AlN系圧電薄膜の固溶限拡大に関する研究

扩大AlN基压电薄膜固溶度极限的研究

• 批准号: 21K14503
• 负责人: 平田 研二
• 金额: $ 3万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14503/
• 关键词: 窒化物; 圧電体; 薄膜; 第一原理計算; 圧電材料; 相平衡

昨年度、ScAlN薄膜の下地層として岩塩相YNの＜111＞配向膜が有望であることを第一原理計算によって見出した。しかし、YNの良好な配向膜を得ることが難しく、高濃度にScを含有した薄膜の作製と高い圧電性能の発現には至らなかった。YN薄膜は大気中で変色し、酸化が著しいことがわかった。したがって、反応性スパッタリングで製膜している過程で雰囲気中の微量な酸素が結晶中に取り込まれやすく、＜111＞配向に悪影響を与えている可能性がある。ゆえにYNをScAlN薄膜の下地層として利用する場合は、スパッタ製膜前の真空度を高くする必要があると考えられる。そこで本年度は研究方針を見直し、非常に薄いAlNを下地層として導入したScAlN薄膜においてウルツ鉱構造の配向性向上を試みた。ScAlN薄膜では、ウルツ鉱結晶の配向性が向上することによって高い圧電性能の発現につながると考えられている。一般にSc濃度が高くなるほど配向性は低下する傾向にあるため、この挙動を抑制する方策を検討することは工業的に重要な知見を与える。今回はサファイア基板を使用し、下地層AlNを導入したものとそうでないものの配向性を比較した。その結果、下地層AlNを導入することでウルツ鉱構造のc軸方向だけでなく面内方向にも配向した薄膜を作製することに成功した。さらに、Scを30%以上含有したScAlN薄膜でも高い配向性を確認することができた。このときの配向度は反応性同時スパッタリングの雰囲気圧力に大きく影響を受ける傾向があった。ウルツ鉱結晶の配向性が向上することによって、高い圧電性能の発現につながると期待されるため、AlN系固溶体薄膜において非常に薄いAlN下地層を導入することの有効性を今後は検証していきたい。

去年，我们通过第一性原理计算发现，岩盐相YN的<111>取向薄膜有望作为ScAlN薄膜的底层。然而，难以得到取向性良好的YN膜，无法制作含有高浓度Sc的薄膜并发挥高压电性能。发现YN薄膜在大气中变色并被明显氧化。因此，在通过反应溅射成膜的过程中，气氛中的少量氧气可能会进入晶体中，这可能对<111>取向产生不利影响。因此，当使用YN作为ScAlN薄膜的底层时，认为有必要在溅射膜之前提高真空度。因此，今年我们修改了研究方针，尝试改善ScAlN薄膜中纤锌矿结构的取向，其中引入非常薄的AlN作为底层。在ScAlN薄膜中，人们认为通过改善纤锌矿晶体的取向来提高压电性能。一般来说，随着Sc浓度的增加，取向趋于降低，因此研究抑制这种行为的措施将提供工业上重要的知识。这次，我们使用了蓝宝石衬底，并比较了有和没有 AlN 底层的衬底的取向。结果，通过引入AlN底层，我们成功地制造了不仅在纤锌矿结构的c轴方向上而且在面内方向上取向的薄膜。此外，即使在含有30％以上Sc的ScAlN薄膜中也确认了高取向。此时的取向度容易受到反应性共溅射的大气压的影响较大。由于预计改善纤锌矿晶体的取向将导致高压性能的发展，因此我们将继续验证在AlN基固溶体薄膜中引入极薄的AlN底层的有效性。

项目成果

YbAlN/GaNヘテロ構造におけるシートキャリア密度に関する第一原理計算

YbAlN/GaN 异质结构片载流子密度的第一性原理计算

• 发表时间: 2022
• 作者: 平田 研二;河野翔也;山田 浩志;上原 雅人;Anggraini Sri Ayu;秋山 守人
• 通讯作者: 秋山 守人

Al-Sc-N三元系計算状態図とウルツ鉱相におけるScの固溶挙動

Al-Sc-N三元体系的计算相图以及Sc在纤锌矿相中的固溶行为

• 发表时间: 2021
• 作者: 平田 研二;菖蒲一久;山田 浩志;上原 雅人;Anggraini Sri Ayu;秋山 守人
• 通讯作者: 秋山 守人

Spontaneous polarization and polarization-induced electron sheet charge of YbAlN on GaN: A first-principles study

GaN 上 YbAlN 的自发极化和极化诱导电子片电荷：第一性原理研究

• DOI: 10.1021/acsaelm.2c00995
• 发表时间: 2022
• 期刊: ACS Applied Electronic Materials
• 影响因子: 4.7
• 作者: Kenji Hirata;Shoya Kawano;Hiroshi Yamada;Masato Uehara;Sri Ayu Anggraini;Morito Akiyama
• 通讯作者: Morito Akiyama

MgとWを同時添加したAlN薄膜の作製

同时添加Mg和W制备AlN薄膜

• 发表时间: 2023
• 作者: 平田 研二;豊福朋也;山田 浩志;Anggraini Sri Ayu;新津甲大;上原雅人;秋山 守人
• 通讯作者: 秋山 守人