JP2009542027A - 制御可能な容量をもつ装置と方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に、容量値を変化させるための装置に関するものであって、該装置は―公知のダイポールで、第１電極（２）と第２電極（６）の間に配置された電子ホッピング輸送半導体材料（４）を含むダイポール（１）であって、前記容量(１２)に並列して配置されているダイポール（１）；―前記ダイポール（１）の第２電極（６）と第１電極（２）に電気接続している直流電圧発生器(１３)；―前記発生器(１３)により発生された電圧を変化させる手段を有していることに特徴がある。
【選択図】図４

Description

本発明は容量の値を変化させるための装置に関する。また、本発明は容量の値を変化させるための方法に関する。

エレクトロニクスの応用分野において、回路のインピーダンスとアドミッタンスの容量性（capacitive nature）又は誘導性(inductive nature)を制御することがある。即ち、回路における容量の望ましくない効果を補償しなければならない。

従来技術における解決方法は米国出願5558477で説明されているが、マイナス値を持つ容量を作成するものであった。前記出願は負のリアクタンス回路(増幅器、充電された容量、抵抗、電圧分割器を持つ)装置に関するもので、ピエゾエレクトリック装置に接続するものである。前記回路は負の容量をシミュレートし、前記装置の容量を補償するのに使われる。これは、その電気機械的特性に基づいて前記装置の機械的動作を制御する効果を持つ。

２つのノードと前記ノード間の容量性インピーダンスを補償する複数手段を備える電子装置は公知である（国際特許出願ＰＣＴ ＷＯ96／28847）。これら手段はアバランシェモードで極性化された接合ダイオードに接続されたディスクリート素子を備えている。当該ダイオードは負容量動作を示し、並列に接続された正の寄生容量を補償する、ある場合には、キャンセルする。

この装置の欠点は、容量を変化させることができないことである。また、集積回路に組み込むときに大きな面積を必要とすることである。更に、前記装置は複雑で、製造コストを要することである。

半導体成分に侵入する有機材料、即ち、ナノ粒子又はナノチューブを含む材料に基づいて負の容量を得ることは公知である。

例えば、非特許文献１に開示されている有機ポリマーがその例である。

ナノチューブに関しては、非特許文献２に記載されている。

前記材料の欠点、特に、有機材料の欠点は、経年劣化と低信頼性から来る問題である。他の材料はシリコン技術との非両立性（incompatibility）の問題を有している。従って、それらを生産するのは厄介で、コストがかかる。更に、容量を変化させることができないという欠点を有している。

従来技術については、非特許文献３が公知である。
この文献はダイポール（第１電極と第２電極の間に配置された電子的ホッピング輸送半導体材料（electric hopping transport semiconductor）を含んでいる）を含む装置を開示している。更に、同文献は、電子輸送（特にホッピング輸送）を持つ材料、局所状態の特性（例えば水素化されたアモルファス窒化炭素）について説明している。水素化された金属/アモルファス炭化窒素／金属装置に置かれたとき、後者は、温度又は周波数に依存して、前記装置に加えられる直流又は交流電圧に対して異なるアドミッタンス値をとる。

" Modeling negative capacitance effect in organic polymers " ；刊行物"Solid-state-electronics" , KWOK-H-L著、 2003年 、1089-1093頁、 "Negative quantum capacitance of gated carbon nanotubes " 刊行物" Physical-Review-B-Condensed-Matter-and-Materials-Physics." 2005年7月15日, pages 35455-1-5、著者" Latessa,-L.; Pecchia,-A.; Di- Carlo, -A.; Lugli,-P". " High-field transport in amorphous carbon and carbon nitride films " 刊行物"Journal of Non-Crystalline Solids" 2004年６月15日, Volumes 338-340, 349-352頁。著者 Kleider-JP, Gudovskikh-A. , Godet-C.

本発明の目的は、前記従来技術の欠点を解決することである。

更に本発明の目的の他の１つは容量値を変化させることである。

本発明のもう１つの目的は、コンパクトで、集積回路に組み込まれる装置を提供することである。

本発明は容量値を変化させるための装置に関するもので、次のものを含むことを特徴とする。
―公知のダイポールで、第１電極と第２電極の間に配置された電子ホッピング輸送半導体材料を含むダイポール（前記ダイポールは前記容量に並列して配置されている）；
―前記ダイポールの第２電極と第１電極に電気接続している直流電圧発生器；
―前記発生器により発生された電圧を変化させる手段。

ダイポール、直流電圧発生器及び容量が並列である装置において、ダイポールの端部における電圧の変化が、装置全体の容量を変化させている。

別の実施例において、前記装置は前記直流電圧発生器に直列に配置された交流電圧発生器を含んでいる。

別の実施例において、第１電極は第１電極の金属線及び第１電極のコンタクト面を有しており、第２電極は第２電極金属線及び第２電極のコンタクト面を有している。前記半導体材料は第１電極の金属線と第２電極の金属線との間に配置されており、前記発生器は第１電極と第２電極に、それぞれ第１電極のコンタクト面のレベルで及び第２電極のコンタクト面のレベルで電気的に接続されている。

前記ダイポールの構造は第１電極と第２電極のコンタクト面により集積回路に挿入しやすいという点で有利である。

別の実施例において、ダイポールは、ガラス基板と、
―半導体を構成する水素化アモルファス窒化炭素層、
―複数のコープレーナ電極（co-planar electrodes）のそれぞれに対するアルミニウム層、
から構成されている。

更に別の実施例において、ダイポールはガラス基板及び次の連続層から構成されている。
―第１電極を構成するアルミニウム層、
―チタンータングステン合金層、
―半導体を構成する水素化アモルファス窒化炭素層、
―チタンータングステン合金層、
―第２電極を構成するアルミニウム層。

ダイポールの電極が同一金属から構成されている、又は、金属の同一組み合わせから構成されているときに、その電気的特性は印加電圧の正負によらないことに留意すべきである。

本発明は容量値を変化させるための方法に関する。この方法は次のステップを含む。
―並列に次のものを配置するステップ、
・前記容量、
・公知のタイプのダイポールであって、第１電極と第２電極の間に配置された電子 ホッピング輸送半導体材料を含むダイポール、
・前記第１電極と第２電極に電気的に接続する直流電圧発生器、
―前記第１電極と前記第２電極の端子に直流電圧を印加するステップ、
―前記発生器により生成された電圧を変化させるステップ。

前記方法によれば、ダイポールの端子に加える直流電圧を変化させることにより、容量値を変化させることが可能になる。容量として、キャパシタ、又は等価な容量を持つ電気回路であってもよい。

１つの実施例において、前記キャパシタンス(１２)値が負に選択されるように前記電圧を１つの値にまで変化させるステップを含む。

前記方法のステップには、電圧を変化させて所定電圧に対し負の容量値を得ることができるという利点がある。

別の実施例において、前記キャパシタンス(１２)値が０に選択されるように前記電圧を１つの値にまで変化させるステップを含む。

別の実施例において、前記方法は、前記直流電圧が固定されるときに、前記キャパシタンス値（１２）が負値になるように交流電圧発生器により生成される交流電圧周波数を選択するステップを含む。

別の実施例において、前記方法は、前記直流電圧が固定されるときに、前記キャパシタンス値（１２）が０値になるように交流電圧発生器により生成される交流電圧周波数を選択するステップを含む。

容量が或るコンデンサに対応するときに、交流電圧の周波数が、直流電圧発生器に直列に接続される交流電圧発生器により生成される。等価容量を持つ回路に対応する容量に対して、前記交流電圧周波数は、前記回路に電力を供給する交流電圧発生器に対応する（correspond to）。

本発明の１つの実施例について、図面を参照して説明する。
ダイポールの横断面である。 ダイポールの上面図である。 本発明の実施例である。 印加された直流電圧値とダイポールの容量値のグラフである。 種々の直流電圧地に対する周波数と装置の容量値のグラフである。 本発明の実施例である。 コプレーナ構造のダイポールの横断面を示す。

１つの実施例において、本発明は回路に組み込まれた装置に関係している。前記回路は、具体的には、前記回路に応答時間を導入する容量Ｃ_ｅｘｔ１２を含む。容量Ｃ_ｅｘｔ１２の容量を減少させることにより、回路の応答時間が減少され、改善される。本発明が実施される装置を使って、応答時間を改善するために、容量Ｃ_ｅｘｔ１２の値を減少させることができる。

このためには、装置はダイポール１及び直流電圧発生器１３（容量Ｃ_ｅｘｔ１２に並列して搭載されている）を含む。前記電圧発生器はコンピュータ（前記電圧を変化させることができる）に接続している。

別の実施例においては、容量Ｃ_ｅｘｔ１２は電気回路又は等価容量を持つダイポールである。

その構成において、ダイポールは種々の堆積（deposition）により生成される複数の連続層から構成されている。

下部金属電極、即ち第１電極６に対して、厚さ１５０ｎｍの第１アルミニウムの蒸着６がガラス基板７上に存在している。前記第１電極の上の、チタンータングステン合金５の極めて薄い蒸着層（１５ｎｍ）は、半導体層に対する原子の拡散のバリアとして機能する。電子ホッピング輸送半導体材料４は前記第２層に堆積される。この電子ホッピング輸送半導体材料４は、例えば、水素化アモルファス窒化炭素合金に対応する、又は局所化電子状態を持つ他の不規則な材料に対応する。前記水素化アモルファス窒化炭素はＥＣＲ−ＰＥＣＶＤ（(Electron Cyclotron Resonance Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)により生成される。前記堆積は、アセチレンと窒素の混合物の分解により３００Ｋの温度で得られる。前記層の厚みは５０nmであるが、これはエリプソメトリ（ellipsometry）のような薄層厚み測定に適合する分析技術により測定される。

別の実施例において、電子ホッピング輸送半導体材料は種々の厚みと成分を持つアモルファス窒化炭素として使用される。前記２つのパラメータ（厚み及び成分）は交流電圧発生器１４の直流電圧値及び周波数に影響を与える。

厚み１５ｎｍを持つ第２層と同様に、チタンータングステン合金堆積層３は前記第３層の上に堆積している。同一方法で、アルミニウム堆積層が上部電極である第４層の上に、第２電極２として形成される。この第５層（最終層）は１５０ｎｍの厚みで、第１層に対称的に配置されている。

装置の特性を維持しながら、金属層の厚みを変更させること、並びに、チタンータングステン合金及びアルミニウムを別の金属に置換することは可能である。

こうして得られた構造は完全に対称的である。前記対称性のために前記ダイポールは正電圧に対しても負電圧に対しても機能する。更に、このような構造に対して、導電度（第１電極２と第２電極６との間に印加される直流電圧に基づく直流電圧測定により得られる）が、コプレーナ（co-planar）構造上で（２つのコプレーナアルミニウム電極１７，１８を備えるガラス基板１５上で化学式ａ−ＣＮ：Ｈから水素化アモルファス窒化炭素合金１６を堆積させることにより得られる）行われる連続測定から導かれる値と同一であることは注目すべきである。

第１電極２と第２電極６は、それぞれ、２つの垂直線１０，１１（その１つの端部において正方形のコンタクト面８、９を備える）を有し、集積回路又は電圧発生器との接続を容易にしている。前記２つの垂直線１０、１１の交差によりダイポール１の活性面（active surface）１４が決定される。

５及び２００ミクロンの間のライン幅に対して、ダイポール１の活性面１４は２５及び４０，０００μｍ^２となる。装置を流れる電流はその活性面に比例する。これによりダイポール１を縮小(minituarise)することが可能になる。

回路において、第１電極８と第２電極９のコンタクト面は、それぞれ、ＢＮＣ（Bayonet Neill-Concelman connector）コネクタソケットに２つの銅線を介して接続している。前記銅線は前記コンタクト面に固着されている。使われる接着剤は、導電性を持つ銀ラッカーである。ＢＮＣコネクタソケットにダイポールを接続する銅線は、寄生インピーダンスを最小にするために十分短い。ＢＮＣケーブルは前記コネクタソケットに固着されている。これらは、その終端部にＲＦ（radiofrequency）コネクタを持つ同軸ケーブルである。前記ケーブルのシールディングにより、信頼性のある信号伝送が可能である。回路容量Ｃ_ｅｘｔが前記接続ソケットに接続されている。

ＢＮＣケーブルの他端は測定機器（高精度インピーダンスアナライザ、例えばＡＧＩＬＥＮＴブランド、model 4284A）に接続されている。オプション０１を備えているこの装置は直流電圧発生器１３を有しており、連続分極を印加することを可能にしている。また、交流電圧発生器１４が、周波数を変更するために、直列に搭載されている。

前記装置は、連続分極を前記ダイポールに印加し、コンデンサＣ_ｅｘｔ１２の容量及びダイポールの等価容量Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}を計測することを可能にしている。また、並列接続したシステムの全容量Ｃ_ｔｏｔを決定することを可能にしている。これはダイポールの等価容量及び回路容量の等価容量の和である。即ち：
Ｃ_ｔｏｔ＝Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}+Ｃ_ｅｘｔ

測定されたアドミッタンスは、コンダクタンスＧと容量Ｃの並列回路で一般的に記述される。測定機器はコンピュータに接続されている。このコンピュータは前記機器を制御し、連続的分極及び交流電圧（電圧発生器１４により生成される）の周波数に基づいてシステマティックな計測を行う。

最初に、コンデンサＣ_ｅｘｔが、３つの電圧値０Ｖ、５Ｖ、１Ｖごとに、測定される。このために、このコンデンサＣ_ｅｘｔは測定機器に直接接続される。前記３つの電圧値について測定された容量は１．９ｎＦである。前記容量は、直流電圧及び周波数に依存していない（図５でみることができるように）。なお、図５はコンピュータにより決定された周波数と電圧に対する容量Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}、Ｃ_ｅｘｔ、Ｃ_ｔｏｔ についての種々の容量に対する値のグラフである。

同様にして、ダイポールＣ_{ｄｉｐｏｌｅ}の等価容量が測定される。図４及び５を見ると、直流電圧０Ｖでは、Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}は極めて小さく、数ｐＦの正値であることが分かる。直流電圧0.5Ｖ及び１Ｖでは、Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}は周波数が低い時に負になる。直流電圧１Ｖでは、３０Ｈｚより低い複数周波数のときに、１０ｐＦより大きい絶対値を持つ（複数の）容量が得られる。これら値は絶対値０Ｖが得られたものと比較するとかなり大きい。図４は、直流電圧及び測定機器を制御するコンピュータにより決められる電圧及び周波数に対し、Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}が取る値を示している。ダイポールの容量は、周波数が低ければ低いほど、直流電圧値に対し符号を変化させる。電界強度が容量の符号を変える値以上に増大したとき、変化が起こる。このように、直流電圧０Ｖで測定された正の値より大きい負の容量値が得られる。

特別な電圧を印加することで或る周波数の値が調節されることに留意すべきである。；実効電圧範囲を容易に手に入れることができ、約１Ｖである。

並列のシステムＣ_ｔｏｔを測定することにより、容量に対する装置の影響を評価することができる。印加された直流電圧の如何に拘らず、測定された容量Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}とＣ_ｅｘｔの和は測定された容量Ｃ_ｔｏｔに等しい。

コンピュータを使って電圧を０Ｖと０．５Ｖへ変化させることにより、Ｃ_ｔｏｔは高周波又は低周波に拘らず、正の値を取る。
直流電圧が１Ｖのとき、電圧発生器１４により生成された高周波の交流電圧により、Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}の容量は正で、回路の容量Ｃ_ｅｘｔのそれと比較すると極めて小さい。実効的にＣ_ｅｘｔに等しい正の全容量が測定される。低周波数において、Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}は負の大きい値を取り、システムはオフセットを示し、Ｃ_ｔｏｔ自身は、｜Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}｜＞Ｃ_ｅｘｔのときに負になる。

従って、所定電圧を越え、低周波数のとき、大きな容量のオフセットがあり、回路の応答時間は小さくなる。かなり大きな電圧に対しては、システムの容量は負になる。このように、印加電圧が１Ｖのときに、値は約−3．2×20^-8Ｆである。これは外部回路における容量の名目値(nominal)よりかなり低い。

ダイポールの電気的特性が電圧の絶対値（符号ではなく）に依存するので、同一の動作が負電圧の場合も得られる。従って、例えば、−１Ｖ及び１ＶでＣ_ｔｏｔは同一値になる。

以上によれば、ダイポールの容量Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}の電圧の変化はシステムの容量Ｃ_ｔｏｔの変化に寄与する。前記システムの容量を増加させることも減少させることもでき、０に又は負にすることもできる。

第１電極２と第２電極６との間に印加される直流電圧を変化させることにより、ダイポールの容量Ｃ_{ｄｉｐｏｌｅ}を制御することができ、容量Ｃ_ｅｘｔを補償し、所望の容量値Ｃ_ｔｏｔを得ることができる。この実施例において、前記電圧の変化はコンピュータにより制御される。

更に、装置の容量の変化は、この装置を通過する電界強度の変化に直接的に関係している。この強度を変化させることにより、容量の値を変えることができる。
種々のパラメータとは、例えば、次のようなものである。
―装置の電圧の変化、
―電子的ホッピング輸送半導体材料層の厚みの変化、
―前記半導体材料の成分。
これらパラメータは電界強度を変化させ、結果的に容量値を所望の周波数範囲において変化させることができる。

また、前記装置は単一の直流電源を必要とするもので、この電圧値は極めて低いものであってよい。

本発明は、シリコン技術を使った装置に応用することができ、シリコンウェーファのような半導体材料から製造される極めて薄いメディアの表面上に組み込むことができる。実際、前記したように、ダイポール１は、装置とシリコンウェーファに組み込まれている集積回路に影響を与えない低い温度で堆積（deposition）により生成することができる。

Claims (11)

1. 容量値を変化させるための装置であって、
   ―公知のダイポールで、第１電極（２）と第２電極（６）の間に配置された電子ホッピング輸送半導体材料（４）を含むダイポール（１）であって、前記容量(１２)に並列して配置されているダイポール（１）と；
   ―前記ダイポール（１）の第２電極（６）と第１電極（２）に電気接続している直流電圧発生器(１３)と；
   ―前記発生器(１３)により発生された電圧を変化させる手段と、
   を有する装置。
2. 前記直流電圧発生器(１３)に直列に配置された交流電圧発生器(１４)を含む請求項１に記載の装置。
3. 第１電極（２）は第１電極の金属線（１０）及び第１電極のコンタクト面（８）を有し、
   第２電極（６）は第２電極の金属線(１１)及び第２電極のコンタクト面（９）を有し、
   前記半導体材料（４）は第１電極の金属線(１０)と第２電極の金属線(１１)との間に配置されており、
   前記発生器(１３)は第１電極（２）と第２電極（６）に、それぞれ第１電極のコンタクト面（８）のレベルで及び第２電極のコンタクト面（９）で電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. ダイポール（１）が、
   ―半導体を構成する水素化アモルファス窒化炭素層(１６)と、
   ―複数のコープレーナ電極（co-planar electrodes）のそれぞれに対するアルミニウム層(１７，１８)と、
   ガラス基板(１５)から構成されている請求項１に記載の装置。
5. ダイポール（１）が、
   ガラス基板(７)及び、
   ―第１電極（２）を構成するアルミニウム層（６）
   ―チタンータングステン合金層（５）、
   ―半導体（４）を構成する、水素化アモルファス窒化炭素合金層（４）、
   ―チタンータングステン合金層（３）、
   ―第２電極（６）を構成するアルミニウム層（２）、
   の連続層から構成されている請求項１に記載の装置。
6. 本発明は容量値を変化させるための方法であって、
   ―並列に次のものを配置するステップ、
   ・前記容量（１２）
   ・公知のタイプのダイポールであって、第１電極（２）と第２電極（６）の間に配置 された電子ホッピング輸送半導体材料（４）を含むダイポール（１）、
   ・前記第１電極と第２電極に電気的に接続する直流電圧発生器、
   ―前記第１電極と前記第２電極の端子に直流電圧を印加するステップ、
   ―前記発生器により生成された電圧を変化させるステップ、
   を含む方法。
7. 前記キャパシタンス(１２)値が負に選択されるように前記電圧を１つの値にまで変化させるステップを含む請求項６に記載の方法。
8. 前記キャパシタンス(１２)値が０に選択されるように前記電圧を１つの値にまで変化させるステップを含む請求項６に記載の方法。
9. 交流電圧発生器（１４）が前記直流電圧発生器に直列に配置される追加ステップを含む請求項６に記載の方法。
10. 前記直流電圧が固定されるときに、前記キャパシタンス（１２）値が負値になるように、交流電圧発生器(１４)により生成される交流電圧周波数を選択するステップを含む請求項９に記載の方法。
11. 前記直流電圧が固定されるときに、前記キャパシタンス値（１２）が０値になるように、交流電圧発生器(１４)により生成される交流電圧周波数を選択するステップを含む請求項９に記載の方法。

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