JP5120872B2 - スイッチング素子 - Google Patents
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そこで、酸化シリコンと金という安定な材料からなり、斜め蒸着という簡便な製造方法により製造され、スイッチング動作を安定的に繰り返し行うことができるスイッチング素子が開発されている(例えば、特許文献1参照)。
Science,289(2000)1172−1175 Nature,433(2005)47−50
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の一面に設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極間に設けられ、前記第1電極と前記第2電極間に所定電圧の印加により抵抗のスイッチング現象が生じる間隙を有する電極間間隙部と、
前記絶縁性基板若しくは真空を含む絶縁物を介して前記電極間間隙部に電界を加える第3電極とを備え、
前記第3電極に電圧が印加されることにより、前記第1電極と前記第2電極間のスイッチング特性を制御するように構成されていることを特徴としている。
前記電極間間隙部を内包する封止部材を備えることを特徴としている。
また、第3電極に電圧を印加することにより、スイッチング特性を制御することができ、さらに、当該スイッチング素子は劣化する物質を含まないため、スイッチング動作を安定的に繰り返すことができる。
加えて、スイッチング素子は不揮発性を有し、スイッチング動作後に外部入力がなくとも、当該スイッチング素子の動作状態を維持することができる。
ここで、図1は、本発明を適用した一実施形態として例示するスイッチング素子100の要部を模式的に示す断面図である。また、図2は、図1のスイッチング素子100に封止部材を設けてスイッチングデバイス1000とした例を示す模式図である。
絶縁性基板10の構造及び材質は、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、絶縁性基板10の表面の形状は、平面であってもよいし、凹凸を有していてもよい。また、絶縁性基板10は、例えば、Si等の半導体基板の表面に酸化膜等を設けたものであっても良いし、基板そのものが絶縁性とされたものであってもよい。また、絶縁性基板10の材質としては、例えば、ガラス、酸化珪素(SiO2)などの酸化物、窒化珪素(Si3N4)などの窒化物等が好ましく、このうち、酸化珪素(SiO2)が、後述の電極20、30との密着性と、その製造において自由度が大きい点で好適となっている。
第1電極20の形状は、特に限定されるものではなく、適宜任意に変更することができる。
第1電極20の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、コバルト、クロム、ロジウム、銅、タングステン、タンタル、カーボン、及びこれらの合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。ここで、絶縁性基板10との接着性を強化するために、例えば、異なる金属を2層以上重ねて用いても良い。具体的には、例えば、第1電極20は、クロム及び金の積層構造としても良い。
なお、図1及び図2にあっては、後述の工程説明の便宜上、第1電極20は第1電極下部21と第1電極上部22とをあわせたものとして表している。
第2電極30の形状は、特に限定されるものではなく、適宜任意に変更することができる。
第2電極30の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、コバルト、クロム、ロジウム、銅、タングステン、タンタル、カーボン及びこれらの合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。ここで、絶縁性基板10との接着性を強化するために、異なる金属を2層以上重ねて用いても良い。具体的には、例えば、第2電極30は、クロム及び金の積層(多層)構造としても良い。
第1電極20と第2電極30間(ナノギャップ電極間)の距離(間隔)Gは、例えば、0nm<G≦13nmであるのが好ましく、0.8nm<G<2.2nmであるのがより好ましい。
ここで、距離Gの上限値を13nmとしたは、例えば、二回の斜め蒸着で作成する場合には、ギャップ間隔が13nmより大きくなるとスイッチングが起きなくなるためである。
一方、距離Gの下限値は、0nmとすると第1電極20と第2電極30とが短絡していることになるが、実施例1のグラフは0V付近で変化しており、0nmより大きいギャップが存在することが明らかである。なお、下限値を顕微鏡測定によって決定することは困難であるが、トンネル電流が生じうる最小距離であるということができる。即ち、下限値は、素子が動作したときに、電流−電圧特性がオームの法則に従わずに量子力学的なトンネル効果が観測される距離の理論値である。
ここで、トンネル電流の理論式に抵抗値を代入すると、ギャップ幅の計算結果として0.8nm<G<2.2nmの範囲が求められる。
ここで、抵抗の上限値を10TΩとしたのは、10TΩ以上とすると、スイッチングが起きなくなるためである。一方、抵抗の下限値を1kΩとしたのは、現状では1kΩ以下に下がったことがないため、これを下限としている。
なお、スイッチとして考えると、OFF状態での抵抗は高いほど良いため、上限値はより高い値となるのが好ましいが、ON状態での抵抗が1kΩであると、mAオーダーの電流が簡単に流れてしまい、他の素子を破壊する可能性があるため、下限値は100kΩ程度とするのが好ましい。
また、第1電極20と第2電極30間には、例えば、当該第1電極20及び第2電極30の構成材料等からなる島部分(中州部分)が形成されていても良い。この場合には、例えば、第1電極20と島部分間、第2電極30と島部分間に所定の間隙が形成されて、第1電極20と第2電極30が短絡していなければ良い。
第3電極50の上端から電極間間隙部40における絶縁性基板10上面までの距離Hは、例えば、0nm<H<300nmであるのが好ましく、1nm<H<20nmであるのがより好ましい。
ここで、距離Hの上限値は、印加電圧の大きさ(例えば、10Vや100V等)で当然変わってくると考えられるが、例えば、10Vを印加して300nmでは動作しなかったため、300nmを上限値とする。また、距離Hを25nmとして動作させるためには12V印加する必要があり、半導体素子では10V以上の電圧を印加するのは難しいため、上限は20nm以下になると考えられる。
一方、距離Hの下限値は、外部から電界がかかればよいので、下限値は0nmより大きくしてある。また、距離Hは、理論上は1nm以下でもかまわないが、1nm以下になると、第3電極と第1及び第2電極との間のリーク電流が大きくなりすぎると考えられるため、1nmを下限値とするのが好ましい。
また、第3電極50の材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、コバルト、クロム、ロジウム、銅、タングステン、タンタル、カーボン及びこれらの合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。
なお、第1電極20、第2電極30及び第3電極50の各々には、リード線L1〜L3が接続されており、当該リード線L1〜L3は封止部材60の外側に延出されている(図2参照)。
封止部材60の形状及び材質は、電極間間隙部40を大気に接触しないようにする機能を具備する限り、適宜任意に変更することができる。封止部材60の材質は、例えば、公知の半導体封止材料を用いることができ、必要に応じて、公知の物質からなる気体バリヤ層等を設けても良い。
なお、第1電極20及び第2電極30(ナノギャップ電極)の全体を例えば適当な真空チャンバー(図示略)内に設置して、これをスイッチング素子として使用する場合は、この部材は省略できる。
ここで、圧力Pの上限値は、105Paまでの圧力で動作することは確認しているが、これ以上の高圧での取り扱いが難しいため、空気漏れを考慮して圧力を少し上げる程度である2×105Paを上限値としたものである。
一方、圧力Pの下限値は、10−6Paまでの圧力で動作することは確認しているが、これ以上の低圧での取り扱いが難しいため、工業的に簡単な真空系で到達できる程度である102Paを下限値とするのがより好ましい。
また、封止部材60の内部は、例えば、乾燥空気、窒素、Arなどの希ガス等の不活性な気体又はトルエンなどの電気的に不活な有機溶剤で満たしても良い。
スイッチング素子100は、例えば、(1)絶縁性基板10及び第3電極50の準備工程、(2)第1のレジストパターン形成工程、(3)第1の蒸着工程、(4)第1のリフトオフ工程、(5)第2のレジストパターン形成工程、(6)第2の蒸着工程、(7)第2のリフトオフ工程、(8)電界破断工程、及び(9)封止工程を行うことにより製造される。
絶縁性基板10としては、例えば、酸化膜付きSi基板、その他表面が絶縁性の基板等が用いられる。具体的には、例えば、Si等の導電性の基板を用いる場合には、その表面に所望の絶縁膜を、熱処理、酸化処理、蒸着、スパッタ等の公知の方法によって設け、絶縁膜を絶縁性基板10とし、導電性の基板を第3電極50とする。また、例えば、ガラス等の絶縁性の基板を絶縁性基板10として用いる場合は、エッチング等の所定の方法によって基板中に第3電極50を埋め込む必要がある。
第1のレジストパターン形成工程は、例えば、フォトリソグラフィー等を用いて行われ、絶縁性基板10に第1電極下部21を形成するためのレジストパターン60を形成する(図3参照)。
なお、レジストパターン60の厚さは、例えば、適宜任意に変更することができ、具体的には、1μmとされている。
第1の蒸着工程は、例えば、所定の蒸着装置を用いて行われ、第1電極下部21を形成する。
絶縁性基板10の被蒸着面は、例えば、蒸着源から被蒸着面を臨むとき傾斜するように配置される。即ち、絶縁性基板10は、例えば、図3に示すように、被蒸着面と、蒸着源から蒸散する粒子の飛来方向とのなす角をθ1としたとき、0°<θ1<90°となるように配置される(当該蒸着方法を、以下、「傾斜蒸着」と言う)。この結果、第1電極下部21は、その先端部が絶縁性基板10(被蒸着面)に対して傾斜した形状に形成される。
なお、第1電極下部21の先端部の傾斜方向と、絶縁性基板10表面とのなす角をθ1’は、例えば、レジストパターン60の形状、絶縁性基板10表面の金属が堆積する特性及び角度θ1の大きさなどによって変更することができる。
ここで、第1電極下部21の厚さは、例えば、適宜任意に変更することができ、材質に金を選んだ場合には、5nm以上とされている。
第1のリフトオフエ程は、例えば、レジストパターン60の材質に適合する剥離液を用い行われ、当該工程の結果、第1電極下部21が形成されるとともに、レジストパターン60上に形成された犠牲電極21aが除去される。
第2のレジストパターン形成方法は、例えば、フォトリソグラフィー等を用いて行われ、第2電極30及び第1電極上部22を形成するためのレジストパターン(図示略)を形成する。
第2の蒸着工程は、例えば、所定の蒸着装置を用いて行われ、第2電極30を形成するとともに、付随的に第1電極上部22を形成する(図4参照)。
また、第2の蒸着工程は、例えば、傾斜蒸着により行われ、例えば、図4に示すように、被蒸着面と、蒸着源から蒸散する粒子の飛来方向とのなす角をθ2としたとき、θ1’<90°のときは、0°<θ2<θ1’<90°となるように、また、90°≦θ1’のときは、0°<θ2<90°となるように絶縁性基板10が配置される。
さらに、第2の蒸着工程は、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、コバルト、クロム、ロジウム、銅、タングステン、タンタル、カーボン、及びこれらの合金から選ばれる少なくとも何れか一つの物質を1回又は複数回蒸着するようになっている。
即ち、電極間間隙部40の形成は、例えば、第2の蒸着工程の傾斜蒸着における、蒸着粒子により形成される第1電極下部21の影を利用している。従って、第1電極下部21の厚さ及び第2の蒸着工程における傾斜蒸着の角度θ2のうち、少なくとも何れか一方を調整することにより、所望の電極間距離Gを有する電極間間隙部40を得ることができる。
第2のリフトオフエ程は、例えば、レジストパターンの材質に適合する剥離液を用い行われ、当該工程の結果、第1電極20及び第2電極30が形成され、ナノギャップ電極が得られる。
ナノギャップ電極は短絡している場合があるため、必要に応じて、当該電界破断工程を行うことが好ましい。
電界破断工程は、例えば、短絡している電極と直列に可変抵抗、固定抵抗及び電源(何れも図示略)を接続して電圧を印加する。そして、可変抵抗の抵抗値を初期値(抵抗大)からゆっくり抵抗が小さくなるように調節して、電流が流れなくなる時点で止めることにより、所望の電極間距離Gを有するナノギャップ電極を得ることができる。
封止工程は、例えば、所定の気密封止技術を利用して行われ、具体的には、セラミック封止、ガラス封止、プラスチツク封止又は金属キャップによる封止により行われる。
また、封止工程は、所定の雰囲気中で行うようにしても良い。
ここで、図5は、OFF状態のスイッチング素子100に対して、電極間間隙部40(ナノギャップ電極間)に印加する電圧を0Vから上げていった際の、電流−電圧曲線の一例を模式的に示す図であり、横軸はナノギャップ電極間に印加される電圧に対応し、縦軸はナノギャップ電極間を流れる電流に対応している。なお、図3には、説明のために、AからF及び0の符号を付した。
また、図5にあっては、電圧が正の部分のみを示すが、実際には0点について点対称となっており、ナノギャップ電極間に印加する電圧及び電流は、ナノギャップ電極の極性に依存しない。また、以下の説明にあっては、電圧が負の部分については省略するものとする。
図5に示すように、第3電極に電圧を印加していない状態では、ナノギャップ電極間にA−C間の電圧を印加した際に、当該ナノギャップ電極間に電流が流れるようになる。
これに対して、第3電極に電圧を印加した状態では、ナノギャップ電極間にA−C間よりもより低い電圧であるD−A間の電圧を印加することで、当該ナノギャップ電極間に電流が流れるようになる。
ここで、図6(a)は、ナノギャップ電極間に印加される電圧と経過時間との対応関係、図6(b)は、第3電極に印加される電圧と経過時間との対応関係、図6(c)は、ナノギャップ電極間を流れる電流と経過時間との対応関係を模式的に示す図である。
図6(a)〜図6(c)に示すように、ナノギャップ電極間に矩形パルスIのON電圧を印加する。その後、読出電圧R1を印加すると、ナノギャップ電極間に大きな電流が流れ、スイッチング素子100がON状態になったことが確認される(図6(c)参照)。
次に、ナノギャップ電極間に矩形パルスJのOFF電圧を印加する。その後、読出電圧R2を印加すると、ナノギャップ電極間には電流が流れず、スイッチング素子100がOFF状態になったことが確認される。
図6(a)〜図6(c)に示すように、先ず、比較対象として、第3電極50に電圧を印加しない状態で、図5のD−A間の電圧に相当する矩形パルスMをOFF状態のナノギャップ電極間に印加する。この場合、読出電圧R5を印加してもナノギャップ電極間に電流は流れない。つまり、スイッチング素子100は、OFF状態のままである。
ここで、第3電極50に所定の大きさの電圧を印加し(図6(b)参照)、この状態で、図5のD−A間の電圧に相当する矩形パルスNを印加して、読出電圧R6を印加すると大きな電流が流れ、スイッチング素子100がON状態になったことが確認される(図6(c)参照)。
このように、第3電極50に対する電圧印加によって、スイッチング素子100がOFF状態からON状態へ遷移する際の電圧を制御することができる。
つまり、スイッチング素子100をOFF状態にするのに第3電極50に対する電圧の印加の有無は影響しない。
このように、先ず、ナノギャップ電極間に電圧を印加し、その後第3電極50に電圧を印加しても、スイッチング素子はON状態になる。
基板として、p型シリコン基板表面に厚さ25nmの酸化シリコン層を成膜したものを用いた。ここで、表面の酸化シリコン層を絶縁性基板とし、p型シリコンの部分を第3電極50とした。
その後、第1の蒸着工程の傾斜蒸着時の角度θ1を75°として、絶縁性基板と接触する部分に厚さ2nmのクロムを蒸着し、次いで金を蒸着して、合計の厚さが25nmとなるようにして第1電極下部を形成した。
次いで、第1のリフトオフ工程を行った。
その後、第2の蒸着工程の傾斜蒸着時の角度θ2を60°として、絶縁性基板と接触する部分に厚さ2nmのクロムを蒸着し、次いで金を蒸着して、合計の厚さが15nmとなるようにして第2電極を形成した。また、第1電極上部が形成されて、この結果、第1電極の全体の厚さは約40nmとなった。
次いで、第2のリフトオフエ程を行った。
なお、電界破断を起こした時の、電流量は約4mAであった。
なお、第1若しくは第2の蒸着工程の前に、電極に影響を与えない部分のレジストパターン及び酸化シリコン膜を削り、電極蒸着と同時にシリコン部分に金を蒸着し、これを第3電極としても良い。
なお、真空チャンバー内の圧力は、例えば、10−5Pa台であった。
ここで、図7は、第3電極に電圧を印加した場合のナノギャップ電極間のI−V特性の測定結果を示す図であり、横軸はナノギャップ電極間に印加された電圧を示し、縦軸はナノギャップ電極間に流れた電流を示している。
また、第3電極に印加する電圧を4V、8V、12Vに固定し、各々の電圧においてナノギャップ電極間に印加する電圧を同様の条件で操作した。
また、以下の文章では、電流が100μAをはじめて越えた電圧を立ち上がり電圧とする。
従って、上記の立ち上がり電圧の差を利用することにより、スイッチング素子のスイッチング動作を制御することができる。
また、第3電極50に電圧を印加することにより、スイッチング特性を制御することができる。即ち、第3電極50に対して所定電圧を印加することによって、当該スイッチング素子100をOFF状態からON状態に切り替えるために必要なナノギャップ電極間に対する印加電圧の大きさを変更することができる。
さらに、当該スイッチング素子100は劣化する物質を含まないため、スイッチング動作を安定的に繰り返すことができる。
加えて、スイッチング素子100は不揮発性を有し、スイッチング動作後に外部入力がなくとも、当該スイッチング素子100の動作状態を維持することができる。
即ち、封止部材60の内部を、例えば、減圧環境としたり、乾燥空気、窒素、希ガス等の不活性な気体又はトルエンなどの電気的に不活な有機溶剤等の種々の物質で満たすことにより、ナノギャップ電極間を大気に接触しないようにすることができ、これにより、スイッチング動作をより安定なものとすることができる。
以下に、本発明に係るスイッチング素子の変形例について説明する。
変形例1のスイッチング素子200は、例えば、図9に示すように、第3電極250が電極間間隙部40の上側に配設されている。具体的には、第3電極250は、第2電極20の上面(絶縁性基板210と反対側の面)に形成された絶縁膜270を介して配設され、当該第3電極250の先端部が電極間間隙部40の上側に所定間隔を空けて配置されるように延在している。
そして、スイッチング素子200は、真空中や所定の物質で満たされた封止部材(図示略)により封止された状態で動作するようになっており、第3電極250が真空等の絶縁物を介して電極間間隙部40に電界を加えるようになっている。
変形例1のスイッチング素子200の製造方法は、上記実施形態のスイッチング素子100の製造方法における(1)絶縁性基板10及び第3電極50の準備工程の代わりに、酸化膜付きSi基板、その他表面が絶縁性の基板等を絶縁性基板210として準備する絶縁性基板210の準備工程を行う。
そして、第1電極20及び第2電極30の作成後、電極間間隙部40及び第2電極30の上面に絶縁膜270を成膜する工程を行い、その後、第2電極30の上面に形成された絶縁膜を介して第3電極250を形成(成膜)する工程を行う。
次に、電極間間隙部40の上面に形成された絶縁膜(犠牲層)をエッチングにより取り除く工程を行う。
なお、必要に応じて、(8)電界破断工程や(9)封止工程が行われるようにしても良い。
さらに、第3電極50(250)の位置は、上記実施形態及び変形例1で開示したものに限られるものではなく、例えば、絶縁性基板若しくは真空を含む絶縁物を介して電極間間隙部40に電界を加えることができる位置であれば如何なる位置であっても良い。
10、110 絶縁性基板
20 第1電極
21 第1電極下部
22 第1電極上部
30 第2電極
40 電極間間隙部
50、250 第3電極
60 封止部材
Claims (2)
- 絶縁性基板と、
前記絶縁性基板の一面に設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極間に設けられ、前記第1電極と前記第2電極間に所定電圧の印加により抵抗のスイッチング現象が生じる間隙を有する電極間間隙部と、
前記絶縁性基板若しくは真空を含む絶縁物を介して前記電極間間隙部に電界を加える第3電極とを備え、
前記第3電極に電圧が印加されることにより、前記第1電極と前記第2電極間のスイッチング特性を制御するように構成されていることを特徴とするスイッチング素子。 - 前記電極間間隙部を内包する封止部材を備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング素子。
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