熱アニールによるScAlN圧電特性の異常増強

― 格子緩和・内部応力・結晶秩序の観点から ―

1. 研究背景と未解決問題

ScAlN は、wurtzite AlN に Sc を置換することで

wurtzite 構造と層状六方晶構造の自由エネルギーの接近
両者を結ぶ構造変位方向に沿った自由エネルギー曲面の曲率の低下
を引き起こし、理論的には極めて大きな圧電応答（d₃₃ ≳ 100 pC/N）が予測されてきた。

しかし実験的には、

実用Sc組成（~20–30%）では
d₃₃ ≈ 10–15 pC/N に留まる
高Sc組成では
- rock-salt相への相転移
- 結晶不安定化
  により圧電性が失われる

という 「理論–実験ギャップ」 が長年未解決であった。

本研究は、このギャップの主要因が
「成膜後に凍結された内部応力・格子歪み・ドメイン無秩序」
にあることを実験的に示した点で重要である。

2. 実験の本質：post-growth annealing の役割

2.1 成膜条件は“変えていない”

PVD（reactive magnetron sputtering）
Sc₀.₃Al₀.₇N
膜厚 100 nm
N-polar

👉 成膜起因の効果ではないことが明確

2.2 圧電応答の増大は温度支配

最適条件：700 °C, 2 h
d₃₃：
- as-grown：12.3 pC/N
- annealed：45.5 pC/N（×3.5）

重要なのは：

アニール時間依存性は緩やか
温度依存性は極めて急峻

👉 熱活性化された格子再配列・応力緩和が支配的

3. 計測の信頼性：d₃₃,f の一貫性

本研究で評価されているのは d₃₃,f（effective converse coefficient） であり、

PFM
LDV
Displacement–Voltage loop

の 3系統で一致している。

特に重要なのは、

ε₃₃ はほぼ変化しない（~17）
d₃₃,f のみが二乗的に増大

その結果、

$\displaystyle k_t^2 = \frac{d_{33,f}^2 c_{33}}{d_{33,f}^2 c_{33} + \varepsilon_0 \varepsilon_{33}}$

が
13.8% → 76.2% に跳ね上がる。

これは、

厚さ100 nm
基板拘束あり

という条件下で得られており、
実質的に異常値といってよい。

4. 結晶学的起源：c/a 比低下の決定的証拠

4.1 d₃₃ と格子定数の理論的関係

wurtzite 圧電体では近似的に： d33≈ε0e33χ33d_{33} \approx \varepsilon_0 e_{33} \chi_{33}d33≈ε0e33χ33

e₃₃：polarization–strain coupling
χ₃₃：polarization–electric field coupling

既存理論・DFT研究では：

c/a 比の低下
- → e₃₃ ↑
- → χ₃₃ ↑

が一貫して報告されている。

4.2 STEM による直接観測

本研究の最大の強みは、

dDPC-STEM（局所・原子分解能）
4D-STEM + EWPC（統計的・高精度）

を組み合わせ、

c/a 比低下を“直接測定”した点である。

測定結果（代表値）

dDPC-STEM
- c/a：1.542 → 1.522
4D-STEM EWPC
- c/a：1.560 → 1.553

主因は：

a 軸の増大（面内緩和）
c 軸はほぼ不変

👉 in-plane tensile relaxation が支配的

5. 内部応力・ドメイン・柱状粒の役割

5.1 応力緩和と圧電応答

DFPT研究（Daoust et al. など）では：

面内引張応力 σᵣ > 0
→ d₃₃ 増大

が理論的に示されている。

本研究の annealing は、

成膜時に蓄積された圧縮応力を部分的に解放
結果として
- a 軸拡張
- c/a 低下
  をもたらしたと解釈できる。

5.2 柱状結晶とクランプ効果

柱状粒径：5–30 nm
annealing 後も形態は維持

PZT などの既知研究と同様、

粒間クランプの低減
有効 d₃₃,f の増大

が寄与している可能性が高い。

6. 本質的な示唆：ScAlNは「まだ限界ではない」

重要なのは著者ら自身が述べている通り、

本研究の d₃₃,f は
基板拘束下
free-standing 化すれば
→ さらに 50–75% 増大する可能性

これは、

高Sc化
Y, La など III族置換
応力設計（buffer, release）

と組み合わせることで、

理論限界に近づく現実的ルート

が初めて見えたことを意味する。

7. 研究者視点での総括

本研究の本質的価値

「Sc量を増やす」以外の
第三の設計自由度（post-growth thermodynamics） を提示
圧電応答の律速因子が
- 欠陥
- 応力
- 格子凍結
  であることを実証

今後の展開

ScAlN/AlN superlattice
N-polar / Ga-polar 対比
free-standing MEMS 構造
HEMT・BAW・量子音響デバイスへの波及

参考として重要なキーワード

wurtzite metastability
energy landscape flattening
biaxial stress relaxation
d₃₃ vs d₃₃,f
substrate clamping
c/a ratio engineering

元論文：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59179-2