JP2013026389A - Electrochemical element and complementary circuit using electrochemical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ゲート電圧を用いてソース・ドレイン電極間の電気的導通を制御することでオンオフ動作する電気化学素子とそれを利用した相補型回路に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical element that operates on and off by controlling electrical conduction between source and drain electrodes using a gate voltage and a complementary circuit using the electrochemical element.
従来、ゲート電圧によってイオンの移動を制御してオンオフ動作する３端子素子と言えば、ゲート電圧に正の電圧を印加した場合にオン状態となる素子が知られている。この種の電気化学素子は、例えば、特許文献１に詳しく述べられている。このような素子では、正のゲート電圧を印加することによって金属陽イオン（カチオン）をソース・ドレイン電極側に移動させることで、ソース・ドレイン電極間の電気的接続をはかっていた。また、別の例として非特許文献１を挙げることができる。この例でも、正のゲート電圧を印加することによりゲート電極から銅イオンをソース・ドレイン電極側に供給することでオン状態を実現している。これら従来例では、いずれもオン状態を実現するゲート電圧の領域（オン側電圧領域）がオフ状態を実現するゲート電圧の領域（オフ側電圧領域）よりも高い側、つまり正電圧側となっている。 Conventionally, an element that turns on when a positive voltage is applied to the gate voltage is known as a three-terminal element that controls the movement of ions by the gate voltage and performs an on / off operation. This type of electrochemical element is described in detail, for example, in Patent Document 1. In such an element, by applying a positive gate voltage, a metal cation (cation) is moved to the source / drain electrode side, thereby achieving electrical connection between the source / drain electrodes. Another example is Non-Patent Document 1. In this example as well, an on-state is realized by supplying a copper ion from the gate electrode to the source / drain electrode side by applying a positive gate voltage. In these conventional examples, the gate voltage region (on-side voltage region) that realizes the on state is higher than the gate voltage region (off-side voltage region) that realizes the off state, that is, the positive voltage side. Yes.
なお、オン状態とオフ状態との間の切替にヒステリシス性がある場合には、オンからオフへ切り替わる電圧とその逆に切り替わる電圧は異なるから、これら２つの電圧領域は一部重複する。しかし、従来の電気化学素子では、ゲート電圧を十分高くすることで必ずオン状態が実現され、逆に十分低いゲート電圧により必ずオフ状態が実現されるから、これら２つの電圧領域は一部重なっていても全体としてみるとオン側電圧領域がオフ側電圧領域よりも正電圧側になっている。両電圧領域が逆の関係にある電気化学素子を作製することができれば、このような素子についても同様のことが言える。以下でオン電圧領域とオフ電圧領域の高低を比較する場合には、ここで説明した意味での比較を行うものとする。 When there is hysteresis in switching between the on state and the off state, the voltage that switches from on to off and the voltage that switches to the opposite are different, so these two voltage regions partially overlap. However, in the conventional electrochemical device, the on state is always realized by sufficiently increasing the gate voltage, and conversely, the off state is always realized by the sufficiently low gate voltage. Therefore, these two voltage regions partially overlap. However, as a whole, the on-side voltage region is more positive than the off-side voltage region. The same can be said for such an element if an electrochemical element in which both voltage regions are in the opposite relationship can be manufactured. In the following, when comparing the level of the on-voltage region and the off-voltage region, the comparison in the meaning described here is performed.
上に説明したようなイオンの移動を利用した従来の３端子素子では、正のゲート電圧を印加することでオン状態を実現していた。一方、現在幅広く用いられている半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）では、電子の移動を制御することで正のゲート電圧を印加した際にオン状態となるｎ型ＭＯＳＦＥＴと、正孔の移動を制御することで負のゲート電圧を印加した際にオン状態となるｐ型ＭＯＳＦＥＴとがある。そして、これらを組み合わせた相補型回路（ＣＭＯＳ）によって低消費電力で動作するロジック演算回路が構成されている。すなわち、現在のコンピューターは相補型動作（同一のゲート電圧を印加すると、一方の素子がオン状態となり、もう一方の素子がオフ状態となる）をするＣＭＯＳによって構成されている。 In the conventional three-terminal element using the movement of ions as described above, the ON state is realized by applying a positive gate voltage. On the other hand, semiconductor field effect transistors (MOSFETs) that are widely used now control n-type MOSFETs that are turned on when a positive gate voltage is applied by controlling the movement of electrons and the movement of holes. There is a p-type MOSFET that is turned on when a negative gate voltage is applied. A logic operation circuit that operates with low power consumption is constituted by a complementary circuit (CMOS) that combines these. That is, the current computer is constituted by a CMOS that performs complementary operation (one element is turned on and the other element is turned off when the same gate voltage is applied).
イオンの移動を制御して動作する電気化学素子はＭＯＳＦＥＴよりも微細化が可能であり、かつ、低消費電力で動作するなどの特徴があり、ポストシリコンデバイスとして期待されている。しかしながら、上に述べたｐ型ＭＯＳＦＥＴに相当する動作モードを有する素子がないために相補型動作が実現できず、従って、従来はメモリなどの限られた用途にしか使うことができないという問題があった。本発明の課題は、相補型動作を実現するために必要な逆極性の素子、すなわちオン状態をもたらすゲート電圧領域がオフ状態をもたらすゲート電圧領域よりも低い側、すなわち負側にあるイオン移動制御型電気化学素子、及びそれを用いた相補型回路を提供することにある。 An electrochemical element that operates by controlling the movement of ions can be made smaller than a MOSFET and has features such as operation with low power consumption, and is expected as a post-silicon device. However, since there is no element having an operation mode corresponding to the above-described p-type MOSFET, complementary operation cannot be realized. Therefore, there is a problem that the conventional method can be used only for limited applications such as memories. It was. An object of the present invention is to control an ion migration in which a reverse polarity element necessary for realizing a complementary operation, that is, a gate voltage region that brings an on state is lower than a gate voltage region that brings an off state, that is, a negative side. It is to provide a type electrochemical device and a complementary circuit using the same.
本発明の一側面によれば、以下の（ａ）から（ｃ）を設け、ゲート電圧がイオン拡散材料中のイオン拡散をゲート電圧によって制御する、ソース電極とドレイン電極との間が電気的に接続されている状態をもたらすゲート電圧の領域が電気的に接続されていない状態をもたらすゲート電圧の領域に対して負側である電気化学素子が与えられる。
（ａ）拡散性を有する陰イオンの濃度上昇または拡散性を有する陽イオンの濃度低下で電気伝導性が増大するイオン拡散材料。
（ｂ）前記イオン拡散材料の第１の面に設けられたゲート電極。
（ｃ）前記イオン拡散材料の第２の面に設けられ、絶縁物によって離間されたソース電極及びドレイン電極。
ここにおいて、前記イオン拡散材料が酸化物であり、前記ゲート電圧により酸素イオンの移動を制御してよい。
また、前記酸化物が、シリコン酸化物、チタン酸化物、タンタル酸化物、タングステン酸化物、ニッケル酸化物、窒素酸化物、ランタン酸化物及びコバルト酸化物からなる群から選択された物質または前記群から選択された複数の物質の混合物であってよい。
また、前記イオン拡散材料が高分子固体電解質であってよい。
また、前記高分子固体電解質が、ポリエチレンオキシド、ポリメトキシエトキシエトキシドホスファゼン、メチルシロキサン-エチレンオキシド共重合体及びポリメタクリル酸オリゴエチレンオキシドからなる群から選択された物質または前記群から選択された複数の物質の混合物であってよい。
また、前記イオン拡散材料がカチオン伝導体であってよい。
また、前記カチオン伝導体が、リチウム化合物、銀化合物、銅化合物、コバルト化合物及びランタン化合物からなる群から選択された物質または前記群から選択された複数の物質の混合物であってよい。
また、前記イオン拡散材料が硫化銅またはセレン化銅であってよい。
本発明の他の側面によれば、以下の（ａ）及び（ｂ）を設けた相補型回路が与えられる。
（ａ）請求項１から８の何れかに記載の電気化学素子である第１の電気化学素子。
（ｂ）ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有する第２の電気化学素子。前記第２の電気化学素子の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電気的接続が、前記第２の電気化学素子の前記ゲート電極の電圧が第１の電圧領域にあるときオン状態となり、前記第１の電圧領域よりも負電圧側の第２の電圧領域にあるときオフ状態となる。
（ｃ）前記第１の電気化学素子の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の第１の電気接続経路と前記第２の電気化学素子の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の第２の電気接続経路とを直列接続する手段。
（ｄ）前記第１の電気化学素子の前記ゲート電極と前記第２の電気化学素子の前記ゲート電極とに入力信号を並列に与える手段。
According to one aspect of the present invention, the following (a) to (c) are provided, and the gate voltage controls the ion diffusion in the ion diffusing material by the gate voltage. An electrochemical device is provided in which the region of the gate voltage that results in a connected state is negative with respect to the region of the gate voltage that results in a state that is not electrically connected.
(A) An ion diffusing material whose electrical conductivity is increased by increasing the concentration of anions having diffusibility or decreasing the concentration of cations having diffusibility.
(B) A gate electrode provided on the first surface of the ion diffusion material.
(C) A source electrode and a drain electrode provided on the second surface of the ion diffusion material and separated by an insulator.
Here, the ion diffusion material may be an oxide, and the movement of oxygen ions may be controlled by the gate voltage.
The oxide is selected from the group consisting of silicon oxide, titanium oxide, tantalum oxide, tungsten oxide, nickel oxide, nitrogen oxide, lanthanum oxide, and cobalt oxide, or from the group It may be a mixture of a plurality of selected substances.
The ion diffusing material may be a polymer solid electrolyte.
The polymer solid electrolyte is a substance selected from the group consisting of polyethylene oxide, polymethoxyethoxy ethoxide phosphazene, methylsiloxane-ethylene oxide copolymer and polymethacrylic acid oligoethylene oxide, or a plurality of substances selected from the group It may be a mixture of
The ion diffusing material may be a cation conductor.
The cation conductor may be a substance selected from the group consisting of a lithium compound, a silver compound, a copper compound, a cobalt compound, and a lanthanum compound, or a mixture of a plurality of substances selected from the group.
The ion diffusing material may be copper sulfide or copper selenide.
According to another aspect of the present invention, a complementary circuit provided with the following (a) and (b) is provided.
(A) The 1st electrochemical element which is an electrochemical element in any one of Claim 1-8.
(B) A second electrochemical element having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode. The electrical connection between the source electrode and the drain electrode of the second electrochemical element is turned on when the voltage of the gate electrode of the second electrochemical element is in the first voltage region, When it is in the second voltage region on the negative voltage side of the first voltage region, it is turned off.
(C) a first electrical connection path between the source electrode and the drain electrode of the first electrochemical element and a second between the source electrode and the drain electrode of the second electrochemical element. Means for serial connection of the electrical connection path.
(D) Means for applying an input signal in parallel to the gate electrode of the first electrochemical element and the gate electrode of the second electrochemical element.
本発明を用いれば、低消費電力で動作するイオン移動型の電気化学素子を用いた相補型回路の構築が可能となる。このようにして構築された相補的回路は、個々の電気化学素子自体、半導体トランジスタよりも低消費電力であることから、従来の半導体トランジスタによる相補型回路よりも低消費電力となる。これにより、電気化学素子を用いた実用的なロジック回路の構築が可能となる。また、本発明の電気化学素子は必要に応じて不揮発性の動作を実現できる。 By using the present invention, it is possible to construct a complementary circuit using an ion migration type electrochemical element that operates with low power consumption. The complementary circuit constructed in this manner has lower power consumption than a complementary circuit using a conventional semiconductor transistor because each electrochemical element itself has lower power consumption than a semiconductor transistor. This makes it possible to construct a practical logic circuit using an electrochemical element. In addition, the electrochemical device of the present invention can realize a nonvolatile operation as required.
本発明の一実施例では、イオン拡散材料を挟んで一方にゲート電極を配置し、もう一方には絶縁物材料を介して互いに絶縁されたソース電極とドレイン電極を配置することでイオン移動制御型の３端子構造電気化学素子を形成する。図１にその模式図を例示する。なお、図１に示す例では、イオン拡散材料として酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を、ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極材料として白金（Ｐｔ）を用いている。また、ソース電極とドレイン電極との間を絶縁する材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いている。 In one embodiment of the present invention, a gate electrode is arranged on one side with an ion diffusing material interposed therebetween, and a source electrode and a drain electrode insulated from each other through an insulator material are arranged on the other side, thereby controlling the ion movement. The three-terminal electrochemical device is formed. The schematic diagram is illustrated in FIG. In the example shown in FIG. 1, tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is used as the ion diffusion material, and platinum (Pt) is used as the gate electrode, drain electrode, and source electrode material. Further, silicon oxide (SiO 2 ) is used as a material for insulating between the source electrode and the drain electrode.
ゲート電極に負の電圧を印加すると、酸化タンタル中の酸素イオンがソース・ドレイン電極に向かって拡散する（図１(ａ)）。この結果、ソース・ドレイン電極近傍では酸素イオンの濃度が上昇する（図１(ｂ)）。従って、ゲート電圧がある一定の値に達することでソース・ドレイン電極近傍における酸化タンタルの伝導度が十分上昇して、ソース・ドレイン電極間が電気的に接続される（図１(ｃ)）。ＭＯＳＦＥＴでは、電子やホールが電流の担い手となっているが、電気化学素子ではカチオンや酸素イオンの存在によって、それらが存在する領域の電子伝導性が高まる。カチオン（金属）があれば、その金属を通して電流が流れるのが、酸素イオンの増加によっても電子伝導度が上昇する。本願発明者の研究の結果、酸素イオン濃度を増加させていくと不連続に伝導状態に転移することが見出された。本発明の一実施例においてはこの新たに見出された性質を利用して、非常に急峻なスイッチング特性を有する電気化学素子が与えられる。 When a negative voltage is applied to the gate electrode, oxygen ions in tantalum oxide diffuse toward the source / drain electrodes (FIG. 1 (a)). As a result, the concentration of oxygen ions increases in the vicinity of the source / drain electrodes (FIG. 1B). Therefore, when the gate voltage reaches a certain value, the conductivity of tantalum oxide in the vicinity of the source / drain electrodes is sufficiently increased, and the source / drain electrodes are electrically connected (FIG. 1 (c)). In MOSFETs, electrons and holes are responsible for current, but in electrochemical devices, the presence of cations and oxygen ions increases the electron conductivity in the region where they exist. If there is a cation (metal), an electric current flows through the metal, and an increase in oxygen ions increases the electronic conductivity. As a result of the inventor's research, it has been found that when the oxygen ion concentration is increased, the state transitions to a conductive state discontinuously. In one embodiment of the invention, this newly discovered property is used to provide an electrochemical device with very steep switching characteristics.
この不連続性、つまり急峻なスイッチング特性が現れるのは、酸素イオン濃度が一定以上に達して初めて伝導状態が実現するからだと考えられる。より詳細に説明すれば、以下の通りである。酸素イオンが酸化タンタルのユニットセル当り所定個数増加すると当該ユニットセルの伝導度が増す。ソース・ドレイン電極間の各ユニットセルで所定個数ずつ酸素イオンが増えれば、伝導状態にあるユニットセルが繋がって伝導経路が確立される。逆に、一カ所でも酸素イオンの増加が所定個数に達していないユニットセルがあれば、ソース・ドレイン電極間は、そのユニットセルによって絶縁される。 This discontinuity, that is, steep switching characteristics, appears to be because the conduction state is realized only when the oxygen ion concentration reaches a certain level. This will be described in more detail as follows. When the predetermined number of oxygen ions per unit cell of tantalum oxide increases, the conductivity of the unit cell increases. When a predetermined number of oxygen ions increase in each unit cell between the source and drain electrodes, the unit cells in the conductive state are connected to establish a conduction path. Conversely, if there is a unit cell in which the increase of oxygen ions does not reach a predetermined number even at one location, the source and drain electrodes are insulated by the unit cell.
別の可能性として、酸素イオンが集合体を形成することで、その領域の伝導性が上がることも考えられる。集合体を形成するには、一定以上の酸素イオンの濃度が必要なので、やはり、絶縁状態と伝導状態の転移は一瞬でおこる。
また、本発明の素子のスイッチング特性は強いヒステリシスが観測される。その原因は、本素子における伝導状態−非伝導状態の発現・切替の機構が上述の何れであるとしても、荷電粒子である酸素イオンを逆向きに移動させるためには、逆向きの電界を印加する必要があるためと考えられる。
Another possibility is that oxygen ions form aggregates, which increases the conductivity of the region. Since the concentration of oxygen ions above a certain level is necessary to form an aggregate, the transition between the insulating state and the conductive state occurs instantaneously.
Further, strong hysteresis is observed in the switching characteristics of the element of the present invention. The reason for this is that, regardless of the above-described mechanism of onset / switching of the conduction state to the non-conduction state, in order to move oxygen ions, which are charged particles, in the reverse direction, a reverse electric field is applied. This is thought to be necessary.
なお、ソース電極とドレイン電極との間を絶縁する絶縁物（実施例では酸化シリコン）の膜厚（ソース電極とドレイン電極の間隙）を薄くすることで、ソース・ドレイン電極間における酸素イオンの濃度上昇を効率的にはかることができる。より詳細に説明すれば、酸素イオン濃度の増大率は、ソース電極、ドレイン電極からの距離に依存する。両電極から遠い領域の酸素イオン濃度を増大させる（伝導状態にする）ためには、より大きな負電圧を印加する必要がある。両電極間を絶縁するためのシリコン酸化膜厚が１０ｎｍとすれば、夫々の電極はそこから５ｎｍの位置（つまり、ソース電極とドレイン電極との中間点）までの酸素イオン濃度を一定値以上に制御する必要がある。膜厚が２０ｎｍだと、制御すべき位置は１０ｎｍにまで増える。この領域は3次元的に拡がるので、オンオフ動作時には不必要な部分まで伝導状態になってしまい、最悪、ゲートが短絡してしまう危険性もある。シリコン酸化膜を薄くすれば、制御すべき酸素イオン量が少なくなるという効果があるが、それにも増して、ゲート電圧として高い（絶対値の大きい）電圧を用いずに、本当に必要な領域のみ導電性を上げることが出来るという点に着目すべきである。 Note that the concentration of oxygen ions between the source and drain electrodes is reduced by reducing the thickness of the insulator (silicon oxide in the embodiment) that insulates between the source and drain electrodes (the gap between the source and drain electrodes). The rise can be measured efficiently. More specifically, the increasing rate of the oxygen ion concentration depends on the distance from the source electrode and the drain electrode. In order to increase the oxygen ion concentration in a region far from both electrodes (to make it conductive), it is necessary to apply a larger negative voltage. If the thickness of the silicon oxide film for insulating the two electrodes is 10 nm, the oxygen ion concentration of each electrode up to a position of 5 nm (that is, the midpoint between the source electrode and the drain electrode) exceeds a certain value. Need to control. If the film thickness is 20 nm, the position to be controlled increases to 10 nm. Since this region expands three-dimensionally, the conductive state is brought to an unnecessary portion during the on / off operation, and there is a danger that the gate is short-circuited at worst. Thinning the silicon oxide film has the effect of reducing the amount of oxygen ions to be controlled, but in addition to that, it does not use a high (large absolute value) voltage as the gate voltage, but only conducts the region that is really necessary. It should be noted that it is possible to improve the nature.
なお、酸化タンタルでは、酸素イオン濃度が減少することでも伝導度が増すことが知られている。このため、酸素イオン濃度が減少したゲート電極近傍の伝導度も上昇する。しかしながら、酸素イオン濃度が低いゲート電極近傍から酸素イオン濃度が高いソース・ドレイン電極近傍へ濃度が連続的に変化していくので、その途中には絶縁性を示す酸素濃度領域が必ず存在する。従って、ゲート電極とソース・ドレイン電極間の絶縁性は常に保たれることになる。
次に、正のゲート電圧を印加すると、ソース・ドレイン電極近傍に集中していた酸素イオンがゲート電極側に再拡散し（図１(ｄ)）、ソース・ドレイン電極間の高伝導度領域が消失する。これにより、ソース・ドレイン電極間は電気的に非接続状態となる（図１(ｅ)）。
Note that tantalum oxide is known to increase conductivity even when the oxygen ion concentration decreases. For this reason, the conductivity in the vicinity of the gate electrode where the oxygen ion concentration is reduced also increases. However, since the concentration continuously changes from the vicinity of the gate electrode having a low oxygen ion concentration to the vicinity of the source / drain electrode having a high oxygen ion concentration, there is always an oxygen concentration region exhibiting insulation properties. Therefore, the insulation between the gate electrode and the source / drain electrode is always maintained.
Next, when a positive gate voltage is applied, oxygen ions concentrated in the vicinity of the source / drain electrodes are re-diffused to the gate electrode side (FIG. 1 (d)), and a high conductivity region between the source / drain electrodes is formed. Disappear. As a result, the source and drain electrodes are electrically disconnected (FIG. 1 (e)).
このようにして、本発明では、イオン拡散材料中における酸素イオンの拡散をゲート電圧によって制御することで、ソース・ドレイン電極間の電気的接続／非接続を制御する。 Thus, in the present invention, the electrical connection / disconnection between the source and drain electrodes is controlled by controlling the diffusion of oxygen ions in the ion diffusing material by the gate voltage.
なお、イオン拡散材料として上に例示したもの以外にも、広い範囲の材料を使用することができる。使用可能なイオン拡散材料の例を挙げれば、酸化物系材料（シリコン酸化物、チタン酸化物、タンタル酸化物、タングステン酸化物、ニッケル酸化物、窒素酸化物、ランタン酸化物、コバルト酸化物、あるいはこれらの混合物等）、高分子固体電解質（ポリエチレンオキシド、ポリメトキシエトキシエトキシドホスファゼン、メチルシロキサン-エチレンオキシド共重合体、ポリメタクリル酸オリゴエチレンオキシド、あるいはこれらの混合物）、カチオン伝導体（リチウム化合物、銀化合物、銅化合物、コバルト化合物、ランタン化合物、あるいはこれらの混合物）、硫化銅、セレン化銅などがある。 A wide range of materials other than those exemplified above as the ion diffusion material can be used. Examples of ion diffusion materials that can be used include oxide-based materials (silicon oxide, titanium oxide, tantalum oxide, tungsten oxide, nickel oxide, nitrogen oxide, lanthanum oxide, cobalt oxide, or Such as a mixture thereof), solid polymer electrolyte (polyethylene oxide, polymethoxyethoxy ethoxide phosphazene, methylsiloxane-ethylene oxide copolymer, polymethacrylate oligoethylene oxide, or a mixture thereof), cationic conductor (lithium compound, silver compound). , Copper compounds, cobalt compounds, lanthanum compounds, or mixtures thereof), copper sulfide, copper selenide, and the like.
更に、このような本発明の電気化学素子に、本発明の電気化学素子と逆極性でオンオフ動作する従来型の電気化学素子を組み合わせることにより、ＣＭＯＳ回路等と同様な相補型動作を行う回路が構成される。 Further, by combining the electrochemical element of the present invention with a conventional electrochemical element that is turned on / off with the opposite polarity to that of the electrochemical element of the present invention, a circuit that performs complementary operation similar to a CMOS circuit or the like can be obtained. Composed.
［実施例１］
図２により、図１に示したイオン移動制御型の電気化学素子の動作結果の一例を説明する。図２に示した動作結果は、ゲート電極として５０ｎｍ膜厚の白金薄膜を、イオン拡散材料として３０ｎｍ膜厚の酸化タンタルを、ソース電極およびドレイン電極として５０ｎｍ膜厚の白金薄膜を、ソース電極とドレイン電極を絶縁する材料として１５ｎｍ膜厚の酸化シリコン薄膜（膜厚は、ソース電極とドレイン電極間隔方向。つまり、この膜厚が両電極の間隔となる。図３に基いて説明する本素子の製造方法を参照）を用いて作製した電気化学素子について測定したものである。ソース電極に０Ｖ、ドレイン電極に５ｍＶを印加した上で、ゲート電極に−１０Ｖを印加した。なお、ソース電極とドレイン電極に印加する電圧は同電位でもよいし、さらに大きな電位差を設けてもよい。本実施例においては、ゲート電圧印加に伴うソース・ドレイン電極間の抵抗の変化を実時間計測するために、わずかな電位差（５ｍＶ）を与えている。図２（ａ）には、ソース電流ＩＳの時間変化を示した。一定時間経過後に、電流値が１００μＡに達していることがわかる。同じタイミングで、ドレイン電流値ＩＤ（図２（ｂ））が−１００μＡに達している。一方、ゲート電流ＩＧ（図２（ｃ））は上記ソース電流とドレイン電流の増加に合わせて０．１μＡ程度に増加した。用いた電圧値から算出される各電極間の抵抗は、ソース電極とドレイン電極間の抵抗が５０Ω、ゲート電極とソース・ドレイン電極間の抵抗が約１００ＭΩであり、実質的にソース・ドレイン電極間のみが電気的に接続されていることがわかった。
[Example 1]
An example of the operation result of the ion migration control type electrochemical element shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. The operation results shown in FIG. 2 are as follows: a platinum thin film with a thickness of 50 nm as a gate electrode, a tantalum oxide with a thickness of 30 nm as an ion diffusion material, a platinum thin film with a thickness of 50 nm as a source electrode and a drain electrode, a source electrode and a drain A silicon oxide thin film having a thickness of 15 nm as a material for insulating the electrode (the film thickness is in the direction of the distance between the source electrode and the drain electrode. That is, this film thickness is the distance between the two electrodes. Manufacturing of the device described with reference to FIG. 3) Measure the electrochemical device produced using the method. After applying 0 V to the source electrode and 5 mV to the drain electrode, -10 V was applied to the gate electrode. Note that the voltage applied to the source electrode and the drain electrode may be the same potential, or a larger potential difference may be provided. In this embodiment, a slight potential difference (5 mV) is given in order to measure the change in resistance between the source and drain electrodes accompanying the gate voltage application in real time. FIG. 2A shows the change over time of the source current IS. It can be seen that the current value reaches 100 μA after a certain period of time. At the same timing, the drain current value ID (FIG. 2B) reaches −100 μA. On the other hand, the gate current IG (FIG. 2C) increased to about 0.1 μA in accordance with the increase in the source current and drain current. The resistance between each electrode calculated from the voltage value used is 50Ω for the resistance between the source electrode and the drain electrode, and about 100 MΩ for the resistance between the gate electrode and the source / drain electrode. Only found to be electrically connected.
図２（ｄ）に、図２（ａ）〜（ｃ）における電流変化に対応する素子動作の模式図を示す。白金で構成されたゲート電極に−１０Ｖの電圧を印加することで、酸化タンタル中の酸素イオンがソース・ドレイン電極側に拡散することにより、ソース・ドレイン電極近傍にある酸化タンタル中の酸素イオン濃度が上昇する。酸素イオン濃度がある一定の値を超えることで、ソース・ドレイン電極間に高伝導領域が形成される。
次に、ゲート電極に２４Ｖを印加すると、一定時間経過後に、ソース電流値（図２（ｅ））とドレイン電流値（図２（ｆ））とが同時にｎＡ以下の電流値に下がっていることがわかる。これに合わせて、ゲート電流（図２（ｇ））も０．１μＡからｎＡ以下の値に下がった。この間の素子動作模式図を図２（ｈ）に示す。すなわち、この段階ではソース電極とドレイン電極との電気的接続経路である高伝導度領域を形成していた酸素イオンの一部がゲート電極側に拡散することによって、高伝導度領域が消失し、ソース電極とドレイン電極間の電気的接続が切断されている。
FIG. 2 (d) shows a schematic diagram of element operation corresponding to the current change in FIGS. 2 (a) to 2 (c). By applying a voltage of −10 V to the gate electrode made of platinum, oxygen ions in the tantalum oxide diffuse to the source / drain electrode side, so that the oxygen ion concentration in the tantalum oxide in the vicinity of the source / drain electrode Rises. When the oxygen ion concentration exceeds a certain value, a highly conductive region is formed between the source and drain electrodes.
Next, when 24 V is applied to the gate electrode, the source current value (FIG. 2 (e)) and the drain current value (FIG. 2 (f)) are simultaneously reduced to a current value of nA or less after a lapse of a certain time. I understand. In accordance with this, the gate current (FIG. 2 (g)) also decreased from 0.1 μA to a value of nA or less. The element operation schematic diagram during this period is shown in FIG. That is, at this stage, a part of the oxygen ions that formed the high conductivity region, which is an electrical connection path between the source electrode and the drain electrode, diffuses to the gate electrode side, so that the high conductivity region disappears, The electrical connection between the source electrode and the drain electrode is broken.
以上述べたように、本発明を用いれば、ゲート電極に印加する電圧の極性を変えることで、ソース・ドレイン電極間の電気的接続と非接続とを実現することができる。ここで、接続状態を与えるゲート電圧の領域は非接続状態を与えるゲート電圧の領域に比べて低い（負側）である。更に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）から明らかなように、電気的接続と非接続の切替えは、過渡的な状態を経ることなく一瞬にして起こる。これは、高伝導を実現する酸素イオン濃度に臨界値（閾値）があることを示す、本発明に特徴的な現象であり、濃度に依存して連続的に伝導度が変化する従来の素子とは動作が異なるものである。 As described above, according to the present invention, electrical connection and disconnection between the source and drain electrodes can be realized by changing the polarity of the voltage applied to the gate electrode. Here, the gate voltage region that provides the connection state is lower (negative side) than the gate voltage region that provides the non-connection state. Further, as is apparent from FIGS. 2A, 2B, 2E, and 2F, switching between electrical connection and non-connection occurs instantaneously without going through a transient state. This is a phenomenon characteristic of the present invention that indicates that there is a critical value (threshold value) in the oxygen ion concentration that achieves high conductivity, and a conventional element whose conductivity varies continuously depending on the concentration. Are different in operation.
［実施例２］
次に、本発明の電気化学素子構造作製方法の一実施例を説明する。図３に、本実施例で作成される素子構造の例を示す。図３（ａ）は、ゲート電極、イオン伝導体、ソース電極、ドレイン電極等を含む断面図、図３（ｂ）は、イオン伝導体とソース電極、ドレイン電極、絶縁膜との界面部分の断面図（図３（ａ）に示すＡ−Ａ断面図）である。本実施例では、絶縁性基板（ＳｉＯ２）上に、ソース電極となるＰｔ／Ｔｉ層とドレイン電極となるＰｔ／Ｔｉ層との間に絶縁膜（ＳｉＯ２）を挟んだ積層構造を形成する。さらにその上部には、イオン伝導層との絶縁性を確保するために絶縁膜層（ＳｉＯ２）を形成する。この上部の絶縁膜層は、ドレイン電極となるＰｔ／Ｔｉ層のうちのソース電極とドレイン電極との間の導通に関与しない箇所（つまり図３（ａ）で言えばドレイン電極となる上側のＰｔ／Ｔｉ層の上面側）がイオン伝導体層と接触した場合の漏れ電流を防止するためのものである。この積層構造に対して、側壁にイオン伝導体層として酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）層を、さらにその側壁にゲート電極として白金（Ｐｔ）の薄膜層を形成する。これらはスパッタ法や電子ビーム蒸着法などの一般的な薄膜形成手法とフォトリソグラフィーや電子線描画法などの一般的なパターン形成手法にて形成することができる。
[Example 2]
Next, an embodiment of the electrochemical device structure manufacturing method of the present invention will be described. FIG. 3 shows an example of the element structure created in this embodiment. 3A is a cross-sectional view including a gate electrode, an ion conductor, a source electrode, a drain electrode, and the like, and FIG. 3B is a cross-sectional view of an interface portion between the ion conductor and the source electrode, the drain electrode, and the insulating film. It is a figure (AA sectional drawing shown to Fig.3 (a)). In this embodiment, on the insulating substrate (SiO 2), to form a laminated structure sandwiching an insulating film (SiO 2) between the Pt / Ti layer as a Pt / Ti layer and the drain electrode and source electrode . Further, an insulating film layer (SiO 2 ) is formed on the upper portion in order to ensure insulation from the ion conductive layer. This upper insulating film layer is a portion of the Pt / Ti layer that becomes the drain electrode that does not participate in conduction between the source electrode and the drain electrode (that is, the upper Pt that becomes the drain electrode in FIG. 3A). This is to prevent leakage current when the / top surface of the Ti layer is in contact with the ion conductor layer. For this stacked structure, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) layer is formed on the side wall as an ion conductor layer, and a platinum (Pt) thin film layer is formed on the side wall as a gate electrode. These can be formed by a general thin film formation method such as sputtering or electron beam evaporation and a general pattern formation method such as photolithography or electron beam drawing.
図４に、本実施例で作製した素子構造を用いた場合の素子動作結果を示す。ゲート電圧を０Ｖから−１０Ｖまで走査すると、ソース・ドレイン電極間電流（図４（ａ））がゲート電圧約−７Ｖで１ｍＡに増大した。その後、ゲート電圧を正側に走査していくと、ゲート電圧約２４Ｖでソース・ドレイン間電流がｎＡ程度の値に戻った。すなわち、−７Ｖ程度のゲート電圧値でスイッチオン、２４Ｖ程度のゲート電圧値でスイッチオフ動作をしていることが分かる。同時に測定したゲート電流値（図４（ｂ））もスイッチ動作に合わせて変化しているが、その変化量は小さく、ゲート電極は実質的にソース・ドレイン電極から絶縁された状態（抵抗値にしてＧΩ程度）を保っていることが分かる。 FIG. 4 shows the element operation result when the element structure manufactured in this example is used. When the gate voltage was scanned from 0V to -10V, the current between the source and drain electrodes (FIG. 4A) increased to 1 mA at a gate voltage of about -7V. Thereafter, when the gate voltage was scanned to the positive side, the source-drain current returned to a value of about nA at a gate voltage of about 24V. That is, it can be seen that the switch-on operation is performed at a gate voltage value of about -7V and the switch-off operation is performed at a gate voltage value of about 24V. The simultaneously measured gate current value (FIG. 4B) also changes in accordance with the switch operation, but the amount of change is small and the gate electrode is substantially insulated from the source / drain electrodes (the resistance value is changed). It can be seen that GΩ is maintained.
［実施例３］
図５（ａ）に、電極材料として白金を、イオン拡散材料として酸化タンタルを用いた場合の、ソース電極とドレイン電極との電気的接続状態をオフ状態からオン状態に反転させるために必要であったゲート電圧値（以下、ターンオン電圧と称する）を示す。酸化タンタルの膜厚に依存して、ターンオン電圧が変化していることがわかる。すなわち、酸化タンタルの膜厚が３０ｎｍでは、平均して６Ｖのターンオン電圧が必要であるが、酸化タンタルの膜厚が２０ｎｍ、１０ｎｍと薄くなるにつれて、ターンオン電圧もその平均値が４Ｖ→２Ｖと低くなっている。これらのターンオン電圧を酸化タンタルの膜厚で割った値、すなわち、電界強度表示にしてみると、いずれの膜厚でも平均して、０．２Ｖ／ｎｍの電界強度が必要なことがわかる。すなわち、ソース電極、ドレイン電極と酸化タンタルの界面において高伝導領域を形成するに必要な酸素イオン濃度を実現する臨界電界強度は、０．２Ｖ／ｎｍとなる。なお、本臨界電界強度は、電極材料として白金を、イオン拡散材料として酸化タンタルを用いた場合の例であり、用いる電極材料やイオン拡散材料によって臨界電界値は異なる。例えば、イオン拡散材料として酸化タンタルを用いた場合であっても、酸化タンタルを構成する酸素とタンタルの組成比（化学量論比）が異なれば、臨界電界強度の値も異なる。なお、上記値（０．２Ｖ／ｎｍ）は、酸素とタンタルの組成比（原子数比）が概ね５：２の場合の値である。
[Example 3]
In FIG. 5A, it is necessary to reverse the electrical connection state between the source electrode and the drain electrode from the off state to the on state when platinum is used as the electrode material and tantalum oxide is used as the ion diffusion material. The gate voltage value (hereinafter referred to as turn-on voltage) is shown. It can be seen that the turn-on voltage changes depending on the film thickness of tantalum oxide. That is, when the film thickness of tantalum oxide is 30 nm, an average turn-on voltage of 6V is required. However, as the film thickness of tantalum oxide is reduced to 20 nm and 10 nm, the average value of turn-on voltage decreases as 4V → 2V. It has become. A value obtained by dividing these turn-on voltages by the film thickness of tantalum oxide, that is, field intensity display, shows that an electric field intensity of 0.2 V / nm is required on average for any film thickness. That is, the critical electric field strength for realizing the oxygen ion concentration necessary for forming the high conductivity region at the interface between the source electrode, the drain electrode and tantalum oxide is 0.2 V / nm. The critical electric field strength is an example when platinum is used as the electrode material and tantalum oxide is used as the ion diffusion material, and the critical electric field value varies depending on the electrode material or ion diffusion material used. For example, even when tantalum oxide is used as the ion diffusing material, the value of the critical electric field strength is different if the composition ratio (stoichiometry ratio) of oxygen and tantalum constituting the tantalum oxide is different. The above value (0.2 V / nm) is a value when the composition ratio (atomic number ratio) of oxygen and tantalum is approximately 5: 2.
図５（ｂ）には、形成された高伝導領域の消滅（スイッチオフ動作）に必要なゲート電圧値（以下、ターンオフ電圧と称する）を、酸化タンタルの膜厚の関数として示す。図５（ａ）に示すターンオン電圧と同様、ターンオフ電圧も酸化タンタルの膜厚に依存して変化しており、その臨界電界値は０．７Ｖ／ｎｍ程度である。 FIG. 5B shows a gate voltage value (hereinafter referred to as a turn-off voltage) necessary for disappearance (switch-off operation) of the formed high-conductivity region as a function of the tantalum oxide film thickness. Similar to the turn-on voltage shown in FIG. 5A, the turn-off voltage also changes depending on the film thickness of tantalum oxide, and the critical electric field value is about 0.7 V / nm.
［実施例４］
本実施例はイオン拡散材料にカチオン伝導体、具体的には硫化銅を使用した電気化学素子の例である。カチオン伝導体を使用した場合には、カチオンの濃度低下により伝導度が上昇する。図６に、イオン拡散材料として硫化銅（膜厚５０ｎｍ）を、ゲート、ソース、ドレインの各電極材料として白金を用いた場合の動作結果を示す。本実施例で用いた硫化銅はＣｕ２Ｓであるが、ＣｕＳでも同様の動作が起こることが期待できる。また、銅イオンの移動によって原子数比が変化するので、極端な場合には、ソース・ドレイン電極近傍ではＣｕ２ＳとＣｕＳ間の相転移が起こる可能性もある。また、素子構造は、実施例２において説明した構造と基本的に同じである。
[Example 4]
This embodiment is an example of an electrochemical device using a cation conductor, specifically copper sulfide, as an ion diffusing material. When a cation conductor is used, the conductivity increases due to a decrease in the cation concentration. FIG. 6 shows the operation results when copper sulfide (film thickness 50 nm) is used as the ion diffusion material and platinum is used as the gate, source, and drain electrode materials. Although the copper sulfide used in this example is Cu 2 S, it can be expected that the same operation occurs in CuS. Further, since the atomic ratio changes due to the movement of copper ions, in an extreme case, a phase transition between Cu 2 S and CuS may occur in the vicinity of the source / drain electrodes. The element structure is basically the same as the structure described in the second embodiment.
この材料を使用した場合、電気伝導変化は、Ｃｕ＋イオンが移動することで起こる。この材料では、Ｓ２−は移動しない。Ｃｕ＋が減ることで相対的にＳ２−の濃度が上昇して伝導度が上がる。硫化銅は、ｐ型半導体とも呼ばれており、ｐ型シリコンでいうところのホールの役目をＣｕ＋が果たしている。 When this material is used, the change in electrical conduction is caused by the movement of Cu + ions. In this material, S 2− does not move. As Cu + decreases, the concentration of S 2− increases relatively and the conductivity increases. Copper sulfide is also called a p-type semiconductor, and Cu + serves as a hole in p-type silicon.
ゲート電圧を０Ｖから−３Ｖまで走査すると、ソース・ドレイン電極間電流（図６（ａ））は、ゲート電圧値−２．５Ｖ付近から増大し、最終的には１ｍＡになった。その後、ゲート電圧を０Ｖに向かって走査したところ、−１Ｖ付近でソース・ドレイン電極間電流が減少し初期値に戻った。なお、この測定においては、ソース電極とドレイン電極の間に、５ｍＶの電圧を印加していた。一方、図６（ｂ）に示す通り、ゲート電流はｎＡ程度の小さい値を保っていた。 When the gate voltage was scanned from 0 V to −3 V, the current between the source and drain electrodes (FIG. 6A) increased from around the gate voltage value −2.5 V, and finally reached 1 mA. Thereafter, when the gate voltage was scanned toward 0V, the current between the source and drain electrodes decreased and returned to the initial value in the vicinity of -1V. In this measurement, a voltage of 5 mV was applied between the source electrode and the drain electrode. On the other hand, as shown in FIG. 6B, the gate current kept a small value of about nA.
図６に示す実施例では、ゲート電圧がゼロに戻る前に、ターンオフしていることから、本実施例におけるスイッチング動作は、従来の半導体トランジスタと同じ揮発性動作である（つまり、自己保持性がない）ことが分かる。このように、用いる材料の選択によって揮発性動作（本実施例）と不揮発性動作（実施例１〜３）を実現できる。本実施例の素子が自己保持性を持っていない理由は、硫化銅中の銅イオンの移動度が高いため、電界強度が小さくなっただけで銅イオンの移動が起こる、すなわち、逆向きの電界を印加する必要無く、負のゲート電圧領域のみでオンオフ動作が起こるからである。これが酸化タンタルを用いた時とは大きく異なる点である。
本実施例では陰イオンとして酸素イオンの代わりに硫黄イオンが使用可能であることを示したが、他にはセレン（Ｓｅ）（セレン化銅など）を使用することができる。
In the embodiment shown in FIG. 6, since the gate voltage is turned off before returning to zero, the switching operation in this embodiment is the same volatile operation as the conventional semiconductor transistor (that is, the self-holding property is I understand). As described above, the volatile operation (the present embodiment) and the nonvolatile operation (the first to third embodiments) can be realized by selecting the material to be used. The reason why the element of this example does not have self-holding property is that the mobility of copper ions in copper sulfide is high, so that the movement of copper ions occurs only when the electric field strength decreases, that is, the electric field in the reverse direction. This is because the on / off operation occurs only in the negative gate voltage region without the need to apply. This is a significant difference from the case of using tantalum oxide.
In this embodiment, it was shown that sulfur ions can be used as anions instead of oxygen ions, but selenium (Se) (such as copper selenide) can also be used.
［実施例５］
オン状態を実現するゲート電圧値の領域（オン電圧領域）がオフ状態を実現するゲート電圧値の領域（オフ電圧領域）よりも低い側（負電圧側）にある第一の電気化学素子（もちろんスイッチング特性にヒステリシス性があるため両電圧領域は一部重なるが、既に説明したように、それでも全体として見てどちらが高いかを判定することができる）と、オン電圧領域がオフ電圧領域よりも高い側（正電圧側）にある第二の電気化学素子とで構成されている相補型動作回路の実施例を、図７を用いて説明する。図７では、ソース、ドレイン、ゲートの各電極が白金で構成され、イオン拡散材料が酸化タンタルである第一の電気化学素子と、ソースとドレイン電極が白金で、ゲート電極が銅で、イオン拡散材料が酸化タンタルで構成された第二の電気化学素子をそれぞれひとつずつ用いることで、入力反転回路が構成されている。なお、第二の電気化学素子では、第一の電気化学素子とは異なり、イオン拡散材料中を拡散するのは銅イオンである。第二の電気化学素子それ自体は公知であり、当該電気化学素子それ自体は本発明の範囲外であるため、これ以上の説明は省略する。もし必要であれば、例えば非特許文献２を参照されたい。
[Example 5]
The first electrochemical element in which the region of the gate voltage value that realizes the on state (on voltage region) is lower (negative voltage side) than the region of the gate voltage value that realizes the off state (off voltage region) (Of course, Both voltage regions overlap partly due to hysteresis in switching characteristics, but as already explained, it is still possible to determine which is higher as a whole), and the on-voltage region is higher than the off-voltage region An embodiment of a complementary operation circuit configured with a second electrochemical element on the side (positive voltage side) will be described with reference to FIG. In FIG. 7, the source, drain and gate electrodes are made of platinum, the first electrochemical element whose ion diffusion material is tantalum oxide, the source and drain electrodes are platinum, the gate electrode is copper, and the ion diffusion The input inversion circuit is configured by using one second electrochemical element made of tantalum oxide. In the second electrochemical element, unlike the first electrochemical element, copper ions diffuse in the ion diffusion material. Since the second electrochemical element itself is known and the electrochemical element itself is outside the scope of the present invention, further explanation is omitted. If necessary, refer to Non-Patent Document 2, for example.
図７（ａ）に模式的に示すように、本実施例の相補型動作回路では、固定電位として、ＶＨｉｇｈとＶＬｏｗ（ＶＨｉｇｈ＞ＶＬｏｗ）がそれぞれ第一の電気化学素子のソース、第二の電気化学素子のドレインに供給されている。また、第一の電気化学素子のゲート電極と第二の電気化学素子のゲート電極は配線接続されており、同一の入力電圧（ＶＩＮ）が印加される。一方、出力側では、第一の電気化学素子のドレインと第二の電気化学素子のソースが配線接続されており、各電気化学素子の状態に依存した電圧ＶＯＵＴが出力されるようになっている。 As schematically shown in FIG. 7A, in the complementary operation circuit of the present embodiment, as a fixed potential, V High and V Low (V High > V Low ) are respectively the source of the first electrochemical element, It is supplied to the drain of the second electrochemical element. In addition, the gate electrode of the first electrochemical element and the gate electrode of the second electrochemical element are interconnected, and the same input voltage (V IN ) is applied. On the other hand, on the output side, the drain of the first electrochemical element and the source of the second electrochemical element are connected by wiring so that a voltage VOUT depending on the state of each electrochemical element is output. Yes.
図７（ｂ）を用いて、入力としてＶＬｏｗと同じか、それよりも小さな電圧が印加された場合の出力状態を、各電気化学素子の動作状態も含めて説明する。まず、第一の電気化学素子に着目すると、ソース電極への印加電圧（ＶＨｉｇｈ）はゲート電圧（≦ＶＬｏｗ）よりも高いので、イオン拡散材料中の酸素イオンがソース電極に向かって拡散し、ソース電極近傍に電子伝導度の高い領域を形成する。このとき、ソース電極と接近して設置されたドレイン電極の近傍でも酸素イオン濃度が上昇して、最終的には、ソース電極とドレイン電極を接続するように電子伝導度の高い領域が形成される。一方、第二の電気化学素子に着目すると、ソース電極は、第一の電気化学素子のドレイン電極と電気的に接続されており、第一の電気化学素子のドレイン電極は第一の電気化学素子のソース電極と酸素イオンによって形成された電子伝導度の高い領域によって電気的に接続されているから、結果として、第一の電気化学素子のソース電極への印加電圧（ＶＨｉｇｈ）が印加される。すなわち、第二の電気化学素子のドレイン電極に印加される電圧（ＶＨｉｇｈ）は、ゲート電圧（≦ＶＬｏｗ）よりも高いから、銅イオンはゲート電極側に拡散してしまい、ソース・ドレイン電極間には電子伝導性の高い領域を形成しない。第二の電気化学素子のドレイン電極には固定電位（ＶＬｏｗ）が印加されているが、第二の電気化学素子のドレイン電極とソース電極は、電気的に絶縁されている。以上の結果から、出力電圧はＶＨｉｇｈとなる。 With reference to FIG. 7B, an output state when a voltage equal to or lower than V Low is applied as an input, including the operation state of each electrochemical element, will be described. First, paying attention to the first electrochemical element, since the applied voltage (V High ) to the source electrode is higher than the gate voltage (≦ V Low ), oxygen ions in the ion diffusion material diffuse toward the source electrode. A region having high electron conductivity is formed in the vicinity of the source electrode. At this time, the oxygen ion concentration also increases in the vicinity of the drain electrode installed close to the source electrode, and finally, a region having a high electron conductivity is formed so as to connect the source electrode and the drain electrode. . On the other hand, when focusing on the second electrochemical element, the source electrode is electrically connected to the drain electrode of the first electrochemical element, and the drain electrode of the first electrochemical element is the first electrochemical element. As a result, an applied voltage (V High ) is applied to the source electrode of the first electrochemical element. . That is, since the voltage (V High ) applied to the drain electrode of the second electrochemical element is higher than the gate voltage (≦ V Low ), the copper ions diffuse to the gate electrode side, and the source / drain electrodes A region with high electron conductivity is not formed between them. A fixed potential (V Low ) is applied to the drain electrode of the second electrochemical element, but the drain electrode and the source electrode of the second electrochemical element are electrically insulated. From the above results, the output voltage is V High .
次に、入力電圧としてＶＨｉｇｈと同じか、それよりも高い電圧が印加された場合の出力状態を、図７（ｃ）を用いて、各電気化学素子の動作状態も含めて説明する。まず、第一の電気化学素子に着目すると、ソース電極への印加電圧（ＶＨｉｇｈ）はゲート電圧（≧ＶＨｉｇｈ）よりも同じか低いので、イオン拡散材料中の酸素イオンはイオン拡散材料中に均一に分布しようとして拡散するか、ゲート電極側に向かって拡散する。すなわち、第一の電気化学素子のソース電極やドレイン電極近傍において、酸素イオンの濃度上昇による電子伝導度の高い領域が形成されることはない。すなわち、第一の電気化学素子のソース電極とドレイン電極とは，電気的に絶縁された状態にある。一方、第二の電気化学素子に着目すると、ドレイン電極には、固定電位（ＶＬｏｗ）が印加されている。すなわち、ドレイン電極の電位（ＶＬｏｗ）はゲート電極の電位（≧ＶＨｉｇｈ）よりも低いから、銅イオンはドレイン電極に向かって拡散する。このとき、ドレイン電極とソース電極は近接して設置されているので、銅イオンの濃度はソース電極近傍でも上昇し、ソース電極とドレイン電極を結合する形で、銅イオンが銅原子として析出する。つまりは、第二の電気化学素子のソース電極とドレイン電極が電気的に接続される。以上の結果から、出力電圧はＶＬｏｗとなる。 Next, an output state when a voltage equal to or higher than V High is applied as an input voltage will be described with reference to FIG. First, paying attention to the first electrochemical element, the applied voltage (V High ) to the source electrode is the same as or lower than the gate voltage (≧ V High ), so oxygen ions in the ion diffusing material are contained in the ion diffusing material. It diffuses in an attempt to distribute uniformly or diffuses toward the gate electrode side. That is, a region having a high electron conductivity due to an increase in the concentration of oxygen ions is not formed in the vicinity of the source electrode or the drain electrode of the first electrochemical element. That is, the source electrode and the drain electrode of the first electrochemical element are in an electrically insulated state. On the other hand, when focusing on the second electrochemical element, a fixed potential (V Low ) is applied to the drain electrode. That is, since the potential (V Low ) of the drain electrode is lower than the potential (≧ V High ) of the gate electrode, the copper ions diffuse toward the drain electrode. At this time, since the drain electrode and the source electrode are disposed close to each other, the concentration of copper ions also increases in the vicinity of the source electrode, and the copper ions are precipitated as copper atoms in a form of coupling the source electrode and the drain electrode. That is, the source electrode and the drain electrode of the second electrochemical element are electrically connected. From the above results, the output voltage is V Low .
本実施例による回路を用いれば、入力電圧が小さい（≦ＶＬｏｗ）時には出力が高く（ＶＨｉｇｈ）なり、入力電圧が大きい（≧ＶＨｉｇｈ）時には出力が低く（ＶＬｏｗ）なることがわかる。すなわち、入出力反転回路を構成することができる。
なお、本実施例における説明では、簡単のために、各電極間の相対的な電圧を参照しながら個々の現象を説明したが、それらは相互に関連しながら同時に起こる現象であることに注意する必要がある。また、この入出力反転回路の出力を切り替えるために実際に必要とされる入力電圧は使用される素子のターンオン／ターンオフ電圧の影響を受けることに注意する必要がある。
Using the circuit according to this embodiment, it can be seen that the output is high (V High ) when the input voltage is small (≦ V Low ), and the output is low (V Low ) when the input voltage is large (≧ V High ). That is, an input / output inverting circuit can be configured.
In the description of the present embodiment, for the sake of simplicity, individual phenomena have been described with reference to the relative voltages between the electrodes. However, it should be noted that these are phenomena that occur simultaneously in relation to each other. There is a need. It should be noted that the input voltage actually required to switch the output of the input / output inversion circuit is affected by the turn-on / turn-off voltage of the element used.
以上説明したように、本発明によれば従来とは逆極性でオンオフ動作する電気化学素子が与えられるため、従来の素子と組み合わせることにより、実用性の高い論理回路を構成することができる。 As described above, according to the present invention, an electrochemical element that is turned on and off with a polarity opposite to that of the conventional one is provided. Therefore, a highly practical logic circuit can be configured by combining with the conventional element.
Claims (9)
（ａ）拡散性を有する陰イオンの濃度上昇または拡散性を有する陽イオンの濃度低下で電気伝導性が増大するイオン拡散材料。
（ｂ）前記イオン拡散材料の第１の面に設けられたゲート電極。
（ｃ）前記イオン拡散材料の第２の面に設けられ、絶縁物によって離間されたソース電極及びドレイン電極。 The following (a) to (c) are provided, and the gate voltage controls the ion diffusion in the ion diffusing material by the gate voltage and brings about a state in which the source electrode and the drain electrode are electrically connected. An electrochemical element that is negative with respect to the region of the gate voltage that results in a state in which the region is not electrically connected.
(A) An ion diffusing material whose electrical conductivity is increased by increasing the concentration of anions having diffusibility or decreasing the concentration of cations having diffusibility.
(B) A gate electrode provided on the first surface of the ion diffusion material.
(C) A source electrode and a drain electrode provided on the second surface of the ion diffusion material and separated by an insulator.
（ａ）請求項１から８の何れかに記載の電気化学素子である第１の電気化学素子。
（ｂ）ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有する第２の電気化学素子。前記第２の電気化学素子の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電気的接続が、前記第２の電気化学素子の前記ゲート電極の電圧が第１の電圧領域にあるときオン状態となり、前記第１の電圧領域よりも負電圧側の第２の電圧領域にあるときオフ状態となる。
（ｃ）前記第１の電気化学素子の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の第１の電気接続経路と前記第２の電気化学素子の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の第２の電気接続経路とを直列接続する手段。
（ｄ）前記第１の電気化学素子の前記ゲート電極と前記第２の電気化学素子の前記ゲート電極とに入力信号を並列に与える手段。 A complementary circuit provided with the following (a) and (b).
(A) The 1st electrochemical element which is an electrochemical element in any one of Claim 1-8.
(B) A second electrochemical element having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode. The electrical connection between the source electrode and the drain electrode of the second electrochemical element is turned on when the voltage of the gate electrode of the second electrochemical element is in the first voltage region, When it is in the second voltage region on the negative voltage side of the first voltage region, it is turned off.
(C) a first electrical connection path between the source electrode and the drain electrode of the first electrochemical element and a second between the source electrode and the drain electrode of the second electrochemical element. Means for serial connection of the electrical connection path.
(D) Means for applying an input signal in parallel to the gate electrode of the first electrochemical element and the gate electrode of the second electrochemical element.
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