産業技術総合研究所／村田製作所
世界最高性能のGaN圧電薄膜をRFスパッタ法で作製する技術を開発
産業技術総合研究所（産総研）製造技術研究部門（市川直樹研究部門長）センシング材料研究グループ・上原雅人主任研究員らは、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。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や、センサー、エナジーハーベスタなどへの利用も期待されている。様々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（図１）。この薄膜は単結晶並みの圧電定数ｄ ３３（約３．５ｐＣ／Ｎ）を示した。さらに、Ｓｃを添加するとｄ３３が約４倍の１４．５ｐＣ／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。
[図1]今回作製したGaN圧電薄膜の電子顕微鏡写真㊧と構造の模型図
【 開発の社会的背景 】
圧電体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である。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や、センサー、エナジーハーベスタとして期待されている。
ＡｌＮは、既にスマホ用のＢＡＷ型高周波フィルタとして利用されており、次世代機器での利用（市場規模約８００億円以上）も期待されている。一方で、ＧａＮ圧電デバイスの作製はＡｌＮに比べて難しいため、圧電体としてのＧａＮの研究開発はほとんど進んでいない。
ＧａＮは、電波の送受信・信号処理を担う電子機器である高周波デバイスとしての利用も期待されている。スマホだけでなく、自動車間通信や車載レーダーの信号処理による自動運転システムなど、今後の通信社会の拡大には不可欠であり、高出力、低損失で作動するＧａＮ系の高電子移動度トランジスタへの期待は大きい。その電子密度は圧電性により制御されているので、ＧａＮの圧電性に関する研究開発は重要である。さらに、ＧａＮで高性能な圧電素子やトランジスタが開発されれば、高周波フィルタや増幅器などを一体化させた次世代の高周波集積回路の開発にもつながる。
【 研究の経緯 】
産総研は、次世代通信用高周波フィルタや過酷環境下でも利用できるセンサーへの利用を目指して、高い圧電性を示すＡｌＮ圧電薄膜の開発に取り組んできた。今回、村田製作所と共同で、これまでほとんど進んでいないＧａＮ圧電体の開発研究に取り組んだ。
圧電体としてのＧａＮ研究開発の問題点は作製方法にある。ＧａＮ圧電デバイスは、ＭＯＣＶＤ法で作製されている。この方法は良質なＧａＮ単結晶を作製できるが、製造コストがかかる。また、一般的に７００℃以上の高い加熱が必要であり、高温加熱によって圧電デバイスに不可欠な電極に用いる金属は、不純物としてＧａＮを汚染してしまう。そのため、金属電極はＧａＮ成膜後に複雑な工程で作製しなければならない。ＧａＮ圧電デバイスの低温かつ低コストな作製技術が開発できれば、圧電体としてのＧａＮの研究開発が加速され、ＡｌＮと同じような圧電体としての応用が可能となる。
【 研究の内容 】
[図2]Ｘ線ロッキングカーブの模式図㊧とシリコンや金属配向層上に作製した
GaN圧電薄膜のＸ線回折ロッキングカーブの半値幅㊨
開発した技術では、ＧａＮと結晶学的に相性のよいハフニウム（Ｈｆ）やモリブデン（Ｍｏ）の配向層を、あらかじめシリコン基板上に成長させて、その上に、比較的低温で成膜できるＲＦスパッタ法でＧａＮの配向薄膜を成長させる。Ｘ線ロッキングカーブ法で配向薄膜の結晶学的な品質を評価した結果を図２に示す。ロッキングカーブの半値幅（矢印）が小さい方が配向薄膜の品質が良いことを示すが、シリコン基板上に直接成長させた薄膜より、ＨｆやＭｏの配向層上に成長させた薄膜の方が配向性が良いことが分かった。このＧａＮ配向薄膜の圧電定数ｄ ３３は、ＭＯＣＶＤ法などで作製された単結晶ＧａＮの発表されている値と同等であり（表１、約３．５ ｐＣ／Ｎ）、良質な薄膜を作製できたことがわかる。今回開発した技術では、ＭＯＣＶＤ法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。
[表1]今回作製したGaN圧電薄膜と他のGaN薄膜の圧電性能の比較
さらに、今回開発した方法により作製したＧａＮ圧電薄膜を用いてＢＡＷ型高周波フィルタを試作し、共振特性を調べところ、Ｓｃ無添加の薄膜もＳｃを添加した薄膜も良好な共振特性を示した。特にＳｃを添加した薄膜の電気機械結合係数ｋ２は約６％と、無添加単結晶の３倍の高い値を示した。今回作製したＳｃ添加ＧａＮの圧電定数ｄ ３３や電気機械結合係数ｋ２は、現在のところＧａＮ系としては世界最高値である。
【 今後の予定 】
今回開発した方法により、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う。
＜資料提供：産業技術総合研究所＞