JPWO2018042946A1 - 圧電体膜及びそれを備えた圧電素子 - Google Patents
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Abstract
下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜において、0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xとする。
A1+δ[(Zr,Ti)1−x−yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよい。
Description
また、特開2007−142261号公報の手法では、上述の圧電体膜の上下層にチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、またはニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体膜を備えた三層構成とすることで結晶性を維持し、圧電性能を担保しているものと考えられ、上記化学式の圧電体膜のみで十分な特性が得られているかどうかは疑問が残る。
A1+δ[(Zr,Ti)1−x−yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよく、
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xの圧電体膜である。
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xを満たす構成により、ScノンドープのNbドープPZT系圧電体膜に比べて、圧電特性を向上させることができる。圧電体膜を積層膜として構成することなく、単層で十分な圧電特性を得ることが可能であり、単層の圧電体膜であるため作製が容易である。
A1+δ[(Zr,Ti)1−x−yNbxScy]Oz・・・一般式P
一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準値であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよい。
なお、上記式PにおいてZr、Ti、Nb及びScは、一般にABO3と表記されるペロブスカイト構造におけるBサイト元素である。
Scのドープによりペロブスカイト構造の結晶性が高められる効果があることが本発明者らのXRD分析の結果から得られており、その結晶性の向上が圧電性能の向上と相関があると考えられる(後記実施例参照)。
−0.2Ts+100<Vs−Vf(V)<−0.2Ts+130・・・(1)、
10≦Vs−Vf(V)≦35・・・(2)
図1を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子10の構造について説明する。
本実施形態の圧電素子(強誘電体素子)10は、基板11上に、密着層12、下部電極13、圧電体膜14及び上部電極15が順次積層された素子であり、圧電体膜14に対して、下部電極13と上部電極15とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。圧電体膜14は上記本発明の圧電体膜である。
ここで、上部及び下部は圧電体膜14を中心として基板11側を下部、基板11から遠い側を上部として定義される。
<実施例及び比較例の作製>
成膜基板として、25mm角のSOI(Silicon on Insulater)基板上に、10nm厚のTi密着層と300nm厚のIr下部電極とが順次積層された電極付き基板を用意した。基板には、圧電定数評価のために、カンチレバーで評価できる領域(カンチレバー形成領域)を予め設けておいた。
他の実施例及び比較例のターゲットとして、ターゲット組成が、Zr/(Zr+Ti)=0.52であり、BサイトへのNbドープ量が10%,20%,30%であり、Scドープ量を変化させた複数のターゲットを用意した。なお、本明細書においてドープ量の単位を単に%で示すが、本明細書においてドープ量はすべてmol%を意味する。
各実施例及び比較例について、NbドープPZT膜上に300nm厚のPt上部電極を成膜し、圧電素子とした。カンチレバー形成領域において、各々幅=2mm、長さ=24mm程の短冊状に加工してカンチレバーを作製した。なお、カンチレバーの長手方向がSiウエハの結晶の(110)方向に対応し、厚み方向は(100)方向に対応するようにした。
Si(110)方位:ヤング率YSi=169GPa、ポアソン比σSi=0.064
PZT:ヤング率YPZT=50GPa、ポアソン比σPZT=0.34
Ir(下部電極):ヤング率YIr=530GPa、ポアソン比σIr=0.26
Pt(上部電極):ヤング率YPt=168GPa、ポアソン比σPT=0.39
なお、Nb30%ドープ、Scドープなしの比較例3では圧電性能が非常に低かったのに対して、わずか1.1%のScドープにより、圧電性能の顕著な向上が見られた。XRDの観察結果と併せて検討すると、1.1%のScドープによりNb30%ドープの場合においてもペロブスカイト構造を形成することが可能となり、圧電性が飛躍的に向上したと考えられる。
11 基板
12 密着層
13 下部電極
14 圧電体膜
15 上部電極
Claims (7)
- 下記一般式Pで表されるペロブスカイト型酸化物を含む圧電体膜であって、
A1+δ[(Zr,Ti)1−x−yNbxScy]Oz・・・一般式P
該一般式P中、AはPbを主成分とするAサイト元素であり、δ=0及びz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で標準値からずれてもよく、
0.1≦x≦0.3、0<y≦0.49xである圧電体膜。 - 0<y≦0.049
である請求項1記載の圧電体膜。 - 0<y≦0.03
である請求項1記載の圧電体膜。 - 0.1≦x≦0.2である請求項1から3いずれか1項記載の圧電体膜。
- 多数の柱状結晶からなる柱状結晶膜である請求項1から4いずれか1項記載の圧電体膜。
- 膜厚が1μm以上である請求項1から5のいずれか1項記載の圧電体膜。
- 請求項1から6いずれか1項記載の圧電体膜と、該圧電体膜に対して電界を印加する電極とを備えた圧電素子。
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