WO2023195413A1 - 窒化物、圧電体、圧電素子、強誘電体、及び強誘電素子 - Google Patents

窒化物、圧電体、圧電素子、強誘電体、及び強誘電素子 Download PDF

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WO2023195413A1
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piezoelectric
thin film
layer
ferroelectric
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ゆか梨 井上
朋広 寺田
純一 木村
雅人 上原
研二 平田
浩志 山田
守人 秋山
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Tdk株式会社
国立研究開発法人産業技術総合研究所
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Definitions

  • the present disclosure relates to nitrides, piezoelectric materials, piezoelectric elements (piezoelectric devices), ferroelectrics, and ferroelectric elements (ferroelectric devices).
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • MEMS microelectromechanical system
  • MEMS is a device in which mechanical components, electronic circuits, etc. are integrated on one substrate (for example, a semiconductor substrate) using microfabrication technology.
  • MEMS utilizes the piezoelectric effect or inverse piezoelectric effect of piezoelectric thin films.
  • a lower electrode layer, a piezoelectric thin film, and an upper electrode layer are laminated on a substrate such as silicon or sapphire.
  • subsequent post-processes microfabrication such as patterning, etching, and dicing
  • piezoelectric thin film By selecting a piezoelectric thin film with excellent piezoelectricity, the performance of piezoelectric thin film elements such as MEMS can be improved, and the piezoelectric thin film elements can be made smaller.
  • the piezoelectricity of a piezoelectric thin film is evaluated based on various piezoelectric constants (for example, piezoelectric strain constant d 33 ) depending on the function of the piezoelectric thin film element.
  • Examples of the piezoelectric composition constituting the piezoelectric thin film include Pb(Zr,Ti)O 3 (lead zirconate titanate, abbreviation: PZT), LiNbO 3 (lithium niobate), AlN (aluminum nitride), ZnO (oxidized Zinc) and CdS (cadmium sulfide) are known. In recent years, new piezoelectric compositions have been developed in order to obtain excellent piezoelectricity.
  • Non-Patent Document 1 discloses a nitride consisting of titanium, zinc and nitrogen (TiZnN 2 ), a nitride consisting of zirconium, zinc and nitrogen (ZrZnN 2 ), and hafnium, zinc as novel piezoelectric compositions. , and a nitride consisting of nitrogen (HfZnN 2 ).
  • phase diagram and various physical property values (piezoelectric constant, etc.) of nitride described in the above-mentioned Non-Patent Documents 1 and 2 are only the results of simulations based on first-principles calculations. Simulations based on first-principles calculations are performed under ideal atomic arrangement and non-experimental conditions such as absolute zero (zero K). Furthermore, the simulation based on first-principles calculations assumes a stoichiometric ratio that maintains the charge balance in the nitride. Therefore, the composition of nitride suitable for practical use as a piezoelectric composition cannot be known from Non-Patent Documents 1 and 2.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 do not take into account the dimensions and shape of the piezoelectric composition. Therefore, the composition of nitride suitable for practical use as a piezoelectric thin film cannot be known from Non-Patent Documents 1 and 2.
  • the inventors In order to identify the composition of nitride suitable for practical use, the inventors actually produced a piezoelectric thin film made of nitride containing zinc and Group 4 elements, and evaluated its piezoelectricity. did. As a result, the inventors obtained knowledge that could not be obtained from the simulations of Non-Patent Documents 1 and 2 above. Additionally, the inventors have discovered that adding aluminum to the nitride increases the d33 of the nitride.
  • the bond between Al and N is a covalent bond and is harder than ionic bonds such as the bond between Zn and N and the bond between Group 4 elements and N. The harder the chemical bonds formed in nitride, the more the piezoelectricity of nitride tends to deteriorate. Therefore, aluminum is not normally added to nitrides containing zinc and Group 4 elements.
  • An object of one aspect of the present invention is to provide a nitride with excellent piezoelectricity, a piezoelectric material containing the nitride, a piezoelectric element containing the piezoelectric material, a ferroelectric material containing the nitride, and a ferroelectric material containing the ferroelectric material.
  • An object of the present invention is to provide a dielectric element.
  • first nitride The nitride according to the first aspect of the present invention is referred to as "first nitride.”
  • second nitride The nitride according to the second aspect of the present invention is referred to as a “second nitride.”
  • the first nitride contains zinc and a Group 4 element.
  • the Group 4 element contained in the first nitride is at least one element selected from the group consisting of titanium and zirconium.
  • the content of zinc in the first nitride is expressed as [Zn] atomic %.
  • the total content of Group 4 elements in the first nitride is expressed as [M] atomic %. In the first nitride, [M]/([Zn]+[M]) is greater than 20% and less than 50%.
  • the second nitride contains zinc and a Group 4 element.
  • the Group 4 element contained in the second nitride is at least one element selected from the group consisting of titanium and zirconium.
  • the second nitride further contains aluminum.
  • the content of zinc in the second nitride is expressed as [Zn] atomic %.
  • the total content of Group 4 elements in the second nitride is expressed as [M] atomic %.
  • the content of aluminum in the second nitride is expressed as [Al] atomic %.
  • [M]/([Zn]+[M]) is greater than 20% and less than 70%.
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) is 10% or more and less than 70%.
  • a piezoelectric body [1] includes a first nitride or a second nitride.
  • a piezoelectric body [2] includes a first piezoelectric layer containing aluminum nitride, and a second piezoelectric layer containing a first nitride or a second nitride.
  • the second piezoelectric layer is laminated directly onto the first piezoelectric layer.
  • a piezoelectric element according to one aspect of the present invention includes the piezoelectric body [1] or the piezoelectric body [2] described above.
  • the ferroelectric material [3] includes a first nitride or a second nitride.
  • a ferroelectric material [4] includes a first piezoelectric layer containing aluminum nitride and a second piezoelectric layer containing a first nitride or a second nitride.
  • the second piezoelectric layer is laminated directly onto the first piezoelectric layer.
  • a ferroelectric element according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned ferroelectric material [3] or ferroelectric material [4].
  • a nitride with excellent piezoelectricity a piezoelectric material containing the nitride, a piezoelectric element containing the piezoelectric material, a ferroelectric material containing the nitride, and a ferroelectric material containing the ferroelectric material An element is provided.
  • FIG. 1 is a schematic cross section of a piezoelectric thin film element (ferroelectric thin film element) according to an embodiment of the present invention, and the cross section shown in FIG. It is perpendicular to the stacking direction of the second electrode layer.
  • FIG. 2 is a schematic cross section of a piezoelectric element (ferroelectric element) according to an embodiment of the present invention, and the cross section shown in FIG. perpendicular to
  • X, Y, and Z shown in each figure mean three coordinate axes that are orthogonal to each other.
  • the first nitride according to this embodiment contains zinc (Zn) and a Group 4 element.
  • the Group 4 element contained in the first nitride is at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti) and zirconium (Zr).
  • the content of zinc in the first nitride is expressed as [Zn] atomic %.
  • the total content of Group 4 elements in the first nitride is expressed as [M] atomic %.
  • [M]/([Zn]+[M]) in the first nitride is greater than 20% and less than 50%. That is, 100 ⁇ [M]/([Zn]+[M]) in the first nitride is greater than 20 and less than 50.
  • the first nitride does not need to contain Al. That is, the first nitride may be a nitride that does not contain Al.
  • the first nitride may consist only of zinc, Group 4 elements, and nitrogen (N).
  • the first nitride may be represented by the following chemical formula 1.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 is greater than 0.20 and less than 0.50.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 is 0.00 or more and 1.00 or less.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 is greater than 0.00.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 may be equal to 2.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 may be less than 2. As long as the first nitride has sufficient piezoelectricity, ⁇ in the above chemical formula 1 may be greater than 2. Since the first nitride has the above composition, the first nitride can have excellent piezoelectricity. Furthermore, since the first nitride has the above composition, the first nitride can have ferroelectricity.
  • zinc in the first nitride is a divalent cation
  • group 4 elements (Ti, Zr) in the first nitride are tetravalent cations
  • N in the first nitride is It is a trivalent anion.
  • [M]/([Zn]+[Ti]) in the first nitride is 50% (stoichiometric ratio)
  • cations and anions are easily electrically balanced. Therefore, according to theoretical speculation, when [M]/([Zn] + [Ti]) is 50% (stoichiometric ratio), the electrical resistivity of the first nitride should be the highest.
  • the first nitride should tend to have excellent piezoelectricity.
  • the composition of the nitride in stoichiometric ratio is expressed as Zn 0.5 (Ti 1- ⁇ Zr ⁇ ) 0.5 N or Zn(Ti 1- ⁇ Zr ⁇ )N 2 .
  • the composition of the first nitride is different from the composition of the nitride in the stoichiometric ratio, so that the first nitride (particularly the piezoelectric thin film made of the first nitride) has a high electric potential.
  • the first nitride (particularly a piezoelectric thin film made of the first nitride) can have excellent piezoelectricity (for example, a large d 33 ). Furthermore, since the composition of the first nitride is different from the composition of the nitride in the stoichiometric ratio, the first nitride (particularly the thin film made of the first nitride) has ferroelectricity (e.g., remanent polarization value P r ). can have. In other words, the piezoelectric thin film made of the first nitride may be a ferroelectric thin film.
  • [M]/([Zn]+[M]) in the first nitride is 20% or less, the charge derived from anions in the first nitride tends to be greater than the charge derived from cations. , the electrical resistivity of the first nitride is very low, and the first nitride hardly has piezoelectricity or ferroelectricity. If [M]/([Zn]+[M]) in the first nitride is 50% or more, it is difficult to electrically balance cations and anions, so the electrical resistivity of the first nitride becomes extremely low. The first nitride has low piezoelectricity and ferroelectricity.
  • [M]/([Zn]+[M]) in the first nitride is 24% or more and 49% or less, or 32%. It may be more than 44%.
  • ⁇ in the above chemical formula 1 may be 0.24 or more and 0.49 or less, or 0.32 or more and 0.44 or less.
  • [Zn]/([Zn]+[M]) in the first nitride may be greater than 50% and less than 80%, greater than or equal to 51% and less than or equal to 76%, or greater than or equal to 56% and less than or equal to 68%.
  • d33 of the first nitride is 0.5 pC/N or more and 6.0 pC/N or less, 0.6 pC/N or more and 5.8 pC/N or less, or 1.3 pC /N or more and 5.8 pC/N or less.
  • the electrical resistivity ⁇ of the first nitride is 1.0 ⁇ 10 9 ⁇ cm or more and 1.0 ⁇ 10 14 ⁇ cm or less, or 3.1 ⁇ 10 It may be greater than or equal to 9 ⁇ cm and less than or equal to 1.0 ⁇ 10 13 ⁇ cm.
  • the residual polarization value P r of the first nitride (a ferroelectric thin film made of the first nitride) at 25°C is 0.10 ⁇ C/cm 2 or more and 0.60 ⁇ C/cm 2 or less, and 0.15 ⁇ C/cm 2 It may be greater than or equal to 0.50 ⁇ C/cm 2 or less, or greater than or equal to 0.23 ⁇ C/cm 2 and less than or equal to 0.50 ⁇ C/cm 2 .
  • the second nitride contains zinc and a Group 4 element.
  • the Group 4 element contained in the second nitride is at least one element selected from the group consisting of titanium and zirconium.
  • the second nitride further contains aluminum (Al).
  • the content of zinc in the second nitride is expressed as [Zn] atomic %.
  • the total content of Group 4 elements in the second nitride is expressed as [M] atomic %.
  • the content of aluminum in the second nitride is expressed as [Al] atomic %. [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride is greater than 20% and less than 70%.
  • 100 ⁇ [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride is greater than 20 and less than 70.
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride is 10% or more and less than 70%. That is, 100 ⁇ [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride is 10 or more and less than 70.
  • [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride may be greater than 20% and less than 55%. That is, 100 ⁇ [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride may be greater than 20 and less than 55.
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride may be 10% or more and less than 50%. That is, 100 ⁇ [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride may be 10 or more and less than 50.
  • the second nitride may consist only of zinc, Group 4 elements, aluminum and nitrogen. When the second nitride consists only of zinc, a Group 4 element, aluminum, and nitrogen, the second nitride may be represented by the following chemical formula 2. ⁇ Zn 1- ⁇ (Ti 1- ⁇ Zr ⁇ ) ⁇ ⁇ 1- ⁇ Al ⁇ N ⁇ (2) ⁇ in the above chemical formula 2 is greater than 0.20 and less than 0.70.
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be greater than 0.20 and less than 0.55. ⁇ in the above chemical formula 2 is 0.00 or more and 1.00 or less. ⁇ in the above chemical formula 2 is 0.10 or more and less than 0.70. ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.10 or more and less than 0.50. ⁇ in the above chemical formula 2 is greater than 0.00. ⁇ in the above chemical formula 2 may be equal to 2. As long as the second nitride has sufficient piezoelectricity, ⁇ in the above chemical formula 2 may be less than 2. As long as the second nitride has sufficient piezoelectricity, ⁇ in the above chemical formula 2 may be greater than 2.
  • 50% may be removed from the range of [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride containing zinc, a Group 4 element, and aluminum, and [Al] in the second nitride /([Zn]+[M]+[Al]), 50% and 65% may be excluded.
  • the second nitride has the above composition
  • the second nitride (particularly the piezoelectric thin film made of the second nitride) tends to have high electrical resistivity, and (piezoelectric thin film) can have excellent piezoelectricity.
  • the second nitride (particularly a thin film made of the second nitride) can have ferroelectricity (for example, residual polarization value P r ).
  • the piezoelectric thin film made of the second nitride may be a ferroelectric thin film.
  • the second nitride since the second nitride further contains aluminum in addition to zinc and the Group 4 element, the second nitride tends to have better piezoelectricity than the first nitride which does not contain aluminum. tends to have better ferroelectric properties than primary nitrides. For example, d 33 of the second nitride tends to be greater than d 33 of the first nitride, and P r of the second nitride tends to be greater than P r of the first nitride.
  • [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride may be 21% or more and 69% or less
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride may be 10% or more and 69% or less.
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.21 or more and 0.69 or less
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.10 or more and 0.69 or less.
  • [M]/([Zn]+[M]) in the second nitride may be 21% or more and 53% or less
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride may be 10% or more and 43% or less.
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.21 or more and 0.53 or less
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.10 or more and 0.43 or less.
  • [M]/([Zn] + [M]) in the second nitride may be 34% or more and 47% or less
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) in the second nitride may be 16% or more and 41% or less.
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.34 or more and 0.47 or less
  • ⁇ in the above chemical formula 2 may be 0.16 or more and 0.41 or less.
  • [Zn]/([Zn]+[M]) in the second nitride is 30% or more and less than 80%, more than 45% and less than 80%, 47% or more and 79% or less, or 53% or more and less than 76%. It's good.
  • d33 of the second nitride is 0.7 pC/N or more and 12.6 pC/N or less, 0.8 pC/N or more and 12.5 pC/N or less, or 4. It may be 5 pC/N or more and 12.5 pC/N or less.
  • the electrical resistivity ⁇ of the second nitride may be 1.0 ⁇ 10 9 ⁇ cm or more and 1.0 ⁇ 10 14 ⁇ cm or less.
  • the residual polarization value P r of the second nitride (a ferroelectric thin film made of a second nitride) at 25°C is 0.09 ⁇ C/cm 2 or more and 2.30 ⁇ C/cm 2 or less, and 0.10 ⁇ C/cm 2 It may be greater than or equal to 2.25 ⁇ C/cm 2 or less, 0.20 ⁇ C/cm 2 or more and less than 2.25 ⁇ C/cm 2 , or 0.46 ⁇ C/cm 2 or more and less than 2.25 ⁇ C/cm 2 .
  • the first nitride may further contain other elements in addition to zinc, titanium, zirconium, and nitrogen.
  • the second nitride may further contain other elements in addition to zinc, titanium, zirconium, aluminum and nitrogen.
  • the crystal structures of the first nitride and the second nitride are not limited.
  • the crystals of the first nitride and the second nitride may be hexagonal.
  • the crystal structure of the first nitride and the second nitride may be a wurtzite structure.
  • Zn, Ti, and Zr may be substituted for each other.
  • Zn, Ti, Zr, and Al may be substituted for each other.
  • the crystal structure of the second nitride may be the same as the crystal structure of the first nitride, except that the crystal structure of the second nitride includes Al.
  • the crystal structure of the second nitride may be different from the crystal structure of the first nitride.
  • the piezoelectric body according to this embodiment includes a first nitride or a second nitride.
  • piezoelectric bodies may be used for piezoelectric elements.
  • the piezoelectric body may be a piezoelectric thin film containing a first nitride or a second nitride.
  • the piezoelectric body does not have to be a piezoelectric thin film.
  • the piezoelectric body may be a coarse ceramic (sintered body) containing a first nitride or a second nitride.
  • a piezoelectric thin film element using a piezoelectric thin film will be explained as an example of a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is not limited to a piezoelectric thin film element.
  • the structure of the piezoelectric element is not limited to the structure described below.
  • the ferroelectric material according to this embodiment includes a first nitride or a second nitride.
  • ferroelectrics may be used in ferroelectric elements.
  • the ferroelectric material may be a ferroelectric thin film containing a first nitride or a second nitride.
  • the ferroelectric material does not have to be a ferroelectric thin film.
  • the ferroelectric material may be a coarse ceramic (sintered body) containing a first nitride or a second nitride.
  • the ferroelectric element may be a ferroelectric thin film element using a ferroelectric thin film.
  • the ferroelectric element is not limited to a ferroelectric thin film element.
  • the piezoelectric material described below is a ferroelectric material.
  • the piezoelectric thin film described below is a ferroelectric thin film.
  • the piezoelectric thin film element described below is a ferroelectric thin film element.
  • the piezoelectric elements described below are ferroelectric elements.
  • the structure of the ferroelectric element is not limited to the structure described below.
  • the piezoelectric thin film element 10 (ferroelectric thin film element) according to the present embodiment includes a substrate 6, an adhesion layer 5 directly laminated on the surface of the substrate 6, and a substrate via the adhesion layer 5. a first electrode layer 4 laminated indirectly on the surface of the piezoelectric thin film 3; a piezoelectric thin film 3 (ferroelectric thin film) laminated directly on the surface of the first electrode layer 4; and a second electrode layer 7.
  • the piezoelectric thin film 3 may be composed of multiple layers.
  • the piezoelectric thin film 3 may include a first piezoelectric layer 1 containing aluminum nitride (AlN) and a second piezoelectric layer 2 containing a first nitride or a second nitride.
  • the first piezoelectric layer 1 may consist only of aluminum nitride.
  • the first piezoelectric layer 1 may be made of aluminum nitride containing additive elements.
  • the second piezoelectric layer 2 may consist only of the first nitride or the second nitride.
  • the first piezoelectric layer 1 may be laminated directly on the surface of the first electrode layer 4, the second piezoelectric layer 2 may be laminated directly on the surface of the first piezoelectric layer 1, and the second electrode layer 7 may be laminated directly on the surface of the first piezoelectric layer 4. It may be laminated directly onto the surface of layer 2.
  • the first piezoelectric layer 1 may be translated into an intermediate layer disposed between the first electrode layer 4 and the second piezoelectric layer 2.
  • Aluminum nitride contained in the first piezoelectric layer 1 has excellent electrical insulation. Therefore, by arranging the first piezoelectric layer 1 between the first electrode layer 4 and the second piezoelectric layer 2, the first electrode layer 4 and the second electrode layer 7 The electrical insulation between the two is improved.
  • the crystal lattice of aluminum nitride contained in the first piezoelectric layer 1 is easily matched with the crystal lattice of the second piezoelectric layer 2. Therefore, by forming the second piezoelectric layer 2 on the surface of the first piezoelectric layer 1, the crystallinity and piezoelectricity of the second piezoelectric layer 2 (first nitride or second nitride) are improved.
  • the second piezoelectric layer 2 may be directly laminated on only a part of the surface of the first piezoelectric layer 1, a part of the second electrode layer 7 may be directly laminated on the surface of the second piezoelectric layer 2, and the second electrode Other parts of the layer 7 may be laminated directly onto the surface of the first piezoelectric layer 1.
  • the second piezoelectric layer 2 may be directly laminated on the entire surface of the first piezoelectric layer 1 , and the second electrode layer 7 may be directly laminated on the entire surface of the second piezoelectric layer 2 .
  • the first piezoelectric layer 1 containing aluminum nitride is not essential for the piezoelectric thin film element 10 (ferroelectric thin film element).
  • a piezoelectric thin film 3 containing only a first nitride or a second nitride as a nitride may be directly laminated on the surface of the first electrode layer 4.
  • the piezoelectric thin film 3 may be directly laminated on the surface of the adhesive layer 5.
  • the piezoelectric thin film 3 may be directly laminated on the surface of the substrate 6.
  • the entire piezoelectric thin film 3 may be made of only the first nitride or the second nitride.
  • the first nitride or second nitride contained in the piezoelectric thin film 3 may be single crystal or polycrystalline.
  • the first nitride or the second nitride in the piezoelectric thin film 3 may be a columnar crystal extending in the normal direction (Z-axis direction) to the surface of the first electrode layer 4.
  • the (001) plane and (002) plane of the first nitride or the second nitride in the piezoelectric thin film 3 (second piezoelectric layer 2) are parallel to the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3). It may be.
  • the (001) plane and (002) plane of the first nitride or the second nitride in the piezoelectric thin film 3 are the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3). may be oriented in the normal direction.
  • the piezoelectric thin film 3 (second piezoelectric layer 2) includes a plurality of crystalline grains made of the first nitride or the second nitride
  • the (001) plane and (002) plane of some or all of the crystalline grains ) plane may be parallel to the surface of the first electrode layer 4.
  • the piezoelectric thin film 3 (second piezoelectric layer 2) tends to have excellent piezoelectricity and ferroelectricity.
  • the orientation direction of the lattice plane of the first nitride or the second nitride in the piezoelectric element is not limited.
  • the aluminum nitride contained in the first piezoelectric layer 1 may be single crystal or polycrystalline.
  • the aluminum nitride in the first piezoelectric layer 1 may be columnar crystals extending in the normal direction to the surface of the first electrode layer 4.
  • the (001) plane and (002) plane of aluminum nitride in the first piezoelectric layer 1 may be parallel to the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3).
  • the (001) plane and (002) plane of aluminum nitride in the first piezoelectric layer 1 may be oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3).
  • the first piezoelectric layer 1 includes a plurality of crystal grains made of aluminum nitride
  • the (001) plane and (002) plane of some or all of the crystal grains are parallel to the surface of the first electrode layer 4. good.
  • the first nitride in the second piezoelectric layer 2 When the (001) plane and (002) plane of aluminum nitride in the first piezoelectric layer 1 are parallel to the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3), the first nitride in the second piezoelectric layer 2 The (001) plane and (002) plane of the material or the second nitride also tend to be parallel to the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3). In other words, the (001) plane and (002) plane of aluminum nitride in the first piezoelectric layer 1 are the same as the (001) plane and (002) plane of the first nitride or the second nitride in the second piezoelectric layer 2. May be parallel.
  • the crystal orientation (polarization direction) in which aluminum nitride exhibits piezoelectricity is [001] of a wurtzite structure. Therefore, when the (001) plane and (002) plane of aluminum nitride are parallel to the surface of the first electrode layer 4 (or piezoelectric thin film 3), the piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1) has excellent piezoelectric properties. easy to have.
  • the orientation direction of the lattice planes of aluminum nitride in the piezoelectric element is not limited.
  • the thickness of the piezoelectric thin film 3 may be 50 nm or more and 30,000 nm or less.
  • the thickness of the first piezoelectric layer 1 may be 5 nm or more and 50 nm or less
  • the thickness of the second piezoelectric layer 2 may be 45 nm or more and 29950 nm or less. It's fine.
  • the lamination direction of the substrate 6, adhesive layer 5, first electrode layer 4, piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1 and second piezoelectric layer 2), and second electrode layer 7 is the Z-axis direction.
  • the substrate 6, adhesive layer 5, first electrode layer 4, piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1 and second piezoelectric layer 2), and second electrode layer 7 are arranged in the XY plane direction (X axis and Y axis). It has a flat shape extending along.
  • the thicknesses of the substrate 6, adhesive layer 5, first electrode layer 4, piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1 and second piezoelectric layer 2), and second electrode layer 7 may be uniform.
  • the adhesive layer 5 may directly cover a part or the entire surface of the substrate 6.
  • the first electrode layer 4 may directly cover a part or the entire surface of the adhesive layer 5.
  • the piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1) may directly or indirectly cover a part or the entire surface of the first electrode layer 4.
  • the piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1) may directly cover a part or the entire surface of the adhesive layer 5.
  • the piezoelectric thin film 3 (first piezoelectric layer 1) may directly cover a part or the entire surface of the substrate 6.
  • the second electrode layer 7 may directly or indirectly cover a part or the entire surface of the piezoelectric thin film 3 (second piezoelectric layer 2).
  • the second piezoelectric layer 2 may cover part or all of the surface of the first piezoelectric layer 1.
  • the adhesive layer 5 is not essential for the piezoelectric thin film element 10. If there is no adhesive layer 5, the first electrode layer 4 may directly cover part or the entire surface of the substrate 6.
  • the first electrode layer 4 may be referred to as a lower electrode layer.
  • the second electrode layer 7
  • the substrate 6 may be a semiconductor substrate such as a silicon substrate, a gallium arsenide substrate, or an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate.
  • the substrate 6 may be an optical crystal substrate (such as a sapphire substrate), an insulating substrate (such as a glass substrate or a ceramic substrate), or a metal substrate (such as a stainless steel plate).
  • the first electrode layer 4 includes Pt (platinum), Ir (iridium), Au (gold), Rh (rhodium), Pd (palladium), Ag (silver), Ni (nickel), Cu (copper), and Al (aluminum). ), Mo (molybdenum), W (tungsten), V (vanadium), Cr (chromium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ru (ruthenium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Ti (titanium) ), Y (yttrium), Sc (scandium), and Mg (magnesium).
  • the first electrode layer 4 may be made of a single metal.
  • the first electrode layer 4 may be an alloy containing at least two types of elements, a ceramic, or the like.
  • the adhesive layer 5 is made of Al (aluminum), Si (silicon), Ti (titanium), Zn (zinc), Y (yttrium), Zr (zirconium), Ce (cerium), Cr (chromium), Nb (niobium), It may contain at least one element selected from the group consisting of Mo (molybdenum), Hf (hafnium), Ta (tantalum), W (tungsten), Pt (platinum), and Ru (ruthenium).
  • the adhesive layer 5 may be a simple metal, an alloy, or a compound (oxide, nitride, etc.).
  • the adhesive layer 5 may be made of another piezoelectric thin film, polymer, or ceramics.
  • the adhesive layer 5 also has a function of suppressing peeling of the first electrode layer 4 due to mechanical impact or the like.
  • the adhesive layer 5 may be referred to as an interface layer, a support layer, or a buffer layer.
  • the second electrode layer 7 is made of Pt, Ir, Au, Rh, Pd, Ag, Ni, Cu, Al, Mo, W, V, Cr, Nb, Ta, Ru, Zr, Hf, Ti, Y, Sc, and Mg. It may contain at least one element selected from the group consisting of.
  • the second electrode layer 7 may be made of a single metal.
  • the second electrode layer 7 may be an alloy containing at least two types of elements selected from the above group, ceramics, or the like.
  • the thickness of the substrate 6 may be 50 ⁇ m or more and 10,000 ⁇ m or less.
  • the thickness of the adhesive layer 5 may be 0.003 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
  • the thickness of the first electrode layer 4 may be 0.01 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
  • the thickness of the second electrode layer 7 may be 0.01 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
  • the adhesive layer 5, the first electrode layer 4, the piezoelectric thin film 3 (the first piezoelectric layer 1 and the second piezoelectric layer 2), and the second electrode layer 7 are formed on the surface of the substrate 6 by a vapor phase growth method such as sputtering. May be laminated.
  • the first piezoelectric layer 1 when the first piezoelectric layer 1 is made only of aluminum nitride, the first piezoelectric layer 1 may be formed by sputtering using a metal target made of Al.
  • the second piezoelectric layer 2 when the second piezoelectric layer 2 is made of only the first nitride, the second piezoelectric layer 2 is formed by sputtering using at least one of a metal target made of Ti and a metal target made of Zr, and a metal target made of Zn.
  • the second piezoelectric layer 2 when the second piezoelectric layer 2 is made of only the second nitride, the second piezoelectric layer 2 is made of at least one of a metal target made of Ti and a metal target made of Zr, a metal target made of Zn, and a metal target made of Al. It may be formed by sputtering using a metal target.
  • the piezoelectric thin film 3 when the piezoelectric thin film 3 is entirely made of the first nitride, the piezoelectric thin film 3 is formed by sputtering using at least one of a metal target made of Ti and a metal target made of Zr, and a metal target made of Zn. It's okay to be.
  • the piezoelectric thin film 3 when the entire piezoelectric thin film 3 is made of only the second nitride, the piezoelectric thin film 3 includes at least one of a metal target made of Ti and a metal target made of Zr, a metal target made of Zn, and a metal target made of Al. It may be formed by sputtering using a target. In sputtering using a plurality of metal targets, the higher the input power (power density) given to each target, the more likely elements originating from each target will be included in the piezoelectric thin film 3. Therefore, the content of each element in the piezoelectric thin film 3 may be controlled by adjusting the input power (power density) given to each target.
  • the input power (power density) can be expressed as the power per unit area of each sputtering target (unit: W/cm 2 ).
  • the sputtering atmosphere (film formation atmosphere) for forming the piezoelectric thin film 3 contains nitrogen gas (N 2 ).
  • the nitrogen contained in the piezoelectric thin film 3 originates from nitrogen gas in the film forming atmosphere.
  • the film-forming atmosphere may be a mixed gas containing a rare gas (such as argon) and nitrogen gas.
  • a rare gas such as argon
  • the nitrogen content of may be controlled. The duration of sputtering, the temperature of the surface of the substrate during sputtering, the substrate bias, etc.
  • a piezoelectric thin film 3 having a desired shape or pattern may be formed by etching (eg plasma etching).
  • the adhesive layer 5, the first electrode layer 4, and the second electrode layer 7 may each be formed by sputtering using at least one type of target.
  • the adhesive layer 5, the first electrode layer 4, and the second electrode layer 7 may each be formed by sputtering using a plurality of targets.
  • the target used to form each layer may contain at least one of the elements constituting each layer. By selecting and combining targets having predetermined compositions, each layer having a desired composition can be formed.
  • the target may be a simple metal, an alloy, an oxide, or the like.
  • Each layer may be formed in a noble gas (such as argon). Some of the elements constituting each layer may originate from the sputtering atmosphere.
  • the crystal structures of the adhesion layer 5, the first electrode layer 4, the piezoelectric thin film 3 (the first piezoelectric layer 1 and the second piezoelectric layer 2), and the second electrode layer 7 are specified by an X-ray diffraction (XRD) method. It's fine.
  • the composition of each layer and the piezoelectric thin film 3 can be determined by X-ray fluorescence spectroscopy (XRF method), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and laser ablation.
  • the analysis method may be specified for at least one of inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and electron beam microanalyzer (EPMA).
  • LA-ICP-MS inductively coupled plasma mass spectrometry
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • the thickness of the adhesive layer 5, the first electrode layer 4, the piezoelectric thin film 3 (the first piezoelectric layer 1 and the second piezoelectric layer 2), and the second electrode layer 7 is in the thickness direction (Z-axis direction in FIG. 1). Measurements may be made using a scanning electron microscope (SEM) in a cross section of the piezoelectric thin film element 10 parallel to .
  • SEM scanning electron microscope
  • the piezoelectric element or ferroelectric element has a wide variety of uses.
  • piezoelectric elements or ferroelectric elements can be used in actuators, sensors, microphones, speakers, harvesters (vibration generators), oscillators (timing devices), resonators (acoustic multilayer films), high-frequency filters, ferroelectric memories (FeRAM), etc. , or an X-ray generator (X-ray source).
  • the piezoelectric or ferroelectric element may be part or all of the MEMS.
  • the actuator may be a mirror actuator for a scanning imaging module.
  • actuators may be used for haptics. That is, the actuator may be used in various devices that require skin sensation (tactile) feedback.
  • a device requiring tactile feedback may be, for example, a wearable device, a touch pad, a display, or a game controller.
  • the actuator may be used in a head assembly, head stack assembly, or hard disk drive.
  • the actuator may be used in a printer head or inkjet printer device.
  • actuators may be used in switches.
  • the sensor may be a pyroelectric sensor (e.g., an infrared sensor), a vibration sensor, an acceleration sensor, a shock sensor, a gyro sensor, an acoustic emission (AE) sensor, a pressure sensor, a pulse wave sensor, an ultrasonic sensor, or a piezoelectric micromechanical ultrasonic sensor.
  • a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer such as a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT).
  • pyroelectric sensors may be used as blood glucose sensors, human sensors, motion sensors, infrared image sensors, in-vehicle sensors, infrared thermometers, flame detection sensors, or gas detection sensors.
  • a product to which a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer is applied may be a biometric sensor, a medical/healthcare sensor (a fingerprint sensor or an ultrasonic blood vessel authentication sensor), or a ToF (Time of Flight) sensor.
  • the filter may be a BAW (Bulk Acoustic Wave) filter or a SAW (Surface Acoustic Wave) filter.
  • the piezoelectric element 10a (ferroelectric element) includes a first electrode layer 4, a piezoelectric layer 3a (ferroelectric layer) laminated directly on the first electrode layer 4, and a piezoelectric layer 3a. (the ferroelectric layer).
  • the piezoelectric layer 3a (ferroelectric layer) contains a first nitride or a second nitride as a piezoelectric material (ferroelectric material).
  • the piezoelectric layer 3a may be a ceramic (sintered body) containing a first nitride or a second nitride.
  • the thickness of the piezoelectric layer 3a (ferroelectric layer) may be from several mm to several tens of mm (for example, 10 mm).
  • the nitrides in Examples 1 to 6 below are examples of the first nitride.
  • Example 1 ⁇ Preparation of nitride film> A wafer made of single crystal Si was used as the substrate. The surface of the substrate was parallel to the (100) plane of Si. The thickness of the substrate was 725 ⁇ m. The diameter of the substrate was approximately 8 inches. The thickness of the substrate was uniform. The resistance of the substrate in the thickness direction was 100 ⁇ or less.
  • a thin film containing nitride was directly formed on the entire surface of the substrate by RF magnetron sputtering in a vacuum chamber.
  • sputtering targets a metal target made of Zn (single Zn) and a metal target made of Ti (single Ti) were used.
  • the input power (power density) of each sputtering target was adjusted so that [M]/([Zn]+[M]) in the nitride matched the value shown in Table 1 below.
  • the atmosphere inside the vacuum chamber was a mixed gas of Ar and N2 .
  • the atmospheric pressure inside the vacuum chamber was 0.5 Pa.
  • the flow rate of Ar supplied to the vacuum chamber per unit time was 15 sccm.
  • the flow rate of N 2 supplied to the vacuum chamber per unit time was 15 sccm.
  • the temperature of the substrate during the nitride film formation process was maintained at 150°C.
  • the thickness of the nitride film was adjusted to 0.5 ⁇ m
  • a thin film element of Example 1 was fabricated by the following method.
  • a first electrode layer (lower electrode layer) made of Mo was directly formed on the entire surface of the above substrate by RF magnetron sputtering in a vacuum chamber.
  • a simple substance of Mo was used as a sputtering target.
  • the atmosphere inside the vacuum chamber was Ar gas.
  • the thickness of the first electrode layer was uniform.
  • the thickness of the first electrode layer was 0.2 ⁇ m.
  • a thin film made of nitride was directly formed on the entire surface of the first electrode layer by RF magnetron sputtering in a vacuum chamber.
  • the method of forming the nitride film directly on the surface of the first electrode layer was similar to the method of forming the nitride directly on the surface of the substrate.
  • the composition and dimensions of the nitride film directly formed on the surface of the first electrode layer were similar to the composition and dimensions of the above-mentioned nitride film formed directly on the surface of the substrate.
  • a second electrode layer (electrode pattern) made of Ag was directly formed on the entire surface of the nitride film by electron beam evaporation using a metal mask in a vacuum chamber.
  • the thickness of the second electrode layer was 0.1 ⁇ m.
  • the thickness of the second electrode layer was uniform.
  • the laminate produced by the above procedure includes a substrate, a first electrode layer directly laminated on the substrate, a nitride film laminated directly on the first electrode layer, and a second electrode layer laminated directly on the nitride film. It consisted of an electrode layer. Subsequent photolithography was used to pattern the layered structure on the substrate. After patterning, the entire laminate was cut by dicing to obtain a rectangular thin film element of Example 1.
  • the thin film element is composed of a substrate, a first electrode layer laminated directly on the substrate, a nitride film laminated directly on the first electrode layer, and a second electrode layer laminated directly on the nitride film. was.
  • the thin film element of Example 1 was manufactured by the above method. The following analyzes and measurements were carried out using the above two types of samples.
  • ⁇ Analysis of composition of nitride film> The composition of the nitride film formed directly on the surface of the substrate was analyzed by X-ray fluorescence analysis (XRF method), and [M]/([Zn]+[M]) in the nitride film was identified.
  • XRF method a wavelength-dispersive fluorescent X-ray device (RIGAKU AZX-400) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used.
  • the analysis results showed that the nitride (nitride film) of Example 1 was composed of Zn, Ti, and N.
  • [M]/([Zn]+[M]) of Example 1 specified by the XRF method matched the value shown in Table 1 below.
  • [Zn]/([Zn]+[M]) of Example 1 specified by the XRF method matched the values shown in Table 1 below.
  • X-ray diffraction X-ray diffraction
  • SmartLab multipurpose X-ray diffraction device manufactured by Rigaku Co., Ltd.
  • a 2 ⁇ - ⁇ scan, an ⁇ scan, and a 2 ⁇ - ⁇ scan were performed on the surface of the nitride film using the above-mentioned X-ray diffraction device.
  • the nitride film had a wurtzite structure.
  • the (002) plane of the wurtzite structure was parallel to the surfaces of the nitride film and the substrate.
  • ⁇ Measurement of piezoelectric strain constant d33 The piezoelectric strain constant d 33 (unit: pC/N) of the nitride film of Example 1 was measured. The details of the method for measuring the piezoelectric strain constant d33 were as follows. The measurement results showed that the nitride film of Example 1 was a thin film (piezoelectric thin film) having sufficient piezoelectricity. The piezoelectric strain constant d 33 (average value of three measurement points) of Example 1 is shown in Table 1 below. Measuring device: d 33 meter (PM200) manufactured by Piezotest Frequency: 110Hz Clamp pressure: 0.25N
  • the residual polarization value P r of Example 1 is shown in Table 1 below.
  • the remanent polarization value P r shown in Table 1 below is the average value of three remanent polarization values obtained by three measurements.
  • the residual polarization value P r is an index indicating the ferroelectricity of the nitride film. The larger the residual polarization value P r is, the better the ferroelectricity of the nitride film is.
  • Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 As sputtering targets for forming nitride films in Examples 2 to 4 and 6 and Comparative Examples 2 to 4, a metal target made of Zn (single substance of Zn) and a metal target made of Ti were used as in Example 1. A metal target (single Ti) was used. As sputtering targets for forming the nitride film of Example 5, a metal target made of Zn (single Zn) and a metal target made of Zr (single Zr) were used.
  • the intermediate layer (first piezoelectric layer) was formed on the entire surface of the first electrode layer, and the nitride film (second piezoelectric layer) was formed on the entire surface of the intermediate layer.
  • the intermediate layer of Example 6 was formed by the following method.
  • An interlayer of AlN was formed by RF magnetron sputtering in a vacuum chamber.
  • As a sputtering target only a metal target made of Al (alone) was used.
  • the atmosphere inside the vacuum chamber was a mixed gas of Ar and N2 .
  • the thickness of the intermediate layer was uniform.
  • the thickness of the intermediate layer was adjusted to 0.03 ⁇ m.
  • Example 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 Two types of samples, Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 5, were prepared in the same manner as in Example 1 except for the above matters. Analysis and measurements using two types of samples, Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 5, were carried out in the same manner as in Example 1.
  • the results of analysis by the XRF method were as follows.
  • the nitrides (nitride films) of Examples 2 to 4 and 6 and Comparative Examples 3 to 4 were composed of Zn, Ti, and N.
  • the nitride (nitride film) of Example 5 was composed of Zn, Zr, and N.
  • the nitride film of Comparative Example 1 was a mixture composed of Zn nitride and Zn oxide.
  • the nitride film of Comparative Example 2 was a mixture composed of a nitride containing Zn and Ti and an oxide containing Zn and Ti.
  • the nitride (nitride film) was composed of Ti and N.
  • the results of analysis based on the XRD method were as follows.
  • the nitride films of Examples 2 to 6 each had a wurtzite structure.
  • the (002) plane of the wurtzite structure in each of Examples 2 to 6 was parallel to the surfaces of the nitride film and the substrate.
  • the electrical resistivity ⁇ , piezoelectric strain constant d 33 and residual polarization value P r of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 are shown in Table 1 below.
  • the results of the measurement of the piezoelectric strain constant d33 showed that the nitride films of Examples 2 to 6 were thin films (piezoelectric thin films) having sufficient piezoelectricity.
  • the measurement results of the residual polarization value P r showed that the nitride films of Examples 2 to 6 were thin films having ferroelectric properties (ferroelectric thin films).
  • Comparative Examples 1 and 2 nitride films containing not only nitrides but also oxides were formed, so the electrical resistivity ⁇ of the nitride films was not measured.
  • the nitride film constituting the thin film element had peeled off from the first electrode layer, so it was not possible to measure the piezoelectric strain constant d33 and the residual polarization value Pr .
  • the electrical resistivity ⁇ of the nitride film was too low, so it was not possible to measure the piezoelectric strain constant d 33 and the residual polarization value P r .
  • the electrical resistivity ⁇ of the nitride film could not be accurately measured because the electrical resistivity ⁇ of the nitride film was too low.
  • the nitride films of Comparative Examples 3 to 5 did not have insulating properties, piezoelectric properties, or ferroelectric properties.
  • Example 7 to 19 are examples of the second nitride.
  • metal targets made of Zn single Zn
  • metal targets made of Ti single Ti
  • metal targets made of Al were used as sputtering targets for forming the nitride films in Examples 7 to 19 and Comparative Example 6.
  • a metal target (Al alone) was used.
  • [M]/([Zn]+[M]) and [Al]/([Zn]+[M] The input power (power density) of each sputtering target was adjusted so that +[Al]) corresponded to the value shown in Table 2 below.
  • Example 17 to 19 the flow rate of Ar per unit time supplied to the vacuum chamber during the nitride film formation process was 10 sccm. In Examples 17 to 19, the flow rate of N 2 supplied to the vacuum chamber during the nitride film formation process per unit time was 20 sccm.
  • the intermediate layer (first piezoelectric layer) was formed on the entire surface of the first electrode layer, and the nitride film (second piezoelectric layer) was formed on the entire surface of the intermediate layer. .
  • the intermediate layer of Example 16 was formed by the same method as the intermediate layer of Example 6 above.
  • Example 7 to 19 and Comparative Example 6 Two types of samples, Examples 7 to 19 and Comparative Example 6, were prepared in the same manner as in Example 1 except for the above matters. Analysis and measurements using two types of samples, Examples 7 to 19 and Comparative Example 6, were carried out in the same manner as in Example 1.
  • the results of analysis by the XRF method were as follows.
  • the nitride films of Examples 7 to 19 and Comparative Example 6 were composed of Zn, Ti, Al, and N.
  • [M]/([Zn]+[M]) of Examples 7 to 19 and Comparative Example 6 matched the values shown in Table 2 below.
  • [Al]/([Zn]+[M]+[Al]) of Examples 7 to 19 and Comparative Example 6 matched the values shown in Table 2 below.
  • the results of analysis based on the XRD method were as follows.
  • the nitride films of Examples 7 to 19 had a wurtzite structure.
  • the (002) plane of the wurtzite structure in each of Examples 7 to 19 was parallel to the surfaces of the nitride film and the substrate.
  • the piezoelectric strain constant d 33 and residual polarization value P r of Examples 7 to 19 are shown in Table 2 below.
  • the results of the measurement of the piezoelectric strain constant d33 showed that the nitride films of Examples 7 to 19 were thin films (piezoelectric thin films) having sufficient piezoelectricity.
  • the measurement results of the residual polarization value P r showed that the nitride films of Examples 7 to 19 were thin films having ferroelectric properties (ferroelectric thin films).
  • the nitride film of Comparative Example 6 did not have insulation, piezoelectricity, or ferroelectricity.
  • the nitride according to one aspect of the present invention may be used in the piezoelectric element described above.
  • SYMBOLS 1 First piezoelectric layer, 2... Second piezoelectric layer, 3... Piezoelectric thin film (ferroelectric thin film), 3a... Piezoelectric layer (ferroelectric layer), 4... First electrode layer, 5... Adhesive layer, 6... Substrate, 7... Second electrode layer, 10... Piezoelectric thin film element (ferroelectric thin film element), 10a... Piezoelectric element (ferroelectric element).

Landscapes

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Abstract

窒化物は、亜鉛及び第４族元素を含有する。窒化物に含まれる第４族元素は、チタン及びジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。窒化物中の亜鉛の含有量は、［Ｚｎ］原子％と表される。窒化物中の第４族元素の含有量の合計は、［Ｍ］原子％と表される。窒化物において、［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０％より大きく５０％未満である。

Description

窒化物、圧電体、圧電素子、強誘電体、及び強誘電素子
　本開示は、窒化物、圧電体、圧電素子（圧電デバイス）、強誘電体、及び強誘電素子（強誘電デバイス）に関する。
　近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）が注目されている。ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）とは、機械要素部品及び電子回路等が、微細加工技術によって一つの基板（例えば、半導体基板）上に集積化されたデバイスである。ＭＥＭＳでは、圧電薄膜の圧電効果又は逆圧電効果が利用される。圧電薄膜を用いたＭＥＭＳの製造では、シリコン又はサファイア等の基板上に下部電極層、圧電薄膜、及び上部電極層が積層される。続く後工程（パターンニング、エッチング及びダイシング等の微細加工）の実施により、任意の機能を有するＭＥＭＳが得られる。圧電性に優れた圧電薄膜を選択することで、ＭＥＭＳ等の圧電薄膜素子の性能が向上し、圧電薄膜素子の小型化が可能になる。圧電薄膜の圧電性は、圧電薄膜素子の機能に応じた様々な圧電定数（例えば、圧電歪定数ｄ３３）に基づいて評価される。
　圧電薄膜を構成する圧電組成物としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛，略称；ＰＺＴ）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）及びＣｄＳ（硫化カドミウム）等が知られている。近年、優れた圧電性を得るために、新規の圧電組成物の開発が行われている。例えば、下記の非特許文献１は、新規の圧電組成物として、チタン、亜鉛及び窒素からなる窒化物（ＴｉＺｎＮ２）、ジルコニウム、亜鉛及び窒素からなる窒化物（ＺｒＺｎＮ２）、並びに、ハフニウム、亜鉛、及び窒素からなる窒化物（ＨｆＺｎＮ２）を開示している。下記の非特許文献２は、ＴＭｘ/２Ｍｘ/２Ａｌ１－ｘＮ(ＴＭ＝Ｔｉ,Ｚｒ,Ｈｆ；　Ｍ=Ｍｇ,Ｃａ，Ｚｎ)と表されるウルツ鉱型合金を開示している。
　上記の非特許文献１及び２に記載の窒化物の相図及び諸物性値（圧電定数等）は、第一原理計算によるシミュレーションの結果に過ぎない。第一原理計算によるシミュレーションは、理想的な原子配置、及び絶対零度（ゼロＫ）等の非実験的な諸条件下で行われる。さらに第一原理計算によるシミュレーションは、窒化物におけるチャージバランスが維持される化学量論比を前提としている。したがって、圧電組成物として実用に適した窒化物の組成を、非特許文献１及び２から知ることはできない。さらに非特許文献１及び２に記載のシミュレーションでは、圧電組成物の寸法及び形状が考慮されていない。したがって、圧電薄膜として実用に適した窒化物の組成を、非特許文献１及び２から知ることもできない。
　発明者らは、実用に適した窒化物の組成を特定するために、亜鉛及び第４族元素（Ｇｒоｕｐ　４　ｅｌｅｍｅｎｔ）を含有する窒化物からなる圧電薄膜を実際に作製し、その圧電性を評価した。その結果、発明者らは、上記の非特許文献１及び２のシミュレーションからは得られなかった知見を得た。さらに発明者らは、アルミニウムを上記の窒化物へ添加することにより、上記の窒化物のｄ３３が増加することを発見した。Ａｌ及びＮの間の結合は、共有結合であり、Ｚｎ及びＮの間の結合、並びに第４族元素及びＮの間の結合等のイオン結合よりも硬い。窒化物中に形成される化学結合が硬いほど窒化物の圧電性は劣化する傾向がある。したがってアルミニウムは、亜鉛及び第４族元素を含有する窒化物へ通常添加されない。
　本発明の一側面に係る目的は、圧電性に優れた窒化物、当該窒化物を含む圧電体、当該圧電体を含む圧電素子、窒化物を含む強誘電体、及び当該強誘電体を含む強誘電素子を提供することである。
　本発明の第一の側面に係る窒化物は、「第一窒化物」と表記される。本発明の第二の側面に係る窒化物は、「第二窒化物」と表記される。
　第一窒化物は、亜鉛及び第４族元素を含有する。第一窒化物に含まれる第４族元素は、チタン及びジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。第一窒化物中の亜鉛の含有量は、［Ｚｎ］原子％と表される。第一窒化物中の第４族元素の含有量の合計は、［Ｍ］原子％と表される。第一窒化物において、［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０％より大きく５０％未満である。
　第二窒化物は、亜鉛及び第４族元素を含有する。第二窒化物に含まれる第４族元素は、チタン及びジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。第二窒化物は、アルミニウムを更に含有する。第二窒化物中の亜鉛の含有量は、［Ｚｎ］原子％と表される。第二窒化物中の第４族元素の含有量の合計は、［Ｍ］原子％と表される。第二窒化物中のアルミニウムの含有量は、［Ａｌ］原子％と表される。第二窒化物において、［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０％より大きく７０％未満である。第二窒化物において、［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０％以上７０％未満である。
　本発明の一側面に係る圧電体［１］は、第一窒化物又は第二窒化物を含む。
　本発明の一側面に係る圧電体［２］は、窒化アルミニウムを含む第一圧電層と、第一窒化物又は第二窒化物を含む第二圧電層と、を含む。第二圧電層は、第一圧電層に直接積層されている。
　本発明の一側面に係る圧電素子は、上記の圧電体［１］又は圧電体［２］を含む。
　本発明の一側面に係る強誘電体［３］は、第一窒化物又は第二窒化物を含む。
　本発明の一側面に係る強誘電体［４］は、窒化アルミニウムを含む第一圧電層と、第一窒化物又は第二窒化物を含む第二圧電層と、を含む。第二圧電層は、第一圧電層に直接積層されている。
　本発明の一側面に係る強誘電素子は、上記の強誘電体［３］又は強誘電体［４］を含む。
　本発明の一側面によれば、圧電性に優れた窒化物、当該窒化物を含む圧電体、当該圧電体を含む圧電素子、窒化物を含む強誘電体、及び当該強誘電体を含む強誘電素子が提供される。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電薄膜素子（強誘電薄膜素子）の模式的な断面であり、図１に示される断面は、基板、密着層、第一電極層、圧電薄膜及び第二電極層の積層方向に垂直である。 図２は、本発明の一実施形態に係る圧電素子（強誘電素子）の模式的な断面であり、図２に示される断面は、第一電極層、圧電層及び第二電極層の積層方向に垂直である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態が説明される。図面において、同等の構成要素には同等の符号が付される。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。各図に示すＸ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの座標軸を意味する。
　本実施形態に係る第一窒化物は、亜鉛（Ｚｎ）及び第４族元素を含有する。第一窒化物に含まれる第４族元素は、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。第一窒化物中の亜鉛の含有量は、［Ｚｎ］原子％と表される。第一窒化物中の第４族元素の含有量の合計は、［Ｍ］原子％と表される。第一窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０％より大きく５０％未満である。つまり、第一窒化物における１００×［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０より大きく５０未満である。第一窒化物は、Ａｌを含有する必要はない。つまり、第一窒化物は、Ａｌを含有しない窒化物であってよい。
　第一窒化物は、亜鉛、第４族元素及び窒素（Ｎ）のみからなっていてよい。第一窒化物が、亜鉛、第４族元素及び窒素のみからなる場合、第一窒化物は、下記化学式１で表されてよい。
Ｚｎ１－α（Ｔｉ１－βＺｒβ）αＮγ　（１）
　上記化学式１中のαは、０．２０より大きく０．５０未満である。上記化学式１中のβは、０．００以上１．００以下である。上記化学式１中のγは、０．００より大きい。上記化学式１中のγは、２に等しくてよい。第一窒化物が十分な圧電性を有する限りにおいて、上記化学式１中のγは、２未満であってよい。第一窒化物が十分な圧電性を有する限りにおいて、上記化学式１中のγは、２より大きくてよい。
　第一窒化物が上記の組成を有することに因り、第一窒化物は優れた圧電性を有することができる。さらに第一窒化物が上記の組成を有することに因り、第一窒化物は強誘電性を有することができる。
　理論的には第一窒化物中の亜鉛は２価のカチオンであり、第一窒化物中の第４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ）は４価のカチオンであり、第一窒化物中のＮは３価のアニオンである。理論的な推測に拠れば、第一窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｔｉ］）が５０％（化学量論比）である場合、カチオン及びアニオンが電気的にバランスし易い。したがって、理論的な推測に拠れば、［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｔｉ］）が５０％（化学量論比）である場合、第一窒化物の電気抵抗率が最も高いはずであり、第一窒化物が優れた圧電性を有し易いはずである。例えば、化学量論比における窒化物の組成は、Ｚｎ０．５（Ｔｉ１－βＺｒβ）０．５Ｎ、又はＺｎ（Ｔｉ１－βＺｒβ）Ｎ２と表される。しかし、理論的な推測に反して、第一窒化物の組成が化学量論比における窒化物の組成と異なることに因り、第一窒化物（特に第一窒化物からなる圧電薄膜）が高い電気抵抗率を有し易く、第一窒化物（特に第一窒化物からなる圧電薄膜）が優れた圧電性（例えば、大きいｄ３３）を有することができる。さらに第一窒化物の組成が化学量論比における窒化物の組成と異なることに因り、第一窒化物（特に第一窒化物からなる薄膜）が強誘電性（例えば、残留分極値Ｐｒ）を有することができる。つまり、第一窒化物からなる圧電薄膜は強誘電薄膜であってよい。
　仮に第一窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が２０％以下である場合、第一窒化物においてアニオンに由来する電荷がカチオンに由来する電荷よりも多い傾向があるので、第一窒化物の電気抵抗率が非常に低く、第一窒化物は圧電性及び強誘電性を有し難い。仮に第一窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が５０％以上である場合、カチオン及びアニオンが電気的にバランスし難いので、第一窒化物の電気抵抗率が非常に低く、第一窒化物は圧電性及び強誘電性を有し難い。
　仮に［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が２０％以下である第一窒化物を製造しようと試みたとしても、Ｚｎの酸化物及びＺｎの窒化物を含む混合物が形成され易い。つまり［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が２０％以下である第一窒化物を形成することは困難である。Ｚｎの酸化物及びＺｎの窒化物を含む混合物（薄膜）は、電極（電極層）から剥離し易いので、Ｚｎの酸化物及びＺｎの窒化物を含む混合物の圧電性及び強誘電性を測定することは困難である。
　第一窒化物が優れた圧電性及び強誘電性を有し易いことから、第一窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２４％以上４９％以下、又は３２％以上４４％以下であってよい。同様の理由から、上記化学式１中のαは、０．２４以上０．４９以下、又は０．３２以上０．４４以下であってよい。
　第一窒化物における［Ｚｎ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、５０％より大きく８０％未満、５１％以上７６％以下、又は５６％以上６８％以下であってよい。
　例えば、第一窒化物（第一窒化物からなる圧電薄膜）のｄ３３は０．５ｐＣ／Ｎ以上６．０ｐＣ／Ｎ以下、０．６ｐＣ／Ｎ以上５．８ｐＣ／Ｎ以下、又は１．３ｐＣ／Ｎ以上５．８ｐＣ／Ｎ以下であってよい。
　例えば、第一窒化物（第一窒化物からなる圧電薄膜）の電気抵抗率ρは、１．０×１０９Ω・ｃｍ以上１．０×１０１４Ω・ｃｍ以下、又は３．１×１０９Ω・ｃｍ以上１．０×１０１３Ω・ｃｍ以下であってよい。
　例えば、第一窒化物（第一窒化物からなる強誘電薄膜）の２５℃での残留分極値Ｐｒは、０．１０μＣ／ｃｍ２以上０．６０μＣ／ｃｍ２以下、０．１５μＣ／ｃｍ２以上０．５０μＣ／ｃｍ２以下、又は０．２３μＣ／ｃｍ２以上０．５０μＣ／ｃｍ２以下、であってよい。
　第二窒化物は、亜鉛及び第４族元素を含有する。第二窒化物に含まれる第４族元素は、チタン及びジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。第二窒化物は、アルミニウム（Ａｌ）を更に含有する。第二窒化物中の亜鉛の含有量は、［Ｚｎ］原子％と表される。第二窒化物中の第４族元素の含有量の合計は、［Ｍ］原子％と表される。第二窒化物中のアルミニウムの含有量は、［Ａｌ］原子％と表される。
　第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０％より大きく７０％未満である。つまり、第二窒化物における１００×［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０より大きく７０未満である。第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０％以上７０％未満である。つまり、第二窒化物における１００×［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０以上７０未満である。
　第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０％より大きく５５％未満であってもよい。つまり、第二窒化物における１００×［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、２０より大きく５５未満であってもよい。第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０％以上５０％未満であってもよい。つまり、第二窒化物における１００×［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０以上５０未満であってもよい。
　第二窒化物は、亜鉛、第４族元素、アルミニウム及び窒素のみからなっていてよい。第二窒化物が、亜鉛、第４族元素、アルミニウム及び窒素のみからなる場合、第二窒化物は、下記化学式２で表されてよい。
｛Ｚｎ１－α（Ｔｉ１－βＺｒβ）α｝１－δＡｌδＮγ　（２）
　上記化学式２中のαは、０．２０より大きく０．７０未満である。上記化学式２中のαは、０．２０より大きく０．５５未満であってもよい。上記化学式２中のβは、０．００以上１．００以下である。上記化学式２中のδは、０．１０以上０．７０未満である。上記化学式２中のδは、０．１０以上０．５０未満であってもよい。上記化学式２中のγは、０．００より大きい。上記化学式２中のγは、２に等しくてよい。第二窒化物が十分な圧電性を有する限りにおいて、上記化学式２中のγは、２未満であってよい。第二窒化物が十分な圧電性を有する限りにおいて、上記化学式２中のγは、２より大きくてよい。
　亜鉛、第４族元素及びアルミニウムを含有する第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）の範囲から、５０％は除かれてもよく、第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）の範囲から、５０％及び６５％は除かれてもよい。
　第二窒化物が上記の組成を有することに因り、第二窒化物（特に第二窒化物からなる圧電薄膜）が高い電気抵抗率を有し易く、第二窒化物（特に第二窒化物からなる圧電薄膜）が優れた圧電性を有することができる。さらに第二窒化物が上記の組成を有することに因り、第二窒化物（特に第二窒化物からなる薄膜）が強誘電性（例えば、残留分極値Ｐｒ）を有することができる。つまり、第二窒化物からなる圧電薄膜は強誘電薄膜であってよい。第二窒化物は、亜鉛及び第４族元素に加えて更にアルミニウムを含有するので、第二窒化物はアルミニウムを含有しない第一窒化物よりも優れた圧電性を有し易く、第二窒化物は第一窒化物よりも優れた強誘電性を有し易い。例えば、第二窒化物のｄ３３は第一窒化物のｄ３３よりも大きい傾向があり、第二窒化物のＰｒは第一窒化物のＰｒよりも大きい傾向がある。
　仮に第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が２０％以下又は７０％以上である場合、第二窒化物は圧電性及び強誘電性を有し難い。仮に第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）が１０％未満である場合、第二窒化物は圧電性及び強誘電性を有し難い。仮に第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）が７０％以上である場合、第二窒化物の電気抵抗率が非常に低く、第二窒化物は圧電性及び強誘電性を有し難い。
　第二窒化物が優れた圧電性及び強誘電性を有し易いことから、第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は２１％以上６９％以下であってよく、且つ第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０％以上６９％以下であってよい。同様の理由から、上記化学式２中のαは０．２１以上０．６９以下であってよく、且つ上記化学式２中のδは０．１０以上０．６９以下であってよい。
　第二窒化物が優れた圧電性及び強誘電性を有し易いことから、第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は２１％以上５３％以下であってよく、且つ第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１０％以上４３％以下であってよい。同様の理由から、上記化学式２中のαは０．２１以上０．５３以下であってよく、且つ上記化学式２中のδは０．１０以上０．４３以下であってよい。
　第二窒化物が優れた圧電性及び強誘電性を有し易いことから、第二窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は３４％以上４７％以下であってよく、且つ第二窒化物における［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、１６％以上４１％以下であってよい。同様の理由から、上記化学式２中のαは０．３４以上０．４７以下であってよく、且つ上記化学式２中のδは０．１６以上０．４１以下であってよい。
　第二窒化物における［Ｚｎ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、３０％以上８０％未満、４５％より大きく８０％未満、４７％以上７９％以下、又は５３％以上７６％以下であってよい。
　例えば、第二窒化物（第二窒化物からなる圧電薄膜）のｄ３３は、０．７ｐＣ／Ｎ以上１２．６ｐＣ／Ｎ以下、０．８ｐＣ／Ｎ以上１２．５ｐＣ／Ｎ以下、又は４．５ｐＣ／Ｎ以上１２．５ｐＣ／Ｎ以下であってよい。
　例えば、第二窒化物（第二窒化物からなる圧電薄膜）の電気抵抗率ρは、１．０×１０９Ω・ｃｍ以上１．０×１０１４Ω・ｃｍ以下であってよい。
　例えば、第二窒化物（第二窒化物からなる強誘電薄膜）の２５℃での残留分極値Ｐｒは、０．０９μＣ／ｃｍ２以上２．３０μＣ／ｃｍ２以下、０．１０μＣ／ｃｍ２以上２．２５μＣ／ｃｍ２以下、０．２０μＣ／ｃｍ２以上２．２５μＣ／ｃｍ２以下、又は０．４６μＣ／ｃｍ２以上２．２５μＣ／ｃｍ２以下であってよい。
　第一窒化物は、亜鉛、チタン、ジルコニウム及び窒素に加えて他の元素を更に含有してよい。第二窒化物は、亜鉛、チタン、ジルコニウム、アルミニウム及び窒素に加えて他の元素を更に含有してよい。
　第一窒化物及び第二窒化物其々の結晶構造は限定されない。例えば、第一窒化物及び第二窒化物其々の結晶は、六方晶であってよい。例えば、第一窒化物及び第二窒化物其々の結晶構造は、ウルツ鉱型構造（ｗｕｒｔｚｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であってよい。第一窒化物の結晶構造において、Ｚｎ、Ｔｉ及びＺｒ其々は互いに置換可能であってよい。第二窒化物の結晶構造において、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＡｌ其々は互いに置換可能であってよい。第二窒化物の結晶構造がＡｌを含む点を除いて、第二窒化物の結晶構造は第一窒化物の結晶構造と同じであってよい。第二窒化物の結晶構造は第一窒化物の結晶構造と異なってもよい。
　本実施形態に係る圧電体は、第一窒化物又は第二窒化物を含む。例えば、圧電体は、圧電素子に用いられてよい。例えば、圧電体は、第一窒化物又は第二窒化物を含む圧電薄膜であってよい。ただし、圧電体は圧電薄膜でなくてもよい。例えば、圧電体は、第一窒化物又は第二窒化物を含む粗大なセラミックス（焼結体）であってもよい。以下では、圧電素子の一例として、圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子が説明される。ただし、圧電素子は圧電薄膜素子に限定されない。圧電素子の構造は、下記の構造に限定されない。
　本実施形態に係る強誘電体は、第一窒化物又は第二窒化物を含む。例えば、強誘電体は、強誘電素子に用いられてよい。例えば、強誘電体は、第一窒化物又は第二窒化物を含む強誘電薄膜であってよい。ただし、強誘電体は強誘電薄膜でなくてもよい。例えば、強誘電体は、第一窒化物又は第二窒化物を含む粗大なセラミックス（焼結体）であってもよい。例えば、強誘電素子は、強誘電薄膜を用いた強誘電薄膜素子であってよい。ただし、強誘電素子は強誘薄膜素子に限定されない。以下に記載の圧電体は、強誘電体である。以下に記載の圧電薄膜は、強誘電薄膜である。以下に記載の圧電薄膜素子は、強誘電薄膜素子である。以下に記載の圧電素子は、強誘電素子である。強誘電素子の構造は、下記の構造に限定されない。
　図１に示されるように、本実施形態に係る圧電薄膜素子１０（強誘電薄膜素子）は、基板６と、基板６の表面に直接積層された密着層５と、密着層５を介して基板６の表面に間接的に積層された第一電極層４と、第一電極層４の表面に直接に積層された圧電薄膜３（強誘電薄膜）と、圧電薄膜３の表面に直に積層された第二電極層７と、を含む。
　圧電薄膜３（強誘電薄膜）は、複数の層から構成されていてよい。例えば、圧電薄膜３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む第一圧電層１と、第一窒化物又は第二窒化物を含む第二圧電層２と、を含んでよい。第一圧電層１は、窒化アルミニウムのみからなっていてよい。第一圧電層１は、添加元素を含む窒化アルミニウムからなっていてもよい。第二圧電層２は、第一窒化物又は第二窒化物のみからなっていてよい。第一圧電層１は第一電極層４の表面に直接積層されてよく、第二圧電層２は第一圧電層１の表面に直接に積層されてよく、第二電極層７は第二圧電層２の表面に直接に積層されてよい。第一圧電層１は、第一電極層４及び第二圧電層２の間に配置される中間層と言い換えられてよい。第一圧電層１に含まれる窒化アルミニウムは、電気的絶縁性に優れる。したがって、第一圧電層１を第一電極層４及び第二圧電層２の間に配置することに因り、第一圧電層１がない場合に比べて第一電極層４及び第二電極層７の間の電気的絶縁性が向上する。第一圧電層１に含まれる窒化アルミニウムの結晶格子は、第二圧電層２の結晶格子と整合し易い。したがって、第二圧電層２を第一圧電層１の表面に形成することに因り、第二圧電層２（第一窒化物又は第二窒化物）の結晶性及び圧電性が向上する。第二圧電層２が第一圧電層１の表面の一部分のみに直接積層されてもよく、第二電極層７の一部分が第二圧電層２の表面に直接積層されてもよく、第二電極層７の他の部分が第一圧電層１の表面に直接積層されてもよい。第二圧電層２が第一圧電層１の表面全体に直接積層されてもよく、第二電極層７が第二圧電層２の表面全体に直接積層されてもよい。
　窒化アルミニウムを含む第一圧電層１は圧電薄膜素子１０（強誘電薄膜素子）にとって必須ではない。窒化物として第一窒化物又は第二窒化物のみを含む圧電薄膜３が、第一電極層４の表面に直接積層されてよい。圧電薄膜３が、密着層５の表面に直接積層されていてもよい。圧電薄膜３が、基板６の表面に直接積層されていてもよい。圧電薄膜３の全体が、第一窒化物又は第二窒化物のみからなっていてよい。
　圧電薄膜３（第二圧電層２）に含まれる第一窒化物又は第二窒化物は、単結晶又は多結晶であってよい。圧電薄膜３（強誘電薄膜）中の第一窒化物又は第二窒化物は、第一電極層４の表面の法線方向（Ｚ軸方向）に延びる柱状結晶であってよい。例えば、圧電薄膜３（第二圧電層２）中の第一窒化物又は第二窒化物の（００１）面及び（００２）面は、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面に平行であってよい。換言すれば、圧電薄膜３（第二圧電層２）中の第一窒化物又は第二窒化物の（００１）面及び（００２）面は、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面の法線方向において配向してよい。圧電薄膜３（第二圧電層２）が、第一窒化物又は第二窒化物からなる複数の結晶粒（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｇｒａｉｎ）を含む場合、一部又は全部の結晶粒の（００１）面及び（００２）面が、第一電極層４の表面に平行であってよい。第一窒化物又は第二窒化物の（００１）面及び（００２）面が、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面に平行である場合、圧電薄膜３（第二圧電層２）は優れた圧電性及び強誘電性を有し易い。ただし、圧電素子における第一窒化物又は第二窒化物の格子面の配向方向は限定されない。
　第一圧電層１に含まれる窒化アルミニウムは、単結晶又は多結晶であってよい。第一圧電層１中の窒化アルミニウムは、第一電極層４の表面の法線方向に延びる柱状結晶であってよい。第一圧電層１中の窒化アルミニウムの（００１）面及び（００２）面は、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面に平行であってよい。換言すれば、第一圧電層１中の窒化アルミニウムの（００１）面及び（００２）面は、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面の法線方向において配向してよい。第一圧電層１が、窒化アルミニウムからなる複数の結晶粒を含む場合、一部又は全部の結晶粒の（００１）面及び（００２）面が、第一電極層４の表面に平行であってよい。
　第一圧電層１中の窒化アルミニウムの（００１）面及び（００２）面が、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面に平行である場合、第二圧電層２中の第一窒化物又は第二窒化物の（００１）面及び（００２）面も、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面に平行になり易い。つまり、第一圧電層１中の窒化アルミニウムの（００１）面及び（００２）面は、第二圧電層２中の第一窒化物又は第二窒化物の（００１）面及び（００２）面と平行であってよい。窒化アルミニウムの圧電性が発現する結晶方位（分極方向）は、ウルツ鉱型構造の［００１］である。したがって、窒化アルミニウムの（００１）面及び（００２）面が、第一電極層４（又は圧電薄膜３）の表面に平行である場合、圧電薄膜３（第一圧電層１）は優れた圧電性を有し易い。ただし、圧電素子における窒化アルミニウムの格子面の配向方向は限定されない。
　例えば、圧電薄膜３（強誘電薄膜）の厚みは、５０ｎｍ以上３００００ｎｍ以下であってよい。圧電薄膜３が第一圧電層１及び第二圧電層２を含む場合、第一圧電層１の厚みは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってよく、第二圧電層２の厚みは４５ｎｍ以上２９９５０ｎｍ以下であってよい。
　基板６、密着層５、第一電極層４、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）、並びに第二電極層７の積層方向は、Ｚ軸方向である。基板６、密着層５、第一電極層４、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）並びに第二電極層７其々は、ＸＹ面方向（Ｘ軸及びＹ軸）に沿って延びる平坦な形状を有する。基板６、密着層５、第一電極層４、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）、並びに第二電極層７其々の厚みは、均一であってよい。
　密着層５は、基板６の表面の一部又は全体を直接覆ってよい。第一電極層４は、密着層５の表面の一部又は全体を直接覆ってよい。圧電薄膜３（第一圧電層１）は、第一電極層４の表面の一部又は全体を直接又は間接的に覆ってよい。圧電薄膜３（第一圧電層１）は、密着層５の表面の一部又は全体を直接覆っていてもよい。圧電薄膜３（第一圧電層１）は、基板６の表面の一部又は全体を直接覆っていてもよい。第二電極層７は、圧電薄膜３（第二圧電層２）の表面の一部又は全体を直接又は間接的に覆ってよい。第二圧電層２は、第一圧電層１の表面の一部又は全体を覆ってよい。
　密着層５は圧電薄膜素子１０にとって必須ではない。密着層５がない場合、第一電極層４は、基板６の表面の一部又は全体を直接覆ってよい。第一電極層４は、下部電極層と言い換えられてよい。第二電極層７は、上部電極層と言い換えられてよい。
　例えば、基板６は、シリコン基板、ガリウム砒素基板、又はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等の半導体基板であってよい。基板６は、光学結晶基板（サファイア基板等）、絶縁体基板（ガラス基板、若しくはセラミックス基板等）、又は金属基板（ステンレス鋼板等）であってもよい。
　第一電極層４は、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕ（金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｙ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）及びＭｇ（マグネシウム）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。第一電極層４は、金属単体であってよい。第一電極層４は、少なくとも二種類の元素を含む合金、もしくはセラミックス等であってもよい。
　密着層５は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（白金）及びＲｕ（ルテニウム）及びからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。密着層５は、金属単体、合金又は化合物（酸化物、窒化物等）であってよい。密着層５は、別の圧電薄膜、高分子、又はセラミックスから構成されていてもよい。密着層５は、機械的な衝撃等に因る第一電極層４の剥離を抑制する機能も有する。密着層５は、界面層、支持層、又はバッファ層と言い換えられてよい。
　第二電極層７は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｃ及びＭｇからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでよい。第二電極層７は、金属単体であってよい。第二電極層７は、上記の群より選ばれる少なくとも二種類の元素を含む合金、もしくはセラミックス等であってもよい。
　例えば、基板６の厚みは、５０μｍ以上１００００μｍ以下であってよい。例えば、密着層５の厚みは、０．００３μｍ以上２μｍ以下であってよい。例えば、第一電極層４の厚みは、０．０１μｍ以上１μｍ以下であってよい。例えば、第二電極層７の厚みは、０．０１μｍ以上１μｍ以下であってよい。
　密着層５、第一電極層４、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）、並びに第二電極層７其々は、スパッタリング等の気相成長法によって基板６の表面に積層されてよい。
　例えば、第一圧電層１が窒化アルミニウムのみからなる場合、第一圧電層１は、Ａｌからなる金属ターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。
　例えば、第二圧電層２が第一窒化物のみからなる場合、第二圧電層２は、Ｔｉからなる金属ターゲット及びＺｒからなる金属ターゲットのうち少なくとも一つと、Ｚｎからなる金属ターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。
　例えば、第二圧電層２が第二窒化物のみからなる場合、第二圧電層２は、Ｔｉからなる金属ターゲット及びＺｒからなる金属ターゲットのうち少なくとも一つと、Ｚｎからなる金属ターゲットと、Ａｌからなる金属ターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。
　例えば、圧電薄膜３の全体が第一窒化物のみからなる場合、圧電薄膜３は、Ｔｉからなる金属ターゲット及びＺｒからなる金属ターゲットのうち少なくとも一つと、Ｚｎからなる金属ターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。
　例えば、圧電薄膜３の全体が第二窒化物のみからなる場合、圧電薄膜３は、Ｔｉからなる金属ターゲット及びＺｒからなる金属ターゲットのうち少なくとも一つと、Ｚｎからなる金属ターゲットと、Ａｌからなる金属ターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。
　複数の金属ターゲットを用いたスパッタリングにおいては、各ターゲットに与えられる入力パワー（電力密度）が高いほど、各ターゲットに由来する元素が圧電薄膜３に含まれ易い。したがって、各ターゲットに与えられる入力パワー（電力密度）の調整によって、圧電薄膜３中の各元素の含有量が制御されてよい。入力パワー（電力密度）とは、各スパッタリングターゲットの単位面積当たりの電力（単位：Ｗ／ｃｍ２）と言い換えられる。
　圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）を形成するためのスパッタリングの雰囲気（成膜雰囲気）は、窒素ガス（Ｎ２）を含む。圧電薄膜３に含まれる窒素は、成膜雰囲気中の窒素ガスに由来する。例えば成膜雰囲気は、希ガス（アルゴン等）及び窒素ガスを含む混合ガスであってよい。成膜雰囲気へ供給される窒素ガスの単位時間当たりの流量、及び成膜雰囲気の気圧（窒素ガスの分圧）の調整によって、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）中の窒素の含有量が制御されてよい。スパッタリングの継続時間、スパッタリング中の基板の表面の温度、及び基板バイアス等も、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）の組成及び厚みの制御因子であってよい。エッチング（例えばプラズマエッチング）により、所望の形状又はパターンを有する圧電薄膜３が形成されてよい。
　密着層５、第一電極層４、及び第二電極層７其々は、少なくとも一種のターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてよい。密着層５、第一電極層４、及び第二電極層７其々は、複数のターゲットを用いたスパッタリングによって形成されてもよい。各層の形成に用いられるターゲットは、各層を構成する元素のうち少なくとも一種を含んでよい。所定の組成を有するターゲットの選定及び組合せにより、目的とする組成を有する各層を形成することができる。例えば、ターゲットは、金属単体、合金又は酸化物等であってよい。各層は、希ガス（アルゴン等）中で形成されてよい。各層を構成する元素の一部が、スパッタリングの雰囲気に由来してもよい。
　密着層５、第一電極層４、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）、並びに第二電極層７其々の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法によって特定されてよい。各層及び圧電薄膜３の組成は、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ－ＭＳ）、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析（ＬＡ－ＩＣＰ－ＭＳ）、及び電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）のうち少なくともいずれか一つの分析方法にとって特定されてよい。密着層５、第一電極層４、圧電薄膜３（第一圧電層１及び第二圧電層２）、並びに第二電極層７其々の厚みは、厚み方向（図１中のＺ軸方向）に平行な圧電薄膜素子１０の断面において、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定されてよい。
　本実施形態に係る圧電素子又は強誘電素子の用途は、多岐にわたる。例えば、圧電素子又は強誘電素子は、アクチュエータ、センサ、マイクロフォン、スピーカー、ハーベスタ（振動発電機）、発振子（タイミングデバイス）、共振子（音響多層膜）、高周波フィルタ、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）、又はＸ線発生装置（Ｘ線源）であってよい。圧電素子又は強誘電素子は、ＭＥＭＳの一部又は全体であってよい。例えば、アクチュエータは、走査型映像モジュール用のミラーアクチュエータであってよい。例えば、アクチュエータは、ハプティクス（ｈａｐｔｉｃｓ）に用いられてよい。つまり、アクチュエータは、皮膚感覚（触覚）によるフィードバックが求められる様々なデバイスに用いられてよい。皮膚感覚によるフィードバックが求められるデバイスとは、例えば、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、又はゲームコントローラであってよい。例えば、アクチュエータは、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、又はハードディスクドライブに用いられてよい。例えば、アクチュエータは、プリンタヘッド、又はインクジェットプリンタ装置に用いられてもよい。例えば、アクチュエータは、スイッチに用いられてもよい。例えば、センサは、焦電センサ（例えば、赤外線センサ）、振動センサ、加速度センサ、ショックセンサ、ジャイロセンサ、アコースティックエミッション（ＡＥ）センサ、圧力センサ、脈波センサ、超音波センサ、又は圧電微小機械超音波トランスデューサ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；　ＰＭＵＴ）等の超音波トランスデューサに用いられてよい。例えば、焦電センサの用途は、血糖値センサ、人感センサ、モーションセンサ、赤外イメージセンサ、車載センサ、赤外線温度計、炎検知センサ、又はガス検知センサであってよい。例えば、圧電微小機械超音波トランスデューサを応用した製品は、生体認証センサ、若しくは医療／ヘルスケア用センサ（指紋センサ、若しくは超音波式血管認証センサ）、又はＴｏＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）センサであってよい。例えば、フィルタは、ＢＡＷ（Ｂｕｌｋ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ）フィルタ又はＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ）フィルタであってよい。
　本発明は必ずしも上述された実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明の種々の変更が可能であり、これ等の変更例も本発明に含まれる。例えば、図２に示されるように、圧電素子１０ａ（強誘電素子）は、第一電極層４と、第一電極層４に直接積層された圧電層３ａ（強誘電層）と、圧電層３ａ（強誘電層）に直接積層された第二電極層７と、を含んでよい。圧電層３ａ（強誘電層）は、圧電体（強誘電体）として、第一窒化物又は第二窒化物を含む。例えば、圧電層３ａ（強誘電層）は、第一窒化物又は第二窒化物を含むセラミックス（焼結体）であってよい。例えば、圧電層３ａ（強誘電層）の厚みは、数ｍｍ以上数十ｍｍ以下（例えば１０ｍｍ）であってよい。
　以下の実施例及び比較例により、本発明が詳細に説明される。本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
　下記の実施例１～６其々の窒化物は、第一窒化物の実施例である。
（実施例１）
＜窒化物膜の作製＞
　基板として、Ｓｉの単結晶からなるウェハが用いられた。基板の表面は、Ｓｉの（１００）面に平行であった。基板の厚みは、７２５μｍであった。基板の直径は、約８インチであった。基板の厚みは均一であった。厚み方向における基板の抵抗は、１００Ω以下であった。
　真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、窒化物を含む薄膜（窒化物膜）が、基板の表面全体に直接形成された。スパッタリングターゲットとしては、Ｚｎからなる金属ターゲット（Ｚｎの単体）と、Ｔｉからなる金属ターゲット（Ｔｉの単体）が用いられた。窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が下記表１に示される値に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワー（電力密度）が調整された。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒ及びＮ２の混合ガスであった。真空チャンバー内の気圧は、０．５Ｐａであった。真空チャンバーへ供給されるＡｒの単位時間当たりの流量は、１５ｓｃｃｍであった。真空チャンバーへ供給されるＮ２の単位時間当たりの流量は、１５ｓｃｃｍであった。窒化物膜の形成過程における基板の温度は１５０℃に維持された。窒化物膜の厚みは、０．５μｍに調整された。
＜薄膜素子の作製＞
　上記の試料（基板の表面に直接積層された窒化物膜）とは別の試料として、実施例１の薄膜素子が以下の方法によって作製された。
　真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、Ｍоからなる第一電極層（下部電極層）が、上記の基板の表面全体に直接形成された。スパッタリングターゲットしては、Ｍоの単体が用いられた。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒガスであった。第一電極層の厚みは均一であった。第一電極層の厚みは、０．２μｍであった。
　真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、窒化物からなる薄膜（窒化物膜）が、第一電極層の表面全体に直接形成された。窒化物膜を第一電極層の表面に直接形成する方法は、窒化物を基板の表面に直接形成する方法と同様であった。第一電極層の表面に直接形成された窒化物膜の組成及び寸法は、基板の表面に直接形成された上記の窒化膜の組成及び寸法と同様であった。
　真空チャンバー内でのメタルマスクを用いた電子ビーム蒸着法により、Ａｇからなる第二電極層（電極パターン）が窒化物膜の表面全体に直接形成された。第二電極層の厚みは、０．１μｍであった。第二電極層の厚みは均一であった。
　上記の手順で作製された積層体は、基板と、基板に直接積層された第一電極層と、第一電極層に直接積層された窒化物膜と、窒化物膜に直接積層された第二電極層と、から構成されていた。続くフォトリソグラフィにより、基板上の積層構造のパターニングが行われた。パターニング後、積層体全体をダイシングにより切断することにより、四角形状の実施例１の薄膜素子が得られた。薄膜素子は、基板と、基板に直接積層された第一電極層と、第一電極層に直接積層された窒化物膜と、窒化物膜に直接積層された第二電極層と、から構成されていた。
　以上の方法により、実施例１の薄膜素子が作製された。上記の２種類の試料を用いた以下の分析及び測定が実施された。
＜窒化物膜の組成の分析＞
　基板の表面に直接形成された窒化物膜の組成が、蛍光Ｘ線分析法（ＸＲＦ法）により分析され、窒化物膜における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が特定された。ＸＲＦ法には、株式会社リガク製の波長分散型蛍光Ｘ線装置（ＲＩＧＡＫＵ　ＡＺＸ－４００）が用いられた。分析の結果は、実施例１の窒化物（窒化物膜）がＺｎ、Ｔｉ及びＮからなることを示していた。ＸＲＦ法によって特定された実施例１の［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、下記表１に示される値に一致した。ＸＲＦ法によって特定された実施例１の［Ｚｎ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、下記表１に示される値に一致した。
＜窒化物膜の結晶構造の測定＞
　基板の表面に直接形成された窒化物膜の結晶構造が、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法により分析された。ＸＲＤ法には、株式会社リガク製の多目的Ｘ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ）が用いられた。窒化物膜の表面において、上記のＸ線回折装置を用いた２θ－θスキャン、ωスキャン及び２θχ－φスキャンが行われた。ＸＲＤ法に基づく分析の結果、窒化物膜はウルツ鉱型構造を有することが確認された。ウルツ鉱型構造の（００２）面は、窒化物膜及び基板其々の表面に平行であった。
＜電気抵抗率ρの測定＞
　実施例１の薄膜素子における第一電極層と第二電極層との間に直流電圧を印加することにより、第一電極層と第二電極層との間における窒化物膜の電気抵抗率ρが測定された。直流電圧は、１Ｖ／μｍであった。直流電圧を印加した時間は、３０秒であった。実施例１の窒化物膜の電気抵抗率ρは、下記表１に示される。下記表１中の「Ｅ＋０ｎ」（ｎは任意の正の整数である。）は、「×１０ｎ」を意味する。下記表１中の「Ｅ＋ｍ」（ｍは任意の正の整数である。）は、「×１０ｍ」を意味する。
＜圧電歪定数ｄ３３の測定＞
　実施例１の窒化物膜の圧電歪定数ｄ３３（単位：ｐＣ／Ｎ）が測定された。圧電歪定数ｄ３３の測定方法の詳細は以下の通りであった。測定の結果は、実施例１の窒化物膜が十分な圧電性を有する薄膜（圧電薄膜）であることを示していた。実施例１の圧電歪定数ｄ３３（３点測定点平均値）は、下記表１に示される。
測定装置：Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ社製のｄ３３メーター（ＰＭ２００）
周波数：　１１０Ｈｚ
クランプ圧：　０．２５Ｎ
＜残留分極値Ｐｒの測定＞
　実施例１の窒化物膜のヒステリシス曲線が測定された。ヒステリシス曲線から残留分極値（単位：μＣ／ｃｍ２）が読み取られた。ヒステリシス曲線の測定には、株式会社東陽テクニカ製の強誘電体特性評価システム（ＦＣＥ）が用いられた。ヒステリシス曲線の測定における交流電圧の周波数は、１０ｋＨｚであった。ヒステリシス曲線の測定において窒化物膜に印加される電圧の最大値は、２０Ｖｐｐであった。ヒステリシス曲線の測定中の窒化物膜の温度は、２５℃であった。実施例１の残留分極値Ｐｒは、下記表１に示される。下記表１に示される残留分極値Ｐｒは、３回の測定によって得られた３つの残留分極値の平均値である。残留分極値Ｐｒは、窒化物膜の強誘電性を示す指標である。残留分極値Ｐｒが大きいほど、窒化物膜は強誘電性に優れている。
（実施例２～６、及び比較例１～５）
　実施例２～４及び６、並びに比較例２～４其々の窒化物膜を形成するためのスパッタリングターゲットとして、実施例１と同様に、Ｚｎからなる金属ターゲット（Ｚｎの単体）と、Ｔｉからなる金属ターゲット（Ｔｉの単体）が用いられた。
　実施例５の窒化物膜を形成するためのスパッタリングターゲットとして、Ｚｎからなる金属ターゲット（Ｚｎの単体）と、Ｚｒからなる金属ターゲット（Ｚｒの単体）が用いられた。
　実施例２～６及び比較例２～４其々の窒化物膜を形成する際に、窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が下記表１に示される値に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワー（電力密度）が調整された。
　比較例１の窒化物膜を形成するためのスパッタリングターゲットとして、Ｚｎからなる金属ターゲット（Ｚｎの単体）のみが用いられた。
　比較例５の窒化物膜を形成するためのスパッタリングターゲットとして、Ｔｉからなる金属ターゲット（Ｔｉの単体）のみが用いられた。
　実施例６の薄膜素子の作製においては、中間層（第一圧電層）が第一電極層の表面全体に形成され、窒化物膜（第二圧電層）が中間層の表面全体に形成された。実施例６の中間層は、以下の方法によって形成された。
　真空チャンバー内でのＲＦマグネトロンスパッタリングにより、ＡｌＮからなる中間層が形成された。スパッタリングターゲットとしては、Ａｌからなる金属ターゲット（Ａｌの単体）のみが用いられた。真空チャンバー内の雰囲気は、Ａｒ及びＮ２の混合ガスであった。中間層の厚みは均一であった。中間層の厚みは、０．０３μｍに調整された。
　上記の事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例２～６及び比較例１～５其々の２種類の試料が作製された。実施例２～６及び比較例１～５其々の２種類の試料を用いた分析及び測定が、実施例１と同様の方法で実施された。
　ＸＲＦ法による分析の結果は、以下の通りであった。
　実施例２～４及び６並びに比較例３～４其々の窒化物（窒化物膜）は、Ｚｎ、Ｔｉ及びＮからなっていた。
　実施例５の窒化物（窒化物膜）は、Ｚｎ、Ｚｒ及びＮからなっていた。
　比較例１の窒化物膜は、Ｚｎの窒化物とＺｎの酸化物から構成される混合物であった。
　比較例２の窒化物膜は、Ｚｎ及びＴｉを含む窒化物とＺｎ及びＴｉを含む酸化物から構成される混合物であった。
　比較例５の窒化物膜は、の窒化物（窒化物膜）は、Ｔｉ及びＮからなっていた。
　実施例２～６及び比較例１～５其々の［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、下記表１に示される値に一致した。
　実施例２～６及び比較例１～５其々の［Ｚｎ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、下記表１に示される値に一致した。
　ＸＲＤ法に基づく分析の結果は、以下の通りであった。
　実施例２～６其々の窒化物膜はウルツ鉱型構造を有していた。
　実施例２～６其々のウルツ鉱型構造の（００２）面は、窒化物膜及び基板其々の表面に平行であった。
　実施例２～６及び比較例１～５其々の電気抵抗率ρ、圧電歪定数ｄ３３及び残留分極値Ｐｒは、下記表１に示される。
　圧電歪定数ｄ３３の測定の結果は、実施例２～６其々の窒化物膜が十分な圧電性を有する薄膜（圧電薄膜）であることを示していた。
　残留分極値Ｐｒの測定の結果は、実施例２～６其々の窒化物膜が強誘電性を有する薄膜（強誘電薄膜）であることを示していた。
　比較例１及び２の場合、窒化物だけではなく酸化物を含む窒化物膜が形成されたので、窒化物膜の電気抵抗率ρは測定されなかった。比較例１及び２の場合、薄膜素子を構成する窒化物膜が第一電極層から剥離していたので、圧電歪定数ｄ３３及び残留分極値Ｐｒを測定することはできなかった。
　比較例３～５の場合、窒化物膜の電気抵抗率ρが低過ぎたので、圧電歪定数ｄ３３及び残留分極値Ｐｒを測定することはできなかった。特に比較例５の場合、窒化物膜の電気抵抗率ρが低過ぎたため、窒化物膜の電気抵抗率ρを正確に測定することができなかった。つまり、比較例３～５其々の窒化膜は、絶縁性、圧電性及び強誘電性を有していなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（実施例７～１９及び比較例６）
　下記の実施例７～１９其々の窒化物は、第二窒化物の実施例である。
　実施例７～１９及び比較例６其々の窒化物膜を形成するためのスパッタリングターゲットとして、Ｚｎからなる金属ターゲット（Ｚｎの単体）、Ｔｉからなる金属ターゲット（Ｔｉの単体）、及び、Ａｌからなる金属ターゲット（Ａｌの単体）が用いられた。
　実施例７～１９及び比較例６其々の窒化物膜を形成する際に、窒化物における［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）及び［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）が下記表２に示される値に一致するように、各スパッタリングターゲットの入力パワー（電力密度）が調整された。
　実施例１７～１９の場合、窒化膜の形成過程において真空チャンバーへ供給されるＡｒの単位時間当たりの流量は、１０ｓｃｃｍであった。実施例１７～１９の場合、窒化膜の形成過程において真空チャンバーへ供給されるＮ２の単位時間当たりの流量は、２０ｓｃｃｍであった。
　実施例１６の薄膜素子の作製においては、中間層（第一圧電層）が第一電極層の表面全体に形成され、窒化物膜（第二圧電層）が中間層の表面全体に形成された。実施例１６の中間層は、上記の実施例６の中間層と同様の方法によって形成された。
　上記の事項を除いて実施例１と同様の方法で、実施例７～１９及び比較例６其々の２種類の試料が作製された。実施例７～１９及び比較例６其々の２種類の試料を用いた分析及び測定が、実施例１と同様の方法で実施された。
　ＸＲＦ法による分析の結果は、以下の通りであった。
　実施例７～１９及び比較例６其々の（窒化物膜）は、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｌ及びＮからなっていた。
　実施例７～１９及び比較例６其々の［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）は、下記表２に示される値に一致した。
　実施例７～１９及び比較例６其々の［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）は、下記表２に示される値に一致した。
　ＸＲＤ法に基づく分析の結果は、以下の通りであった。
　実施例７～１９其々の窒化物膜はウルツ鉱型構造を有していた。
　実施例７～１９其々のウルツ鉱型構造の（００２）面は、窒化物膜及び基板其々の表面に平行であった。
　実施例７～１９其々の圧電歪定数ｄ３３及び残留分極値Ｐｒは、下記表２に示される。
　圧電歪定数ｄ３３の測定の結果は、実施例７～１９其々の窒化物膜が十分な圧電性を有する薄膜（圧電薄膜）であることを示していた。
　残留分極値Ｐｒの測定の結果は、実施例７～１９其々の窒化物膜が強誘電性を有する薄膜（強誘電薄膜）であることを示していた。
　比較例６の窒化膜は、絶縁性、圧電性及び強誘電性を有していなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　例えば、本発明の一側面に係る窒化物は、上述された圧電素子に用いられてよい。
　１…第一圧電層、２…第二圧電層、３…圧電薄膜（強誘電薄膜）、３ａ…圧電層（強誘電層）、４…第一電極層、５…密着層、６…基板、７…第二電極層、１０…圧電薄膜素子（強誘電薄膜素子）、１０ａ…圧電素子（強誘電素子）。

 

Claims (10)

  1. 　亜鉛及び第４族元素を含有する窒化物であって、
    　前記第４族元素が、チタン及びジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、
    　前記窒化物中の亜鉛の含有量が、［Ｚｎ］原子％と表され、
    　前記窒化物中の前記第４族元素の含有量の合計が、［Ｍ］原子％と表され、
    　［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が、２０％より大きく５０％未満である、
    窒化物。
  2. 　亜鉛及び第４族元素を含有する窒化物であって、
    　前記第４族元素が、チタン及びジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、
    　前記窒化物が、アルミニウムを更に含有し、
    　前記窒化物中の亜鉛の含有量が、［Ｚｎ］原子％と表され、
    　前記窒化物中の前記第４族元素の含有量の合計が、［Ｍ］原子％と表され、
    　前記窒化物中のアルミニウムの含有量が、［Ａｌ］原子％と表され、
    　［Ｍ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］）が、２０％より大きく７０％未満であり、
    　［Ａｌ］／（［Ｚｎ］＋［Ｍ］＋［Ａｌ］）が、１０％以上７０％未満である、
    窒化物。
  3. 　請求項１又は２に記載の窒化物を含む、
    圧電体。
  4. 　窒化アルミニウムを含む第一圧電層と、
    　前記窒化物を含む第二圧電層と、
    を備え、
    　前記第二圧電層が、前記第一圧電層に直接積層されている、
    請求項３に記載の圧電体。
  5. 　請求項３に記載の圧電体を備える圧電素子。
  6. 　請求項４に記載の圧電体を備える圧電素子。
  7. 　請求項１又は２に記載の窒化物を含む、
    強誘電体。
  8. 　窒化アルミニウムを含む第一圧電層と、
    　前記窒化物を含む第二圧電層と、
    を備え、
    　前記第二圧電層が、前記第一圧電層に直接積層されている、
    請求項７に記載の強誘電体。
  9. 　請求項７に記載の強誘電体を備える強誘電素子。
  10. 　請求項８に記載の強誘電体を備える強誘電素子。

     
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