JP2016058516A - Ferroelectric capacitor and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体キャパシタおよび電子デバイスに関し、詳細には、自然エネルギーにより発生する電荷を蓄積する強誘電体キャパシタおよびそれを用いた電子デバイスに関する。 The present invention relates to a ferroelectric capacitor and an electronic device, and more particularly to a ferroelectric capacitor that accumulates electric charges generated by natural energy and an electronic device using the same.
近年、自然エネルギーを利用した環境発電（エナジーハーベスト）が注目されている。このような環境発電技術として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いたキャパシタが知られている（例えば、非特許文献１および２を参照）。非特許文献１および２によれば、ＰＺＴバルク材料で作製されたキャパシタは、焦電効果を利用して発生した電荷を蓄積できることが開示されている。しかしながら、材料に鉛を含んでおり、自然環境への影響が懸念され、鉛フリーの材料の開発が望まれている。 In recent years, energy harvesting using natural energy has attracted attention. As such an energy harvesting technology, a capacitor using lead zirconate titanate (PZT) is known (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). According to Non-Patent Documents 1 and 2, it is disclosed that a capacitor made of a PZT bulk material can accumulate charges generated by using the pyroelectric effect. However, since the material contains lead, there is a concern about the influence on the natural environment, and development of a lead-free material is desired.
以上より、本発明の課題は、自然エネルギーにより発生する電荷を蓄積する強誘電体キャパシタ、および、それを用いた電子デバイスを提供することである。 As described above, an object of the present invention is to provide a ferroelectric capacitor that accumulates charges generated by natural energy, and an electronic device using the same.
本発明による強誘電体キャパシタは、分極の方向が制御され、電荷蓄積領域を有する強誘電体単結晶であって、前記電荷蓄積領域は、前記強誘電体単結晶の表面の一部の領域である、強誘電体単結晶と、前記電荷蓄積領域の周りに位置する金属層とを備え、前記強誘電体単結晶と前記金属層との接触界面にショットキー接合が形成されており、前記強誘電体単結晶に基づく電荷は、前記電荷蓄積領域上に閉じ込められ、蓄積され、これにより上記課題を解決する。
前記ショットキー接合がｐ型ショットキー接合である場合、前記強誘電体単結晶の仕事関数φＦは、前記金属層の仕事関数φＭよりも大きく、前記ショットキー接合がｎ型ショットキー接合である場合、前記強誘電体単結晶の仕事関数φＦは、前記金属層の仕事関数φＭよりも小さくてもよい。
前記強誘電体単結晶は、ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶であってもよい。
前記強誘電体単結晶は、ニオブ酸リチウム単結晶であり、前記金属層は、４．５ｅＶ以上の仕事関数を有する金属からなってもよい。
前記金属層は、ＣｒまたはＡｕからなってもよい。
前記金属層は、前記電荷蓄積領域を包囲するように位置してもよい。
前記電荷は、前記強誘電体単結晶の自発分極により誘起された電荷、前記強誘電体単結晶の圧電効果により誘起された電荷、または、前記強誘電体単結晶の焦電効果により誘起された電荷であってもよい。
前記電荷蓄積領域の直径は、１．５μｍ以上５５μｍ以下の範囲であってもよい。
前記強誘電体単結晶は、単一分極構造となるように分極の方向が制御されており、前記電荷蓄積領域に対応する前記強誘電体単結晶の表面内部の極性は、＋極性または−極性のいずれかであってもよい。
前記強誘電体単結晶は、分極反転構造となるように分極の方向が制御されており、前記電荷蓄積領域に対応する前記強誘電体単結晶の表面内部の極性は、＋極性または−極性のいずれかであってもよい。
本発明による強誘電体キャパシタと素子とを備えた電子デバイスは、前記強誘電体キャパシタが上述の強誘電体キャパシタであり、前記素子は、前記電荷蓄積領域と前記金属層との間に接続されており、前記電荷蓄積領域上に蓄積された電荷により動作するか、または、前記電荷蓄積領域上に蓄積された電荷量の変化を検出し、これにより上記課題を達成する。
The ferroelectric capacitor according to the present invention is a ferroelectric single crystal having a charge storage region in which the direction of polarization is controlled, and the charge storage region is a partial region of the surface of the ferroelectric single crystal. A ferroelectric single crystal and a metal layer positioned around the charge storage region, and a Schottky junction is formed at a contact interface between the ferroelectric single crystal and the metal layer. The charges based on the dielectric single crystal are confined and accumulated on the charge accumulation region, thereby solving the above-mentioned problem.
When the Schottky junction is a p-type Schottky junction, the work function φ F of the ferroelectric single crystal is larger than the work function φ M of the metal layer, and the Schottky junction is an n-type Schottky junction. In some cases, the work function φ F of the ferroelectric single crystal may be smaller than the work function φ M of the metal layer.
The ferroelectric single crystal may be a lithium niobate single crystal or a lithium tantalate single crystal.
The ferroelectric single crystal may be a lithium niobate single crystal, and the metal layer may be made of a metal having a work function of 4.5 eV or more.
The metal layer may be made of Cr or Au.
The metal layer may be positioned so as to surround the charge storage region.
The charge is induced by the spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal, the charge induced by the piezoelectric effect of the ferroelectric single crystal, or the pyroelectric effect of the ferroelectric single crystal. It may be a charge.
The diameter of the charge storage region may be in the range of 1.5 μm to 55 μm.
The direction of polarization of the ferroelectric single crystal is controlled so as to have a single polarization structure, and the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is + polarity or -polarity. Any of these may be sufficient.
The direction of polarization of the ferroelectric single crystal is controlled so as to have a polarization reversal structure, and the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is + polarity or −polarity. Either may be sufficient.
In an electronic device including a ferroelectric capacitor and an element according to the present invention, the ferroelectric capacitor is the ferroelectric capacitor described above, and the element is connected between the charge storage region and the metal layer. The above-described problems are achieved by detecting the change in the amount of charge accumulated on the charge accumulation region by operating with the charge accumulated on the charge accumulation region.
本発明による強誘電体キャパシタは、強誘電体単結晶と金属層との接触界面にショットキー接合が形成されているので、ショットキー接合による障壁および金属層と蓄積される電荷との間に生じる物理的なギャップにより、電荷蓄積領域上に効率的に電荷を閉じ込め、蓄積することができる。また閉じ込め／蓄積される電荷は、強誘電体単結晶の自発分極、焦電効果または圧電効果に基づく、自然エネルギーにより発生する電荷である。これにより、本発明の強誘電体キャパシタは、自然エネルギーを利用した電源として機能し得る。また、本発明の強誘電体キャパシタは、サイズに制限がないので、ナノスケールからマイクロスケールサイズの超小型電源となり、電子デバイスのさらなる小型化を可能にする。 In the ferroelectric capacitor according to the present invention, since a Schottky junction is formed at the contact interface between the ferroelectric single crystal and the metal layer, the barrier is formed by the Schottky junction and between the metal layer and the accumulated charge. Due to the physical gap, charges can be efficiently confined and accumulated on the charge accumulation region. Further, the trapped / accumulated charge is a charge generated by natural energy based on the spontaneous polarization, pyroelectric effect or piezoelectric effect of the ferroelectric single crystal. Thereby, the ferroelectric capacitor of the present invention can function as a power source using natural energy. In addition, since the size of the ferroelectric capacitor of the present invention is not limited, it becomes an ultra-compact power source of nanoscale to microscale size, and enables further miniaturization of electronic devices.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same element and the description is abbreviate | omitted.
図１は、本発明の強誘電体キャパシタの構造を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a ferroelectric capacitor of the present invention.
図１（Ａ）は、本発明の強誘電体キャパシタの上面図であり、図１（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明の強誘電体キャパシタの断面図である。 FIG. 1A is a top view of the ferroelectric capacitor of the present invention, and FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views of the ferroelectric capacitor of the present invention.
本発明の強誘電体キャパシタ１００は、分極の方向が制御され、電荷蓄積領域１１０を有する強誘電体単結晶１２０と、電荷蓄積領域１１０の周りに位置する金属層１３０とを備える。電荷蓄積領域１１０は、強誘電体単結晶１２０の表面１４０の一部の領域である。本発明の強誘電体キャパシタ１００において、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との接触界面にはショットキー接合が形成されている。 The ferroelectric capacitor 100 of the present invention includes a ferroelectric single crystal 120 having a charge storage region 110 with a polarization direction controlled, and a metal layer 130 positioned around the charge storage region 110. The charge storage region 110 is a partial region of the surface 140 of the ferroelectric single crystal 120. In the ferroelectric capacitor 100 of the present invention, a Schottky junction is formed at the contact interface between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130.
本発明の強誘電体キャパシタ１００は、このような構成により、強誘電体単結晶１２０に由来する分極電荷を遮蔽するべく強誘電体キャパシタ１００外部より集まる電荷１５０（すなわち、強誘電体単結晶１２０の自発分極により誘起された電荷）を、電荷蓄積領域１１０上に閉じ込め、蓄積できる。なお、以降では、分かりやすさのため、電荷蓄積領域１１０上に蓄積される電荷１５０を表面電荷１５０と呼ぶ。 With such a configuration, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention has a charge 150 (that is, the ferroelectric single crystal 120) collected from the outside of the ferroelectric capacitor 100 so as to shield polarization charges derived from the ferroelectric single crystal 120. Can be confined and accumulated on the charge accumulation region 110. Hereinafter, for the sake of easy understanding, the charge 150 accumulated on the charge accumulation region 110 is referred to as a surface charge 150.
強誘電体単結晶１２０は、特に材料に制限がないが、環境に優しい材料から構成されているものがよく、分極の方向を制御しやすい一軸性の強誘電体単結晶が好ましい。より具体的には、強誘電体単結晶１２０は、好ましくは、ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶である。これらの材料は、結晶のＺ方位に沿った一軸性の分極を有しており、その分極の方向を制御する技術が確立されている。また、これらの材料は、優れた圧電効果、焦電効果、電気光学効果、非線形光学効果を有しており、これらにより電荷蓄積領域１１０上により効率的に表面電荷１５０を蓄積できる。中でも、強誘電体単結晶１２０は、ニオブ酸リチウム単結晶が好ましい。ニオブ酸リチウム単結晶は、加工性に優れており、高品質な強誘電体キャパシタを提供できる。 The ferroelectric single crystal 120 is not particularly limited in material, but is preferably composed of an environmentally friendly material, and is preferably a uniaxial ferroelectric single crystal in which the polarization direction can be easily controlled. More specifically, the ferroelectric single crystal 120 is preferably a lithium niobate single crystal or a lithium tantalate single crystal. These materials have uniaxial polarization along the Z direction of the crystal, and a technique for controlling the direction of the polarization has been established. Further, these materials have an excellent piezoelectric effect, pyroelectric effect, electro-optic effect, and nonlinear optical effect, so that the surface charge 150 can be more efficiently accumulated on the charge accumulation region 110. Among these, the ferroelectric single crystal 120 is preferably a lithium niobate single crystal. The lithium niobate single crystal is excellent in workability and can provide a high-quality ferroelectric capacitor.
なお、本明細書において、用語「ニオブ酸リチウム単結晶（ＬＮ単結晶）」とは、コングルエント組成のＬＮ単結晶（ＣＬＮ）、定比組成のＬＮ単結晶（ＳＬＮ）、および、これらにドーパントを添加したＬＮ単結晶を意図する。同様に、本明細書において、用語「タンタル酸リチウム単結晶（ＬＴ単結晶）」とは、コングルエント組成のＬＴ単結晶（ＣＬＴ）、定比組成のＬＴ単結晶（ＳＬＴ）、および、これらにドーパントを添加したＬＴ単結晶を意図する。ドーパントは、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｂ等であり、特性改善に適宜選択される。例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等は、ＬＮあるいはＬＴの耐光損傷性を向上させる。Ｍｎ、Ｆｅ、Ｔｂ等は、ＬＮあるいはＬＴのフォトリフラクティブ効果を増大させる。 In this specification, the term “lithium niobate single crystal (LN single crystal)” means an LN single crystal having a congruent composition (CLN), an LN single crystal having a stoichiometric composition (SLN), and a dopant to these. The added LN single crystal is intended. Similarly, in this specification, the term “lithium tantalate single crystal (LT single crystal)” means an LT single crystal having a congruent composition (CLT), an LT single crystal having a stoichiometric composition (SLT), and a dopant LT single crystals with added are intended. The dopant is, for example, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Tb, etc., and is appropriately selected for improving the characteristics. For example, Mg, Ca, Sr, Ba, etc. improve the light damage resistance of LN or LT. Mn, Fe, Tb, etc. increase the photorefractive effect of LN or LT.
強誘電体単結晶１２０の厚さは、特に制限がないが、１μｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。この範囲であれば、取扱いが簡便であるとともに、後述する圧電効果あるいは焦電効果によって分極電荷を生じやすいので、より多くの表面電荷を蓄積できる。 The thickness of the ferroelectric single crystal 120 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more and 10 mm or less. Within this range, handling is simple and polarization charges are likely to be generated by the piezoelectric effect or pyroelectric effect described later, so that more surface charges can be accumulated.
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の強誘電体キャパシタ１００の点線部分の断面図を示す。図１（Ｂ）中の矢印は分極の向きを示す。図１（Ｂ）では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有している。 FIG. 1B shows a cross-sectional view of the dotted line portion of the ferroelectric capacitor 100 of FIG. The arrow in FIG. 1 (B) shows the direction of polarization. In FIG. 1B, the ferroelectric single crystal 120 has a single polarization structure.
詳細には、図１（Ｂ）では、分極の方向がすべて電荷蓄積領域１１０の表面に対して実質的に垂直な方向であり、分極の向きが強誘電体単結晶１２０の下から上へとなるように制御されており、電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部の極性が＋極性である例を示す。この場合、表面電荷１５０として、＋極性を遮蔽するだけのマイナスの電荷が蓄積される。図示しないが、電荷蓄積領域１１０として、図１（Ｂ）の裏面である−極性の表面を使い、表面電荷１５０としてプラスの電荷を蓄積してもよい。なお、実質的に垂直とは、すべての分極の向きが完全に垂直である必要はないが、いわゆるＺカット基板として利用できる程度であればよいことを意味する。 Specifically, in FIG. 1B, the polarization directions are all substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110, and the polarization direction is from the bottom to the top of the ferroelectric single crystal 120. An example in which the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 is + polarity is shown. In this case, as the surface charge 150, a negative charge sufficient to shield + polarity is accumulated. Although not shown, a positive charge may be accumulated as the surface charge 150 by using the negative polarity surface which is the back surface of FIG. Note that “substantially vertical” means that all the polarization directions do not have to be completely vertical, but may be as long as they can be used as a so-called Z-cut substrate.
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）とは別の強誘電体キャパシタの断面図を示す。ここでも、図１（Ｃ）中の矢印は分極の向きを示す。図１（Ｃ）では、強誘電体単結晶１２０が分極反転構造を有している。 FIG. 1C is a cross-sectional view of a ferroelectric capacitor different from that in FIG. Again, the arrow in FIG. 1 (C) indicates the direction of polarization. In FIG. 1C, the ferroelectric single crystal 120 has a domain-inverted structure.
詳細には、図１（Ｃ）では、分極の方向がすべて電荷蓄積領域１１０の表面に対して実質的に垂直な方向であり、電荷蓄積領域１１０の分極の向きと、それ以外の領域の分極の向きとが反転するように制御されており、電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部の極性が−極性である例を示す。この場合、表面電荷１５０として、−極性を遮蔽するだけのプラスの電荷が蓄積される。図示しないが、電荷蓄積領域１１０の表面として、図１（Ｃ）の裏面である＋極性の表面を使い、表面電荷１５０としてマイナスの電荷を蓄積してもよい。 Specifically, in FIG. 1C, the directions of polarization are all substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110, and the polarization direction of the charge storage region 110 and the polarization of the other regions In the example, the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 is negative. In this case, as the surface charge 150, a positive charge sufficient to shield -polarity is accumulated. Although not shown, a negative polarity surface as the surface charge 150 may be accumulated by using the surface of the charge accumulation region 110 having a positive polarity which is the back surface of FIG.
図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、本発明の強誘電体キャパシタ１００において、少なくとも電荷蓄積領域１１０の分極の方向は、電荷蓄積領域１１０の表面に対して実質的に垂直な方向となるように制御されていることが好ましい。これにより、強誘電体単結晶の自発分極、圧電効果、および、焦電効果により、より効率的に電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部に電荷（分極電荷とも呼ぶ）が発生する。その結果、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、これら分極電荷を遮蔽するだけの表面電荷１５０を有効に蓄積することができる。 As shown in FIGS. 1B and 1C, in the ferroelectric capacitor 100 of the present invention, at least the direction of polarization of the charge storage region 110 is substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110. It is preferable to be controlled so as to be in a different direction. As a result, electric charges (also referred to as polarization charges) inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 more efficiently due to the spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal, the piezoelectric effect, and the pyroelectric effect. Will occur. As a result, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can effectively accumulate the surface charge 150 that only shields these polarization charges.
図２は、本発明の強誘電体キャパシタにおける強誘電体単結晶と金属層とのバンド構造を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a band structure of a ferroelectric single crystal and a metal layer in the ferroelectric capacitor of the present invention.
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、それぞれ、ｎ型ショットキー接合およびｐ型ショットキー接合の場合を示す。 2A and 2B show an n-type Schottky junction and a p-type Schottky junction, respectively.
図２（Ａ）に示すように、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との接触界面がｎ型ショットキー接合を形成する場合、強誘電体単結晶１２０の仕事関数φＦは、金属層１３０の仕事関数φＭより小さい（φＦ＜φＭ）。 As shown in FIG. 2A, when the contact interface between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130 forms an n-type Schottky junction, the work function φ F of the ferroelectric single crystal 120 is 130 work function φ M smaller than that of the (φ F <φ M).
φＦ＜φＭを満たす場合、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０とを接触させると、接触面から遠くなるにしたがってフェルミレベル（ＥＦ）が一緒になるため、強誘電体単結晶１２０でバンドが曲がる。この曲がった分が、金属層１３０から強誘電体単結晶１２０をみると障壁となる。バンドが曲がった領域では、強誘電体単結晶１２０内の分極電荷（例えば、電子）は、坂を越えて金属層１３０へと流れることはできない。すなわち、強誘電体キャパシタ１００がｎ型ショットキー接合を有する場合に、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に電子のキャリアパスが形成されないので、表面電荷１５０を中和することができない。その結果、表面電荷１５０は、電荷蓄積領域１１０上に閉じ込められる。 When φ F <φ M is satisfied, when the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130 are brought into contact with each other, the Fermi level (E F ) is brought together as the distance from the contact surface increases. Then the band bends. This bent portion becomes a barrier when the ferroelectric single crystal 120 is viewed from the metal layer 130. In the region where the band is bent, polarization charges (for example, electrons) in the ferroelectric single crystal 120 cannot flow across the slope to the metal layer 130. That is, when the ferroelectric capacitor 100 has an n-type Schottky junction, an electron carrier path is not formed between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130, so that the surface charge 150 can be neutralized. Can not. As a result, the surface charge 150 is confined on the charge storage region 110.
図２（Ｂ）に示すように、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との接触界面がｐ型ショットキー接合を形成する場合、強誘電体単結晶１２０の仕事関数φＦは、金属層１３０の仕事関数φＭより大きい（φＦ＞φＭ）。 As shown in FIG. 2B, when the contact interface between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130 forms a p-type Schottky junction, the work function φ F of the ferroelectric single crystal 120 is It is larger than 130 work function φ M (φ F > φ M ).
φＦ＞φＭを満たす場合、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０とを接触させると、接触面から遠くなるにしたがってフェルミレベル（ＥＦ）が一緒になるため、強誘電体単結晶１２０でバンドが曲がる。この曲がった分が、金属層１３０から強誘電体単結晶１２０をみると障壁となる。バンドが曲がった領域では、強誘電体単結晶１２０内の分極電荷（例えば、ホール）は、坂を越えて金属層１３０へと流れることはできない。すなわち、強誘電体キャパシタ１００がｐ型ショットキー接合を有する場合には、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間にホールのキャリアパスが形成されないので、表面電荷１５０を中和することができない。その結果、表面電荷１５０は、電荷蓄積領域１１０上に閉じ込められる。 When φ F > φ M is satisfied, when the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130 are brought into contact with each other, the Fermi level (E F ) is brought together as the distance from the contact surface increases. Then the band bends. This bent portion becomes a barrier when the ferroelectric single crystal 120 is viewed from the metal layer 130. In a region where the band is bent, polarization charges (for example, holes) in the ferroelectric single crystal 120 cannot flow across the slope to the metal layer 130. That is, when the ferroelectric capacitor 100 has a p-type Schottky junction, a hole carrier path is not formed between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130, so that the surface charge 150 is neutralized. I can't. As a result, the surface charge 150 is confined on the charge storage region 110.
ここで再度図１を参照する。上述のショットキー接合におけるバンドの曲がった領域（空乏領域）は、物理的なギャップ（図１中の点線矢印で示す領域）を形成し得るので、表面電荷１５０は金属層１３０に接することがない。その結果、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、電荷蓄積領域１１０上に表面電荷１５０を効率的に閉じ込めることができる。たとえギャップを越えて表面電荷１５０が金属層１３０に接触したとしても、上述したように、ショットキー接合により、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に有効なキャリアパスが形成されないので、表面電荷１５０が中和されることはない。そのため、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、表面電荷１５０を電荷蓄積領域１１０上に有効に閉じ込めることができる。 Reference is again made to FIG. The band-bent region (depletion region) in the above Schottky junction can form a physical gap (a region indicated by a dotted arrow in FIG. 1), so that the surface charge 150 does not contact the metal layer 130. . As a result, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can efficiently confine the surface charge 150 on the charge storage region 110. Even if the surface charge 150 contacts the metal layer 130 beyond the gap, an effective carrier path is not formed between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130 by the Schottky junction as described above. The surface charge 150 is not neutralized. Therefore, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can effectively confine the surface charge 150 on the charge storage region 110.
なお、ショットキー接合が形成されているか否かは、例えば、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）を用いてバンドアライメントを求めることにより確認できる。 Whether or not a Schottky junction is formed can be confirmed, for example, by obtaining band alignment using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
表１および表２は、それぞれ、例示的な強誘電体および金属の仕事関数を示す。表１および表２を参照し、上述の仕事関数の関係を満たすように、材料設計することができる。なお、表１に示す仕事関数の値は、例えばＳ．Ｍ．Ｇｕｏら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８９，２２３５０６，２００６等を引用するものであるが、強誘電体の仕事関数の報告例は極めて少ない。仕事関数は、電子親和力と、伝導帯と価電子帯との差（ＥＣ−ＥＶ）との和であり、この値は強誘電体単結晶のバンドギャップに近似することから、仕事関数が不明な材料の場合、バンドギャップを仕事関数とみなして材料設計を行ってもよい。 Tables 1 and 2 show exemplary ferroelectric and metal work functions, respectively. With reference to Tables 1 and 2, the material can be designed so as to satisfy the above-described work function relationship. The work function values shown in Table 1 are, for example, S.I. M.M. Guo et al., Appl. Phys. Lett. , 89, 223506, 2006, etc., but there are very few reports on the work function of a ferroelectric substance. The work function is the sum of the electron affinity and the difference between the conduction band and the valence band (E C −E V ), and this value approximates the band gap of the ferroelectric single crystal. In the case of an unknown material, material design may be performed by regarding the band gap as a work function.
表１および表２を参照すれば、例えば、強誘電体単結晶１２０としてニオブ酸リチウムを、金属層１３０としてＡｌ、ＣｒおよびＡｕを選択すれば、図２（Ｂ）のｐ型ショットキー接合が形成され得ることが分かる。しかしながら、実際には、後述する比較例１および比較例２に示すように、強誘電体単結晶１２０としてニオブ酸リチウム、金属層１３０としてＡｌの組合せの場合、ｐ型オーミック接合となることが分かっており、電荷を蓄積する強誘電体キャパシタとならない。これは、製造過程においてニオブ酸リチウム単結晶とＡｌ層との間の界面に酸化物層等が形成されることによるものと考えられ、表面処理等改善が必要とされる。このことから、強誘電体単結晶１２０としてニオブ酸リチウムを用いる場合、上述の関係φＦ＞φＭを満たしつつ、金属層１３０は、少なくとも仕事関数が４．５ｅＶ以上である金属からなることが望ましい。これにより、確実にｐ型ショットキー接合が形成される。より好ましくは、金属層１３０は、ＣｒまたはＡｕからなる。これらの金属を用いれば、ニオブ酸リチウム単結晶に格別な表面処理をすることなく、ｐ型ショットキー接合を形成できるので、歩留まりを向上できる。 Referring to Tables 1 and 2, for example, if lithium niobate is selected as the ferroelectric single crystal 120 and Al, Cr, and Au are selected as the metal layer 130, the p-type Schottky junction of FIG. It can be seen that it can be formed. However, in practice, as shown in Comparative Examples 1 and 2 to be described later, in the case of a combination of lithium niobate as the ferroelectric single crystal 120 and Al as the metal layer 130, a p-type ohmic junction is found. Therefore, it does not become a ferroelectric capacitor that accumulates electric charges. This is considered to be due to the formation of an oxide layer or the like at the interface between the lithium niobate single crystal and the Al layer in the manufacturing process, and an improvement in surface treatment or the like is required. Therefore, when lithium niobate is used as the ferroelectric single crystal 120, the metal layer 130 may be made of a metal having at least a work function of 4.5 eV or more while satisfying the above-described relationship φ F > φ M. desirable. Thereby, a p-type Schottky junction is reliably formed. More preferably, the metal layer 130 is made of Cr or Au. If these metals are used, a p-type Schottky junction can be formed without any special surface treatment on the lithium niobate single crystal, so that the yield can be improved.
また、金属層１３０の厚さは、特に制限がないが、１０ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。上述の条件を満たす金属を選択し、上述の厚さに制御すれば、金属層１３０と強誘電体単結晶１２０との接触界面にショットキー接合の望ましいバンドアライメントが形成され得るので、表面電荷の高い閉じ込め効果が期待できる。 The thickness of the metal layer 130 is not particularly limited, but is preferably 10 nm or more and 1 μm or less. If a metal satisfying the above conditions is selected and controlled to the above thickness, a desirable band alignment of a Schottky junction can be formed at the contact interface between the metal layer 130 and the ferroelectric single crystal 120, so that the surface charge can be reduced. High confinement effect can be expected.
図３は、本発明の強誘電体キャパシタにおける電荷蓄積領域と金属層との種々のパターンを示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing various patterns of the charge storage region and the metal layer in the ferroelectric capacitor of the present invention.
図１では、電荷蓄積領域１１０が円形であり、金属層１３０が電荷蓄積領域１１０を包囲するように位置する例を示したが、金属層１３０が、電荷蓄積領域１１０の周りに位置していればよく、これに限らない。例えば、図３（Ａ）に示すように、電荷蓄積領域１１０が円形であり、その周りに位置する金属層１３０は、一部が欠けていてもよい。しかしながら、金属層１３０が電荷蓄積領域１１０を完全に包囲する方が、表面電荷の閉じ込め効果が向上するため好ましい。 Although FIG. 1 shows an example in which the charge storage region 110 is circular and the metal layer 130 is positioned so as to surround the charge storage region 110, the metal layer 130 may be positioned around the charge storage region 110. What is necessary is not limited to this. For example, as shown in FIG. 3A, the charge accumulation region 110 may be circular, and a part of the metal layer 130 located around the charge accumulation region 110 may be missing. However, it is preferable that the metal layer 130 completely surrounds the charge storage region 110 because the surface charge confinement effect is improved.
また、図３（Ｂ）に示すように、電荷蓄積領域１１０が矩形であってもよい。さらに、図３（Ｃ）に示すように、電荷蓄積領域１１０がドット状に複数あってもよいし、図３（Ｄ）に示すように、電荷蓄積領域１１０が線状に複数あってもよい。当然ながら、電荷蓄積領域と金属層とのパターンはこれらの組合せであってもよい。電荷蓄積領域と金属層との種々のパターンに、単一分域構造あるいは分極反転構造を組み合わせてもよい。 Further, as shown in FIG. 3B, the charge accumulation region 110 may be rectangular. Further, as shown in FIG. 3C, a plurality of charge storage regions 110 may be provided in a dot shape, or as shown in FIG. 3D, a plurality of charge storage regions 110 may be provided in a line shape. . Of course, the pattern of the charge storage region and the metal layer may be a combination thereof. A single domain structure or a domain-inverted structure may be combined with various patterns of the charge storage region and the metal layer.
電荷蓄積領域１１０の直径Ｄは、好ましくは、１．５μｍ以上５５μｍ以下の範囲である。直径Ｄが１．５μｍ未満であれば、電荷蓄積領域１１０が小さすぎるため、十分な表面電荷を蓄積できない場合がある。直径Ｄが５５μｍを超えると、電荷密度が小さくなり、非効率になり得る。なお、電荷蓄積領域１１０が矩形の場合には、長手方向の長さを直径Ｄとみなせばよい。 The diameter D of the charge storage region 110 is preferably in the range of 1.5 μm to 55 μm. If the diameter D is less than 1.5 μm, the charge accumulation region 110 is too small, and thus sufficient surface charge may not be accumulated. When the diameter D exceeds 55 μm, the charge density becomes small and may become inefficient. When the charge accumulation region 110 is rectangular, the length in the longitudinal direction may be regarded as the diameter D.
図４は、本発明の強誘電体キャパシタが圧電効果により表面電荷を蓄積する様子を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing how the ferroelectric capacitor of the present invention accumulates surface charges due to the piezoelectric effect.
図４（Ａ）は、強誘電体単結晶１２０の初期状態を示しており、強誘電体単結晶１２０の分極の方向は、電荷蓄積領域１１０の表面に対して実質垂直な方向であり、分極の向きがすべての強誘電体単結晶１２０の下から上へとなるように制御されており、電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部の極性が＋極性である例を示す。図４（Ａ）では、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、強誘電体単結晶１２０の自発分極による分極電荷を遮蔽する表面電荷１５０を蓄積し得る。 FIG. 4A shows an initial state of the ferroelectric single crystal 120, and the polarization direction of the ferroelectric single crystal 120 is a direction substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110. Of the ferroelectric single crystal 120 is controlled so as to be from the bottom to the top, and the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 is + polarity. Show. In FIG. 4A, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can accumulate the surface charge 150 that shields the polarization charge caused by the spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal 120.
図４（Ｂ）は、強誘電体単結晶１２０を押し縮めた場合を示す。上述してきたように、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、自発分極に基づく表面電荷に加えて、圧電効果に基づく表面電荷（すなわち、強誘電体単結晶１２０の圧電効果により誘起された電荷）を蓄積することができる。 FIG. 4B shows a case where the ferroelectric single crystal 120 is compressed. As described above, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention has a surface charge based on the piezoelectric effect in addition to the surface charge based on the spontaneous polarization (that is, the charge induced by the piezoelectric effect of the ferroelectric single crystal 120). Can be accumulated.
詳細には、図４（Ｂ）に示すように、強誘電体単結晶１２０に圧力４１０を印加する（すなわち、強誘電体単結晶１２０を押し縮めたり、引っ張ったりする）と、強誘電体単結晶１２０内部では特定の方向に電荷が偏り、図４（Ａ）と比較して、強誘電体単結晶１２０の上面側により多くのプラスの電荷が、下面側により多くのマイナスの電荷が誘起される。これにより、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、これら誘起されたプラスの電荷を遮蔽するより多くの表面電荷４２０を電荷蓄積領域１１０上に蓄積することができる。すなわち、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、圧電効果により、電荷蓄積領域１１０上に蓄積する表面電荷を増大することができる。 Specifically, as shown in FIG. 4B, when a pressure 410 is applied to the ferroelectric single crystal 120 (that is, the ferroelectric single crystal 120 is compressed or pulled), the ferroelectric single crystal 120 is In the crystal 120, the charge is biased in a specific direction, and more positive charges are induced on the upper surface side of the ferroelectric single crystal 120 and more negative charges are induced on the lower surface side as compared with FIG. 4A. The As a result, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can accumulate more surface charge 420 on the charge accumulation region 110 that shields these induced positive charges. That is, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can increase the surface charge accumulated on the charge accumulation region 110 by the piezoelectric effect.
図５は、本発明の強誘電体キャパシタが焦電効果により表面電荷を蓄積する様子を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing how the ferroelectric capacitor of the present invention accumulates surface charges due to the pyroelectric effect.
図５（Ａ）は、強誘電体単結晶１２０の初期状態を示しており、強誘電体単結晶１２０の分極の方向は、電荷蓄積領域１１０の表面に対して実質垂直な方向であり、分極の向きがすべての強誘電体単結晶１２０の下から上へとなるように制御されており、電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部の極性が＋極性である例を示す。図５（Ａ）では、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、強誘電体単結晶１２０の自発分極による分極電荷を遮蔽する表面電荷１５０を蓄積し得る。 FIG. 5A shows an initial state of the ferroelectric single crystal 120, and the polarization direction of the ferroelectric single crystal 120 is a direction substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110. Of the ferroelectric single crystal 120 is controlled so as to be from the bottom to the top, and the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 is + polarity. Show. In FIG. 5A, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can accumulate the surface charge 150 that shields the polarization charge caused by the spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal 120.
図５（Ｂ）は、強誘電体単結晶１２０を加熱した場合を示す。上述してきたように、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、自発分極に基づく表面電荷に加えて、焦電効果に基づく表面電荷（すなわち、強誘電体単結晶１２０の焦電効果により誘起された電荷）を蓄積することができる。 FIG. 5B shows the case where the ferroelectric single crystal 120 is heated. As described above, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention is induced by the surface charge based on the pyroelectric effect in addition to the surface charge based on the spontaneous polarization (that is, induced by the pyroelectric effect of the ferroelectric single crystal 120). Charge) can be accumulated.
詳細には、図５（Ｂ）に示すように、強誘電体単結晶１２０に赤外線等の光５１０を照射したり、ホットプレート等の加熱装置５２０により加熱したりすると、強誘電体単結晶１２０内部では特定の方向に電荷が偏り、図５（Ａ）と比較して、強誘電体単結晶１２０の上面側により多くのプラスの電荷が、下面側により多くのマイナスの電荷が誘起される。これにより、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、これら誘起されたプラスの電荷を遮蔽するより多くの表面電荷５３０を電荷蓄積領域１１０上に蓄積することができる。すなわち、本発明の強誘電体キャパシタ１００は、焦電効果により、電荷蓄積領域１１０上に蓄積する表面電荷を増大することができる。 Specifically, as shown in FIG. 5B, when the ferroelectric single crystal 120 is irradiated with light 510 such as infrared rays or heated by a heating device 520 such as a hot plate, the ferroelectric single crystal 120 is heated. Inside, the charge is biased in a specific direction, and more positive charges are induced on the upper surface side of the ferroelectric single crystal 120 and more negative charges are induced on the lower surface side as compared with FIG. 5A. As a result, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can accumulate more surface charges 530 on the charge accumulation region 110 that shield these induced positive charges. That is, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can increase the surface charge accumulated on the charge accumulation region 110 by the pyroelectric effect.
次に、本発明の強誘電体キャパシタの製造方法の一例を説明する。 Next, an example of a method for manufacturing a ferroelectric capacitor of the present invention will be described.
まず、分極の方向が制御された強誘電体単結晶を用意する。強誘電体単結晶の材料の選択は図１を参照して説明したとおりである。分極の方向が制御された強誘電体単結晶は、単一分極構造となるようにポーリング処理された単結晶基板であってもよいし、分極反転構造となるようにドメインエンジニアリング加工された単結晶基板であってもよい。このような単結晶基板は、例えば、登録３５５１２４２号を参照して、単一分極構造を有する、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等に代表される酸化物からなる強誘電体単結晶を製造してもよいし、特開平０５−２８８９１３７号を参照して、周期構造を有する分極反転構造を形成してもよいし、Ａ．Ｇｒｕｖｅｒｍａｎら，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６９，３１９１（１９９６）、北村ら，応用物理学会薄膜・表面物理分科会，ＮＥＷＳ ＬＥＴＴＥＲ［１２０］（２００４），１２−１８を参照し、走査型フォース顕微鏡（ＳＦＭ）あるいは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、ナノスケールを有する分極反転構造を形成してもよい。 First, a ferroelectric single crystal whose polarization direction is controlled is prepared. The selection of the material of the ferroelectric single crystal is as described with reference to FIG. The ferroelectric single crystal in which the direction of polarization is controlled may be a single crystal substrate that has been poled to have a single polarization structure, or a single crystal that has been domain-engineered to have a polarization inversion structure. It may be a substrate. Such a single crystal substrate is manufactured by, for example, manufacturing a ferroelectric single crystal made of an oxide typified by lithium niobate, lithium tantalate or the like having a single polarization structure with reference to Registration No. 3551242. Alternatively, referring to JP-A-05-289137, a domain-inverted structure having a periodic structure may be formed. Gruberman et al., Appl. Phys. Lett. 69, 3191 (1996), Kitamura et al., Thin Film and Surface Physics Subcommittee of the Japan Society of Applied Physics, NEWS LETTER [120] (2004), 12-18, scanning force microscope (SFM) or atomic force microscope ( AFM may be used to form a domain-inverted structure having a nanoscale.
リソグラフィ技術により、強誘電体単結晶の電荷蓄積領域の周りに金属層をパターニングする。金属層の材料の選択は図１を参照して説明したとおりである。 A metal layer is patterned around the charge storage region of the ferroelectric single crystal by lithography. The selection of the material for the metal layer is as described with reference to FIG.
金属層のパターニングの一例は次のとおりである。強誘電体単結晶の電荷蓄積領域を含む表面全体に電子線に感光するレジストを塗布する。次に、電子線（ＥＢ）をレジストに照射し、所望のパターンを描画した後、現像液に浸し、感光したレジストを除去する。これにより、金属層を付けたい部分のみが露出する。次いで、物理気相成長法、化学気相成長法等により金属層を付与する。最後に、リフトオフ過程により不要なレジストを除去する。これは、ポジ型のレジストを用いた場合であるが、ネガ型のレジストを用いた場合には、感光していない部分が除去される点が異なる以外、手順は同様である。このようにして、本発明の強誘電体キャパシタが製造される。 An example of the patterning of the metal layer is as follows. A resist sensitive to an electron beam is applied to the entire surface including the charge storage region of the ferroelectric single crystal. Next, the resist is irradiated with an electron beam (EB) to draw a desired pattern, and then immersed in a developer to remove the exposed resist. Thereby, only the part which wants to attach a metal layer is exposed. Next, a metal layer is applied by physical vapor deposition or chemical vapor deposition. Finally, unnecessary resist is removed by a lift-off process. This is a case where a positive type resist is used. However, when a negative type resist is used, the procedure is the same except that a non-photosensitive portion is removed. In this way, the ferroelectric capacitor of the present invention is manufactured.
金属層のパターニングは、電子線リソグラフィに限らず、フォトリソグラフィを用いてもよいし、リフトオフ過程に代えてエッチング過程を採用してもよい。電子線を用いたリソグラフィは、微細加工が可能なため、ナノスケールの強誘電体キャパシタを製造するに好ましい。所望のサイズや形状の電荷蓄積領域を有する強誘電体キャパシタを得るために、金属のパターニングは、既存の半導体技術等で知られるリソグラフィ技術を適宜採用できる。 The patterning of the metal layer is not limited to electron beam lithography, and photolithography may be used, or an etching process may be employed instead of the lift-off process. Lithography using an electron beam is preferable for manufacturing a nanoscale ferroelectric capacitor because it allows fine processing. In order to obtain a ferroelectric capacitor having a charge storage region of a desired size and shape, a lithography technique known in the existing semiconductor technology or the like can be appropriately employed for the patterning of the metal.
このようにして得られた本発明の強誘電体キャパシタは、上述したように強誘電体単結晶に基づく表面電荷を蓄積することができる。このような表面電荷を利用して、本発明の強誘電体キャパシタは、センサや電荷移動スイッチ等の種々の素子と接続し、それらを動作させる電源として機能したり、特定の条件下（例えば、加圧下あるいは加熱下）において、蓄積される表面電荷の電荷量が変化するので、それ自身がセンサとしても機能したりする。 The ferroelectric capacitor of the present invention thus obtained can accumulate surface charges based on a ferroelectric single crystal as described above. Utilizing such surface charges, the ferroelectric capacitor of the present invention is connected to various elements such as sensors and charge transfer switches and functions as a power source for operating them, or under certain conditions (for example, Since the charge amount of the accumulated surface charge changes under pressure or heating), it itself functions as a sensor.
図６は、本発明の強誘電体キャパシタを用いた電子デバイスを示す模式図である。 FIG. 6 is a schematic view showing an electronic device using the ferroelectric capacitor of the present invention.
本発明の電子デバイス６００は、本発明の強誘電体キャパシタ１００と、素子６１０とを備える。強誘電体キャパシタ１００は、図１を参照して説明したとおりである。素子６１０は、強誘電体キャパシタ１００の電荷蓄積領域１１０と金属層１３０との間に接続されており、電荷蓄積領域１１０上に蓄積された表面電荷により動作するか、または、電荷蓄積領域１１０上に蓄積された表面電荷の電荷量の変化を検出する。 An electronic device 600 of the present invention includes the ferroelectric capacitor 100 of the present invention and an element 610. The ferroelectric capacitor 100 is as described with reference to FIG. The element 610 is connected between the charge storage region 110 and the metal layer 130 of the ferroelectric capacitor 100 and operates by the surface charge stored on the charge storage region 110 or on the charge storage region 110. A change in the amount of surface charge accumulated in the surface is detected.
例えば、素子６１０がダイオード等である場合、電荷蓄積領域１１０上に蓄積された表面電荷により容易に動作するので、本発明の電子デバイス６００は、外部電源を不要とするダイオードセンサ等として機能する。 For example, when the element 610 is a diode or the like, the electronic device 600 of the present invention functions as a diode sensor or the like that does not require an external power source because the device 610 operates easily by the surface charge accumulated on the charge accumulation region 110.
例えば、素子６１０がゴミ等の吸着物に対して抵抗値が変化するセンサである場合、本発明の電子デバイス６００は、外部電源を不要とするゴミセンサとして機能する。本発明の電子デバイス６００は、強誘電体キャパシタ１００の電荷蓄積領域１１０上に蓄積された表面電荷を利用して、素子６１０間の抵抗値、あるいは、素子６１０を流れる電流値を測定することにより、その値に変化があれば、吸着物の存在を検出できる。 For example, when the element 610 is a sensor whose resistance value changes with respect to an adsorbent such as dust, the electronic device 600 of the present invention functions as a dust sensor that does not require an external power source. The electronic device 600 of the present invention uses the surface charge accumulated on the charge accumulation region 110 of the ferroelectric capacitor 100 to measure the resistance value between the elements 610 or the current value flowing through the element 610. If there is a change in the value, the presence of adsorbate can be detected.
例えば、素子６１０が電圧計あるいは電流計である場合、本発明の電子デバイス６００は、外部電源を不要とするスイッチとして機能する。本発明の電子デバイス６００は、電荷蓄積領域１１０上に蓄積された、熱（光）あるいは圧力による表面電荷の電荷量の変化を素子６１０が検出することにより、一定量以上の電荷量であればオン（あるいはオフ）と、一定量未満の電荷量であればオフ（あるいはオン）とするスイッチとして機能し得る。 For example, when the element 610 is a voltmeter or an ammeter, the electronic device 600 of the present invention functions as a switch that does not require an external power supply. In the electronic device 600 of the present invention, the element 610 detects a change in the charge amount of the surface charge accumulated on the charge accumulation region 110 due to heat (light) or pressure. It can function as a switch that turns on (or off) and turns off (or on) if the charge amount is less than a certain amount.
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.
［比較例１］
比較例１では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が＋極性面（すなわち、電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部の極性が＋極性である）を有する円形（直径２μｍ）の領域であり、金属層１３０がＡｌ層である強誘電体キャパシタを製造した。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric composition lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge accumulation region 110 has a + polar plane (ie, A ferroelectric capacitor having a circular (diameter: 2 μm) region having a positive polarity within the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 and a metal layer 130 being an Al layer is manufactured. did.
図７は、強誘電体キャパシタを製造するプロセスを示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing a process for manufacturing a ferroelectric capacitor.
図７では、強誘電体キャパシタを製造するプロセスの様子を断面図で、製造した強誘電体キャパシタを上面図で示す。ＳＬＮ単結晶１２０の＋極性面（図７では上面）に電子線に感光するレジスト（ＮＥＢ−２２、ＳＵＭＩＴＯＭＯＣＨＥＭＩＣＡＬ Ｃｏ．，ＬＴＤ製）７１０を塗布した。レジスト７１０に、帯電を防止するためエスペーサ（図示せず）を塗布した。レジスト７１０を電子線リソグラフィによりドーナツ状に感光させ、水洗によりエスペーサを除去し、現像液（ＴＭＡＨ２．３８％）に浸し、感光した領域７２０のレジストを除去した。その後、純水でリンスした。次に、レジストが一部除去されたＳＬＮ単結晶１２０に電子線蒸着法によりＡｌ層７３０を蒸着した。Ａｌ層の厚さは１５０ｎｍであった。次いで、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を用いたリフトオフ過程により領域７２０以外のレジスト７１０およびＡｌ層７３０を除去した。その結果、円形の電荷蓄積領域１１０（直径：２μｍ）を有するＳＬＮ単結晶１２０と、電荷蓄積領域１１０の周りを包囲するように位置するＡｌ層１３０とを備えた比較例１の強誘電体キャパシタが製造された。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing a ferroelectric capacitor, and a top view of the manufactured ferroelectric capacitor. A resist (NEB-22, manufactured by SUMITOMOCHEMICAL Co., LTD) 710 sensitive to an electron beam was applied to the positive polarity surface (upper surface in FIG. 7) of the SLN single crystal 120. An e-spacer (not shown) was applied to the resist 710 to prevent charging. The resist 710 was exposed to a donut shape by electron beam lithography, the e-spacer was removed by washing with water, and the resist 710 was immersed in a developer (TMAH 2.38%) to remove the resist in the exposed region 720. Then, it rinsed with the pure water. Next, an Al layer 730 was deposited on the SLN single crystal 120 from which the resist was partially removed by an electron beam deposition method. The thickness of the Al layer was 150 nm. Next, the resist 710 and the Al layer 730 other than the region 720 were removed by a lift-off process using N-methylpyrrolidone (NMP). As a result, the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 including the SLN single crystal 120 having a circular charge storage region 110 (diameter: 2 μm) and the Al layer 130 positioned so as to surround the charge storage region 110. Was manufactured.
比較例１の強誘電体キャパシタの表面の形状像を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、ＳＩＩ製、ＮａｎｏＮａｖｉ ＩＩ＆Ｅ−ｓｗｅｅｐ）により観察した。観察は、アルゴン雰囲気下にて、Ｓｉカンチレバーを用い、タッピングモードで行った。結果を図８（Ａ）に示す。 The shape image of the surface of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 was observed with an atomic force microscope (AFM, manufactured by SII, NanoNavi II & E-sweep). The observation was performed in a tapping mode using an Si cantilever under an argon atmosphere. The results are shown in FIG.
比較例１の強誘電体キャパシタの電荷蓄積領域における電位像の温度依存性を、ヒータを備えたケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ、ＳＩＩ製、ＮａｎｏＮａｖｉ ＩＩ＆Ｅ−ｓｗｅｅｐ）により観察した。観察は、室温（２５℃）、４０℃、５５℃、７０℃および９０℃の各温度、アルゴン雰囲気下（１気圧）にて、Ｒｈコートカンチレバーを用い、印加電圧５Ｖ、サイクリックスキャンモードで行った。結果を図８（Ｂ）〜（Ｆ）に示す。 The temperature dependence of the potential image in the charge storage region of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 was observed with a Kelvin force microscope (KFM, manufactured by SII, NanoNavi II & E-sweep) equipped with a heater. Observation was performed at room temperature (25 ° C.), 40 ° C., 55 ° C., 70 ° C. and 90 ° C. under an argon atmosphere (1 atm) using an Rh-coated cantilever in an applied voltage of 5 V and cyclic scan mode. It was. The results are shown in FIGS.
比較例１の強誘電体キャパシタにおける、ＳＬＮ単結晶とＡｌ層との間のバンドアライメントを、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ製、Ｔｈｅｔａ Ｐｒｏｂｅ）により評価した。ＸＰＳ用の試料には、比較例１の強誘電体キャパシタにおいて、Ａｌ層を５ｎｍの厚さで製膜したものを用いた。結果を図１２および図１３に示す。 The band alignment between the SLN single crystal and the Al layer in the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 was evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, manufactured by Thermo Fisher Scientific, Theta Probe). As a sample for XPS, the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 in which an Al layer was formed to a thickness of 5 nm was used. The results are shown in FIGS.
［比較例２］
比較例２では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が−極性面（すなわち、電荷蓄積領域１１０に対応する強誘電体単結晶１２０の表面内部の極性が−極性である）を有する円形（直径２μｍ）の領域であり、金属層１３０がＡｌ層である強誘電体キャパシタを製造した。電荷蓄積領域１１０の極性面が逆である以外は、比較例１と同様の手順で製造した。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge accumulation region 110 is a -polar plane (ie, A ferroelectric capacitor having a circular (diameter: 2 μm) region having a negative polarity within the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 and the metal layer 130 being an Al layer is manufactured. did. The charge storage region 110 was manufactured in the same procedure as in Comparative Example 1 except that the polar surface of the charge storage region 110 was reversed.
比較例２の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図９に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 2 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
比較例２の強誘電体キャパシタにおけるＳＬＮ単結晶とＡｌ層との間のバンドアライメントを、比較例１と同様に評価した。結果を図１２および図１３に示す。 Band alignment between the SLN single crystal and the Al layer in the ferroelectric capacitor of Comparative Example 2 was evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIGS.
［実施例３］
実施例３では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が＋極性面を有する円形（直径２μｍ）の領域であり、金属層１３０がＣｒ層である強誘電体キャパシタを製造した。金属層が異なる以外は、比較例１と同様の手順で製造した。
[Example 3]
In Example 3, the ferroelectric single crystal 120 is a monolithic lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 has a circular shape having a + polar plane. A ferroelectric capacitor having a diameter of 2 μm and a metal layer 130 of a Cr layer was manufactured. The same procedure as in Comparative Example 1 was conducted except that the metal layer was different.
実施例３の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図１０に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Example 3 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
実施例３の強誘電体キャパシタにおけるＳＬＮ単結晶とＣｒ層との間のバンドアライメントを、比較例１と同様に評価した。結果を図１２および図１３に示す。 The band alignment between the SLN single crystal and the Cr layer in the ferroelectric capacitor of Example 3 was evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIGS.
［実施例４］
実施例４では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が−極性面を有する円形（直径２μｍ）の領域であり、金属層１３０がＣｒ層である強誘電体キャパシタを製造した。電荷蓄積領域１１０の極性面が逆である以外は、実施例３と同様の手順で製造した。
[Example 4]
In Example 4, the ferroelectric single crystal 120 is a monolithic lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 has a circular shape having a -polar plane. A ferroelectric capacitor having a diameter of 2 μm and a metal layer 130 of a Cr layer was manufactured. The charge storage region 110 was manufactured in the same procedure as in Example 3 except that the polar surface was reversed.
実施例４の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図１１に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Example 4 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
実施例４の強誘電体キャパシタにおけるＳＬＮ単結晶とＣｒ層との間のバンドアライメントを、比較例１と同様に評価した。結果を図１２および図１３に示す。 The band alignment between the SLN single crystal and the Cr layer in the ferroelectric capacitor of Example 4 was evaluated in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIGS.
［実施例５］
実施例５では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が＋極性面を有する円形（直径２μｍ）の領域であり、金属層１３０がＡｕ層である強誘電体キャパシタを製造した。金属層が異なる以外は、比較例１と同様の手順で製造した。
[Example 5]
In Example 5, the ferroelectric single crystal 120 is a monolithic lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 has a circular shape having a + polar plane. A ferroelectric capacitor having a diameter of 2 μm and a metal layer 130 of an Au layer was manufactured. The same procedure as in Comparative Example 1 was conducted except that the metal layer was different.
実施例５の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図１４に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Example 5 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
［実施例６］
実施例６では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が−極性面を有する円形（直径２μｍ）の領域であり、金属層１３０がＡｕ層である強誘電体キャパシタを製造した。電荷蓄積領域１１０の極性面が逆である以外は、実施例５と同様の手順で製造した。
[Example 6]
In Example 6, the ferroelectric single crystal 120 is a monolithic lithium niobate (SLN) single crystal having a single polarization structure (thickness 0.5 mm), and the charge storage region 110 is a circular shape having a −polar plane. A ferroelectric capacitor having a diameter of 2 μm and a metal layer 130 of an Au layer was manufactured. The charge storage region 110 was manufactured in the same procedure as in Example 5 except that the polarity plane was reversed.
実施例６の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図１５に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Example 6 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
［実施例７］
実施例７では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が＋極性面を有する円形（直径２μｍ）と矩形（長手方向の長さ３μｍ）とを組み合わせた領域であり、金属層１３０がＣｒ層である強誘電体キャパシタを製造した。また、金属層１３０は、電荷蓄積領域１１０を包囲することなく、一部が開放するように蒸着した。電子線を照射するパターンが異なる以外は、比較例１と同様の手順で製造した。
[Example 7]
In Example 7, the ferroelectric single crystal 120 is a monolithic composition lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 has a circular shape having a + polar plane. A ferroelectric capacitor having a combination of (diameter: 2 μm) and a rectangle (length in the longitudinal direction: 3 μm) in which the metal layer 130 is a Cr layer was manufactured. Further, the metal layer 130 was deposited so as to partially open without surrounding the charge storage region 110. It manufactured in the same procedure as the comparative example 1 except the pattern which irradiates an electron beam differing.
実施例７の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図１６に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Example 7 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
［参考例８］
参考例８では、強誘電体単結晶１２０が単一分極構造を有する定比組成ニオブ酸リチウム（ＳＬＮ）単結晶（厚さ０．５ｍｍ）であり、電荷蓄積領域１１０が＋極性面を有する矩形（長手方向の長さ５０μｍ）の領域であり、金属層１３０がＡｌ層である強誘電体キャパシタを製造した。参考例８では、ＳＬＮ単結晶の表面に電子線蒸着によりＳｉＯ２層（２００ｎｍ）を付与しており、電子線を照射するパターンが異なる以外は、比較例１と同様の手順で製造した。
[Reference Example 8]
In Reference Example 8, the ferroelectric single crystal 120 is a monolithic lithium niobate (SLN) single crystal (thickness 0.5 mm) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a rectangle having a + polar plane. A ferroelectric capacitor having a region (length in the longitudinal direction of 50 μm) and the metal layer 130 being an Al layer was manufactured. In Reference Example 8, a SiO 2 layer (200 nm) was applied to the surface of the SLN single crystal by electron beam evaporation, and the same procedure as in Comparative Example 1 was performed except that the pattern irradiated with the electron beam was different.
参考例８の強誘電体キャパシタの形状像および電位像を、比較例１と同様にして観察した。結果を図１７に示す。 The shape image and potential image of the ferroelectric capacitor of Reference Example 8 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
以上の実施例、比較例および参考例の実験条件の一覧を簡単のために表３に示す。
図８は、比較例１の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。
図９は、比較例２の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1.
FIG. 9 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 2.
形状像において、明るく示される領域と暗く示される領域とは物体の高低差があることを示しており、明るく示される領域の高さは、暗く示される領域の高さよりも高い。図８（Ａ）および図９（Ａ）によれば、比較例１および比較例２の強誘電体キャパシタは、円形（直径２±０．５μｍ）の電荷蓄積領域を有しており、その周りに金属層が位置することにより高低差が生じていることを確認した。 In the shape image, the brightly shown region and the darkly shown region indicate that there is a difference in height of the object, and the height of the brightly shown region is higher than the height of the darkly shown region. According to FIGS. 8A and 9A, the ferroelectric capacitors of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 have a circular (diameter 2 ± 0.5 μm) charge storage region around It was confirmed that a difference in height was caused by the presence of the metal layer.
電位像において、明るく示される領域と暗く示される領域とは電位の高低差があることを示しており、明るく示される領域の電位は、暗く示される領域の電位と異なる。図８（Ｂ）〜（Ｆ）および図９（Ｂ）〜（Ｆ）によれば、比較例１および比較例２の強誘電体キャパシタは、いずれも、ＳＬＮ単結晶を加熱しても電荷蓄積領域内に電位の上昇を示さず、表面電荷が蓄積されないことが分かった。 In the potential image, it is shown that there is a difference in potential between the region shown bright and the region shown dark, and the potential of the region shown bright is different from the potential of the region shown dark. According to FIGS. 8B to 8F and FIGS. 9B to 9F, the ferroelectric capacitors of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are both charged even when the SLN single crystal is heated. It was found that there was no potential increase in the region and no surface charge was accumulated.
図１０は、実施例３の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。
図１１は、実施例４の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Example 3.
FIG. 11 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Example 4.
図１０（Ａ）および図１１（Ａ）によれば、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタが、円形（直径２±０．５μｍ）の電荷蓄積領域を有することを確認した。 10A and 11A, it was confirmed that the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 had a circular (diameter 2 ± 0.5 μm) charge storage region.
図１０（Ｂ）および図１１（Ｂ）によれば、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタの、電荷蓄積領域の電位と金属層の電位とは、ほぼ等しかった。このことから、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタが、室温において、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示し、電荷蓄積領域上に自発分極により誘起された表面電荷を蓄積することが分かった。 According to FIGS. 10B and 11B, the potential of the charge storage region and the potential of the metal layer of the ferroelectric capacitors of Examples 3 and 4 were almost equal. From this, the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 show an increase in potential in the charge accumulation region at room temperature, and accumulate surface charges induced by spontaneous polarization on the charge accumulation region. I understood.
さらに、図１０（Ｃ）〜（Ｆ）および図１１（Ｃ）〜（Ｆ）によれば、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタは、ＳＬＮ単結晶を加熱しても、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示した。より詳細には、ＳＬＮ単結晶の温度上昇に伴い、７０℃付近で電位の上昇がもっとも大きくなり、その後、電位がわずかに減少した。このことから、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタは、焦電効果により誘起された表面電荷を蓄積することが分かった。また、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタにおいて、電荷蓄積領域表面の極性依存性はほとんど見られないことが分かった。 Further, according to FIGS. 10 (C) to (F) and FIGS. 11 (C) to (F), the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 are capable of accumulating charges even when the SLN single crystal is heated. An increase in potential within the region was shown. More specifically, as the temperature of the SLN single crystal increased, the potential increased most around 70 ° C., and then the potential decreased slightly. From this, it was found that the ferroelectric capacitors of Examples 3 and 4 accumulate the surface charge induced by the pyroelectric effect. In addition, in the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4, it was found that the polarity dependence on the surface of the charge storage region was hardly observed.
図１２は、比較例１〜比較例２および実施例３〜実施例４の強誘電体キャパシタにおけるＮｂ３ｄのＸＰＳスペクトルを示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing XPS spectra of Nb3d in the ferroelectric capacitors of Comparative Examples 1 to 2 and Examples 3 to 4.
図１２には、基準として、＋極性面および−極性面のＳＬＮ単結晶基板におけるＮｂ３ｄのＸＰＳスペクトルを併せて示す。これは、ＳＬＮ単結晶基板と金属層との間に反応層がない場合、結合エネルギーと価電子帯上端のエネルギーとは一定間隔であるため、ＳＬＮ単結晶基板の結合エネルギーと価電子帯上端のエネルギーとのエネルギー差と比較することで積層構造のＳＬＮの価電子帯を見積もることができ、相対的なバンドアライメントの評価が可能であるためである。ＳＬＮ単結晶基板のＮｂ３ｄＸＰＳスペクトルは、＋極性面、−極性面のいずれも、２０６．２５ｅＶおよび２０９ｅＶの結合エネルギーにおいてピークを示した。 In FIG. 12, XPS spectra of Nb3d in the SLN single crystal substrate of the + polar plane and the −polar plane are also shown as a reference. This is because when there is no reaction layer between the SLN single crystal substrate and the metal layer, the bond energy and the energy at the top of the valence band are at a constant interval. This is because the valence band of the stacked SLN can be estimated by comparing with the energy difference from the energy, and the relative band alignment can be evaluated. The Nb3dXPS spectrum of the SLN single crystal substrate showed peaks at the binding energies of 206.25 eV and 209 eV on both the + polar plane and the −polar plane.
図１２によれば、比較例１および比較例２の強誘電体キャパシタにおけるＮｂ３ｄのＸＰＳスペクトルは、いずれも、わずかながら低エネルギー側にシフトした。一方、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタにおけるＮｂ３ｄのＸＰＳスペクトルは、いずれも高エネルギー側に著しくシフトした。なお、シフト量は、ＳＬＮ単結晶の表面の極性に依存しなかった。 According to FIG. 12, the XPS spectra of Nb3d in the ferroelectric capacitors of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 both slightly shifted to the low energy side. On the other hand, the XPS spectra of Nb3d in the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 both shifted significantly to the high energy side. The shift amount did not depend on the polarity of the surface of the SLN single crystal.
図１３は、図１２に示すＸＰＳスペクトルから求めたバンドアライメントの模式図である。 FIG. 13 is a schematic diagram of band alignment obtained from the XPS spectrum shown in FIG.
図１２のシフト量から各強誘電体キャパシタにおけるバンドアライメントを評価した。図１３に示すように、比較例１および比較例２の強誘電体キャパシタでは、ＳＬＮ単結晶とＡｌ層との接触界面に、ｐ型のオーミック接合が形成されており、実施例３および実施例４の強誘電体キャパシタでは、ＳＬＮ単結晶とＣｒ層との接触界面に、ｐ型のショットキー接合が形成されていることが分かった。 Band alignment in each ferroelectric capacitor was evaluated from the shift amount of FIG. As shown in FIG. 13, in the ferroelectric capacitors of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, a p-type ohmic junction is formed at the contact interface between the SLN single crystal and the Al layer. It was found that in the ferroelectric capacitor No. 4, a p-type Schottky junction was formed at the contact interface between the SLN single crystal and the Cr layer.
以上より、本発明の強誘電体キャパシタは、分極の方向が表面に対して実質垂直となるように制御され、その表面の一部の領域に電荷蓄積領域を有する強誘電体単結晶と、電荷蓄積領域の周りに位置する金属層とを備えており、強誘電体単結晶と金属層との接触界面にショットキー接合が形成されており、これにより、電荷蓄積領域上に強誘電体単結晶に基づく表面電荷が蓄積されることが示された。 As described above, the ferroelectric capacitor of the present invention is controlled so that the direction of polarization is substantially perpendicular to the surface, and the ferroelectric single crystal having a charge accumulation region in a partial region of the surface, A metal layer located around the storage region, and a Schottky junction is formed at the contact interface between the ferroelectric single crystal and the metal layer, whereby the ferroelectric single crystal is formed on the charge storage region. It has been shown that surface charges based on are accumulated.
図１４は、実施例５の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。
図１５は、実施例６の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Example 5.
FIG. 15 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Example 6.
図１４（Ａ）および図１５（Ａ）によれば、実施例５および実施例６の強誘電体キャパシタが、円形（直径２±０．５μｍ）の電荷蓄積領域を有することを確認した。 14A and 15A, it was confirmed that the ferroelectric capacitors of Example 5 and Example 6 had a circular (2 ± 0.5 μm diameter) charge storage region.
図１４（Ｂ）および図１５（Ｂ）によれば、実施例５および実施例６の強誘電体キャパシタは、いずれも、室温において、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示し、自発分極により誘起された表面電荷を蓄積することが分かった。実施例５および実施例６の強誘電体キャパシタにおいて、電荷蓄積領域表面の極性依存性はほとんど見られないといえる。図示しないが、実施例５および実施例６の強誘電体キャパシタにおいて、ＳＬＮ単結晶を加熱すると、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示すことを確認した。 According to FIGS. 14B and 15B, the ferroelectric capacitors of Example 5 and Example 6 both show an increase in potential in the charge storage region at room temperature and are induced by spontaneous polarization. It has been found that the stored surface charge accumulates. In the ferroelectric capacitors of Example 5 and Example 6, it can be said that there is almost no polarity dependence on the surface of the charge storage region. Although not shown, in the ferroelectric capacitors of Example 5 and Example 6, it was confirmed that when the SLN single crystal was heated, the potential in the charge accumulation region was increased.
以上より、本発明の強誘電体キャパシタにおいて、強誘電体単結晶と金属層との接触界面にｐ型ショットキー接合が形成される場合、強誘電体単結晶の仕事関数φＦ（例えば、ＳＬＮ単結晶の仕事関数は５．３ｅＶ）は、金属層の仕事関数φＭ（例えば、Ｃｒの仕事関数は４．５ｅＶ、Ａｕの仕事関数は４．６ｅＶ）よりも大きいことを満たしており、好ましくは、金属層の仕事関数が４．５ｅＶ以上であることが示された。また、電荷蓄積領域の直径（あるいは長手方向の長さ）は、１．５μｍ以上であることが好ましいことが分かった。 As described above, in the ferroelectric capacitor of the present invention, when a p-type Schottky junction is formed at the contact interface between the ferroelectric single crystal and the metal layer, the work function φ F of the ferroelectric single crystal (for example, SLN The work function of the single crystal is 5.3 eV) satisfying that the work function φM of the metal layer (for example, the work function of Cr is 4.5 eV and the work function of Au is 4.6 eV), preferably The work function of the metal layer was shown to be 4.5 eV or more. Further, it was found that the diameter (or length in the longitudinal direction) of the charge storage region is preferably 1.5 μm or more.
図１６は、実施例７の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Example 7.
図１６（Ａ）によれば、画像は不鮮明ながらも、実施例７の強誘電体キャパシタが、円形（直径２±０．５μｍ）と矩形（長手方向の長さ３±０．５μｍ）とを組み合わせた電荷蓄積領域を有することを確認した。この場合、電荷蓄積領域の直径は、５μｍと見積もることができる。 According to FIG. 16 (A), although the image is unclear, the ferroelectric capacitor of Example 7 has a circular shape (diameter 2 ± 0.5 μm) and a rectangular shape (longitudinal length 3 ± 0.5 μm). It was confirmed to have a combined charge storage region. In this case, the diameter of the charge storage region can be estimated to be 5 μm.
図１６（Ｂ）によれば、画像は不鮮明ながらも、実施例７の強誘電体キャパシタが、室温において、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示し、自発分極により誘起された表面電荷を蓄積することが分かった。実施例７の強誘電体キャパシタでは、金属層が電荷蓄積領域を完全に包囲することなく、一部開放した状態であるが、表面電荷の蓄積に影響がないことを確認した。 According to FIG. 16B, although the image is unclear, the ferroelectric capacitor of Example 7 shows an increase in the potential in the charge accumulation region at room temperature, and accumulates surface charges induced by spontaneous polarization. I understood that. In the ferroelectric capacitor of Example 7, it was confirmed that the metal layer did not completely surround the charge storage region and was partially opened, but the surface charge accumulation was not affected.
以上から、本発明の強誘電体キャパシタにおいて、金属層は、電荷蓄積領域を完全に包囲する必要はなく、少なくとも電荷蓄積領域の周りに位置していればよいことが示された。また、本発明の強誘電体キャパシタにおいて、電荷蓄積領域の形状は、円形に制限されるものではなく、任意の形状であってもよいことが示された。 From the above, it has been shown that in the ferroelectric capacitor of the present invention, the metal layer does not need to completely surround the charge storage region, and may be located at least around the charge storage region. Moreover, in the ferroelectric capacitor of the present invention, it has been shown that the shape of the charge storage region is not limited to a circle but may be an arbitrary shape.
図１７は、参考例８の強誘電体キャパシタの形状像と電位像とを示す図である。 FIG. 17 is a diagram showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of Reference Example 8.
図１７（Ａ）によれば、参考例８の強誘電体キャパシタが、矩形（長手方向の長さ５０±５μｍ）の電荷蓄積領域を有することを確認した。 As shown in FIG. 17A, it was confirmed that the ferroelectric capacitor of Reference Example 8 had a rectangular (longitudinal length 50 ± 5 μm) charge storage region.
図１７（Ｂ）によれば、参考例８の強誘電体キャパシタは、室温において、電荷蓄積領域内の金属層近傍において電位の上昇を示し、自発分極により誘起された表面電荷を蓄積することが分かった。参考例８の強誘電体キャパシタは、ＳＬＮ単結晶とＡｌ層との間の界面の影響を無視するためにＳｉＯ２層を挿入している点が本発明の強誘電体キャパシタとは異なるが、効率的に表面電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域の直径（あるいは長手方向の長さ）の上限は、５５μｍであると示唆される。 According to FIG. 17B, the ferroelectric capacitor of Reference Example 8 shows an increase in potential near the metal layer in the charge accumulation region at room temperature, and accumulates surface charge induced by spontaneous polarization. I understood. The ferroelectric capacitor of Reference Example 8 is different from the ferroelectric capacitor of the present invention in that the SiO 2 layer is inserted in order to ignore the influence of the interface between the SLN single crystal and the Al layer. It is suggested that the upper limit of the diameter (or length in the longitudinal direction) of the charge accumulation region that can efficiently accumulate the surface charge is 55 μm.
本発明の強誘電体キャパシタは、強誘電体単結晶に由来する分極電荷を遮蔽するだけの電荷（表面電荷）を蓄積することができるので、自然エネルギーを利用した電源として機能し得る。また、本発明の強誘電体キャパシタは、焦電効果あるいは圧電効果に誘起して蓄積される表面電荷の電荷量が変化するので、このような電荷量の変化を利用したスイッチとしても機能し得る。さらに、本発明の強誘電体キャパシタを電源として、センサや電荷移動スイッチ等と接続し、電子デバイスを構築できる。また、本発明の強誘電体キャパシタは電子線リソグラフィなど選択した製造技術によりナノスケール化が可能であるので、ナノスケールの電源あるいは電子デバイスを提供できる。 Since the ferroelectric capacitor of the present invention can accumulate charges (surface charges) sufficient to shield polarization charges derived from a ferroelectric single crystal, it can function as a power source using natural energy. In addition, the ferroelectric capacitor of the present invention changes the charge amount of the surface charge that is accumulated by being induced by the pyroelectric effect or the piezoelectric effect. Therefore, the ferroelectric capacitor can also function as a switch using such a change in charge amount. . Furthermore, an electronic device can be constructed by connecting the ferroelectric capacitor of the present invention as a power source to a sensor, a charge transfer switch, or the like. In addition, since the ferroelectric capacitor of the present invention can be nanoscaled by a selected manufacturing technique such as electron beam lithography, a nanoscale power supply or electronic device can be provided.
１００ 強誘電体キャパシタ
１１０ 電荷蓄積領域
１２０ 強誘電体単結晶
１３０ 金属層
１４０ 強誘電体単結晶の表面
１５０、４２０、５３０ 表面電荷
４１０ 圧力
５１０ 光
５２０ 加熱装置
６００ 電子デバイス
６１０ 素子
７１０ レジスト
７２０ 領域
７３０ Ａｌ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Ferroelectric capacitor 110 Charge storage area 120 Ferroelectric single crystal 130 Metal layer 140 Surface of ferroelectric single crystal 150, 420, 530 Surface charge 410 Pressure 510 Light 520 Heating device 600 Electronic device 610 Element 710 Resist 720 Area 730 Al layer
Claims (11)
前記電荷蓄積領域の周りに位置する金属層と
を備え、
前記強誘電体単結晶と前記金属層との接触界面にショットキー接合が形成されており、
前記強誘電体単結晶に基づく電荷は、前記電荷蓄積領域上に閉じ込められ、蓄積される、強誘電体キャパシタ。 A ferroelectric single crystal having a charge storage region in which the direction of polarization is controlled, wherein the charge storage region is a partial region of the surface of the ferroelectric single crystal; and
A metal layer located around the charge storage region,
A Schottky junction is formed at the contact interface between the ferroelectric single crystal and the metal layer,
A ferroelectric capacitor in which charges based on the ferroelectric single crystal are confined and stored on the charge storage region.
前記ショットキー接合がｎ型ショットキー接合である場合、前記強誘電体単結晶の仕事関数φＦは、前記金属層の仕事関数φＭよりも小さい、請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。 When the Schottky junction is a p-type Schottky junction, the work function φ F of the ferroelectric single crystal is larger than the work function φ M of the metal layer,
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein when the Schottky junction is an n-type Schottky junction, a work function φ F of the ferroelectric single crystal is smaller than a work function φ M of the metal layer.
前記金属層は、４．５ｅＶ以上の仕事関数を有する金属からなる、請求項３に記載の強誘電体キャパシタ。 The ferroelectric single crystal is a lithium niobate single crystal,
The ferroelectric capacitor according to claim 3, wherein the metal layer is made of a metal having a work function of 4.5 eV or more.
前記電荷蓄積領域に対応する前記強誘電体単結晶の表面内部の極性は、＋極性または−極性のいずれかである、請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。 The ferroelectric single crystal is controlled in the direction of polarization so as to have a single polarization structure,
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein a polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is either a positive polarity or a negative polarity.
前記電荷蓄積領域に対応する前記強誘電体単結晶の表面内部の極性は、＋極性または−極性のいずれかである、請求項１に記載の強誘電体キャパシタ。 In the ferroelectric single crystal, the direction of polarization is controlled so as to have a polarization inversion structure,
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein a polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is either a positive polarity or a negative polarity.
前記強誘電体キャパシタは、請求項１〜１０のいずれかに記載の強誘電体キャパシタであり、
前記素子は、前記電荷蓄積領域と前記金属層との間に接続されており、前記電荷蓄積領域上に蓄積された電荷により動作するか、または、前記電荷蓄積領域上に蓄積された電荷の電荷量の変化を検出する、電子デバイス。 An electronic device comprising a ferroelectric capacitor and an element,
The ferroelectric capacitor is the ferroelectric capacitor according to any one of claims 1 to 10,
The element is connected between the charge storage region and the metal layer, and operates by the charge stored on the charge storage region, or the charge of the charge stored on the charge storage region An electronic device that detects changes in quantity.
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