WO2018008651A1 - Piezoelectric film, method for producing same and piezoelectric component using piezoelectric film - Google Patents
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Abstract
The present invention improves the piezoelectric constant of a GaN piezoelectric film.
A piezoelectric film which is formed of a gallium nitride crystal having a wurtzite structure, and wherein the gallium nitride crystal contains at least one trivalent transition metal element, while having a structure in which some of the gallium atoms in the gallium nitride crystal are substituted by the trivalent transition metal element.
Description
本発明は、圧電膜及びその製造方法並びに圧電膜を用いた圧電部品に関する。
The present invention relates to a piezoelectric film, a manufacturing method thereof, and a piezoelectric component using the piezoelectric film.
圧電効果、逆圧電効果を有する圧電体を利用するデバイスは幅広い分野において用いられており、省電力化が求められる通信機器等においてその使用が拡大している。その一例としてＭＥＭＳデバイス等を挙げることができる。
Devices using a piezoelectric body having a piezoelectric effect and a reverse piezoelectric effect are used in a wide range of fields, and their use is expanding in communication devices and the like that require power saving. An example thereof is a MEMS device.
ＭＥＭＳデバイス等に用いられる圧電体の材料としてはＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等を挙げることができる。この中でも特にＧａＮは、ＬＥＤの材料として広く利用されているため、その製造プロセスが確立されており、製造コストを低減することができる。また、ＧａＮ圧電体は非特許文献１の通り、Ｑ値の特性が良好であることが知られている。
Examples of piezoelectric materials used in MEMS devices include GaN (gallium nitride), AlN (aluminum nitride), and ZnO (zinc oxide). Among these, since GaN is widely used as a material for LEDs, its manufacturing process has been established and manufacturing costs can be reduced. Further, as described in Non-Patent Document 1, the GaN piezoelectric body is known to have good Q value characteristics.
さらに、ＧａＮやＡｌＮなどの圧電膜に様々な元素を添加することにより圧電定数を向上される研究が行われている。特に非特許文献２には、スパッタリングによってＧａＮ圧電膜にＹｂ（イッテルビウム）を添加することによって、ＧａＮ圧電膜の圧電性が向上することが開示されており、非特許文献３にはＡｌＮ圧電膜にＳｃ（スカンジウム）を添加することによりＡｌＮ圧電膜の圧電定数が向上することが開示されている。
Furthermore, studies are being made to improve the piezoelectric constant by adding various elements to a piezoelectric film such as GaN or AlN. In particular, Non-Patent Document 2 discloses that adding Yb (ytterbium) to a GaN piezoelectric film by sputtering improves the piezoelectricity of the GaN piezoelectric film. Non-Patent Document 3 discloses an AlN piezoelectric film. It is disclosed that the piezoelectric constant of the AlN piezoelectric film is improved by adding Sc (scandium).
しかし、非特許文献１乃至３に記載されているような従来の研究では、圧電定数が向上するメカニズムが解明されておらず、圧電膜に添加する元素も限定的なものであった。さらに、従来の研究ではＧａＮ圧電膜は、十分な圧電性が得られておらず、改善の余地があった。
However, in the conventional research as described in Non-Patent Documents 1 to 3, the mechanism for improving the piezoelectric constant has not been elucidated, and the elements added to the piezoelectric film are limited. Furthermore, in the conventional research, the GaN piezoelectric film has not obtained sufficient piezoelectricity, and has room for improvement.
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圧電膜において、圧電定数を向上させることを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to improve the piezoelectric constant in a GaN piezoelectric film.
本発明の一側面に係る圧電膜は、ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電膜であって、窒化ガリウム結晶は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれかを含み、窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が前記３価の遷移金属元素に置換された構造を有する。
A piezoelectric film according to one aspect of the present invention is a piezoelectric film made of a gallium nitride crystal having a wurtzite structure, and the gallium nitride crystal contains at least one of trivalent transition metal elements, and is contained in the gallium nitride crystal. In which a part of the gallium atoms is substituted with the trivalent transition metal element.
本発明によれば、ＧａＮ圧電膜において、圧電定数を向上させることができる。
According to the present invention, the piezoelectric constant can be improved in the GaN piezoelectric film.
［第１実施形態］
（１．圧電デバイスの構成）
以下、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実施形態に係る圧電デバイス１０（圧電部品の一例である。）の一例を概略的に示す平面図である。圧電デバイス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、本発明に係る圧電膜が用いられるのは面内振動するＭＥＭＳ振動子に限定されず、厚み縦振動子等に用いられても良い。 [First Embodiment]
(1. Configuration of piezoelectric device)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of a piezoelectric device 10 (an example of a piezoelectric component) according to the first embodiment of the present invention. Thepiezoelectric device 10 is a MEMS vibrator manufactured using MEMS technology, and vibrates in the plane within the XY plane in the orthogonal coordinate system of FIG. The piezoelectric film according to the present invention is not limited to a MEMS vibrator that vibrates in a plane, and may be used for a thickness longitudinal vibrator or the like.
（１．圧電デバイスの構成）
以下、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実施形態に係る圧電デバイス１０（圧電部品の一例である。）の一例を概略的に示す平面図である。圧電デバイス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、本発明に係る圧電膜が用いられるのは面内振動するＭＥＭＳ振動子に限定されず、厚み縦振動子等に用いられても良い。 [First Embodiment]
(1. Configuration of piezoelectric device)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of a piezoelectric device 10 (an example of a piezoelectric component) according to the first embodiment of the present invention. The
図１に示すように、圧電デバイス１０は、振動部１２０と、保持部１４０と、保持腕１１０を備えている。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric device 10 includes a vibrating part 120, a holding part 140, and a holding arm 110.
振動部１２０は、ＸＹ平面に沿って平面状に広がる矩形形状の輪郭を有している。振動部１２０は、保持部１４０と所定の隙間を隔てて、保持部１４０の内側に設けられている。すなわち、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。
The vibrating unit 120 has a rectangular outline that extends in a plane along the XY plane. The vibration unit 120 is provided inside the holding unit 140 with a predetermined gap from the holding unit 140. That is, a space is formed between the vibrating unit 120 and the holding unit 140 at a predetermined interval.
保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外縁を囲むように、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。
The holding part 140 is formed in a rectangular frame shape so as to surround the outer edge of the vibration part 120 along the XY plane. For example, the holding part 140 is integrally formed from a prismatic frame. In addition, the holding | maintenance part 140 should just be provided in at least one part of the circumference | surroundings of the vibration part 120, and is not limited to a frame shape.
保持腕１１０は、振動部１２０と保持部１４０との間に設けられ、振動部１２０と保持部１４０とを接続する。
The holding arm 110 is provided between the vibrating unit 120 and the holding unit 140, and connects the vibrating unit 120 and the holding unit 140.
（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。 (2. Laminate structure of vibration part)
Next, the laminated structure of thevibration unit 120 according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
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。 (2. Laminate structure of vibration part)
Next, the laminated structure of the
本実施形態において、振動部１２０は、基板Ｆ１上に、下部電極Ｅ１、圧電薄膜Ｆ２（圧電膜の一例である。）及び上部電極Ｅ２が積層された構造を有する。
In the present embodiment, the vibration unit 120 has a structure in which a lower electrode E1, a piezoelectric thin film F2 (an example of a piezoelectric film), and an upper electrode E2 are stacked on a substrate F1.
基板Ｆ１は、酸化Ｓｉ（シリコン）層Ｆ１１と、Ｓｉ層Ｆ１２とから成る。酸化Ｓｉ層Ｆ１１は、例えば厚さ４００ｎｍ程度のＳｉＯ２の層である。また、Ｓｉ層Ｆ１２は、例えば、厚さが１０μｍ程度であり、抵抗率が１ｍΩ・ｃｍ（濃度７×１０１９／ｃｍ３）程度である縮退したｎ型Ｓｉから形成されている。Ｓｉ層Ｆ１２は、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。
The substrate F1 includes an oxidized Si (silicon) layer F11 and an Si layer F12. The oxidized Si layer F11 is a layer of SiO 2 having a thickness of about 400 nm, for example. In addition, the Si layer F12 is made of degenerate n-type Si having a thickness of about 10 μm and a resistivity of about 1 mΩ · cm (concentration 7 × 10 19 / cm 3 ), for example. The Si layer F12 can contain P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), or the like as an n-type dopant.
下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２は、例えばＴｉ(チタン)、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）等の金属材料を用いて形成される。下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２の厚さは例えば１００ｎｍ程度である。なお、下部電極Ｅ１にHfを用いることでより圧電性を向上させることができるので、好ましい。この場合、下部電極Ｅ１のＨｆはＴｉ、Ａｌ、Ａｕといった別の金属膜の上に形成してもよい。これによって、比抵抗が低いので配線抵抗を減らすことができる。
The lower electrode E1 and the upper electrode E2 are formed using a metal material such as Ti (titanium), Al (aluminum), Au (gold), and the like. The thicknesses of the lower electrode E1 and the upper electrode E2 are, for example, about 100 nm. In addition, since piezoelectricity can be improved more by using Hf for the lower electrode E1, it is preferable. In this case, Hf of the lower electrode E1 may be formed on another metal film such as Ti, Al, or Au. Thereby, since the specific resistance is low, the wiring resistance can be reduced.
なお、Ｓｉ層Ｆ１２と下部電極Ｅ１との間には、例えば、Ｔｉ(チタン)やＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成る２０ｎｍ程度のシード層を設けてもよい。
Note that a seed layer of about 20 nm made of, for example, Ti (titanium) or AlN (aluminum nitride) may be provided between the Si layer F12 and the lower electrode E1.
圧電薄膜Ｆ２は、印加された電圧を振動に変換する圧電性を有する薄膜である。圧電薄膜Ｆ２の厚さは例えば１０００ｎｍ程度である。圧電薄膜Ｆ２は、下部電極Ｅ１及び上部電極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。
The piezoelectric thin film F2 is a thin film having piezoelectricity that converts an applied voltage into vibration. The thickness of the piezoelectric thin film F2 is, for example, about 1000 nm. The piezoelectric thin film F2 expands and contracts in the in-plane direction of the XY plane according to the electric field applied to the piezoelectric thin film F2 by the lower electrode E1 and the upper electrode E2. Due to the expansion and contraction of the piezoelectric thin film F2, the vibration unit 120 undergoes contour vibration in the Y-axis direction.
圧電薄膜Ｆ２の構造について説明する。圧電薄膜Ｆ２は、ウルツ鉱構造を有するＧａＮ（窒化ガリウム）結晶からなる。圧電薄膜Ｆ２を構成するＧａＮ結晶は、ＧａＮ結晶中における一部のＧａ原子が所定の原子（以下、「置換原子」とも呼ぶ。また、置換原子の元素を「置換元素」とも呼ぶ。）に置換された構造を有する。本実施形態において、置換元素は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つ以上を含む。例えば、置換元素は、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）及びＳｃ（スカンジウム）の少なくともいずれかである。また、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、Ｇａ原子の数と置換原子の数との総量に対する、置換原子の数の割合（以下、「置換原子の割合」とも呼ぶ。）が所定の値に設定される。これにより、良好な圧電性を有する圧電薄膜を得ることができる。
The structure of the piezoelectric thin film F2 will be described. The piezoelectric thin film F2 is made of a GaN (gallium nitride) crystal having a wurtzite structure. In the GaN crystal constituting the piezoelectric thin film F2, a part of Ga atoms in the GaN crystal is replaced with a predetermined atom (hereinafter also referred to as “substitution atom”. The element of the substitution atom is also referred to as “substitution element”). Has a structured. In the present embodiment, the substitution element includes at least one or more of trivalent transition metal elements. For example, the substitution element is at least one of Lu (lutetium), Yb (yttrium), Y (yttrium), Ho (holmium), Dy (dysprosium), and Sc (scandium). In the piezoelectric thin film F2 according to this embodiment, the ratio of the number of substitution atoms to the total amount of the number of Ga atoms and the number of substitution atoms (hereinafter also referred to as “ratio of substitution atoms”) is a predetermined value. Is set. Thereby, a piezoelectric thin film having good piezoelectricity can be obtained.
置換原子がＬｕ原子である場合、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａ原子の数と、Ｌｕ原子の数との総量に対する、Ｌｕ原子の数の割合（以下、「Ｌｕ原子の割合」とも呼ぶ。）は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは４０ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。これにより、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができる。
When the substitution atom is a Lu atom, the ratio of the number of Lu atoms to the total amount of Ga atoms and Lu atoms in the piezoelectric thin film F2 (hereinafter also referred to as “Lu atom ratio”) is 0 at. % And less than 50 at%, more preferably 40 at% or more and less than 50 at%. Thereby, the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film F2 can be improved. As a result, the piezoelectric thin film F2 can obtain a good electromechanical coupling coefficient.
また、置換原子がＹ原子である場合、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａ原子の数と、Ｙ原子の数との総量に対する、Ｙ原子の数の割合（以下、「Ｙ原子の割合）とも呼ぶ。）は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができる。
Further, when the substitution atom is a Y atom, the ratio of the number of Y atoms to the total amount of Ga atoms and Y atoms in the piezoelectric thin film F2 (hereinafter also referred to as “Y atom ratio”). In this case, the piezoelectric thin film F2 can improve the piezoelectric constant, and as a result, the piezoelectric thin film F2 can be improved. A good electromechanical coupling coefficient can be obtained.
さらに、置換原子がＤｙ原子である場合、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａ原子の数と、Ｄｙ原子の数との総量に対する、Ｄｙ原子の数の割合（以下、「Ｄｙ原子の割合」とも呼ぶ。）は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができる。
Further, when the substitution atom is a Dy atom, the ratio of the number of Dy atoms to the total amount of the number of Ga atoms and the number of Dy atoms in the piezoelectric thin film F2 (hereinafter also referred to as “the ratio of Dy atoms”). , Preferably greater than 0 at% and less than 50 at%, more preferably 37.5 at% or more and less than 50 at%. In this case, the piezoelectric thin film F2 can improve the piezoelectric constant. As a result, the piezoelectric thin film F2 can obtain a good electromechanical coupling coefficient.
即ち、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の組成比がＬｕＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）である場合には、圧電定数を向上させることができる。なお、圧電薄膜Ｆ２の組成比のより好適な範囲は、ＬｕＸＧａ１－ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１－ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１－ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）である。
That is, the composition ratio of the piezoelectric thin film F2 of the present embodiment Lu X Ga 1-X N ( 0 <X <0.5), or Y X Ga 1-X N ( 0 <X <0.5), or In the case of Dy X Ga 1-X N (0 <X <0.5), the piezoelectric constant can be improved. A more preferable range of the composition ratio of the piezoelectric thin film F2 is Lu X Ga 1-X N (0.375 ≦ X <0.5) or Y X Ga 1-X N (0.375 ≦ X <0). .5), or Dy X Ga 1-X N (0.375 ≦ X <0.5).
詳細については後述するが、圧電薄膜Ｆ２に置換原子をドープすることによって、ｃ軸の格子定数が長くなり、これにより圧電定数が向上する。本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、さらに、ａ軸長に対するｃ軸長の比ｃ／ａが、１．５４程度以上１．６４程度以下の範囲に設定されていることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２において、より圧電定数を向上させることができる。
Although details will be described later, the lattice constant of the c-axis is lengthened by doping the piezoelectric thin film F2 with a substitution atom, thereby improving the piezoelectric constant. In the piezoelectric thin film F2 according to this embodiment, the ratio c / a of the c-axis length to the a-axis length is preferably set in a range of about 1.54 to about 1.64. In this case, the piezoelectric constant can be further improved in the piezoelectric thin film F2.
ＧａはＡｌよりもイオン半径が大きい。したがって、圧電定数Ｆ２にＧａＮを用いることで、添加する元素の候補を増やすことができる。さらに、ＧａＮに置換元素をドープする場合には、例えばＡｌＮにＳｃをドープする場合よりもｃ／ａの変化率が小さいため、ドープによる圧電定数ｄ３３の変動がなだらかになる。このため、圧電薄膜Ｆ２にＧａＮを用いた方が、所望の圧電定数ｄ３３を得やすくなる。
Ga has a larger ionic radius than Al. Therefore, by using GaN for the piezoelectric constant F2, the number of candidate elements to be added can be increased. Further, when GaN is doped with a substitution element, for example, the rate of change of c / a is smaller than when AlN is doped with Sc, so that the fluctuation of the piezoelectric constant d33 due to doping becomes gentle. For this reason, it is easier to obtain a desired piezoelectric constant d33 when GaN is used for the piezoelectric thin film F2.
（３．成膜方法）
次に、圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって基板Ｆ１上に成膜される。スパッタ法は、例えば、Ｇａの単体金属、及び置換元素の単体金属のそれぞれをターゲットに用いる２元スパッタリング、又は、Ｇａ金属と置換元素の金属との合金をターゲットとして用いる１元スパッタリングを用いることができる。 (3. Film formation method)
Next, a method for forming the piezoelectric thin film F2 will be described. The piezoelectric thin film F2 is formed on the substrate F1 by sputtering. As the sputtering method, for example, binary sputtering using a single metal of Ga and a single metal of a substitution element as a target, or single sputtering using an alloy of Ga metal and a metal of a substitution element as a target is used. it can.
次に、圧電薄膜Ｆ２の成膜方法について説明する。圧電薄膜Ｆ２は、スパッタ法によって基板Ｆ１上に成膜される。スパッタ法は、例えば、Ｇａの単体金属、及び置換元素の単体金属のそれぞれをターゲットに用いる２元スパッタリング、又は、Ｇａ金属と置換元素の金属との合金をターゲットとして用いる１元スパッタリングを用いることができる。 (3. Film formation method)
Next, a method for forming the piezoelectric thin film F2 will be described. The piezoelectric thin film F2 is formed on the substrate F1 by sputtering. As the sputtering method, for example, binary sputtering using a single metal of Ga and a single metal of a substitution element as a target, or single sputtering using an alloy of Ga metal and a metal of a substitution element as a target is used. it can.
（３－１．２元スパッタリング）
２元スパッタリングによって圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合、ターゲットにはＧａの単体金属、及び置換元素の単体金属、またはＧａＮ焼結体及び置換元素の窒化物の焼結体を用いる。 (3-1.2 original sputtering)
When the piezoelectric thin film F2 is formed by binary sputtering, a single element metal of Ga and a single element of a substitution element, or a sintered body of a GaN sintered body and a substitution element nitride is used as a target.
２元スパッタリングによって圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合、ターゲットにはＧａの単体金属、及び置換元素の単体金属、またはＧａＮ焼結体及び置換元素の窒化物の焼結体を用いる。 (3-1.2 original sputtering)
When the piezoelectric thin film F2 is formed by binary sputtering, a single element metal of Ga and a single element of a substitution element, or a sintered body of a GaN sintered body and a substitution element nitride is used as a target.
スパッタリング装置の真空チャンバ内には、Ａｒ（アルゴン）ガスと窒素ガスを混合したガスが導入される。Ａｒガスは、ターゲットをスパッタするための不活性ガスであり、窒素ガスは、圧電薄膜Ｆ２を構成する窒素原子の供給源である。圧電薄膜Ｆ２における、置換原子の割合は、ターゲットに供給する電力を調整することによって、調整することができる。
A gas mixture of Ar (argon) gas and nitrogen gas is introduced into the vacuum chamber of the sputtering apparatus. Ar gas is an inert gas for sputtering the target, and nitrogen gas is a supply source of nitrogen atoms constituting the piezoelectric thin film F2. The ratio of substitution atoms in the piezoelectric thin film F2 can be adjusted by adjusting the power supplied to the target.
上述の通りスパッタリングを行うことによって、圧電薄膜Ｆ２が基板Ｆ１上に形成される。
The piezoelectric thin film F2 is formed on the substrate F1 by performing sputtering as described above.
（３－２．１元スパッタリング）
１元スパッタリングによって圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合、ターゲットにはＧａ金属と置換元素の金属との合金を用いる。この場合、６インチや８インチのような大型ウエハに対しても、均一な膜厚分布と圧電性分布で成膜することができる。 (3-2.1 yuan sputtering)
When the piezoelectric thin film F2 is formed by single sputtering, an alloy of Ga metal and a substitution element metal is used as a target. In this case, even a large wafer such as 6 inches or 8 inches can be formed with a uniform film thickness distribution and piezoelectric distribution.
１元スパッタリングによって圧電薄膜Ｆ２を成膜する場合、ターゲットにはＧａ金属と置換元素の金属との合金を用いる。この場合、６インチや８インチのような大型ウエハに対しても、均一な膜厚分布と圧電性分布で成膜することができる。 (3-2.1 yuan sputtering)
When the piezoelectric thin film F2 is formed by single sputtering, an alloy of Ga metal and a substitution element metal is used as a target. In this case, even a large wafer such as 6 inches or 8 inches can be formed with a uniform film thickness distribution and piezoelectric distribution.
形成する圧電薄膜Ｆ２における置換原子の割合は、ターゲットとする合金における組成比を調整することによって、調整することができる。
The ratio of substitution atoms in the piezoelectric thin film F2 to be formed can be adjusted by adjusting the composition ratio in the target alloy.
１元スパッタリングにおいても、スパッタリング装置の真空チャンバ内には、上述の混合ガスが導入される。
Also in the one-way sputtering, the above-mentioned mixed gas is introduced into the vacuum chamber of the sputtering apparatus.
上述の通りスパッタリングを行うことによって、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２が基板Ｆ１上に形成される。
By performing sputtering as described above, the piezoelectric thin film F2 according to the present embodiment is formed on the substrate F1.
（４．検証例）
（４－１．検証１ 置換原子の割合と圧電定数の関係）
ＧａＮ結晶におけるＧａ原子を置換原子で置換することによる効果をシミュレーションにより検証した。図３は、置換原子の割合と圧電薄膜Ｆ２の圧電定数（ｄ３３）との関係を示す図である。図３では、置換元素としてＬｕ、Ｙ、Ｄｙを用いてシミュレーションを行った。図３において、横軸は、置換元素がＬｕ，Ｙ，Ｄｙそれぞれの場合における、置換原子の割合を示している。また、縦軸は、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数を示している。 (4. Verification example)
(4-1.Verification 1 Relationship between substitution atom ratio and piezoelectric constant)
The effect of substituting Ga atoms in the GaN crystal with substitution atoms was verified by simulation. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the ratio of substitution atoms and the piezoelectric constant (d33) of the piezoelectric thin film F2. In FIG. 3, simulation was performed using Lu, Y, and Dy as substitution elements. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the ratio of substitution atoms when the substitution elements are Lu, Y, and Dy, respectively. The vertical axis indicates the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film F2.
（４－１．検証１ 置換原子の割合と圧電定数の関係）
ＧａＮ結晶におけるＧａ原子を置換原子で置換することによる効果をシミュレーションにより検証した。図３は、置換原子の割合と圧電薄膜Ｆ２の圧電定数（ｄ３３）との関係を示す図である。図３では、置換元素としてＬｕ、Ｙ、Ｄｙを用いてシミュレーションを行った。図３において、横軸は、置換元素がＬｕ，Ｙ，Ｄｙそれぞれの場合における、置換原子の割合を示している。また、縦軸は、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数を示している。 (4. Verification example)
(4-1.
The effect of substituting Ga atoms in the GaN crystal with substitution atoms was verified by simulation. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the ratio of substitution atoms and the piezoelectric constant (d33) of the piezoelectric thin film F2. In FIG. 3, simulation was performed using Lu, Y, and Dy as substitution elements. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the ratio of substitution atoms when the substitution elements are Lu, Y, and Dy, respectively. The vertical axis indicates the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film F2.
シミュレーションは密度汎関数理論に基づく第１原理計算を行った。計算プログラムはＶＡＳＰ ｖｅｒ．５．３．５を用い、基底関数は５００ｅＶのカットオフエネルギーを持つ平面波を用いた。電子相関・交換エネルギーの計算方法としては一般化勾配近似を用い、原子ポテンシャルはＰＡＷ（Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｗａｖｅ）法に基づく原子ポテンシャルを用いた。ｋ点サンプリングメッシュとしては６×６×４を用い、計算モデルはウルツ鉱型結晶構造ＧａＮを、ａ,ｂ,ｃ方向にそれぞれ２倍に拡張したスーパーセルを用いた。圧電定数、比誘電率および弾性定数の計算方法としては密度汎関数摂動理論および有限差分法を用いた。
The simulation performed the first principle calculation based on the density functional theory. The calculation program is VASP ver. A plane wave having a cutoff energy of 500 eV was used as the basis function using 5.3.5. As a calculation method of the electron correlation / exchange energy, a generalized gradient approximation was used, and an atomic potential based on the PAW (Projector augmented wave) method was used as the atomic potential. As the k-point sampling mesh, 6 × 6 × 4 was used, and the calculation model used was a supercell obtained by expanding wurtzite crystal structure GaN twice in the a, b and c directions. Density functional perturbation theory and finite difference method were used to calculate piezoelectric constant, relative permittivity and elastic constant.
また、図３において、丸形で測定点を示すグラフは置換元素にＬｕを用いたＬｕＸＧａ１－ＸＮの結果を示し、四角形で測定点を示すグラフは置換元素にＹを用いたＹＸＧａ１－ＸＮの結果を示し、三角形で測定点を示すグラフは置換元素にＤｙを用いたＤｙＸＧａ１－ＸＮの結果を示している。
Further, in FIG. 3, the graph indicating the measurement point in a round shape shows the result of Lu X Ga 1-X N using Lu as the substitution element, and the graph showing the measurement point in the rectangle is Y using Y as the substitution element A graph showing the results of X Ga 1-X N and the measurement points indicated by triangles show the results of Dy X Ga 1-X N using Dy as a substitution element.
図３から明らかなように、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数は、置換原子の割合が０から増加するに従い漸増している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が置換原子（Ｌｕ原子，Ｙ原子、Ｄｙ原子の少なくともいずれか）に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数が向上することがわかる。さらに図３のグラフから、ＬｕＸＧａ１－ＸＮ、ＹＸＧａ１－ＸＮ、及びＤｙＸＧａ１－ＸＮのいずれの場合においても０．３７５≦Ｘ＜０．５の場合に、圧電定数の上昇率が大きい。
As is apparent from FIG. 3, the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film F2 increases gradually as the ratio of substitution atoms increases from zero. That is, it can be understood that the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film F2 is improved by replacing Ga atoms with substitution atoms (at least one of Lu atoms, Y atoms, and Dy atoms) in GaN. Further, from the graph of FIG. 3, in the case of Lu X Ga 1-X N, Y X Ga 1-X N, and Dy X Ga 1-X N, when 0.375 ≦ X <0.5, The rate of increase of the piezoelectric constant is large.
図３の結果から、置換原子がＬｕ原子である場合、Ｌｕ原子の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができる。さらに、図３のグラフから、この効果は置換原子がＬｕ原子の場合に、Ｙ原子、Ｄｙ原子の場合と比較して、より顕著である。これは、Ｌｕ原子のイオン半径がＧａ原子のイオン半径に、Ｙ原子やＤｙ原子に比べて近いためであると考えられる。
From the results of FIG. 3, when the substituted atom is a Lu atom, the ratio of the Lu atom is preferably greater than 0 at% and less than 50 at%, more preferably 37.5 at% or more and less than 50 at%. In this case, the piezoelectric thin film F2 can improve the piezoelectric constant. As a result, the piezoelectric thin film F2 can obtain a good electromechanical coupling coefficient. Further, from the graph of FIG. 3, this effect is more remarkable when the substitution atom is a Lu atom than when the substitution atom is a Y atom or a Dy atom. This is probably because the ionic radius of the Lu atom is closer to the ionic radius of the Ga atom than the Y atom or the Dy atom.
また、置換原子がＹ原子である場合、Ｙ原子の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができる。
Further, when the substituent atom is a Y atom, the proportion of the Y atom is preferably larger than 0 at% and smaller than 50 at%, more preferably 37.5 at% or more and smaller than 50 at%. In this case, the piezoelectric thin film F2 can improve the piezoelectric constant. As a result, the piezoelectric thin film F2 can obtain a good electromechanical coupling coefficient.
さらに、置換原子がＤｙ原子である場合、Ｄｙ原子の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さいことが好ましく、より好ましくは３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができる。
Furthermore, when the substitution atom is a Dy atom, the proportion of the Dy atom is preferably greater than 0 at% and less than 50 at%, more preferably 37.5 at% or more and less than 50 at%. In this case, the piezoelectric thin film F2 can improve the piezoelectric constant. As a result, the piezoelectric thin film F2 can obtain a good electromechanical coupling coefficient.
即ち、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の組成比がＬｕＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜０．５）である場合には、圧電定数を向上させることができ、より好適には、ＬｕＸＧａ１－ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＹＸＧａ１－ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）、又はＤｙＸＧａ１－ＸＮ（０．３７５≦Ｘ＜０．５）である。
That is, the composition ratio of the piezoelectric thin film F2 of the present embodiment Lu X Ga 1-X N ( 0 <X <0.5), or Y X Ga 1-X N ( 0 <X <0.5), or When Dy X Ga 1-X N (0 <X <0.5), the piezoelectric constant can be improved, and more preferably Lu X Ga 1-X N (0.375 ≦ X < 0.5), or Y X Ga 1-X N (0.375 ≦ X <0.5), or Dy X Ga 1-X N (0.375 ≦ X <0.5).
（４－２．検証２ 置換態様）
検証２では、スパッタリングによってＧａＮ結晶中のＧａ原子が置換された場合におけるａ軸の格子定数、及びｃ軸の格子定数の変化を示した。図４Ａ～４Ｃは検証２の結果を示すグラフである。図４Ａはａ軸の格子定数の変化を示すグラフであり、図４Ｂはｃ軸の格子定数の変化を示すグラフである。また、図４Ｃは、ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率における変化を示すグラフである。図４Ａ～４Ｃにおいて、各グラフの横軸は、置換元素がＬｕ，Ｙ，Ｄｙそれぞれの場合における、置換原子の割合している。また、各グラフの縦軸は、図４Ａにおいてはａ軸の格子定数を示し、図４Ｂにおいてはｃ軸の格子定数を示し、図４Ｃにおいてはａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率を示している。 (4-2.Verification 2 Replacement Mode)
Verification 2 showed changes in the a-axis lattice constant and the c-axis lattice constant when Ga atoms in the GaN crystal were replaced by sputtering. 4A to 4C are graphs showing the results of verification 2. FIG. 4A is a graph showing changes in the lattice constant of the a axis, and FIG. 4B is a graph showing changes in the lattice constant of the c axis. FIG. 4C is a graph showing changes in the ratio of the c-axis lattice constant to the a-axis lattice constant. 4A to 4C, the horizontal axis of each graph represents the ratio of substitution atoms in the case where the substitution elements are Lu, Y, and Dy, respectively. The vertical axis of each graph represents the a-axis lattice constant in FIG. 4A, the c-axis lattice constant in FIG. 4B, and the ratio of the c-axis lattice constant to the a-axis lattice constant in FIG. 4C. Is shown.
検証２では、スパッタリングによってＧａＮ結晶中のＧａ原子が置換された場合におけるａ軸の格子定数、及びｃ軸の格子定数の変化を示した。図４Ａ～４Ｃは検証２の結果を示すグラフである。図４Ａはａ軸の格子定数の変化を示すグラフであり、図４Ｂはｃ軸の格子定数の変化を示すグラフである。また、図４Ｃは、ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率における変化を示すグラフである。図４Ａ～４Ｃにおいて、各グラフの横軸は、置換元素がＬｕ，Ｙ，Ｄｙそれぞれの場合における、置換原子の割合している。また、各グラフの縦軸は、図４Ａにおいてはａ軸の格子定数を示し、図４Ｂにおいてはｃ軸の格子定数を示し、図４Ｃにおいてはａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率を示している。 (4-2.
また、図４において、丸形で測定点を示すグラフは置換元素にＬｕを用いたＬｕＸＧａ１－ＸＮの結果を示し、四角形で測定点を示すグラフは置換元素にＹを用いたＹＸＧａ１－ＸＮの結果を示し、三角形で測定点を示すグラフは置換元素にＤｙを用いたＤｙＸＧａ１－ＸＮの結果を示している。
Further, in FIG. 4, the graph indicating the measurement point in a round shape shows the result of Lu X Ga 1-X N using Lu as the substitution element, and the graph showing the measurement point in the rectangle is Y using Y as the substitution element A graph showing the results of X Ga 1-X N and the measurement points indicated by triangles show the results of Dy X Ga 1-X N using Dy as a substitution element.
図４Ａに示すように、圧電薄膜Ｆ２のａ軸の格子定数は、置換原子の割合を０から増加させるに従い漸増している。即ち、ＧａＮにおいて、Ｇａ原子が置換原子（Ｌｕ原子，Ｙ原子、Ｄｙ原子の少なくともいずれか）に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２はａ軸が長くなることがわかる。他方で、図４Ｂに示すように、圧電薄膜Ｆ２のｃ軸の格子定数は、置換原子の割合を０から増加させると一定の割合まで長くなり、一定の割合から短くなる。また、図４Ｃに示すように、ａ軸の格子定数に対するｃ軸の格子定数の比率は、置換原子の割合が増加するに従い漸減している。
As shown in FIG. 4A, the lattice constant of the a-axis of the piezoelectric thin film F2 gradually increases as the ratio of substitution atoms is increased from zero. That is, it can be understood that the a-axis of the piezoelectric thin film F2 becomes longer when Ga atoms are substituted with substitution atoms (at least one of Lu atoms, Y atoms, and Dy atoms) in GaN. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the c-axis lattice constant of the piezoelectric thin film F2 increases to a certain ratio and decreases from the certain ratio when the ratio of substitution atoms is increased from zero. Further, as shown in FIG. 4C, the ratio of the c-axis lattice constant to the a-axis lattice constant gradually decreases as the ratio of substitution atoms increases.
以上のように、検証２の結果から、置換原子の割合が増加するに従い、ａ軸の格子定数が長くなり、ｃ軸の格子定数は一定の割合まで長くなり、一定の割合から減少することが分かる。即ち、Ｇａ原子が置換原子に置換されることによって、ＧａＮ結晶の外部電場に対する分極応答性が上がり、弾性率が下がる。Ｇａ原子および置換された原子が動きやすい結晶構造に変化するといえる。この結果、圧電薄膜Ｆ２におけるＧａＮ結晶において、Ｇａ原子が置換原子に置換されることで、圧電薄膜Ｆ２の圧電定数が向上する。
As described above, from the result of verification 2, as the ratio of substitution atoms increases, the a-axis lattice constant increases, the c-axis lattice constant increases to a certain ratio, and decreases from the certain ratio. I understand. That is, by substituting Ga atoms with substitution atoms, the polarization response to the external electric field of the GaN crystal is increased, and the elastic modulus is decreased. It can be said that Ga atoms and substituted atoms change into a crystal structure that is easy to move. As a result, in the GaN crystal in the piezoelectric thin film F2, Ga atoms are substituted with substitution atoms, whereby the piezoelectric constant of the piezoelectric thin film F2 is improved.
また、図３および図４Ｃの関係からc／aが小さくなるに従い、圧電定数が漸増していることがわかる。ここで、図４Ｂより、Ｌｕ，Ｙ，Ｄｙ元素の割合が０．２５at％以上の場合、ｃ軸の格子定数が漸減へと転じている。一方でa軸の格子定数はほぼ一定割合で増加している。よって、置換原子の割合が０．２５at％以上のときc／aの値の減少率が大きくなっていることがわかる。
It can also be seen from the relationship between FIG. 3 and FIG. 4C that the piezoelectric constant gradually increases as c / a decreases. Here, from FIG. 4B, when the ratio of the Lu, Y, and Dy elements is 0.25 at% or more, the c-axis lattice constant is gradually reduced. On the other hand, the lattice constant of the a axis increases at an almost constant rate. Therefore, it can be seen that when the ratio of the substituted atoms is 0.25 at% or more, the decrease rate of the value of c / a increases.
（４－３．検証３ ａ軸長に対するｃ軸長の比ｃ／ａと圧電定数の関係）
次に、ＧａＮ結晶におけるＧａ原子を置換原子で置換することによる効果を実験により検証した結果について説明する。この実験においては、置換元素は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つであることが好ましく、より好ましくは、置換元素は、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、及びＳｃ（スカンジウム）の少なくともいずれか１つである。なお、置換元素は、１種類に限定されるものではなく、例示した複数の種類の元素であってもよい。図５を参照し、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の効果について検証した実験結果について説明する。検証にあたって、比較例及び実験例それぞれについて圧電薄膜Ｆ２を形成し、形成した圧電薄膜Ｆ２における圧電性と置換原子の割合（ａｔ％）を測定した。 (4-3.Verification 3 Ratio of c-axis length to a-axis length, c / a, and piezoelectric constant)
Next, a description will be given of the results of experiments verifying the effect of substituting Ga atoms in GaN crystals with substitution atoms. In this experiment, the substitution element is preferably at least one of trivalent transition metal elements, and more preferably, the substitution element is Lu (lutetium), Y (yttrium), Dy (dysprosium). , And Sc (scandium). Note that the substitution element is not limited to one type, and may be a plurality of types of elements exemplified. With reference to FIG. 5, the experimental result verified about the effect of the piezoelectric thin film F2 which concerns on this embodiment is demonstrated. In the verification, the piezoelectric thin film F2 was formed for each of the comparative example and the experimental example, and the piezoelectricity and the ratio of substitution atoms (at%) in the formed piezoelectric thin film F2 were measured.
次に、ＧａＮ結晶におけるＧａ原子を置換原子で置換することによる効果を実験により検証した結果について説明する。この実験においては、置換元素は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つであることが好ましく、より好ましくは、置換元素は、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、及びＳｃ（スカンジウム）の少なくともいずれか１つである。なお、置換元素は、１種類に限定されるものではなく、例示した複数の種類の元素であってもよい。図５を参照し、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２の効果について検証した実験結果について説明する。検証にあたって、比較例及び実験例それぞれについて圧電薄膜Ｆ２を形成し、形成した圧電薄膜Ｆ２における圧電性と置換原子の割合（ａｔ％）を測定した。 (4-3.
Next, a description will be given of the results of experiments verifying the effect of substituting Ga atoms in GaN crystals with substitution atoms. In this experiment, the substitution element is preferably at least one of trivalent transition metal elements, and more preferably, the substitution element is Lu (lutetium), Y (yttrium), Dy (dysprosium). , And Sc (scandium). Note that the substitution element is not limited to one type, and may be a plurality of types of elements exemplified. With reference to FIG. 5, the experimental result verified about the effect of the piezoelectric thin film F2 which concerns on this embodiment is demonstrated. In the verification, the piezoelectric thin film F2 was formed for each of the comparative example and the experimental example, and the piezoelectricity and the ratio of substitution atoms (at%) in the formed piezoelectric thin film F2 were measured.
検証に用いた圧電薄膜Ｆ２は、下部電極Ｅ１としてＨｆ、又はＴｉを用いており、当該下部電極Ｅ１上に、Ｇａの単体金属ターゲットと置換元素の単体金属ターゲットとの２元スパッタリングによって形成した。スパッタリングにあたっては、いずれの検証でも製膜温度を４００度、スパッタ圧力を０．２５Ｐａとした。また、Ｇａのターゲットに与える電力を１００Ｗとし、置換元素のターゲットに与える電力は、ドープさせる置換元素の割合に応じて調整した。また、比較例１、実験例１乃至実験例５、実験例６Ａ、６Ｂ乃至実験例３１Ａ，３１Ｂでは、ターゲット中の酸素量を１０００ｐｐｍとし、実験例３２乃至実験例３５では、酸素量を変化させて検証を行った。
The piezoelectric thin film F2 used for verification uses Hf or Ti as the lower electrode E1, and was formed on the lower electrode E1 by binary sputtering of a single metal target of Ga and a single metal target of a substitution element. In sputtering, the film-forming temperature was set to 400 ° C. and the sputtering pressure was set to 0.25 Pa in all verifications. The power applied to the Ga target was 100 W, and the power applied to the substitution element target was adjusted according to the ratio of the substitution element to be doped. In Comparative Example 1, Experimental Example 1 to Experimental Example 5, Experimental Example 6A, 6B to Experimental Example 31A, 31B, the oxygen amount in the target was set to 1000 ppm, and in Experimental Example 32 to Experimental Example 35, the oxygen amount was changed. And verified.
比較例１では、下部電極Ｅ１にＴｉを用いて、ＧａＮ原子に置換原子の添加を行わなかった。このときの圧電薄膜Ｆ２の圧電定数ｄ３３（１．４）を基準として、種々の条件が圧電定数に与える影響について、実験例１以降では検証を行った。
In Comparative Example 1, Ti was used for the lower electrode E1, and no substitution atoms were added to the GaN atoms. Based on the piezoelectric constant d33 (1.4) of the piezoelectric thin film F2 at this time, the influence of various conditions on the piezoelectric constant was verified in Experimental Example 1 and later.
まず、実験例１乃至実験例５では、下部電極Ｅ１にＴｉを用いて、ＧａＮに３価の遷移金属原子をドープすることの効果の検証を行った。置換原子として、実験例１ではＬａ（ランタン）を用いており、実験例２ではＬｕ（ルテチウム）を用いており、実験例３ではＹ（イットリウム）を用いており、実験例４ではＤｙ（ジスプロシウム）を用いている。いずれの実験でもｃ／ａは１．６前後になるように置換原子の割合の調整を行った。比較例１と実験例１乃至５の結果から、ＧａＮに３価の遷移金属原子をドープすることにより、圧電定数ｄ３３が向上することが分かる。
First, in Experimental Example 1 to Experimental Example 5, the effect of doping trivalent transition metal atoms into GaN using Ti for the lower electrode E1 was verified. As a substitution atom, La (lanthanum) is used in Experimental Example 1, Lu (lutetium) is used in Experimental Example 2, Y (yttrium) is used in Experimental Example 3, and Dy (dysprosium) is used in Experimental Example 4. ) Is used. In all experiments, the ratio of the substituted atoms was adjusted so that c / a was about 1.6. From the results of Comparative Example 1 and Experimental Examples 1 to 5, it is understood that the piezoelectric constant d33 is improved by doping trivalent transition metal atoms into GaN.
次に、実験例６乃至３１では、ｃ／ａを種々の範囲に変更して、ｃ／ａの値が圧電定数ｄ３３に与える影響について検証を行った。また、このとき下部電極Ｅ１として、Ｈｆ（実験例６Ａ乃至３１Ａ）とＴｉ（実験例６Ｂ乃至３１Ｂ）を用いた。実験例６乃至１０は置換元素としてＬｕを用いて、ｃ／ａを１．５３から１．６５まで変化させて検証を行った。実験例１１乃至１７は置換元素としてＹを用いて、ｃ／ａを１．５３から１．６６まで変化させて検証を行った。実験例１８乃至２３は置換元素としてＤｙを用いて、ｃ／ａを１．５１から１．６５まで変化させて検証を行った。実験例２４乃至３１は置換元素としてＳｃを用いて、ｃ／ａを１．４４から１．６５まで変化させて検証を行った。なお、いずれの実験でも、ｃ／ａの調整は、置換元素の単体金属ターゲットに与える電力量を調整することにより、置換原子のドープ量を変化させることによって行った。
Next, in Experimental Examples 6 to 31, c / a was changed to various ranges, and the influence of the value of c / a on the piezoelectric constant d33 was verified. At this time, Hf (Experimental Examples 6A to 31A) and Ti (Experimental Examples 6B to 31B) were used as the lower electrode E1. In Experimental Examples 6 to 10, Lu was used as a substitution element, and c / a was changed from 1.53 to 1.65 and verified. In Experimental Examples 11 to 17, Y was used as a substitution element, and verification was performed by changing c / a from 1.53 to 1.66. In Experimental Examples 18 to 23, Dy was used as a substitution element, and c / a was changed from 1.51 to 1.65 for verification. In Experimental Examples 24 to 31, Sc was used as a substitution element, and c / a was changed from 1.44 to 1.65 for verification. In any experiment, the adjustment of c / a was performed by changing the doping amount of the substitution atom by adjusting the amount of power applied to the single metal target of the substitution element.
図６Ａは、実験例６Ａ乃至３１Ａ（Ｈｆ下地の場合）の結果を示すグラフである。図６Ａの横軸はｃ／ａの値を示し、縦軸は圧電薄膜Ｆ２の圧電定数ｄ３３を示している。図６Ａのグラフにおいて、破線は比較例１における圧電薄膜の圧電定数ｄ３３である。実験例６Ａ乃至３１Ａの結果から、置換元素がＬｕ、Ｙ、Ｄｙ、及びＳｃのいずれの場合においても、ｃ／ａの値が、１．５４程度以上１．６４程度以下である場合には、比較例１の結果よりも圧電定数ｄ３３が向上することが分かる。なお、同様のことが下部電極Ｅ１にＴｉを用いた場合にもそのままあてはまることは、図５に示した検証結果から明らかである。
FIG. 6A is a graph showing the results of Experimental Examples 6A to 31A (in the case of Hf base). The horizontal axis in FIG. 6A indicates the value of c / a, and the vertical axis indicates the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric thin film F2. In the graph of FIG. 6A, the broken line is the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric thin film in Comparative Example 1. From the results of Experimental Examples 6A to 31A, when the value of c / a is about 1.54 or more and about 1.64 or less in any case where the substitution element is Lu, Y, Dy, and Sc, It can be seen that the piezoelectric constant d33 is improved as compared with the result of Comparative Example 1. It is apparent from the verification results shown in FIG. 5 that the same applies to the case where Ti is used for the lower electrode E1.
次に、実験例６Ｂ乃至３１Ｂでは、実験例６Ａ乃至３１Ａと同様の検証を下部電極Ｅ１にＴｉを用い、その他の条件は変えずに検証を行った。図６Ｂは、置換元素がＬｕである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例６Ａ乃至１０Ａと実験例６Ｂ乃至１０Ｂとの比較結果）であり、図６Ｃは、置換元素がＹである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例１１Ａ乃至１７Ａと実験例１１Ｂ乃至１７Ｂとの比較結果）であり、図６Ｄは置換元素がＤｙである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例１８Ａ乃至２３Ａと実験例１８Ｂ乃至２３Ｂとの比較結果）であり、図６Ｅは置換元素がＳｃである場合に、下部電極Ｅ１をＨｆにした場合の効果を示したグラフ（実験例２４Ａ乃至３１Ａと実験例２４Ｂ乃至３１Ｂとの比較結果）である。いずれのグラフでも横軸はｃ／ａの値を示し、縦軸は圧電薄膜Ｆ２の圧電定数ｄ３３を示している。また、三角形で示す測定点は下部電極Ｅ１にＨｆを用いた場合を示し、丸形で示す測定点は下部電極Ｅ１にＴｉを用いた場合を示している。図６Ｂ乃至図６Ｅから、下部電極Ｅ１にＨｆを用いた方が、圧電定数ｄ３３がより向上することが分かる。
Next, in Experimental Examples 6B to 31B, the same verification as in Experimental Examples 6A to 31A was performed using Ti for the lower electrode E1, and the other conditions were not changed. FIG. 6B is a graph (comparison result between Experimental Examples 6A to 10A and Experimental Examples 6B to 10B) showing the effect when the lower electrode E1 is Hf when the substitution element is Lu, and FIG. FIG. 6D is a graph showing the effect when the lower electrode E1 is set to Hf when the substitution element is Y (comparison results between Experimental Examples 11A to 17A and Experimental Examples 11B to 17B). FIG. FIG. 6E is a graph showing the effect when the lower electrode E1 is set to Hf in the case of Dy (comparison result between Experimental Examples 18A to 23A and Experimental Examples 18B to 23B), and FIG. 6E shows the case where the substitution element is Sc 6 is a graph showing the effect when the lower electrode E1 is set to Hf (comparison results between Experimental Examples 24A to 31A and Experimental Examples 24B to 31B). In any graph, the horizontal axis indicates the value of c / a, and the vertical axis indicates the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric thin film F2. The measurement points indicated by triangles indicate the case where Hf is used for the lower electrode E1, and the measurement points indicated by circles indicate the case where Ti is used for the lower electrode E1. 6B to 6E that the piezoelectric constant d33 is further improved when Hf is used for the lower electrode E1.
次に、実験例３２乃至３５では、スパッタリングにおけるターゲット中の酸素量が圧電定数ｄ３３に与える影響について検証を行った。図６Ｆは、実験例３２乃至３５の結果を示すグラフである。図６Ｆのグラフにおいて、横軸は酸素含有量を示し、縦軸は圧電薄膜Ｆ２における圧電定数ｄ３３を示している。図６Ｆのグラフから、ターゲット中の酸素量が５０００ｗｔｐｐｍ以下の場合に、圧電定数ｄ３３が向上することが分かる。
Next, in Experimental Examples 32 to 35, the influence of the amount of oxygen in the target in sputtering on the piezoelectric constant d33 was verified. FIG. 6F is a graph showing the results of Experimental Examples 32 to 35. In the graph of FIG. 6F, the horizontal axis indicates the oxygen content, and the vertical axis indicates the piezoelectric constant d33 in the piezoelectric thin film F2. From the graph of FIG. 6F, it can be seen that the piezoelectric constant d33 is improved when the amount of oxygen in the target is 5000 wtppm or less.
以上より、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、圧電薄膜Ｆ２を構成するＧａＮ結晶中における一部のＧａ原子が所定の置換原子に置換された構造を有することで、圧電性が向上する。さらに置換元素は３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つであることが好ましく、より好ましくは、置換元素は、Ｌｕ、Ｙ、Ｄｙ、及びＳｃの少なくともいずれか１つである。
As described above, the piezoelectric thin film F2 according to the present embodiment has a structure in which a part of Ga atoms in the GaN crystal constituting the piezoelectric thin film F2 is substituted with predetermined substitution atoms, so that the piezoelectricity is improved. Further, the substitution element is preferably at least one of trivalent transition metal elements, and more preferably, the substitution element is at least one of Lu, Y, Dy, and Sc.
また、本実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２は、ａ軸長に対するｃ軸長の比ｃ／ａが、１．５４程度以上１．６４程度以下の範囲に設定さることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２において、圧電定数をより向上させることができる。
Further, in the piezoelectric thin film F2 according to the present embodiment, it is preferable that the ratio c / a of the c-axis length to the a-axis length is set in the range of about 1.54 to about 1.64. In this case, the piezoelectric constant can be further improved in the piezoelectric thin film F2.
［第２実施形態］
第２実施形態以降では第１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。 [Second Embodiment]
In the second and subsequent embodiments, descriptions of matters common to the first embodiment are omitted, and only different points will be described. In particular, the same operation effect by the same configuration will not be sequentially described for each embodiment.
第２実施形態以降では第１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。 [Second Embodiment]
In the second and subsequent embodiments, descriptions of matters common to the first embodiment are omitted, and only different points will be described. In particular, the same operation effect by the same configuration will not be sequentially described for each embodiment.
図７は、第１実施形態に係る圧電薄膜Ｆ２を用いて形成された圧電デバイス２０の外観を示す図である。圧電デバイス２０は、音圧を電気信号に変換するＭＥＭＳマイクを構成するためのデバイスであり、振動板２１０、支持部２１１、及び圧電部２１２を含んでいる。また、圧電デバイス２０は、例えば１μｍ以下程度の微小なスリット２１３によって２分割されている。
FIG. 7 is a view showing an appearance of the piezoelectric device 20 formed using the piezoelectric thin film F2 according to the first embodiment. The piezoelectric device 20 is a device for configuring a MEMS microphone that converts sound pressure into an electrical signal, and includes a diaphragm 210, a support portion 211, and a piezoelectric portion 212. The piezoelectric device 20 is divided into two by a minute slit 213 having a size of about 1 μm or less, for example.
振動板２１０は、音圧により振動する薄膜であり、シリコン（Ｓｉ）により形成される。振動板２１０は、略方形の形状を有しており、対向する１組の辺２１４，２１５の下部が、支持部２１１によって支持される。即ち、振動板２１０は、両持ち梁構造となっている。振動板２１０を形成するＳｉは、抵抗率１．５ｍΩ・ｃｍ以下の縮退したｎ型Ｓｉ半導体であり、後述するように、圧電部２１２の下部電極としての機能を有する。
The diaphragm 210 is a thin film that vibrates due to sound pressure, and is formed of silicon (Si). The diaphragm 210 has a substantially square shape, and the lower portions of a pair of opposing sides 214 and 215 are supported by the support portion 211. That is, the diaphragm 210 has a double-supported beam structure. Si forming the vibration plate 210 is a degenerated n-type Si semiconductor having a resistivity of 1.5 mΩ · cm or less, and has a function as a lower electrode of the piezoelectric portion 212 as described later.
圧電部２１２は、振動板２１０上における、支持部２１１によって支持された部分に沿って配設される。なお、図７に示す構成では、振動板２１０上に４つの圧電部２１２が配設されているが、圧電部２１２の数はこれに限られない。また、図７に示す構成では、圧電部２１２は、端部が辺２１４または辺２１５の上に配設されているが、端部が辺２１４または辺２１５から離れて配設されてもよい。
The piezoelectric portion 212 is disposed along a portion of the diaphragm 210 that is supported by the support portion 211. In the configuration shown in FIG. 7, the four piezoelectric portions 212 are disposed on the vibration plate 210, but the number of piezoelectric portions 212 is not limited to this. In the configuration shown in FIG. 7, the end of the piezoelectric portion 212 is disposed on the side 214 or the side 215, but the end may be disposed away from the side 214 or the side 215.
図８は、図７に示すＣＣ´線における、圧電デバイス２０の断面図である。支持部２１１は、基体２２０及び絶縁層２２１を含んでいる。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 20 taken along the line CC ′ shown in FIG. The support part 211 includes a base body 220 and an insulating layer 221.
基体２２０は、例えば、厚さ４００ｎｍ程度のシリコン（Ｓｉ）により形成される。また、絶縁層２２１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）により形成される。このように形成される支持部２１１の上に、振動板２１０が形成される。
The base body 220 is formed of, for example, silicon (Si) having a thickness of about 400 nm. The insulating layer 221 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2). The diaphragm 210 is formed on the support portion 211 formed in this way.
振動板２１０上における、支持部２１１によって支持された部分に沿って配設された圧電部２１２は、圧電薄膜Ｆ２、上部電極Ｅ２、配線２２２，２２３を含んでいる。
The piezoelectric portion 212 disposed along the portion of the diaphragm 210 supported by the support portion 211 includes a piezoelectric thin film F2, an upper electrode E2, and wirings 222 and 223.
本実施形態において圧電薄膜Ｆ２は、振動板２１０の振動に伴って振動するように振動板２１０上に配設される。本実施形態における圧電薄膜Ｆ２の厚さは、５００ｎｍ程度である。
In the present embodiment, the piezoelectric thin film F2 is disposed on the diaphragm 210 so as to vibrate with the vibration of the diaphragm 210. The thickness of the piezoelectric thin film F2 in this embodiment is about 500 nm.
振動板２１０の中央から支持部２１１までの距離（Ｃ）に対する、圧電薄膜Ｆ２の振動部分の幅（Ｄ）の割合は、例えば４０％程度とすることができる。例えば、距離Ｃを３００μｍ程度、幅Ｄを１２０μｍ程度とすることができる。
The ratio of the width (D) of the vibration portion of the piezoelectric thin film F2 to the distance (C) from the center of the vibration plate 210 to the support portion 211 can be, for example, about 40%. For example, the distance C can be about 300 μm and the width D can be about 120 μm.
圧電薄膜Ｆ２の上側には、上部電極Ｅ２が配設される。上部電極Ｅ２は、本実施形態では、５０ｎｍ程度の厚さのＡｌ（アルミニウム）とすることができる。また、上部電極Ｅ２は、引張応力を有する構造とすることができる。上部電極Ｅ２に引張応力を持たせることにより、圧電部２１２における応力が補正され、振動板２１０の変形を抑制することができる。
An upper electrode E2 is disposed on the upper side of the piezoelectric thin film F2. In this embodiment, the upper electrode E2 can be Al (aluminum) having a thickness of about 50 nm. Further, the upper electrode E2 can have a structure having a tensile stress. By giving the upper electrode E2 a tensile stress, the stress in the piezoelectric portion 212 is corrected, and deformation of the diaphragm 210 can be suppressed.
配線２２２は、上部電極Ｅ２と電気的に接続される。また、配線２２３は、下部電極（振動板２１０）と電気的に接続される。配線２２２，２２３は、例えば、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いて形成される。配線２２２、２２３の厚さは７００ｎｍ程度である。
The wiring 222 is electrically connected to the upper electrode E2. The wiring 223 is electrically connected to the lower electrode (the diaphragm 210). The wirings 222 and 223 are formed using, for example, gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), aluminum (Al), or the like. The thickness of the wirings 222 and 223 is about 700 nm.
以上に説明した構成の圧電デバイス２０おいては、音圧による振動板２１０の振動に伴って、圧電薄膜Ｆ２が振動する。そして、圧電薄膜Ｆ２の振動に応じた電圧が圧電部２１２の配線２２２，２２３を介して出力される。
In the piezoelectric device 20 having the configuration described above, the piezoelectric thin film F2 vibrates as the diaphragm 210 vibrates due to sound pressure. A voltage corresponding to the vibration of the piezoelectric thin film F <b> 2 is output via the wirings 222 and 223 of the piezoelectric portion 212.
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薄膜Ｆ２は、ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電薄膜Ｆ２であって、窒化ガリウム結晶は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれか１つを含み、窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が３価の遷移金属元素に置換された構造を有する。例えば、３価の遷移金属元素は、ルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム及びスカンジウムのうち少なくともいずれか１つを含む。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数を向上させることができる。この結果、圧電薄膜Ｆ２は良好な電気機械結合係数を得ることができ、圧電性が向上する。
The exemplary embodiments of the present invention have been described above. A piezoelectric thin film F2 according to an embodiment of the present invention is a piezoelectric thin film F2 made of a gallium nitride crystal having a wurtzite structure, and the gallium nitride crystal includes at least one of trivalent transition metal elements. The gallium nitride crystal has a structure in which some gallium atoms are substituted with a trivalent transition metal element. For example, the trivalent transition metal element includes at least one of lutetium, yttrium, dysprosium, and scandium. In this case, the piezoelectric thin film F2 can improve the piezoelectric constant. As a result, the piezoelectric thin film F2 can obtain a good electromechanical coupling coefficient, and the piezoelectricity is improved.
また、圧電薄膜Ｆ２は、Ｈｆを主成分とする下部電極Ｅ１上に形成されることが好ましい。ＨｆはＧａＮと格子定数が近い金属であるため、下部電極にＨｆを用いることにより、当該ハフニウム膜Ｅ１上に形成される圧電薄膜Ｆ２の結晶性を向上させることができる。
The piezoelectric thin film F2 is preferably formed on the lower electrode E1 mainly composed of Hf. Since Hf is a metal having a lattice constant close to that of GaN, the crystallinity of the piezoelectric thin film F2 formed on the hafnium film E1 can be improved by using Hf for the lower electrode.
The piezoelectric thin film F2 is preferably formed on the lower electrode E1 mainly composed of Hf. Since Hf is a metal having a lattice constant close to that of GaN, the crystallinity of the piezoelectric thin film F2 formed on the hafnium film E1 can be improved by using Hf for the lower electrode.
また、圧電薄膜Ｆ２におけるガリウムの原子の数と、ルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムの原子の数の総量に対する、ルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムのうちの少なくともいずれか１つの原子の数の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％以下であることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数をより向上させることができる。より好適には原子の数の割合は、３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％以下である。この場合、圧電薄膜Ｆ２は、圧電定数をより向上させることができる。
In addition, the ratio of the number of gallium atoms and the total number of lutetium, yttrium, dysprosium, and scandium atoms in the piezoelectric thin film F2 to the number of at least one of lutetium, yttrium, dysprosium, and scandium. Is preferably greater than 0 at% and less than or equal to 50 at%. In this case, the piezoelectric thin film F2 can further improve the piezoelectric constant. More preferably, the ratio of the number of atoms is 37.5 at% or more and 50 at% or less. In this case, the piezoelectric thin film F2 can further improve the piezoelectric constant.
また、本発明の一実施形態に係る圧電デバイス１０は、上述の圧電薄膜Ｆ２を備える。これによって、圧電デバイスにおいて、圧電定数を向上させることができる。
Moreover, the piezoelectric device 10 according to an embodiment of the present invention includes the above-described piezoelectric thin film F2. Accordingly, the piezoelectric constant can be improved in the piezoelectric device.
また、本発明の一実施形態に係る圧電膜製造方法は、ガリウムと、３価の遷移金属元素（例えばルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムの少なくともいずれか１つ）と、から成る合金をターゲットとして、基板Ｆ１上に上述の圧電薄膜Ｆ２を形成する。これによって、良好な圧電定数を有する圧電薄膜Ｆ２を得ることができる。
In addition, a piezoelectric film manufacturing method according to an embodiment of the present invention targets an alloy composed of gallium and a trivalent transition metal element (for example, at least one of lutetium, yttrium, dysprosium, and scandium). Then, the above-described piezoelectric thin film F2 is formed on the substrate F1. Thereby, the piezoelectric thin film F2 having a good piezoelectric constant can be obtained.
また、本発明の一実施形態に係る圧電膜製造方法はガリウムから成るターゲットと、３価の遷移金属元素（例えばルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム及びスカンジウムの少なくともいずれか１つ）から成るターゲットと、を用いて基板Ｆ１上に上述の圧電薄膜Ｆ２を形成する。これによって、良好な圧電定数を有する圧電薄膜Ｆ２を得ることができる。
A piezoelectric film manufacturing method according to an embodiment of the present invention uses a target made of gallium and a target made of a trivalent transition metal element (for example, at least one of lutetium, yttrium, dysprosium, and scandium). Then, the above-described piezoelectric thin film F2 is formed on the substrate F1. Thereby, the piezoelectric thin film F2 having a good piezoelectric constant can be obtained.
また、３価の遷移金属元素（例えばルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム及びスカンジウムの少なくともいずれか１つ）から成るターゲットにおける含有酸素量は５０００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、圧電薄膜Ｆ２（又はＦ２）において、より圧電定数を向上させることができる。
Further, the oxygen content in the target composed of a trivalent transition metal element (for example, at least one of lutetium, yttrium, dysprosium and scandium) is preferably 5000 wtppm or less. In this case, the piezoelectric constant can be further improved in the piezoelectric thin film F2 (or F2).
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。
Each embodiment described above is for facilitating understanding of the present invention, and is not intended to limit the present invention. The present invention can be changed / improved without departing from the spirit thereof, and the present invention includes equivalents thereof. In other words, those obtained by appropriately modifying the design of each embodiment by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. For example, each element included in each embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. Each embodiment is an exemplification, and it is needless to say that a partial replacement or combination of configurations shown in different embodiments is possible, and these are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. .
１０，２０ 圧電デバイス
Ｆ１ 基板
Ｆ２ 圧電薄膜
Ｅ１ 下部電極
Ｅ２ 上部電極 10, 20 Piezoelectric device F1 Substrate F2 Piezoelectric thin film E1 Lower electrode E2 Upper electrode
Ｆ１ 基板
Ｆ２ 圧電薄膜
Ｅ１ 下部電極
Ｅ２ 上部電極 10, 20 Piezoelectric device F1 Substrate F2 Piezoelectric thin film E1 Lower electrode E2 Upper electrode
Claims (10)
- ウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム結晶からなる圧電膜であって、前記窒化ガリウム結晶は、３価の遷移金属元素のうち少なくともいずれかを含み、前記窒化ガリウム結晶中における一部のガリウム原子が前記３価の遷移金属元素に置換された構造を有する圧電膜。 A piezoelectric film made of a gallium nitride crystal having a wurtzite structure, wherein the gallium nitride crystal contains at least one of trivalent transition metal elements, and a part of the gallium atoms in the gallium nitride crystal contains the 3 A piezoelectric film having a structure substituted with a valent transition metal element.
- 前記３価の遷移金属元素はルテチウム、イットリウム、ジスプロシウム、及びスカンジウムのうち少なくともいずれか１つを含む、請求項１に記載の圧電膜。 The piezoelectric film according to claim 1, wherein the trivalent transition metal element includes at least one of lutetium, yttrium, dysprosium, and scandium.
- 前記圧電膜は、
ハフニウムを主成分とする金属膜上に形成された、
請求項１又は２に記載の圧電膜。 The piezoelectric film is
Formed on a metal film mainly composed of hafnium,
The piezoelectric film according to claim 1 or 2. - 前記圧電膜は、
ａ軸長に対するｃ軸長の比が１．５４以上１．６４以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電膜。 The piezoelectric film is
The piezoelectric film according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of a c-axis length to an a-axis length is 1.54 or more and 1.64 or less. - 前記圧電膜におけるガリウム原子の数と、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数との総量に対する、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数の割合は、０ａｔ％より大きく５０ａｔ％より小さい、請求項２に記載の圧電膜。 Of the lutetium, the yttrium, the dysprosium, and the scandium with respect to the total amount of the number of gallium atoms in the piezoelectric film and the number of at least any one of the lutetium, the yttrium, the dysprosium, and the scandium. The piezoelectric film according to claim 2, wherein a ratio of the number of at least any one of the atoms is greater than 0 at% and less than 50 at%.
- 前記圧電膜におけるガリウム原子の数と、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数との総量に対する、前記ルテチウム、前記イットリウム、前記ジスプロシウム、及び前記スカンジウムのうち少なくともいずれか１つの原子の数の割合は、３７．５ａｔ％以上５０ａｔ％より小さい、請求項５に記載の圧電膜。 Of the lutetium, the yttrium, the dysprosium, and the scandium with respect to the total amount of the number of gallium atoms in the piezoelectric film and the number of at least any one of the lutetium, the yttrium, the dysprosium, and the scandium. 6. The piezoelectric film according to claim 5, wherein the ratio of the number of at least one of the atoms is 37.5 at% or more and less than 50 at%.
- 請求項１～６いずれか一項に記載の圧電膜を備える圧電部品。 A piezoelectric component comprising the piezoelectric film according to any one of claims 1 to 6.
- ガリウムと、前記３価の遷移金属元素の少なくともいずれか１つと、から成る合金をターゲットとして、基板上に請求項１～６いずれか一項に記載の圧電膜を形成する、圧電膜製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric film, comprising forming a piezoelectric film according to any one of claims 1 to 6 on a substrate using an alloy composed of gallium and at least one of the trivalent transition metal elements as a target.
- ガリウムから成るターゲットと、前記３価の遷移金属元素の少なくともいずれかから成るターゲットと、を用いて基板上に請求項１～６いずれか一項に記載の圧電膜を形成する、圧電膜製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric film, comprising: forming a piezoelectric film according to any one of claims 1 to 6 on a substrate using a target made of gallium and a target made of at least one of the trivalent transition metal elements. .
- 前記３価の遷移金属元素の少なくともいずれかから成るターゲットにおける含有酸素量が５０００ｗｔｐｐｍ以下である、請求項８又は９に記載の圧電膜製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric film according to claim 8 or 9, wherein the oxygen content in the target composed of at least one of the trivalent transition metal elements is 5000 wtppm or less.
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