酸化ハフニウム(HfO2)基強誘電体の圧電定数の解明

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酸化ハフニウムは2011年に強誘電性が発見され、Siプロセスとの整合性が高い新規強誘電体材料の有力な候補として注目されている。一方で、当時圧電応用に不可欠な厚膜化が難しいとされていたため、圧電材料としての利用はほぼ検討されていなかった。研究代表らは従来報告されている膜厚より1桁厚い1 μm程度まで酸化ハフニウム基強誘電体膜の厚膜化に成功しており、圧電MEMSなど圧電応用に必要な足掛かりをつかんでいる。以上の背景を踏まえ、本研究の目的は酸化ハフニウム基強誘電体の圧電材料への応用を見据え、圧電デバイス設計に必要不可欠な圧電定数の真値を明らかにすることである。本年度は下記の成果を得た。(1) 室温でYSZ基板およびSi基板上に1μm程度の厚膜の作製に成功した。室温成膜はそれまでの熱処理と比較して絶縁性が向上しており、かつ、同等の電気特性を示した。これまでの厚膜作製プロセスでは800℃以上の熱処理が必要であったため、例えばフォトレジストなど耐熱性の低い素材を利用する場合、微細加工プロセスの工夫が必要であったが、本成果により基板等の微細加工が容易となった。(2) 本研究はこれまでイットリウム（Y）を７％ドープした組成を用いて評価を行ったが、他の組成ではまだ評価していなかった。そこで、Yおよびジルコニウムの添加量を変化させ、室温で厚膜を製膜できるか調査した。その結果、Y７％の組成以外にも厚膜が作製でき、かつ圧電性が同等の組成があると判明した。この成果は現状の組成よりもより良い圧電性を示す組成が存在する可能性を示唆している。もしさらに大きい圧電性を示す組成が見つかれば、圧電測定の精度が向上するものと思われる。本成果はそのような圧電性向上のための組成探索の足掛かりになるため、非常に重要である。