産総研ら,最高性能のGaN圧電薄膜をスパッタで作製

産業技術総合研究所(産総研)は,村田製作所と共同で,低コストで成膜温度の低いRFスパッタ法を用いた,単結晶と同等の圧電性能を示す窒化ガリウム(GaN)薄膜を作製できる方法を見いだした(ニュースリリース)。

さらに,スカンジウム(Sc)添加で圧電性能が飛躍的に向上することを実証し,GaNとしては現在,世界最高性能の圧電薄膜を開発した。

GaNはLEDやパワーエレクトロニクスへの利用で知られているが,窒化アルミニウム(AlN)と同様に機械的特性に優れた圧電体でもあり,通信用高周波フィルターや,センサー,エナジーハーベスターなどへの利用も期待されている。

さまざまな応用が期待される一方で,GaNはAlNに比べて圧電薄膜の作製が難しく,RFスパッタ法では圧電体として利用できる十分に良質な配向薄膜を作製できなかった。

今回,ハフニウム(Hf)またはモリブデン(Mo)の金属配向層の上にGaNの結晶を成長させることで,良質なGaN配向薄膜を作製できた。この薄膜は単結晶並みの圧電定数d33(約3.5pC/N)を示した。さらに,Scを添加するとd33が約4倍の14.5 pC/Nまで増加した。

今回の成果により,GaNの圧電体としての応用が広がるだけではなく,GaN薄膜の製造技術への波及効果も期待できる。また,GaN圧電薄膜へ異種元素を添加できるようになったので,高価なレアアースであるScに替わる安価な元素の探索と,さらに圧電性能を向上させるための構造制御技術の開発を行なう。

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