半導体基板上で非鉛圧電体の性能向上を実証 ~汎用成膜法で多数の条件を同時に評価し実現~

2026-03-17 大阪公立大学

大阪公立大学らは、非鉛圧電材料ビスマス鉄酸化物(BFO)の性能向上を半導体基板上で実証した。従来困難とされたシリコン基板上での性能向上に対し、圧縮ではなく引張ひずみを活用する発想により構造相転移を誘起し、圧電特性を改善。さらに二軸コンビナトリアルスパッタ法を開発し、1枚の基板上で多条件を同時評価することで最適化を大幅に効率化した。結果として世界最高レベルの圧電性能を達成し、MEMS振動発電デバイスで従来比5倍の性能向上を確認。非鉛材料の実用化とIoT電源応用への展開が期待される。

半導体基板上で非鉛圧電体の性能向上を実証 ~汎用成膜法で多数の条件を同時に評価し実現~
図1 研究の概要:効率的な材料探索と半導体基板上での性能向上

<関連情報>

マンガン添加ビスマスフェライトエピタキシャル膜における歪み誘起相転移による圧電MEMS振動エネルギーハーベスターの電気機械結合の強化 Enhanced electromechanical coupling in piezoelectric MEMS vibration energy harvesters via strain-induced phase transition in Mn-doped bismuth ferrite epitaxial films

Sengsavang Aphayvong,Meika Takagi,Kira Fujihara,Yohane Fujibayashi,Norifumi Fujimura,Hidemasa Yamane,Shuichi Murakami & Takeshi Yoshimura
Microsystems & Nanoengineering  Published:17 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41378-026-01177-5

Abstract

Mn-doped BiFeO3 (BFMO) epitaxial films grown on (100) Si wafers delivered enhanced electrical and piezoelectric properties under systematically optimized growth conditions, realized through a biaxial combinatorial sputtering method. The dielectric constant and dielectric loss of the resulting BFMO films were approximately 140 and 1%, respectively, considerably lower than those of undoped BiFeO3. Most notably, the effective transverse piezoelectric coefficient was –6.0 C/m2, the highest yet reported for this material system. According to detailed structural and electrical characterizations, the improved piezoelectric performance stems from a strain-induced phase transition from the rhombohedral to the monoclinic structure. To demonstrate this enhancement beyond the material level, the optimized films were successfully integrated into piezoelectric MEMS vibration-energy harvesters. The films demonstrated device-level performance improvements with a generalized electromechanical coupling factor of 0.5%, fivefold that of (100) oriented BFO films.

0403電子応用
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