JP2011503836A - 三端子ｍｉｔスイッチ、そのスイッチを利用したスイッチングシステム、及びそのスイッチのｍｉｔ制御方法 - Google Patents
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Abstract
不連続ＭＩＴ特性を有するＭＩＴ素子を利用した三端子スイッチにおいて、既存のゲート絶縁膜が不要であり、不連続ＭＩＴジャンプを容易に制御できる三端子ＭＩＴスイッチ及びそのスイッチを利用したスイッチングシステム、及びそのスイッチのＭＩＴ制御方法を提供する。該三端子ＭＩＴスイッチは、転移電圧で不連続金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）を起こす二端子ＭＩＴ素子と、ＭＩＴ素子の両端に連結されたインレット，アウトレット電極と、インレット電極に連結されるが、インレット電極の外部端子と分離された外部端子を有するコントロール電極とを含み、コントロール電極に印加される電圧または電流によって、ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御される。また、該スイッチングシステムは、三端子ＭＩＴスイッチと、インレット電極に連結される電源素子と、コントロール電極に連結されるコントロール電源素子とを含む。
Description
本発明は、ＭＩＴ素子に係り、特に、ＭＩＴ（metal−insulator transition）素子を利用した三端子スイッチ及びそのスイッチを含むスイッチングシステムに関する。
一般的に、三端子電子素子として言及されている半導体トランジスタは、ゲート電極として、第１電極、第２電極及び第３電極を有するが、このようなゲート電極は、ゲート絶縁体によって第１電極及び第２電極に分離されている。このようなトランジスタは、ゲート電極に電圧が印加されれば、電荷が励起され、励起された電荷が第１電極と第２電極との電位差によって流れることによって、電流の流れが発生する。すなわち、トランジスタは、ゲート電極への電圧印加いかんによって、電流のオン・オフ（on-off）動作が行われる。
モットトランジスタというジャンプのない連続金属−絶縁体転移（ＭＩＴ：metal-insulator transition）を利用するモット・ハバードＭＩＴトランジスタと、ジャンプが発生する不連続ＭＩＴを利用するトランジスタは、前記半導体トランジスタのゲートと同様、第３電極が第１電極及び第２電極と分離された構造を有する。
ところで、かようなトランジスタでは、絶縁特性にすぐれたゲート絶縁膜を作り難い。それによって、トランジスタのオン・オフ特性制御に相当な問題点を有している。特に、不連続ＭＩＴを含むトランジスタで、ＭＩＴジャンプを容易に制御できる構造の開発が切実に要求されている。
従って、本発明が解決しようとする課題は、不連続ＭＩＴ特性を有するＭＩＴ素子を利用した三端子スイッチにおいて、既存のゲート絶縁膜が不要であって、不連続ＭＩＴジャンプを容易に制御できる三端子ＭＩＴスイッチ及びそのスイッチを利用したスイッチングシステム、及びそのスイッチのＭＩＴ制御方法を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために、本発明は、転移電圧で、不連続金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）を起こす二端子ＭＩＴ素子と、前記二端子ＭＩＴ素子の両端に連結されたインレット，アウトレット電極と、前記インレット電極に連結されるが、前記インレット電極の外部端子と分離された外部端子を有するコントロール電極とを含み、前記コントロール電極に印加される電圧または電流によって、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御される三端子ＭＩＴスイッチを提供する。
本発明において、前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極が内部で前記インレット電極に連結され、外部に露出される前記インレット電極の外部端子とコントロール電極の外部端子は、互いに分離された形態でパッケージングされうる。また、前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極が外部で前記インレット電極に連結され、前記インレット電極の外部端子とコントロール電極の外部端子は、互いに分離された形態でパッケージングされもする。
本発明において、前記インレット電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に第１薄膜抵抗を介して連結され、前記コントロール電極は、前記ＭＩＴ素子の第１端子に第２薄膜抵抗を介して連結され、また前記インレット電極は、前記ＭＩＴ素子の第１端子に直ちに連結され、前記コントロール電極は、前記インレット電極に第２薄膜抵抗を介して連結されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子に連結されもする。
本発明において、前記インレット電極の外部端子には、一定の電圧が印加され、前記コントロール電極の外部端子には、可変させることができる電圧または電流が印加されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御されうる。また、前記コントロール電極に所定周波数の連続波電圧が印加されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子に所定周期のＭＩＴを発生させることもできる。さらに詳細に説明すれば、前記インレット電極に印加される電圧は、前記転移電圧より低い電圧であり、前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極に印加される電圧と、前記インレット電極に印加される電圧の和が、前記転移電圧より高い場合に、前記二端子ＭＩＴ素子にＭＩＴが発生してターンオン（turn-on）状態になり、その和が前記転移電圧より低い場合に、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが消滅されてターンオフ（turn-off）状態になるので、前記コントロール電極に印加される電圧を調節することによって、前記三端子ＭＩＴスイッチを制御できる。
一方、前記インレット電極及びコントロール電極の各外部端子には、所定抵抗値を有する抵抗素子が連結され、前記三端子ＭＩＴスイッチが保護されることが望ましい。かような前記三端子ＭＩＴスイッチは、低電圧、高電圧、低電流、高電流、低電力、及び高電力のスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子に利用され、また前記二端子ＭＩＴ素子へのキャリアの濃度を制御できる電圧または電界、温度、圧力及び光を含んだ物理的または化学的な因子を感知するセンサにも利用されうる。
本発明はまた、前記技術的課題を達成するために、前記三端子ＭＩＴスイッチと、前記インレット電極に連結される電源素子と、前記コントロール電極に連結されるコントロール電源素子とを含むスイッチングシステムを提供する。
本発明において、前記スイッチングシステムは、複数個の前記三端子ＭＩＴスイッチがアレイまたはマトリックスの構造で集合的に配されうるが、前記各三端子ＭＩＴスイッチの前記ＭＩＴ素子の転移電圧を互いに異ならせて構成することによって、同時に多様な電流または電圧に対するスイッチングを制御できる。一方、前記のようなアレイまたはマトリックスの構造に配することによって、イメージセンサのような映像センサにも利用することもできる。
さらに本発明は、前記技術的課題を達成するために、転移電圧で不連続金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）を起こすＭＩＴ素子と、前記ＭＩＴ素子の両端に連結されたインレット，アウトレット電極と、前記インレット電極に連結されるが、前記インレット電極の外部端子と分離された外部端子を有するコントロール電極とを含む三端子ＭＩＴスイッチにおいて、前記コントロール電極に印加する電圧を可変することによって、前記ＭＩＴ素子のＭＩＴを制御する三端子ＭＩＴスイッチのＭＩＴ制御方法を提供する。
本発明において、前記ＭＩＴ制御方法は、前記インレット電極の外部端子には、一定の電圧を印加し、前記コントロール電極に所定周波数の連続波電圧を印加することによって、前記ＭＩＴ素子に所定周期のＭＩＴを発生させることができる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。以下の説明で、ある構成要素が他の構成要素の上部に存在すると記述されるとき、それは、他の構成要素の真上に存在することもあり、その間に第三の構成要素が介在されることもある。また図面で、各構成要素の厚さやサイズは、説明の便宜及び明確性のために誇張され、説明と関係ない部分は省略されている。図面上で同一符号は、同じ要素を指す。一方、使われる用語は、単に本発明を説明するための目的で使われたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使われたものではない。
図１Ａは、本発明の一実施形態による三端子ＭＩＴスイッチに係わる等価回路図である。ここで、可変抵抗は、ＭＩＴ（metal−insulator transition）素子を意味する。
図１Ａを参照すれば、本発明による三端子ＭＩＴスイッチは、ＭＩＴ素子１００、ＭＩＴ素子１００に連結されたトリプル（triple）接点２３４並びにアウトレット（outlet）電極３００、及びトリプル接点２３４に連結されたインレット（inlet）電極２００並びにコントロール電極４００を含む。インレット電極２００とコントロール電極４００は、第１薄膜抵抗２１０及び第２薄膜抵抗４１０を介して、トリプル接点２３４に連結される。このように形成された三端子ＭＩＴスイッチに係わるさらに詳細な構造及び駆動原理などについては、図１Ｂから図１Gの図面説明部分で説明する。
一般的な二端子ＭＩＴ素子は、垂直型及び水平型で製造されうるが、かような二端子ＭＩＴ素子の２端子は、本発明の三端子ＭＩＴスイッチのインレット電極２００及びアウトレット電極３００に対応する。まず、二端子ＭＩＴ素子について簡単に説明すれば、垂直型構造を有する二端子ＭＩＴ素子は、基板、基板上に形成されたバッファ層及びバッファ層の上部に形成された第１電極薄膜、ＭＩＴ薄膜及び第２電極薄膜を含む構造からなる。ここで、第１電極薄膜及び第２電極薄膜は、インレット電極２００及びアウトレット電極３００に対応し、ＭＩＴ薄膜は、ＭＩＴ素子１００に対応する。
ＭＩＴ薄膜、すなわちＭＩＴ素子１００は、低濃度の正孔が添加されたｐ型無機物半導体、ｐ型無機物絶縁体、ｐ型有機物半導体及びｐ型有機物絶縁体のうち、少なくとも一つを含むことができ、かような前記二端子ＭＩＴ素子は、酸素、炭素、Ｓｉ、Ｇｅ、半導体化合物（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＩＶ族）、遷移金属元素、希土類元素、及びランタン系元素からも、少なくとも一つを含むことができる。例えば、ＭＩＴ素子１００は、ＧａＡＳ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）の化合物、Ｓｉ，Ｇｅのような半導体物質によって形成されうる。一方、ＭＩＴ素子１００は、ｎ型であり、かつ非常に大きい抵抗を有する半導体及び絶縁体を含んで形成されもする。ここで、添加された正孔の濃度は、３×１０16cm-3ほどである。
具体的に、前記ＭＩＴ素子１００は、Ａｌ2Ｏ3、ＶＯ2、Ｖ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＺｎＯ、ＨｆＯ2、ＣｕＯ、Ｔａ2Ｏ5、Ｌａ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ及びＭｇＯのうち、少なくとも一つが含まれた酸化膜物質；ＡｌxＴｉyＯ、ＺｎxＴｉyＯ、ＺｒxＴｉyＯ、ＴａxＴｉyＯ、ＶxＴｉyＯ、ＬａxＴｉyＯ、ＢａxＴｉyＯ及びＳｒxＴｉyＯのうち、少なくとも一つが含まれた酸化膜物質；ＧａＡＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）、Ｓｉ及びＧｅのうち、少なくとも一つが含まれていた半導体物質のうち、少なくとも１つの物質を含むことができる。
かようなＭＩＴ素子１００は、スパッタリング式、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法、電子ビーム蒸着（e-beam evaporation）法、熱蒸着（thermal evaporation）法、ＡＬＥ（atomic layer epitaxy）法、ＰＬＤ（pulsed laser deposition）法、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ゾルゲル法及びＡＬＤ（atomic layer deposition）法のうち、少なくとも１つの方法を介して形成されうる。
一方、電極薄膜、すなわち、インレット電極２００及びアウトレット電極３００は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＷ、ＷＮ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、poly−Ｓｉ及び酸化物電極のうち、少なくともいずれか一つを含んで形成されうる。ここで、酸化物電極は、ＩｒＯ、ＲｕＯ、ＩｎＳｎＯ（ＩｎＯ：Ｓｎ）またはＺｎＯなどを挙げることができる。
基板の場合、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＧａＡｓ、Ａｌ2Ｏ3、プラスチック、ガラス、Ｖ2Ｏ5、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＮｂがドーピングされたＳｒＴｉＯ3及び絶縁薄膜上のシリコン（ＳＯＩ）のうち、少なくとも１つの物質を含んで形成されうる。
本発明に適用されるＭＩＴ素子１００は、印加される電圧によって、電気的特性が急変する。すなわち、ＭＩＴ発生電圧（以下、「転移電圧」）未満で、ＭＩＴ素子１００は、絶縁体の特性を示し、転移電圧以上では、不連続ＭＩＴジャンプが発生して金属性物質の性質を帯びるようになる。参考までに、ＭＩＴ素子は、電圧だけではなく、ＭＩＴ素子への正孔ドーピングを制御できる温度、圧力及び光を含んだ物理的または化学的な因子を介してもＭＩＴが発生し、それによって、かような物理的または化学的な因子を感知できるセンサに利用されうる。
一方、水平型構造を有する二端子ＭＩＴ素子について説明するなら、水平型構造を有する二端子ＭＩＴ素子は、基板、基板上に形成されたバッファ層、バッファ層の上面一部に形成されたＭＩＴ素子１００及びバッファ層の上部に、ＭＩＴ素子１００の側面と上面とに互いに対向しつつ形成されたインレット電極２００及びアウトレット電極３００を含む構造を有する。すなわち、インレット電極２００とアウトレット電極３００とが、ＭＩＴ素子１００を挟んで水平に分離された構造を有する。
水平型構造を有する二端子ＭＩＴ素子での各構成部分の材質は、前述の垂直型構造を有する二端子ＭＩＴ素子での各構成部分で説明したところと同じである。前述の垂直型及び水平型の二端子ＭＩＴ素子は、マイクロメータ（μｍ）単位の小型に作ることができ、経済的な側面でも、非常に廉価に製作できるという長所を有している。
本発明による三端子ＭＩＴスイッチは、前述の二端子ＭＩＴ素子の垂直型または水平型構造のうち、いずれか１つの構造を有するが、ＭＩＴ素子１００のＭＩＴをコントロールするためのコントロール電極４００をより含む構造を有する。ここで、コントロール電極４００は、前述のインレット２００電極及びアウトレット電極３００と同じ材質から形成されうることはいうまでもない。
図１Ｂは、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチの内部構造を示す構造図である。
図１Ｂを参照すれば、本発明の三端子ＭＩＴスイッチは、特定電圧、すなわち、転移電圧で不連続ＭＩＴを起こすＭＩＴ素子１００、ＭＩＴ素子１００の両端に形成されたトリプル接点２３４並びにアウトレット電極３００、トリプル接点２３４の両側面に形成された第１薄膜抵抗２１０並びに第２薄膜抵抗４１０、及び第１薄膜電極２１０に連結されたインレット電極２００並びに第２薄膜電極４１０に連結されたコントロール電極４００を含む。
このような構造は、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチに係わる最も典型的な構造であり、インレット電極２００、アウトレット電極３００及びコントロール電極４００が、ＭＩＴ素子１００に電気的に連結された三端子を構成する。ここで、トリプル接点２３４に形成された第１薄膜抵抗２１０及び第２薄膜抵抗４１０は、互いに分離されていさえすれば、トリプル接点２３４のいずれの部分に形成されてもよい。
さらに詳細に説明すれば、本発明による三端子ＭＩＴスイッチで、インレット電極２００は、第１薄膜抵抗２１０を介し、そしてコントロール電極４００は、第２薄膜抵抗４１０を介し、二端子ＭＩＴ素子１００の第１端子（プラス（＋））に形成されたトリプル接点２３４に連結され、アウトレット電極３００は、二端子ＭＩＴ素子１００の第２端子（マイナス）に連結される。第１薄膜抵抗２１０は、できる限り小さいほどよく、場合によっては、ゼロになりうる。第１薄膜抵抗２１０と第２薄膜抵抗４１０は、ＭＩＴ素子用薄膜を利用したり、または新しく抵抗物質薄膜を、トリプル接点２３４に蒸着して作ることができる。ここで、トリプル接点２３４は、金属などの一般的な導電性物質から形成できる。
本発明において、前記インレット電極２００の外部端子には、一定の電圧が印加されてインレット電流Ｉinletが流れ、前記コントロール電極４００の外部端子には、可変させることができる電圧が印加され、コントロール電流Ｉcontrolが流れることによって、前記ＭＩＴ素子１００のＭＩＴが制御され、アウトレット電流Ｉoutletは、Ｉoutlet＝Ｉinlet＋Ｉcontrolで与えられる。ＭＩＴ素子１００に流れる漏れ電流をなくすために、すなわち、Ｉoutlet＝０，Ｉcontrol＝−Ｉinletを成立させることによって、コントロール電流を介して、ＭＩＴ素子１００に流れる一抹の漏れ電流を調節することが可能である。一般的に、Ｉcontrolは、半導体に流れる電流であるから、電流密度は、１０2Ａ／ｃｍ2〜１０3Ａ／ｃｍ2ほどである。ＭＩＴが発生すれば、Ｉoutletに流れる電流密度は、１０5Ａ／ｃｍ2〜１０6Ａ／ｃｍ2ほどである。それによって、増幅率は、Ｉoutlet／Ｉcontrol≒１００〜１，０００ほどである。
図１Ｃは、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチで、第１薄膜抵抗がゼロである場合、すなわち第１薄膜抵抗２１０がない場合の三端子ＭＩＴスイッチの内部構造を示す構造図である。
図１Ｃを参照すれば、図１Ｂとは異なり、三端子ＭＩＴスイッチは、第１薄膜抵抗２１０を含まない。また、インレット電極２００が導電性物質によって形成されるので、トリプル接点２３４を直ちにインレット電極として使用できる。従って、図１Ｂに比べ、さらに簡単な構造で三端子ＭＩＴスイッチを具現できる。
図１Ｄは、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチで、第１薄膜抵抗２１０がゼロである場合の積層型の三端子ＭＩＴスイッチを示す構造図である。
図１Ｄを参照すれば、積層型の三端子ＭＩＴスイッチは、基板５０上に順次に、アウトレット電極３００、ＭＩＴ素子１００、インレット電極２００、第２薄膜抵抗４１０及びコントロール電極４００が積層されて形成される。積層型の三端子ＭＩＴスイッチの機能が、図１Ｃの水平型の三端子ＭＩＴスイッチと同一であることは、いうまでもない。一方、図１Ｂの水平型三端子ＭＩＴスイッチも、ＭＩＴ素子１００上にトリプル接点２３４を形成し、その上部に、第１薄膜抵抗２１０及び第２薄膜抵抗４１０をそれぞれ形成した後、各薄膜抵抗にインレット電極２００及びアウトレット電極４００を形成することによって、積層型構造に具現できる。一方、かような積層型構造の場合、個別的な電圧印加のために、インレット電極２００とコントロール電極４００との間には、絶縁膜などが挿入されることが望ましい。
図１Ｅは、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチで、第１薄膜抵抗２１０及び第２薄膜抵抗４１０がゼロである場合、すなわち、第１薄膜抵抗２１０及び第２薄膜抵抗４１０がない場合の三端子ＭＩＴスイッチの内部構造を示す構造図である。
図１Ｅを参照すれば、三端子ＭＩＴスイッチは、図１Ｃを比較し、第２薄膜抵抗４１０までもなくすことによって、さらに簡単な構造を有する。すなわち、コントロール電極４００がインレット電極２００またはトリプル接点２３４に直ちに連結される構造を有する。
ただし、図１Ｃ〜図１Ｅの構造の場合、インレット電極２００またはコントロール電極４００を介して印加される電圧や電流が、薄膜抵抗を介した濾過なしに、直ちにＭＩＴ素子１００に印加される構造であるから、ＭＩＴ素子保護などのために、印加される電圧や電流を細密に調節することが望ましい。
図１Ｆは、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチがパッケージされた構造を示す構造図であり、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチがパッケージングされた後での外部の様子を示している。ここで、ＭＩＴ素子１００は、ＭＩＴパッケージ１００’内部にパッケージングされる。
図１Ｆを参照すれば、本発明による三端子ＭＩＴスイッチは、実際的な製品として使われるためにパッケージングされるが、図１Ｂ〜図１Ｅで図示されているように、内部的には、インレット電極２００及びコントロール電極４００が連結されているが、パッケージングされた後には、インレット電極２００の外部端子と、コントロール電極４００の外部端子とが互いに分離された構造を有する。このように分離されたインレット電極２００及びコントロール電極４００の外部端子には、それぞれの電源が連結され、互いに異なる電圧が印加される。それに係わるさらに詳細な説明は、図３の部分で行う。
図１Ｇは、図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチが、図１Ｆとは異なってパッケージされた構造を示す構造図である。
図１Ｆで三端子ＭＩＴスイッチは、インレット電極２００とコントロール電極４００とが内部的に連結され、外部的にそれぞれの端子が分離された構造を有している。しかし、図１Gでは、インレット電極２００とコントロール電極４００との連結が、パッケージングされた三端子ＭＩＴスイッチの外部でなされるように、パッケージされる。すなわち、パッケージＭＩＴ １００’の外部で、インレット電極２００とコントロール電極４００とが連結されるように構成される。
このようにインレット電極２００とコントロール電極４００とが外部で連結される場合にも、図１Ｆのように内部で連結された三端子ＭＩＴスイッチと、機能面で全く異ならない。すなわち、図１Ｆの構造で製作されるか、図１Ｇの構造で製作されるかは、三端子ＭＩＴスイッチの使用目的や使用環境によって、任意に決まるのである。一般的には、インレット電極２００とコントロール電極４００との連結部分の保護次元で、図１Ｆのように内部的に連結される構造が望ましい。また、図１Ａ〜図１Ｄのように、薄膜抵抗を含む場合にも、薄膜抵抗の抵抗特性維持のために、内部連結構造のパッケージを使用することが望ましい。
以下、前述の三端子ＭＩＴスイッチに係わる動作原理につき、実験データなどを介して詳細に説明する。
図２は、二端子ＭＩＴ素子で測定されたＭＩＴジャンプを示す電圧−電流曲線グラフである。
図２を参照すれば、二端子ＭＩＴ素子の両端のインレット電極及びアウトレット電極に電圧を印加した場合に、不連続ＭＩＴジャンプが発生する様子を示している。グラフ上の約１４Ｖほどで、不連続ＭＩＴが発生するので、ＭＩＴ素子の転移電圧が１４Ｖほどであることが分かる。
このように二端子ＭＩＴ素子の場合、インレット電極を介して印加される電圧によるだけで、不連続ＭＩＴが発生するので、不連続ＭＩＴ制御が容易ではない。また一般的に、不連続ＭＩＴ発生後に、インレット電極に印加される電圧を転移電圧以下に下げる場合にも、電圧−電流履歴曲線特性によって、ＭＩＴが直ちに消滅しない。それによって、不連続ＭＩＴ制御がさらに困難な実情である。
図３は、本発明の他の実施形態による図１Ａの三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステムを示す回路図である。
図３を参照すれば、本発明のスイッチングシステムは、図１の三端子ＭＩＴスイッチ及びインレット電極２００に連結された電源素子６００、及びコントロール電極４００に連結されたコントロール電源素子５００を含む。ここで、三端子ＭＩＴスイッチの各電極またはその外部端子は、接点２００，３００，４００として表示されている。一方、アウトレット電極３００は、グラウンド８００と連結される。
一方、ＭＩＴ素子１００保護のために、インレット電極２００と電源素子６００との間、及びコントロール電極４００とコントロール電源素子５００との間には、それぞれの外部抵抗ＲS７１０及びＲO７２０が連結されている。また、アウトレット電極３００とグラウンド８００との間にも、負荷抵抗Ｒload７３０が連結されている。負荷抵抗Ｒload７３０の場合、スイッチングシステムの電圧測定位置や目的によって省略されもする。外部抵抗Ｒs７１０，Ｒo７２０は、薄膜抵抗２１０，４１０と同じ機能を有する。
本発明のスイッチングシステムで、電源素子６００は、一定電圧をインレット電極２００を介してＭＩＴ素子１００に印加するが、印加される一定電圧は、ＭＩＴ素子１００で、不連続ＭＩＴが発生できない電圧、すなわち、転移電圧より低い電圧が印加される。一方、電源素子６００は、ＭＩＴ素子１００でＭＩＴ発生後ＭＩＴ素子１００の電圧変化に応じて電圧を変化させて印加することもできる。すなわち、電源素子６００を固定電流ソース源として設けることによって、ＭＩＴ発生によって電流が急増した場合に、電流を固定するために、電圧が変化する。かような電源素子６００は、例えば、パラメータアナライザ（parameter analyzer）でありうる。
一方、コントロール電極４００に電圧を印加するコントロール電源素子５００は、コントロール電極４００に可変電圧または電流を印加する電源素子である。コントロール電源素子５００を介して可変電圧を印加することによって、ＭＩＴ素子１００の不連続ＭＩＴを制御できる。すなわち、コントロール電源素子５００を介して印加された電圧が、電源素子６００で印加された電圧と合わさり、転移電圧以上になれば、ＭＩＴ素子１００で不連続ＭＩＴが発生し、転移電圧未満になれば、不連続ＭＩＴが消滅する原理によって、不連続ＭＩＴが制御される。
このような原理は、hole−driven ＭＩＴ理論に基いたものであり、簡単に説明すれば、コントロール電極４００に印加される電圧を介して、ＭＩＴ素子１００にホールをドーピングまたはデドーピング（dedoping）することにより、ＭＩＴ素子１００の転移電圧を変化させる。つまり、前述のように、コントロール電極４００の電圧とインレット電極２００の電圧の和が、転移電圧以上になるか否かによって、不連続ＭＩＴが発生する。ここで、コントロール電極４００に印加される電圧は、インレット電極２００の電圧と合わせられるように、瞬間的に印加されることが望ましい。例えば、コントロール電源素子５００は、周期的なパルス波を印加できる波動発生器（function generator）でありうる。
図４は、ＶＯ2で製作されたＭＩＴ素子を利用した図３のスイッチングシステムで測定した電圧−電流の関係のグラフであり、負荷抵抗Ｒload７３０なしに、コントロール電極４００を介して印加される電圧を、−１０〜＋１０Ｖまで変化させつつ測定した電圧−電流曲線である。ここで、Ｘ軸は、電源素子６００でＭＩＴ素子１００に印加される電圧を示す。
図４を参照すれば、コントロール電極４００に印加された電圧によって、ＭＩＴ素子１００の不連続ＭＩＴが発生する電圧、すなわち、転移電圧が変わることが分かるが、コントロール電極４００に印加された電圧が高いほど、転移電圧が低くなり、低いほど、転移電圧が高くなる。これは、前述のように、コントロール電極４００を介して電圧が印加されることによって、低濃度の正孔がＭＩＴ素子１００にドーピングされるか、またはデドーピングされることによって起こる現象である。
一方、他の側面でも解釈可能であるが、すなわち、インレット電極２００を介して電源素子６００で印加される電圧を固定したよき、コントロール電極４００の電圧によって、ＭＩＴ素子１００で不連続ＭＩＴ発生したり消滅する。それについての説明は、図６を参照して行う。
図４に示されるように、三端子ＭＩＴスイッチの不連続ＭＩＴジャンプを、コントロール電極４００に印加される電圧を介して制御できることが分かる。すなわち、コントロール電極４００に印加される電圧を調節することによって、ＭＩＴ素子１００でＭＩＴを発生させたり消滅させることができる。
図５は、ＢｅがドーピングされたＧａＡｓで製作されたＭＩＴ素子を利用した図３のスイッチシステムで測定した電圧−電流の関係のグラフであり、図４と同様、負荷抵抗Ｒload７３０なしに、コントロール電極４００を介して印加される電圧を−１０〜＋１０Ｖまで変化させつつ測定した電圧−電流曲線である。
図５もやはり、図４と同様に、コントロール電極４００に印加される電圧を介して転移電圧が変化することが分かる。すなわち、コントロール電極４００に印加される電圧が低いほど、転移電圧が高まり、高いほど、転移電圧が低くなる。
図６は、図３のスイッチングシステムで、コントロール電極４００に波動発生器で変調された変調波を入力し、ＭＩＴ素子でのＭＩＴ変化を測定したグラフである。ここで、最上部の曲線は、電源素子６００に印加される電圧を示し、左側の電圧単位に従い、中間のパルス波状の曲線は、負荷抵抗Ｒload７３０の先端で測定された電圧を示し、右側の電圧単位に従い、最下部のパルス波状の曲線は、コントロール電極４００に印加された電圧を示し、左側電圧単位に従う。
図６を参照すれば、電源素子６００に一定電圧が印加され、コントロール電源素子５００を介して周期的な連続波状のパルス波が印加される。コントロール電極４００に高電圧部分が印加されるときは、ＭＩＴ素子１００で不連続ＭＩＴが発生し、ＭＩＴ素子に低い電圧がかかり、それによって、負荷抵抗Ｒload７３０に高い電圧がかかる。一方、低電圧部分が印加されるときは、ＭＩＴ素子１００でのＭＩＴが消滅し、ＭＩＴ素子１００に高い電圧がかかり、それによって、負荷抵抗７３０に低い電圧がかかる。
すなわち、電源素子６００を介して印加される電圧は、ＭＩＴ素子１００の転移電圧より低くて不連続ＭＩＴが発生しないが、コントロール電極４００に印加される電圧と電源素子６００に印加される電圧の和が転移電圧以上になれば、不連続ＭＩＴが発生し、再び和が転移電圧未満になれば、不連続ＭＩＴが消滅する。結局、前述のように、コントロール電極４００を介して印加される電圧を調節することによって、ＭＩＴ素子１００の不連続ＭＩＴ発生を制御できることが分かる。
一方、ＭＩＴ素子１００に不連続ＭＩＴが発生するとき、印加されるパルス波の電圧や周期によって、発振（oscillation）特性が発生するが、以下、それに係わる内容について説明する。
図７Ａは、図３のスイッチングシステムに係わる回路図について、区間別の電圧及び電流を表示し、さらに詳細に示した回路図である。
図７Ａを参照すると、図７Ａのスイッチングシステムは、図３のスイッチングシステムと同一であり、各素子にかかる電圧や、回路を介して流れる電流を記号で指して表示している。例えば、ＶSは、電源素子６００で印加される電圧を示し、ＶCSは、コントロール電源素子５００で印加される電圧を示し、ＶDは、ＭＩＴ素子１００にかかる電圧を示す。ＲSは、電源素子６００とＭＩＴ素子１００との間の第１外部抵抗７１０を、ＲCは、コントロール電源素子５００とＭＩＴ素子１００との間の第２外部抵抗７２０を示す。一方、ＩIは、電源素子６００を介して入力される電流を、ＩCは、コントロール電源素子５００を介して入力される電流を、そしてＩOは、ＭＩＴ素子１００を介して出力される電流を示す。本回路図は、負荷抵抗Ｒload７３０は省略されている。
図７Ｂは、図７Ａの回路図でのＭＩＴ発生時に、ＭＩＴオシレーションが発生する場合を表すグラフであり、電源素子６００で印加される電圧ＶSは１６．２５Ｖ、第１外部抵抗７１０の抵抗値は１０．７５ｋΩ、そして第２外部抵抗７２０の抵抗値は５０．１ｋΩである。一方、パルス波の周期は、４０ｍμｓである。
図７Ｂを参照すれば、コントロール電極４００を介してパルス波状の電圧が入り、それにより、ＭＩＴ素子１００で不連続ＭＩＴが発生することになるが、かような不連続ＭＩＴは、パルス波の高電圧部分でオシレーション形態を有する。かようなオシレーションが発生する理由は、ＭＩＴ素子１００の電圧−電流履歴曲線特性に起因する。すなわち、ＭＩＴ発生によって、急激に電流が上昇するとＭＩＴ素子１００にかかる電圧が下がり、それによって、ＭＩＴが消滅し、再びＭＩＴ素子１００にかかる電圧が上昇し、不連続ＭＩＴが発生するように反復されるためである。もちろん、パルス波の低い電圧部分は、ＭＩＴ素子１００の転移電圧より低いので、不連続ＭＩＴが発生せず、それによってオシレーションが発生する余地がない。
一方、本発明の三端子ＭＩＴスイッチは、線形素子であるから、電圧で発生するＭＩＴオシレーションは、電流でもそのまま発生する。図７Bの下のグラフが電流に対するオシレーションを示すものであり、ＭＩＴ素子１００からの出力電流が１ｍＡであるとき、約１×１０5Ａ／ｃｍ2の電流密度ＪOをもってオシレーションが発生することを確認することができる。
コントロール電極４００を介して適切な電圧及び適切な周期のパルス波を印加することによって、ＭＩＴ素子１００で不連続ＭＩＴが発振波状で発生し、その発振波の周波数調節も可能である。従って、本発明の三端子ＭＩＴスイッチを、発振波を発生する装置に利用でき、また、かような発振波装置で発生する発振波の周波数などをコントロール電極によって容易に制御できる。
図７Ｃは、図７Ａの回路図で、ＭＩＴ発生時に、ＭＩＴオシレーションが発生しない場合のグラフであり、電源素子６００で印加される電圧ＶSは９．２７Ｖ、第１外部抵抗７１０の抵抗値は５ｋΩ、そして第２外部抵抗７２０の抵抗値は、５ｋΩである。一方、パルス波の周期は、約３．７μｓほどであり、電圧は、０Ｖを基準にしたピーク−ツー−ピーク（peak-to-peak）電圧±６．５Ｖが印加される。
図７Ｃを参照すれば、コントロール電極４００を介して印加された電圧を介して、ＭＩＴ素子１００で不連続ＭＩＴが発生するが、図７Ｂと異なり、オシレーションは、発生しない。このように、オシレーションが発生しない理由は、印加されるパルスの周期が短かすぎ、ＭＩＴ消滅から再びＭＩＴ発生する電圧に行く前に、パルス波の電圧が低電圧部分に変わってしまうためである。一方、ＭＩＴ素子１００の転移電圧が高すぎる場合にも、電圧−電流履歴曲線で履歴の間隔が大きくなり、オシレーションが発生しない場合があるが、この場合は、履歴の間隔が大きくなることによって、電流の移動量が多く、ＭＩＴ素子１００に熱が多く発生することによって、熱によって、ＭＩＴ素子１００の特性が変わるためである。参考までに、不連続ＭＩＴが発生し、ＭＩＴ素子が金属状態に変わった状態で、ＭＩＴ素子１００にかかる電圧が３．３Ｖであるとき、出力電流の電流密度は、１．６×１０5Ａ／ｃｍ2を示している。
本発明による三端子ＭＩＴスイッチは、図１Ａ〜図１Ｄで図示した通り、ゲート絶縁膜が不要であり、コントロール電極を介して可変電圧を印加することによって、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを容易に制御できる。それによって、三端子ＭＩＴスイッチは低電圧、高電圧、低電流、高電流、低電力、及び高電力のスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子に有用に利用されうる。また、コントロール電極を介して、周期的なパルス波を印加することによって、発振波を発生させることができ、その発振波の周波数も制御できる。一方、本発明の三端子ＭＩＴスイッチをアレイまたはマトリックスの構造に集合的に配させ、各三端子ＭＩＴスイッチのＭＩＴ素子の転移電圧を互いに異なるように構成することによって、同時に多様な電流または電圧に対するスイッチングを制御できるようにすることができる。さらに、前記のように、三端子ＭＩＴスイッチをいくつかのアレイまたはマトリックスの構造に配することによって、イメージセンサのような映像センサに利用されもする。
本発明による三端子ＭＩＴスイッチは、既存のトランジスタとは異なり、ゲート絶縁膜が不要であり、コントロール電極に印加される電圧を調節することによって、容易に不連続ＭＩＴジャンプを制御できる。
また、本発明の三端子ＭＩＴスイッチは、その核心部品であるＭＩＴ素子を小型に低コストで容易に製造できるために、既存の三端子スイッチに比べ、サイズ縮少、製造及びコスト面で非常に有利である。
さらに本発明の三端子ＭＩＴスイッチは、多様な転移電圧を有するＭＩＴ素子を採用でき、それによって、低電力または高電力など、多様な電力に対するスイッチング素子として利用され、また一般のトランジスタやセンサなどの用途にも利用されうる。
以上、本発明について図面に図示された実施形態を参考にして説明したが、それらは典型的なものに過ぎず、本技術分野の当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解することが可能であろう。よって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決まるのである。
Claims (25)
- 転移電圧で不連続金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）を起こす二端子ＭＩＴ素子と、
前記二端子ＭＩＴ素子両端子に連結されたインレット，アウトレット電極と、
前記インレット電極に連結されるが、前記インレット電極の外部端子と分離された外部端子を有するコントロール電極とを含み、
前記コントロール電極に印加される電圧または電流によって、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御される三端子ＭＩＴスイッチ。 - 前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極がパッケージ内部で前記インレット電極に連結され、前記インレット電極の外部端子と前記コントロール電極の外部端子は、前記パッケージの外部に互いに分離されて露出された形態でパッケージングされたことを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極がパッケージ外部で前記インレット電極に連結され、前記インレット電極の外部端子と前記コントロール電極の外部端子は、互いに分離された形態でパッケージングされたことを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記インレット電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に第１薄膜抵抗を介して連結され、前記コントロール電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に第２薄膜抵抗を介して連結されることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記インレット電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に直接連結され、前記コントロール電極は、前記インレット電極に第２薄膜抵抗を介して連結されることによって、前記ＭＩＴ素子に連結されることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記インレット電極の外部端子には、一定の電圧が印加され、前記コントロール電極の外部端子には、可変させることができる電圧または電流が印加されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御されることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記コントロール電極に、所定周波数の連続波電圧が印加されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子に、所定周期のＭＩＴが発生することを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記インレット電極に印加される電圧は、前記転移電圧より低い電圧であり、
前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極に印加される電圧が、前記インレット電極に印加される電圧と合わさった合成電圧が、前記転移電圧より高い場合に、前記ＭＩＴ素子にＭＩＴが発生してターンオン状態になり、前記転移電圧より低い場合に、前記ＭＩＴ素子にＭＩＴが消滅されてターンオフ状態になることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。 - 前記三端子ＭＩＴスイッチは、低電圧、高電圧、低電流、高電流、低電力、及び高電力のスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子に利用されることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記二端子ＭＩＴ素子のキャリアの濃度を制御できる電圧（または電界）、温度、圧力及び光を含んだ物理的または化学的な因子を感知するセンサに利用されることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 前記インレット電極と、前記インレット電極に電圧または電流を印加する第１電源素子との間に、第１抵抗素子が連結され、
前記コントロール電極と、前記コントロール電極に電圧または電流を印加する第２電源素子との間に、第２抵抗素子が連結されていることを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。 - 前記三端子ＭＩＴスイッチは、積層型構造に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の三端子ＭＩＴスイッチ。
- 転移電圧でＭＩＴを起こす二端子ＭＩＴ素子、及び前記２端子素子の第１端子に連結されたインレット電極並びにコントロール電極、及び前記２端子素子の第２端子に連結されたアウトレット電極を具備した三端子ＭＩＴスイッチと、
前記インレット電極に連結される第１電源素子と、
前記コントロール電極に連結される第２電源素子とを含む三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。 - 前記コントロール電極は、前記インレット電極に連結されるが、前記コントロール電極の外部端子は前記インレット電極の外部端子と分離されていて、
前記コントロール電極に印加される電圧または電流によって、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御されることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。 - 前記インレット電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に第１薄膜抵抗を介して連結され、前記コントロール電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に第２薄膜抵抗を介して連結されることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。
- 前記インレット電極は、前記二端子ＭＩＴ素子の第１端子に直接連結され、前記コントロール電極は、前記インレット電極に第２薄膜抵抗を介して連結されることによって、前記ＭＩＴ素子に連結されることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。
- 前記インレット電極の外部端子には、一定の電圧が印加され、
前記コントロール電極の外部端子には、可変させることができる電圧または電流が印加されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子のＭＩＴが制御されることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。 - 前記コントロール電極に、所定周波数の連続波電圧が印加されることによって、前記二端子ＭＩＴ素子に所定周期のＭＩＴが発生することを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。
- 前記インレット電極に印加される電圧は、前記転移電圧より低い電圧であり、
前記三端子ＭＩＴスイッチは、前記コントロール電極に印加される電圧と、前記インレット電極に印加される電圧とが合わさった合成電圧が、前記転移電圧より高い場合に、前記二端子ＭＩＴ素子にＭＩＴが発生してターンオン状態になり、前記転移電圧より低い場合に、前記二端子ＭＩＴ素子にＭＩＴが消滅されてターンオフ状態になることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。 - 前記スイッチングシステムは、低電圧、高電圧、低電流、高電流、低電力、及び高電力のスイッチングシステムのうち、少なくとも一つであることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。
- 前記スイッチングシステムは、前記二端子ＭＩＴ素子のキャリアの濃度を制御できる電圧（または電界）、温度、圧力及び光を含んだ物理的または化学的な因子を感知するセンサに利用されることを特徴とする請求項１３に記載の三端子ＭＩＴスイッチを利用したスイッチングシステム。
- 複数個の前記三端子ＭＩＴスイッチが、アレイまたはマトリックスの構造に集合的に配されることを特徴とする請求項１３に記載のＭＩＴ素子を利用したスイッチングシステム。
- 転移電圧でＭＩＴを起こすＭＩＴ素子、前記ＭＩＴ素子の両端に連結されたインレット，アウトレット電極、前記インレット電極に連結されるが、前記インレット電極の外部端子と分離された外部端子を有するコントロール電極とを含む三端子ＭＩＴスイッチにおいて、
前記コントロール電極に印加する電圧を可変することによって、前記ＭＩＴ素子のＭＩＴを制御する三端子ＭＩＴスイッチのＭＩＴ制御方法。 - 前記コントロール電極に、所定周波数の連続波電圧を印加することによって、前記ＭＩＴ素子に所定周期のＭＩＴを発生させることを特徴とする請求項２３に記載の三端子ＭＩＴスイッチのＭＩＴ制御方法。
- 前記インレット電極に印加される電圧は、前記転移電圧より低い電圧であり、
前記コントロール電極に印加される電圧と前記インレット電極に印加される電圧とが合わさった合成電圧を前記転移電圧より高くすることにより、前記ＭＩＴ素子にＭＩＴを発生させ、前記三端子ＭＩＴスイッチをターンオン状態にし、前記合成電圧を前記転移電圧より低くすることにより、前記ＭＩＴ素子にＭＩＴを消滅させ、前記三端子ＭＩＴスイッチをターンオフ状態にすることを特徴とする請求項２３に記載の三端子ＭＩＴスイッチのＭＩＴ制御方法。
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