金属/窒化アルミニウム多層薄膜のナノ構造制御とその電気・磁気的特性の研究

本年度は、C軸配向性AlN薄膜の圧電特性と直接的に関係する極性について研究を行いました。高い圧電性を得るためには、各AlN結晶粒の極性が、どちらか一方(Al極性、又は、N極性)に揃っている必要があります。しかし、反応性マグネトロンスパッタリング法で作製したC軸配向性AlN薄膜の極性は、真空容器内の残留酸素の影響を大きく受ける事が知られております。また、下地層が酸化しているか否かも重要と報告されています。そのため、極性の揃ったAlN薄膜を作製するためには、酸素分圧は下げることが大切といえます。その他、これまでの研究では、堆積過程のどの瞬間にAlNの極性が決定されているのかについても不明でした。そこで、本研究では、金属層とAlN層の切り替えを瞬時に行うことが出来る「連続成膜法」、並びに、AlNの極性を直接観察により調べることの出来るCsコレクター付きSTEM「R005」を用いて研究を行いました。その結果、装置背圧に比べ一桁以上良い真空中でAlNを堆積させることに成功し、窒化する金属上ではAl極性のAlN薄膜が得られるが、窒化しない金属上ではN極性のAlN薄膜が得られると判明しました。また、AlN薄膜の極性は、金属層上に堆積直後(Al原子面にして数原子層以内)に決定されるとわかりました。これらは、酸素の混入を抑える連続成膜法により観察可能になったものと考えられます。一方、AlNに挟まれた極薄金属膜についても、基礎的な知見として、その格子の変形と伸縮について調査しました。その結果、Ar-N_2中で作製したPt薄膜には、窒素が侵入固溶しているが、熱処理を行うことにより、その窒素は放出される傾向にある、しかし、一部は置換固溶的にPt格子中に残留し続けるということが明らかとなりました。また、Pt層の厚みが9nmを超えると、転位などが働き、容易に応力緩和が起こるとわかりました。

本年度は、C軸配向性AlN薄膜の圧電特性と直接的に関係する極性について研究を行いました。高い圧電性を得るためには、各AlN結晶粒の極性が、どちらか一方(Al極性、又は、N極性)に揃っている必要があります。しかし、反応性マグネトロンスパッタリング法で作製したC軸配向性AlN薄膜の極性は、真空容器内の残留酸素の影響を大きく受ける事が知られております。また、下地層が酸化しているか否かも重要と報告されています。そのため、極性の揃ったAlN薄膜を作製するためには、酸素分圧は下げることが大切といえます。その他、これまでの研究では、堆積過程のどの瞬間にAlNの極性が決定されているのかについても不明でした。そこで、本研究では、金属層とAlN層の切り替えを瞬時に行うことが出来る「連続成膜法」、並びに、AlNの極性を直接観察により調べることの出来るCsコレクター付きSTEM「R005」を用いて研究を行いました。その結果、装置背圧に比べ一桁以上良い真空中でAlNを堆積させることに成功し、窒化する金属上ではAl極性のAlN薄膜が得られるが、窒化しない金属上ではN極性のAlN薄膜が得られると判明しました。また、AlN薄膜の極性は、金属層上に堆積直後(Al原子面にして数原子層以内)に決定されるとわかりました。これらは、酸素の混入を抑える連続成膜法により観察可能になったものと考えられます。一方、AlNに挟まれた極薄金属膜についても、基礎的な知見として、その格子の変形と伸縮について調査しました。その結果、Ar-N_2中で作製したPt薄膜には、窒素が侵入固溶しているが、熱処理を行うことにより、その窒素は放出される傾向にある、しかし、一部は置換固溶的にPt格子中に残留し続けるということが明らかとなりました。また、Pt層の厚みが9nmを超えると、転位などが働き、容易に応力緩和が起こるとわかりました。