特許 7329828 窒化物圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-10

(45)【発行日】2023-08-21

(54)【発明の名称】窒化物圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイス

(51)【国際特許分類】

   H10N 30/853 20230101AFI20230814BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20230814BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20230814BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20230814BHJP

【ＦＩ】

H10N30/853

H10N30/20

H10N30/30

B81B3/00

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019159305

(22)【出願日】2019-09-02

(65)【公開番号】P2021039995

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-01-19

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100132621

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 孝行

(74)【代理人】

【識別番号】100123364

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 徳子

(72)【発明者】

【氏名】アンガライニ スリ アユ

(72)【発明者】

【氏名】秋山 守人

(72)【発明者】

【氏名】上原 雅人

(72)【発明者】

【氏名】山田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】平田 研二

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１２１０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１１１２８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－０１０９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１９７４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ３０／８５３

Ｈ１０Ｎ ３０／２０

Ｈ１０Ｎ ３０／３０

Ｂ８１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

化学式Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮで表される圧電体であって、
Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあり、
Ｔａは４価のものを含み、
前記４価のＴａが、４価以外のＴａと比較して最も多く含まれていることを特徴とする圧電体。

【請求項2】

化学式Ａｌ _１-Ｘ-Ｙ Ｍｇ _Ｘ Ｔａ _Ｙ Ｎで表される圧電体であって、
Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあり、
Ｔａは４価のものを含み、
Ｘ／Ｙが、２よりも大きく、５以下であることを特徴とする圧電体。

【請求項3】

化学式Ａｌ _１-Ｘ-Ｙ Ｍｇ _Ｘ Ｔａ _Ｙ Ｎで表される圧電体であって、
Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあり、
Ｔａは４価のものを含み、
Ｘ／Ｙが、２．５よりも大きく、４以下であることを特徴とする圧電体。

【請求項4】

Ｘ＋Ｙが、０．０よりも大きく、０．４以下であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の圧電体。

【請求項5】

Ｘ＋Ｙが、０．１５以上で０．３５以下であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の圧電体。

【請求項6】

請求項１～５の何れか１項に記載の圧電体が基板上に設けられており、前記圧電体と前記基板との間に、少なくとも１層の中間層が設けられていることを特徴とする圧電体。

【請求項7】

前記中間層は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化スカンジウム、窒化イッテルビウム、モリブデン、タングステン、ハフニウム、チタン、ルテニウム、酸化ルテニウム、クロム、窒化クロム、白金、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、イリジウム、パラジウムおよびニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項６に記載の圧電体。

【請求項8】

前記中間層と前記圧電体との間に、前記中間層を構成する物質と前記圧電体を構成する物質とが含まれる拡散層がさらに設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の圧電体。

【請求項9】

請求項１～８の何れか１項に記載の圧電体を用いたＭＥＭＳデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マグネシウムおよびタンタルを添加した窒化アルミニウムの圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイスに関するものである。

【背景技術】

【0002】

圧電現象を利用するデバイスは、幅広い分野において用いられており、小型化および省電力化が強く求められている携帯電話機などの携帯用機器において、その使用が拡大している。その一例として、薄膜バルク音響波共振子（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ＦＢＡＲ）を用いたＦＢＡＲフィルタがある。

【0003】

ＦＢＡＲフィルタは、圧電応答性を示す薄膜の厚み縦振動モードを用いた共振子によるフィルタであり、ギガヘルツ帯域における共振が可能であるという特性を有する。このような特性を有するＦＢＡＲフィルタは、低損失であり、かつ広帯域で動作可能であることから、携帯用機器のさらなる高周波対応化、小型化および省電力化に寄与することが期待されている。

【0004】

このようなＦＢＡＲに用いられる圧電体薄膜の圧電体材料としては、例えばスカンジウムを添加した窒化アルミニウム（特許文献１参照）や、マグネシウムおよびタンタルを添加した窒化アルミニウム（特許文献２）等が挙げられる。特にスカンジウムを添加した窒化アルミニウムは、高い圧電定数を有し、次世代の高周波フィルタへの利用に期待されている。また、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサなどの物理センサ、アクチュエータ、マイクロフォン、指紋認証センサ、振動発電機等の様々なＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）デバイスへの利用に期待されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００９－１０９２６号公報

【文献】特許第５９０４５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、スカンジウム（Ｓｃ）は高価な希土類元素であり、スカンジウムを添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成された圧電体は他の物質で構成された圧電体と比較して、製造コストが高額になってしまうという問題点があった。

【0007】

また、特許文献２には、マグネシウム（Ｍｇ）およびタンタル（Ｔａ）を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成された圧電体が開示されているが、数値計算に基づくものである。具体的には、原子価が２価のマグネシウム（１２．５原子％）と、原子価が５価のタンタル（６．２５原子％）とを窒化アルミニウムにドープさせた場合の数値計算の結果が開示されている。

【0008】

しかし、特許文献２に開示された圧電体はあくまで数値計算によるものであって、計算に用いたタンタルの原子価（価数）が正しいのかという問題点があった。詳細は後述するが、本発明に係る圧電体（Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮ）に含まれるタンタルは、５価のものだけではなく、他の価数のものも含まれており、特許文献２に開示されているものとは全く異なるものである。

【0009】

本発明は上述した事情に鑑み、何の元素も添加されていない窒化アルミニウムよりも高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体およびそれを用いたＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の発明者は、上述した問題点に関して鋭意研究を続けた結果、以下のような画期的なマグネシウム（Ｍｇ）およびタンタル（Ｔａ）を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の圧電体を見出した。

【0011】

上記課題を解決するための本発明の第１の態様は化学式Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮで表される圧電体であって、Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあり、Ｔａは４価のものを含むことを特徴とする圧電体にある。

【0012】

ここで、「４価のもの」とは、原子価が４価のものをいう。Ｔａの価数は、例えばＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）、Ｘ線吸収分光法（ＸＡＮＥＳ）、ＴＥＭ－ＥＥＬＳ等により検出することができる。

【0013】

かかる第１の態様では、何の元素も添加（ドープ）されていない窒化アルミニウムよりも高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0014】

本発明の第２の態様は、４価のＴａが、４価以外のＴａと比較して最も多く含まれていることを特徴とする請求項１に記載の圧電体にある。

【0015】

かかる第２の態様では、より高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0016】

本発明の第３の態様は、Ｘ／Ｙが、２よりも大きく、５以下であることを特徴とする第１または第２の態様に記載の圧電体にある。

【0017】

かかる第３の態様では、さらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0018】

本発明の第４の態様は、Ｘ／Ｙが、２．５よりも大きく、４以下であることを特徴とする第１または第２の態様に記載の圧電体にある。

【0019】

かかる第４の態様では、特に高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0020】

本発明の第５の態様は、Ｘ＋Ｙが、０．０よりも大きく、０．４以下であることを特徴とする第１～第４の態様の何れか１つに記載の圧電体にある。

【0021】

かかる第５の態様では、より高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0022】

本発明の第６の態様は、Ｘ＋Ｙが、０．１５以上で０．３５以下であることを特徴とする第１～第４の態様の何れか１つに記載の圧電体にある。

【0023】

かかる第６の態様では、さらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0024】

本発明の第７の態様は、第１～第６の態様の何れか１つに記載の圧電体が基板上に設けられており、圧電体と基板との間に、少なくとも１層の中間層が設けられていることを特徴とする圧電体にある。

【0025】

かかる第７の態様では、圧電体の結晶性（結晶化度）が向上するので、より高い性能指数（ｄ_３３およびｇ_３３の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0026】

本発明の第８の態様は、中間層は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化スカンジウム、窒化イッテルビウム、モリブデン、タングステン、ハフニウム、チタン、ルテニウム、酸化ルテニウム、クロム、窒化クロム、白金、金、銀、銅、アルミニウム、タンタル、イリジウム、パラジウムおよびニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする第７の態様に記載の圧電体にある。

【0027】

かかる第８の態様では、圧電体の結晶性（結晶化度）がより向上するので、さらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0028】

本発明の第９の態様は、中間層と圧電体との間に、中間層を構成する物質と圧電体を構成する物質とが含まれる拡散層がさらに設けられていることを特徴とする第７または第８の態様に記載の圧電体にある。

【0029】

かかる第９の態様では、第７および第８の態様と同様に、高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する窒化物圧電体を提供することができる。

【0030】

本発明の第１０の態様は、第１～第９の態様の何れか１つに記載の圧電体を用いたＭＥＭＳデバイスにある。

【0031】

ここで、「ＭＥＭＳデバイス」とは、微小電気機械システムであれば特に限定されず、例えば、ＦＢＡＲフィルタ、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサなどの物理センサやアクチュエータ、マイクロフォン、指紋認証センサ、振動発電機、エナジーハーベスター等が挙げられる。

【0032】

かかる第１０の態様では、高周波対応化、小型化および省電力化されたＭＥＭＳデバイスを提供することができる。特にＭＥＭＳデバイスが高周波フィルタの場合には、従来の高周波フィルタと比較して、低損失であり、かつ広帯域で動作可能なものを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１は実施形態１に係る圧電体薄膜の概略断面図である。

【図2】図２は各圧電体薄膜における結合エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ）と強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）との関係を示すグラフである。

【図3】図３はタンタルとマグネシウムのモル比と、タンタルの４ｆ軌道のピーク領域の割合との関係を示すグラフである。

【図4】図４はＭｇ／Ｔａの原子パーセントの比率に対する圧電定数ｄ_３３との関係を示すグラフである。

【図5】図５はドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度と圧電定数ｄ_３３との関係を示すグラフである。

【図6】図６はドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度と比誘電率ε_ｒとの関係を示すグラフである。

【図7】図７はドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度と圧電出力定数ｇ_３３との関係を示すグラフである。

【図8】図８はドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ、Ｓｃ）の濃度と圧電出力定数ｇ_３３との関係を示すグラフである。

【図9】図９は実施形態２に係る圧電体薄膜の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧電体の薄膜に関する実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、形状に制限はなく、薄膜状でなくてもよいのは言うまでもない。
（実施形態１）

【0035】

図１は本実施形態に係る圧電体薄膜の概略断面図である。この図に示すように、圧電体薄膜１は、基板１０上に形成されている。圧電体薄膜１の厚さは特に限定されないが、０．１～３０μｍの範囲が好ましく、０．１～２μｍの範囲が密着性に優れているので特に好ましい。

【0036】

なお、基板１０は、その表面上に圧電体薄膜１を形成できるものであれば、厚さや材質等は特に限定されない。基板１０としては、例えば、シリコンおよびインコネル等の耐熱合金、ポリイミド等の樹脂フィルム等が挙げられる。

【0037】

圧電体薄膜１は、化学式Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮで表され、Ｘ＋Ｙが１より小さく、かつＸは０より大きく１より小さく、Ｙは０より大きく１より小さい範囲にあり、マグネシウム（Ｍｇ）およびタンタル（Ｔａ）が添加（ドープ）された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。そして、この圧電体薄膜１には、原子価が４価のＴａが含まれている。なお、Ｔａの原子価については、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）等により検出することができる。

【0038】

このような構成の圧電体薄膜１は、何の元素も添加されていない窒化アルミニウムよりも高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0039】

ここで、Ｔａは、４価以外の価数（例えば、３価や５価）のものが含まれていてもよいが、４価のＴａの含有量が４価以外のものと比較して最も多く含まれている圧電体薄膜１が好ましい。このような構成の圧電体薄膜１は、より高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0040】

また、圧電体薄膜１に含まれるＴａのうち、４価のＴａの含有割合が３０％以上であれば、より高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する圧電体薄膜１となり、４価のＴａの含有割合が４５％以上であれば、さらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する圧電体薄膜１となり、４価のＴａの含有割合が５０％以上であれば、特に高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する圧電体薄膜１となる。

【0041】

そして、上述した化学式において、Ｘ／Ｙが、２よりも大きく、５以下である圧電体薄膜１が好ましい。このような構成の圧電体薄膜１は、さらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0042】

さらに、上述した化学式において、Ｘ／Ｙが、２．５よりも大きく、４以下である圧電体薄膜１がより好ましい。このような構成の圧電体薄膜１は、特に高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0043】

次に、上述した化学式において、Ｘ＋Ｙが、０．０よりも大きく、０．４以下である圧電体薄膜１がより好ましい。このような構成の圧電体薄膜１は、より高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0044】

また、上述した化学式において、Ｘ＋Ｙが、０．１５以上で０．３５以下である圧電体薄膜１がさらに好ましい。このような構成の圧電体薄膜１は、さらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0045】

さらに、上述した化学式において、Ｘ＋Ｙが、０．２以上で０．３以下である圧電体薄膜１が特に好ましい。このような構成の圧電体薄膜１は、特に高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）の値を有する。

【0046】

そして、これらの圧電体薄膜１を用いた高周波フィルタは、従来の高周波フィルタと比較して、低損失であり、かつ広帯域で動作することができる。その結果、携帯用機器を、より高周波対応、小型化および省電力化することができる。なお、高周波フィルタの構成は特に限定されず、公知の構成で製造することができる。

【0047】

次に、本実施形態に係る圧電体薄膜１の製造方法について説明する。圧電体薄膜１は、一般的な圧電体薄膜と同様に、スパッタ法や蒸着法等の製造方法を用いて製造することができる。具体的には、例えば、窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下、または窒素ガス（Ｎ_２）およびアルゴンガス（Ａｒ）混合雰囲気下（気体圧力１Ｐａ以下）において、基板１０（例えばシリコン（Ｓｉ）基板）に、タンタルで構成されたターゲット、マグネシウムで構成されたターゲットおよびアルミニウム（Ａｌ）で構成されたターゲットを同時にスパッタ処理することにより製造することができる。なお、ターゲットとして、タンタル、マグネシウムおよびアルミニウムが所定の比率で含まれる合金を用いてもよい。

【0048】

なお、基板と圧電体薄膜との間に、基板を構成する物質と圧電体薄膜を構成する物質とが含まれる層が形成されていてもよい。このような層は、例えば、基板上に圧電体薄膜を形成した後、それらに熱を加えることによって形成することができる。
（実施例）

【0049】

次の装置およびスパッタリングターゲット等を用いて、比抵抗が０．０２Ωｃｍのｎ型シリコン基板上に厚さ０．４～１．５μｍのタンタルとマグネシウムが添加された窒化アルミニウムの圧電体薄膜（Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮ）を作製した。
多元同時スパッタ成膜装置（エイコーエンジニアリング社製）
タンタルのスパッタリングターゲット材（濃度：９９．９９９％）
マグネシウムのスパッタリングターゲット材（濃度：９９．９９９％）
アルミニウムのスパッタリングターゲット材（濃度：９９．９９９％）
ガス：窒素（純度：９９．９９９９５％以上）とアルゴンガス（純度：９９．９９９９％以上）の混合ガス（混合比 ５０：５０）
基板加熱温度：５００℃

【0050】

成膜実験は、スパッタチャンバー内の気圧を１０^－６以下の高真空になるように真空ポンプで下げた後に行った。また、酸素等の不純物の混入をさけるため、ターゲット装着直後や各成膜実験の直前にターゲット表面の清浄処理を行った。

【0051】

そして、得られた各圧電体薄膜をＸＰＳ（島津／ＫＲＡＴＯＳ製作所社製、ＡＸＩＳ―１６５）で測定した際の結合エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ）と強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）との関係を図２に示し、タンタルとマグネシウムのモル比と、タンタルの４ｆ軌道のピーク領域の割合との関係を図３に示す。これらの図から分かるように、タンタルに対するマグネシウムの原子パーセントの比率（Ｍｇ／Ｔａ）が大きくなるにつれて、Ｔａ^５＋およびＴａ^３＋の割合が小さくなるが、Ｔａ^４＋の割合は大きくなることが分かった。また、１≦Ｍｇ／Ｔａ≦３の範囲で、Ｔａ^５＋およびＴａ^３＋よりもＴａ^４＋の原子数の割合が最も高いことも分かった。

【0052】

次に、図４に、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が１５～２６ａｔ．％における、Ｍｇ／Ｔａの原子パーセントの比率に対する圧電定数ｄ_３３との関係を示す。この図から、圧電定数ｄ_３３の値は、Ｍｇ／Ｔａが１より大きくなるにつれて大きくなり、３．１の時に最も高くなり、Ｍｇ／Ｔａが３．１よりも大きくなるにつれて、圧電定数ｄ_３３の値は小さくなることが分かった。なお、圧電定数ｄ_３３については、ピエゾメータ（アルファ株式会社製 Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ ＰＭ３００）を用いて測定した。

【0053】

さらに、図５に、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度と圧電定数ｄ_３３との関係を示す。ここで、Ｍｇ／Ｔａの原子パーセントの比率は、３．１に固定した。この図から、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が高くなるにつれて圧電定数ｄ_３３の値が高くなり、２４．３ａｔ．％の時に最も高くなることが分かった。なお、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が０のものが、何の元素も添加されていない窒化アルミニウムの圧電定数ｄ_３３の値である。

【0054】

また、図６に、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度と比誘電率ε_ｒとの関係を示す。ここで、Ｍｇ／Ｔａの原子パーセントの比率は、３．１に固定した。この図から、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が２４．３ａｔ．％になるまで、ほぼ一定の値（ε_ｒ＝１０）となっているが、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が２４．３ａｔ．％よりも高くなるにつれて比誘電率ε_ｒの値も高くなることが分かった。

【0055】

さらに、上記のデータから次の式を用いて、圧電出力定数ｇ_３３を算出した。ここでε_０＝８．８５４２ｅ^-１２を用いた。

【0056】

【数1】

【0057】

そして、図７に、得られた圧電出力定数ｇ_３３とドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度との関係を示す。ここで、Ｍｇ／Ｔａの原子パーセントの比率は、３．１に固定されている。この図から、圧電出力定数ｇ_３３の値は、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が高くなるにつれて大きくなり、２４．３ａｔ．％の時に最も高くなる。そして、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が２４．３ａｔ．％よりも高くなるにつれて、圧電出力定数ｇ_３３の値は小さくなって行くことが分かった。なお、ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が０のものが、何の元素も添加されていない窒化アルミニウムの圧電出力定数ｇ_３３の値である。

【0058】

また、図８に、各ドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ、Ｓｃ）の濃度と圧電出力定数ｇ_３３との関係を示す。この図から、各ドーパントの濃度が２４．３ａｔ．％となるまでは、タンタルとマグネシウムが添加された窒化アルミニウム圧電体薄膜（Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮ）は、スカンジウムが添加された窒化アルミニウム圧電体薄膜（Ａｌ_１-ＸＳｃ_ＸＮ）よりも、高い圧電出力定数ｇ_３３を有することが分かった。

【0059】

以上のことから、本実施例の圧電体薄膜は、Ｍｇ／Ｔａの原子パーセントの比率が１より大きく、４以下の範囲で、かつドーパント（Ｍｇ＋Ｔａ）の濃度が０．０よりも大きく、０．４以下の範囲で、何の元素も添加されていない窒化アルミニウムと比較して、高い性能指数（ｄ_３３およびｇ_３３）の値を有することが分かった。
なお、電気機械結合係数Ｋ^２は、比誘電率等を用いて算出することができる。
（実施形態２）

【0060】

上述した実施形態１では、基板上に直接圧電体薄膜を作製するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、基板１０と、圧電体薄膜１Ａとの間に中間層２０を設けてもよい。

【0061】

ここで、中間層２０としては、中間層２０上に圧電体薄膜１Ａを形成することができるものであればその材料や厚さ等は特に限定されない。中間層としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、窒化イッテルビウム（ＹｂＮ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、クロム（Ｃｒ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）およびニッケル（Ｎｉ）で構成された厚さ５０～２００ｎｍのものが挙げられる。

【0062】

基板１０上に、このような中間層２０を設けることにより、圧電体薄膜１Ａの結晶性（結晶化度）が向上するので、実施形態１の圧電体薄膜よりもさらに高い性能指数（ｄ_３３、ｇ_３３およびＫ^２の少なくとも何れか１つ）を有するタンタルとマグネシウムが添加された窒化アルミニウム圧電体薄膜（Ａｌ_１-Ｘ-ＹＭｇ_ＸＴａ_ＹＮ）を形成することができる。
（実施形態３）

【0063】

上述した実施形態２では、中間層上に直接圧電体薄膜が形成されるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、中間層と圧電体薄膜との間に、中間層を構成する物質と圧電体薄膜を構成する物質とが含まれる拡散層をさらに設けてもよい。なお、拡散層は、例えば、中間層上に圧電体薄膜を形成した後、それらに熱を加えることによって形成することができる。このように拡散層を設けても、実施形態２と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0064】

１、１Ａ 圧電体薄膜
１０ 基板
２０ 中間層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】