鉛非含有ビスマス系新規強誘電・圧電薄膜デバイスの開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14750563
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 松田 弘文 独立行政法人産業技術総合研究所, スマートストラクチャー研究センター・若手任期付研究員 (00282690)
• Keywords: ビスマス層状構造強誘電体 / 圧電体薄膜MEMSデバイス / 強誘電体メモリデバイス / 化学溶液法 / 原子間力顕微鏡 / 圧電力顕微鏡 / 配向制御

Research Abstract

平成14年度は、高品質かつ高性能なBi_4Ti_3O_<12>(BIT)系多結晶強配向薄膜の合成方法確立と、単純形状への微細加工条件確立及びその基礎的な電気特性評価を中心に研究活動を行った。
まず、金属アルコキシドを出発原料とした前駆体溶液の調整方法を確立し、安定なコーティング溶液の合成に成功した。次に、結晶化挙動から熱処理条件を決定し、圧電体デバイスに不可欠な膜厚1μm以上の薄膜の合成及び、強誘電体メモリ材料に不可欠な膜厚200nm程度の薄膜合成方法を確立した。熱処理条件の適切な選定により、強誘電分極方位へ強く配向した薄膜及びその合成方法について、特許出願を行った。また、薄膜成膜に用いたSi基板への下部電極形成方法の検討及びBIT多結晶への希土類イオン添加により、更に強誘電・圧電特性に優れた強配向薄膜の合成方法を発見し、特許出願を行うとともに、下部電極基板と添加イオンによる格子歪の関係について議論した研究論文の投稿準備を行っている。
得られたBIT系多結晶強配向薄膜は、ドライエッチングによる微細加工条件を詳細に検討し、数μmオーダーの構造に加工を行った。成形したマイクロキャパシタセル及びマイクロ圧電素子について、原子間力顕微鏡(AFM)による強誘電特性・圧電特性の評価を実施した。その結果従来報告のあった多結晶焼結体・薄膜に比べ優れた強誘電・圧電応答を示す薄膜であることを示し、特に希土類添加を行うことで、単結晶BITの約1.5倍の圧電変位を示す薄膜の合成に成功し、また薄膜材料では実現できていなかった、単結晶の強誘電特性を完全に発揮する薄膜の合成に初めて成功した。これらの成果は、米国材料学会(MRS2002)及び集積化強誘電体国際会議(ISIF2003)という、強誘電体薄膜分野で世界的に最も権威ある学会において招待講演を依頼されるなど、研究代表者が主張している配向制御の重要性とその実現手法が、国内外で注目されている。

Research Products

• [Publications] Hirofumi Matsuda 他: "Synthesis and electrical properties of Sr-and Nb-cosubstituted Bi_<4-x>Sr_xTi_<3-x>Nb_xO_<12> polycrystalline thin films"Japanese Journal of Applied Physics. (2003)
• [Publications] Hirofumi Mastuda 他: "Synthesis and ferroelectric properties of Sr-and Nb-codoped Bi_<4-x>Sr_xTi_<3-x>Nb_xO_<12> thin films by sol-gel method"Proceedings of the Materials Research Society 2001 Fall Meeting, Symposium on Ferroelecric Thin Films. (2002)
• [Publications] Hirofumi Matsuda 他: "Piezoelectric property investigation for sol-gel derived Bi_4Ti_3O_<12> thick films"Proceedings of the Materials Research Society 2002 Fall Meeting, Symposium on Ferroelecric Thin Films (invited). (2003)
• [Publications] Hirofumi Matsuda 他: "Synthesis and basic properties of lead-free bismuth titanate thin films for piezoelectric microsensing device"Proceedings of Materials Research Society Japan 2002 Meeitng. (2003)
• [Publications] Hirofumi Matsuda 他: "Ferroelectric and piezoelectric properties of (111)-and (117)-oriented praseodymium-substituted bismuth titanate polycrystalline thin films"Proceedings of 13th International Symposium on Integrated Ferroelectrics (invited). (2003)
• [Publications] Hiroshi Uchida, Hirofumi Matsuda 他: "Approach for enhanced polarization of polycrystalline bismuth titanate films by Nd^<3+>/V^<5+> cosubstitution"Applied Physics Letters. 81・12. 2229-2231 (2002)