JPS62252006A - 強誘電体薄膜素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素
子等に用いられる強誘電体薄膜素子に関する。

従来の技術 強誘電体のエレクトロニクス分野における応用は、赤外
線検出素子、圧電素子、光変調素子、メモリー素子など
さまざまなものがある。近年の半導体技術の進歩による
電子部品の小型化にともない、強誘電体素子も薄膜化が
進みつつある。

ところで、強誘電体の自発分極Ｐｓの変化を出力として
取り出す、例えば焦電型赤外線検出素子や圧電素子等で
は、強誘電体材料のＰｓが一方向に揃っている時、最も
大きい出力が得られる。

発明が解決しようとする問題点 現在、赤外線検出素子や圧電素子等に用いられている強
誘電体磁器は多結晶体であり、結晶軸の配列に方向性は
無く、従って自発分極Ｐｓも出たら目に配列している。

エピタキシャル強誘電体薄膜、配向性強誘電体薄膜は結
晶の分極軸は揃っているが、電気的な自発分極Ｐｓは１
８０°　ドメインを作り交互に配列している。そこで、
これら材料を上述のようなエレクトロニクス素子として
用いる場合、材料に高電界（〜１００ｋＶ／ｃｗ＋）を
印加してＰｓの向きを揃える分極処理が必要である。

また、ＰｂＴｉＯ３やＰＬＺＴなどの薄膜の作製に関し
ては多（の報告があるが、それらの強誘電相の領域の薄
膜について、その分極軸であるＣ軸に配向した薄膜、自
発分極までも一方向に配向した薄膜は実現されていない
。

強誘電体材料に高電界を印加してＰｓを揃える方法では
次のような問題点が生じる。

〈１〉分極処理により絶縁破壊が生ずる場合があり、歩
留まりが下がる。

（２）高分解能アレイ素子の様に多くの微小素子が高密
度に配列しているものでは、それらを均一に分極するこ
とが困難である。

（３）半導体デバイス上に強誘電体薄膜を形成した集積
化デバイスでは、分極処理そのものが不可能な場合があ
る。

問題点を解決するための手段 強誘電体薄膜として、化学式が（ＰｂｘＬａｙ　）（Ｔ
ｉｚＺｒｗ）０２で組成比が （ａ）　０．７０≦ｘ≦１１０．９≦ｘ＋ｙ≦１．０．
９５≦ｚ≦１１−〇、 （ｂ）　ｘ−Ｌ　ｙ＝０、０．４５≦ｚ＜１、　ｚ＋ｗ
＝１、（ｃ）　０．８３≦ｘ＜１、ｘ＋ｙ−１，０，５
≦ｚ　＜　１　％０．９６≦ｚ＋ｗ≦１ のうちから選択された一つの範囲にあり、膜面積が２０
Ｉｌ１２以下であり、その分極軸の７５ｚ以上が一方に
配向したものを用いる。

作用 上記のような強誘電体薄膜においては、Ｐｓが既に揃っ
た自然分極が得られ、分極処理をおこなう必要が無（、
歩留まり良（、高性能の強誘電体素子が実現できる。

実施例 第１図は本発明に従って作製した強誘電体薄膜素子の一
実施例の断面図である。

（１００）でへき開し鏡面研摩したＭｇＯ単結晶を基板
１とし、下部電極２として膜厚０．２μｍのＰｔ薄膜を
スパッタリングにより形成した。スパッタガスはＡｒ−
０２混合ガスである。ついで、強誘電体薄膜３を膜厚４
μｍ１膜面積を種々変化して成長させた。方法は高周波
マグネトロンスパッタ法で、Ａｒと０２の混合ガスを用
い、スパッタリングターゲットは １　　（１−Ｙ）ＰｂｘＬａｙＴｉｚＺｒｗ０３　＋ｙ
ｐｂｏｌ・・−（１）の粉末である。表１にスパッタリ
ング条件を示す。

ついでこの薄膜上に上部電極４としてＮｉ−Ｃｒ電極を
蒸着し、強誘電体薄膜素子を作製した。さらに、強誘電
体薄膜３の下部における基板１には開口５を設けた。

表１ 第２図に代表的な薄膜のＸ線回折パターンを示す。ペロ
ブスカイト構造の（００１）と（１００）反射、及びそ
の高次の反射のみ観察される。また（００１）反射の強
度が（１００）のそれと比べて著しく大きいのでＣ軸配
向膜であることがわかる。Ｃ軸配向率αを次の式で定義
する。

α利（ｏｏ＋）／ｌ　Ｉ（００１＞４１（１００）　１
ここで１（００１）、および１（１００）はそれぞれ（
００１）と（１００）反射の回折強度を表す。得られた
薄膜の誘電率と焦電係数の測定を行った。

第３図にＣ軸配向率に対するＰｂＴｉＯｓの焦電係数γ
の変化、第４図に誘電率εの変化を示す。

よく知られている様に、焦電係数は自発分極Ｐｓの配向
に比例して大きくなる。焦電係数は配向率の増加と共に
大きくなり、誘電率は小さくなる。第３図及び第４図に
は分極処理（２００℃でＬＯＯｋＶ／ｃｊ１０分印加）
を行なった場合の結果についても示しである。配向率が
小さい場合、分極処理前後で焦電係数及び誘電率の値は
大きく変化する。配向率が７５零になると焦電係数は１
．６ｘｌＯ−’Ｃ／　ｃｊＫとなり、この値は２００℃
で１００　ｋ　Ｖ　／　ａｍ印加して分極処理を行った
ＰｂＴｉ０ｒＪセラミクス（７−１，８ＸＩＯ−”Ｃ／
ｃ＋ｊＫ）とほぼ同等の値である。配向率８０ｇの場合
焦電係数は２．５ｘｌＯ−”Ｃ／ｃｊＫであり、Ｐ　ｂ
　Ｔ　ｉ　Ｏ３セラミクスの値にくらべかなり大きい。

また、分極処理後の値と比べ殆ど変わらないばかりでな
く、配向率が小さい場合の分極後の値より大きい。誘電
率は、配向率７５零の場合、セラミクスの１７２の値で
約１００であるｏ１、ａを添加したＰｂＴｉ０Ｇ（ＰＬ
Ｔ）の場合でも、同じ結果が得られた。

以上述べたとおりＰｂＴｉＯｓ、及びＰＬＴ薄膜では、
薄膜作製時に十分にＣ軸に配向しておれば分極処理を行
わなくても自発分極が揃っており、特に配向率７５％以
上の薄膜でその効果が大きいことが明らかになった。

ところで、薄膜のＣ軸の配向率は膜面積により変化する
ことを見い出した。第５図はＣ軸の配向率と膜面積との
関係を表す。ただし膜厚は４μｌときの結果である。図
より明らかな様に一膜面積の増大とともにＣ軸の配向率
は太き（減少する。ＰＬＴＩｌの直径が１０１ｍのとき
、Ｃ軸の配向率は平均値で７０％以下に下がってしまう
。また、配向率のバラツキは大きくなる。したがって、
上記の結果よりＰｓが既に揃った自然分極が得られるの
は、膜面積が約２０５ｍ’以下が望ましい。このとき、
配向率のバラツキも著しく減少する。

下部電極としてＡｕを用いた場合でも全く同じ結果が得
られた。

本実施例で作製した強誘電体薄膜素子を赤外線センサと
して利用する場合、焦電材料としての性能指数である［
焦電係数／誘電率１の値は大きくなる。２００℃で１０
分間１００　ｋ　Ｖ　／　ｃｍ印加して分極処理を行っ
たＰｂＴｉＯ３セラミクスの値と比較して、ＰｂＴｉ０
＋＃膜で２．５倍、ＰＬＴＭＩＩＩで３倍の値を示す。

つまり、本発明による強誘電体薄膜を用いると、全く分
極処理を行わなくても優れた特性の赤外線センサが作製
されることがわかる。

上記の例でも分かるように本発明の強誘電体薄膜を用い
た素子では分極処理を行わなくても大きな出力が取り出
せる。これは赤外線センサばかりでなく圧電素子、光ス
ィッチなど電気光学素子等においても同様である。

発明の効果 本発明による強誘電体薄膜素子は、分極処理が不要であ
り、また特性も優れていて、作製も容易であるから、実
用的にきわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の一実施例における強誘電体薄膜素子の断
面図、第２図は本発明の一実施例に於ける強誘電体薄膜
のＸ線回折パターンを示す図、第３図はＣ軸配向率と焦
電係数の関係を示す図、第４図はＣ軸配向率と誘電率の
関係を示す図、第５図はＣ軸配向率と膜面積との関係を
示す図である。 １・・・基板、２・・・下部電極、３・・・強誘電体薄
膜、４・・・上部電極、５・・・開口部。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　他１名第１図 第２図 第３図 ｏ、６　　　　　　　　　　　θ、８　　　　　　　　
　　　／、ＯＣ甲由゛酉己Ｉ′ｉ５″Ｉ屑≧　；べ 窮４図 Ｃ′Ｉ＃ｉ西乙向牢；≠ 第５図 ６、．５　　　　　１　　　　　２　　　　　　　６　
　　　　１ＯＰＬＴ簿羨っ直イ炙（−包）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、その基板上に形成され、化学式が（Ｐｂ
   ＿ｘＬａ＿ｙ）（Ｔｉ＿ｚＺｒ＿ｗ）Ｏ＿２で組成比が
   （ａ）０．７０≦ｘ≦１、０．９≦ｘ＋ｙ≦１、０．９
   ５≦ｚ≦１、ｗ＝０、 （ｂ）ｘ＝１、ｙ＝０、０．４５≦ｚ＜１、ｚ＋ｗ＝１
   、（ｃ）０．８３≦ｘ＜１、ｘ＋ｙ＝１、０．５≦ｚ＜
   １、０．９６≦ｚ＋ｗ≦１ のうちから選択された一つの範囲にあり、膜面積が２０
   ｍｍ＾２程度以下である強誘電体薄膜と、この強誘電体
   薄膜に付設された電極とを備え、その分極軸の７５％以
   上が一方向に配向していることを特徴とする強誘電体薄
   膜素子。
2. （２）基板上に形成された１個以上の下部電極と、この
   下部電極上に形成された強誘電体薄膜と、この強誘電体
   薄膜上に前記下部電極と対向して設けられた１個以上の
   上部電極とを備えた特許請求の範囲第１項記載の強誘電
   体薄膜素子。
3. （３）基板がＭｇＯであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の強誘電体薄膜素子。
4. （４）下部電極がＰｔ、またはＡｕであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の強誘電体薄膜素子。