JP7359435B2 - How to use variable capacitance elements, resonators and variable capacitance elements - Google Patents

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Description

本発明は、可変容量素子、共振器および可変容量素子の使用方法に関するものである。 The present invention relates to a variable capacitance element, a resonator, and a method of using the variable capacitance element.

近年、移動通信体技術の進化により、無線周波数帯のブロードバンド化が急激に進められている。このブロードバンド化を進める上で欠かせないものは、広範囲の周波数帯域で動作する無線の送受信回路（共振器）であり、そのための容量素子である。 In recent years, with the evolution of mobile communication technology, the use of broadband radio frequency bands is rapidly progressing. Indispensable for the advancement of broadband technology are wireless transmitter/receiver circuits (resonators) that operate in a wide range of frequency bands, and capacitive elements for these circuits.

従来、この要請に応えるために、各周波数に対応する幾つもの容量素子をあらかじめ選択して共振器に搭載し、使用する周波数帯域に応じて対応する容量素子をその都度切り替えて使用するという方法が採用されていた。しかし、この方法では、多数の容量素子が必要となるために部品点数の増加を招き、その結果、これらを配置するためのスペースが必要となり、機器が大型化するという問題があった。
そこで、この問題を解決するために、使用する広範囲の周波数帯域に対応しうる可変容量素子の開発が求められている。 Conventionally, in order to meet this demand, a method has been used in which a number of capacitive elements corresponding to each frequency are selected in advance and mounted on a resonator, and the corresponding capacitive element is switched each time depending on the frequency band to be used. He had been hired. However, this method requires a large number of capacitive elements, leading to an increase in the number of parts, and as a result, a space is required for arranging them, resulting in an increase in the size of the device.
Therefore, in order to solve this problem, there is a need to develop a variable capacitance element that can be used over a wide range of frequency bands.

例えば、特許文献１には、誘電体として空乏層を用いる、一般に「バラクタ」と称される可変容量素子が記載されている。具体的には、バラクタは、ｐｎ接合のｐ型半導体とｎ型半導体との界面、またはＭＩＳ構造の絶縁膜と半導体との界面などに形成される空乏層の厚みを電圧によって制御することで静電容量を調節できることが記載されている（段落［０００２］）。さらに、ＭＩＳ構造においてダイヤモンド半導体を使用することによって、高温でも動作する可変容量素子が得られることが記載されている（段落［００１１］）。
しかしながら、バラクタダイオードは、消費電力や損失が大きく、今後の携帯電話の高性能化、高機能化への対応には限界があるという問題点が指摘されている（特許文献３参照）。また、このような空乏層の厚みを電圧によって制御する可変容量素子は、高周波での誘電損失が大きいため、一般に、大きなリーク電流と発熱も問題となり、また、容量可変率も小さく、使用できる周波数も限定的である。 For example, Patent Document 1 describes a variable capacitance element generally referred to as a "varactor" that uses a depletion layer as a dielectric. Specifically, a varactor can achieve static electricity by controlling the thickness of a depletion layer formed at the interface between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in a pn junction, or the interface between an insulating film and a semiconductor in an MIS structure, using a voltage. It is described that the capacitance can be adjusted (paragraph [0002]). Furthermore, it is described that by using a diamond semiconductor in an MIS structure, a variable capacitance element that operates even at high temperatures can be obtained (paragraph [0011]).
However, it has been pointed out that varactor diodes have large power consumption and loss, and that there is a limit to their ability to support future improvements in the performance and functionality of mobile phones (see Patent Document 3). In addition, variable capacitors whose depletion layer thickness is controlled by voltage have a large dielectric loss at high frequencies, so they generally have problems with large leakage current and heat generation, and also have a small capacitance variable rate, which limits the frequency at which they can be used. is also limited.

また、特許文献２には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術で作製されたアクチュエータを使用した可変容量素子（ＭＥＭＳ可変容量素子）が記載されている。具体的には、ＭＥＭＳ可変容量素子は、例えば、一端が基板主面に接続され、他端が基板主面の上方に保持されたアクチュエータに設けられた可動電極と、可動電極に対向する基板主面上に設けられた固定電極と、を有し、アクチュエータにより可動電極と固定電極との間の距離を変化させることで、これらの電極間の静電容量を変化させるものであることが記載されている。さらに、ＭＥＭＳ可変容量素子を携帯電話等の高周波向けの用途に応用した場合、高いＱ値を実現することが記載されている。
しかしながら、ＲＦ－ＭＥＭＳを用いた可変容量素子は、容量値が小さい、衝撃に弱い、応答速度が遅い、微細な３次元精密加工が必要であるため高価である等の問題があることが指摘されている（特許文献３）。また、このようなＭＥＭＳを用いた可変容量素子は、アクチュエータ部の動作の信頼性やパッケージ技術の難しさ、さらには、製造コストが高いという問題がある。 Further, Patent Document 2 describes a variable capacitance element (MEMS variable capacitance element) using an actuator manufactured using microelectromechanical system (MEMS) technology. Specifically, a MEMS variable capacitance element includes, for example, a movable electrode provided on an actuator with one end connected to the main surface of the substrate and the other end held above the main surface of the substrate, and a main substrate opposite to the movable electrode. It is described that the device has a fixed electrode provided on a surface, and that by changing the distance between the movable electrode and the fixed electrode using an actuator, the capacitance between these electrodes is changed. ing. Furthermore, it is described that a high Q value can be achieved when the MEMS variable capacitance element is applied to high frequency applications such as mobile phones.
However, it has been pointed out that variable capacitance elements using RF-MEMS have problems such as a small capacitance value, vulnerability to shock, slow response speed, and high cost due to the need for fine three-dimensional precision processing. (Patent Document 3). Further, such a variable capacitance element using MEMS has problems in that the operation reliability of the actuator section is difficult, the packaging technology is difficult, and the manufacturing cost is high.

また、特許文献３には、他の可変容量素子として、チタン酸バリウムストロンチウムや、チタン酸ストロンチウム等のペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料を用いることが記載され、具体的には、誘電体材料の誘電率のバイアス電界依存性を利用した薄膜可変容量素子が記載されている。
しかしながら、これらのペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料を用いた可変容量素子は、高周波信号に対する損失が大きいという問題があることが指摘され、そのＱ値も小さいという問題がある。また、このような高周波信号に対する損失特性を改善するために、ペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料に添加物を加える試みも行われているが、それにより容量変化率が大きく損なわれてしまうという問題も指摘されている。 Further, Patent Document 3 describes the use of a perovskite-type high permittivity dielectric material such as barium strontium titanate or strontium titanate as another variable capacitance element. Specifically, the dielectric material A thin film variable capacitance element that utilizes the bias electric field dependence of the dielectric constant of is described.
However, it has been pointed out that variable capacitance elements using these perovskite-type high-permittivity dielectric materials have a problem of large loss for high-frequency signals, and also have a problem of a small Q value. In addition, attempts have been made to add additives to perovskite-type high-permittivity dielectric materials in order to improve the loss characteristics for such high-frequency signals, but it is said that this greatly impairs the rate of capacitance change. Problems have also been pointed out.

一方、特許文献４には、固体電解質が、リチウムイオン伝導性固体電解質である、ＬｉαＺｒβＭγ（ＰＯ４）３（但し、ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及び希土類元素から選択される少なくとも１種の金属であり、α、β、γは、１．１＜α≦１．８、０．０３≦γ／β≦０．５、α＞１＋γ）を、５０体積％以上含むことを特徴とするキャパシタが記載され、卑金属を含む電極材料とリチウムイオン伝導性固体電解質材料とを低酸素雰囲気で焼成して製造した場合でも、焼結体密度などの優れた特性を有するキャパシタが得られることが記載されている。
しかしながら、特許文献４には、専ら、焼結体密度、イオン伝導度、及び静電容量に着目したキャパシタ、並びに、電極材料と固体電解質材料と焼成時の雰囲気を規定したキャパシタの製造方法が記載されているにとどまり、広範囲の周波数帯域に対応しうる可変容量素子については記載も示唆もされていない。 On the other hand, Patent Document 4 describes that the solid electrolyte is a lithium ion conductive solid electrolyte, Li α Zr β M γ (PO 4 ) 3 (where M is selected from Al, Ga, In, and rare earth elements). At least one metal, α, β, and γ are 1.1<α≦1.8, 0.03≦γ/β≦0.5, α>1+γ), and contain 50% or more by volume. A capacitor with characteristics is described, and even when manufactured by firing an electrode material containing a base metal and a lithium ion conductive solid electrolyte material in a low oxygen atmosphere, a capacitor having excellent properties such as sintered body density can be obtained. It is stated that.
However, Patent Document 4 describes a capacitor that focuses exclusively on sintered body density, ionic conductivity, and capacitance, and a capacitor manufacturing method that specifies electrode materials, solid electrolyte materials, and an atmosphere during firing. However, there is no description or suggestion of a variable capacitance element that can cover a wide range of frequency bands.

特許文献５には、第１の電極層、誘電体層内をイオンが移動して静電容量が変化するイオン伝導性誘電体層、および第２の電極層が順次積層された可変容量素子（可変キャパシタ素子）が記載されている。そこでは、イオン伝導性誘電体層として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかの高分子、さらにこれらの高分子に銀電解質塩、銅電解質塩、ニッケル電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩のいずれかの金属塩を含ませた高分子電解質、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、ヨウ化銀ルビジウム（ＲｂＡｇ４Ｉ５）のいずれかのハロゲン化が例示されている。
しかしながら、特許文献５に記載の可変容量素子は、周波数に対し容量の変化が大きく、高い周波数では十分な容量を得ることが難しいという問題があった。 Patent Document 5 discloses a variable capacitance element in which a first electrode layer, an ion-conducting dielectric layer whose capacitance changes as ions move within the dielectric layer, and a second electrode layer are sequentially laminated. A variable capacitor element) is described. There, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tungsten oxide (WO 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), or these Mixed crystals of polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polymethyl methacrylate, and these polymers also contain silver electrolyte salts, copper electrolyte salts, and nickel electrolyte salts. , a polymer electrolyte containing a metal salt of magnesium electrolyte salt, iron electrolyte salt, cobalt electrolyte salt, or manganese electrolyte salt, silver iodide (AgI), copper iodide (CuI), lithium iodide (LiI) ), silver bromide (AgBr), copper bromide (CuBr), lithium bromide (LiBr), and silver rubidium iodide (RbAg4I5).
However, the variable capacitance element described in Patent Document 5 has a problem in that the capacitance changes largely with respect to frequency, and it is difficult to obtain a sufficient capacitance at high frequencies.

特開２０１０－１７７２７８号公報Japanese Patent Application Publication No. 2010-177278 特開２００９－２８５７９７号公報JP2009-285797A 国際公開ＷＯ２００７／１１６４７１号公報International Publication WO2007/116471 Publication 特開２０１５－２１６２２２号公報JP2015-216222A 特開２０１８－２９１５６号公報JP2018-29156A

本発明は、上記の背景技術の項で説明した従来の問題点を解消するためになされたものであり、単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し、大きな静電容量変化が得られ、且つ広範囲かつ高周波数帯域に適応する可変容量素子およびその使用方法を提供することを目的とする。
また、その可変容量素子の特性を活かした周波数可変の共振器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the conventional problems explained in the background art section above, and has a simple element structure that reduces manufacturing costs, contributes to the miniaturization of equipment, and has a large capacitance. It is an object of the present invention to provide a variable capacitance element that can be varied and adapted to a wide range of high frequency bands, and a method for using the same.
Another object of the present invention is to provide a frequency variable resonator that takes advantage of the characteristics of the variable capacitance element.

本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる単層の膜である、可変容量素子。
（構成２）
第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる第１の誘電体層と、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３、Ｌｉ２Ｍｎ２Ｏ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、リン酸コバルトリチウム（ＬｉＣｏＰＯ４）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＰＯ４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、リチウム複合酸化物の群より選ばれる１以上からなる第２の誘電体層の二層の膜からなる、可変容量素子。
（構成３）
前記Ｍｅは、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上である、構成１または２記載の可変容量素子。
（構成４）
前記ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）からなる、構成１または２記載の可変容量素子。
（構成５）
前記イオン伝導性誘電体層は、窒素を含む、構成１から４の何れか１記載の可変容量素子。
（構成６）
前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下である、構成５記載の可変容量素子。
（構成７）
前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、２原子％以上１５原子％以下である、構成５記載の可変容量素子。
（構成８）
前記イオン伝導性誘電体層は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含む、構成１から７の何れか１記載の可変容量素子。
（構成９）
前記イオン伝導性誘電体層は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を含む、構成１から７の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１０）
前記イオン伝導性誘電体層における前記金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下である、構成８または９記載の可変容量素子。
（構成１１）
第１の電極層および／または第２の電極層は、貴金属材料より選ばれる１以上を含む構成１から１０の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１２）
第１の電極層および／または第２の電極層は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を含む構成１から１０の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１３）
温度調整手段をさらに有する、構成１から１２の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１４）
前記温度調整手段は、ペリチェとヒーターからなる、構成１３記載の可変容量素子。
（構成１５）
構成１から１４の何れか１記載の可変容量素子を有する、共振器。
（構成１６）
前記第１の電極層と前記第２の電極層の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された構成１から１４の何れか１記載の可変容量素子が少なくとも２以上配置された、共振器。
（構成１７）
前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧可変のバイアス電圧を印加する、構成１から１４の何れか１記載の可変容量素子の使用方法。
（構成１８）
構成１３または１４記載の可変容量素子の温度を調整して使用する、可変容量素子の使用方法。 The configuration of the present invention is shown below.
(Configuration 1)
a first electrode layer, a second electrode layer, and an ion-conductive dielectric layer sandwiched between the first electrode layer and the second electrode layer;
The ion conductive dielectric layer is made of MeX (Me is one or more selected from monovalent and divalent metals, X is phosphoric acid (PO 4 ), silicic acid (SiO 4 ), phosphoric acid and silicate glass material. A variable capacitance element that is a single layer film consisting of one or more selected from the group of
(Configuration 2)
a first electrode layer, a second electrode layer, and an ion-conductive dielectric layer sandwiched between the first electrode layer and the second electrode layer;
The ion conductive dielectric layer is made of MeX (Me is one or more selected from monovalent and divalent metals, X is phosphoric acid (PO 4 ), silicic acid (SiO 4 ), phosphoric acid and silicate glass material. ( one or more selected from the group of Mn 2 O 4 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and lithium composite oxide. A variable capacitance element consisting of a two-layer film including one or more second dielectric layers.
(Configuration 3)
The variable capacitance element according to configuration 1 or 2, wherein the Me is one or more selected from the group of lithium (Li), silver (Ag), copper (Cu), and magnesium (Mg).
(Configuration 4)
The variable capacitance element according to configuration 1 or 2, wherein the MeX is lithium phosphate (Li 3 PO 4 ).
(Configuration 5)
5. The variable capacitance element according to any one of configurations 1 to 4, wherein the ion conductive dielectric layer contains nitrogen.
(Configuration 6)
The variable capacitance element according to configuration 5, wherein the nitrogen content in the ion-conductive dielectric layer is 1 atomic % or more and 15 atomic % or less.
(Configuration 7)
The variable capacitance element according to configuration 5, wherein the nitrogen content in the ion-conductive dielectric layer is 2 atomic % or more and 15 atomic % or less.
(Configuration 8)
8. The variable capacitance element according to any one of Structures 1 to 7, wherein the ion-conductive dielectric layer contains one or more metal additives selected from metals having a valence of +3 to +5.
(Configuration 9)
The ionically conductive dielectric layer comprises one or more metal additives selected from the group of titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), zirconium (Zr), and niobium (Nb). 7. The variable capacitance element according to any one of 7.
(Configuration 10)
10. The variable capacitance element according to configuration 8 or 9, wherein the content of the metal additive in the ion-conductive dielectric layer is 1 atomic % or more and 10 atomic % or less.
(Configuration 11)
11. The variable capacitance element according to any one of configurations 1 to 10, wherein the first electrode layer and/or the second electrode layer include one or more selected from noble metal materials.
(Configuration 12)
The first electrode layer and/or the second electrode layer include one or more selected from platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and rhodium (Rh). 11. The variable capacitance element according to any one of configurations 1 to 10.
(Configuration 13)
13. The variable capacitance element according to any one of Configurations 1 to 12, further comprising temperature adjustment means.
(Configuration 14)
14. The variable capacitance element according to configuration 13, wherein the temperature adjustment means includes a Peltier and a heater.
(Configuration 15)
A resonator comprising the variable capacitance element according to any one of Structures 1 to 14.
(Configuration 16)
15. A resonator in which at least two or more variable capacitance elements according to any one of Structures 1 to 14 are arranged, in which at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is electrically connected to a common line.
(Configuration 17)
15. The method of using the variable capacitance element according to any one of Structures 1 to 14, wherein a variable bias voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer.
(Configuration 18)
A method of using a variable capacitance element according to configuration 13 or 14, which comprises adjusting the temperature of the variable capacitance element.

本発明によれば、単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し、大きな静電容量変化が得られ、且つ広範囲かつ高周波数帯域に適応する可変容量素子およびその使用方法が提供される。
また、その可変容量素子の特性を活かした周波数可変の共振器が提供される。 According to the present invention, there is provided a variable capacitance element with a simple element structure that reduces manufacturing costs, contributes to miniaturization of equipment, provides a large capacitance change, and is applicable to a wide range and high frequency band, and a method for using the same. provided.
Further, a variable frequency resonator that takes advantage of the characteristics of the variable capacitance element is provided.

さらに、本発明によれば、プラスチック基板等の上に形成することにより、フレキシブルな容量素子の作製が可能になるという効果が得られる。このように、本発明を使用することにより、ペーパーディスプレイ、フラットパネルディスプレイの駆動回路への応用も可能になる。 Further, according to the present invention, an effect can be obtained that a flexible capacitor element can be manufactured by forming it on a plastic substrate or the like. Thus, by using the present invention, it is also possible to apply it to drive circuits for paper displays and flat panel displays.

本発明の可変容量素子の第１の態様の構成例を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a first aspect of a variable capacitance element of the present invention. 本発明の可変容量素子の第１の態様の動作原理を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing the operating principle of the first embodiment of the variable capacitance element of the present invention. 本発明の可変容量素子の第２の態様の構成例を示す概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a configuration example of a second aspect of the variable capacitance element of the present invention. 本発明の可変容量素子の第２の態様の動作原理を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing the operating principle of a second embodiment of the variable capacitance element of the present invention. 本発明の共振器の電気回路図である。FIG. 3 is an electrical circuit diagram of a resonator of the present invention. 本発明の可変容量素子の可変容量特性を示す電気特性図である。FIG. 3 is an electrical characteristic diagram showing the variable capacitance characteristics of the variable capacitance element of the present invention. 本発明の可変容量素子の容量特性の環境温度依存性を示す電気特性図である。FIG. 3 is an electrical characteristic diagram showing the environmental temperature dependence of the capacitance characteristics of the variable capacitance element of the present invention. 本発明の可変容量素子を並列配置したときの容量特性を示す電気特性図である。FIG. 3 is an electrical characteristic diagram showing capacitance characteristics when variable capacitance elements of the present invention are arranged in parallel. 比較例の可変容量素子の可変容量特性を示す電気特性図である。FIG. 7 is an electrical characteristic diagram showing variable capacitance characteristics of a variable capacitance element of a comparative example. 実施例の可変容量素子の可変容量特性を示す電気特性図である。FIG. 3 is an electrical characteristic diagram showing the variable capacitance characteristics of the variable capacitance element of the example. 実施例の共振器の電気回路図である。FIG. 3 is an electrical circuit diagram of a resonator according to an embodiment. 実施例の共振器の発振動作特性を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the oscillation operation characteristics of the resonator of the example. 実施例の共振器の電気特性を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the electrical characteristics of the resonator of the example. 実施例の共振器の電気特性を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the electrical characteristics of the resonator of the example.

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する本発明の詳細な説明は、代表的な態様、実施形態、及び実施例に基づいてなされることがあるが、これらは例示であり、本発明はそのような態様、実施形態、及び実施例に限定されるものではない。
なお、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下を示す。 The present invention will be explained in detail below. Although the detailed description of the present invention described below may be based on representative aspects, embodiments, and examples, these are merely illustrative, and the present invention is not limited to such aspects, embodiments, and examples. and is not limited to the examples.
Note that "A to B" indicates A or more and B or less.

（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の可変容量素子の第１の態様（容量可変のキャパシタ）を説明する。その可変容量素子１０１の構造の概要を図１に示す。
本発明の第１の態様は、第１の電極層１１上にイオン伝導性誘電体層１２および第２の電極層１３が順次積層された構造、言い換えれば、イオン伝導性誘電体層１２が第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造で、イオン伝導性誘電体層１２がＭｅＸからなる単層の膜からなる容量素子１０１である。
ここで、Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上であり、Ｘはリン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上である。Ｍｅの具体例としては、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上を挙げることができる。この中で、ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）が特に高いイオン伝導性をもつという点から、イオン伝導性誘電体層１２の材料として特に好ましい。高い伝導性を有すると容量素子１０１の周波数特性が向上する。
なお、ＭｅとＸの比率は、可変容量の電気特性を確保する観点から、モル比率で１：２～４：１が適する。 (Embodiment 1)
In Embodiment 1, a first aspect of a variable capacitance element (variable capacitance capacitor) of the present invention will be described. An outline of the structure of the variable capacitance element 101 is shown in FIG.
A first aspect of the present invention has a structure in which an ion-conducting dielectric layer 12 and a second electrode layer 13 are sequentially laminated on a first electrode layer 11, in other words, the ion-conducting dielectric layer 12 is The capacitive element 101 is sandwiched between a first electrode layer 11 and a second electrode layer 13, and the ion-conductive dielectric layer 12 is a single-layer film made of MeX.
Here, Me is 1 or more selected from monovalent and divalent metals, and X is 1 selected from the group of phosphoric acid (PO 4 ), silicic acid (SiO 4 ), phosphoric acid and silicate glass materials. That's all. Specific examples of Me include one or more selected from the group of lithium (Li), silver (Ag), copper (Cu), and magnesium (Mg). Among these, MeX is particularly preferable as a material for the ion-conductive dielectric layer 12 since lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) has particularly high ion conductivity. Having high conductivity improves the frequency characteristics of the capacitive element 101.
Note that the molar ratio of Me to X is preferably 1:2 to 4:1 from the viewpoint of ensuring the electrical characteristics of the variable capacitance.

第１の電極層１１は、それに適度な剛性を持たせて基板とすることができる。また基板上(図示なし)に第１の電極層１１が形成されていてもよい。また、第２の電極層１３に適度な剛性を持たせて第２の電極層１３を基板とすることもできるし、基板上(図示なし)に第２の電極層１３が形成されていてもよい。 The first electrode layer 11 can be made into a substrate by giving it appropriate rigidity. Further, the first electrode layer 11 may be formed on the substrate (not shown). Further, the second electrode layer 13 can be provided with appropriate rigidity and can be used as a substrate, or even if the second electrode layer 13 is formed on a substrate (not shown). good.

ここで、基板としては、その上に積層される層構成を保持できるものであれば、いかなる材料及び形状のものを用いることができ、例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックからなる任意の形状の基板を使用することができる。また、基板には、これらの材料を複合し、あるいは積層して用いてもよく、例えば、シリコン上に二酸化珪素を形成した積層体を基板として用いてもよい。また、基板がプラスチックからなる場合は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート又はポリイミドなどを用いてもよい。また、基板は柔軟な材料で構成されていてもよく、かかる材料を使用することにより、フレキシブルな容量素子の作製が可能となる。基板を柔軟な材料で構成したり、基板を平坦で且つ薄厚のものとすることにより、本発明の可変容量素子１０１を、ペーパーディスプレイやフラットディスプレイの駆動回路に応用しやすくなるという利点がある。 Here, as the substrate, any material and shape can be used as long as it can maintain the layer structure laminated thereon, such as semiconductors such as silicon, glass such as oxides, plastics, etc. A substrate of any shape can be used. Furthermore, these materials may be used in combination or in a layered manner for the substrate. For example, a layered product in which silicon dioxide is formed on silicon may be used as the substrate. Furthermore, when the substrate is made of plastic, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyimide, or the like may be used. Further, the substrate may be made of a flexible material, and by using such a material, a flexible capacitive element can be manufactured. By making the substrate of a flexible material or by making the substrate flat and thin, there is an advantage that the variable capacitance element 101 of the present invention can be easily applied to a drive circuit for a paper display or a flat display.

以下、基板を用いた場合で、基板上に第１の電極層１１が形成される場合を説明するが、基板上に形成される電極層が第２の電極層１３である場合は、第１の電極層１１を第２の電極層１３に読み替えればよい。
この場合、基板と第１の電極層１１の間に、絶縁層または密着層(図示なし)を配置してもよい。
絶縁層または密着層としては、基板と第１の電極層１１との間の絶縁性を確保できるもの、あるいは密着性を高めるものであれば、いかなる材料のものも用いることができる。例えば、基板上に、絶縁層または密着層として、任意の酸化物層を形成してもよい。特に、基板がシリコンであって、第１の電極層１１が白金の場合は、基板と第１の電極層１１との間に、絶縁層又は密着層として二酸化珪素を形成することが好ましい。絶縁層又は密着層の形成にあたっては、塗布法、スパッタリング法、真空蒸着法など、任意の既知の方法を適宜使用することができる。 Hereinafter, a case will be described in which a substrate is used and the first electrode layer 11 is formed on the substrate. However, when the electrode layer formed on the substrate is the second electrode layer 13, the first electrode layer 11 is formed on the substrate. The electrode layer 11 may be read as the second electrode layer 13.
In this case, an insulating layer or an adhesive layer (not shown) may be placed between the substrate and the first electrode layer 11.
As the insulating layer or the adhesion layer, any material can be used as long as it can ensure the insulation between the substrate and the first electrode layer 11 or improve the adhesion. For example, an arbitrary oxide layer may be formed on the substrate as an insulating layer or an adhesion layer. In particular, when the substrate is silicon and the first electrode layer 11 is platinum, it is preferable to form silicon dioxide as an insulating layer or an adhesion layer between the substrate and the first electrode layer 11. In forming the insulating layer or the adhesive layer, any known method such as a coating method, a sputtering method, a vacuum evaporation method, etc. can be used as appropriate.

第１の電極層１１は、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。 The first electrode layer 11 can be made of any electrically conductive material, but from the viewpoint of a non-activated electrode, a material containing one or more selected from noble metal materials can be preferably used. Specifically, one or more metals selected from platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and rhodium (Rh) can be mentioned. It may be a single metal or an alloy containing these metals. It may also be a conductive compound.

第２の電極層１３も、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。
ここで、第２の電極層１３は第１の電極層１１の材料と同じでも異なっていてもよい。 The second electrode layer 13 can also be made of any electrically conductive material, but from the viewpoint of a non-activating electrode, a material containing one or more selected from noble metal materials can be preferably used. Specifically, one or more metals selected from platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and rhodium (Rh) can be mentioned. It may be a single metal or an alloy containing these metals. It may also be a conductive compound.
Here, the material of the second electrode layer 13 may be the same as or different from the material of the first electrode layer 11.

第１の電極層１１および第２の電極層１３の材料は、気体の透過性が少ない材料が、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、大気や水分に触れると水和反応による特性劣化等の問題を引き起こしやすくなるので、気体の透過性が少ないことが好ましい。ここで、第１の電極層１１および第２の電極層１３の材料の気体の透過性の問題は、後述のパッシベーション膜などを併用することでも対処することができる。
第１の電極層１１および第２の電極層１３の厚さは、同じであっても異なっていてもよく、電気抵抗、エレクトロマイグレーション等の素子動作時の経時変化耐性、グレインや成膜時の均一性、面内分布、気体透過性などを総合的に鑑みて個別に設定すればよいが、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
なお、イオン伝導性誘電体層１２と接する第１の電極層１１または／および第２の電極層１３にはチタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）などの密着性の高い金属または金属を含有する密着層を形成してもよい。この層が形成されていると、第１の電極層１１または／および第２の電極層１３とイオン伝導性誘電体層１２との剥離が抑制され、使用時の温度環境変化や機械刺激への耐久性が高まる。特に、容量素子１０１を柔軟な材料で構成し、しなやかでフレキシブルな容量素子１０１にするときは、密着層を設けるのが好ましい。密着層はスパッタリング法などで容易に形成することができる。 The first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are preferably made of a material with low gas permeability in order to stabilize the electrical characteristics of the device. In particular, when Li is used for the ion-conductive dielectric layer 12, it is preferable to have low gas permeability, since exposure to air or moisture tends to cause problems such as property deterioration due to hydration reactions. Here, the problem of gas permeability of the materials of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 can be solved by also using a passivation film, etc., which will be described later.
The thickness of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 may be the same or different. The thickness may be set individually considering uniformity, in-plane distribution, gas permeability, etc., and may be, for example, 10 nm or more and 10 μm or less.
Note that the first electrode layer 11 and/or the second electrode layer 13 in contact with the ion-conductive dielectric layer 12 contain a highly adhesive metal or metal such as titanium (Ti) or titanium nitride (TiN). An adhesion layer may also be formed. When this layer is formed, peeling between the first electrode layer 11 and/or the second electrode layer 13 and the ion-conductive dielectric layer 12 is suppressed, and it is possible to suppress the separation of the first electrode layer 11 and/or the second electrode layer 13 from the ion-conductive dielectric layer 12, thereby preventing changes in the temperature environment and mechanical stimulation during use. Increased durability. In particular, when the capacitive element 101 is made of a flexible material and is made pliable and flexible, it is preferable to provide an adhesive layer. The adhesive layer can be easily formed by sputtering or the like.

イオン伝導性誘電体層１２は、前述のように、ＭｅＸからなる単層の膜である。
ここで、イオン伝導性誘電体層１２の厚さは、良好な可変容量特性を得る観点から、上限としては１μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下がより好ましい。下限としては、絶縁耐圧の観点から、５ｎｍ以上が好ましく、１５ｎｍ以上がより好ましい。 The ion conductive dielectric layer 12 is a single layer film made of MeX, as described above.
Here, the upper limit of the thickness of the ion-conductive dielectric layer 12 is preferably 1 μm or less, more preferably 100 nm or less, from the viewpoint of obtaining good variable capacitance characteristics. From the viewpoint of dielectric strength, the lower limit is preferably 5 nm or more, more preferably 15 nm or more.

次に、イオン伝導性誘電体層１２の役割について、イオン伝導性誘電体層１２のＭｅがリチウム（Ｌｉ）で、第１の電極層１１と第２の電極層１３が白金（Ｐｔ）からなる場合を例示として、図２を参照しながら説明する。但し、これは１つの例であって、Ｍｅ、第１の電極層１１および第２の電極層１３は、上述の材料に置き換えても同様である。 Next, regarding the role of the ion conductive dielectric layer 12, Me of the ion conductive dielectric layer 12 is lithium (Li), and the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are made of platinum (Pt). A case will be described as an example with reference to FIG. However, this is just one example, and the same effect can be achieved even if Me, the first electrode layer 11, and the second electrode layer 13 are replaced with the above-mentioned materials.

第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧が印加されていない場合は、Ｌｉイオン（Ｌｉ＋）はイオン伝導性誘電体層１２内に均一に分布する（図示なし）。 When no voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13, Li ions (Li + ) are uniformly distributed within the ion-conducting dielectric layer 12 (not shown).

第２の電極層側が正になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図２（ａ）に示すように、Ｌｉイオンは、第１の電極層１１に向かって移動し、第１の電極層１１のイオン伝導性誘電体層１２との界面あるいはその近傍に蓄積する。
このとき、２つの効果によって静電容量が変化する。一つは、高ドープされた第１の電極層１１界面付近のイオン伝導性誘電体層１２の誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、第１の電極層１１界面付近に集まったＬｉイオンによってイオン伝導性誘電体層１２の実効的な厚さが薄くなることによるものである。
この２つの効果により、容量素子１０１の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧が高いほど、静電容量Ｃは小さくなる。 When a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 so that the second electrode layer side is positive, Li ions are transferred to the first electrode layer as shown in FIG. 2(a). It migrates toward layer 11 and accumulates at or near the interface of first electrode layer 11 with ion-conducting dielectric layer 12 .
At this time, the capacitance changes due to two effects. One is due to the effect of modulating the dielectric constant of the ion-conductive dielectric layer 12 near the interface of the highly doped first electrode layer 11, and the other is due to the effect of modulating the dielectric constant of the ion-conductive dielectric layer 12 near the interface of the first electrode layer 11. This is because the effective thickness of the ion-conducting dielectric layer 12 becomes thinner due to the Li ions gathered therein.
Due to these two effects, the capacitance C of the capacitive element 101 changes as a function of the applied voltage, and the higher the voltage applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, the greater the capacitance. C becomes smaller.

一方、第２の電極層側が負になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、Ｌｉイオンは、第２の電極層１３に向かって移動し、第２の電極層１３のイオン伝導性誘電体層１２との界面あるいはその近傍に蓄積する。
このとき、２つの効果によって静電容量が変化する。一つは、高ドープされた第２の電極層１３界面付近のイオン伝導性誘電体層１２の誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、第２の電極層１３界面付近に集まったＬｉイオンによってイオン伝導性誘電体層１２の実効的な厚さが薄くなることによるものである。
この２つの効果により、容量素子１０１の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧が高いほど、静電容量Ｃは小さくなる。 On the other hand, when a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 so that the second electrode layer side becomes negative, as shown in FIG. The second electrode layer 13 moves toward the electrode layer 13 and accumulates at or near the interface between the second electrode layer 13 and the ion-conductive dielectric layer 12 .
At this time, the capacitance changes due to two effects. One is due to the effect of modulating the dielectric constant of the ion conductive dielectric layer 12 near the highly doped interface of the second electrode layer 13, and the other is due to the effect of modulating the dielectric constant of the ion conductive dielectric layer 12 near the interface of the second electrode layer 13 which is highly doped. This is because the effective thickness of the ion-conducting dielectric layer 12 becomes thinner due to the Li ions gathered therein.
Due to these two effects, the capacitance C of the capacitive element 101 changes as a function of the applied voltage, and the higher the voltage applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, the greater the capacitance. C becomes smaller.

電圧を印加することを止めると、第１の電極層１１または第２の電極層１３の界面あるいはその近傍に蓄積したＬｉイオンは、イオン伝導性誘電体層１２を拡散し、均一化する。したがって、容量素子１０１は、電圧を印加しているときにのみ静電容量が変化する、いわゆる揮発性動作の素子である。 When the voltage application is stopped, the Li ions accumulated at or near the interface of the first electrode layer 11 or the second electrode layer 13 diffuse through the ion-conductive dielectric layer 12 and become uniform. Therefore, the capacitive element 101 is a so-called volatile element whose capacitance changes only when a voltage is applied.

上記のことから、容量素子１０１は、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧の向きによらず、その電圧の絶対値が高いほど、言い換えれば電極層間に大きなバイアス電圧をかけるほど、静電容量Ｃが小さくなる単極性の容量特性を有することを１つの特徴としている。 From the above, the capacitive element 101 has a higher absolute value of the voltage applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, regardless of the direction of the voltage applied between the electrode layers. One of its characteristics is that it has a unipolar capacitance characteristic in which the capacitance C decreases as the bias voltage is applied.

また、発明者は、ＭｅＸの単層の膜からなるイオン伝導性誘電体層１２において、Ｍｅが１価および２価の金属より選ばれる１以上であり、Ｘがリン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上である場合には、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する交流電圧に対して、電気容量（キャパシタ）は比較的フラットな周波数特性を有することと、環境温度に対して電気容量が変化することを発見した。
容量素子１０１はフラットな周波数特性を有するため、本発明の第１の態様の可変容量素子１０１は、利便性が高い。
また、本発明の第１の態様の可変容量素子１０１は、温度による容量制御が可能になる。温度による容量制御は、外部から加熱や冷却により容量を制御することが可能な容量素子になるとともに、素子が置かれた環境の温度により容量が変化する温度センサーとしての活用も可能となる。ここで、加熱、冷却する方法としては、ヒーター、ペリチェ素子を用いる方法を挙げることができる。 The inventor also proposed that in the ion conductive dielectric layer 12 made of a single layer of MeX, Me is one or more selected from monovalent and divalent metals, and X is phosphoric acid (PO 4 ), silicon When the material is one or more selected from the group of acid (SiO 4 ), phosphoric acid, and silicate glass materials, the AC voltage applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 discovered that capacitors have relatively flat frequency characteristics and that capacitance changes with environmental temperature.
Since the capacitive element 101 has flat frequency characteristics, the variable capacitive element 101 of the first aspect of the present invention is highly convenient.
Furthermore, the variable capacitance element 101 according to the first aspect of the present invention allows capacity control based on temperature. Capacity control based on temperature allows a capacitive element whose capacity can be controlled from the outside by heating or cooling, and can also be used as a temperature sensor whose capacitance changes depending on the temperature of the environment in which the element is placed. Here, examples of heating and cooling methods include methods using a heater and a Peltier device.

また、イオン伝導性誘電体層１２は、窒素（Ｎ）を含むとイオン電導度が向上して、容量素子１０１の周波数特性が向上する。
イオン伝導性誘電体層１２の窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下が好ましく、２原子％以上１５原子％以下がより好ましい。窒素の含有量がこの範囲にあると、特にイオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度が向上し、高い周波数まで十分な容量が確保される良好な周波数特性が得られる。 Further, when the ion conductive dielectric layer 12 contains nitrogen (N), the ionic conductivity is improved and the frequency characteristics of the capacitive element 101 are improved.
The content of nitrogen in the ion-conductive dielectric layer 12 is preferably 1 atomic % or more and 15 atomic % or less, more preferably 2 atomic % or more and 15 atomic % or less. When the nitrogen content is within this range, the ion conductivity in the ion-conductive dielectric layer 12 is particularly improved, and good frequency characteristics with sufficient capacity up to high frequencies can be obtained.

また、イオン伝導性誘電体層１２は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含むとイオン電導度が向上して電気容量素子１０１の周波数特性が向上する。＋３価から＋５価の価数をとる金属の例としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を挙げることができる。
イオン伝導性誘電体層１２におけるこの金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下が、イオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度を向上させ、高い周波数まで十分な容量が確保される良好な周波数特性を得る上で好ましい。
なお、イオン伝導性誘電体層１２は、窒素と上記金属添加物を両方添加されていることが、相乗効果も加わって、より高いイオン電導度が得られる可能性がある。 Further, when the ion conductive dielectric layer 12 contains one or more metal additives selected from metals having a valence of +3 to +5, the ionic conductivity is improved and the frequency characteristics of the capacitive element 101 are improved. do. Examples of metals with a valence of +3 to +5 include one or more metal additives selected from the group of titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), zirconium (Zr), and niobium (Nb). I can name things.
The content of this metal additive in the ion-conductive dielectric layer 12 is 1 atomic % or more and 10 atomic % or less, which improves the ionic conductivity within the ion-conductive dielectric layer 12 and provides sufficient capacity up to high frequencies. This is preferable in order to obtain good frequency characteristics.
Note that by adding both nitrogen and the metal additive to the ion-conductive dielectric layer 12, there is a possibility that a higher ion conductivity can be obtained due to a synergistic effect.

前述のように、容量素子１０１はパッシベーション膜（図示なし）で覆われていることが好ましい。パッシベーション膜で覆われると、気体や水の透過性が抑制され、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、イオン伝導性誘電体層１２に大気や水分が混入すると水和反応による特性劣化の問題を引き起こしやすくなるが、パッシベーション膜でこの問題を解決することが可能になる。
パッシベーション膜としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜、酸化タンタル（ＴａＯｘ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）膜を挙げることができる。その厚さは、特に限定はないが、例えば１０ｎｍ～１００ｎｍとすればよい。 As described above, the capacitor 101 is preferably covered with a passivation film (not shown). Covering with a passivation film suppresses gas and water permeability, which is preferable for stabilizing the electrical characteristics of the device. In particular, when Li is used in the ion-conducting dielectric layer 12, if air or moisture enters the ion-conducting dielectric layer 12, it tends to cause property deterioration due to hydration reactions, but a passivation film can solve this problem. It becomes possible to solve it.
Examples of the passivation film include a silicon nitride (SiN x ) film, a silicon oxide (SiO 2 ) film, a tantalum oxide (TaO x ) film, and a silicon oxynitride (SiO x N y ) film. The thickness is not particularly limited, but may be, for example, 10 nm to 100 nm.

容量素子１０１は、既知の方法により効率良く簡便に作製することができる。
例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックなどからなる基板を準備し、必要に応じて基板上に密着層や絶縁体層を形成し、その上に第１の電極層１１を形成する。あるいは必要な剛性を有する第１の電極層１１を、基板を兼ねて準備する。
密着層や絶縁体層は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法、キャスト法、スピンコート法などの通常の成膜法を用いて形成することができる。
第１の電極層１１は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成できる。
次に、イオン伝導性誘電体層１２を、第１の電極層１１の上に、ＲＦスパッタリング法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ法、またはスピンコート法などで形成する。
その後、第２の電極層１３を、イオン伝導性誘電体層１２の上に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成する。
以上の工程によって、イオン伝導性誘電体層１２が第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造の容量素子１０１が製造される。
なお、第２の電極層１３形成後、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または／およびスピンコート法などでパッシベーション膜を形成してもよい。 The capacitive element 101 can be efficiently and easily manufactured by a known method.
For example, a substrate made of a semiconductor such as silicon, glass such as an oxide, plastic, etc. is prepared, an adhesive layer or an insulating layer is formed on the substrate as necessary, and the first electrode layer 11 is formed thereon. do. Alternatively, the first electrode layer 11 having the necessary rigidity is prepared and also serves as a substrate.
The adhesion layer and the insulating layer can be formed using a normal film forming method such as a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a vapor deposition method, a casting method, or a spin coating method.
The first electrode layer 11 can be formed by a method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a PLD (Pulse Laser Deposition) method.
Next, the ion-conductive dielectric layer 12 is formed on the first electrode layer 11 by RF sputtering, ALD (Atomic Layer Deposition), PLD, spin coating, or the like.
Thereafter, the second electrode layer 13 is formed on the ion-conductive dielectric layer 12 by a method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a PLD (Pulse Laser Deposition) method.
Through the above steps, the capacitive element 101 having a structure in which the ion-conductive dielectric layer 12 is sandwiched between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 is manufactured.
Note that after forming the second electrode layer 13, a passivation film may be formed by a CVD method, a sputtering method, and/or a spin coating method.

（実施の形態２）
実施の形態２として、本発明の可変容量素子の第２の態様（容量可変のキャパシタ）を説明する。その可変容量素子１０２の構造の概要を図３に示す。
本発明の第２の態様は、第１の電極層１１上に第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２および第２の電極層１３が順次積層された構造、言い換えれば、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２が、第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造の容量素子１０２である。 (Embodiment 2)
As a second embodiment, a second aspect of the variable capacitance element of the present invention (capacitance variable capacitor) will be described. An outline of the structure of the variable capacitance element 102 is shown in FIG.
A second aspect of the present invention is that an ion-conducting dielectric layer 12 consisting of two layers, a first dielectric layer 21 and a second dielectric layer 22, and a second electrode layer are disposed on the first electrode layer 11. In other words, the ion-conducting dielectric layer 12 is made up of two layers, the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22. This is a capacitive element 102 having a structure sandwiched between electrode layers 13.

ここで、第１の誘電体層２１はＭｅＸからなる。
実施の形態１で示した電気容量素子１０１と同様に、Ｍｅは、１価および２価の金属より選ばれる１以上であり、Ｘは、リン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上である。
Ｍｅの具体例としては、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上を挙げることができる。この中で、ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）が特に高いイオン伝導性をもつという点から、イオン伝導性誘電体層１２の材料として特に好ましい。高い伝導性を有すると容量素子１０２の周波数特性が向上する。
なお、ＭｅとＸの比率は、可変容量の電気特性を確保する観点から、モル比率で１：２～４：１が適する。 Here, the first dielectric layer 21 is made of MeX.
Similar to capacitive element 101 described in Embodiment 1, Me is one or more selected from monovalent and divalent metals, and X is phosphoric acid (PO 4 ), silicic acid (SiO 4 ), One or more selected from the group of phosphoric acid and silicate glass materials.
Specific examples of Me include one or more selected from the group of lithium (Li), silver (Ag), copper (Cu), and magnesium (Mg). Among these, MeX is particularly preferable as a material for the ion-conductive dielectric layer 12 since lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) has particularly high ion conductivity. Having high conductivity improves the frequency characteristics of the capacitive element 102.
Note that the molar ratio of Me to X is preferably 1:2 to 4:1 from the viewpoint of ensuring the electrical characteristics of the variable capacitance.

第２の誘電体２２は、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群から選ばれる１以上の金属を含む電子伝導性の材料からなる。例えば、Ｌｉの場合はコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３、Ｌｉ２Ｍｎ２Ｏ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、リン酸コバルトリチウム（ＬｉＣｏＰＯ４）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＰＯ４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、リチウム複合酸化物の群より選ばれる１以上からなる。 The second dielectric 22 is made of an electronically conductive material containing one or more metals selected from the group of lithium (Li), silver (Ag), copper (Cu), and magnesium (Mg). For example, in the case of Li, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 , Li 2 MnO 3 , Li 2 Mn 2 O 4 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and lithium composite oxide.

第１の誘電体２１の厚さは５ｎｍ以上１μｍ以下が好ましく、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下がさらに一層好ましい。
第２の誘電体２２の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下がさらに一層好ましい。
第１の誘電体２１および第２の誘電体２２の厚さが上記の範囲に収まると、誘電体２２は誘電体２１に対してイオンのリザーバー層として働く効果が得られる。 The thickness of the first dielectric 21 is preferably 5 nm or more and 1 μm or less, and even more preferably 15 nm or more and 100 nm or less.
The thickness of the second dielectric 22 is preferably 5 nm or more and 100 nm or less, and even more preferably 10 nm or more and 50 nm or less.
When the thicknesses of the first dielectric 21 and the second dielectric 22 fall within the above range, the dielectric 22 has the effect of acting as an ion reservoir layer for the dielectric 21 .

実施の形態１と同様に、第１の電極層１１は、それに適度な剛性を持たせて基板とすることができる。また基板上(図示なし)に第１の電極層１１が形成されていてもよい。また、第２の電極層１３に適度な剛性を持たせて第２の電極層１３を基板とすることもできるし、基板上(図示なし)に第２の電極層１３が形成されていてもよい。なお、基板としては、実施の形態１に記載したものを好んで用いることができる。 As in the first embodiment, the first electrode layer 11 can be made into a substrate by giving it appropriate rigidity. Further, the first electrode layer 11 may be formed on the substrate (not shown). Further, the second electrode layer 13 can be provided with appropriate rigidity and can be used as a substrate, or even if the second electrode layer 13 is formed on a substrate (not shown). good. Note that as the substrate, the one described in Embodiment 1 can be preferably used.

以下、基板を用いた場合で、基板上に第１の電極層１１が形成される場合を説明するが、基板上に形成される電極層が第２の電極層１３である場合は、第１の電極層１１を第２の電極層１３に読み替えればよい。この際、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２も第２の誘電体層２２と第１の誘電体層２１と読み替える。
この場合、基板と第１の電極層１１の間に、絶縁層または密着層(図示なし)を配置してもよい。
絶縁層または密着層としては、実施の形態１と同様に、基板と第１の電極層１１との間の絶縁性を確保できるもの、あるいは密着性を高めるものであれば用いることができる。 Hereinafter, a case will be described in which a substrate is used and the first electrode layer 11 is formed on the substrate. However, when the electrode layer formed on the substrate is the second electrode layer 13, the first electrode layer 11 is formed on the substrate. The electrode layer 11 may be read as the second electrode layer 13. At this time, the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22 are also read as the second dielectric layer 22 and the first dielectric layer 21.
In this case, an insulating layer or an adhesive layer (not shown) may be placed between the substrate and the first electrode layer 11.
As the insulating layer or the adhesion layer, as in Embodiment 1, any material can be used as long as it can ensure insulation between the substrate and the first electrode layer 11 or improve adhesion.

第１の電極層１１は、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。 The first electrode layer 11 can be made of any electrically conductive material, but from the viewpoint of a non-activated electrode, a material containing one or more selected from noble metal materials can be preferably used. Specifically, one or more metals selected from platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and rhodium (Rh) can be mentioned. It may be a single metal or an alloy containing these metals. It may also be a conductive compound.

第２の電極層１３も、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。
ここで、第２の電極層１３は第１の電極層１１の材料と同じでも異なっていてもよい。 The second electrode layer 13 can also be made of any electrically conductive material, but from the viewpoint of a non-activating electrode, a material containing one or more selected from noble metal materials can be preferably used. Specifically, one or more metals selected from platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and rhodium (Rh) can be mentioned. It may be a single metal or an alloy containing these metals. It may also be a conductive compound.
Here, the material of the second electrode layer 13 may be the same as or different from the material of the first electrode layer 11.

第１の電極層１１および第２の電極層１３の材料は、実施の形態１と同様に、気体の透過性が少ない材料が、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、大気や水分に触れると水和反応による特性劣化等の問題を引き起こしやすくなるので、気体の透過性が少ないことが好ましい。
第１の電極層１１および第２の電極層１３の厚さは、同じであっても異なっていてもよく、電気抵抗、エレクトロマイグレーション等の素子動作時の経時変化耐性、グレインや成膜時の均一性、面内分布、気体透過性などを総合的に鑑みて個別に設定すればよいが、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
なお、第１の誘電体層２１と接する第１の電極層１１、または／および第２の誘電体層２２と接する第２の電極層１３には、チタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）などの密着性の高い金属または金属を含有する密着層を形成してもよい。この層が形成されていると、第１の電極層１１と第１の誘電体層２１、または／および第２の電極層１３と第２の誘電体層２２との剥離が抑制され、使用時の温度環境変化や機械刺激への耐久性が高まる。特に、容量素子１０２を柔軟な材料で構成し、しなやかでフレキシブルな容量素子１０２にするときは、密着層を設けるのが好ましい。密着層はスパッタリング法などで容易に形成することができる。 As in the first embodiment, the materials for the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are preferably materials with low gas permeability in order to stabilize the electrical characteristics of the device. In particular, when Li is used for the ion-conductive dielectric layer 12, it is preferable to have low gas permeability, since exposure to air or moisture tends to cause problems such as property deterioration due to hydration reactions.
The thickness of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 may be the same or different. The thickness may be set individually considering uniformity, in-plane distribution, gas permeability, etc., and may be, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
Note that the first electrode layer 11 in contact with the first dielectric layer 21 and/or the second electrode layer 13 in contact with the second dielectric layer 22 is made of titanium (Ti), titanium nitride (TiN), etc. A metal having high adhesiveness or an adhesion layer containing metal may be formed. When this layer is formed, peeling between the first electrode layer 11 and the first dielectric layer 21 and/or the second electrode layer 13 and the second dielectric layer 22 is suppressed, and when used, Increased durability against changes in temperature environment and mechanical stimulation. In particular, when the capacitor 102 is made of a flexible material and is made pliable and flexible, it is preferable to provide an adhesion layer. The adhesive layer can be easily formed by sputtering or the like.

次に、容量素子１０２の動作メカニズムとそこから生み出される特性を、第１の誘電体層２１がリン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）、第２の誘電体層２２がコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、第１の電極層１１と第２の電極層１３が白金（Ｐｔ）からなる場合を例示として、図３を参照しながら説明する。 Next, we will explain the operating mechanism of the capacitive element 102 and the characteristics produced therefrom.The first dielectric layer 21 is made of lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), and the second dielectric layer 22 is made of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). A case will be described with reference to FIG. 3, taking as an example a case where the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are made of platinum (Pt).

第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧が印加されていない場合は、Ｌｉイオン（Ｌｉ＋）はイオン伝導性誘電体層１２内に均一に分布する（図示なし）。 When no voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13, Li ions (Li + ) are uniformly distributed within the ion-conducting dielectric layer 12 (not shown).

次に、第１の電極層（１１）側が負になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図４（ａ）に示すように、誘電体層２１内のＬｉイオンは第１の電極層１１に向かって移動する。同時に、誘電体層２２のＬｉが誘電体層２１と２２の界面でＬｉイオンになり、誘電体層２１内を第１の電極層１１に向かって移動する。これらのイオンが第１の電極層１１と誘電体層２１との界面あるいはその近傍に蓄積する。 Next, when a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 so that the first electrode layer (11) side becomes negative, the dielectric Li ions in layer 21 move toward first electrode layer 11 . At the same time, Li in the dielectric layer 22 becomes Li ions at the interface between the dielectric layers 21 and 22, and moves within the dielectric layer 21 toward the first electrode layer 11. These ions accumulate at or near the interface between the first electrode layer 11 and the dielectric layer 21.

このとき、下記の効果によって静電容量が変化する。誘電層２２から誘電層２１に注入されるＬｉイオンの数は印加電圧が大きくなるほど増加するため、誘電層２１の誘電率の変調や実効的な膜厚の減少も大きくなる。
この効果により、容量素子１０２の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に印加する電圧が高いほど、静電容量Ｃは大きくなる。 At this time, the capacitance changes due to the following effects. Since the number of Li ions injected from the dielectric layer 22 into the dielectric layer 21 increases as the applied voltage increases, the modulation of the dielectric constant of the dielectric layer 21 and the reduction in the effective film thickness also increase.
Due to this effect, the capacitance C of the capacitive element 102 changes as a function of the applied voltage, and the higher the voltage applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13, the smaller the capacitance C becomes. growing.

一方、第１の電極層１１側が正になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図４（ｂ）に示すように、誘電体層２１内のＬｉイオンは第２の電極層１３と誘電体層２２に向かって移動する。こられのイオンの一部は誘電体層２１と２２の界面でＬｉになり誘電体層２２に注入される。
このとき、下記の効果によって静電容量が変化する。誘電体層２２に注入されるＬｉイオンの数は印加電圧が大きくなるほど増加し、その結果、誘電体層２１内のＬｉイオンの数は減少する。このイオン数の減少により、誘電層２１の誘電率の変調や実効的な膜厚の減少も小さくなる。
この効果により、容量素子１０２の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧（負電圧）が高いほど、静電容量Ｃは小さくなる。 On the other hand, when a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 so that the first electrode layer 11 side is positive, as shown in FIG. The Li ions move toward the second electrode layer 13 and the dielectric layer 22. Some of these ions turn into Li at the interface between the dielectric layers 21 and 22 and are implanted into the dielectric layer 22.
At this time, the capacitance changes due to the following effects. The number of Li ions implanted into the dielectric layer 22 increases as the applied voltage increases, and as a result, the number of Li ions in the dielectric layer 21 decreases. Due to this reduction in the number of ions, the modulation of the dielectric constant of the dielectric layer 21 and the decrease in the effective film thickness are also reduced.
Due to this effect, the capacitance C of the capacitive element 102 changes as a function of the applied voltage, and the higher the voltage (negative voltage) applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, the more static it becomes. The capacitance C becomes smaller.

電圧を印加することを止めると、第１の電極層１１または第２の電極層１３の界面あるいはその近傍に蓄積したＬｉイオンは、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２からなるイオン伝導性誘電体層１２を拡散し、均一化する。したがって、容量素子１０２は、電圧を印加しているときにのみ静電容量が変化する、いわゆる揮発性動作の素子である。 When the voltage application is stopped, the Li ions accumulated at or near the interface of the first electrode layer 11 or the second electrode layer 13 are removed from the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22. The ion conductive dielectric layer 12 is diffused and made uniform. Therefore, the capacitive element 102 is a so-called volatile element whose capacitance changes only when a voltage is applied.

上記のことから、容量素子１０２は、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧の正負の向きによって、静電容量が変わる双極性の容量特性を有することを１つの特徴としている。 From the above, it can be concluded that the capacitor 102 has a bipolar capacitance characteristic in which the capacitance changes depending on the positive or negative direction of the voltage applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12. It has two characteristics.

また、第１の誘電体層２１および第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２は、窒素（Ｎ）を含むとイオン電導度が向上して、容量素子１０２の周波数特性が向上する。
イオン伝導性誘電体層１２の窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下が好ましく、２原子％以上１５原子％以下がより好ましい。窒素の含有量がこの範囲にあると、特にイオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度が向上し、良好な周波数特性が得られる。 In addition, when the ion conductive dielectric layer 12 consisting of two layers, the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22, contains nitrogen (N), the ionic conductivity improves, and the capacitive element 102 Frequency characteristics are improved.
The content of nitrogen in the ion-conductive dielectric layer 12 is preferably 1 atomic % or more and 15 atomic % or less, more preferably 2 atomic % or more and 15 atomic % or less. When the nitrogen content is within this range, the ion conductivity in the ion-conductive dielectric layer 12 is particularly improved, and good frequency characteristics can be obtained.

また、イオン伝導性誘電体層１２は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含むとイオン電導度が向上して電気容量素子１０２の周波数特性が向上する。＋３価から＋５価の価数をとる金属の例としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を挙げることができる。
イオン伝導性誘電体層１２におけるこの金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下が、イオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度を向上させ、良好な周波数特性を得る上で好ましい。
なお、イオン伝導性誘電体層１２は、窒素と上記金属添加物を両方添加されていることが、相乗効果も加わって高いイオン電導度が得られ、好ましい。 Further, when the ion conductive dielectric layer 12 contains one or more metal additives selected from metals having a valence of +3 to +5, the ionic conductivity is improved and the frequency characteristics of the capacitive element 102 are improved. do. Examples of metals with a valence of +3 to +5 include one or more metal additives selected from the group of titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), zirconium (Zr), and niobium (Nb). I can name things.
The content of this metal additive in the ion-conductive dielectric layer 12 is 1 at. % or more and 10 at. It is preferable.
Note that it is preferable that the ion conductive dielectric layer 12 is doped with both nitrogen and the above-mentioned metal additives, since a synergistic effect is added and a high ionic conductivity can be obtained.

容量素子１０２はパッシベーション膜（図示なし）で覆われていることが好ましい。パッシベーション膜で覆われると、気体や水の透過性が抑制され、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、イオン伝導性誘電体層１２に大気や水分が混入すると水和反応による特性劣化等の問題を引き起こしやすくなるが、パッシベーション膜でこの問題を解決することが可能になる。
パッシベーション膜としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜、酸化タンタル（ＴａＯｘ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）膜を挙げることができる。その厚さは、特に限定はないが、例えば１０ｎｍ～１００ｎｍとすればよい。 The capacitive element 102 is preferably covered with a passivation film (not shown). Covering with a passivation film suppresses gas and water permeability, which is preferable for stabilizing the electrical characteristics of the device. In particular, when Li is used in the ion-conducting dielectric layer 12, if air or moisture enters the ion-conducting dielectric layer 12, problems such as property deterioration due to hydration reactions are likely to occur. becomes possible to solve.
Examples of the passivation film include a silicon nitride (SiN x ) film, a silicon oxide (SiO 2 ) film, a tantalum oxide (TaO x ) film, and a silicon oxynitride (SiO x N y ) film. The thickness is not particularly limited, but may be, for example, 10 nm to 100 nm.

容量素子１０２は、既知の方法により効率良く簡便に作製することができる。
例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックなどからなる基板を準備し、必要に応じて基板上に密着層や絶縁体層を形成し、その上に第１の電極層１１を形成する。あるいは必要な剛性を有する第１の電極層１１を、基板を兼ねて準備する。
密着層や絶縁体層は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法、キャスト法、スピンコート法などの通常の成膜法を用いることができる。
第１の電極層１１は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成できる。
次に、第１の誘電体層２１を、第１の電極層１１の上に、ＲＦスパッタリング法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ法、またはスピンコート法などで形成する。
その後、第２の誘電体層２２を、第１の誘電体層２１の上に、ＲＦスパッタリング法、ＡＬＤ法、ＰＬＤ法、またはスピンコート法などで形成する。
しかる後、第２の電極層１３を、第２の誘電体層２２の上に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成する。
以上の工程によって、第１の誘電体層２１および第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２が第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造の容量素子１０２が製造される。
なお、第２の電極層１３形成後、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または／およびスピンコート法などでパッシベーション膜を形成してもよい。 The capacitive element 102 can be efficiently and easily manufactured by a known method.
For example, a substrate made of a semiconductor such as silicon, glass such as an oxide, plastic, etc. is prepared, an adhesive layer or an insulating layer is formed on the substrate as necessary, and the first electrode layer 11 is formed thereon. do. Alternatively, the first electrode layer 11 having the necessary rigidity is prepared and also serves as a substrate.
For the adhesion layer and the insulator layer, a normal film formation method such as a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a vapor deposition method, a casting method, or a spin coating method can be used.
The first electrode layer 11 can be formed by a method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a PLD (Pulse Laser Deposition) method.
Next, the first dielectric layer 21 is formed on the first electrode layer 11 by RF sputtering, ALD (Atomic Layer Deposition), PLD, spin coating, or the like.
Thereafter, the second dielectric layer 22 is formed on the first dielectric layer 21 by RF sputtering, ALD, PLD, spin coating, or the like.
Thereafter, the second electrode layer 13 is formed on the second dielectric layer 22 by a method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a PLD (Pulse Laser Deposition) method.
Through the above steps, the ion conductive dielectric layer 12 consisting of two layers, the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22, is sandwiched between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13. A capacitive element 102 of the structure is manufactured.
Note that after forming the second electrode layer 13, a passivation film may be formed by a CVD method, a sputtering method, and/or a spin coating method.

（実施の形態３）
実施の形態３として、本発明の可変容量素子を有する共振器について、その共振器１０３の電気回路図である図５を参照しながら説明する。
共振器１０３は、電源（直流電源、バイアス電源）Ｅ、電気抵抗Ｒ１，Ｒ２、容量素子（コンデンサー）Ｃ、インバーターＩ、実施の形態１または２に示した可変容量素子ＣＶ、および出力端子Ｏからなる。ここで、インバーターＩとしては、例えばシュミットトリガーインバーターを用いることができるが、それに限るものではなく、ＣＯＭＳインバーターやＯＰアンプなど他のインバーターも使用することができる。
バイアス電源（直流電源）Ｅとしては、例えば電圧が１．５Ｖとか３Ｖのようなバッテリーを用いることができ、また可変容量素子Ｃｖをはじめ、各パーツがコンパクトで発熱等も少ないことから、共振器１０３も簡素で非常にコンパクトなものにすることができる。 (Embodiment 3)
As a third embodiment, a resonator having a variable capacitance element of the present invention will be described with reference to FIG. 5, which is an electric circuit diagram of the resonator 103.
Resonator 103 includes a power source (DC power source, bias power source) E, electric resistances R 1 and R 2 , capacitive element (capacitor) C, inverter I, variable capacitive element C V shown in Embodiment 1 or 2, and an output. Consists of terminal O. Here, as the inverter I, for example, a Schmitt trigger inverter can be used, but the present invention is not limited to this, and other inverters such as a COMS inverter or an OP amplifier can also be used.
As the bias power supply (DC power supply) E, for example, a battery with a voltage of 1.5V or 3V can be used, and since each part including the variable capacitance element Cv is compact and generates little heat, resonance is avoided. The container 103 can also be made simple and very compact.

可変容量素子ＣＶの容量をバイアス電圧Ｅにより所定の値に調整することにより、共振器１０３を所望の周波数で共振させることができる。
ここで、可変容量素子ＣＶとして実施の形態１または２に記載の可変容量素子を用いると、実施の形態１および２に記載の可変容量素子は高い周波数まで容量を可変できるので、高周波対応の共振器として使用できる。 By adjusting the capacitance of the variable capacitance element C V to a predetermined value using the bias voltage E, the resonator 103 can be caused to resonate at a desired frequency.
Here, if the variable capacitance element described in Embodiment 1 or 2 is used as the variable capacitance element C V , the variable capacitance element described in Embodiment 1 or 2 can vary the capacitance up to a high frequency. Can be used as a resonator.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and the above-mentioned embodiments are merely examples for explaining the present invention, and are substantially the same as the technical idea described in the claims of the present invention. Anything that has the same configuration and produces similar effects is included within the technical scope of the present invention.

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、必ずしも下記の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail using examples, but the present invention is not necessarily limited to the following examples.

（実施例１）
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層１１として白金（Ｐｔ）、イオン伝導性誘電体層１２としてリン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）からなる単層の膜、および第２の電極層１３として白金を、順次積層した容量素子１０１を作製した。
ここで、第１の電極層１１および第２の電極層１３は、電子線蒸着法により形成し、その厚さは第１の電極層１１、第２の電極層１３ともに５０ｎｍとした。
また、イオン伝導性誘電体層１２は、Ｌｉ３ＰＯ４をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、Ｎ２ガス（０．５Ｐａ）下、１００Ｗとした。イオン伝導性誘電体層１２の厚さは３０ｎｍであり、第２の電極層１３のサイズは５０μｍ×５０μｍである。 (Example 1)
A single layer of platinum (Pt) as the first electrode layer 11 and lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) as the ion-conducting dielectric layer 12 is formed on a SiO 2 /Si substrate with silicon dioxide formed on Si. A capacitive element 101 was manufactured in which a film and platinum were sequentially laminated as the second electrode layer 13.
Here, the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 were formed by electron beam evaporation, and the thickness of both the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 was 50 nm.
Further, the ion-conductive dielectric layer 12 was formed by an RF sputtering method using Li 3 PO 4 as a target. The sputtering conditions were 100 W under N 2 gas (0.5 Pa). The thickness of the ion-conducting dielectric layer 12 is 30 nm, and the size of the second electrode layer 13 is 50 μm×50 μm.

次に、作製した容量素子１０１の容量－周波数特性を交流インピーダンス法により測定した。 Next, the capacitance-frequency characteristics of the fabricated capacitive element 101 were measured by an AC impedance method.

図６は、バイアス電圧を１Ｖ刻みで－２Ｖから＋２Ｖまで印加したときの容量－周波数特性であり、同図中の挿入図は、１００Ｈｚでの電気容量（キャパシタ）のバイアス電圧依存性を示す。リン酸リチウムの単層の膜をイオン伝導性誘電体層１２として有する容量素子１０１は、図６から、約１００Ｈｚに変曲点を有する容量－周波数特性を示し、１００Ｈｚより低周波数側では周波数に対して電気容量の変化が小さいフラットな特性を有することがわかる。前述のように、周波数に対してフラットな容量特性は利便性が高い。
容量素子１０１は、バイアス電圧印加により、低周波数側で大きな静電容量変化が得られると共に、より高周波数側での静電容量変化ももたらすことが示されている。
また、バイアス電圧の符号によらず、バイアス電圧の絶対値が大きいほど電気容量が小さくなる単極性の可変容量特性を有することもわかる。 FIG. 6 shows the capacitance-frequency characteristics when a bias voltage is applied from −2 V to +2 V in steps of 1 V, and the inset in the figure shows the bias voltage dependence of the capacitance (capacitor) at 100 Hz. As can be seen from FIG. 6, the capacitive element 101 having a single-layer film of lithium phosphate as the ion-conducting dielectric layer 12 exhibits a capacitance-frequency characteristic with an inflection point at about 100 Hz, and a change in frequency at frequencies lower than 100 Hz. On the other hand, it can be seen that the capacitance has flat characteristics with small changes. As mentioned above, capacitance characteristics that are flat with respect to frequency are highly convenient.
It has been shown that the capacitive element 101 can obtain a large capacitance change on the low frequency side and also bring about a capacitance change on the higher frequency side by applying a bias voltage.
It can also be seen that the capacitance has a unipolar variable capacitance characteristic in which the capacitance decreases as the absolute value of the bias voltage increases, regardless of the sign of the bias voltage.

図７は、容量素子１０１の容量－周波数特性の環境温度依存性を示す。
具体的には、容量素子１０１をペリチェ素子あるいはヒーターに接して配置し、容量素子１０１の温度を２５℃刻みで－５０℃から７５℃まで変えて、各温度での容量－周波数特性を測定した。ここで、図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、バイアス電圧ＶＤＣが０Ｖ、２Ｖのときを示す。また、図７（ｂ）には印加されるバイアス電圧が２Ｖのときの０Ｖのときとの容量の比（Ｃ２Ｖ／Ｃ０Ｖ）の周波数依存性を環境温度をパラメータにして示した図も挿入図として載せている。
図７から、容量素子１０１は環境温度に依存した可変容量特性を有すること、温度が高いほど電気容量、適応周波数ともは大きくなること、および周波数の高い領域までフラットな周波数特性の領域は高周波数側まで伸びる特性を有することがわかる。また、容量の比Ｃ２Ｖ／Ｃ０Ｖは、温度－５０℃では周波数によらず約１であるが、－５０℃より高温になると、周波数の増加に伴い容量の比Ｃ２Ｖ／Ｃ０Ｖが小さくなり、極小点を経て、今度は大きくなる変曲点を有する周波数特性を有すること、およびその変曲点は温度の上昇に伴い高周波数側にシフトすることがわかる。 FIG. 7 shows the environmental temperature dependence of the capacitance-frequency characteristics of the capacitive element 101.
Specifically, the capacitive element 101 was placed in contact with a Peltier element or a heater, and the temperature of the capacitive element 101 was varied from -50°C to 75°C in 25°C increments, and the capacitance-frequency characteristics at each temperature were measured. . Here, FIGS. 7A and 7B show cases where the bias voltage VDC is 0V and 2V, respectively. In addition, a diagram showing the frequency dependence of the ratio of capacitance (C 2V /C 0V ) when the applied bias voltage is 2V to that when it is 0V is also inserted in Figure 7(b) using the environmental temperature as a parameter. It is included as a diagram.
From FIG. 7, it can be seen that the capacitive element 101 has variable capacitance characteristics that depend on the environmental temperature, that the higher the temperature, the larger the capacitance and the adaptive frequency are. It can be seen that it has the characteristic of extending to the sides. In addition, the capacitance ratio C 2V /C 0V is approximately 1 at a temperature of -50°C regardless of the frequency, but as the temperature increases above -50°C, the capacitance ratio C 2V /C 0V decreases as the frequency increases. It can be seen that the frequency characteristic has an inflection point that passes through a minimum point and then becomes larger, and that the inflection point shifts to the higher frequency side as the temperature rises.

図８は、容量素子１０１を複数並列に接続したときの容量－周波数特性を示す。具体的には、容量素子１０１を１，２，４および８並列接合させたときの容量－周波数特性を、それぞれ図８（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）に示す。
図８から、容量素子１０１を複数並列に接続すると接続する個数分に応じて容量が増えることがわかる。この際、周波数特性に有意な差は認められない。したがって、適用に当たっては、必要な容量が得られるような個数分容量素子１０１を並列接続して使用すればよいことがわかる。 FIG. 8 shows the capacitance-frequency characteristics when a plurality of capacitive elements 101 are connected in parallel. Specifically, the capacitance-frequency characteristics when 1, 2, 4, and 8 capacitive elements 101 are connected in parallel are shown in FIGS. 8(a), (b), (c), and (d), respectively.
From FIG. 8, it can be seen that when a plurality of capacitive elements 101 are connected in parallel, the capacitance increases according to the number of capacitive elements 101 connected. At this time, no significant difference in frequency characteristics was observed. Therefore, in application, it is understood that the number of capacitive elements 101 that can obtain the required capacitance may be connected in parallel.

（比較例１）
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層として白金、イオン伝導性誘電体層としてＴａ２Ｏ５からなる単層の膜、および第２の電極層１３として白金を、順次積層した容量素子を比較例として作製した。
ここで、第１の電極層および第２の電極層は、電子線蒸着法により形成し、その厚さは第１の電極層、第２の電極層ともに５０ｎｍとした。
また、イオン伝導性誘電体層１２は、Ｔａ２Ｏ５をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、Ａｒガス（０．５Ｐａ）下２００Ｗとした。イオン伝導性誘電体層１２の厚さは１５ｎｍであり、第２の電極層１３のサイズは５０μｍ×５０μｍである。 (Comparative example 1)
A single-layer film consisting of platinum as the first electrode layer, Ta 2 O 5 as the ion-conducting dielectric layer, and a second electrode layer 13 on a SiO 2 /Si substrate with silicon dioxide formed on Si. A capacitive element in which platinum was sequentially laminated was fabricated as a comparative example.
Here, the first electrode layer and the second electrode layer were formed by electron beam evaporation, and the thickness of both the first electrode layer and the second electrode layer was 50 nm.
Further, the ion conductive dielectric layer 12 was formed by RF sputtering using Ta 2 O 5 as a target. The sputtering conditions were 200 W under Ar gas (0.5 Pa). The thickness of the ion-conducting dielectric layer 12 is 15 nm, and the size of the second electrode layer 13 is 50 μm×50 μm.

図９は、バイアス電圧を０．２Ｖ刻みで０Ｖから１．０Ｖまで印加したときの容量－周波数特性である。
Ｔａ２Ｏ５をイオン伝導性誘電体層として有する容量素子は、図９から、高いバイアス電圧を印加するほど大きな容量が得られるものの、周波数が上がるほど急激に容量は低下し、バイアス電圧０．８Ｖでは１０Ｈｚで、１．０Ｖでは３０Ｈｚで容量はほぼ０になることがわかる。
イオン伝導性誘電体層１２をリン酸リチウムとした実施例１の容量素子は、上述のように、１００Ｈｚで大きな容量が得られており、１ｋＨｚでも容量が認められ、実施例１は良好な周波数特性を有することが認められる。 FIG. 9 shows the capacitance-frequency characteristics when bias voltage is applied from 0V to 1.0V in 0.2V increments.
As shown in FIG. 9, a capacitive element having Ta 2 O 5 as an ion-conducting dielectric layer has a larger capacitance as a higher bias voltage is applied, but the capacitance decreases rapidly as the frequency increases, and when the bias voltage is 0. It can be seen that the capacity becomes almost 0 at 10 Hz at 8 V and 30 Hz at 1.0 V.
As mentioned above, the capacitive element of Example 1 in which the ion-conductive dielectric layer 12 was made of lithium phosphate had a large capacity at 100 Hz, and the capacity was also observed at 1 kHz. It is recognized that it has characteristics.

（実施例２）
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層１１として白金（Ｐｔ）、第１の誘電体層２１としてリン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）からなる単層の膜、第２の誘電体層２２としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）からなる単層の膜、および第２の電極層１３として白金を、順次積層した容量素子１０２を作製した。したがって、容量素子１０２は、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の２層の膜からなるイオン伝導性誘電体層１２を有する。
ここで、第１の電極層１１および第２の電極層１３は、電子線蒸着法により形成し、その厚さは第１の電極層１１、第２の電極層１３ともに５０ｎｍとした。
第１の誘電体層２１は、Ｌｉ３ＰＯ４をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、Ｎ２ガス（０．５Ｐａ）下、１００Ｗとした。
第２の誘電体層２２は、ＬｉＣＯ２をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、ＡｒとＯ２の混合ガス（０．５Ｐａ）下、７０Ｗとした。
なお、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の厚さはそれぞれ３０ｎｍおよび１５ｎｍであり、第２の電極層１３のサイズは５０μｍ×５０μｍである。 (Example 2)
A single layer of platinum (Pt) as the first electrode layer 11 and lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) as the first dielectric layer 21 is formed on a SiO 2 /Si substrate in which silicon dioxide is formed on Si. A capacitive element 102 was manufactured by sequentially laminating a single layer film of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as a film, a second dielectric layer 22, and platinum as a second electrode layer 13. Therefore, the capacitive element 102 has the ion-conducting dielectric layer 12 made of two films, the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22.
Here, the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 were formed by electron beam evaporation, and the thickness of both the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 was 50 nm.
The first dielectric layer 21 was formed by RF sputtering using Li 3 PO 4 as a target. The sputtering conditions were 100 W under N 2 gas (0.5 Pa).
The second dielectric layer 22 was formed by RF sputtering using LiCO 2 as a target. The sputtering conditions were 70 W under a mixed gas of Ar and O 2 (0.5 Pa).
Note that the thicknesses of the first dielectric layer 21 and the second dielectric layer 22 are 30 nm and 15 nm, respectively, and the size of the second electrode layer 13 is 50 μm×50 μm.

次に、作製した容量素子１０２の容量－周波数特性を交流インピーダンス法により測定した。
図１０は、バイアス電圧を１Ｖ刻みで－２Ｖから＋２Ｖまで印加したときの容量－周波数特性であり、同図中の挿入図は、１００Ｈｚでの電気容量（キャパシタ）のバイアス電圧依存性を示す。
リン酸リチウムからなる第１の誘電体層２１とコバルト酸リチウムからなる第２の誘電体層２２の２層の膜をイオン伝導性誘電体層１２として有する容量素子１０２は、図１０から、バイアス電圧印加により、低周波数側で大きな静電容量変化が得られると共に、より高周波数側での静電容量変化をすることがわかる。
また、バイアス電圧が値として大きくなるほど、電気容量が大きくなる双極性の可変容量特性を有することもわかる。つまり、負の大きなバイアス電圧をかけるほど電気容量は下がり、正の大きなバイアス電圧をかけるほど電気容量が大きくなることがわかる。 Next, the capacitance-frequency characteristics of the fabricated capacitive element 102 were measured by an AC impedance method.
FIG. 10 shows the capacitance-frequency characteristics when a bias voltage is applied from −2 V to +2 V in steps of 1 V, and the inset in the figure shows the bias voltage dependence of the capacitance (capacitor) at 100 Hz.
From FIG. 10, the capacitive element 102 has a two-layer film as an ion-conducting dielectric layer 12, a first dielectric layer 21 made of lithium phosphate and a second dielectric layer 22 made of lithium cobalt oxide. It can be seen that by applying a voltage, a large capacitance change is obtained on the low frequency side, and a capacitance change is also caused on the high frequency side.
It can also be seen that the capacitance has a bipolar variable capacitance characteristic in which the capacitance increases as the bias voltage increases. In other words, it can be seen that the more negative bias voltage is applied, the lower the capacitance is, and the more positive bias voltage is applied, the larger the capacitance is.

（実施例３）
実施例３では、図１１に示すように、実施例１で作製した容量素子ＣＶを組み込んだ共振器１０４を用いて、その共振特性を評価した。ここで、共振器１０４は実施の形態３の共振器１０３に準拠している。抵抗Ｒ１は１ＭΩ、容量素子Ｃは０．０４７μＦとし、可変容量素子ＣＶは実施例１で作製した４個の可変容量素子Ｃ１，・・・Ｃ４を並列に接続したものとした。 (Example 3)
In Example 3, as shown in FIG. 11, the resonator 104 incorporating the capacitive element CV produced in Example 1 was used to evaluate its resonance characteristics. Here, the resonator 104 is based on the resonator 103 of the third embodiment. The resistance R 1 was 1 MΩ, the capacitance element C was 0.047 μF, and the variable capacitance element C V was formed by connecting the four variable capacitance elements C 1 , . . . C 4 produced in Example 1 in parallel.

バイアス電源Ｅの電圧Ｖｃを１Ｖ刻みで０Ｖから３Ｖまで変化させたときの出力電圧ＶＯＵＴ、すなわち発振信号特性を図１２に示す。ここで、環境温度は７５℃とした。
図１２から、１０ＫＨｚの発振が確認された。 FIG. 12 shows the output voltage V OUT , that is, the oscillation signal characteristics when the voltage V c of the bias power supply E is changed from 0 V to 3 V in steps of 1 V. Here, the environmental temperature was 75°C.
From FIG. 12, 10 KHz oscillation was confirmed.

抵抗Ｒ１を１ＭΩ、３００ｋΩおよび１００ｋΩにしたときの発振周波数のバイアス電圧Ｖｃ依存性を図１３に示す。この測定では、図１２の場合と同様に、可変容量素子Ｃｖは実施例１で作製した４個の可変容量素子を用い、環境温度は７５℃とした。
その結果、発振周波数は可変容量素子Ｃｖに印加するバイアス電圧Ｖｃに依存して変わり、バイアス電圧Ｖｃを上げるほど発振周波数が上がることが確認された。なお、抵抗Ｒ１が１００ｋΩでバイアス電圧Ｖｃが３Ｖのときに、約５ｋＨｚの発振周波数が得られた。
常温（２５℃）環境での発振特性を、可変容量素子Ｃｖの並列接続数をパラメータにして調べた。その結果を図１４に示す。ここで、抵抗Ｒ１は１ＭΩとした。
可変容量素子Ｃｖの並列接続数を６個以上に高めると発振周波数のばらつきが抑えられて、発振特性が安定することが確認された。なお、エラーバーは発振周波数揺らぎの範囲を表している。 FIG. 13 shows the dependence of the oscillation frequency on the bias voltage V c when the resistance R 1 is set to 1 MΩ, 300 kΩ, and 100 kΩ. In this measurement, as in the case of FIG. 12, the four variable capacitance elements produced in Example 1 were used as the variable capacitance elements Cv , and the environmental temperature was 75°C.
As a result, it was confirmed that the oscillation frequency changed depending on the bias voltage Vc applied to the variable capacitance element Cv , and that the oscillation frequency increased as the bias voltage Vc was increased. Note that when the resistor R1 was 100 kΩ and the bias voltage Vc was 3V, an oscillation frequency of about 5kHz was obtained.
The oscillation characteristics in a normal temperature (25° C.) environment were investigated using the number of parallel connection of variable capacitance elements Cv as a parameter. The results are shown in FIG. Here, the resistance R1 was set to 1MΩ.
It has been confirmed that when the number of variable capacitance elements Cv connected in parallel is increased to six or more, variations in oscillation frequency are suppressed and oscillation characteristics are stabilized. Note that the error bar represents the range of oscillation frequency fluctuation.

以上詳細に説明したように、本発明は、イオン伝導性誘電体層中のイオン移動により容量変化を起こす容量素子及びそれを使用したキャパシタアレイを提供するものである。低電圧で動作可能な本発明の可変容量素子は携帯電話等の高周波通信機器に搭載される可能性だけでなく、ペーパーディスプレイやフラットパネルディスプレイ回路などの幅広い用途にも使用できる。 As described in detail above, the present invention provides a capacitive element whose capacitance changes due to the movement of ions in an ion-conducting dielectric layer, and a capacitor array using the same. The variable capacitance element of the present invention, which can operate at low voltage, has the potential to be installed not only in high-frequency communication devices such as mobile phones, but also in a wide range of applications such as paper displays and flat panel display circuits.

１１：第１の電極層
１２：イオン伝導性誘電体層
１３：第２の電極層
２１：第１の誘電体層
２２：第２の誘電体層
１０１：容量素子（可変容量素子）
１０２：容量素子（可変容量素子）
１０３：共振器回路
１０４：共振器回路
Ｅ：電源（直流電源、バイアス電源）
Ｒ１：抵抗
Ｒ２：抵抗
Ｃ：容量素子(コンデンサー)
Ｃｖ：可変容量素子
Ｉ：インバーター
Ｏ：出力端子 11: First electrode layer 12: Ion-conducting dielectric layer 13: Second electrode layer 21: First dielectric layer 22: Second dielectric layer 101: Capacitive element (variable capacitive element)
102: Capacitive element (variable capacitive element)
103: Resonator circuit 104: Resonator circuit E: Power supply (DC power supply, bias power supply)
R1 : Resistance R2 : Resistance C: Capacitive element (capacitor)
C v : Variable capacitance element I: Inverter O: Output terminal

Claims (18)

第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる単層の膜である、可変容量素子。 a first electrode layer, a second electrode layer, and an ion-conductive dielectric layer sandwiched between the first electrode layer and the second electrode layer;
The ion conductive dielectric layer is made of MeX (Me is one or more selected from monovalent and divalent metals, X is phosphoric acid (PO 4 ), silicic acid (SiO 4 ), phosphoric acid and silicate glass material. A variable capacitance element that is a single layer film consisting of one or more selected from the group of 第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ４）、ケイ酸（ＳｉＯ４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる第１の誘電体層と、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２ＭｎＯ３、Ｌｉ２Ｍｎ２Ｏ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、リン酸コバルトリチウム（ＬｉＣｏＰＯ４）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＰＯ４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、リチウム複合酸化物の群より選ばれる１以上からなる第２の誘電体層の二層の膜からなる、可変容量素子。 a first electrode layer, a second electrode layer, and an ion-conductive dielectric layer sandwiched between the first electrode layer and the second electrode layer;
The ion conductive dielectric layer is made of MeX (Me is one or more selected from monovalent and divalent metals, X is phosphoric acid (PO 4 ), silicic acid (SiO 4 ), phosphoric acid and silicate glass material. ( one or more selected from the group of Mn 2 O 4 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium cobalt phosphate (LiCoPO 4 ), lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and lithium composite oxide. A variable capacitance element consisting of a two-layer film including one or more second dielectric layers. 前記Ｍｅは、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上である、請求項１または２記載の可変容量素子。 3. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the Me is one or more selected from the group of lithium (Li), silver (Ag), copper (Cu), and magnesium (Mg). 前記ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）からなる、請求項１または２記載の可変容量素子。 3. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the MeX is made of lithium phosphate ( Li3PO4 ) . 前記イオン伝導性誘電体層は、窒素を含む、請求項１から４の何れか１記載の可変容量素子。 5. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the ion conductive dielectric layer contains nitrogen. 前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下である、請求項５記載の可変容量素子。 6. The variable capacitance element according to claim 5, wherein the nitrogen content in the ion-conductive dielectric layer is 1 atomic % or more and 15 atomic % or less. 前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、２原子％以上１５原子％以下である、請求項５記載の可変容量素子。 6. The variable capacitance element according to claim 5, wherein the nitrogen content in the ion-conductive dielectric layer is 2 at.% or more and 15 at.% or less. 前記イオン伝導性誘電体層は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含む、請求項１から７の何れか１記載の可変容量素子。 8. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the ion conductive dielectric layer contains one or more metal additives selected from metals having a valence of +3 to +5. 前記イオン伝導性誘電体層は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を含む、請求項１から７の何れか１記載の可変容量素子。 1 . The ion-conductive dielectric layer includes one or more metal additives selected from the group of titanium (Ti), nickel (Ni), aluminum (Al), zirconium (Zr), and niobium (Nb). 8. The variable capacitance element according to any one of 7. 前記イオン伝導性誘電体層における前記金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下である、請求項８または９記載の可変容量素子。 10. The variable capacitance element according to claim 8, wherein the content of the metal additive in the ion conductive dielectric layer is 1 atomic % or more and 10 atomic % or less. 第１の電極層および／または第２の電極層は、貴金属材料より選ばれる１以上を含む請求項１から１０の何れか１記載の可変容量素子。 11. The variable capacitance element according to claim 1, wherein the first electrode layer and/or the second electrode layer include one or more selected from noble metal materials. 第１の電極層および／または第２の電極層は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を含む請求項１から１０の何れか１記載の可変容量素子。 The first electrode layer and/or the second electrode layer include one or more selected from platinum (Pt), gold (Au), iridium (Ir), ruthenium (Ru), palladium (Pd), and rhodium (Rh). The variable capacitance element according to any one of claims 1 to 10. 温度調整手段をさらに有する、請求項１から１２の何れか１記載の可変容量素子。 The variable capacitance element according to any one of claims 1 to 12, further comprising temperature adjustment means. 前記温度調整手段は、ペリチェとヒーターからなる、請求項１３記載の可変容量素子。 14. The variable capacitance element according to claim 13, wherein the temperature adjusting means includes a Peltier and a heater. 請求項１から１４の何れか１記載の可変容量素子を有する、共振器。 A resonator comprising the variable capacitance element according to any one of claims 1 to 14. 前記第１の電極層と前記第２の電極層の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された請求項１から１４の何れか１記載の可変容量素子が少なくとも２以上配置された、共振器。 A resonator in which at least two or more variable capacitance elements according to claim 1 are arranged, wherein at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is electrically connected to a common line. . 前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧可変のバイアス電圧を印加する、請求項１から１４の何れか１記載の可変容量素子の使用方法。 15. The method of using a variable capacitance element according to claim 1, wherein a variable bias voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer. 請求項１３または１４記載の可変容量素子の温度を調整して使用する、可変容量素子の使用方法。 A method of using a variable capacitance element according to claim 13 or 14, comprising adjusting the temperature of the variable capacitance element.
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