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

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 Download PDF

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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。
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。 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の積層型の三端子MITスイッチを示す構造図である。 図1Aの三端子MITスイッチで、第1薄膜抵抗及び第2薄膜抵抗がゼロである場合、すなわち、第1薄膜抵抗及び第2薄膜抵抗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る。 図1Aの三端子MITスイッチが、図1Fと異なるようにパッケージされた構造を示す構造図である。 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。 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。 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−電流に係わるグラフである。 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−電流に係わるグラフである。 図3のスイッチングシステムで、コントロール電極に波動発生器(function generator)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。 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の回路図で、MIT発生時にMITオシレーションが発生する場合に係わるグラフである。 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に係わるグラフである。
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、Al23、VO2、V23、ZrO2、ZnO、HfO2、CuO、Ta25、La23、Fe23、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、Al23、プラスチック、ガラス、V25、PrBa2Cu37、YBa2Cu37、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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. 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。
  23. 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。
  24. 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。
  25. 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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