JP6425334B2 - Ferroelectric capacitor and electronic device - Google Patents
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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 stores a charge 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。 BACKGROUND In recent years, energy harvesting using natural energy has attracted attention. As such an environmental power generation technique, 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 store charges generated using the pyroelectric effect. However, the material contains lead, and 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 stores a charge 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少なくとも一部の領域である、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、少なくとも前記強誘電体単結晶と前記金属層との間に位置する誘電体層とを備え、前記誘電体層のバンドギャップは、前記強誘電体単結晶のバンドギャップよりも大きく、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。
前記金属層は、Ａｌ、ＣｒおよびＡｕからなる群から選択される金属であってもよい。
前記誘電体層および金属層は、前記電荷蓄積領域を包囲するように位置してもよい。
前記誘電体層は、前記強誘電体単結晶と前記金属層との間に加えて、前記電荷蓄積領域上に位置してもよい。
前記誘電体層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＨｆＯ２からなる群から選択される誘電体材料であってもよい。
前記誘電体層の厚さは、５ｎｍ以上１μｍ以下であってもよい。
前記誘電体層は、３以上の比誘電率を有し、かつ、５ｎｍ以上１μｍ以下の範囲の厚さを有してもよい。
前記誘電体層は、３．５以上の比誘電率を有し、かつ、５ｎｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さを有してもよい。
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半導体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、前記半導体素子は、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し、これにより上記課題を解決する。
The ferroelectric capacitor according to the present invention is a ferroelectric single crystal in which the direction of polarization is controlled and having a charge storage region, wherein the charge storage region is at least a partial region of the surface of the ferroelectric single crystal. A ferroelectric single crystal, a metal layer located around the charge storage region, and a dielectric layer located at least between the ferroelectric single crystal and the metal layer, the dielectric The band gap of the layer is larger than the band gap of the ferroelectric single crystal, and the charge based on the ferroelectric single crystal is confined and stored on the charge storage region, thereby solving the above problem.
The ferroelectric single crystal may be lithium niobate single crystal or lithium tantalate single crystal.
The metal layer may be a metal selected from the group consisting of Al, Cr and Au.
The dielectric layer and the metal layer may be positioned to surround the charge storage region.
The dielectric layer may be located on the charge storage region in addition to between the ferroelectric single crystal and the metal layer.
The dielectric layer may be a dielectric material selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 and HfO 2 .
The thickness of the dielectric layer may be 5 nm or more and 1 μm or less.
The dielectric layer may have a relative permittivity of 3 or more and a thickness in the range of 5 nm to 1 μm.
The dielectric layer may have a relative dielectric constant of 3.5 or more, and have a thickness in the range of 5 nm to 200 μm.
The charge is induced by a charge induced by spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal, a charge induced by a piezoelectric effect of the ferroelectric single crystal, or a 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 is controlled such that the ferroelectric single crystal has a single polarization structure, and the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is positive or negative. It may be any of the above.
The direction of polarization is controlled so that the ferroelectric single crystal has a polarization inversion structure, and the inside of the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region has positive or negative polarity. It may be either.
The electronic device provided with the ferroelectric capacitor and the semiconductor element according to the present invention is such that the ferroelectric capacitor is the above-mentioned ferroelectric capacitor, and the semiconductor element is provided between the charge storage region and the metal layer. It is connected, operates with the charge stored on the charge storage region, or detects a change in the charge amount of the charge stored on the charge storage region, thereby solving the above problem.
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間に強誘電体単結晶のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する誘電体層が位置するので、フェルミ準位が強誘電体単結晶のバンド内に位置するように制御され、十分な障壁が形成される。その結果、電荷蓄積領域上に電荷を閉じ込め、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, the dielectric layer having a band gap larger than the band gap of the ferroelectric single crystal is located between the ferroelectric single crystal and the metal layer, so that the Fermi level is ferroelectric. It is controlled to be located within the band of the bulk single crystal, and a sufficient barrier is formed. As a result, charge can be confined and stored on the charge storage region. Further, the charges trapped / stored are charges generated by natural energy based on the spontaneous polarization, the pyroelectric effect or the piezoelectric effect of the ferroelectric single crystal. Thereby, the ferroelectric capacitor of the present invention can function as a power source utilizing natural energy. In addition, since the ferroelectric capacitor of the present invention is not limited in size, it becomes a nanoscale to microscale size micro power supply and enables further miniaturization of the electronic device.
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 given 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 view showing the structure of the 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、少なくとも誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に位置する誘電体層１６０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、誘電体層１６０のバンドギャップは、強誘電体単結晶１２０のそれよりも大きい。 In the ferroelectric capacitor 100 of the present invention, the direction of polarization is controlled, and a ferroelectric single crystal 120 having a charge storage region 110, a metal layer 130 located around the charge storage region 110, and at least a dielectric single crystal. And a dielectric layer 160 located between the metal layer 120 and the metal layer 130. Charge storage region 110 is a partial region of surface 140 of ferroelectric single crystal 120. In the ferroelectric capacitor 100 of the present invention, the band gap of the dielectric layer 160 is larger than that of the ferroelectric single crystal 120.
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。 The ferroelectric capacitor 100 of the present invention has a charge 150 collected from the outside of the ferroelectric capacitor 100 to shield the polarization charge derived from the ferroelectric single crystal 120 with such a configuration (ie, the ferroelectric single crystal 120). Charge induced by spontaneous polarization) can be confined and accumulated on the charge accumulation region 110. Hereinafter, the charge 150 stored on the charge storage region 110 will be referred to as a surface charge 150 for the sake of easy understanding.
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 made of an environmentally friendly material, and is preferably a uniaxial ferroelectric single crystal which can easily control the polarization direction. 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 techniques for controlling the direction of the polarization have been established. In addition, these materials have excellent piezoelectric effect, pyroelectric effect, electro-optical effect, non-linear optical effect, and these allow surface charge 150 to be stored more efficiently on the charge storage region 110. Among them, the ferroelectric single crystal 120 is preferably a lithium niobate single crystal. Lithium niobate single crystal is excellent in processability 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 the present specification, the term "lithium niobate single crystal (LN single crystal)" means LN single crystal of congruent composition (CLN), LN single crystal of fixed ratio composition (SLN), and dopants thereof Intended LN single crystal added. Similarly, as used herein, the term "lithium tantalate single crystal (LT single crystal)" refers to LT single crystal of congruent composition (CLT), LT single crystal of stoichiometric composition (SLT), and dopants thereto Intended is LT single crystal to which. The dopant is, for example, Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Fe, Tb or the like, and is appropriately selected to improve 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 to 10 mm. Within this range, the handling is simple, and polarization charges are easily generated by the piezoelectric effect or the 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 is a cross-sectional view of a dotted line portion of the ferroelectric capacitor 100 of FIG. Arrows in FIG. 1 (B) indicate 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, all the directions of polarization are substantially perpendicular to the surface of charge storage region 110, and the direction of polarization is from the bottom to the top of ferroelectric single crystal 120. In this example, the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 is positive. In this case, as the surface charge 150, a negative charge sufficient to shield the positive polarity is accumulated. Although not shown, a negative polarity surface, which is the back surface of FIG. 1B, may be used as the charge storage region 110, and a positive charge may be stored as the surface charge 150. Note that “substantially perpendicular” means that all the polarization directions do not have to be completely perpendicular, but it is sufficient that 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 shows a cross-sectional view of another ferroelectric capacitor different from FIG. 1B. Again, the arrows in FIG. 1 (C) indicate the direction of polarization. In FIG. 1C, the ferroelectric single crystal 120 has a polarization inversion 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, all the directions of polarization are directions substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110, and the direction of polarization of the charge storage region 110 and the polarization of the other regions. In this example, the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 is − polarity. In this case, as the surface charge 150, a positive charge for shielding the − polarity is accumulated. Although not shown, a surface of positive polarity which is the back surface of FIG. 1C may be used as the surface of the charge storage region 110, and negative charge may be stored as the surface charge 150.
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 to be in the proper direction. Thereby, 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 by the spontaneous polarization, the piezoelectric effect, and the pyroelectric effect of the ferroelectric single crystal. Occurs. As a result, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can effectively store the surface charge 150 only for shielding 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誘電体層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 view showing a band structure of a ferroelectric single crystal, a dielectric layer and a metal layer in the ferroelectric capacitor of the present invention.
図２（Ａ）は、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り、図２（Ｂ）は、強誘電体単結晶と誘電体層と金属層とのバンド構造を示す模式図である。 FIG. 2A is a schematic view showing a band structure of a ferroelectric single crystal and a metal layer, and FIG. 2B shows a band structure of a ferroelectric single crystal, a dielectric layer and a metal layer. It is a schematic diagram shown.
図２（Ａ）では例示として強誘電体単結晶がＬＮ単結晶である場合を示す。図２（Ａ）によれば、金属層としてＣｒを選択した場合、ＬＮ単結晶とＣｒとを接触させると、ｐ型ショットキー接合が形成される。この結果、ＬＮ単結晶とＣｒ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（図１）は中和されず、電荷蓄積領域１１０（図１）上に閉じ込められる。 FIG. 2A shows the case where the ferroelectric single crystal is an LN single crystal as an example. According to FIG. 2A, when Cr is selected as the metal layer, a p-type Schottky junction is formed when the LN single crystal and Cr are brought into contact with each other. As a result, since the carrier path of holes is not formed between the LN single crystal and Cr, the surface charge 150 (FIG. 1) is not neutralized but confined on the charge storage region 110 (FIG. 1).
しかしながら、金属層としてＡｌを選択した場合、ＬＮ単結晶とＡｌとを接触させると、ｐ型オーミック接合が形成される。この結果、ＬＮ単結晶とＡｌとの間にホールのキャリアパスが形成されるので、表面電荷１５０が中和され、電荷蓄積領域１１０上から消失する。 However, when Al is selected as the metal layer, a p-type ohmic junction is formed when the LN single crystal and Al are brought into contact with each other. As a result, since a carrier path of holes is formed between the LN single crystal and Al, the surface charge 150 is neutralized and disappears from the charge storage region 110.
このように、強誘電体単結晶と金属層とを直接接触させると、強誘電体単結晶と金属層との種類によって接合状態が変化するので、表面電荷を蓄積するには、金属層と強誘電体単結晶との組み合わせを適宜選択する必要があり、強誘電体キャパシタの設計を煩雑にする。 As described above, when the ferroelectric single crystal and the metal layer are brought into direct contact, the junction state changes depending on the types of the ferroelectric single crystal and the metal layer. It is necessary to select the combination with the dielectric single crystal appropriately, which complicates the design of the ferroelectric capacitor.
一方、図２（Ｂ）に示すように、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に強誘電体単結晶１２０のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する誘電体層１６０が位置することにより、フェルミ準位（Ｅｆ）を強誘電体単結晶１２０のバンド内に位置するように制御することができる。これにより、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に十分な障壁が形成されるので、キャリアパスが形成されることはなく、電荷蓄積領域１１０上に表面電荷１５０を閉じ込め、蓄積することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 2B, a dielectric layer 160 having a band gap larger than that of the ferroelectric single crystal 120 is located between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130. Thus, the Fermi level (Ef) can be controlled to be located within the band of the ferroelectric single crystal 120. As a result, a sufficient barrier is formed between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130, so that no carrier path is formed, and the surface charge 150 is confined and accumulated on the charge accumulation region 110. be able to.
このような誘電体層１６０の材料は、そのバンドギャップが強誘電体単結晶１２０のそれよりも大きければ、図２（Ｂ）に示すバンドアライメントが形成されるため、特に制限はなく、いわゆる誘電体材料から構成されていればよい。本明細書において、誘電体とは、少なくとも１０−３（Ωｃｍ）以下の固有抵抗値を有する絶縁性を備えており、かつ、少なくとも３以上の比誘電率を有する誘電性を備えている材料を意図する。表１および表２に、種々の強誘電体および種々の誘電体のバンドギャップおよび比誘電率をまとめて示す。 The material of such dielectric layer 160 is not particularly limited because the band alignment shown in FIG. 2B is formed if the band gap thereof is larger than that of ferroelectric single crystal 120, and so-called dielectric material is used. What is necessary is just to be comprised from the body material. In this specification, a dielectric means an insulating material having a specific resistance value of at least 10 −3 (Ωcm) or less, and a material having a dielectric property having a relative dielectric constant of at least 3 or more. Intended. Tables 1 and 2 collectively show band gaps and dielectric constants of various ferroelectrics and various dielectrics.
当業者であれば、例えば、表１および表２を参照して、適宜、強誘電体単結晶１２０および誘電体層１６０の材料を設計可能であるが、誘電体層１６０は、好ましくは、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＨｆＯ２からなる群から選択される誘電体材料からなる。これらの材料は、誘電体であることが分かっており、いわゆるワイドバンドギャップ材料であり、任意の強誘電体単結晶１２０と組み合わせても、図２（Ｂ）に示すバンドアライメントが形成されるので、強誘電体キャパシタの設計が容易である。また、これらの誘電体材料であれば、成膜技術が確立しており、高品質かつ厚さを制御した誘電体層１６０を形成できる。 Those skilled in the art can design the materials of the ferroelectric single crystal 120 and the dielectric layer 160 as appropriate, for example, referring to Table 1 and Table 2. However, the dielectric layer 160 is preferably SiO. 2 consisting of a dielectric material selected from the group consisting of Al 2 O 3 and HfO 2 . These materials are known to be dielectrics, and are so-called wide band gap materials, and the band alignment shown in FIG. 2 (B) is formed even when combined with any ferroelectric single crystal 120. , Design of the ferroelectric capacitor is easy. In addition, if these dielectric materials are used, a film forming technique has been established, and it is possible to form the dielectric layer 160 with high quality and controlled thickness.
誘電体層１６０の厚さは特に制限がないが、５ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。上述の厚さに制御すれば、強誘電体単結晶１２０と誘電体層１６０と金属層１３０との間に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 dielectric layer 160 is not particularly limited, but is preferably 5 nm or more and 1 μm or less. By controlling the thickness as described above, a desired band alignment can be formed between the ferroelectric single crystal 120, the dielectric layer 160, and the metal layer 130, so that a high surface charge confinement effect can be expected.
金属層１３０の材料は特に制限されないが、Ａｌ、ＣｒおよびＡｕからなる群から選択される金属が好ましい。これらの材料は、入手が容易であるとともに、金属層１３０の成膜技術が確立しており、高品質な金属層１３０を形成できる。 The material of the metal layer 130 is not particularly limited, but a metal selected from the group consisting of Al, Cr and Au is preferable. These materials are easily available, and the deposition technology of the metal layer 130 is established, and the high quality metal layer 130 can be formed.
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。上述の厚さに制御すれば、強誘電体単結晶１２０と誘電体層１６０と金属層１３０との間に望ましいバンドアライメントが形成され得るので、表面電荷の閉じ込め効果が向上し得る。 The thickness of the metal layer 130 is not particularly limited, but is preferably 10 nm or more and 1 μm or less. By controlling the thickness as described above, a desired band alignment can be formed between the ferroelectric single crystal 120, the dielectric layer 160, and the metal layer 130, so that the surface charge confinement effect can be improved.
図３は、本発明の別の強誘電体キャパシタの断面図を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional view of another ferroelectric capacitor of the present invention.
図３（Ａ）の強誘電体キャパシタ１００は、誘電体層１６０が、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に加えて、電荷蓄積領域１１０上にも位置する点が異なる以外は、図１（Ｂ）のそれと同じである。このような構成にすることにより、後述する製造プロセスにおいて、誘電体層を形成後、電荷蓄積領域１１０上に位置する誘電体層をエッチング等により除去する必要がないので、製造工程を省略でき、有利である。なお、図３（Ａ）では、誘電体層１６０は、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間、および、電荷蓄積領域１１０上に位置するが、強誘電体単結晶１２０全面に位置していてもよい。 The ferroelectric capacitor 100 of FIG. 3A is different in that the dielectric layer 160 is also located on the charge storage region 110 in addition to between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130. , It is the same as that of FIG. 1 (B). With such a configuration, the manufacturing process can be omitted because it is not necessary to remove the dielectric layer located on the charge storage region 110 by etching or the like after forming the dielectric layer in the manufacturing process described later. It is advantageous. In FIG. 3A, dielectric layer 160 is located between ferroelectric single crystal 120 and metal layer 130 and on charge storage region 110, but is located on the entire surface of ferroelectric single crystal 120. It may be done.
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の強誘電体キャパシタ１００の電荷蓄積領域１１０における強誘電体単結晶１２０と誘電体層１６０との接合部の様子を示す模式図である。図３（Ｂ）によれば、強誘電体単結晶１２０上に誘電体層１６０が位置する場合、強誘電体単結晶１２０および誘電体層１６０のコンデンサが直接に接続した状態である理解できる。 FIG. 3B is a schematic view showing a state of a junction of the ferroelectric single crystal 120 and the dielectric layer 160 in the charge storage region 110 of the ferroelectric capacitor 100 of FIG. 3A. According to FIG. 3B, when the dielectric layer 160 is located on the ferroelectric single crystal 120, it can be understood that the capacitors of the ferroelectric single crystal 120 and the dielectric layer 160 are directly connected.
例えば、強誘電体単結晶１２０の比誘電率をεＦ、厚さをｄＦ、電気容量をＣＦとし、誘電体層１６０の比誘電率をεＤ、厚さをｄＤ、電気容量をＣＤとし、電荷蓄積領域１１０の面積をＳとし、真空の誘電率をε０とすると、以下の関係が成り立つ。
ＣＦ＝ε０εＦ×（Ｓ／ｄＦ）
ＣＤ＝ε０εＤ×（Ｓ／ｄＤ）
これらから、合成電気容量Ｃは、次のように求められる。
Ｃ＝ＣＦ×ＣＤ／（ＣＦ＋ＣＤ）
＝ε０εＦεＤＳ／（εＦｄＦ＋εＤｄＤ）・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
For example, the relative permittivity of the ferroelectric single crystal 120 is ε F , the thickness is d F , the electrical capacitance is C F , the relative permittivity of the dielectric layer 160 is ε D , the thickness is d D , and the capacitance is and C D, the area of the charge accumulation region 110 and S, when the dielectric constant of vacuum and epsilon 0, the following relationship holds.
C F = ε 0 ε F × (S / d F )
C D = ε 0 ε D × (S / d D )
From these, the combined capacitance C is determined as follows.
C = C F × C D / (C F + C D )
= Ε 0 ε F ε D S / (ε F d F + ε D d D ) ··························· (1)
（１）式において、強誘電体単結晶１２０の比誘電率εＦ、厚さｄＦ、および、電荷蓄積領域１１０の面積Ｓが一定である場合、誘電体層１６０は、比誘電率εＤが大きな誘電体材料からなり、厚さｄＤは小さい方が、合成静電容量Ｃは大きくなることが分かる。合成静電容量Ｃを大きければ大きいほど、より大きな表面電荷１５０を蓄積できる。 In the equation (1), when the relative dielectric constant ε F , the thickness d F of the ferroelectric single crystal 120, and the area S of the charge storage region 110 are constant, the dielectric layer 160 has a relative dielectric constant ε D It can be seen that the composite capacitance C is larger as the thickness d D is smaller and the dielectric capacitance C is larger. The larger the combined capacitance C, the more surface charge 150 can be stored.
このような観点から、図３（Ａ）のように、誘電体層１６０が、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に加えて、電荷蓄積領域１１０上にも位置する場合には、誘電体層１６０は、高誘電率を有し、かつ、その厚さは薄い方が好ましい。例示的には、誘電体層１６０は、３以上の比誘電率を有し、かつ、５ｎｍ以上１μｍ以下の範囲の厚さを有すれば、表面電荷１５０を蓄積できる。また、実施例に示すように、強誘電体単結晶１２０がＬＮ単結晶の誘電率（８５）と同様の誘電率を有する材料である場合は、誘電体層１６０は、３．５以上の比誘電率を有し、かつ、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲の厚さを有すれば、有効に表面電荷を蓄積できる。 From such a point of view, as shown in FIG. 3A, when dielectric layer 160 is also located on charge storage region 110 in addition to between ferroelectric single crystal 120 and metal layer 130, The dielectric layer 160 preferably has a high dielectric constant and a small thickness. Illustratively, dielectric layer 160 can accumulate surface charge 150 if it has a relative permittivity of 3 or more and a thickness in the range of 5 nm to 1 μm. Also, as shown in the example, when the ferroelectric single crystal 120 is a material having the same dielectric constant as the dielectric constant (85) of the LN single crystal, the dielectric layer 160 has a ratio of 3.5 or more If it has a dielectric constant and has a thickness in the range of 5 nm to 200 nm, surface charge can be effectively accumulated.
以降では、簡単のため、誘電体層１６０は、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間にのみ位置するものとして説明する。 Hereinafter, for the sake of simplicity, the dielectric layer 160 will be described as being located only between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130.
図４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. 4 is a view showing various patterns of the charge storage region and the metal layer in the ferroelectric capacitor of the present invention.
図４では、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に金属層１３０と同じ形状の誘電体層１６０（図示せず）が位置することに留意されたい。図１では、電荷蓄積領域１１０が円形であり、金属層１３０および誘電体層１６０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および誘電体層１６０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４（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および誘電体層１６０は、一部が欠けていてもよい。しかしながら、金属層１３０および誘電体層１６０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。 Note that in FIG. 4, a dielectric layer 160 (not shown) having the same shape as the metal layer 130 is located between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130. Although FIG. 1 shows an example in which the charge storage region 110 is circular and the metal layer 130 and the dielectric layer 160 are positioned so as to surround the charge storage region 110, the metal layer 130 and the dielectric layer 160 It need only be located around the accumulation area 110, and is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 4A, the charge storage region 110 may be circular, and the metal layer 130 and the dielectric layer 160 located around it may be partially missing. However, it is preferable that the metal layer 130 and the dielectric layer 160 completely surround the charge storage region 110 because the surface charge confinement effect is improved.
また、図４（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４（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４（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および誘電体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および誘電体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. 4B, the charge storage region 110 may be rectangular. Furthermore, as shown in FIG. 4C, there may be a plurality of charge storage regions 110 in a dot shape, and as shown in FIG. 4D, there may be a plurality of charge storage regions 110 in a linear shape. . Of course, the pattern of the charge storage region and the metal layer and the dielectric layer may be a combination of these. A single domain structure or polarization inversion structure may be combined with various patterns of the charge storage region and the metal layer and the dielectric 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 storage region 110 may be too small to store sufficient surface charge. If the diameter D exceeds 55 μm, the charge density may be low and be inefficient. When the charge storage region 110 is rectangular, the length in the longitudinal direction may be regarded as the diameter D.
図５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. 5 is a view showing how the ferroelectric capacitor of the present invention accumulates surface charge by the piezoelectric 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 the initial state of the ferroelectric single crystal 120. The direction of polarization of the ferroelectric single crystal 120 is a direction substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110. Is controlled so that the orientation of all the ferroelectric single crystals 120 is from the bottom to the top, and the inside of the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 has positive polarity. Show. In FIG. 5A, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can store a surface charge 150 that shields the polarization charge due to the spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal 120.
図５（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. 5B shows the case where the ferroelectric single crystal 120 is compressed. As described above, in the ferroelectric capacitor 100 of the present invention, in addition to the surface charge based on spontaneous polarization, the surface charge based on the piezoelectric effect (that is, the charge induced by the piezoelectric effect of the ferroelectric single crystal 120) 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. 5B, when a pressure 410 is applied to the ferroelectric single crystal 120 (that is, compression or contraction of the ferroelectric single crystal 120), the ferroelectric single In the crystal 120, charges are 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. Ru. Thereby, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can store more surface charge 420 on the charge storage region 110, which shields the induced positive charge. 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６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. 6 is a diagram showing how the ferroelectric capacitor of the present invention accumulates surface charge by the pyroelectric effect.
図６（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６（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. 6A shows the initial state of the ferroelectric single crystal 120. The direction of polarization of the ferroelectric single crystal 120 is a direction substantially perpendicular to the surface of the charge storage region 110. Is controlled so that the orientation of all the ferroelectric single crystals 120 is from the bottom to the top, and the inside of the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 has positive polarity. Show. In FIG. 6A, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can store a surface charge 150 that shields the polarization charge due to the spontaneous polarization of the ferroelectric single crystal 120.
図６（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. 6B shows the case where the ferroelectric single crystal 120 is heated. As described above, in the ferroelectric capacitor 100 of the present invention, in addition to the surface charge based on spontaneous polarization, the surface charge based on the pyroelectric effect (ie, induced by the pyroelectric effect of the ferroelectric single crystal 120) Charge can be stored.
詳細には、図６（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６（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. 6 (B), 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 or the like. Internally, 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. 6A. Thereby, the ferroelectric capacitor 100 of the present invention can store more surface charge 530 on the charge storage region 110, which 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 pyroelectric effect.
なお、図４〜図６では、誘電体層１６０は、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に位置する場合を例示したが、誘電体層１６０は、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間、ならびに、電荷蓄積領域１１０上に位置していても、同様の効果が得られる。 4 to 6 illustrate the case where the dielectric layer 160 is located between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130, the dielectric layer 160 may be formed with the ferroelectric single crystal 120. Similar effects can be obtained between the metal layer 130 and the charge storage region 110.
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 of manufacturing a ferroelectric capacitor according to 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 in which the direction of polarization is controlled is prepared. The selection of the ferroelectric single crystal material 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 poled to have a single polarization structure, or a single crystal domain engineered to have a polarization inversion structure It may be a substrate. Such a single crystal substrate can be produced, for example, by referring to Japanese Patent No. 3551242 and producing a ferroelectric single crystal comprising an oxide represented by lithium niobate, lithium tantalate, etc., having a single polarization structure. A polarization inversion structure having a periodic structure may be formed with reference to Japanese Patent Application Laid-Open No. 05-2889137. Gruverman et al., Appl. Phys. Lett. , 69, 3191 (1996), Kitamura et al., Applied Physics Society Thin Film and Surface Physics Section, NEWS LETTER [120] (2004), 12-18, scanning force microscopy (SFM) or atomic force microscopy (AFM) AFM) may be used to form a poled structure with nanoscale.
強誘電体単結晶の表面に物理的気相成長法、化学的気相成長法等により誘電体層を付与する。次に、リソグラフィ技術により、誘電体層が付与された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 dielectric layer is applied to the surface of the ferroelectric single crystal by physical vapor deposition, chemical vapor deposition or the like. Next, the metal layer is patterned around the charge storage region of the ferroelectric single crystal to which the dielectric layer is applied by the lithography technique. The choice of 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), a desired pattern is drawn, and then the resist is immersed in a developing solution to remove the exposed resist. This exposes only the portion where the metal layer is desired to be applied. Next, a metal layer is applied by physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or the like. Finally, the unwanted resist is removed by a lift-off process. This is the case of using a positive resist, but the procedure is the same except that a non-photosensitive portion is removed when a negative resist is used. Thus, 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 microfabrication is possible. In order to obtain a ferroelectric capacitor having a charge storage region of a desired size and shape, metal patterning can appropriately employ lithography technology known in existing semiconductor technology and the like.
また、電荷蓄積領域上に位置する誘電体層は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によるドライエッチング、フッ酸等によるウェットエッチング、あるいは、プラズマ等によるプラズマエッチング等の既存のエッチング技術により、除去してもよい。 The dielectric layer located on the charge storage region is removed by existing etching techniques such as dry etching by reactive ion etching (RIE) or the like, wet etching by hydrofluoric acid or plasma etching by plasma or the like. May be
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. Using such surface charge, the ferroelectric capacitor of the present invention is connected to various elements such as a sensor and a charge transfer switch, and functions as a power source for operating them, or under specific conditions (for example, Under pressure or heating, the amount of charge of the surface charge to be accumulated changes, so that it may also function as a sensor.
図７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. 7 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。 The electronic device 600 of the present invention comprises 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 of the ferroelectric capacitor 100 and the metal layer 130, and operates by the surface charge stored on the charge storage region 110 or on the charge storage region 110. The change in the amount of charge of the surface charge accumulated in the
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, in the case where 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 which does not require an external power supply because it operates easily by 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 adsorbate such as dust, the electronic device 600 of the present invention functions as a dust sensor that does not require an external power supply. The electronic device 600 of the present invention utilizes the surface charge stored on the charge storage region 110 of the ferroelectric capacitor 100 to measure the resistance between the elements 610 or the value of the current flowing through the elements 610. If there is a change in the value, the presence of the 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 ammeter, the electronic device 600 of the present invention functions as a switch that does not require an external power supply. According to the electronic device 600 of the present invention, if the element 610 detects a change in the charge amount of the surface charge due to heat (light) or pressure stored on the charge storage region 110, the charge amount is a predetermined amount or more. It can function as a switch that turns off (or on) if it is on (or off) and the amount of charge is less than a certain amount.
なお、図７では、誘電体層１６０は、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に位置する場合を例示したが、誘電体層１６０は、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間、ならびに、電荷蓄積領域１１０上に位置していても、同様の効果が得られる。 Although FIG. 7 illustrates the case where the dielectric layer 160 is located between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130, the dielectric layer 160 includes the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130. The same effect can be obtained even if it is located between the charge storage region 110 and the charge storage region 110.
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。 Next, the present invention will 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層であり、誘電体層１６０を有さない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 lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 has a positive polarity surface (ie, It is a circular (diameter 2 μm) region having the inside of the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage region 110 with positive polarity), the metal layer 130 is an Al layer, and the dielectric layer 160 is A ferroelectric capacitor was prepared.
図８は、比較例１の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. 8 is a view showing a process of manufacturing the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1. As shown in FIG.
図８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. 8 is a cross-sectional view of 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. The resist 710 was coated with an spacer (not shown) to prevent charging. The resist 710 was exposed to a donut shape by electron beam lithography, the spacer was removed by washing with water, and the spacer was immersed in a developer (TMAH 2.38%) to remove the resist in the exposed region 720. Thereafter, it was rinsed with pure water. Next, an Al layer 730 was deposited on the SLN single crystal 120 from which the resist was partially removed by electron beam deposition. 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-methyl pyrrolidone (NMP). As a result, the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 including SLN single crystal 120 having a circular charge storage region 110 (diameter: 2 μm) and Al layer 130 positioned to surround 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１０（Ａ）に示す。 The topographical image of the surface of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 was observed by 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. 10 (A).
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１０（Ｂ）〜（Ｆ）に示す。 The temperature dependency of the potential image in the charge storage region of the ferroelectric capacitor of Comparative Example 1 was observed by a Kelvin force microscope (KFM, manufactured by SII, NanoNavi II & E-sweep) equipped with a heater. The observation was performed at room temperature (25 ° C.), 40 ° C., 55 ° C., 70 ° C. and 90 ° C., under argon atmosphere (1 atm), using Rh-coated cantilever, applied voltage 5 V, cyclic scan mode The The results are shown in FIGS. 10 (B) to (F).
［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層であり、誘電体層１６０を有さない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 (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 has a − polar surface (ie, It is a circular (diameter 2 μm) area having the inside of the surface of the ferroelectric single crystal 120 corresponding to the charge storage area 110 with negative polarity, the metal layer 130 is an Al layer, and the dielectric layer 160 is A ferroelectric capacitor was prepared. It manufactured by the procedure similar to the comparative example 1 except the polar surface of the charge storage area | region 110 being reverse.
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１１に示す。 The shape image and the 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.
［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、誘電体層１６０がＳｉＯ２層であり、金属層１３０がＡｌ層である強誘電体キャパシタを製造した。実施例３の強誘電体キャパシタでは、図３を参照して説明したように、誘電体層１６０が、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間に加えて、電荷蓄積領域１１０上にも位置する。
[Example 3]
In Example 3, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a circle having a positive polarity surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a region (diameter 2 μm), the dielectric layer 160 is a SiO 2 layer, and the metal layer 130 is an Al layer. In the ferroelectric capacitor of Example 3, the dielectric layer 160 is added between the ferroelectric single crystal 120 and the metal layer 130 as described above with reference to FIG. Also located.
図９は、実施例３の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. 9 is a diagram showing a process of manufacturing the ferroelectric capacitor of the third embodiment.
図９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）全体に、化学気相成長法（ＣＶＤ）により誘電体層１６０としてＳｉＯ２層（厚さ２００ｎｍ）を形成した。その後の手順は、図８と同様であるため、説明を省略する。なお、実施例３では、電荷蓄積領域１１０上の誘電体層１６０であるＳｉＯ２層を除去しないが、ＳｉＯ２層は、種々の既存のエッチング技術により容易に除去できることは言うまでもなく、強誘電体単結晶１２０と金属層１３０との間にのみ誘電体層１６０を有する強誘電体キャパシタも製造できることは当業者であれば理解する。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a process of manufacturing a ferroelectric capacitor, and a top view of the manufactured ferroelectric capacitor. An SiO 2 layer (200 nm in thickness) was formed as the dielectric layer 160 on the entire positive polarity surface (upper surface in FIG. 7) of the SLN single crystal 120 by chemical vapor deposition (CVD). The subsequent procedure is the same as that of FIG. In Example 3, the SiO 2 layer which is the dielectric layer 160 on the charge storage region 110 is not removed, but it goes without saying that the SiO 2 layer can be easily removed by various existing etching techniques. Those skilled in the art will understand that a ferroelectric capacitor having a dielectric layer 160 only between the single crystal 120 and the metal layer 130 can also be manufactured.
このようにして得られた実施例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１２に示す。 The shape image and the potential image of the ferroelectric capacitor of Example 3 obtained in this manner were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
［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、誘電体層１６０がＳｉＯ２層であり、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の極性が異なる以外は、実施例３と同様の手順で製造した。
Example 4
In the fourth embodiment, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a circle having a -polar surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a region (diameter 2 μm), the dielectric layer 160 is a SiO 2 layer, and the metal layer 130 is an Al layer. The procedure of Example 3 was repeated except that the charge storage region 110 was different in polarity.
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１３に示す。 The shape image and the 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＋極性面を有する矩形（長手方向の長さ５０μｍ）の領域であり、誘電体層１６０がＳｉＯ２層であり、金属層１３０がＡｌ層である強誘電体キャパシタを製造した。実施例５では、電子線を照射するパターンが異なる以外は、実施例３と同様の手順で製造した。
[Example 5]
In Example 5, the ferroelectric single crystal 120 is a constant ratio lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a rectangle having a positive polarity surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a region (length 50 μm in the longitudinal direction), the dielectric layer 160 is a SiO 2 layer, and the metal layer 130 is an Al layer. In Example 5, it manufactured by the procedure similar to Example 3 except the patterns which irradiate an electron beam differ.
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 the 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.
［比較例６］
比較例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Ｃｒ層であり、誘電体層１６０を有さない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。
Comparative Example 6
In Comparative Example 6, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a circle having a positive polarity surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a region (diameter 2 μm), the metal layer 130 is a Cr layer, and the dielectric layer 160 is not provided. The procedure of Comparative Example 1 was repeated except that the metal layer was different.
比較例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 the potential image of the ferroelectric capacitor of Comparative 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）の領域であり、誘電体層１６０がＳｉＯ２層であり、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、実施例３と同様の手順で製造した。
[Example 7]
In Example 7, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a circle having a positive polarity surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a region (diameter 2 μm), the dielectric layer 160 is a SiO 2 layer, and the metal layer 130 is a Cr layer. The procedure of Example 3 was repeated except that the metal layer was different.
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 the 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.
［実施例８］
実施例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、誘電体層１６０がＳｉＯ２層であり、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および金属層が異なる以外は、実施例３と同様の手順で製造した。
[Example 8]
In Example 8, the ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a circle having a positive polarity surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a combined area of (diameter 2 μm) and rectangle (length 3 μm in the longitudinal direction), the dielectric layer 160 is a SiO 2 layer, and the metal layer 130 is a Cr layer. Also, the metal layer 130 was vapor-deposited so as to be partially open without surrounding the charge storage region 110. It manufactured by the procedure similar to Example 3 except the pattern and metal layer which irradiated an electron beam differ.
実施例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 the potential image of the ferroelectric capacitor of Example 8 were observed in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in FIG.
［参考例９］
参考例９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。金属層の種類が異なり、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。
[Reference Example 9]
In the reference example 9, a ferroelectric single crystal 120 is a stoichiometric lithium niobate (SLN) single crystal (0.5 mm in thickness) having a single polarization structure, and the charge storage region 110 is a circle having a -polar surface. A ferroelectric capacitor was manufactured, which is a region (diameter 2 μm) and in which the metal layer 130 is an Au layer. A metal layer was manufactured according to the same procedure as Comparative Example 1 except that the type of the metal layer was different, and the polar surface of the charge storage region 110 was reversed.
参考例９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１８に示す。 The shape image and the potential image of the ferroelectric capacitor of Reference Example 9 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１０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１１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. 10 is a view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Comparative Example 1.
FIG. 11 is a view showing a shape image and a potential image of a 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１０（Ａ）および図１１（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 area shown bright and the area shown dark indicate that there is a height difference of the object, and the height of the area shown bright is higher than the height of the area shown dark. According to FIGS. 10A and 11A, the ferroelectric capacitors of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 have circular (diameter 2 ± 0.5 μm) charge storage regions, and the periphery thereof It was confirmed that the height difference was caused by the metal layer being located on the
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１０（Ｂ）〜（Ｆ）および図１１（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, the lighted area and the darkly displayed area show that there is a difference in height between the potentials, and the potential of the lighted area is different from the potential of the darkly displayed area. According to FIGS. 10 (B) to (F) and FIGS. 11 (B) to (F), the ferroelectric capacitors of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 both store charge even when heating SLN single crystals. It was found that there was no rise in potential in the region, and that no surface charge was accumulated.
図１２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１３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. 12 is a view showing a shape image and a potential image of the ferroelectric capacitor of the third embodiment.
FIG. 13 is a view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Example 4.
図１２（Ａ）および図１３（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。 According to FIGS. 12A and 13A, it was confirmed that the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 have a circular (diameter 2 ± 0.5 μm) charge storage region.
図１２（Ｂ）および図１３（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は、室温において、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示し、誘電体層を含む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. 12B and 13B, the potentials of the charge storage region and the potential of the metal layer of the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 were substantially equal. From this, the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 show an increase in the potential in the charge storage region at room temperature, and surface charges induced by spontaneous polarization on the charge storage region including the dielectric layer. It was found to accumulate.
さらに、図１２（Ｃ）〜（Ｆ）および図１３（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、＋極性面からなる電荷蓄積領域を有する実施例３の強誘電体キャパシタは、ＳＬＮ単結晶の温度上昇に伴い、９０℃まで電位の上昇を示し、一方、−極性面からなる電荷蓄積領域を有する実施例４の強誘電体キャパシタは、ＳＬＮ単結晶の温度上昇に伴い、５５℃付近で電位の上昇がもっとも大きくなり、その後、電位が減少した。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。 Furthermore, according to FIGS. 12 (C) to 12 (F) and FIGS. 13 (C) to 13 (F), the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 have charge storage even if the SLN single crystal is heated. It showed an increase in the potential in the region. More specifically, the ferroelectric capacitor of Example 3 having a charge storage region composed of a positive polarity face shows an increase in potential up to 90 ° C. as the temperature of the SLN single crystal rises, while the negative polarity face is composed of In the ferroelectric capacitor of Example 4 having a charge storage region, the rise of the potential became the largest around 55 ° C. with the rise in temperature of the SLN single crystal, and then the potential decreased. From this, it was found that the ferroelectric capacitors of Example 3 and Example 4 accumulate surface charges induced by the pyroelectric effect.
以上の比較例１〜２および実施例３〜４によれば、本発明の強誘電体キャパシタは、少なくとも強誘電体単結晶と金属層との間に誘電体層を位置させることにより、電荷蓄積領域上に電荷を閉じ込め、蓄積することができることが分かった。また、蓄積される電荷は、強誘電体単結晶の自発分極、焦電効果等に基づく自然エネルギーにより発生する表面電荷であることを確認した。 According to the above Comparative Examples 1 to 2 and Examples 3 to 4, in the ferroelectric capacitor of the present invention, charge storage is achieved by positioning the dielectric layer at least between the ferroelectric single crystal and the metal layer. It has been found that charge can be trapped and accumulated on the area. In addition, it was confirmed that the charges accumulated were surface charges generated by natural energy based on spontaneous polarization, pyroelectric effect and the like of the ferroelectric single crystal.
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。 FIG. 14 is a view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Example 5.
図１４（Ａ）によれば、実施例５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。 According to FIG. 14A, it was confirmed that the ferroelectric capacitor of Example 5 had a rectangular (longitudinal length 50 ± 5 μm) charge accumulation region.
図１４（Ｂ）および（Ｃ）によれば、実施例５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、自発分極に起因する表面電荷を蓄積することが分かった。このことから、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）は、５５μｍ以下であると示唆される。 According to FIGS. 14B and 14C, the ferroelectric capacitor of Example 5 shows an increase in potential near the metal layer in the charge storage region at room temperature, and stores surface charge due to spontaneous polarization. It turned out to do. From this, it is suggested that the diameter (or the length in the longitudinal direction) of the charge accumulation region capable of efficiently accumulating the surface charge is 55 μm or less.
図１５は、比較例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。
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. 15 is a view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Comparative Example 6.
FIG. 16 is a view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Example 7.
図１５（Ａ）および図１６（Ａ）によれば、比較例６および実施例７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。 According to FIGS. 15A and 16A, it was confirmed that the ferroelectric capacitors of Comparative Example 6 and Example 7 had a circular (diameter 2 ± 0.5 μm) charge storage region.
図１５（Ｂ）および図１６（Ｂ）によれば、比較例６および実施例７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、自発分極に起因する表面電荷を蓄積することが分かった。比較例６および実施例７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、比較例６および実施例７の強誘電体キャパシタは、室温において、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示し、金属層がＣｒである場合には、誘電体層の有無にかかわらず、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. 15B and 16B, the ferroelectric capacitors of Comparative Example 6 and Example 7 both show an increase in the potential in the charge storage region at room temperature, and are attributed to spontaneous polarization. It was found that the surface charge was accumulated. In the ferroelectric capacitors of Comparative Example 6 and Example 7, the potential of the charge storage region and the potential of the metal layer were substantially equal. From this, the ferroelectric capacitors of Comparative Example 6 and Example 7 show an increase in the potential in the charge storage region at room temperature, and when the metal layer is Cr, regardless of the presence or absence of the dielectric layer. It has been found that surface charges induced by spontaneous polarization are accumulated on the charge accumulation region.
さらに、図１５（Ｃ）〜（Ｆ）および図１６（Ｃ）〜（Ｆ）によれば、比較例６および実施例７の強誘電体キャパシタは、ＳＬＮ単結晶を加熱することにより、電荷蓄積領域内の電位の上昇を示した。より詳細には、誘電体層を有する実施例７の強誘電体キャパシタは、誘電体層を有さない比較例６の強誘電体キャパシタよりも、より高温まで電位の上昇を示した。 Furthermore, according to FIGS. 15 (C) to (F) and FIGS. 16 (C) to (F), the ferroelectric capacitors of Comparative Example 6 and Example 7 store charge by heating the SLN single crystal. It showed an increase in the potential in the region. More specifically, the ferroelectric capacitor of Example 7 having a dielectric layer showed a potential increase to a higher temperature than the ferroelectric capacitor of Comparative Example 6 having no dielectric layer.
以上の比較例６および実施例７によれば、少なくとも強誘電体単結晶と金属層との間に誘電体層が位置することにより、強誘電体キャパシタの電荷蓄積能を向上させることができることが分かった。 According to the above Comparative Example 6 and Example 7, the charge storage ability of the ferroelectric capacitor can be improved by positioning the dielectric layer at least between the ferroelectric single crystal and the metal layer. I understood.
図１７は、実施例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 view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Example 8.
図１７（Ａ）によれば、実施例８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. 17A, a charge storage region in which the ferroelectric capacitor of Example 8 is combined with a circle (diameter 2 ± 0.5 μm) and a rectangle (length in the longitudinal direction 3 ± 0.5 μm) is obtained. It confirmed that it had. In this case, the diameter of the charge storage region can be estimated to be 5 μm.
図１７（Ｂ）によれば、実施例８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、自発分極に起因する表面電荷を蓄積することが分かった。実施例８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. 17B, it was found that the ferroelectric capacitor of Example 8 exhibited an increase in the potential in the charge storage region at room temperature, and stored surface charge due to spontaneous polarization. In the ferroelectric capacitor of Example 8, it was confirmed that although the metal layer was in a partially open state without completely surrounding the charge storage region, it did not affect the surface charge storage.
以上の実施例８によれば、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。 According to the eighth embodiment described above, it is shown that in the ferroelectric capacitor of the present invention, the metal layer does not have to completely surround the charge storage region, and it is sufficient if it is located at least around the charge storage region. It was done. Further, 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 any shape.
図１８は、参考例９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. 18 is a view showing a shape image and a potential image of a ferroelectric capacitor of Reference Example 9.
図１８（Ａ）によれば、参考例９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。図１８（Ｂ）によれば参考例９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。 According to FIG. 18A, it was confirmed that the ferroelectric capacitor of Reference Example 9 had a circular (diameter 2 ± 0.5 μm) charge storage region. According to FIG. 18B, it was found that the ferroelectric capacitor of Reference Example 9 showed an increase in the potential in the charge storage region at room temperature, and stored surface charges induced by spontaneous polarization.
図１５および図１６を参照して、説明したように、本発明の強誘電体キャパシタが、金属の種類に関わらず、少なくとも金属層と強誘電体単結晶との間に強誘電体単結晶よりもバンドギャップの大きな誘電体層を位置させることにより、効率的に表面電荷を蓄積することから、金属層がＡｕの場合も同様に、Ａｕと強誘電体単結晶との間に誘電体層を位置させることで、さらに効率的な表面電荷の蓄積が期待できる。 As described with reference to FIGS. 15 and 16, the ferroelectric capacitor according to the present invention, regardless of the type of metal, has at least a ferroelectric single crystal between the metal layer and the ferroelectric single crystal. Since the surface charge is efficiently accumulated by positioning the dielectric layer with a large band gap, the dielectric layer is similarly provided between Au and the ferroelectric single crystal even when the metal layer is Au. By positioning, more efficient accumulation of surface charge can be expected.
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。 The ferroelectric capacitor of the present invention can function as a power source utilizing natural energy because it can store charges (surface charges) for shielding polarization charges derived from a ferroelectric single crystal. Further, the ferroelectric capacitor of the present invention can also function as a switch utilizing such a change in charge amount since the charge amount of the surface charge accumulated due to the pyroelectric effect or the piezoelectric effect changes. . Furthermore, the ferroelectric capacitor of the present invention can be used as a power supply to connect with a sensor, a charge transfer switch, etc., to construct an electronic device. 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
１６０ 誘電体層
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
100 ferroelectric capacitor 110 charge storage region 120 ferroelectric single crystal 130 metal layer 140 surface of ferroelectric single crystal 150, 420, 530 surface charge 160 dielectric layer 410 pressure 510 light 520 heating device 600 electronic device 610 device 710 Resist 720 area 730 Al layer
Claims (13)
少なくとも前記強誘電体単結晶と前記金属層との間に位置する誘電体層と
を備え、
前記誘電体層のバンドギャップは、前記強誘電体単結晶のバンドギャップよりも大きく、
前記誘電体層および前記金属層は、前記電荷蓄積領域を包囲するように位置し、
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 in which a direction of polarization is controlled and having a charge storage region, wherein the charge storage region is at least a partial region of a surface of the ferroelectric single crystal; A metal layer located around the charge storage region;
A dielectric layer located between at least the ferroelectric single crystal and the metal layer;
The band gap of the dielectric layer is larger than the band gap of the ferroelectric single crystal,
The dielectric layer and the metal layer are positioned to surround the charge storage region,
A ferroelectric capacitor in which charges based on the ferroelectric single crystal are confined and stored on the charge storage region.
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 direction of polarization is controlled so that the ferroelectric single crystal has a single polarization structure,
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is either positive or negative.
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 direction of polarization is controlled so that the ferroelectric single crystal has a polarization inversion structure,
2. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the polarity inside the surface of the ferroelectric single crystal corresponding to the charge storage region is either positive or negative.
前記強誘電体キャパシタは、請求項１〜１２のいずれかに記載の強誘電体キャパシタであり、
前記半導体素子は、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 a semiconductor element, wherein
The ferroelectric capacitor is a ferroelectric capacitor according to any one of claims 1 to 12 ,
The semiconductor element is connected between the charge storage region and the metal layer, and operates with the charge stored on the charge storage region, or of the charge stored on the charge storage region. Electronic devices that detect changes in the amount of charge.
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