JP2017098343A - 可変容量デバイス及びアンテナ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を抑制すること。【解決手段】第１端子電極５０及び第２端子電極５２と、前記第１端子電極と前記第２端子電極との間に直列に接続され、交流信号の電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有する誘電体層２４と前記誘電体層を挟む下部電極２２及び上部電極２６とを有し、直流電圧が印加されることで容量が変化するする複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈと、を備え、前記複数のキャパシタは、初期容量Ｃ１の１又は複数のキャパシタ２０ａ、２０ｈと、第１初期容量Ｃ１とは異なる初期容量Ｃ２の１又は複数のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇと、を含む可変容量デバイス。【選択図】図４

Description

本発明は、可変容量デバイス及びアンテナ回路に関する。

例えば近距離無線通信（ＮＦＣ：Near Field Communication）モジュールや無線給電モジュールでは、アンテナに用いられるコイルの電気特性のばらつきや使用環境などにより予め定められた共振周波数が変化することが生じている。近年の携帯端末などの小型化に伴いアンテナも小さくなっているため、共振周波数の変化が回路設計では許容できなくなってきている。そこで、共振周波数を調整するために、直流バイアス電圧によって容量が変化する可変容量デバイスを用いることが知られている。

また、可変容量デバイスを用いて共振周波数を変化させることで、アンテナに過大な受信電圧が入力されることにより後段の集積回路が破壊されることを抑制することが知られている（例えば、特許文献１）。また、耐圧性の向上や交流電力処理能力の向上のために、複数の可変容量デバイスを交流信号に対して直列に接続させることが知られている（例えば、特許文献２、３）。

特開２０１０−５５５７０号公報 特開２０１１−１１９４８２号公報 特表２００５−５０８０９６号公報

可変容量デバイスは、直流バイアス電圧に対して容量の変化が大きく、かつ入力される交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化が小さいことが望ましい。しかしながら、従来の可変容量デバイスでは、この点に関して改善の余地が残されている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化が抑制された可変容量デバイス及びアンテナ回路を提供することを目的とする。

本発明は、第１端子電極及び第２端子電極と、前記第１端子電極と前記第２端子電極との間に直列に接続され、交流信号の電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有する誘電体層と前記誘電体層を挟む下部電極及び上部電極とを有し、直流電圧が印加されることで容量が変化する複数のキャパシタと、を備え、前記複数のキャパシタは、第１初期容量の１又は複数のキャパシタと、前記第１初期容量とは異なる１又は複数の初期容量の１又は複数のキャパシタと、を含むことを特徴とする可変容量デバイスである。

上記構成において、前記第１初期容量の１又は複数のキャパシタは、前記誘電体層を挟んで前記下部電極と前記上部電極とが対向する面積、前記誘電体層の厚さ、及び前記誘電体層の材料の少なくとも１つが前記第１又は複数の初期容量の１又は複数のキャパシタと異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のキャパシタは、第１初期容量を有する１又は複数の第１キャパシタと、前記第１初期容量と異なる第２初期容量を有し、前記第１キャパシタと同数の第２キャパシタと、で構成されている構成とすることができる。

上記構成において、直流電圧の印加に用いられる、第３端子電極及び第４端子電極を備え、前記複数のキャパシタは、前記第３端子電極と前記第４端子電極との間に並列に接続されている構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のキャパシタは、同じ大きさの前記直流電圧が印加される構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタに印加される前記直流電圧の大きさは、他のキャパシタに印加される前記直流電圧の大きさと異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のキャパシタのうちの少なくとも２つのキャパシタは積層されている構成とすることができる。

上記構成において、積層された前記少なくとも２つのキャパシタは、初期容量が異なる構成とすることができる。

上記構成において、前記複数のキャパシタの容量は、前記誘電体層を挟んで前記下部電極と前記上部電極とが対向する一続きの領域で決定される構成とすることができる。

本発明は、上記のいずれかに記載の可変容量デバイスを備えることを特徴とするアンテナ回路である。

本発明によれば、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を抑制することができる。

図１は、初期容量が同じキャパシタを直列接続させた可変容量デバイスにおける、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化の実験結果を示す図である。 図２は、図１の実験結果を、横軸を直列接続されたキャパシタの個数、縦軸を交流信号の電圧の実効値が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲での容量の変化量として表した図である。 図３は、実施例１に係る可変容量デバイスの回路図である。 図４は、実施例１に係る可変容量デバイスの上面図である。 図５は、図４のＡ−Ａ間の断面図である。 図６は、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３を用いた可変容量デバイスにおいて、製膜温度が異なった場合又は製膜される基板の種類が異なった場合での、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化率を示す図である。 図７（ａ）は、図４のＢ−Ｂ間の断面図、図７（ｂ）は、図４のＣ−Ｃ間の断面図である。 図８は、実施例１及び比較例１の可変容量デバイスにおける、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の測定結果を示す図である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、キャパシタに印加する直流バイアス電圧の大きさを変えたときの、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の実験結果を示す図である。 図１０は、実施例１の可変容量デバイスにおいて、交流信号の振幅（電圧）に対する初期容量Ｃ１のキャパシタの容量変化及び初期容量Ｃ２のキャパシタの容量変化の測定結果を示す図である。 図１１（ａ）は、実施例１〜実施例１の変形例１〜５の可変容量デバイスにおいて、初期容量Ｃ１、Ｃ２の容量比を変えた場合での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の実験結果を示す図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の一部を拡大した図である。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、実施例１の変形例１において、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくならなかった理由を説明するための図（その１）である。 図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例１の変形例１において、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくならなかった理由を説明するための図（その２）である。 図１４は、各種材料を誘電体層に用いたキャパシタを交流信号の入出力端子間に１個接続させた場合における、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の測定結果を示す図である。 図１５は、実施例２に係る可変容量デバイスの断面図である。 図１６は、実施例３に係る可変容量デバイスの断面図である。 図１７は、実施例４に係る可変容量デバイスの断面図である。 図１８は、実施例５に係る可変容量デバイスの上面図である。 図１９は、実施例５の変形例１に係る可変容量デバイスの上面図である。 図２０は、実施例６に係る可変容量デバイスの回路図である。 図２１は、実施例６に係る可変容量デバイスの上面図である。 図２２は、図２１のＡ−Ａ間の断面図である。 図２３（ａ）は、図２１のＢ−Ｂ間の断面図、図２３（ｂ）は、図２１のＣ−Ｃ間の断面図、図２３（ｃ）は、図２１のＤ−Ｄ間の断面図である。 図２４は、実施例６及び比較例２の可変容量デバイスにおける、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の測定結果を示す図である。 図２５は、実施例６の可変容量デバイスにおいて、交流信号の振幅（電圧）に対する初期容量Ｃ１のキャパシタの容量変化及び初期容量Ｃ２のキャパシタの容量変化の測定結果を示す図である。 図２６（ａ）は、実施例６〜実施例６の変形例１〜５の可変容量デバイスにおいて、初期容量Ｃ１、Ｃ２の容量比を変えた場合での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の実験結果を示す図、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）の一部を拡大した図である。 図２７は、実施例７に係る可変容量デバイスの断面図である。 図２８は、実施例８に係る可変容量デバイスの必要部の回路図である。 図２９は、実施例９に係るアンテナ回路を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

まず、発明者が行った実験について説明する。発明者は、厚さ９０ｎｍのＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３が誘電体層に用いられ且つ初期容量が同じキャパシタを直列に接続させた可変容量デバイスに対して、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化について実験を行った。実験は、交流信号の入出力端子間に１個、２個、４個、６個、又は８個のキャパシタを直列に接続させ、各キャパシタに印加する直流バイアス電圧を０Ｖとして行った。なお、初期容量とは、キャパシタに直流バイアス電圧が印加されていない状態で交流信号電圧の実効値が１Ｖｒｍｓを印加して測定したときの容量である。

図１は、初期容量が同じキャパシタを直列接続させた可変容量デバイスにおける、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化の実験結果を示す図である。図１の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。縦軸は、交流信号電圧の実効値が１Ｖｒｍｓのときの容量値を基準（１００％）とした容量変化率である。図１のように、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３のような直流バイアス電圧によって容量が大きく変化する材料を誘電体層に用いた場合、交流信号電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有する場合があることが分かる。

図２は、図１の実験結果を、横軸を直列接続されたキャパシタの個数、縦軸を交流信号電圧の実効値が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲での容量の変化量（最大容量−最小容量）として表した図である。図２のように、直列接続されるキャパシタの個数を増やすことで交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化量を小さくできるが、キャパシタの個数を増やすほど容量の変化量が小さくなる訳ではなく、ある個数（図２では６個）より多くしても容量の変化量はほとんど変わらないことが分かる。

このように、複数のキャパシタを直列に接続させるだけでは、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を小さくすることに限界がある。そこで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化をより小さくすることが可能な実施例を以下に説明する。

図３は、実施例１に係る可変容量デバイス１００の回路図である。図３のように、実施例１の可変容量デバイス１００は、高周波（例えば１００ｋＨｚ以上（例えば１３．５６ＭＨｚ）の周波数）の交流信号が入出力される、第１端子１０と第２端子１２との間に複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈが直列に接続されている。第１端子１０及び第２端子１２に近い２つのキャパシタ２０ａ、２０ｈの初期容量Ｃ１は、その他のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの初期容量Ｃ２よりも大きくなっている。なお、交流信号の周波数は上記の値（例えば１３．５６ＭＨｚ）に限定されるものではない。

複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、直流バイアス電圧の印加に用いられる、第３端子１４と第４端子１６との間に並列に接続されている。複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの一端は、交流除去用の抵抗Ｒを介して第３端子１４に接続されている。複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの他端は、交流除去用の抵抗Ｒを介して第４端子１６に接続されている。全ての抵抗Ｒは、例えば同じ大きさの抵抗値を有する。第４端子１６は、例えばグランドに接続される。第３端子１４と第４端子１６との間に印加される直流バイアス電圧の大きさに応じて、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの容量が変化する。

図４は、実施例１に係る可変容量デバイス１００の上面図である。図５は、図４のＡ−Ａ間の断面図である。なお、図４においては、図の明瞭化のために配線層４４を破線で示し且つ絶縁膜の図示は省略している。図４及び図５のように、実施例１の可変容量デバイス１００は、上面に絶縁膜３２が形成された支持基板３０上に、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈが形成されている。支持基板３０は、例えば厚さ２００μｍのシリコン（Ｓｉ）基板である。絶縁膜３２は、例えば厚さ１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜である。なお、支持基板３０として、例えば石英基板、アルミナ基板、サファイア基板、又はガラス基板などの絶縁性基板を用いてもよいし、例示のようにＳｉなどの導電性基板（好ましくは高抵抗基板）を用いてもよい。絶縁性基板を用いる場合は、上面の絶縁膜を省略することができる。導電性基板を用いる場合は、上面に絶縁膜が形成されることが好ましい。

複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、絶縁膜３２上に密着層３４を介して形成された下部電極２２と、下部電極２２上に形成された誘電体層２４と、誘電体層２４上に形成された上部電極２６と、で構成されている。なお、密着層３４は形成されていない場合でもよい。キャパシタ２０ａとキャパシタ２０ｂとは、互いの下部電極２２が接続されて一体となっている。同様に、キャパシタ２０ｃとキャパシタ２０ｄ、キャパシタ２０ｅとキャパシタ２０ｆ、及びキャパシタ２０ｇとキャパシタ２０ｈも、互いの下部電極２２が接続されて一体となっている。なお、下部電極２２が接続されずに分離されていて、別の配線などによって電気的に接続されている場合でもよい。

下部電極２２及び上部電極２６は、例えば厚さ２５０ｎｍの白金（Ｐｔ）である。誘電体層２４は、例えば厚さ９０ｎｍで、マンガン（Ｍｎ）が添加されたＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ_３）層であり、組成比はＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３である。なお、リーク特性を改善する目的で、Ｍｎ以外の、例えばニオブ（Ｎｂ）などを添加してもよいし、耐圧特性など他の特性の改善のために、その他の微量添加物を添加してもよい。また、ＢａとＳｒの組成比は０．５：０．５の場合に限られず、後述の００５６段落や図１４のように、その他の組成比に適宜変更することができる。

誘電体層２４は、図１のように、交流信号電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有するように作製した。誘電体層が同一組成であっても、製膜温度や製膜される基板などにより極大値を取らないものもあるため、適宜選択すればよく組成条件や製膜条件については限定しない。同一組成であっても製膜条件が異なれば交流信号の電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性が変化する。図６は、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３を用いた可変容量デバイスにおいて、製膜温度が異なった場合又は製膜される基板の種類が異なった場合での、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化率を示す図である。図６の横軸は、デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。縦軸は、交流信号電圧の実効値が１Ｖｒｍｓのときの容量値を基準（１００％）とした容量変化率である。図６のように、ＳｉＯ_２膜付きＳｉ基板上に製膜温度５００℃（実施例１で作製したときの条件）でＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３を製膜した場合が、低温製膜条件である製膜温度３５０℃で製膜したときよりも適した特性となっている。また、製膜される基板では、ＳｉＯ_２膜付きＳｉ基板よりも、ＭｇＯ基板を使用した方がより適した特性となっている。実施例１では、交流信号電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有する誘電体層を選択して用いることに特徴がある。

密着層３４は、例えばチタン（Ｔｉ）層や酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）層である。なお、下部電極２２及び上部電極２６として、例えばイリジウム（Ｉｒ）又はルテニウム（Ｒｕ）などの貴金属や、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）などの導電性酸化物を用いてもよい。

キャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとは、誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積が異なっている。キャパシタ２０ａ、２０ｈにおいて誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積は、キャパシタ２０ｂ〜２０ｇにおいて誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積よりも大きくなっている。このため、キャパシタ２０ａ、２０ｈの初期容量Ｃ１は、キャパシタ２０ｂ〜２０ｇの初期容量Ｃ２よりも大きくなっている。また、キャパシタ２０ａ、２０ｈは、誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積は同じになっているため、それぞれの初期容量Ｃ１は同じになっている。同様に、キャパシタ２０ｂ〜２０ｇは、誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積は同じになっているため、それぞれの初期容量Ｃ２は同じになっている。

絶縁膜３２上に、上部電極２６の上面を露出させ且つ他の領域を覆う絶縁膜３６が形成されている。絶縁膜３６は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）などの密着層３８を介して形成されているが、密着層３８が形成されていない場合でもよい。絶縁膜３６は、例えば厚さ１００ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜である。なお、絶縁膜３６として、Ａｌ_２Ｏ_３膜以外にも、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜、又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）膜などを用いてもよい。また、絶縁膜３６は、これらの単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。

絶縁膜３６上に、上部電極２６の上面を露出させる開口を有する絶縁膜４０が形成されている。絶縁膜４０の開口には、シード層４２を介して、配線層４４が埋め込まれている。なお、シード層４２は形成されていない場合でもよい。絶縁膜４０及び配線層４４上に、絶縁膜４６が形成されている。絶縁膜３６、４０、４６は、保護膜としての機能を有する。複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、配線層４４によって、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列に接続されている。また、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、配線層４４によって、第３端子電極５４と第４端子電極５６との間に並列に接続されている。第１端子電極５０から第４端子電極５６は、例えば厚さ１０μｍで、Ｃｕ、Ｎｉ、錫（Ｓｎ）がこの順に積層された積層膜である。なお、第１端子電極５０から第４端子電極５６は、金（Ａｕ）や半田を用いてもよい。第１端子電極５０は図３の第１端子１０に対応し、第２端子電極５２は図３の第２端子１２に対応する。第３端子電極５４は図３の第３端子１４に対応し、第４端子電極５６は図３の第４端子１６に対応する。

絶縁膜４０、４６は、例えば厚さ３μｍのポリイミド膜である。配線層４４は、例えば厚さ４μｍの銅（Ｃｕ）メッキである。シード層４２は、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）とタンタル（Ｔａ）とＣｕの積層膜である。なお、絶縁膜４０、４６として、例えばＳｉＯ_２膜やＳｉＮ膜などの無機絶縁膜や、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂などの有機絶縁膜を用いてもよい。配線層４４として、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金（ＡｌＳｉやＡｌＣｕなど）などの導電性材料を用いてもよい。シード層４２として、ＴａＮ、Ｔａ、Ｃｕの積層膜以外にも、ＴａＮの代わりに、窒化チタン（ＴｉＮ）、珪化窒化チタン（ＴｉＳｉＮ）、珪化窒化タンタル（ＴａＳｉＮ）などの窒化物やＳｒＲｕＯ_３、ＩｒＯ_２などの酸化物を用いてもよい。

図７（ａ）は、図４のＢ−Ｂ間の断面図、図７（ｂ）は、図４のＣ−Ｃ間の断面図である。図４及び図７（ａ）のように、絶縁膜３６上に、抵抗膜４８が形成されている。抵抗膜４８は、配線層４４を介して、第３端子電極５４と下部電極２２との間に接続されている。抵抗膜４８は、図３の第３端子１４と複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈとの間に接続された抵抗Ｒに対応する。図４及び図７（ｂ）のように、絶縁膜３６上に、抵抗膜４９が形成されている。抵抗膜４９は、配線層４４を介して、第４端子電極５６と上部電極２６との間に接続されている。抵抗膜４９は、図３の第４端子１６と複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈとの間に接続された抵抗Ｒに対応する。抵抗膜４８、４９は、例えば厚さ８０ｎｍのＴａＳｉＮ膜である。なお、抵抗膜４８、４９として、Ｎｉ−Ｃｕ合金やＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金などの高抵抗膜を用いてもよい。また、抵抗膜４８、４９は、絶縁膜３６上に形成される場合に限られず、その他の場所に形成されてもよい。

次に、図４、図５、図７（ａ）、及び図７（ｂ）を用い、実施例１に係る可変容量デバイス１００の製造方法について説明する。まず、絶縁膜３２付きの支持基板３０上に、下部電極２２、誘電体層２４、及び上部電極２６を、例えばスパッタリング法を用いてこの順に成膜する。次いで、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、下部電極２２、誘電体層２４、及び上部電極２６を所望の形状にパターニングする。これにより、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈが形成される。この際、キャパシタ２０ａ、２０ｈにおいて下部電極２２と上部電極２６とが誘電体層２４を挟んで対向する面積が、キャパシタ２０ｂ〜２０ｇにおいて下部電極２２と上部電極２６とが誘電体層２４を挟んで対向する面積よりも大きくなるようにパターニングする。

次いで、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈを覆うように、例えばスパッタリング法を用いて、密着層３８及び絶縁膜３６を成膜する。次いで、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、上部電極２６の上面に形成された密着層３８及び絶縁膜３６を除去する。次いで、絶縁膜３６上に、例えばスパッタリング法を用いて抵抗膜４８、４９を成膜した後、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて所望の形状にパターニングする。

次いで、絶縁膜３６上に、抵抗膜４８、４９の一部と下部電極２２の一部と上部電極２６の上面とが露出する開口を有する絶縁膜４０を形成する。次いで、例えばスパッタリング法を用いて、絶縁膜４０の表面にシード層４２を形成する。次いで、例えば電解めっき法を用いて、絶縁膜４０の開口内に埋め込まれるように配線層４４を形成する。次いで、絶縁膜４０及び配線層４４上に絶縁膜４６を形成した後、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて絶縁膜４６に形成した開口内に埋め込まれるように第１〜第４端子電極５０〜５６を形成する。これにより、実施例１の可変容量デバイス１００が形成される。

ここで、発明者が行った実験について説明する。発明者は、実施例１の可変容量デバイス１００を作製し、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を測定した。作製した可変容量デバイス１００の誘電体層２４は、後述の図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜とした。図８は、実施例１の可変容量デバイス１００における、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の測定結果を示す図である。図８の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。縦軸は、デバイス全体の容量値である。なお、６０ｐＦ用に設計され、キャパシタ２０ａ、２０ｈの初期容量Ｃ１とキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの初期容量Ｃ２との容量比（Ｃ２／Ｃ１）を０．２とした可変容量デバイス１００を作製し、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈに印加される直流バイアス電圧は０Ｖとして測定を行った。なお、図８では、比較のために、キャパシタ２０ａ〜２０ｈの初期容量が全て同じであること以外は、実施例１の可変容量デバイス１００と同じにした比較例１の可変容量デバイスの測定結果も示している。

ここで、直流バイアス電圧を０Ｖとして測定を行った理由を以下に説明する。発明者は、図１のときと同じ可変容量デバイスを用い、キャパシタに印加する直流バイアス電圧を１Ｖ、２Ｖ、３Ｖとして実験を行った。なお、この際の誘電体層は、後述の図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜である。図９（ａ）から図９（ｃ）は、キャパシタに印加する直流バイアス電圧の大きさを変えたときの、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の実験結果を示す図である。図９（ａ）から図９（ｃ）の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。縦軸は、直流バイアス電圧が０Ｖで、交流信号電圧の実効値が１Ｖｒｍｓのときの容量値を基準（１００％）とした場合の容量変化率である。

図９（ａ）から図９（ｃ）のように、キャパシタに印加する直流バイアス電圧が大きくなる程、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなることが分かる。つまり、直流バイアス電圧０Ｖのときが、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が最も大きくなると言える。したがって、直流バイアス電圧０Ｖのときの交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化を抑えることが望ましいことから、図８では直流バイアス電圧を０Ｖとして測定を行った。

図８のように、交流信号電圧の実効値が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲において、実施例１は、比較例１に比べて、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなっていることが分かる。なお、交流信号電圧の実効値の下限を０．１Ｖｒｍｓとしたのは、交流信号の振幅を入れるためには０Ｖよりも大きくする必要があるためである。上限を１５Ｖｒｍｓとしたのは、ＮＦＣモジュールなどで受信する信号を考慮したものである。

実施例１の可変容量デバイス１００で、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなったのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１の可変容量デバイス１００では、キャパシタ２０ａ、２０ｈの初期容量Ｃ１とキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの初期容量Ｃ２とが異なっている。このため、キャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとで、交流信号電圧のかかり具合が変わる。これにより、可変容量デバイス１００全体にかかる交流信号電圧に対して、キャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとで容量の変化具合が変わる。このことを、図１０を用いて説明する。

図１０は、実施例１の可変容量デバイス１００において、交流信号の振幅（電圧）に対する初期容量Ｃ１のキャパシタの容量変化及び初期容量Ｃ２のキャパシタの容量変化の測定結果を示す図である。なお、可変容量デバイス１００の誘電体層２４には、後述の図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜を用いた。図１０の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。左側縦軸は、初期容量Ｃ１のキャパシタ２０ａ、２０ｈの容量値、右側縦軸は、初期容量Ｃ２のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの容量値である。なお、測定は、図７の場合と同じ条件で行った。図１０のように、初期容量が異なるキャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとでは、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の軌跡が異なることが分かる。例えば、交流信号電圧のある範囲において、初期容量Ｃ１のキャパシタ２０ａ、２０ｈの容量は交流信号電圧の増加に対して大きくなり、初期容量Ｃ２のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの容量は交流信号電圧の増加に対して小さくなることが生じる。

キャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとで容量変化の軌跡が異なることで、交流信号の振幅（電圧）に対するキャパシタ２０ａ〜２０ｈの合成容量の変化が小さくなると考えられる。これにより、実施例１の可変容量デバイス１００は、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなったものと考えられる。なお、キャパシタ単体での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の変化形状やキャパシタの直列数により、初期容量Ｃ１とＣ２の比の最適比率は変化するため、容量比率の最適値を規定することは難しい。その上で、実施例１の構造の場合では、可変容量デバイス１００の交流信号振幅に対する容量変化を抑える点から、キャパシタ２０ａ、２０ｈの容量が最大となる交流信号電圧は、キャパシタ２０ｂ〜２０ｇの容量が最大となる交流信号電圧の１．５倍以上且つ３．０倍以下の場合が好ましく、１．５倍以上且つ２．５倍以下の場合がより好ましく、１．５倍以上且つ２．０倍以下の場合がさらに好ましい。

次に、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列に接続されるキャパシタの個数を変えた場合での、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化について説明する。発明者は、実施例１の可変容量デバイス１００と、実施例１とはキャパシタの個数を変えた実施例１の変形例１〜変形例５の可変容量デバイスと、に関して、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化について実験した。実施例１の変形例１は４個のキャパシタが、変形例２は６個のキャパシタが、変形例３は１０個のキャパシタが、変形例４は１４個のキャパシタが、変形例５は１８個のキャパシタが、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列に接続されている。そして、実施例１の変形例１〜変形例５においても、実施例１と同じく、第１端子電極５０と第２端子電極５２に近い２個のキャパシタ（以下、外側キャパシタと称する）の初期容量Ｃ１を、外側キャパシタの間に接続された内側キャパシタの初期容量Ｃ２よりも大きくした。

図１１（ａ）は、実施例１〜実施例１の変形例１〜５の可変容量デバイスにおいて、初期容量Ｃ１、Ｃ２の容量比を変えた場合での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の実験結果を示す図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の一部を拡大した図である。なお、可変容量デバイスの誘電体層２４には、後述の図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜を用いた。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）の横軸は、外側キャパシタの初期容量Ｃ１と内側キャパシタの初期容量Ｃ２との容量比（Ｃ２／Ｃ１）である。縦軸は、交流信号電圧の実効値が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲での容量の変化量（即ち、０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲での容量の最大値と最小値の差分の絶対値）である。なお、比較のために、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列接続された複数のキャパシタの初期容量が全て同じ（Ｃ２／Ｃ１＝１）場合の結果も示している。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のように、実施例１、実施例１の変形例２〜変形例５では、初期容量の容量比（Ｃ２／Ｃ１）を１よりも小さくすることで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなる結果が得られた。このように、直列に接続されたキャパシタの個数が８個以外の場合であっても、初期容量の容量比を１から変えることで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化を小さくできることが分かる。なお、実施例１の変形例１（４個のキャパシタを直列に接続）では、初期容量の容量比を１から変えても交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくならなかったのは以下の理由によるものと考えられる。

図１２（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例１の変形例１において、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくならなかった理由を説明するための図である。図１２（ａ）は、図１から初期容量が同じ４個のキャパシタを直列接続させた場合の結果を抜き出した図、図１３（ａ）は、図１から初期容量が同じ８個のキャパシタを直列接続させた場合の結果を抜き出した図である。図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は、実施例１の変形例１（４個のキャパシタを直列に接続）において、初期容量の容量比（Ｃ２／Ｃ１）を０．２とした場合での、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を示した図である。図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は、実施例１（８個のキャパシタを直列に接続）において、初期容量の容量比（Ｃ２／Ｃ１）を０．２とした場合での、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を示した図である。なお、比較のために、図１２（ｃ）では、初期容量が同じ４個のキャパシタを直列に接続させたデバイスの容量変化率（図１２（ａ）に示した容量変化率）を、図１３（ｃ）では、初期容量が同じ８個のキャパシタを直列に接続させたデバイスの容量変化率（図１３（ａ）に示した容量変化率）を、デバイスの容量（比較例）として示している。図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１３（ｂ）、及び図１３（ｃ）の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）の左側縦軸は、直列に接続されたキャパシタの合成容量値及び初期容量Ｃ２のキャパシタの容量値、右側縦軸は、初期容量Ｃ１のキャパシタの容量値である。図１２（ｃ）及び図１３（ｃ）の縦軸は、交流信号電圧の実効値が１Ｖｒｍｓのときの容量値を基準（１００％）とした容量変化率である。

図１２（ａ）のように、初期容量が同じキャパシタを４個直列に接続させた可変容量デバイスでは、交流信号電圧が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲において、最大交流電圧（１５Ｖｒｍｓ）のときの容量が最小交流電圧（０．１Ｖｒｍｓ）のときの容量に比べて小さくなっている。一方、図１３（ａ）のように、初期容量が同じキャパシタを８個直列に接続させた可変容量デバイスでは、交流信号電圧が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲において、最大交流電圧（１５Ｖｒｍｓ）のときの容量が最小交流電圧（０．１Ｖｒｍｓ）のときの容量に比べて大きくなっている。

図１３（ａ）のように最大交流電圧のときの容量が最小交流電圧のときの容量に比べて大きい場合、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）のように、初期容量の容量比（Ｃ２／Ｃ１）を変化させると、合成容量の振る舞いを律則する初期容量Ｃ２（Ｃ１＞Ｃ２）の交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化量が小さくなる。このため、初期容量Ｃ１、Ｃ２の容量比を変えることで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化が小さくなると考えられる。一方、図１２（ａ）のように最大交流電圧のときの容量が最小交流電圧のときの容量に比べて小さい場合、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）のように、初期容量の容量比（Ｃ２／Ｃ１）を変化させても合成容量の振る舞いを律則する初期容量Ｃ２（Ｃ１＞Ｃ２）の交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化量が小さくならない。このため、初期容量Ｃ１、Ｃ２の容量比を変えたとしても、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化が小さくならないと考えられる。このような理由から、実施例１の変形例１（４個のキャパシタを直列に接続）では、初期容量の容量比を１から変えても交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化が小さくならなかったものと考えられる。なお、交流信号の電圧範囲を範囲内の最大振幅電圧のときの容量が最小振幅電圧のときの容量に比べて大きい範囲に限定すれば、４個のキャパシタを直列に接続させた場合でも、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化を小さくすることができる。

実施例１によれば、図４、図５のように、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に、交流信号の電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性の誘電体層２４を有する複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈが直列に接続されている。複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、初期容量Ｃ１の１又は複数のキャパシタ２０ａ、２０ｈと、初期容量Ｃ１とは異なる初期容量Ｃ２の１又は複数のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇと、を含む。言い換えると、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちの少なくとも１つのキャパシタ２０ａ、２０ｈの初期容量Ｃ１は、他のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの初期容量Ｃ２と異なっている。これにより、図８、図１０から図１１（ｂ）で説明したように、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を抑制することができる。

また、実施例１によれば、図４のように、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、直流バイアス電圧の印加に用いられる第３端子電極５４と第４端子電極５６との間に並列に接続されている。これにより、直流バイアス電圧が複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈに印加されるため、より低い直流バイアス電圧によって複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの容量を調整することが可能となる。この結果、直流バイアス電圧の印加による複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの容量変化量を大きくすることができる。

また、実施例１によれば、図３における複数の抵抗Ｒの抵抗値は全て同じ大きさとなっている。このため、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、同じ大きさの直流バイアス電圧が印加される。これにより、直流バイアス電圧の印加による複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの容量変化を同等にすることができる。

なお、実施例１では、誘電体層２４が、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３からなる場合を例に示したが、この場合に限られるわけではない。誘電体層２４として、交流信号電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有する材料を用いることができる。図１４は、各種材料を誘電体層に用いたキャパシタを交流信号の入出力端子間に１個接続させた場合における、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の測定結果を示す図である。図１３の横軸は、デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。縦軸は、交流信号電圧の実効値が１Ｖｒｍｓのときの容量値を基準（１００％）とした場合の容量変化率である。なお、測定は、誘電体層が厚さ９０ｎｍのＢａ_０．３Ｓｒ_０．７ＴｉＯ_３、Ｂａ_０．４Ｓｒ_０．６ＴｉＯ_３、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３、又はＰｂＴｉＯ_３のいずれかで形成され、キャパシタに印加される直流バイアス電圧を０Ｖとして行った。

図１４のように、誘電体層がＢａ_０．３Ｓｒ_０．７ＴｉＯ_３、Ｂａ_０．４Ｓｒ_０．６ＴｉＯ_３、Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３、及びＰｂＴｉＯ_３のいずれで形成されている場合でも、交流信号電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じることが分かる。したがって、誘電体層２４は、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ_３）や、ＰｂＴｉＯ_３、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）などのペロブスカイト型酸化物などを用いることができ、常誘電体及び強誘電体のいずれも用いることができる。

なお、実施例１では、第１端子電極５０と第２端子電極５２に近いキャパシタの初期容量が、他のキャパシタの初期容量と異なる場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。複数のキャパシタのうちの中央付近に接続されたキャパシタの初期容量をその他のキャパシタよりも大きく又は低くするような場合でもよい。すなわち、複数のキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタの初期容量が他のキャパシタの初期容量と異なるようにすればよい。

なお、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）から、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列接続されるキャパシタの個数は、６個以上且つ１８個以下の場合が好ましく、６個以上且つ１０個以下の場合がより好ましく、６個以上且つ８個以下の場合がさらに好ましい。また、上述したように、キャパシタ単体での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の変化形状やキャパシタの直列数により、初期容量Ｃ１とＣ２の比の最適比率は変化するため、容量比率の最適値を規定することは難しい。その上で、実施例１の構造の場合では、初期容量Ｃ１と初期容量Ｃ２との比（Ｃ２／Ｃ１）は、直列に接続されたキャパシタの個数が８個以上では、０．１以上且つ１．０未満の場合が好ましく、０．１以上且つ０．６以下の場合がより好ましく、０．２以上且つ０．４以下の場合がさらに好ましい。直列に接続されたキャパシタの個数が６個の場合は、０．７以上１．０未満の場合が好ましく、０．７以上且つ０．９以下の場合がより好ましく、０．７以上且つ０．８以下の場合がさらに好ましい。

なお、実施例１において、交流除去用の抵抗Ｒに代えて、交流除去用のインダクタを用いてもよい。

なお、実施例１において、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、誘電体層の下面に接して下部電極が形成され、上面に接して上部電極が形成されている。すなわち、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈの容量は、誘電体層を挟んで下部電極と上部電極とが対向する一続きの領域で決定されている。

図１５は、実施例２に係る可変容量デバイス２００の断面図である。図１５のように、実施例２の可変容量デバイス２００では、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈにおいて誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積が同じになっている。一方で、キャパシタ２０ａ、２０ｈでの誘電体層２４の厚さが、キャパシタ２０ｂ〜２０ｇでの誘電体層２４の厚さよりも薄くなっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例２のように、キャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとは、誘電体層２４の厚さが異なることで初期容量が異なる場合でもよい。

図１６は、実施例３に係る可変容量デバイス３００の断面図である。図１６のように、実施例３の可変容量デバイス３００では、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈにおいて誘電体層２４ａ、２４ｂを挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積が同じになっている。一方で、キャパシタ２０ａ、２０ｈの誘電体層２４ａとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの誘電体層２４ｂとは異なる材料で形成されていて、直流バイアス電圧及び交流信号電圧が印加されていない状態での誘電体層２４ａの誘電率が誘電体層２４ｂよりも大きくなっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例３のように、キャパシタ２０ａ、２０ｈとキャパシタ２０ｂ〜２０ｇとは、誘電体層２４ａ、２４ｂの材料が異なることで初期容量が異なる場合でもよい。

なお、実施例１〜実施例３を組み合わせ、誘電体層を挟んで下部電極と上部電極とが対向する面積、誘電体層の厚さ、及び誘電体層の材料の少なくとも１つを異ならせることで初期容量を異ならせてもよい。

図１７は、実施例４に係る可変容量デバイス４００の断面図である。図１７のように、実施例４の可変容量デバイス４００では、キャパシタ２０ｄ、２０ｅにおいて誘電体層２４を挟んで下部電極２２と上部電極２６とが対向する面積が、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇよりも小さくなっている。したがって、キャパシタ２０ｄ、２０ｅの初期容量Ｃ３は、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｈの初期容量Ｃ２よりも小さくなっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例４のように、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちのキャパシタ２０ａ、２０ｈと、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇと、キャパシタ２０ｄ、２０ｅとの初期容量が異なる場合でもよい。すなわち、３つ以上の異なる初期容量のキャパシタで構成されている場合でもよい。

図１８は、実施例５に係る可変容量デバイス５００の上面図である。図１８のように、実施例５の可変容量デバイス５００では、第３端子電極５４とキャパシタ２０ｅ、２０ｆとの間に接続される抵抗膜４８ａの厚さ、長さ、及び材料の少なくとも１つが、第３端子電極５４とキャパシタ２０ａ〜２０ｄ、２０ｇ、２０ｈとの間に接続される抵抗膜４８ｂと異なっている。すなわち、抵抗膜４８ａと４８ｂとは、抵抗値が異なっている。したがって、キャパシタ２０ｅ、２０ｆにかかる直流バイアス電圧の大きさが、キャパシタ２０ａ〜２０ｄ、２０ｇ、２０ｈにかかる直流バイアス電圧の大きさと異なる。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例５のように、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちの少なくとも１つのキャパシタ２０ｅ、２０ｆに印加される直流バイアス電圧の大きさが、他のキャパシタ２０ａ〜２０ｄ、２０ｇ、２０ｈと異なる場合でもよい。これにより、キャパシタの容量値を別々に変化させることができる。また、図９（ａ）から図９（ｃ）のように、直流バイアス電圧が異なることで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の軌跡が異なることから、これを利用して、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化を小さくさせることもできる。

なお、実施例５において、印加される直流バイアス電圧の大きさが異なるキャパシタは、初期容量が互いに同じ場合でもよいし、異なる場合でもよい。

図１９は、実施例５の変形例１に係る可変容量デバイス５１０の上面図である。図１９のように、実施例５の変形例１の可変容量デバイス５１０では、第３端子電極５４ａ、５４ｂが設けられている。キャパシタ２０ａ〜２０ｄは、第３端子電極５４ａと第４端子電極５６との間に並列に接続され、キャパシタ２０ｅ〜２０ｈは、第３端子電極５４ｂと第４端子電極５６との間に並列に接続されている。これにより、キャパシタ２０ａ〜２０ｄにかかる直流バイアス電圧の大きさとキャパシタ２０ｅ〜２０ｈにかかる直流バイアス電圧の大きさが異なる。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例５の変形例１のように、第３端子電極を２つ以上設けることで、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちの少なくとも１つのキャパシタ２０ａ〜２０ｄに印加される直流バイアス電圧の大きさが、他のキャパシタ２０ｅ〜２０ｈと異なる場合でもよい。

図２０は、実施例６に係る可変容量デバイス６００の回路図である。図２０のように、実施例６の可変容量デバイス６００では、キャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈは初期容量がＣ２で、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇは初期容量がＣ２よりも大きいＣ１になっている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

図２１は、実施例６に係る可変容量デバイス６００の上面図である。図２２は、図２１のＡ−Ａ間の断面図である。図２１及び図２２のように、実施例６の可変容量デバイス６００は、キャパシタ２０ａとキャパシタ２０ｂとが積層されている。同様に、キャパシタ２０ｃとキャパシタ２０ｄ、キャパシタ２０ｅとキャパシタ２０ｆ、キャパシタ２０ｇとキャパシタ２０ｈとが、それぞれ積層されている。

キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇは、第１電極６０と、第１電極６０上に形成された第１誘電体層６２と、第１誘電体層６２上に形成された第２電極６４と、で構成されている。すなわち、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇにおいては、第１電極６０が下部電極に相当し、第２電極６４が上部電極に相当する。

キャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈは、第２電極６４と、第２電極６４上に形成された第２誘電体層６６と、第２誘電体層６６上に形成された第３電極６８と、で構成されている。すなわち、キャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈにおいて、第２電極６４は下部電極に相当し、第３電極６８は上部電極に相当する。

キャパシタ２０ｂとキャパシタ２０ｃとは、互いの第１電極６０が接続されて一体となっている。同様に、キャパシタ２０ｆとキャパシタ２０ｇとは、互いの第１電極６０が接続されて一体となっている。

第１電極６０、第２電極６４、及び第３電極６８は、例えば厚さ２５０ｎｍのＰｔである。第１誘電体層６２と第２誘電体層６６とは、同じ材料で形成されていて、例えば厚さ９０ｎｍで、Ｍｎが添加されたＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３層である。なお、第１電極６０、第２電極６４、及び第３電極６８として、実施例１の下部電極２２及び上部電極２６で挙げた材料を用いてもよい。第１誘電体層６２及び第２誘電体層６６として、実施例１の誘電体層２４で挙げた材料を用いてもよい。

第１誘電体層６２を挟んで第１電極６０と第２電極６４とが対向する面積は、第２誘電体層６６を挟んで第２電極６４と第３電極６８とが対向する面積よりも大きくなっている。このため、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇの初期容量Ｃ１は、キャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈの初期容量Ｃ２よりも大きくなっている。また、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇは、第１誘電体層６２を挟んで第１電極６０と第２電極６４とが対向する面積が同じになっているため、それぞれの初期容量Ｃ１は同じになっている。同様に、キャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈは、第２誘電体層６６を挟んで第２電極６４と第３電極６８とが対向する面積が同じになっているため、それぞれの初期容量Ｃ２は同じになっている。

配線層４４は、絶縁膜３６の開口に露出された第３電極６８の上面に接続されている。キャパシタ２０ａを構成する第３電極６８の上面に接続された配線層４４は、第１端子電極５０に接続されている。キャパシタ２０ｈを構成する第３電極６８の上面に接続された配線層４４は、第２端子電極５２に接続されている。その他の構成は、実施例１と同様であるため説明を省略する。

図２３（ａ）は、図２１のＢ−Ｂ間の断面図、図２３（ｂ）は、図２１のＣ−Ｃ間の断面図、図２３（ｃ）は、図２１のＤ−Ｄ間の断面図である。図２１及び図２３（ａ）のように、絶縁膜３６上に、抵抗膜４８が形成されている。抵抗膜４８は、配線層４４を介して、第３端子電極５４と第２電極６４との間に接続されている。抵抗膜４８は、図２０の第３端子１４と複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈとの間に接続された抵抗Ｒに対応する。

図２１及び図２３（ｂ）のように、絶縁膜３６上に、抵抗膜４９ａが形成されている。抵抗膜４９ａは、配線層４４を介して、第４端子電極５６と第１電極６０との間に接続されている。図２１及び図２３（ｃ）のように、絶縁膜３６上に、抵抗膜４９ｂが形成されている。抵抗膜４９ｂは、配線層４４を介して、第４端子電極５６と第３電極６８との間に接続されている。抵抗膜４９ａ、４９ｂは、図２０の第４端子１６と複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈとの間に接続された抵抗Ｒに対応する。なお、抵抗膜４９ａ、４９ｂは説明上において符号を分けただけであり、同一形状をしていて同じ抵抗値を有している。

ここで、発明者が行った実験について説明する。発明者は、実施例６の可変容量デバイス６００を作製し、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化を測定した。作製した可変容量デバイス６００の誘電体層２４は、図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜とした。図２４は、実施例６の可変容量デバイス６００における、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の測定結果を示す図である。図２４の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。縦軸は、デバイス全体の容量値である。なお、測定は、６０ｐＦ用に設計され、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇの初期容量Ｃ１とキャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈの初期容量Ｃ２との容量比（Ｃ２／Ｃ１）を０．４とした可変容量デバイス６００を作製し、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈに印加される直流バイアス電圧は０Ｖとして行った。なお、図２４では、比較のために、キャパシタ２０ａ〜２０ｈの初期容量が全て同じであること以外は、実施例６の可変容量デバイス６００と同じにした比較例２の可変容量デバイスの測定結果も示している。

図２４のように、交流信号電圧の実効値が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲において、実施例６は、比較例２に比べて、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなっていることが分かる。

図２５は、実施例６の可変容量デバイス６００において、交流信号の振幅（電圧）に対する初期容量Ｃ１のキャパシタの容量変化及び初期容量Ｃ２のキャパシタの容量変化の測定結果を示す図である。なお、可変容量デバイス６００の誘電体層２４には、図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜を用いた。図２５の横軸は、可変容量デバイス全体に入力される交流信号電圧の実効値である。左側縦軸は、初期容量Ｃ１のキャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇの容量値、右側縦軸は、初期容量Ｃ２のキャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈの容量値である。なお、測定は、図２４の場合と同じ条件で行った。図２５のように、初期容量が異なるキャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇとキャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈとでは、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の軌跡が異なることが分かる。したがって、実施例６においても実施例１の場合と同じ理由によって、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなったものと考えられる。

図２６（ａ）は、実施例６〜実施例６の変形例１〜５の可変容量デバイスにおいて、初期容量Ｃ１、Ｃ２の容量比を変えた場合での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の実験結果を示す図、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）の一部を拡大した図である。なお、可変容量デバイスの誘電体層２４には、図１４に示すような特性を有するＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３膜を用いた。なお、実施例６の変形例１〜変形例５は、実施例６とはキャパシタの個数が異なっている。すなわち、実施例６の変形例１は４個のキャパシタが、変形例２は６個のキャパシタが、変形例３は１０個のキャパシタが、変形例４は１４個のキャパシタが、変形例５は１８個のキャパシタ、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列に接続されている。そして、実施例６の変形例１〜変形例５においても、実施例６と同じく、初期容量Ｃ１のキャパシタと初期容量Ｃ２（Ｃ２＜Ｃ１）のキャパシタとが積層されていて、初期容量Ｃ１のキャパシタの個数と初期容量Ｃ２のキャパシタの個数とは同じになっている。

図２６（ａ）及び図２６（ｂ）の横軸は、初期容量Ｃ１とＣ２の容量比（Ｃ２／Ｃ１）である。縦軸は、交流信号電圧の実効値が０．１Ｖｒｍｓ〜１５Ｖｒｍｓの範囲での容量の変化量である。また、比較のために、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列接続された複数のキャパシタの初期容量が全て同じ（Ｃ２／Ｃ１＝１）場合についての結果も示している。図２６（ａ）及び図２６（ｂ）のように、実施例６、実施例６の変形例２〜変形例５では、初期容量の容量比（Ｃ２／Ｃ１）を１より小さくすることで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくなる結果が得られた。なお、実施例６の変形例１（４個のキャパシタが直列に接続）で、初期容量の容量比を１から変えても交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化が小さくならなかったのは、実施例１で説明した理由と同じ理由によるものと考えられる。

実施例６によれば、図２１、図２２のように、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちの少なくとも２つのキャパシタが積層されている。この場合でも、キャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇの初期容量Ｃ１とキャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈの初期容量Ｃ２とが異なることで、図２４から図２６（ｂ）で説明したように、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を抑制することができる。また、少なくとも２つのキャパシタを積層することで、可変容量デバイスを小型化することができる。

また、実施例６によれば、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちの半分のキャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇは同じ初期容量Ｃ１で、残りの半分のキャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈは同じ初期容量Ｃ２で、初期容量Ｃ１とＣ２とは異なっている。すなわち、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、初期容量Ｃ１を有する１又は複数のキャパシタ２０ｂ、２０ｃ、２０ｆ、２０ｇと、初期容量Ｃ２を有し、初期容量Ｃ１のキャパシタと同数のキャパシタ２０ａ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｈと、で構成されている。これにより、図２６（ａ）及び図２６（ｂ）のように、実施例１に比べて、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化をより小さくすることができる。

また、実施例６によれば、積層された２つのキャパシタ（例えばキャパシタ２０ａと２０ｂ）は初期容量が異なっている。このように、積層されたキャパシタの初期容量を異ならせることは、例えば誘電体層を挟んで下部電極と上部電極とが対向する面積を異ならせるなどによって、容易に行うことができる。なお、実施例６においても、実施例２、３のように、誘電体層の厚さ、誘電体層の材料を異ならせることで、積層されたキャパシタの初期容量を異ならせるようにしてもよい。すなわち、積層された２つのキャパシタは、誘電体層を挟んで下部電極と上部電極とが対向する面積、誘電体層の厚さ、及び誘電体層の材料の少なくとも１つが異なることで、初期容量が異なる場合でもよい。

なお、実施例６において、図２６（ａ）及び図２６（ｂ）から、第１端子電極５０と第２端子電極５２との間に直列接続されるキャパシタの個数は、６個以上且つ１８個以下の場合が好ましく、８個以上且つ１８個以下の場合がより好ましく、８個以上且つ１４個以下の場合がさらに好ましい。また、上述したように、キャパシタ単体での交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化の変化形状やキャパシタの直列数により、初期容量Ｃ１とＣ２の比の最適比率は変化するため、容量比率の最適値を規定することは難しい。その上で、実施例６の構造の場合では、初期容量Ｃ１と初期容量Ｃ２との比（Ｃ２／Ｃ１）は、直列に接続されたキャパシタの個数が１０個以上では、０．１以上且つ１．０未満の場合が好ましく、０．１以上且つ０．６以下の場合がより好ましく、０．２以上且つ０．４以下の場合がさらに好ましい。直列に接続されたキャパシタの個数が８個の場合は、０．３以上１．０未満の場合が好ましく、０．３以上且つ０．８以下の場合がより好ましく、０．３以上且つ０．６以下の場合がさらに好ましい。直列に接続されたキャパシタの個数が６個の場合は、０．７以上且つ１．０未満の場合が好ましく、０．７以上且つ０．９以下の場合がより好ましく、０．８の場合がさらに好ましい。

なお、実施例６では、初期容量Ｃ１のキャパシタと初期容量Ｃ２のキャパシタとが同数設けられている場合を例に示したが、異なる個数設けられている場合でもよい。また、実施例６では、積層されたキャパシタの初期容量が互いに異なる場合を例に示したが、初期容量が同じ場合でもよい。

なお、実施例１のように複数のキャパシタが積層されていない場合においても、複数のキャパシタのうちの半分のキャパシタの初期容量を同じにし、残りの半分のキャパシタの初期容量を同じにし、且つ上記半分のキャパシタと上記残りの半分のキャパシタの初期容量を異ならせてもよい。この場合でも、交流信号の振幅（電圧）に対する容量変化をより小さくすることができる。

図２７は、実施例７に係る可変容量デバイス７００の断面図である。図２７のように、実施例７の可変容量デバイス７００では、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｆのうちのキャパシタ２０ａ〜２０ｃが積層され、キャパシタ２０ｄ〜２０ｆが積層されている。キャパシタ２０ｃ、２０ｄは、第１電極７０と第１誘電体層７２と第２電極７４とで構成されている。キャパシタ２０ｂ、２０ｅは、第２電極７４と第２誘電体層７６と第３電極７８とで構成されている。キャパシタ２０ａ、２０ｆは、第３電極７８と第３誘電体層８０と第４電極８２とで構成されている。第１電極７０、第２電極７４、第３電極７８、及び第４電極８２は、実施例１の下部電極２２及び上部電極２６で挙げた材料を用いることができる。第１誘電体層７２、第２誘電体層７６、及び第３誘電体層８０は、実施例１の誘電体層２４で挙げた材料を用いることができる。その他の構成は、実施例６と同様であるため説明を省略する。

実施例７のように、３つ以上のキャパシタが積層されている場合でもよい。この場合、積層された３つ以上のキャパシタは、初期容量が異なる場合が好ましい。

図２８は、実施例８に係る可変容量デバイス８００の必要部の回路図である。図２８のように、実施例８の可変容量デバイス８００では、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈは、第３端子１４と第４端子１６との間に並列に接続されていない。複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈには直流バイアス電圧が印加されるが、印加方法はどのような場合であってもよい。例えば１つの例として、第１端子１０と第２端子１２との間に交流信号に重畳して直流バイアス電圧を印加するなどが挙げられる。他にも直流バイアス電圧を印加するための回路が付与されているなど、直流バイアス電圧の印加方法にはどのような場合があってもよい。

実施例８のように、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈに印加される直流バイアス電圧の印加方法がどのような場合であっても、複数のキャパシタ２０ａ〜２０ｈのうちの少なくとも１つのキャパシタ２０ａ、２０ｈの初期容量Ｃ１が、他のキャパシタ２０ｂ〜２０ｇの初期容量Ｃ２と異なることで、交流信号の振幅（電圧）に対する容量の変化を抑制することができる。

図２９は、実施例９に係るアンテナ回路９００を示す図である。図２９のように、実施例９のアンテナ回路９００は、回路９０と、回路９０に並列に接続されたアンテナコイル９２、可変容量デバイス９４、及び直流除去用のキャパシタ９６と、を備える。回路９０は、アンテナコイル９２を介して受信された受信信号の処理を行う。また、回路９０は、可変容量デバイス９４への直流バイアス電圧の供給を制御する。可変容量デバイス９４を、実施例１から実施例８で説明した可変容量デバイスとすることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 第１端子
１２ 第２端子
１４ 第３端子
１６ 第４端子
２０ａ〜２０ｈ キャパシタ
２２ 下部電極
２４ 誘電体層
２６ 上部電極
３０ 支持基板
３２、３６、４０、４６ 絶縁膜
４４ 配線層
４８、４９、４９ａ、４９ｂ 抵抗膜
５０ 第１端子電極
５２ 第２端子電極
５４ 第３端子電極
５６ 第４端子電極
６０、７０ 第１電極
６２、７２ 第１誘電体層
６４、７４ 第２電極
６６、７６ 第２誘電体層
６８、７８ 第３電極
８０ 第３誘電体層
８２ 第４電極
９０ 回路
９２ アンテナコイル
９４ 可変容量デバイス
９６ キャパシタ
１００〜８００ 可変容量デバイス
９００ アンテナ回路

Claims (10)

1. 第１端子電極及び第２端子電極と、
   前記第１端子電極と前記第２端子電極との間に直列に接続され、交流信号の電圧が高くなるに従い容量が増大して極大値を取った後に減少に転じる特性を有する誘電体層と前記誘電体層を挟む下部電極及び上部電極とを有し、直流電圧が印加されることで容量が変化する複数のキャパシタと、を備え、
   前記複数のキャパシタは、第１初期容量の１又は複数のキャパシタと、前記第１初期容量とは異なる１又は複数の初期容量の１又は複数のキャパシタと、を含むことを特徴とする可変容量デバイス。
2. 前記第１初期容量の１又は複数のキャパシタは、前記誘電体層を挟んで前記下部電極と前記上部電極とが対向する面積、前記誘電体層の厚さ、及び前記誘電体層の材料の少なくとも１つが前記第１又は複数の初期容量の１又は複数のキャパシタと異なることを特徴とする請求項１記載の可変容量デバイス。
3. 前記複数のキャパシタは、前記第１初期容量を有する１又は複数の第１キャパシタと、前記第１初期容量と異なる第２初期容量を有し、前記第１キャパシタと同数の第２キャパシタと、で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の可変容量デバイス。
4. 直流電圧の印加に用いられる、第３端子電極及び第４端子電極を備え、
   前記複数のキャパシタは、前記第３端子電極と前記第４端子電極との間に並列に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の可変容量デバイス。
5. 前記複数のキャパシタは、同じ大きさの前記直流電圧が印加されることを特徴とする請求項４記載の可変容量デバイス。
6. 前記複数のキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタに印加される前記直流電圧の大きさは、他のキャパシタに印加される前記直流電圧の大きさと異なることを特徴とする請求項４記載の可変容量デバイス。
7. 前記複数のキャパシタのうちの少なくとも２つのキャパシタは積層されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の可変容量デバイス。
8. 積層された前記少なくとも２つのキャパシタは、初期容量が異なることを特徴とする請求項７記載の可変容量デバイス。
9. 前記複数のキャパシタの容量は、前記誘電体層を挟んで前記下部電極と前記上部電極とが対向する一続きの領域で決定されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の可変容量デバイス。
10. 請求項１から９のいずれか一項記載の可変容量デバイスを備えることを特徴とするアンテナ回路。

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