産総研、良質な窒化ガリウム圧電薄膜をRFスパッタ法で作製

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産業技術総合研究所(産総研)は2017年8月31日、村田製作所と共同で、単結晶と同等の圧電性能を示す窒化ガリウム(GaN)薄膜を作製する方法を発見したと発表した。今回の作製には低コストで成膜温度の低い「RFスパッタ法」を用いた。さらにスカンジウム(Sc)を添加することで圧電性能が向上することも実証している。今後は、センサーやエナジーハーベスターとしての応用のほか、製造技術への波及効果も期待できるとしている。

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る。圧電体とは、振動などの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する材料のことで、特にAlNやGaNなどの窒化物の圧電体は酸化物に比べて機械的性質に優れ、センサー感度やエネルギー変換効率が高いため、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として期待されている。AlNはすでにスマートフォン用のBAW型高周波フィルターとして利用されており、次世代機器での利用も期待されている。一方、GaNはAlNに比べて圧電薄膜の作製が難しく、圧電体としてのGaNの研究開発はほとんど進んでいなかった。

産総研はこれまで高い圧電性を示すAlN圧電薄膜の開発に取り組んでおり、今回はこの技術を背景に村田製作所と共同でGaN圧電体の開発研究に取り組んだ。今回の開発では、GaNと結晶学的に相性のよいハフニウム(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配向薄膜の作製に成功した。この薄膜は単結晶並みの圧電定数d33(約3.5 pC/N)を示しており、さらにScを添加するとd33が約4倍の14.5 pC/Nまで増加したという。これまでの作製技術では、Scのような異種元素を添加すると良質な配向薄膜を作製できなかったが、今後はこの作製方法を利用することで、圧電体としてのGaNの研究開発の促進が考えられるという。

今回開発した技術では、これまでに比べて低い温度でGaN薄膜を作製できるため、コスト削減のほか、これまでGaN成膜後の複雑な工程が必要だった金属電極の作製も容易になるという。今回の成果により、圧電体としてGaN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としている。

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