KR20210052547A - 질화물 압전체 및 이를 이용한 mems 디바이스 - Google Patents
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Abstract
어떤 원소도 첨가되지 않은 질화 알루미늄보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33, k2)의 값을 갖는 압전체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 화학식 Al1-X-YMgXMYN으로 표시되고, X+Y가 1보다 작으며 또 X는 0보다 크고 1보다 작고, Y는 0보다 크고 1보다 작은 범위에 있다.
Description
본 발명은, 마그네슘과 함께 소정의 원소를 첨가한 질화 알루미늄의 압전체 및 이를 이용한 MEMS 디바이스에 관한 것이다.
압전(壓電) 현상을 이용하는 디바이스는, 폭 넓은 분야에서 이용되고 있으며, 소형화 및 저전력화가 강하게 요구되고 있는 휴대 전화기 등의 휴대용 기기에 있어서 그 사용이 확대되고 있다. 일례로서, 박막 벌크 음향파 공진자(Film Bulk Acoustic Resonator; FBAR)를 이용한 FBAR 필터가 있다.
FBAR 필터는, 압전 응답성을 나타내는 박막의 두께 세로 진동 모드를 이용한 공진자에 의한 필터이며, 기가 헤르쯔 대역에서의 공진이 가능하다는 특성이 있다. 이러한 특성을 갖는 FBAR 필터는, 저손실이며 또 광대역에서 동작 가능하기 때문에 휴대용 기기의 한층 더한 고주파 대응화, 소형화 및 저전력화에 기여할 것으로 기대되고 있다.
이러한 FBAR에 이용되는 압전체 박막의 압전체 재료로서는, 예컨대 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄(특허문헌 1 참조)이나, 저렴한 마그네슘과 니오브를 첨가한 질화 알루미늄(비특허문헌 1 참조) 등이 꼽힌다. 특히 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄은, 높은 압전 정수(定數)를 가지며, 차세대의 고주파 필터로의 이용이 기대되고 있다. 또한, 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄은, 압력 센서나 가속도 센서, 자이로 센서 등의 물리 센서, 액츄에이터 등의 다양한 MEMS 디바이스로의 이용이 기대되고 있다.
M. Uehara, H. Shigemoto, Y. Fujio, t. Nagase, Y. Aida, K. Umeda and M. Akiyama, Appl. Phys. Lett. 111, 112901(2017)
그러나, 스칸듐(Sc)은 고가의 희토류 원소이며, 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄(AlN)으로 구성된 압전체는 다른 물질로 구성된 압전체에 비해 제조 비용이 고액이 되는 문제점이 있었다.
또한, 본 발명자는, 질화 알루미늄에 Sc 등의 원소를 도핑시키면 압전 정수 등이 향상하여 도핑하는 원소의 농도가 높아지면 그 압전 정수 등도 높아지는 경향이 있다는 것을 발견했다. 그러나, 질화 알루미늄에 도핑되는 단독 원소의 농도의 상한값은 낮아서 그대로는 높은 압전 정수 등을 갖는 압전체를 제작할 수 없는 문제점이 있었다.
그리고 또한, MEMS 디바이스에 사용되는 압전체는, 그 MEMS 디바이스의 목적에 따른 성능 지수로 평가할 필요가 있다. 특히, 압전체를 액츄에이터나 센서로서 이용할 때에는, 전압을 인가했을 때에 생기는 왜곡의 크기를 나타내는 d33나 압력을 가했을 때에 생기는 전압을 나타내는 g33의 압전 정수를 평가할 필요가 있다. 게다가, 전기적 에너지와 기계적 에너지의 변환 효율을 나타내는 k2도 중요한 성능 지수가 된다. 그러나, 이러한 성능 지수에 관해, 비특허문헌 1에 기재된 질화 알루미늄을 포함해서, 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄의 값과 같은 정도 또는 그것을 뛰어넘는 것이 없다는 문제점이 있었다.
또한, 압전 정수 d33의 산출에 있어서는, 왜곡하지 않도록 구속된 압전체에 전계를 인가했을 때에 발생하는 응력 e33과, 압전체에 응력을 작용시켰을 때에 발생하는 왜곡의 비례 정수 C33가 필요해진다. 또한, 압전 출력 정수 g33나 전기기계 결합 정수 k2의 산출에서는 상기의 물성치에 더하여, 압전체의 유전율 ε33도 필요하다. 일반적으로 압전체 박막은 우루츠광(wurtzite)형 결정 구조가 c축 방향으로 배향되어 있어서 c축 성분의 압전 성능 지수가 중요해진다.
따라서, 본 발명은, 상술한 사정을 감안하여, 어떤 원소도 첨가되지 않은 질화 알루미늄보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 질화물 압전체 및 이를 이용한 MEMS 디바이스를 제공하는 것을 목적으로한다.
이때, 「높은 성능 지수」란, 성능 지수의 수치가 큰 것을 의미하는 것이 아니라, 뛰어난 성능 지수인 것을 의미한다.
본 발명의 발명자는, 상술한 문제점에 관해서 예의 연구를 계속한 결과, 질화 알루미늄(AlN)에 마그네슘(Mg)과 함께 소정의 원소(치환 원소 M)를 첨가(도핑시킨다)하면 높은 성능 지수 값을 갖는 질화 알루미늄을 제조할 수 있음을 알아내고, 이하와 같은 획기적인 압전체를 발명하였다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1의 양태는, 화학식 Al1-X-YMgXMYN으로 나타내고, X+Y가 1보다 작으며 또 X는 0보다 크고 1보다 작고, Y는 0보다 크고 1보다 작은 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전체에 있다. 이때, M은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Os, Ir, Pt, Au 중 어느 하나를 나타낸다.
이러한 제1 양태에서는, 첨가(도핑)한 원소(마그네슘과 치환 원소 M)와 같은 농도의 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
본 발명의 제2의 양태는, X+Y가 0.65이하이며 또 X는 0보다 크고 0.65보다 작고, Y는 0보다 크고 0.65보다 작은 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제1 양태에 기재된 압전체에 있다.
이러한 제2의 양태에서는, 첨가한 원소(마그네슘과 치환 원소 M)와 같은 농도의 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
본 발명의 제3의 양태는, X+Y가 0.375이하이며 또 X는 0보다 크고 0.1875이하, Y는 0보다 크고 0.1875이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제1의 양태에 기재된 압전체에 있다.
이러한 제3의 양태에서는, 첨가한 원소(마그네슘과 치환 원소 M)와 같은 농도의 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
본 발명의 제4의 양태는, X+Y가 0.125이하이며 또 X는 0보다 크고 0.0625이하이고, Y는 0보다 크고 0.0625이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제1의 양태에 기재된 압전체에 있다.
이러한 제4의 양태에서는, 첨가한 원소(마그네슘과 치환 원소 M)과 같은 농도의 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
본 발명의 제5의 양태는, M은, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Os, Ir, Pt, Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제1 내지~ 제4의 양태 중 어느 하나에 기재된 압전체에 있다.
이러한 제5의 양태에서는, 첨가한 원소(마그네슘과 치환 원소 M)와 같은 농도의 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄보다도 더 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
본 발명의 제6의 양태는, M은, Cr 또는 Mn인 것을 특징으로 하는 제1 내지 제4의 양태 중 어느 하나에 기재된 압전체에 있다.
이러한 제6의 양태에서는, 첨가한 원소(마그네슘과 치환 원소 M)의 농도(몰%)와 같은 농도 X(몰%)의 스칸듐을 첨가한 Al1-xScxN과 비교해서, 혼합 엔탈피(enthalpy)가 보다 낮고, 그리고 또한 제조하기 쉬운 압전체를 제공할 수 있다. 또한, 원소(마그네슘과 치환 원소 M)를 첨가한 질화 알루미늄 쪽이, 같은 농도의 스칸듐을 첨가한 질화 알루미늄보다도 혼합 엔탈피가 작기 때문에, 스칸듐보다도 원소(마그네슘과 치환 원소 M)의 고용(固溶) 농도를 높일 수 있다. 그 결과, 기존의 압전체보다도 더 높은 성능 지수의 값을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
본 발명의 제7의 양태는, 제1 내지 제6의 양태 중 어느 하나에 기재된 압전체를 이용한 MEMS 디바이스에 있다.
여기서, 「MEMS 디바이스」란, 미소(微小) 전기기계 시스템이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 압력 센서, 가속도 센서, 자이로 센서 등의 물리 센서나 액츄에이터, 마이크폰, 지문 인증 센서, 진동 발전기 등을 들 수 있다.
이러한 제7의 양태에서는, 이러한 높은 압전 정수 d33의 값을 갖는 압전체는, 저손실이며 또한 광대역에서 동작 가능하다. 따라서, 이러한 압전체를 이용함으로써 휴대용 기기의 한층 더한 고주파 대응화, 소형화 및 저전력화에 기여할 수 있는 MEMS 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1은, Al0.875Mg0.0625Cr0.0625N, Al0.875Sc0.125N, 및 Al0.875Cr0.125N의 혼합 엔탈피(Mixing Enthalpy)의 값을 나타내는 그래프이고,
도 2는, 실시 형태 1에 따른 시뮬레이션에 이용한 도핑 AlN의 계산 모델의 일례를 나타내는 도면이고,
도 3은, 비(non)도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 격자 정수비 c/a와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 4는, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 응력 정수(Piezoelectric Stress Constant) e33과의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 5는, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 탄성 정수(Elastic Constant) C33와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 혼합 엔탈피와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 7은, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 전기기계 결합 계수(Electromechanical Coupling Value) k2와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 8은, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 정수(Piezoelectric Charge Constant) d33와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 9는, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 출력 정수(Piezoelectric Voltage Constant) g33와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 10은, 농도 X(Sc), X+Y(Mg+Cr)와 압전체의 혼합 엔탈피와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 11은, 농도 X(Sc), X+Y(Mg+Cr)와 압전체의 격자 정수비 c/a와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 12는, 농도 X+Y(Mg+Cr)와 압전체의 압전 응력 정수 e33와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 실시 형태 1에 따른 시뮬레이션에 이용한 도핑 AlN의 계산 모델의 일례를 나타내는 도면이고,
도 3은, 비(non)도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 격자 정수비 c/a와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 4는, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 응력 정수(Piezoelectric Stress Constant) e33과의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 5는, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 탄성 정수(Elastic Constant) C33와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 혼합 엔탈피와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 7은, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 전기기계 결합 계수(Electromechanical Coupling Value) k2와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 8은, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 정수(Piezoelectric Charge Constant) d33와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 9는, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 출력 정수(Piezoelectric Voltage Constant) g33와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 10은, 농도 X(Sc), X+Y(Mg+Cr)와 압전체의 혼합 엔탈피와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 11은, 농도 X(Sc), X+Y(Mg+Cr)와 압전체의 격자 정수비 c/a와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 12는, 농도 X+Y(Mg+Cr)와 압전체의 압전 응력 정수 e33와의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에 첨부 도면을 참조해서, 본 발명에 따른 압전체의 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
(실시 형태 1)
우선, 발명자가, 알루미늄(Al)과 질소(N)만으로 이루어지는 질화 알루미늄(비도핑 AlN)에 대해서 행한 시뮬레이션에 관해서 설명한다. 시뮬레이션에는, 제1 원리 계산(first-principles calculation)이라는 계산 방법을 채용하고 있는 VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)라는 소프트웨어를 이용하였다. 여기서, 제1 원리 계산이란, 피팅 파라미터 등을 사용하지 않는 전자상태 계산방법의 총칭이며, 단위 격자 또는 분자 등을 구성하는 각 원자의 원자 번호와 좌표만으로 전자 상태를 계산할 수 있는 수법이다.
본 실시 형태의 시뮬레이션에서는, 2개의 알루미늄 원자와 2개의 질소 원자로 이루어진 단위 격자를, a축, b축, 및 c축 방향으로 각각 2배한 16개의 알루미늄 원자와 16개의 질소 원자로 이루어진 슈퍼 셀의 우루츠광형 결정 구조의 비도핑 AlN을 시뮬레이션에 이용하였다. 그리고, 이 우루츠광형 결정 구조의 AlN에 대해서, 원자 좌표, 셀 체적 및 셀 형상 모두를 동시에 움직여서 제1 원리 계산을 행하고, 안정 구조의 비도핑 AlN의 전자 상태를 계산했다.
표 1은, 제1 원리 계산으로 구한 안정 구조의 AlN의 전자 상태에서 산출한 a축 방향의 격자 정수, c축 방향의 격자 정수 및 a축 방향의 격자 정수와 c축 방향의 격자 정수와의 비(c/a)의 값(계산값)이다. 또한, 실제로 스퍼터링법을 이용하여 비도핑 AlN막을 성막해서, 이 AlN 막에 대해서 X선 회절법을 이용하여 측정한 실험 값에 관해서도 표 1에 나타낸다.
[표 1]
이 표에 나타내는 바와 같이, 각 계산 값은, 실험 값과 거의 같은 수치가 되고, 이들의 상대 오차는 1% 이내에 들어간다. 이 결과로부터 본 실시 형태에서의 시뮬레이션은 충분히 신뢰할 수 있는 것으로 나타났다.
이어서, 질화 알루미늄(AlN)에, 마그네슘(Mg)과 함께 치환 원소 M(M은, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Os, Ir, Pt, Au 중 어느 하나를 나타낸다)을 도핑시킴으로써, 치환 원소 M만을 도핑한 AlN와 비교해서, 보다 많은 원소(Mg와 치환 원소 M)를 도핑할 수 있다는 것을 나타낸다.
그 일례로서, 도 1에, Mg와 함께, 치환 원소 M으로서 Cr을 도핑시킨 질화 알루미늄(Al0.875Mg0.0625Cr0.0625N)의 혼합 엔탈피와, 같은 농도의 Sc만을 도핑시킨 질화 알루미늄(Al0.875Sc0.125N) 및 같은 농도의 Cr만을 도핑시킨 질화 알루미늄(Al0.875Cr0.125N)의 혼합 엔탈피를 각각 나타낸다. 또한, 각 질화 알루미늄의 혼합 엔탈피(ΔHmixing)는, VASP에 의해 산출된 각 수치를 하기의 수식 1에 대입함으로써 구할 수 있다.
[수식 1]
이 도면에서 알 수 있듯이, Mg와 함께 Cr을 도핑시킨 AlN의 혼합 엔탈피 (Mixing Enthalpy)는, 같은 농도의 Sc만을 도핑시킨 AlN이나 Cr만을 도핑시킨 AlN의 혼합 엔탈피보다도 낮은 것을 알 수 있다. 즉, Cr을 AlN에 고용시키는 것보다도 같은 농도의 원소(Mg+Cr)를 AlN에 고용시키는 쪽이 열역학적으로 유리하다는 것을 알 수 있다. 이 때문에, 스칸듐보다도 원소(Mg와 Cr)를 많이(높은 농도로) AlN에 도핑할 수 있음을 알았다.
또한, 본 실시 형태에서는, Mg와 함께 Cr을 도핑시킨 질화 알루미늄(Al0.875Mg0.0625Cr0.0625N)의 혼합 엔탈피를 예로 들어 설명했지만, Mg와 함께 Cr 이외의 치환 원소 M(Re을 제외)을 도핑시킨 질화 알루미늄의 혼합 엔탈피도 마찬가지로 낮아진다. 따라서, 스칸듐보다도 원소(Mg+치환원소M(Re을 제외))를 많이(높은 농도로) AlN에 도핑시킬 수 있다.
이어서, 질화 알루미늄(AlN)에, 마그네슘(Mg)과 함께 치환 원소 M을 도핑시킨 도핑 AlN에 대해서 행한 시뮬레이션에 관해서 설명한다. 도 2는, 본 실시 형태에 따른 시뮬레이션에 이용한, 마그네슘과 치환 원소 M을 도핑시킨 도핑 AlN의 결정 구조의 일례를 나타내는 도면이다.
이 도면에서 나타내는 바와 같이, 이 도핑 AlN의 결정 구조는, 16개의 Al 원자와 16개의 N원자로 이루어진 단위 격자 중, 1개의 Al원자를 Mg원자로 대체하며 또 1개의 Al원자를 치환 원소 M원자로 대체한 우루츠광형 결정 구조로 되어 있다. 이때, Al원자수와, Mg원자수 및 치환 원소 M 원자수의 총수를 1로 했을 때의, Mg원자의 개수를 X로 하고, 치환 원소 M원자의 개수를 Y로 한다. 그러면, 이 시뮬레이션에 이용한 도핑 AlN의 Mg원자의 농도 X 및 치환 원소 M의 농도 Y는 모두 0.0625가 된다. 또한, 이러한 도핑 AlN은, 상술한 비특허문헌1에 기재된 제조 방법으로 실제로 제작할 수 있다.
본 실시형태에서는, 치환 원소 M으로서, 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au)을 사용하였다.
이러한 도핑 AlN나 Sc만을 도핑시킨 AlN에 대해서도, 비도핑 AlN의 경우와 마찬가지로, 제1 원리 계산에 의해 안정 구조의 전자 상태를 계산할 수 있다. 그리고, 이 전자 상태에서 a축 방향의 격자 정수, c축 방향의 격자 정수 및 격자 정수비 c/a의 값을 산출할 수 있다.
그리고, 안정 구조의 비도핑 AlN, Sc만을 도핑시킨 AlN 및 도핑 AlN의 결정 격자 각각에 미세한 왜곡을 강제적으로 가한다. 그러면 그때의 전(全)에너지의 미소 변화에서, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑시킨 AlN 및 도핑 AlN의 압전 응력 정수 e33, 탄성 정수 C33 및 유전율 ε33을 각각 계산할 수 있다. 즉, 제1 원리 계산을 이용하여, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 도핑 AlN의 압전 응력 정수 e33, 탄성 정수 C33 및 유전율 ε33을 각각 계산할 수 있다.
표 2에, 얻어진 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN의 격자 정수 c, 격자 정수 a, 격자 정수비 c/a, 압전 응력 정수 e33, 탄성 정수 C33 및 유전율 ε33을 나타낸다. 이때, 압전 응력 정수 e33은, 큰 수치일수록 높은 성능 지수인 것을 나타낸다. 한편, 탄성 정수 C33은, 작은 수치일수록 높은 성능 지수인 것을 나타낸다.
[표 2]
또한, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 격자 정수비 c/a의 관계를 나타내는 그래프를 도 3에, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 응력 정수 e33의 관계를 나타내는 그래프를 도 4에, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 탄성 정수 C33의 관계를 나타내는 그래프를 도 5에 각각 나타낸다.
한편, c축 방향의 압전 응력 정수 e33, 탄성 정수 C33 및 유전율 ε33과, 전기기계 결합 계수 k2 사이에는, 하기 수식 2의 관계식이 성립한다. 또한, 압전 정수 d33와, 압전 응력 정수 e33 및 탄성 정수 C33 사이에는, 하기 수식 3의 관계식이 각각 성립한다. 이때, 이들 관계식에, 상기에서 산출된 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 도핑 AlN의 압전 정수 e33, 탄성 정수 C33 및 유전율 ε33 등을 각각 대입함으로써, 비도핑 AlN , Sc만을 도핑한 AlN 및 도핑 AlN의 전기기계 결합 계수 k2, 압전 정수 d33 및 압전 출력 정수 g33을 각각 산출할 수 있다. 또한, 탄성 정수 C11, C12, C13이나 압전 응력 정수 e31는, 압전 응력 정수 e33, 탄성 정수 C33와 동일하게 해서 산출할 수 있다.
[수식 2]
[수식 3]
이어서, 얻어진 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN의 혼합 엔탈피, 전기기계 결합 계수 k2, 압전 정수 d33 및 압전 출력 정수 g33을 표 3에 나타낸다. 이때, 전기기계 결합 계수 k2, 압전 정수 d33 및 압전 출력 정수 g33는, 큰 수치일수록 높은 성능 지수인 것을 나타낸다.
[표 3]
또한, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN와 혼합 엔탈피와의 관계를 나타내는 그래프를 도 6에, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 전기기계 결합 계수 k2의 관계를 나타내는 그래프를 도 7에, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN과 압전 정수 d33의 관계를 나타내는 그래프를 도 8에, 비도핑 AlN, Sc만을 도핑한 AlN 및 각 도핑 AlN와 압전 출력 정수 g33의 관계를 나타내는 그래프를 도 9에 각각 나타낸다.
또한, 상술한 방법과 같은 방법을 이용하여, 표 3에 기재된 것과는 다른 도핑 AlN의 압전 정수 d33, 압전 응력 정수 e33 및 탄성 정수 C33를 산출했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
[표 4]
이들로부터, Mg과 함, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Os, Ir, Pt, Au 중 어느 하나를 도핑한 AlN은, 어떤 원자도 도핑되어 있지 않은 AlN보다도 높은 성능 지수(d33, e33, C33, g33 및 k2 중 적어도 어느 하나)의 값을 갖는 것으로 나타났다.
게다가, 이러한 높은 성능 지수를 갖는 압전체는, 저손실이며 또 광대역에서 동작 가능하다. 따라서 이러한 압전체를 이용함으로써 휴대용 기기의 한층 더한 고주파 대응화, 소형화 및 저전력화에 기여할 수있는 MEMS 디바이스를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 화학식 Al1-X-YMgXMYN으로 나타낸 압전체 중, X=0.0625, Y=0.0625인 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, X+Y가 1보다 작고 또 X는 0보다 크고 1보다 작으며, Y는 0보다 크고 1보다 작은 범위이면 된다.
그리고, 이러한 변수X, Y는, X+Y가 0.65이하이고, 또 X는 0보다 크고 0.65보다 작으며, Y는 0보다 크고 0.65보다 작은 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 범위이면 압전체를 확실하게 제조할 수 있다. 예를 들면, 도 10에 나타내는 바와 같이, 치환 원소 M으로서 Cr을 도핑시킨 압전체의 경우(Mg와 Cr은 같은 농도(몰%)로 첨가되어 있다)에는, 농도 X+Y가 커짐에 따라서 혼합 엔탈피가 작아진다. 한편, Sc를 도핑시킨 압전체의 경우에는, 농도 X가 커짐에 따라서 혼합 엔탈피는 커진다. 따라서, 같은 농도의 Sc를 도핑시킨 압전체보다도 Mg와 함께 Cr을 도핑시킨 압전체 쪽이 제조하기 쉬운 것을 알 수 있다.
이어서, 도 11에, 농도 X+Y(Mg와 Cr은 같은 농도(몰%)로 첨가되어 있다)와 압전체의 격자 정수비 c/a의 관계를 나타낸다. 이 도면에서 알 수 있듯이, Mg와 함께 Cr을 도핑시킨 압전체는, Sc를 도핑시킨 압전체와 마찬가지로 X+Y(Sc의 경우는 X)가 증가함에 따라서 격자 정수비 c/a가 저하하는 것을 알 수 있다.
그리고 또한, 도 12에, 농도 X+Y(Mg와 Cr은 같은 농도(몰%)로 첨가되어 있다)와 압전체의 압전 응력 정수 e33의 관계를 나타낸다. 이 도면에서 알 수 있듯이, Mg와 함께 Cr을 도핑시킨 압전체는, X+Y가 커짐에 따라서 압전 응력 정수 e33가 높아지는 것을 알 수 있다.
또한, 이러한 변수 X, Y는, X+Y가 0.375이하이고 또 X는 0보다 크고 0.1875이하, Y는 0보다 크고 0.1875 이하의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다.
그리고 또한, 이러한 변수 X, Y는, X+Y가 0.125이하이고 또 X는 0보다 크고 0.0625이하, Y는 0보다 크고 0.0625이하의 범위에 있는 것이 특히 바람직하다.
Claims (7)
- 화학식 Al1-X-YMgXMYN으로 표시되고, X+Y가 1보다 작으며 또 X는 0보다 크고 1보다 작고, Y는 0보다 크고 1보다 작은 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전체.
(M은, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Os, Ir, Pt, Au중 어느 하나를 나타낸다.)
- 제1항에 있어서,
X+Y가 0.65이하이며 또 X는 0보다 크고 0.65보다 작고, Y는 0보다 크고 0.65보다 작은 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전체.
- 제1항에 있어서,
X+Y가 0.375이하이며 또 X는 0보다 크고 0.1875이하, Y는 0보다 크고 0.1875 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전체.
- 제1항에 있어서,
X+Y가 0.125이하이며 또 X는 0보다 크고 0.0625이하, Y는 0보다 크고 0.0625 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
M은, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Os, Ir, Pt, Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
M은, Cr 또는 Mn인 것을 특징으로 하는 압전체.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 압전체를 이용한 MEMS 디바이스.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| GRNT | Written decision to grant |