压电体薄膜、压电体及其制造方法、以及压电体谐振子技术

本发明专利技术涉及一种压电体薄膜、压电体及其制造方法、使用该压电体薄膜的压电体谐振子、执行器元件以及物理传感器。其中，压电体薄膜包括含有钪的氮化铝薄膜，氮化铝薄膜中的钪的含有率在钪的原子数和铝的原子数的总量设定为１００原子％时为０．５～５０原子％。由此，本发明专利技术的压电体薄膜不会失去氮化铝薄膜所具有的弹性波的传播速度、Ｑ值以及频率温度系数等特性，从而能提高压电响应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压电体和压电体薄膜，特别涉及氮化铝中添加了钪的 压电体及氮化铝薄膜中添加了钪的压电体薄膜。
技术介绍
利用压电现象的器件被使用在广泛的领域中，在强烈要求小型化 及省电的手机等便携式设备中，它的使用正在扩大。作为其中的一个实例，能列举出IF(中频Intermediate Frequency)及RF(射频Radio Fr叫uency)用滤波器。作为IF及RF用滤波器的具体例，有使用了弹 性表面波谐振子(Surface Acoustic Wave Resonator; SAWR)的滤波器即 SAW滤波器等。SAW滤波器是采用了对沿固体表面传播的声波加以利用的谐振 子的滤波器，通过设计和生产技术的提高，与用户的严格要求相适应。 不过，SAW滤波器在利用频率的高频化的同时，其特性提高已接近 极限。因此，作为替代SAW滤波器的新滤波器，进行了 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator; FBAR)滤波器的开发，该FBAR滤波器采用了 作为RF-MEMS (射频微机电系统Radio Frequency-Micro Electro Mechanical System)器件之一的薄膜声体波谐振子。RF-MEMS是近年来引人注目的技术，是将MEMS技术适用于射 频前端的技术，MEMS技术是一种主要在半导体基板上固定机械的微 小构造，从而制作极小的执行器(actuator)以及传感器、谐振子等 器件的技术。作为RF-MEMS器件之一的FBAR滤波器是由谐振子构成的滤波 器，该谐振子采用了表示压电响应性的薄膜厚度纵振动模式。即是由 谐振子构成的滤波器，该谐振子采用了对于输入的高频电信号，压电体薄膜引起厚度纵振动，从而该振动在薄膜厚度方向引起共振的现象，可能存在吉赫带的共振。具有这种特性的FBAR滤波器是低损耗 且能在宽频带进行动作的滤波器，实现了便携式设备的更小型化和省 电。另外，即使在FBAR滤波器之外的RF-MEMS器件即RF-MEMS 电容器和RF-MEMS开关等中，通过利用压电现象，也实现了高频带 的低损耗、高绝缘和低应变。作为这种RF-MEMS器件等所采用的压电体薄膜的压电体材料， 能列举出氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNb03)以及锆钛酸铅 (Pb(Zr,Ti)03, PZT)等。已知在它们之中，特别是具有氮化铝的压电 体薄膜具有良好的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数的特 性，因此非常适合作为在高频带的滤波器的压电薄膜谐振子的压电材 料(例如，参照日本公开专利公报"特开2002-344279号公报(公开日平成14年11月29日)")。另外，日本公开专利公报"特开2002-344279号公报(公开日平成14年11月29日)"公开了通过在氮化铝薄膜中添加碱土类金属 及/或稀土类元素等第3成分来提高共振特性。不过，氮化铝薄膜与别的压电材料相比，其压电常数低。具体地 说，氮化铝薄膜的压电常数d33为5.1 6.7pC/N左右，而氧化锌薄膜 的压电常数d33为9.9 12.4pC/N左右，铌酸锂薄膜的压电常数d33为 6 12pC/N左右，而且锆钛酸铅薄膜的压电常数cb为97 100pC/N 左右。即氮化铝薄膜只有别的压电材料的1/2 1/20左右的压电常数。因此，例如，在RF-MEMS器件等器件采用具有氮化铝薄膜的压 电体薄膜的情况下，需要比氧化锌等别的压电材料更高的动作电压。 即，采用了具有氮化铝的压电体薄膜的器件、例如RF-MEMS器件， 其省电变得困难。另外，由于压电常数较低，例如，在将具有氮化铝的压电体薄膜 用于执行器时，将产生如下问题与采用了具有氧化锌等压电常数高 的压电材料的压电体薄膜的执行器相比，其可动区域变窄，在将上述 压电体薄膜用于滤波器时，将产生损耗增大的问题。即，氮化铝的压电常数低成为妨碍采用了具有氮化铝的压电体薄膜的器件的小型化 以及性能提高的一个原因。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述问题而做成的，其主要目的在于提供一种压电 响应性得以提高、且具有氮化铝薄膜的压电体薄膜。作为提高压电材料的压电响应性的方法，V.Ranjan et al.， PHYSICAL REVIEW LETTERS, 90,25，257602(2003)从根据计算科学 算出的结果而得到如下启发通过使亚稳定相的六方晶系(hexagonal) 的氮化钪(ScN)产生应变，能提高其压电响应性。另夕卜，V.Ranjan et al.， PHYSICAL REVIEW B， 72,085315(2005)从根据计算科学算出的结果 得到如下启发通过在氮化镓(GaN)及氮化铟(InN)中添加钪(Sc)，能 提高其压电响应性。本专利技术人认为通过在氮化铝中添加适量的钪，能使氮化铝的结 晶构造发生变化，能提高其压电响应性，本专利技术人潜心研究了钪的添 加量，以至于完成了本专利技术。此外，V.Ranjan et al.， PHYSICAL REVIEW LETTERS, 90,25， 257602(2003)以及V.Ranjan et al.， PHYSICAL REVIEW B， 72,085315 (2005)实际上并不是使氮化钪的晶格产生应变，或在氮化镓以及氮化 铟中添加了钪的结果，是假想空间的模拟结果。另外，氮化镓及氮化铟是在发光二极管等发光器件中非常引人注 目的基材，为了实现发光器件的小型化以及省电，目前的研究正方兴 未艾。另一方面，带隙宽的氮化铝在可见光区域不会发光，因此作为 将氮化镓用作发光器件的缓冲层而使用，提高氮化铝的压电响应性的 研究几乎没有进行。即，非专利文献l和2对通过在氮化铝中添加钪 来提高压电响应性未做任何记载。本专利技术是基于新颖的见解而完成的，包括以下的专利技术。为了解决上述的课题，本专利技术的压电体薄膜包括含有稀土类元素 的氮化铝薄膜，其特征在于，所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮化铝薄膜中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述钪的含有率处于0.5 50原子％的范围内。通过使氮化铝薄膜所含有的钪的含有率处于上述范围，氮化铝薄 膜所具有的弹性波的传播速度、Q值以及频率温度系数等特性便不会 失去，从而能够提高压电响应性。由此，本专利技术的压电体薄膜可以取得具有现有的氮化铝的压电体 薄膜所不能得到的效果。具体地说，在将具有上述构成的氮化铝的压 电体薄膜用于器件、例如RF-MEMS器件的情况下，能实现以低电压 进行工作。另外，上述器件为执行器的情况下，若为同样的电压，则 能扩大其可动区域，若为同样范围的可动区域，则能降低其动作电压。 再者，在上述器件为滤波器的情况下，则能降低插入损耗。因此，所 产生的效果是，实现具有所述压电体薄膜的器件的小型化及省电，同 时能提高其性能。另外，将本专利技术的压电体薄膜应用于陀螺仪传感器、 压力传感器以及加速度传感器等物理传感器时，能起到提高其检测灵 敏度的效果。本专利技术的压电体薄膜进一步优选的是，其由含有稀土类元素的氮 化铝薄膜构成，所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮 化铝薄膜中的铝的原子数的总量设定为100原子％时，所述铳的含有 率处于0.5 35原子％或40 50原子％的范围内。根据上述的构成，压电体薄膜由在0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电体薄膜（１），其包括含有稀土类元素的氮化铝薄膜（３），其中，所述稀土类元素为钪，且当所述钪的原子数和所述氮化铝薄膜（３）中的铝的原子数的总量设定为１００原子％时，所述钪的含有率处于０．５～５０原子％的范围内。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：秋山守人，蒲原敏浩，上野直广，加纳一彦，勅使河原明彦，竹内幸裕，川原伸章，
申请(专利权)人：独立行政法人产业技术综合研究所，株式会社电装，
类型：发明
国别省市：JP[日本]