国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）制造技术研究部[研究部部长市川直树]传感材料研究组首席研究员Masato Uehara及其同事正在与村田制作所[代表董事村田恒夫]（以下简称“村田制作所”）合作开发一种可以在低成本和低温下形成的薄膜射频溅射法压电我们发现了一种制造高性能氮化镓 (GaN) 薄膜的方法。此外，钪 (Sc)
GaN 因其在 LED 和电力电子领域的应用而闻名，但与氮化铝 (AlN) 一样，它也是一种具有优异机械性能的压电材料，并用于通信高频滤波器传感器，能量采集器尽管GaN有望具有多种应用，但与AlN相比，其难以生产压电薄膜，而射频溅射表明GaN具有足够高的质量，可以用作压电材料。方向创建薄膜失败。这次，通过在铪（Hf）或钼（Mo）金属取向层上生长GaN晶体，我们能够制造出高质量的取向GaN薄膜。这种薄膜单晶可用压电常数d33（约 35 pC/N）。此外，当添加Scd33增加约 4 倍至 145 pC/N。这一成果不仅扩大了GaN作为压电材料的应用，也有望对GaN薄膜制造技术产生连锁反应。
该结果的详细内容将于2017年9月5日至8日在福冈国际会议中心举行的第78届日本应用物理学会秋季学术会议上公布。
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| 新制备的GaN压电薄膜的电子显微照片（左）和结构示意图（右） |
压电材料是将振动等机械能转化为电能的材料。特别是AlN和GaN等氮化物压电材料与氧化物相比具有优越的机械性能，并且具有高传感器灵敏度和能量转换效率，因此有望用作高频通信滤波器、传感器和能量收集器。 AlN 已可用于智能手机BAW型高频滤波器预计将用于下一代设备（市场规模：约800亿日元以上）。另一方面，GaN压电器件比AlN更难制造，因此GaN作为压电材料的研发进展甚微。
GaN是一种电子器件，负责发射和接收无线电波并处理信号高频设备氮化镓基高电子迁移率晶体管具有高输出、低损耗的特点，对于未来通信社会的发展是不可或缺的，不仅适用于智能手机，还适用于基于车载雷达信号处理的车对车通信和自动驾驶系统。 GaN压电性的研究和开发非常重要，因为其电子密度是由压电性控制的。此外，如果使用GaN开发高性能压电元件和晶体管，将创建集成高频滤波器和放大器的下一代设备。高频集成电路的发展
AIST一直致力于开发具有高压特性的AlN压电薄膜，旨在将其用于可在恶劣环境下使用的下一代通信高频滤波器和传感器。与公司共同研究开发的Sc添加（2008 年 11 月 21 日 AIST 新闻稿) 并同时添加 Mg 和 Nb (2016 年 3 月 18 日 AIST 新闻稿) AlN是一种氮化物薄膜，具有世界上最高的压电性。此次，以这一全球最尖端技术为背景，我们与村田制作所合作，对迄今为止尚未取得太大进展的GaN压电材料进行研发。
GaN作为压电材料的研发问题在于制造方法。 GaN压电器件是MOCVD法制作虽然这种方法可以生产高质量的GaN单晶，但制造成本昂贵。另外，通常需要700℃以上的高温加热，压电元件所必需的电极所使用的金属由于高温加热而作为杂质而污染GaN。因此，在形成GaN膜之后必须通过复杂的工艺来制造金属电极。如果能够开发出低温、低成本的GaN压电器件制造技术，将加速GaN作为压电材料的研发，使其作为类似于AlN的压电材料的应用成为可能。
在新开发的技术中，预先在硅基板上生长与GaN晶体相容的铪（Hf）或钼（Mo）取向层，然后使用射频溅射在其顶部生长取向的GaN薄膜，可以在相对较低的温度下形成。X射线摇摆曲线法评估取向薄膜的晶体学质量的结果。摇摆曲线的半宽（红色箭头）越小，取向薄膜的质量越好，发现在Hf或Mo取向层上生长的薄膜的取向性比直接在硅衬底上生长的薄膜的取向性要好。该GaN取向薄膜的压电常数d33相当于MOCVD法生产的单晶GaN的公开值（图2，约35 pC/N），表明可以生产高质量的薄膜。新开发的技术能够在比MOCVD方法更低的温度下生产GaN薄膜，这不仅降低了成本，而且有利于金属电极的生产，而以前在形成GaN薄膜后需要复杂的步骤。此外，由于它可以在相对较低的温度下生产，因此人们认为GaN压电材料可以应用于其他器件和产品。
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| 图1 在硅或金属取向层上制备的GaN压电薄膜的X射线摇摆曲线（左）和X射线衍射摇摆曲线半宽示意图（右） |
此外，我们还尝试在 GaN 中添加 Sc，这可以显着提高 AlN 的压电性能。 AlN在一个晶体方向上表现出压电性，但当添加Sc时，晶体结构略有变化，使离子更容易沿该方向移动，从而提高了压电性。利用新开发的金属取向层制造方法，我们制造了在具有相同晶体结构的GaN中添加Sc的压电薄膜。结果，压电常数d33显着提高，显示约为 14 pC/N，是不含 Sc 的 GaN 的四倍。在传统的制造技术中，当添加Sc等异物元素时，不可能制造出高质量的取向薄膜，但通过新开发的方法，即使添加Sc，也可以制造出高质量的取向薄膜。未来，相信这种制造方法的使用将促进GaN作为压电材料的研究和开发。
此外，我们使用新开发的方法制造的GaN压电薄膜试制了BAW型高频滤波器，并检查了其谐振特性。无Sc薄膜和添加Sc薄膜均表现出良好的谐振特性。特别是对于含Sc的薄膜机电耦合系数k2显示出约6%的值，比不添加添加剂的单晶高出三倍。另外，本次制备的Sc掺杂GaN的压电常数d33或机电耦合系数k2是目前世界上GaN的最高值。
利用新开发的方法，现在可以在GaN压电薄膜中添加不同的元素，从而可以避免昂贵的稀土，并开发结构控制技术以进一步提高压电性能。