産業技術総合研究所(産総研)は、低コストで成膜温度の低いRFスパッタ法を用いて、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発見したと発表した。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た。

同成果は、産総研の製造技術研究部門センシング材料研究グループの上原雅人 主任研究員らと村田製作所との共同研究によるもの。

発表されたGaN圧電薄膜の電子顕微鏡写真(左)と構造の模式図(右)

LEDやパワーエレクトロニクスへの利用で知られているGaNは、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、エナジーハーベスタなどへの利用も期待されている。しかし、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良質な配向薄膜を作製できていなかった。

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配向薄膜を作製に成功、単結晶並みの圧電定数(約3.5 pC/N)を示した。さらに、Scを添加するとその値は約4倍の14.5 pC/Nまで増加した。同社は、これにより、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と説明している。

なお、この成果の詳細は、2017年9月5日～8日に福岡国際会議場で開催される第78回応用物理学会秋季学術講演会で発表される。