JP2009049351A - 電気エネルギを蓄積する装置 - Google Patents

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ジェームズ チー ライ
Tom A Agan
トム アレン アガン
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Abstract

【課題】電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
【解決手段】電気エネルギを蓄積する装置１００は、第１の磁性セクション１１０と、第２の磁性セクション１２０と、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０との間に配置された半導体セクション１３０と、を備える。半導体セクション１３０と、第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０との間の接合面１４０により形成されるダイオードバリアが第１の磁性セクション１１０から第２の磁性セクション１２０への電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積する。
【選択図】図１

Description

本発明は電気エネルギを蓄積する装置に関する。特に、本発明は電気エネルギを蓄積する磁気デバイスに関する。
エネルギ蓄積部は我々の生活にとって非常に重要である。回路に使用されるコンデンサや携帯装置に使用される電池等の部品、電気エネルギ蓄積部は、電気デバイスの性能および作動時間に影響を与える。
しかし、従来のエネルギ蓄積部にはいくつかの問題点があった。例えば、コンデンサには、総合的な性能を低下させる電流リークの問題があった。また、電池は充電／放電が部分的に行われると、メモリ効果の問題により性能が低下することがあった。
巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔ）とは、薄い磁性セクションと薄い非磁性セクションとが交互に形成された構造中でみられる量子力学的効果である。外部磁界が印加されると、巨大磁気抵抗効果によりゼロ磁場の高抵抗状態から高磁場の低抵抗状態へと電気抵抗が大幅に変化する。
そのため、巨大磁気抵抗効果は、良好な性能を有する絶縁体として使用することができる。巨大磁気抵抗効果を有する装置は、電気エネルギを蓄積することができる。しかし、デバイスのサイズが縮小するに伴い、限られた面積内において、より多くの容量値が必要となってきている。
上述の理由により、電気エネルギを蓄積し、容量値の大きな巨大磁気抵抗効果を有する装置が求められていた。
本発明の目的は、電気エネルギを蓄積する装置を提供することにある。
（１） 第１の磁性セクションと、第２の磁性セクションと、前記第１の磁性セクションと前記第２の磁性セクションとの間に配置された半導体セクションと、を備え、前記半導体セクションと前記第１の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクションとの間の接合面により形成されるダイオードバリアが前記第１の磁性セクションから前記第２の磁性セクションへの電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積することを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（２） 前記半導体セクションは薄膜であることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（３） 前記薄膜の厚さは３０オングストローム（３×１０−９ｍ）よりも小さいことを特徴とする（２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（４） 前記半導体セクションは半導体材料からなることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（５） 前記第１の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（６） 前記第２の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（７） 前記接合面は、凹凸状の界面を有することを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（８） 前記ダイオードバリアには、ターンオン電圧よりも小さい電圧が印加されることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（９） 前記電気エネルギは、磁場が印加されると前記ダイオードバリア中に蓄積されることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１０） 前記ダイオードバリアはショットキーダイオードバリアであることを特徴とする（１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１１） 複数の磁性セクションと、前記複数の磁性セクションの間に配置された複数の半導体セクションと、を備え、前記半導体セクションと前記磁性セクションとの間の複数の接合面により形成されるダイオードバリアが前記磁性セクション間の電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積することを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１２） 前記半導体セクションは薄膜であることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１３） 前記薄膜の厚さは３０オングストロームよりも小さいことを特徴とする（１２）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１４） 前記半導体セクションは半導体材料からなることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１５） 前記第１の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１６） 前記第２の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１７） 前記接合面は、凹凸状の界面を有することを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１８） 前記ダイオードバリアには、ターンオン電圧よりも小さい電圧が印加されることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（１９） 前記電気エネルギは、磁場が印加されると前記ダイオードバリア中に蓄積されることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
（２０） 前記ダイオードバリアはショットキーダイオードバリアであることを特徴とする（１１）に記載の電気エネルギを蓄積する装置を提供する。
本発明の電気エネルギを蓄積する装置は、一般のコンデンサよりも大きな容量値を有する。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による電気エネルギを蓄積する装置を示す模式図である。電気エネルギを蓄積する装置１００は、第１の磁性セクション１１０と、第２の磁性セクション１２０と、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０の間に配置された半導体セクション１３０とを含む。第１の磁性セクション１１０、第２の磁性セクション１２０および半導体セクション１３０は、薄膜でもよい。半導体セクション１３０は、半導体材料からなってもよい。半導体セクション１３０と第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションとの間の接合面１４０は、図１Ａに示すダイオードバリア（ショットキーダイオードバリア１５０）を形成する。これにより、第１の磁性セクション１１０から第２の磁性セクション１２０へ電流が流れることを防ぎ、電気エネルギをその中に蓄積することができる。
形成されるダイオードバリアは、整流特性を有するショットキーダイオードバリア１５０でもよく、ショットキーダイオードバリア１５０の両端部に小さな電圧が印加されると、第１の磁性セクション１１０と、第２の磁性セクション１２０の間での電流の流れを防いでオフ状態が維持される。この小さな電圧は、ダイオードバリア１５０のターンオン電圧（ｔｕｒｎ−ｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ）よりも小さい。ダイオードバリア１５０の電流阻止特性により、半導体セクション１３０は誘電材料として用いることができる。ダイオードバリア１５０の誘電特性は、半導体セクション１３０に磁場を印加するとさらに向上させることができる。この磁場は、第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０により提供され、半導体セクション１３０から電荷が逃げないように防ぐことができる。従って、この磁場は、ダイオードバリア１５０に付加的な誘電特性を提供することができる。材料の誘電特性は、材料の誘電率で表され、その容量値との関係は下記の数式（１）で表される。
Figure 2009049351
数式（１）において、「Ｃ」は、エネルギ蓄積装置の容量値であり、「ε０」は、定数（約８．８５×１０−１２ Ｆ・ｍ−１）であり、「εｋ」は、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０の間の材料の比誘電率であり、Ａは、接合面１４０の面積であり、「ｒ」は、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０の間の距離である。数式（１）により、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０の間の材料の比誘電率εｋが増加すると、容量値Ｃが増加することが分かる。従って、ダイオードバリアおよび磁場による優れた誘電特性のために、半導体セクション１３０の誘電率は、一般の誘電材料よりも大きい。半導体セクション１３０の誘電率は、一般の誘電材料の５倍から９倍でもよい。
装置１００の容量値Ｃをさらに増大させるために、以下に示す２つの構造的な変更を行ってもよい。まず、数式（１）から分かるように、第１の磁性セクション１１０と第２の磁性セクション１２０の間の距離ｒを低減すると、容量値Ｃが増加する。従って、薄膜の半導体セクション１３０の厚さを小さくすれば、装置１１０の容量値を増加させることができる。例えば、半導体セクション１３０の厚さを３０オングストローム（３×１０−９ｍ）よりも小さくすると、半導体セクション１３０は、厚さがミリメートルスケールである一般のコンデンサよりも容量値を大幅に増加させることができる。厚さが３０オングストロームよりも小さい場合、容量値Ｃの変化は、１次項に対して後続の高次項（ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｏｒｄｅｒ ｔｅｒｍｓ）を定義するテーラー級数展開（Ｔａｙｌｏｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｓｅｒｉｅｓ）により規定される。２次項あるいは３次項は、装置１００の降伏電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）の低減にとって重要である。そのため、容量値と降伏電圧との間のトレードオフとして、半導体セクション１３０の厚さの低減を考慮することができる。
第二に、容量値Ｃは数式（１）において面積Ａに対して直接正比例の関係にあるため、接合面１４０の面積に関しては、第１の磁性セクション１１０および第２の磁性セクション１２０と、半導体セクション１３０との間に凹凸状の界面を形成することにより増加させることができる。表面粗さは、平面領域よりも効果的な接合領域を導入することができるため、容量値を大幅に増加させることができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によると、電気エネルギを蓄積するために、装置１００を積層して多層装置２００を形成することができる。図２に示すように、装置２００は、複数の磁性セクション２０２および複数の半導体セクション２０４を含む。半導体セクション２０４は、隣接する磁性セクション２０２の間に配置されているため、接合面２０６の各々により提供されるコンデンサが並列に接続され、容量値を増加させることができる。この第２実施形態では、第１実施形態と同様に半導体セクションの各々の間にある接合面２０６がダイオードバリアを形成する磁性セクションであり、磁性セクション間に電流が流れることを防ぐので、装置２００中に電気エネルギを蓄積させることができる。
本発明の実施形態による電気エネルギを蓄積する装置は、一般のコンデンサよりも多くの容量値を有する。また、本実施形態の装置は、一般の電池よりも充放電時間が短いため、様々な分野において電池として使用することができる。この装置は、一般の電池のようにメモリ効果による制限を受けないため、性能を低下させずにそれぞれの再充電を行う間に完全あるいは部分的に放電を行うことができる。そのため、一般の電池よりも再充電できる回数が大幅に多くなる。最後に、本実施形態による電気エネルギを蓄積する装置は磁気デバイスからなるため、電池による放熱問題を考慮する必要がない。
本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
本発明の第１実施形態による電気エネルギを蓄積する装置を示す模式図である。 ダイオードバリアを形成する半導体セクションと、第１の磁性セクションおよび第２の磁性セクションとの間の接合面の部分を示す等価回路図である。 本発明の第２実施形態による電気エネルギを蓄積する装置を示す模式図である。
符号の説明
１００ 装置
１１０ 第１の磁性セクション
１２０ 第２の磁性セクション
１３０ 半導体セクション
１４０ 接合面
１５０ ショットキーダイオードバリア
２００ 装置
２０２ 磁性セクション
２０４ 半導体セクション
２０６ 接合面

Claims (20)

  1. 第１の磁性セクションと、
    第２の磁性セクションと、
    前記第１の磁性セクションと前記第２の磁性セクションとの間に配置された半導体セクションと、を備え、
    前記半導体セクションと前記第１の磁性セクションおよび前記第２の磁性セクションとの間の接合面により形成されるダイオードバリアが前記第１の磁性セクションから前記第２の磁性セクションへの電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積することを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置。
  2. 前記半導体セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  3. 前記薄膜の厚さは３０オングストロームよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  4. 前記半導体セクションは半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  5. 前記第１の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  6. 前記第２の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  7. 前記接合面は、凹凸状の界面を有することを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  8. 前記ダイオードバリアには、ターンオン電圧よりも小さい電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  9. 前記電気エネルギは、磁場が印加されると前記ダイオードバリア中に蓄積されることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  10. 前記ダイオードバリアはショットキーダイオードバリアであることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  11. 複数の磁性セクションと、
    前記複数の磁性セクションの間に配置された複数の半導体セクションと、を備え、
    前記半導体セクションと前記磁性セクションとの間の複数の接合面により形成されるダイオードバリアが前記磁性セクション間の電流の流れを防ぎ、電気エネルギを蓄積することを特徴とする電気エネルギを蓄積する装置。
  12. 前記半導体セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  13. 前記薄膜の厚さは３０オングストロームよりも小さいことを特徴とする請求項１２に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  14. 前記半導体セクションは半導体材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  15. 前記第１の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  16. 前記第２の磁性セクションは薄膜であることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  17. 前記接合面は、凹凸状の界面を有することを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  18. 前記ダイオードバリアには、ターンオン電圧よりも小さい電圧が印加されることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  19. 前記電気エネルギは、磁場が印加されると前記ダイオードバリア中に蓄積されることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
  20. 前記ダイオードバリアはショットキーダイオードバリアであることを特徴とする請求項１１に記載の電気エネルギを蓄積する装置。
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