０％が［１１１１面を示
すことを特徴とする強誘電体素子にある。

なお、本発明のペロブスカイト構造を有する強誘電体は
、チタン酸鉛、チタン酸ランタン鉛、チタン酸ジルコン
酸鉛およびチタン酸ジルコン酸ランタン鉛よりなる群よ
り選ばれた少なくとも一種類のペロブスカイト構造を有
する強誘電体であることが好ましい。

［発明の詳細な記述］ 本発明の強誘電体素子は、基本的にＧ　ａ、＊　Ａ　ｓ
単結晶からなる基板と、この基板上に形成された強誘電
体の薄膜よりなる。

本発明の強誘電体素子の基板であるＧａ５Ａｓ単結晶の
製造方法に特に制限はなく、通常単結晶の製造方法とし
て利用されている方法に準じて製造することができる０
本発明の強誘電体素子の基板であるＧａ・Ａｓ単結晶の
製造方法としては、引き上げ法またはポート成長法が好
ましい。

このようにして製造されたＧａΦＡｓ単結晶は、結晶の
［１００］面が基板表面を構成するように切り出されて
基板とされる。基板の厚さは、用途により適宜選択する
ことができるが、たとえば、赤外線センサあるいは温度
センサとして使用する場合は、通常は０．０２〜１ｍｍ
程度の厚さのものを曹用する。

本発明の強誘電体素子は、上記のような基板であるＧａ
、＊Ａｓ１ｉ結晶の［１００１面に強誘電体の薄膜が形
成されていることが必要である。

本発明の強誘電体結晶は、ペロブスカイト結晶構造を有
する強誘電体より構成される。ペロブスカイト結晶構造
を有する強誘電体の主成分の例としてはチタン酸鉛、チ
タン酸ランタン鉛、チタン酸ジルコン酸鉛およびチタン
酸ジルコン酸ランタン鉛を挙げ、ることができ、これら
は単独であっても混合されたものであってもよい、特に
チタン酸、鉛および／またはチタン酸ジルコン酸ランタ
ン鉛が好ましい。

上、記の構成物質は、実質的に純物質である必要はなく
、上−記の構成物質以外にも、少鼻の他の成分を含有す
るものであっても良い、他の成分の例としては、ニオブ
、マンガン、マグネシウム、イツトリウムおよびコバル
トを挙げることができる。さらにまた、アルカリ金属元
素、アルカリ土類元素あるいは鉄元素などを微量に含む
ものであっても良い。ただし、強誘電体薄膜を形成する
各成分の強誘電体の組成および他の成分の添加量は、ペ
ロブスカイト構造を維持することができる範囲であるこ
とが必要である。

さらに、強誘電体薄膜のＧａ＊Ａｓ単結晶基板の［１０
０］面と平行な面の少なくとも４０％が［１１１］面で
あることが必要である。特に、５０％以上であることが
好ましい、すなわち、Ｇａ＊Ａｓ単結晶基板の［１００
］面上にペロブスカイト構造を有する強誘電体結晶の［
１１１］面が優位に、具体的には少なくとも４０％、好
ましくは５０％以上、基板の［１００］面と平行に成長
していることが必要とされる。

このようにペロブスカイト構造の［１１１］面をＧａ＊
Ａｓ単結晶基板（７）［１００］面ｇ１９位に成長させ
ることにより、特に無電効果および電気光学的効果が優
れた素子となる。

次に本発明の強誘電体素子の製造法について説明する。

本発明の強誘電体素子は、基本的にはＧａ・Ａｓ基板単
結晶の［１００１面と平行な強誘電体薄膜の面の少なく
とも４０％がペロブスカイト構造の強誘電体の結晶の［
１１１］面となるようにＧａｅＡｓ基板単結晶の［１０
０］面上に強誘電体を蒸着させることにより製造される
。

上記の蒸着とは、本発明においては、たとえば、反応性
スパッタ蒸着法による蒸着あるいはＣＶＤ法などの方法
によるに蒸着を言う。

特にアルゴンなどの不活性ガスと酸素との混合気体中で
行なう反応性スパッタ蒸着法を利用してＧａ・Ａｓ基板
単結晶の［１００］面上に強誘電体薄膜を蒸着させるこ
とが好ましい。反応性スパッタ蒸着法自体は、公知の方
法に従って行なうことができる。またＣＶＤ法を利用す
る場合にも同様に公知の方法に従って行なうことができ
る。

たとえば、チタン酸鉛の薄膜を有する焦電素子を反応性
スパッタ蒸着法を利用して製造する場合には、高周波マ
グネトロンスパッタ蒸着装置のような反応性スパッタ蒸
着装置に、上述したＧａ・Ａｓ単結晶基板を装着し、タ
ーゲットとしてチタンの酸化物および鉛の酸化物などを
セットする。

装置内の空気を不活性ガスと酸素の混合気体で置換して
一定の圧力まで減圧する。基板を所定温度に加熱しなが
らターゲットに低電圧の高周波電力を入力して反応性ス
パッタ蒸着を行なう。

薄膜の厚さは、素子の用途により異るが、たとえばチタ
ン酸鉛の薄膜を有する焦電素子の場合には一般に０．１
〜１０ＪＬｍ、好ましくは０．２〜５７１ｍである。薄
膜の厚さは、たとえば蒸着時間を調整することにより制
御することができる。

［発明の効果］ 本発明の強誘電体素子は、優れた焦電効果を示し、特に
焦電素子としての使用に適する。

たとえば、従来の焦電センサは、パッケージ内に強誘電
体薄膜を有する検出部と強誘電体薄膜と接続しているイ
ンピーダンス調整用のＦＥＴ　（電界効果型トランジス
タ）が組込まれている。本発明の強誘電体素子は、基板
がＧａｍＡｓ単結晶であるので、この基板上に薄膜状の
ＦＥＴを付設して一体化することができ、センサを小型
、軽量化することができる。

このような、強誘電体薄膜と電子回路部分の一体化は、
焦電素子に限らず、強誘電性あるいはその他の特性を利
用した分野においても有利に実施することができる。

また、本発明の強誘電体素子は、電気光学的特性および
強誘電性も優れている。

次に本発明の実施例および比較例を示す。

［実施例１］ 引き上げ法により製造したＧａｍＡｓ単結晶から１０ｍ
ｍ角、厚さ０．３ｍｍの板状物を切り出し基板とした。

なお、この切り出された基板の蒸着対象の面は、Ｇａ・
Ａｓ単結晶の［１００１面である。

高周波マグネトロンスパッタ薄着装置に上記の基板を装
着し、更にＰ　ｂ　／　Ｔ　ｉ原子比が１．１５／ｌで
、直径が８０ｍｍの鉛およびチタンの醇化物焼結体（タ
ーゲット）を上記Ｇａ＊Ａｓ単結晶基板との間隔が４８
　ｍ　ｍとなるように装着した。

上記高周波マグネトロンスパッタ蒸着装置内を１Ｘ１０
−６Ｔｏｒｒ以下に減圧した後、基板温度を５７０℃と
して、アルゴン：酸素が４＝１（容積比）の混合ガスを
導入しながら、装置内の圧力を５Ｘ１０−２Ｔｏｒｒに
調整した。

と記装置にｉｏｏｗの高周波電力を入力して、工時間反
応性スパッタ蒸着を行なった。

Ｇａ・Ａｓ単結晶の［１００］面に反応性スパッタ蒸着
により形成された薄膜はの膜厚は約２・５＃Ｌｍであっ
た。

この薄膜の結晶構造をＸ線回折装置により測定した回折
図を第１図に示す、第１図よりＱａ・Ａｓ単結晶基板の
［１００］面上に、この面と平行にチタン酸鉛のペロブ
スカイト構造の結晶の［１１１３面が５８％と優位に成
長していることが判明した。

なお、以下に示す実施例および比較例で使用した高周波
マグネトロンスパッタ蒸着装置およびＸ線回折装置は上
記のものを使用した。

［比較例１］ 実施例１において、Ｇａ・Ａｓ単結晶基板をガラス基板
（商品名：コーニング＃７０５９）に代えた以外は同様
にしてガラス基板上にチタン酸鉛の薄膜を形成させた。

この反応性スパッタ蒸着により形成された薄膜はの膜厚
は約２．５ｇｍであった。

この薄膜の結晶構造をＸ線回折装置により測定した回折
因果を第２図に示す、第２図よりガラス基板上に、形成
されたチタン酸鉛の結晶構造は。

通常のチタン酸鉛焼結体をＸ線回折した際に得られる回
折パターンと類似しており、結晶の成長方向は無秩序に
近いものであることが判明した。

なお、得られた薄膜のガラス面に平行なチタン酸鉛のペ
ロブスカイト構造の結晶の［１１１］面は３１％であっ
た。

［実施例２］ 実施例１−において、ターゲットとして直径が８０ｍｍ
のＰ　ｂ　／　Ｚ　ｒ　／　Ｔ　ｉ原子比が１．０５．
１０　、５１０　、５のチタン酸ジルコン酸鉛の焼成体
と長さ１５ｍｍ、直径が２．２ｍｍのランタン棒４本用
いた以外は同様の操作を行ないＧａ＊Ａｓ単結晶の［１
００］面に薄膜を形成させた。

Ｇａ＊Ａｓ単結晶の［１００３面に反応性スパッタ蒸着
により形成された薄膜の膜厚は、約２・５終ｍであった
。

この薄膜の結晶構造をＸ線回折装置により測定した回折
図を第３図に示す、第３図よりＧａ・Ａｓ単結晶基板の
［１００］、面上に、この面と平行に、チタン酸ジルコ
ン酸ランタン鉛のベロ、プスカイト構造の結晶の［１１
１］面が６８％と、優位に成長していることが判明した
。

［比較例２］ 実施例２において、ＧａａＡｓ単結晶基板、をガラス基
板（商品名：コーニング＃７０５９）に代えた以外は同
様にしてガラス基板上にチタン酸ジルコ、ン酸うンタン
鉛の薄膜を形成させた。

この反応性スパッタ蒸着により形成された薄膜の膜厚は
約２．５１Ｌｍであった。

この薄膜の結晶構造をＸ線回折装置により測定した回折
図を第４図に示す、第４図より明らかなように、チタン
酸ジルコン酸ラン−タン鉛のペロブスカイト構造の、結
晶の［１１１］面の回折ピークは現われなかつ、た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＧａｅＡｓ単結晶基板（７）［１００］結晶
表面に形成されたチタン酸鉛の示すＸ線回折図の例であ
る。 第２図は、ガラス基板の表面に形成されたチタン酸鉛の
Ｘ線回、折面の例である。 第３図は、ＧＡ＠Ａ５単結晶基板の［１００３結晶面に
形成されたチタン酸ジルコン酸ランタン鉛のＸ線回折図
の例である。 第４図、畔、ガラス基板の表面に形成されたチタン酸ジ
ルコン−ランタン鉛のＸ線回折図の例である。 特許、出願人　　宇部興産株式会社 代　理　人　　弁理士　柳川泰男 Ｌ続有ＮＵＪ＝　Ｚ’−９ 昭和６０年　８１４９日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｇａ・Ａｓ単結晶基板の［１００］面上に成長した
   ペロブスカイト構造の強誘電体結晶よりなる薄膜であっ
   て、該基板単結晶の［１００］面と平行な該強誘電体薄
   膜結晶面の少なくとも４０％が［１１１］面を示すこと
   を特徴とする強誘電体素子。 ２、上記ペロブスカイト構造を有する強誘電体がチタン
   酸鉛、チタン酸ランタン鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、お
   よびチタン酸ジルコン酸ランタン鉛からなる群より選ば
   れた少なくとも一種類の強誘電体であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の強誘電体素子。 ３、上記基板単結晶の［１００］面と平行な該強誘電体
   薄膜結晶面の少なくとも５０％が［１１１］面を示すこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項項記
   載の強誘電体素子。