WO2004107466A1

WO2004107466A1 - 電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子

Info

Publication number: WO2004107466A1
Application number: PCT/JP2004/006504
Authority: WO
Inventors: Kiminori Mizuuchi; Kazuhisa Yamamoto; Tomoya Sugita; Akihiro Morikawa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co. Ltd.
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2004-12-09
Also published as: US7304880B2; EP1628352A4; KR20060010785A; JP4856950B2; EP1628352A1; JPWO2004107466A1; US20070069263A1

Abstract

金属が添加された強誘電体基板と、前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備えている。

Description

明細書電気スィツチおよびそれを用いた記憶素子技術分野

本発明は強誘電体の自発分極の変化に伴う導電性の変化を利用した電気スィツチおよびそれを用いた記憶素子に関するものである。背景技術

強誘電体は、自発分極を有し、分極方向の制御が可能である。強誘電体の自発分極の可変性を利用したものとして、強誘電体メモリがある。これは、強誘電体に電圧を印加することで自発分極の方向を変化させ、それに伴い電荷が移動することを利用して電気スィツチを構成するもので、不揮発メモリとして利用されている。このような強誘電体メモリにおいて、自発分極の変化にともなう導電性の変化が漏れ電流の原因となることは知られており、漏れ電流対策として導電性の変化を防止する方法等が検討されている。また、漏れ電流を利用した技術もある（特開平 1 0— 5 6 1 4 1号公報参照）。また、強誘電体の分極を利用したものとしては、例えば、過電流によって電気導電性が変化することを利用した電気スィツチ等がある。

また、強誘電体の分極に関して、 X板の Mgドープ L i N.b 0₃において分極反転部が整流特性を.示し、低抵抗化するとの報告がある（S. S o n o d a, I . T s umu r a, a n d M. Ha t o r i ； A p p i i e d P h y s i c s L e t t e r s , v o l . 7 0， p p. 3 0 7 8 - 3 0 7 9, 1 9 9 7参照）。

また、強誘電体に過電流を流すことで電気導電性を変化させる電気スイッチ (Y. Wa t a n a b e、 J . G. B d x o r z , A. B i e s t s c h、 C . G e r b e r > D . W i dme r、 A. B e c k ; A p p l i e d P hy s i c s L e t.t e r s , v o l . 78， p p. 3 738 - 3740, 200 1参照）等もある。

このように、強誘電体の分極を利用する種々の技術がある。なお、強誘電体メモリにおいて、自発分極の変化にともない、その絶縁性が劣化する現象は、強誘電体メモリの特性を劣化させる現象とされるが、これらの特性は数倍程度〜数 1 0倍程度の導電性の劣化である。

強誘電体の自発分極の変化を利用した、現在市販されている強誘電体メモリは、安定性、量産性および信頼性に優れたものであることは、広いメモリ応用により実証されている。しかし、従来の強誘電体メモリは、自発分極の反転に伴う電荷移動により生じる電界を、半導体スィツチを駆動する電圧として利用するものであり、 2次的なものであった。このため、構成が複雑で、集積度の向上に限界があるという問題があった。さらに、メモリの寿命、スイッチングの繰り返し回数および不揮発電荷の維持時間等において十分なものとはいえない。一方、自発分極の変化自体を直接スィツチングに利用する試みも行われているが、適当な強誘電体材料が見つかつていないため、実現には至つていない。発明の開示

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、簡単な構成であって集積度の高い強誘電体電気スィツチおよびそれを用いた記憶素子を提供することを目的とする。

本発明の電気スィッチは、金属が添加された強誘電体基板と、前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備え、前記分極の方向を変化させることで、前記強誘電体基板の抵抗値を変化させることを特徴とする。本発明の記憶素子は、本発明の電気スィッチを複数個備え、前記各電気スィツチの前記強誘電体基板の抵抗値を保持していることを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1 Aは、本発明の実施の形態 1に係る電気スィッチの構成を示す斜視図である。

図 1 Bは、本発明の実施の形態 1に係る他の電気スィッチの構成を示す斜視図である。

図 2 Aは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。

図 2 Bは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。

図 2 Cは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。

図 2 Dは、強誘電体基板に電圧を印加した場合のヒステリシス特性を示す電界と分極との関係図である。

図 3は、図 2 Aに示した状態と図 2 Bに示した状態のそれぞれにおける電流電圧特性を示している。

図 4 Aは、強誘電体基板に、直流電圧を印加した場合の時間と抵抗の変化を示している。

図 4 Bは、強誘電体基板における周波数と抵抗の変化を示している。図 5 Aは、電極の形状を説明するための電極の平面図である。

図 5 Bは、電極対のそれぞれの電極の周辺部の長さと抵抗の関係を示している。図 6 Aは、実施の形態 2に係る第 1の電気スィツチの構成を示す側面図である。

図 6 Bは、実施の形態 2に係る第 2の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 7 Aは、実施の形態 2の第 3の電気スィッチの構成を示す側面図である。

図 7 Bは、電極対間に流れる電流と時間との関係を示す図である。図 8 Aは、本実施の形態 2の第 4の電気スィツチの構成を示す側面図である。

図 8 Bは、本実施の形態 2の第 4の電気スィッチの強誘電体基板に印加される電圧と時間経過の関係を示した図である。

図 8 Cは、本実施の形態 1の第 4の電気スィツチを流れる電流と時間経過の関係を示した図である。

図 9 Aは本発明の実施の形態 3に係る電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 9 Bは本発明の実施の形態 3に係る電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 9 Cは本発明の実施の形態 3に係る分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 9 Dは本発明の実施の形態 3に係る分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す断面図である。 - 図 1 0は、実施の形態 3の他の電気スィッチの構成を示す構成図である。

図 1 1 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 1の電気スィッチの構成を示す平面図である。

図 1 1 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 1の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 1 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 1の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図' 1 1 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 1の分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 2 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 2の電気スィッチの構成を示す平面図である。

図 1 2 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 2の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 2 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 2の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 2 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 2の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 3 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 3の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 3 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 3の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 3 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 3の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 3 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 3の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 4 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 4の電気スィッチの構成を示す平面図である。

図 1 4 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 4の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 4 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 4の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 4 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 4の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 5 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 5の電気スィッチの構成を示す平面図である。

図 1 5 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 5の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 5 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 5の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 5 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 5の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 6 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 6の電気スィッチの構成を示す平面図である。

図 1 6 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 6の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 6 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 6の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 6 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 6の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 7 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 7の電気スィッチの構成を示す平面図である。

図 1 7 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 7の電気スィッチの構成を示す断面図である。

図 1 7 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 7の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 7 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 7の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 8 Aは、本発明の実施の形態 4に係る第 8の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 8 Bは、本発明の実施の形態 4に係る第 8の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 8 Cは、本発明の実施の形態 4に係る第 8の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図である。

図 1 8 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 8の分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。

図 1 9は、実施の形態 5に係る電気スィッチと、それを測定した実験系との構成を示す模式図である。

図 2 O Aは、強誘電体基板をノンド一プの L i Nb0₃とし、その厚みを 0. 1 5 mmとした場合の印加電圧と電流の関係図である。

図 2 0 Bは、強誘電体基板を Mgが 5 mo 1 %ドープされた L i Nb 〇₃とし、その厚みを lmmとした場合の印加電界と電流の関係図である。

図 2 1 Aは、分極が反転し始め、抵抗が低下した状態の電極の分極の様子を示す図である。

図 2 1 Bは、反転した分極反転が再反転し、抵抗が元に戻った状態の電極の分極の様子を示す図である。

図 2 2は、強誘電体基板にドーピングした Mgのモル濃度と電極間の電気抵抗の変化量の関係図である。

図 2 3 Aは、時間経過にともなう電極間の電圧波形を示す図である。図 2 3 Bは、時間経過にともなう電極間の電流波形を示す図である。図 24は、実施の形態 6に係る記憶素子の構成を示す斜視図である。図 2 5は、実施の形態 6に係る記憶素子の構成を具体的に示す斜視図である, 発明を実施するための最良の形態 .

本発明の電気スィッチは、強誘電体の自発分極を制御することで、強誘電体の電気導電性を大きく変化させて、スイッチングを行う。それにより、強誘電体を直接スィッチとして用いることができるので、簡単な構成で、集積度の'高い電気スィッチを実現できる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板は酸化物である。それにより、強誘電体基板は、高い絶縁性を有する。そのため、スィツチングにより、大きな抵抗変化を実現できる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板は単一分極の強誘電体材料からなり、前記電界印加部は、前記強誘電体基板の分極方向に対向する向きに電界を印加する。それにより、分極の方向がそろっているため、低電圧でスィツチを駆動することができる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板は、分極が反転する際に、前記反転した分極に対向する内部電界が残留する。それにより、強誘電体基板の抵抗の変化が見られる。

また、好ましくは、前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、前記電界は、周波数が 5 H z以上の交流電界である。それにより、時間とともに、強誘電体基板の抵抗が変化しないため、安定している。また、好ましくは、前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、前記電界は、高周波を重畳した電界である。それにより、低抵抗化した強誘電体基板を再反転させて高抵抗化する際に必要な電流を低減することができる。そのため、電気スィッチの駆動電力を低減できる。また、好ましくは、前記強誘電体基板に添加された前記金属は、 M g、 Z n、 I n、 S c、 C uおよび F eの内少なくとも 1つであり、前記強誘電体基板は、 L i N b〇₃である。それにより、強誘電体基板の抵抗の変化が見られる。

また、前記強誘電体基板は、記金属が添加された Z板の L i N b〇 ₃とすればいい。

また、好ましくは、前記強誘電体基板は、単一分極処理された強誘電体結晶である。それにより、分極方向がそろっているため、低電圧でスィツチの駆動ができる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板は、多結晶またはアモルファス材料である。それにより、強誘電体基板を薄膜とできるため、作製においてバルクの結晶成長を必要とせず、容易に作製できる。

また、好ましくは、前記一対の電極は、前記強誘電体基板の自発分極の方向に沿って並ぶように形成されていて、前記電界印加部が、前記一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、前記一対の電極間の抵抗が制御される。それにより、電気スィツチが構成される。

また、好ましくは、前記強誘電体基板の自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極をさらに備え、前記電界印加部が、前記自発分極の方向に沿って並ぶように形成されている一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極間の抵抗が制御される。それにより、電気スイッチが構成される。

また、好ましくは、前記電界印加部が前記強誘電体基板に電界を印加することにより、前記強誘電体の電界が印加された部分における 1 0 % 〜 9 0 %の部分の分極の方向が変化する。それにより、前記強誘電体の電界が印加された部分の抵抗値を制御することができる。また、前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略垂直であるとしてもよい。

また、強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略平行としてもよい。

また、好ましくは、前記強誘電体基板における、最大の抵抗値は、最小の抵抗値の 1 0 0倍以上である。それにより、電気スィッチとしての機能を有するようになる。

また、好ましくは、前記一対の電極の少なくともどちらかの電極が櫛形電極である。それにより、分極反転の広がりが早くなる。

また、前記強誘電体基板が単一分極の結晶であり、前記櫛形電極の電極指の方向が、前記結晶の Y軸方向と略平行であるとしてもよい。また、好ましくは、前記電界印加部は、前記強誘電体の分極の方向を制御することで、異なる分極の方向の境界である分極壁を前記一対の電極間の近傍において形成または消去し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる。それにより、電気スィッチを実現することができる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面には溝が形成されていて、前記溝に前記一対の電極が形成されている。それにより、電界分布が均一になり、電気スィッチを駆動するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、一対の電極間の絶緣性が高まる。

また、好ましくは、前記金属の添加濃度は 1 m o 1 %以上である。それにより、強誘電体基板の大きな抵抗の変化を得ることができる。また、好ましくは、前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して傾いている。すなわち、この強誘電体基板は、強誘電体基板の自発分極の方向が強誘電体基板表面に対して斜めに交差している、オフカット基板である。それにより、強誘電体基板の分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できる。また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面に一対の分極用電極が設置され、前記電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する。それにより、分極用の電極と、抵抗値を検知するために電流を流す電極とを別々にできるので、効率よく電気スィツチを駆動できる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面に形成された溝に一対の分極用電極が設置され、電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する。それにより、電界分布が均一になり、電気スィッチを駆動するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、一対の電極間の絶縁性が高まる。

また、好ましくは、前記電界印加部は、半導体材料からなる電気スィツチ素子としてもよい。

また、好ましくは、前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた。それにより、強誘電体基板を加熱することで、低電圧で電気スィッチを駆動させることができる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板がィルメナイト構造を有する請求項 1に記載の電気スィッチ。それにより、強誘電体基板の抵抗低下が大きい。

また、好ましくは、前記分極の方向を変化させる際の前記強誘電体基板の電荷の移動により、前記一対の電極間に電流を流し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる。それにより、最低でも、 2 P S X Sの電荷量が流れ、抵抗値が 2桁以上大きく変化するため、スィッチとして十分使用できる。

また、好ましくは、前記強誘電体基板は、自発分極の方向をほぼ単一方向に揃えるためポ一リング処理を施されている。それにより、結晶に歪を残さずに、分極を一方向にそろえることができる。

また、好ましくは、前記一対の電極の少なくとも 1つと、前記強誘電体基板の間には、絶縁層が設置されている。それにより、分極反転させるために印加する電界を小さくでき、電気スィツチを低消費電力で駆動することができる。

また、本発明の記憶素子は、本発明の記憶素子は、上記本発明の電気スィツチを用いて構成される。それにより、簡単な構成で集積度が高い、不揮発メモリを実現できる。

また、好ましくは、前記各電気スィッチが 2次元的に複数配列されている。それにより、容易に 2次元メモリを実現できる。

また、好ましくは、前記各電気スィッチが、半導体集積回路上に複数形成されており、前記電圧印加部は、前記半導体集積回路により制御されている。それにより、各電気スィツチを容易に制御することができる。また、好ましくは、前記各電気スィッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により制御され、前記各電気スィッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により検出される。それにより、容易に情報を記憶し、記憶した情報を容易に読み出すことができる。

また、好ましくは、光照射部を備え、前記光照射部は、波長 5 0 O n m以下の光を各電気スィツチの前記強誘電体基板に照射する。それにより、すべての強誘電体基板に光を照射することで、すべての電気スイツチの抵坊を高抵抗化することができるので、一括して記憶した情報を消去することができる記憶素子が実現できる。

また、好ましくは、前記各電気スィッチの前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えている。それにより、すべての強誘電体基板を加熱することで、すべての電気スィツチの抵抗を高抵抗化することができるので、一括して記憶した情報を消去することができる記憶素子が実現できる。本発明の強誘電体電気スィツチおよびそれを用いた記憶素子は、電界印加による強誘電体の自発分極の変化にともない、強誘電体の導電性が大きく変化することを利用している。具体的には、自発分極の変化に伴い、強誘電体が絶縁体から半導体に.、また半導体から絶縁体へとその導電性を大きく変化させる現象を用いたものである。この現象は、従来は知られておらず、本発明者らが実験結果に基づいて見出したものである。この強誘電体における導電性の可変特性を用いて、電気スィツチおよびそれを用いた記憶素子を実現する。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。

(実施の形態 1 )

本発明の実施の形態 1に係る電気スィッチについて説明する。図 1 A は、本発明の実施の形態 1に係る電気スィッチ 1 0 aの構成を示す斜視図である。また、' 図 1 Bは、本発明の実施の形態 1に係る他の電気スィツチ 1 0 bの構成を示す斜視図である。図 1 Aに示すように、実施の形態 1に係る電気スィッチ 1 0 aは、金属が添加された強誘電体基板 1と、電極対 2と、電界印加部である電圧源 4を備えている。電極対 2は、強誘電体基板に設置されている。図 1 Aにおける矢印は、強誘電体基板 1 の分極の方向を示している。電極対 2のそれぞれは、電圧源 4に接続されている。電極対 2は、強誘電体基板 1の表面および裏面に設置されていて、それらは分極の方向に沿うように配置されている。

この電気スィッチ 1 0 aの動作について説明する。まず、電極対 2に電界を印加しない状態では、強誘電体基板 1は絶縁体であるため、導電性が低い。すなわち、高抵抗であり、電極対 2間には、電流が流れない。次に、電圧源 4により、強誘電体基板 1の自発分極の方向に対向して電界を印加する。電圧源 4は、強誘電体基板 1に電界を印加することができ、それにより、強誘電体基板 1の一部の分極方向を変化させることができる。自発分極が、完全に反転して、分極反転が完了すると、電極対 2間の導電性が高くなる。つまり、電極対 2間は低抵抗であり、電流が流れる。次に、電圧源 4を用いて、強誘電体基板 1に、現在分極反転している方向とは逆向き（元の自¾分極の向き）に電界を印加すると、強誘電体基板 1の分極が、元の自発分極の状態に戻る（再反転）。この状態では、電極対 2間は再び高抵抗になっている。このように、電圧源 4を制御することで、電極対 2間は導通または非導通とすることができ、スィツチとして動作している。

図 1 Bは、他の実施の形態 1に係る電気スィツチの構成を示す斜視図である。図 1 Aとの違いは、矢印で表されている強誘電体基板 1の自発分極の向きが、強誘電体基板 1の表面に対して平行であり、電極対 2が自発分極の向きに沿う方向に並んで、強誘電体基板 1の同一面に設置されている点である。このような構成であっても、電圧源 4を制御することで、強誘電体基板 1の一部である電極対 2間の分極方向を変化することができる。それにより、電極対 2間を導通または非導通とすることができる。

次に、強誘電体基板 1の分極方向を制御することで、強誘電体基板 1 の導電性を変化することができる理由について説明する。まず、強誘電体の特性について説明する。強誘電体材料は、自発分極を有し、その分極の方向は、外部電界により可変とすることができる。図 2 A、図 2 B および図 2 Cは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図であり、図 2 Dは、強誘電体基板に電圧を印加した場合のヒステリシス特性を示す電界と分極との関係図である。

強誘電体基板 1に電界を電圧源 4により印加した場合に、図 2 Dに示すヒステリシス特性を示すことが知られている。強誘電体基板 1は結晶内に電荷の偏りを有し、内部に電界を持っている。これを自発分極（P s )という。この電界に対向する方向に電圧を外部から印加していくと、自発分極の方向が変化する。

例えば、 1軸方向に分極を持った結晶の場合、分極方向は 2通りしかない。図 2 A〜図 2 Cに示すように、強誘電体基板 1を挟んで対向するように電極対 2が設置され、さらにそれぞれの電極対 2が対向する方向が分極方向に沿うように設置されている。なお、図中の矢印は、分極の方向を表している。まず、強誘電体基板 1に電界が印加されていない状態では強誘電体基板 1は自発分極しており、分極方向は図 2 Aにおいて上向きである。この強誘電体基板 1に、電圧源 4により、分極の方向に対向する方向（図 2 Aにおいて下向き）に電界を印加していくと、印加している電界が反転電界— E cを超えた時点で、強誘電体基板 1の一部である電極対 2の周辺の分極方向が 1 8 0度反転（P sが— P sとなる）して、図 2 Bに示す状態となる。なお、図 2 A〜図 2 Cにおいて、上向きを「十」方向、下向きを「一」方向としている。図 2 Aで示した状態から図 2 Bに示した状態に変化するように、分極方向が逆方向に変化する現象は分極反転と呼ばれている。図 2 Dにおいて、図 2 Aの状態は、状態 3 2 aで示した個所であり、印加電界が一 E cになったときに、状態 3 2 bで示した状態に変化しているのがわかる。また、状態 3 2 aと状態 3 2 bとの間には、状態 3 2 cの状態がある。また、状態 3 2 の強誘電体基板 1 (図 2 B ) に、分極の逆方向（図 2 Bにおいて、上方向）に電圧を電圧源 4により外部からかけると、電界が E cを越えた時点で、図 2 Aに示すように分極方向が上向きになる。つまり図 2 Dにおいて、状態 3 2 bから、状態 3 2 cを介して、状態 3 2 aに変化する。

図 2 Dにおける状態 3 2 aでは、強誘電体基板 1はもとの結晶状態であり、状態 3 2 bでは、電極対 2間の強誘電体基板 1の自発分極が反転している状態である。状態 3 2 aおよび状態 3 2 bは安定状態であるが、状態 3 2 cおよび状態 3 2 dは状態 3 2 aおよび状態 3 2 bに変化する中間的な状態であり、結晶構造的に不安定な状態で過渡状態であると考えられていた。つまり、図 2 Cに示すように、電極対 2周辺の一部分のみが、反転分極しており、電極対 2周辺が完全に分極反転していない。そのため、電極 2周辺において、分極方向が、反転分極による下向きの分極と、自発分極による上向きの分極とが混在している状態である。なお、自発分極による分極は内部電界である。

次に、上述のように、分極方向が変化している状態の電流の変化について説明する。強誘電体は一般に絶縁体であるが、分極反転が生じる反転電界 E cの近傍において、自発分極の反転に伴う内部電荷の移動により一瞬電流が流れる。この電流の電荷量は反転する面積 Sに比例して 2 P s X Sで表される。分極反転が終了し、反転に必要なこの電荷量 2 P s X Sが流れると電流の流れは停止し強誘電体は絶縁体にもどる。つまり、分極反転が起きる瞬間にのみ、電流が流れ、その量も大きくはなかつた。例えば、この電荷の移動により電極対 2間に一瞬流れる電流を用いて、スイッチングを行うことができる。

また、絶縁体に高電圧を印加した場合に、絶縁体の電気導電性が増加する絶縁破壊という現象が発生する。これは、結晶構造が高電界により破壊され絶縁性を失う現象であり、結晶が破壊されるため結晶構造自体が変化するもので、不可逆な現象である。

本発明者らは、強誘電体の結晶において、絶縁破壊以外に強誘電体材料において電気導電性が増加することを発見した。さらに、それは可逆的に電気導電性を増加させることできた。具体的には、図 2 A〜図 2 D を用いて説明した 1軸性の強誘電体基板 1において、前述のように図 2 Dにおける状態 3 2 aおよび 3 2 bが安定な状態であり、状態 3 2 cおよび 3 2 Dは過渡的な状態であるとされていた。しかし、状態 3 2 じおよび 3 2 dは強誘電体基板 1の結晶状態として存在し、このように強誘電体基板 1の結晶の一部が分極反転している状態において、 .強誘電体基板 1の結晶の抵抗が大幅に低下することが見いだされた。このような、強誘電体基板 1の低抵抗状態は、状態 32 aおよび 32 bになる途中段階である状態 32 cおよび 32 dでのみ存在した。状態 32 cは、図 2 Cで示したような状態であり、このように、電極対 2間の一部において、分極反転が発生した状態で、強誘電体基板 1の抵抗が低下した。

まず、 Z板の Mgドープ L i Nb 0₃結晶を単一分極処理した強誘電体基板 1の自発分極に対向する電界（約 2. 6 k V/mm) を強誘電体基板 1に印加すると、結晶の一部の分極が反転した時点で、結晶の電気抵抗が大幅に低減するのが観測された。この強誘電体基板 1は、電気抵抗は 1 0^{1 ()}Ω · cm以上の絶縁体であつたが、分極反転が始まると 1 0 ⁶Ω · cm以下に低下した。さらに電圧を印加し続けると分極反転が進行し、完全に分極が反転するともとの絶縁体に戻った。このように、 M gド一プの L i Nb〇₃結晶である強誘電体基板 1は、分極反転の途中段階において結晶の抵抗が大幅に低下する。また、低抵抗化している状態で強誘電体基板 1を 200 °C程度で熱処理すると抵抗はもとの状態に近い値まで高抵抗化した。このとき分極反転部の形状は変化しなかった。また、別の実験では、 Z板の Mgド一プ L i Nb0₃結晶（Mgのド一プ量は 5mo 1 %)を単一分極処理して構成された強誘電体基板 1に、その自発分極に対向する電界（約 4 kVZmm)を印加した。その結果、結晶の一部の分極が反転した時点で、強誘電体基板 1の電気^ S抗が大幅に低減した。電気抵抗は 1 GQ · c m以上の絶縁体であったのが、分極反転が始まると 1ΜΩ · cm以下に低下した。さらに電界を印加し続けると、抵抗値が再び増大した。

これらの結果より、 Mgドープ L i Nb〇₃結晶のような金属が添加された強誘電体基板において、分極反転が形成され始めた直後の、内部電界が残留している状態で、強誘電体の抵抗が低下すると考えられる。なお、内部電界とは、自発'分極を反転させ始めた直後に、結晶内部に残留する反転した分極に対向する電界である。

このように、分極反転の途中において抵抗が低下する現象は L i N b 0 ₃、 L i T a〇₃および K T P等の強誘電体の結晶において観測されている。抵抗が低下している状態は、結晶内部に分極反転によって生じた結晶構造の歪みが存在しており、反転分極に対向している電界が残っている。この状態で、反転した分極に対向する電界を印加すると、通常の反転電界 E cに比べて低い電圧で再反転が発生し、元の自発分極の状態に戻る。

図 3は、図 2 Aに示した状態と図 2 Bに示した状態のそれぞれにおける電流電圧特性を示している。図 3において、実線で示されているのが図 2 Aに示した状態であり、破線に示されているのが図 2 Cに示した状態である。図 3よりわかるように、図 2 Aのように強誘電体基板 1が完全に分極している状態では、強誘電体基板 1は絶縁体であって、電流が流れない。しかし、図 2 Cのように、分極反転が途中まで進行した状態で、かつ自発分極に対向する内部電界が存在する状態では、強誘電体基板 1は低抵抗化し電流が流れる。つまり、分極の反転が電極間で完全に生じていない状態であることと、反転した自発分極に対向する内部電界が存在することの 2つの条件が同時に成立する場合に強誘電体の電気抵抗が大幅に低下するとみられる。

図 2 Aまたは図 2 Bのように、分極反転が電極間で完全に進んでしまうと、電気抵抗は再び大きくなる。分極反転部分としては、電極間の 1 0 %〜 9 0 %程度であることが望ましかった。また内部電界の存在も重要である。前述のように、低抵抗化されている強誘電体を 2 0 0 °C程度で熱処理すると抵抗が上昇するのは、内部電界が低下したためであると考えら.れる。また、抵抗の低下は分極反転により生じる結晶構造の歪みが原因で発生していると考えられる。結晶の歪みが内部電界の要因であり、内部電界の存在している場に.電気抵抗の低下が発生しているからである。

また、電気抵抗が低抵抗化している状態の強誘電体は、抵抗の値も半導体と同程度であるが、その特性も半導体と同等の特性を示す。具体的には、強誘電体は整流特性を有している。例えば、強誘電体に金属膜を堆積して、その電流電圧特性'を調べたところ、金属膜の種類によって大きく特性が変化した。これは金属一半導体間の接触部分におけるショットキ一バリアの状態が変化したからであり、金属膜の仕事関数により整流特性が変化したためと考えられる。つまり、一部が分極していることで、低抵抗化している強誘電体は、半導体としての特性を示す。

上述したように、 X板の M gドープ L i N b 0 ₃において分極反転部が整流特性を示し、低抵抗化することはすでに報告されている。しかし、これは、分極反転部分が低抵抗化しているのであって、本実施の形態 1 の強誘電体基板 1のように、分極反転と分極反転に伴う内部電界の存在により低抵抗化していることとは異なる。

上述のように、実施の形態 1の電気スィッチは、強誘電体基板 1に内部電極とそれに対向する分極とがともに存在する状態（図 2 C参照）と、強誘電体基板 1が完全に分極している状態（図 2 Aまたは図 2 B参照）とを有し、それらのどちらかに切り換えることで、強誘電体基板 1をそれぞれ低抵抗化または高抵抗化する。それにより、電気スィッチは導通ま.たは非導通に制御される。

しかし、内部電界が存在する状態は結晶構造的に不安定である。そこで、低抵抗化された強誘電体基板 1の抵抗の時間変化を測定した。図 4 Aは、強誘電体基板 1に、直流電圧を印加した場合の時間と抵抗の変化を示している。強誘電体基板 1を、図 2 Cに示した状態とし、強誘電体基板 1の温度は 1 2 0 °Cとして測定した。図 4 Aに示しているように、抵抗値は時間の経過とともに徐々に増加し、数時間で 2〜 3倍になった。これは分極反転部分の抵抗が時間とともに増加していることを示している。抵抗の変化は温度に依存し、室温ではかなり小さいが 1 0 0 °Cを越えると数時間で 2〜 3倍になる。抵抗の変化が大きくならぬように、安定して使用するためには、強誘電体基板 1は 5 0 °C以下の温度で利用するのが望ましい。さらに、抵抗の周波数依存性についても測定した。図 4 Bは、強誘電体基板 1における周波数と抵抗の変化を示している。強誘電体の分極反転部分に高周波を印加して電流電圧特性より抵抗を測定した。図 4 Bに示されているように、周波数が大きくなると抵抗が増加した。直流では 1 Μ Ω程度であった抵抗が周波数が 1 1∑ ^[ 2では3：^ 0 程度に増加した。ところが、抵抗の時間変化を見ると、周波数を増大させることで、間的な変化が殆ど無くなることが分かった。図 4 Bにおいては、時間経過による抵抗の変化量も示している。図 4 Bに示しているように、直流電圧または、 5 H z未満の交流の場合、抵抗値は時間とともに増加していった。しかし、 1 0 H z以上の交流に対しては、抵抗値の時間変化はほとんどなく、安定な値を示した。このことより、電気スィツチのスィツチングを制御する信号としては、 5 H z以上の交流信号を用いればよく、 1 0 H z以上の交流信号を用いることがさらに望ましい。

上述したように、分極反転により強誘電体基板 1を低抵抗化する場合において、その抵抗は、印加する高周波電界の周波数に依存する（図 4 B 参照）。具体的には、周波数が大きくなると抵抗が増加する。また、低抵抗化した強誘電体基板 1を再反転させて高抵抗化するために、電界を印加する際に、高電流を流さなければならない。そこで、高周波を重畳した電界を印加すればよい。それにより、強誘電体基板 1の高抵抗化がはかれ、電界を印加する際の電流を低減することができる。そのため、電気スィツチの駆動電力を低減することができる。

強誘電体を低抵抗化した場合の抵抗値は、分極反転が生じている表面積に依存している。図' 5 Aは電極の形状を説明するための電極の平面図である。図 2 Aに示すように、強誘電体基板 1の分極方向に沿う方向に、電極対 2を並べて配置する。図 5 Aに示したように、電極対 2の形状を櫛形電極とすると望ましい。それにより、電極対 2の周辺部の長さを長くすることができる。図 5 Bは電極対 2のそれぞれの電極の周辺部の長さと抵抗の関係を示している。図 5 Bに示されているように、電極対 2 のそれぞれの電極の周辺部（電極エッジ）の長さを長くすることで、強誘電体基板 1の抵抗をより低くできる。つまり、同じ電極面積でも、長い周辺距離がとれる電極形状のほうが、より低抵抗とすることができる。そこで、例えば、櫛型電極等を用いればよい。

また、例えば両方に電極指のある枝状の電極を用いて電極対 2を形成してもよい。電極の方向としては、櫛の指の方向を結晶の Y軸方向にすると特性が向上する。 Z板の M gド一プの L i N b〇₃基板を用いた実験では、櫛の指の方向によって分極反転の形成の容易さが異なることが分かった。櫛の指の方向を Y軸方向に一致させた場合は、これに 9 0 ° 直交させた X軸方向に形成した場合にくらべ、分極反転の広がる早さが 1 0倍以上になった。このため、結晶に形成する櫛の指の方向は Y軸方向に設定するのが好ましい。

なお、強誘電体基板 1としては、 M gをドーピングした L i N b 0 ₃ を用いたが、これは L i N b〇₃結晶では、同様の効果が得られなかつたからである。 L i N b〇₃そのものでは、分極反転に伴う電気導電性の大幅な向上は見られず、絶縁体の特性に変化はなかった。すなわち、強誘電体に金属を添加することで、分極方向の変化に伴う電気導電性の変化を実現できる。同様に、 L i T a0₃においても L i T a〇₃結晶単体では分極反転前後で電気導電性の変化は発生せず、ともに絶縁体であるが、 Mg等の金属添加物を加えることで電気導電性の変化が観測された。添加する Mgのド一プ量は 1 mo 1 %未満の場合に、上記分極方向の変化に伴う強誘電体基板 1の抵抗の変化量が数％程度と大幅に低下した。 1 0 %以上の大きな抵抗の変化を実現するには 1 mo 1 %以上の金属の添加が必要である。 3 mo 1 %以上の添加を行うと抵抗が 1Z1 0 以下になりより有効である。また、その他の強誘電体材料においても、金属ドープ量を増大できるものであれば、同様の電気導電性の変化が可能である。

また、強誘電体基板 1としては単一分極の強誘電体結晶以外であってもよく、例えばアモルファス結晶、微結晶等の結晶粒が存在するものであれば同様の効果が得られる。アモルファス、微結晶構造を利用すれば、薄膜材料が利用できるため、バルクの結晶成長を必要とせず、デバイス作製が容易になる。また、' アモルファス、微結晶にすることで、金属添加物のドープ量を増大できる。そのため、電極対 2間の電気抵抗の変化量を増大できる。しかし、金属のドープ量を増大すると結晶の格子歪みが増大するため、大型結晶を引き上げる際にクラック等が生じ、均一な大型結晶の成長が難しくなる。例えば L i Nb〇₃の場合 Mgを 1 Om o 1 %以上添加するのは難しいため、単結晶の基板を用いる場合はドープ量を 1 Omo 1 %以下が望ましい。

なお、強誘電体基板 1として自発分極を単一分極化した Mg〇： L i Nb〇₃を用いたが、その他の金属を添加した強誘電体、例えば I n、 S c、 C uおよび F e等の金属を添加した L i N b 0₃、 L i T a 0₃, KTPまたは、これらの結晶の混成結晶でも同様の効果が得られる。なお、強誘電体基板 1の材料としては、自発分極の方向が表面に垂直な Z板の基板以外であってもよく、例えば、自発分極の方向が基板平面と平行な X板もしくは Y板、または基板表面に対して斜めに交差するォフカット基板等でもよい。オフカット基板は、分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できるため、より好ましい。 +

なお、上述のように、室温近傍で強誘電体の電気抵抗の変化を観測した。強誘電体の大幅な電気抵抗の低下が観測されたことは、さらなる低温において超伝導作用を起こす可能性がある。温度が高い状態では前述したように結晶的に不安定であつたが、時間的な制約があるが、低温で使用することで、結晶の不安定性は解決できる。 o °c以下の低温で強誘電体を利用すれば超伝導特性を示し、かつ分極反転を利用することで超伝導の電気スィチが構成できるため有効である。

(実施の形態 2 )

本発明の実施の形態 2に係る電気スィツチについて図を用いて説明する。実施の形態 2の電気スィッチは、実施の形態 1と同様に、金属を添加した強誘電体基板の分極を制御することで、強誘電体基板の抵坊を変化させて、強誘電体基板を導通または非導通に制御する電気スィツチである。電極の配置および電圧印加部の構成等は異なるが、用いる強誘電体基板は、実施の形態 1で用いたものと同一とすればよい。

図 6 Aおよび図 6 Bは、実施の形態 2に係る電気スィッチの構成を示す図である。図 6 Aは、実施の形態 2に係る第 1の電気スィッチの構成を示す側面図である。図中、矢印で示している強誘電体基板 5 1の自発分極の方向に沿って並ぶように、電圧用電極対 5 2が設置されている。また、電圧用電極対 5 2は強誘電体基板 5 1を挟むようにその表面および裏面に設置されている。さらに、電圧用電極対 5 2が設置された面のうち一方の面に、分極方向の垂直方向に沿って並ぶように、電流用電極対 5 3が設置されている。また、図 6 Bは、実施の形態 2に係る第 2の電気スィツチの構成を示す平面図である。強誘電体基板 5 6の 1つの面において、矢印で示している自発分極方向に沿って並ぶように、電圧用電極対 5 7が設置されている。さらに、電圧用電極対 5 7が設置された面と同一の面に分極方向の垂直方向に沿って並ぶように、電流用電極 5 8が設置されている。図 6 Aおよび図 6 Bにおいて、電圧用電極対 5 2 および 5 7には、電圧源 5 4が電気的に接続され、電流用電極対 5 3および 5 8には、電流源 5 5が電気的に接続されている。なお、図 6 Aの強誘電体基板 5 1は Z板であり、図 6 Bの強誘電体 5 6は X板または Y 板とすればよい。また、図 6 Aおよび図 6 Bにおいて、オフカット基板を用いてもよい。

図 6 Aおよび図 6 Bに示した電気スィツチにおいて、電圧源 5 4を用いて、電圧用電極対 5 2間および電圧用電極対 5 7間に、強誘電体基板 5 1および強誘電体基板 5 6の自発分極に対向する方向の電界もしくは自発分極と同一方向の電界を選択的に印加する。それにより、電圧用電極対 5 2間および電圧用電極対 5 7間の抵抗をそれぞれ高抵抗または低抵抗に制御することができる。そうすることで、電流用電極対 5 3間および電流用電極対 5 8間に抵抗も低抵抗または高抵抗に制御され、電流が導通または非導通となる。

図 7 Aは、実施の形態 2の第 3の電気スィッチの構成を示す側面図である。図 7 Aの電気スィッチは、電極対 6 2間の電流値をスイッチングする電気スィッチである。強誘電体基板 6 1の表面と裏面に対となる電極（電極対 6 2 ) を分極の方向に沿うように形成され、これら電極対 6 2は電圧源 6 3と電気的に接続されている。

電圧源 6 3により電極対 6 2間に印加される電界は反転電界 E cを超えるパルス電界である。電界が印加されることで、強誘電体基板 6 1における電極対 6 2間の一部の分極が反転し、強誘電体基板 6 1の電気抵抗が低下する。図 7 Bは、電極対 6 2間に流れる電流と時間との関係を示す図である。図 7 Bにおいて、' 電流が飛び出した個所 6 4は、パルス電界が印加された時である。パルス電界が印加されると強誘電体基板 6 1の抵抗が低下し、図 7 Bに示すように、電極対 6 2間に電流が流れる。さらに、一のパルス電圧を印加すると、電流が流れなくなる。つまり、図 7 Bの電流が飛び出した個所 6 5は、「一」のパルス電圧を印加された時である。このように、電流にパルス電圧を重畳することでながれる電流の値を可変とすることができ、スィツチングを行うことができる。図 8 Aは、本実施の形態 2の第 4の電気スィッチの構成を示す側面図である。この電気スィッチは、分極の方向（図中、矢印で示している）が図 7 Aの電気スィツチと 1 8 0度異なっているが、その他の構成は同一である。電圧源 6 3は、強誘電体基板 6 1に印加するパルス電圧が「 +」または「―」に交互に入れ替わるようにする。図 8 Bは、本実施の形態 2の第 4の電気スィツチの強誘電体基板に印加される電圧と時間経過の関係を示した図である。また、図 8 Cは、本実施の形態 1の第 4の電気スィツチを流れる電流と時間経過の関係を示した図である。図 8 Bに示すようなパルス電圧を、電極対 6 2間に印加することにより、図 8じに示すような電流波形を得ることができる。これからわかるように、第 4 の電気スィッチは整流素子として動作している。つまり、電圧源 6 3のパルス電圧を「一」に印加すると、分極反転が生じて電流が流れるが、

「十」の電圧が印加されて分極反転が無くなり電流が流れなくなる。これが繰り返されることで、整流特性が得られる。分極反転するためには、反転電界 E c ( 2 . 6 k V /mm) を印加させねばならないが、分極反転部分を再反転させて元に戻すには 0 . 5 k V /mm以下の電界でも可能であった。これは、内部電界が存在することで反転電圧が低下したためである。

(実施の形態 3 )

本発明の実施の形態 3に係る電気スィツチについて図を用いて説明する。

強誘電体材料において自発分極の反転に伴い、電気導電性が増加する状態が可逆的に存在するという現象については実施の形態 1で説明し、このような現象は内部電圧の影響によるものではないかとの見解を述べた。しかし、このような現象がじる原因としては、それ以外に分極壁の存在の有無が挙げられる。分極壁とは、分極の方向が異なる個所どうしの境界である。分極壁の有無により、強誘電体の電気抵抗が大きく変化している。強誘電体基板に電界を印加した初期には、電極間に分極壁が存在しており、'そのため電気抵抗が大幅に低下するのではないかと考えられる。さらに電界印加を続けると分極反転領域が大きく広がり、分極反転が完了すると、電極面積より大きな分極反転領域が形成される。分極壁が電極より遠ざかるため、電極間の抵抗が再び増大すると考えられる。

分極壁では結晶構造に大きな歪みが存在すること、自発分極が急激に変化する領域で大きな内部電界が存在することが、このような現象に起因するものと考えられる。そこで、実施の形態 3では、分極壁の説明も加えて、電気スィッチについて説明する。

図 9 A〜図 9 Dは、本発明の実施の形態 3に係る電気スィッチの構成を示す図である。図 9 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 9 Bは電気スィツチの構成を示す断面図であり、図 9 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり、図 9 Dは分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す断面図である。図 9 A〜図 9 Dにおいて、強誘電体基板 8 1の表面に電極対 8 2が形成されている。この強誘電体基板 8 1は、実施の形態 1および 2で説明した強誘電体基板 8 1を用いればよく、同様の効果を有する。強誘電体基板 8 1の自発分極方向は、図中に矢印で示している。自発分極方向に沿ってこの電極対 8 2は強誘電体基板 8 1の自発分極方向に沿うように並べて設置されている。図 9 Aおよび図 9 Bに示しているように、自発分極を変化させていない状態では、電極対 8 2間に分極が異なる領域が形成されていず、分極壁は形成されていない。この状態では強誘電体基板 8 1は高抵抗であり、電極対 8 2間に電流を流そうとしても流れない。自発分極を可変とする電界印加部により、強誘電体基板 8 1の自発分極の方向を変化させることで、図 9 Cおよび図 9 Dに示しているように、電極対 8 2間に分極方向が異なる領域 8 3が生じる。領域 8 3内と領域 8 3外では分極の方向が異なる。この分極方向が異なる境界が、分極壁 8 4である。分極壁 8 4においては電気抵抗が大幅に低下しているので、電極対 8 2間は低抵抗化している。そのため、電極対 8 2間に電流が流れ得る。なお、電界印加部は、図示していないが、実施の形態 1および 2に示しているように、自発分極方向または、その逆方向に電界を印加することができる、例えば電圧源等であればよい。また、電極対 8 2間に電圧を印加する電圧源等でもよい。上述のように、電極対 8 2間に自発分極の方向とは逆方向に電圧を印加することで、分極壁 8 4を生じさせることができ、それにより、電極対 8 2間の抵抗を可変とすることができる。分極方向が異なる領域 8 3の分極方向は、強誘電体基板 8 1によって異なる。例えば、強誘電体基板 8 1として、単一分極の M g〇： L i N b 0 ₃を用いた場合、反転分極により分極方向は 1 8 0 ° 変化する。このため、強誘電体基板 8 1と分極方向が異なる領域 8 3では分極の方向が 1 8 0 ° 異なる。このような分極方向以外に、分極の方向が強誘電体基板 8 1表面に平行な場合、強誘電体基板 8 1表面に垂直な場合および強誘電体基板 8 1表面に対し傾いている場合等がある。また分極の安定な方向が複数有る場合もあり、この場合には、印加する電界の方向で分極の方向が.決まる。

強誘電体基 ¾ 8 1が単一分極の結晶であるが、分極方向が単一分極化されていない場合には、強誘電体基板 8 1を単一分極処理してから使用する必要がある。また、強誘電体基板 8 1として、微結晶、ァモルファス、セラミック等の材料、単結晶、液層成長の薄膜結晶等が利用できるが、これらは分極の方向がバラバラで存在するので、ポ一リング処理を施すことが望ましい。ポーリング処理とは、各材料の温度を、その結晶のキュリー温度近くまで上げて、電界を印加することで、分極を一方向にそろえる処理方法である。温度を上げて自発分極を形成するため、分極壁 8 4に結晶歪みが残りにくい。この状態で徐々に冷却することで、マクロ的には分極方向がそろった強誘電体基板 8 1を形成することができる。

ポーリング処理した強誘電体基板 8 1の、低抵抗状態を実現するには、強誘電体基板 8 1の温度をキュリー温度よりかなり低い温度として、ポーリング電界に対向する電界を印加することが望ましい。キュリー温度は数 1 0 0 °Cのものが多い。このため、分極反転の温度はキュリー温度の 1ノ2以下または 1 0 0 °C以下が好ましい。こうすることで、分極反転により分極壁に結晶歪みを残した状態を作ることができる。

図 9 A〜図 9 Dにおいて、強誘電体基板 8 1として M gドープの L i N b〇₃を用いた場合について説明する。 M gのドープ量は 5 m o 1 % であり、 Xカット基板の単一分極処理された結晶であり、この電極対 8 2が並べられた方向に沿うように自発分極の方向を有している。図 9 A および図 9 Bの状態で、自発分極の逆方向となるように電極対 8 2間に、図示していない電界印加部により 5 k V Zmmの電界を印加した。例えば、電極対 8 2同士の間隔を 1 mとすれば、印加電圧は 5 Vである。電圧を印加することで、分極壁が生じた。つまり、図 9 Cおよび図 9 D の状態に変化した。このとき電極対 8 2間の抵抗は数 1 0 0 Ωであった。次に先ほどと逆方向に例えば 5 Vの電圧を印加すると図 9 Aおよび図 9 Bの状態に再び戻り、電極対 8 2間の抵抗は数 1 0 k Ωに増大した。このように抵抗の変化率は 2桁以上であった。つまり、 1 0 0倍以上であった。

また、上記電界を印加する操作を繰り返し行ったが、変わりなく電極対 8 2間の抵抗を変化させることができた。図 9 Aおよび図 9 Bと図 9 Cおよび図 9 Dとのそれぞれの状態における抵抗の値は、変更直後はわずかに変化したが、その後は安定であり、そのまま数ケ月たつても抵抗値が変化することはなかった。.このように、強誘電体基板 8 1の分極は非常に安定であるため、途中で外部からの電気的な供給を受けることなく、実施の形態 3に係る電気スィツチは半永久的にスィツチ状態を保持することができる。

強誘電体基板 8 1の分極の方向を変化させる際に、分極壁 8 4が形成または消去されるが、それにより、分極壁 8 4が生じる個所には大きな結晶的な歪みが存在する。このため、繰り返し回数を増大させた場合に、結晶的なダメージが残るが、結晶的なダメージは、分極壁 8 4の領域の大きさに依存し、面積に比例して動作回数の限界が減少する。分極壁の面積が l mm ²以上の場合繰り返し回数は 1 0 0 0回程度であった。 1 0万回以上のスィツチ回数を実現するには、分極壁の面積を 1 0 0 m ²以下に規制すればよい。さらに面積を低減して 1 0 ^ m ²以下とすることで、さらに繰り返し回数を増大することが可能である。

強誘電体基板 8 1には、前述のように M gをド一プしている。このように、金属添加物を加えることは、自発分極を反転させるための反転電界 E cの値を小さくできるため有効である。例えば、 L i N b〇₃単体結晶の場合において、反転電界 E cの値は 2 0 k V Zmm程度であるが、 M gを 5 m o 1 %程度ドーピン^することで反転電界 E cは 1 Z 4程度に低下する。結晶に電圧を印加すると電歪効果により結晶が歪むため、繰り返し高電圧を印加するとクラック等が生じる。このため、強誘電体基板 8 1への印加電圧は小さいほど、電気スィッチの寿命が長くなる。金属添加を行うことで、印加電圧を大幅に低減できるため、電気スイツチのスイッチングの繰り返し回数が増大するため有効である。

また、反転電界 E cの値は結晶構造に大きく依存している。結晶引き上げを効率的にするため、強誘電体基板 8 1の結晶は、完全な組成比から少しずれたコンダルェント組成で引き上げられる場合が多い。この組成の方が均一な結晶を引き上げやすいからである。これに対して、ストィキオメトリック組成にすることで、反転電界 E cの値が大幅に低下することが知られている。これは、ストィキオメトリック組成の方が結晶内の欠陥密度が小さいため自発分極の制御が容易になるからである。例えば、 L i N b〇₃、 L i T a〇 ₃においては反転電界 E cの値が 1 Z 4 から 1 / 1 0近くまで低下する。そこで、強誘電体基板 8 1としてはストイキォメトリック結晶を用いることで印加電圧の低電圧化が可能となり、電気スィッチの寿命を大幅に増大できる。なお、ストィキオメトリック組成の結晶は、結晶引き上げの他、ェピタキシャル成長による成膜で容易に形成できる。ェピタキシャル成長膜による強誘電体基板 8 1を用いることで、反転電界 E cを低下させることが容易であり、電気スィツチのスィツチング寿命を増大できる。

なお、実施の形態 3では、電極対 8 2を強誘電体基板 8 1の表面に形成したが、電極対 8 2の配置は、これに限られるものではない。例えば、強誘電体基板.8 1を薄膜化して、その表面と裏面に形成することでも同様の効果が得られる。また、強誘電体基板 8 1の抵抗が低下するのは、分極壁の部分であるため、分極壁面積を増大することで、抵抗を低下することができる。例えば、電極対 8 .2を櫛形電極等とすることで、分極壁の面積を増大することができ、強誘電体基板 8 1をさらに低抵抗化することができる。

図 1 0は、実施の形態 3の他の電気スィッチの構成を示す構成図である。強誘電体基板 9 1は、上述の強誘電体基板と同様とする。強誘電体基板 9 1の表面には、トレンチである溝 9 6が形成されていて、電極対 9 2は、その中に形成されている。さらに、強誘電体基板 9 1には、加熱部であるヒータ 9 7が設置されている。電極対 9 2には電界印加部である電圧源 9 8が接続されている。なお、強誘電体基板 9 1の自発分極方向は、図 1 0中に矢印で示している。 .この電気スィッチの動作は、上述の電気スィツチと同様である。

図 1 0に示す電気スィッチにおい X、電圧源 9 8により、電極対 9 2 間に電界を印加する際に、強誘電体基板 9 1の温度を室温からわずかに上昇させることが望ましい。強誘電体基板 9 1に設置されているヒータ 9 7により、強誘電体基板 9 1の温度を 8 0 °C程度にすることで、分極反転に必要な印加電界 E cを半分程度に低下させることができる。印加電界 E cが低下することで、電気スィツチを低消費電力で駆動することが可能となる。さらに、分極反転時に発生する結晶の歪みが低下するため、繰り返し回数の耐性が大幅に上昇するため有効である。具体的には、強誘電体基板 9 1を 2 0 °C以上で使用するのが好ましい。さらに 4 0 °C 以上とするとさらに好ましい。

また、溝 9 6内に電極対 9 2を形成することで電界分布が均一になり分極の異なる領域を形成するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、電極対 9 2間の絶縁性が高まるので好ましい。なお、溝 9 6内と強誘電体基板 9 1表面とに電極対 9 2を形成するようにしてもよい。

実施の形態 3の強誘電体基板 8 1および 9 1において、アモルファスまたは微結晶構造としてもよく、その場合、金属のドープ量を増大することができる。また、微結晶を焼結したセラミック等を用いることで同様の特性を利用できる。ただし、分極壁 8 4を形成するには、薄膜内に反転する分極の境界が必要である。このため、薄膜は一定以上の大きさの結晶粒が必要となり、微結晶としては、結晶粒の大きさが 1 z m以上あるものが望ましい。薄膜の厚さとしては、 l m以上、 l O O m以下が望まレぃ。これよりも薄膜が厚くなりすぎると、成膜時間がかかつて量産性が乏しくなる上、薄膜を形成するための基板との応力等によりクラックが生じる等の問題が発生する。

(実施の形態 4 )

本発明の実施の形態 4に係る電気スィツチについて図面を用いて説明する。実施の形態 4の電気スィッチは、実施の形態 3の電気スィッチにさらに、分極壁を形成および消去するための電極を備えた構成である。なお、全図を通して、同様の働きを有する部材には同一符号を付し説明を省略する。図 9 A〜図 9 Dに示したように、電極対間における分極壁の有無を制御することで電気スィツチが動作する。強誘電体の自発分極は、電界印加により制御が可能となる。

図 1 1八〜図 1 1 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 1の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 1 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 1 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 1 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり，図 1 1 Dは分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す断面図である。第 1の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1の表面に電極対 8 2 が形成されていて、さらに分極用電極 9 5が設置されたものである。強誘電体基板 8 1としては、実施の形態 1〜 3で説明した特性を有する強誘電体基板を用いればよい。なお、強誘電体基板 8 1の自発分極方向は、図中に矢印で示している。電極対 8 2は強誘電体基板 8 1の同一面内であって、強誘電体基板 8 1の自発分極方向の垂直方向に沿うように並べて設置されている。分極用電極 9 5は、電極対 8 2が並ぶ方向に平行な方向を長手方向として設置されている。このような電気スィツチにおいて、電極対 8 2と分極用電極 9 5との間に電界を印加することで、図 1 1 Cおよび図 1 1 Dに示しているように、分極の異なる領域 9 3が形成される。なお、各電極対 8 2同士は同電位である。分極が異なる領域 9 3の周辺には、分極壁 9 4が形成されている。これにより、電極対 8 2 間が低抵抗化されている。図 1 1 Aおよび図 1 1 Bに示す状態では電極対 8 2間は高抵抗であるため、電極対 8 2間に電流が流れない（非導通）。しかし、図 1 1 Cおよび図 1 1 Dの状態とすることで、電極対 8 2間には電流が流れる（導通）ようになる。つまり、スィッチとして働いている。図 1 1 Cおよび図 1 1 Dの状態からは、さらに、電極対 8 2と分極用電極 9 5との間に、電極対 8 2間を低抵抗化した際とは逆方向に電圧を印加することで分極の異なる領域 9 3は消滅し、分極壁 9 4が消滅するので、電極対 8 2間の抵抗は元のように高抵抗化する。

以下、他の電気スィッチについて説明するが、動作原理は上述と同様であり、分極壁が形成されることで電極対間が低抵抗化（導通）し、分極壁が消滅して、電極対間が高抵抗化（非導通）する。図 1 2 A〜図 1 2 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 2の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 2 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 2 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 2 Cは分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 2 Dは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。第 2の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1の表面に電極対 8 2が形成されていて、さらに分極用電極対 1 0 5が設置されたものである。なお、強誘電体基板 8 1の自発分極方向は、図中に矢印で示している。電極対 8 2は強誘電体基板 8 1の同一面内であって、強誘電体基板 8 1の自発分極方向の垂直方向に沿うように並べて設置されている。分極用電極対 1 0 5 は、電極対 8 2が並ぶ方向に平行な方向を長手方向として設置され、分極用電極対 1 0 5同士で、電極対 8 2を挟むように設置されている。つまり、電極対 8 2が並ぶ方向と分極用電極対 1 0 5の並ぶ方向は直交している。このような電気スィッチにおいて、分極用電極対 1 0 5間に電界を印加することで、図 1 2 Cおよび図 1 2 Dに示しているように、分極の異なる領域 1 0 3が形成される。分極が異なる領域 1 0 3の周辺には、分極壁 1 0 4が形成されている。これにより、電極対 8 2同士の間が低抵抗化されている。図 1 2 Aおよび図 1 2 Bに示す状態では電極対 8 2間は高抵抗であるため、これらの状態を選択的に切替えることで、スィッチとして機能する。この場合、強誘電体基板 8 1の自発分極の方向は分極用電極対 1 0 5間に形成される電界の方向に略平行とすることが望ましい。それにより、強誘電体基板 8 1の自発分極の方向を制御するための電界を小さくすることができる。

図 1 2 Aおよび図 1 2 Bに示す状態から、図 1 2 Cおよび図 1 2 Dに示す状態に変化させる場合には、分極用電極対 1 0 5間に電界を印加するが、この際には分極壁 1 0 4が存在しないので、強誘電体基板 8 1は高抵抗状態であり電界の印加は容易である。しかし、図 1 2 Cおよび図 1 2 Dに示す状態から、図 1 2 Aおよび図 1 2 Bに示す状態に変化させる場合には、分極用電極対 1 0 5間に分極壁 1 0 4が存在するため抵抗が低くなつており、電流が流れやすいため電界を印加する場合に消費される電力が大きくなる。これを防止するには、分極用電極対 1 0 5と強誘電体基板 8 1との間に、例えば絶縁体膜を形成しておくことが有効である。例えば S i〇₂等の絶縁膜を分極用電極対 1 0 5と強誘電体基板 8 1との間に堆積することで、電流の流れを防止し、分極を制御する際の電力消費'を大幅に低減できる。

図 1 3 〜図1 3 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 3の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 3 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 3 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 3 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり、図 1 3 Dは分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す断面図である。第 3の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1の表面に電極対 8 2 が形成されていて、さらに分極用電極 1 1 5が設置されたものである。なお、強誘電体基板 8 1の自発分極方向は、図中に矢印で示しているように、強誘電体基板 8 1の厚さ方向である。電極対 8 2は強誘電体基板 8 1の同一面内に並べて設置されている。また、電極対 8 2の間に分極用電極 1 1 5が設置されている。上述の第 1および第 2の電気スィッチは強誘電体基板 8 1の表面に平行な方向に分極の方向を制御していたが、第 3の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1の表面に対して垂直な方向に自発分極の方向を制御する電気スィッチである。図 1 3 Aおよび図 1 3 Bにおいて、電極対 8 2と分極用電極 1 1 5との間に電圧を印加すると、強誘電体基板 8 1の表面に対して垂直な方向にも電界ができる。強誘電体基板 8 1としては、その表面に対して垂直な方向に自発分極を有するものを利用しているので、図 1 3 Cおよび図 1 3 Dに示すように、自発分極の異なる領域 1 1 3が形成され、分極壁 1 1 4が形成される。また、電力消費を低減するために、分極用電極 1 1 5の下には絶縁体膜を形成するのが好ましい。図 1 4 A〜図 1 4 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 4の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 4 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 4 Bは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図 1 4 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり、図 1 4 Dは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。第 4の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1の表面に電極対 8 2 が形成されていて、さらに分極用電極対 1 2 5が設置されたものである。なお、強誘電体基板 8 1の自発分極方向は、図中に矢印で示しているように、強誘電体基板 8 1の厚さ方向である。電極対 8 2は強誘電体基板 8 1の同一面内に並べて設置されている。第 4の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1の表面および裏面に分極用電極対 1 2 5が設置されている。強誘電体基板 8 1の表面に設置された分極用電極対 1 2 5の一方は、電極対 8 2の間に設置されている。図 1 4 Aおよび図 1 4 Bの状態から、強誘電体基板 8 1の表面および裏面に形成された分極用電極対 1 2 5間に電界を印加させることで、図 1 4 Cおよび図 1 4 Dの状態となる。なお、強誘電体基板 8 1の自発分極の方向は、強誘電体基板 8 1の表面に対して垂直である。図 1 4 Cおよび図 1 4 Dに示しているように、電極対 8 2間には分極の異なる領域 1 2 3が形成され、その周りに分極壁 1 2 4が形成されている。そのため、電極対 8 2間が低抵抗化する。なお、第 4の電気スィツチにおいては、分極反転の駆動電圧を低減するために、強誘電体基板 8 1は、薄膜化することが望ましい。強誘電体基板 8 1の厚みは 5 m以下が望ましい。

図 1 5 A〜図 1 5 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 5の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 5 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 5 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 5 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり，図 1 5 li)は分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。第 5の電気スィッチは、強誘電体基板 8 1がオフカット基板であり、その表面に電極対 1 3 2か形成されている。さらに、強誘電体基板 8 1上には、分極用電極 1 3 5が設置されている。電極対 1 3 2と分極用電極 1 3 5との間に電界を印加することで、図 1 5 Aおよび図 1 5 Bの状態から図 1 5 Cおよび図 1 5 Dの状態に変化する。オフカツト基板とは、強誘電体基板 8 1の結晶の表面に対して自発分極の方向が角度を持っている基板である。分極反転部分は自発分極の方向に沿って成長するため、図 1 5 Cおよび図 1 5 Dに示すように、分極の異なる領域 1 3 3は、強誘電体基板 8 1の内部に自発分極の方向（図中矢印で示している）に沿って成長する。分極の異なる領域 1 3 3の周りに形成されている分極壁 1 3 4は強誘電体基板 8 1の内部に潜った部分に形成される。分極壁 1 3 4は、電極対 1 3 2の近傍に存在するため、電極対 1 3 2間の抵抗は低抵抗化する。

図 1 6 A〜図 1 6 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 6の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 6 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 6 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 6 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり、図 1 6 Dは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。第 6の電気スィッチは、図 1 5八〜図1 5 Dに示す第 5の電気スィッチの分極用電極の代わりに、強誘電体基板 8 1の表面に分極用電極対 1 4 5が形成されている。電極対 1 3 2が並ぶ方向と分極用電極対 1 4 5が並ぶ方向が直交するように配置されている。これら分極用電極対 1 4 5間に電界を印加することで、図 1 6 Aおよび図 1 6 Bに示す状態から、図 1 6 Cおよび図 1 6 Dに示す状態に変化させることができる。図 1 6 Cおよび図 1 6 Dに示す状態は、分極異なる領域 1 4 3が形成されていて、その周りには分極壁 1 4 4が形成されている。そのため、電極対 1 3 2間は低抵抗化されている。

図 1 7 A〜図 1 7 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 7の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 7 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 7 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 7 Cは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す平面図であり、図 1 7 Dは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。第 7の電気スィッチは、図 1 5 A〜図 1 5 Dに示す第 5の電気スィッチの分極用電極の代わりに、強誘電体基板 1 3 1の表裏面に分極用電極対 1 5 5が形成されている。これら分極用電極対 1 5 5間に電界を印加することで、図 1 7 Aおよび図 1 7 Bに示す状態から、図 1 7 C および図 1 7 Dに示す状態に変化させることができる。図 1 7 Cおよび図 1 7 Dに示す状態は、分極が異なる領域 1 5 3が形成されていて、その周りには分極壁 1 5 4が形成されている。そのため、電極対 1 3 2間は低抵抗化されている。

第 5〜第 7の電気スィッチは、強誘電体基板 1 3 2として、オフカツト基板を用いている。これにより、分極壁 1 3 4、 1 4 4および 1 5 4 が、強誘電体基板 1 3 2内部に形成される。そのため、分極用電極 1 3 5および分極用電極対 1 4 5および 1 5 5が分極壁 1 3 4、 1 4 4および 1 5 4に直接接触しない。それにより、低抵抗状態から高抵抗状態へ移行する際の電界印加における電力消費を大幅に低減できる _d

以上実施の形態 4に係る電気スィツチについて説明したが、第 1〜第 7の電気スィッチの構成に限定されるわけではなく、強誘電体上に、電極対を有し、それらの間の分極方向を変化させることができる構成であればよい。

なお、上記第 1〜第 7の電気スィッチの説明において、電界印加部については、説明および図示を省略したが、電界印加部は、強誘電体基板

8 1の分極方向を制御するもので、電界を分極方向に対向する方向に印加できるものであればよい。例えば、実施の形態 1〜3で説明した電圧源である。また、例えば、電極対、外部電源、静電気、放電、荷電粒子、イオン、他の強誘電体および半導体回路（例えば、半導体材料からなる電気スィツチ素子等）等の電界を発生する手段であればよい。

なお、第 2、第 4および第 6の電気スィツチの分極用電極対において、それぞれの電極の大きさは、非対称形状が好ましい。特に、異なる自発分極を消去する電極が、形成する電極に対して大きいことが望ましい。ここで、異なる自発分極を消去する電極および形成する電極について説明する。強誘電体基板の分極反転は、分極反転核が発生し、反転核から自発分極の方向に分極反転部が成長する。 L i Nb〇₃、 L i T a〇₃、 KTP等は分極反転核の発生する方向が決まっており、 + Ζ面側から分極が発生する。つまり、分極反転核が形成される側（L i Nb〇₃、 L i T a〇₃および KTP等では +Z側）の電極が異なる自発分極を形成する電極であり、もう一方の電極（L i Nb〇₃、 L i T a〇₃および K Τ Ρ等では一 Ζ側）が異なる自発分極を消去する電極である。

L i Nb0₃、 L i T a〇 ₃等の単一分極の結晶において、分極反転部の成長は、分極反転核の発生と、分極反転核から反転部分が成長するェ程からなる。分極反転は結晶の C軸に沿って成長し、分極核の発生は + C側に発生するため、分極反転は +Cから—Cに向かって生じる。このため、分極用電極は分極方向に沿って並んで形成され、土 C軸側に形成するのが効果的である。この際、 +C側に形成する電極は _c側に形成する電極形状より小さくするのが望ましい。形成される自発分極の反転した部分の幅は +C側の電極の幅に規制される。これを消去する電界を印加する一 C側の電極を + C側電極の幅より大きくすることで、消去をより完全なものにして、抵抗の変化を大きくすることができる。なお、

C軸は結晶軸のことで、 Z軸と同じであり、 1軸性の結晶における主軸の方向を表している。 L i N b 0 ₃、 L i T a O ₃ Lおよび K T P等では自発分極の方向は C軸方向と一致している。

なお、強誘電体基板 8 1の表面に形成される、電極対、分極用電極対および分極用電極の材料としては、例えば T a、 A l 、 A u、 P tおよび C u等の金属材料以外に、半導体材料の利用も可能である。また、これらの電極材料上にポリシリコンを堆積し、集積回路を直接形成することも可能である。

なお、強誘電体基板 8 1としては、バルクの強誘電体材料を用い手もよいし、例えば、薄膜の強誘電体材料を用いてもよい。図 1 8 A〜図 1 8 Dは、本発明の実施の形態 4に係る第 8の電気スィツチの構成を示す図である。図 1 8 Aは電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 8 Bは電気スィッチの構成を示す断面図であり、図 1 8 Cは分極壁が生じている状態の電気スィッチの構成を示す平面図であり、図 1 8 Dは分極壁が生じている状態の電気スィツチの構成を示す断面図である。 ' 図 1 8 A〜図 1 8 Dは図 9 A〜図 9 Dに示す電気スィツチの強誘電体基板 8 1が薄膜であり、基板 1 6 7上に形成されている構成である。動作は、図 9 A〜図 9 Dに示した実施の形態 3の電気スィツチと同様である。薄膜としては、ェピタキシャル成長成長により作製したェピ薄膜、その他アモルファスの成膜等も利用できる。ェピ薄膜は、強誘電体特性を有する薄膜を利用できるため、有効である。その他、薄膜の作製方法としては、強誘電体材料を基板に張り合わせて薄膜研磨する方法がある。基板に張り合わせる方法としては、接着剤による方法、直接接合法等がある。接合した後、 C M P研磨等により数/ i m厚の強誘電体の薄膜が形成できる。薄膜研磨による方法は、結晶成長による成膜とは異なり、基板材料を限定しない。このため、半導体材料や誘電体材料等を基板 1 6 7として、いずれの材料上にも形成できる。例えば、電気回路を形成した半導体回路上に強誘電体基板 8 1である強誘電体薄膜を接合すれば、半導体回路に備えた電界印加部から、強誘電体基板 8 1電界を印加したり、また、強誘電体基板 8 1の抵抗の変化を同時に読み取ることも可能となり、強誘電体メモリを.構成できる。

(実施の形態 5 )

本発明の実施の形態 5に係る電気スィツチについて、図を用いて説明する。実施の形態 1〜4に係る電気スィッチについて説明したが、実施の形態 5では、具体的に電気スィッチを作製し、その各特性について測定した結果を示す。

図 1 9は、実施の形態 5に係る電気スィッチと、それを測定した実験系との構成を示す模式図である。図 1 9に示すように、電気スィッチ 1 7 0は、強誘電体基板 1 7 1と、強誘電体基板 1 7 1の表面に形成された電極 1 7 2 aおよび強誘電体基板 1 7 1の裏面全面に形成された電極 1 7 2 bと、電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間に電界を印加する電界印加部である電圧源 1 7 3とを備えている。強誘電体基板 1 7 1には、 Z板の M gドープの L i N b〇₃を用いた。

各特性を測定するために、図 1 9に示すように、電気スィッチ 1 7 0 を絶縁液 1 7 7中に浸けて、電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間に電界を印加した。電気スィッチ 1 7 0を絶縁液 1 7 7中に浸けたのは、電界印加中の放電を防止するためである。電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の印加電圧と電流の関係を測定した。なお、図中矢印は、強誘電体基板 1 7 1 の自発分極の方向である。図 2 0 Aおよび図 2 0 Bは、図 1 9の電気スイッチにおける印加電圧と電流の関係図である。図 1 9において、自発分極に対向する方向をプラスとしている。つまり、図 1 9において、下から上への方向がプラスである。図 2 O Aは、強誘電体基板 1 7 1をノンドープの L i Nb0₃とし、その厚みを 0 · 1 5 mmとした場合の印加電圧と電流の関係図である。また、図 2 0 Bは、強誘電体基板 1 7 1 をMgが5mo 1 %ドープされた L i Nb〇₃とし、その厚みを 1 mm とした場合の印加電界と電流の関係図である。

図 2 OAでは、印加電界を増加させていき、印加電圧が 3. 1 5 k V になったときに、自発分極の反転が始まる。なお、その際の印加電界は、反転電界 E cである 2 1 k V/mmであり、この値を超えると電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間に電流が流れる。電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 bの間の自発分極が完全に反転してしまうと電流は停止する。このとき流れる電荷量 Qは電極面積 Sと自発分極 P sに比例し、 Q = 2 S XP sの関係をとる。さらに電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 bにマイナスの電圧を印加すると分極が再反転する際に同様に電流が流れる。これは、強誘電体の示す一般的な特性であり、分極反転にともなう電荷量の移動により生じる。

一方、図 2 0 Bでは、印加電界を増加させていき、印加電圧が 3. 9 kVになったときに、自発分極の反転が始まる。なお、その際の印加電界は、反転電界 E cである 3. 9 kVZmmであり、この値を超えると電流が流れ始めた。電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の抵抗は低下しているため、電流は流れ続ける。この状態で電極間の抵抗を測定すると、分極反転前の抵抗に比べて 8桁も抵抗が低下していることが分かった。その後、電圧を低下させて一 3. 9 k VZmmにすると分極が再反転し、電流は停止した。この状態で電界印加を停止し、電極間の抵抗を測定したところ、電極間の抵抗は元の結晶とほぼ同じ値に回復していた。なお、上述の動作は、図 2 0 B中、「1」、「2」、「3」、「4」、「 5」の順で行われる。また、このときの電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間にできている分極反転部分の状態を観測した結果を図 2 1 Aおよび図 2 1 Bに示す。図 2 1 Aは、分極が反転し始め、抵抗が低下した状態の電極 1 7 2 aの分極の様子を示している。また、図 2 1 Bは、反転した分極反転が再反転し、抵抗が元に戻った状態の電極 1 7 2 aの分極の様子を示している。図 2 1 Aよりわかるように、一部に分極の方向が異なる領域 1 9 0が存在している。また、図 2 1 Bよりわかるように、分極反転領域が存在せず、分極の方向はすべて一致している。分極反転部の形成および消去は、電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の抵抗値の変化に関係が有ることが分かつた。つまり、強誘電体基板 1 7 1の自発分極の反転および非反転により強誘電体基板 1 7 1の電気抵抗を制御することができる。

さらに、強誘電体基板 1 7 1の薄膜化により反転電圧の低減が可能であるため、電気スィッチ 1 7 0は消費電力が小さいので有効である。例えば、強誘電体基板 1 7 1の膜厚を 1 0 0 n m程度にした場合、 M gを 3 m o 1 %ド一プした強誘電体基板 1 7 1では反転電圧が 1 . 3 V程度になり、低電圧駆動ができるため有効である。強誘電体基板 1 7 1が結晶基板の場合以外の、アモルファス結晶または微結晶状態の強誘電体基板 1 7 1を利用する場合は単一結晶に比べて数倍に反転電圧が増大する _t このため、印加電圧の観点からすると金属添加のモル濃度は 3 m o 1 % 以上が好ましい。また、印加電界は結晶の温度に大きく依存する。具体的には、強誘電体基板 1 7 1の温度を 1 2 0 °Cに上げると、反転電界 E cは約半分に低下する。このため、例えば、電気スィッチ 1 7 0は強誘電体基板 1 7 1を加熱するヒータ等の加熱部を備え、スイッチングする場合に、強誘電体基板 1 7 1を加熱すれば、低電圧駆動が可能となる。また、分極反転時に発生する結晶の歪みが加熱により低下するため、電気スィッチ 1 7 0の繰り返し回数の耐性が大幅に上昇する。スィッチング時の強誘電体基板 1 7 1の温度としては、 2 0°C以上とするのが好ましい。また、 40°C以上がさらに好ましい。

また、強誘電体基板 1 7 1において、温度を上げるのと同様に、紫外線に近い光を当てることでも反転電界 E cを低下させることができる。その光の波長としては 5 0 0 nm以下が望ましく、 40 0 nm以下ではさらに望ましい。このような短波長光を当てることで、反転電界 E cの低下が可能となり、分極反転が容易になるため、スイッチング回数が大幅に増大し、電気スィッチ 1 7 0の寿命を長くすることができる。また、記憶したスィッチング状態を一挙に消去する場にも短波長光を照射しながら電界を印加することで、消去残りが無くなり確実な消去が可能になる。

また、通常のコンダルェント組成では、反転電界と Mgのド一プ量が反比例している。例えば、ノンド一プでは反転電界 E cは 2 1 kV/m mであり、 3mo 1 %ド一プで 1 2 k VZmm程度、 5 mo 1 %ド一プで 4 k V/mm程度となる。このため、反転電界 E cは金属ド一プ量の調整で制御できる。たとえば、強誘電体基板 1 7 1の膜厚を 1 0 0 nm 程度とすると、 5mo 1 %ド一プの場合には、反転電圧は 0. 4Vとなる。強誘電体基板 1 7 1を薄膜化すると、さらに反転電界が低下する。反転電界が低下すると、高速動作および高集積化が可能になる。しかし、反転電界が低すぎると、わずかなノイズによっても反転や再反転が発生し、記憶させたデ一夕が消去されてしまう。そこで、強誘電体基板 1 7 1の膜厚と金属添加物のモル濃度を調整して適当な反転電界を実現する必要がある。

反祛電圧としては、 0. 0 1 V〜 1 0 Vの範囲が望ましい。 0. 0 1 V未満ではノイズや外乱によってメモリの誤動作が大きくなるからである。強誘電体基板 1 7 1の金属添加物の量と膜厚を調整して上記範囲に入る反転電圧を実現することが好ましい。

また、反転電界 E cの調整は結晶の組成によっても調整可能である。結晶組成をストイキォ構造にすることで反転電界 E cを大きく低下させることができる。実測によると、 Mgのモル濃度に対する依存性は非常に小さく、ドープ量が l〜 5mo 1 %の間でほぼ 4 kVZmm程度であつた。上記強誘電体基板 1 7 1の金属添加物の量と膜厚に加えて、結晶組成を調整して、上記適した反転電圧を実現すればよい。

次に、分極反転による電気抵抗の変化と Mgのドーピング量について検討した。図 2 2は、強誘電体基板 1 7 1にドーピングした Mgのモル濃度と電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の電気抵抗の変化量の関係図である。自発分極が反転するときの電界である反転電界 E cは強誘電体基板 1 7 1の Mgのドーピング量が増大するとともに減少することが分かつた。図 2 2において、口は強誘電体基板 1 7 1に電圧を印加していない状態（初期状態）であり、画は一部が分極反転させている状態（反転状態）であり強誘電体基板 1 7 1が低抵抗化している状態であり、 ▲は再反転させた状態（最反転状態）である。

図 2 2に示しているように、 Mgのド一プ量が増加するとともに、電気抵抗の変化量は増大し、 5mo l %では、初期状態および最反転状態と反転状態とで最大 6桁の抵抗値の変化を観測した。図 2 2より、スィツチとして機能するために必要な 1桁以上の抵抗値の変化を実現するには、 lmo 1 %以上の金属の添加が必要である。好ましくは、 3 mo 1 % 以上の添加を行うほうがよい。この場合、 4桁以上の抵抗値の変化を実現できるため望ましい。

次に、電気スィッチ 1 7 0を用いて、連続的な電気スイッチング特性を測定した。 Mgを 5mo 1 %ド一プし、厚さが 2 mmの強誘電体基板 1 7 1を用いた。温度は 1 2 0°Cとした。このとき、反転電圧は約 4 k Vであった。なお、反転電界 E cは約 2 k V Zmmである。印加電圧は最大 ± 6 k Vで、電流値は最大 4 0 0 m Aで制限した。この測定結果を、図 2 3 Aおよび図 2 3 Bに示しこ。図 2 3 Aは、時間経過にともなう電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の電圧波形を示し、図 2 3 Bは、時間経過にともなう電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の電流波形を示す。図 2 3 A において、強誘電体基板 1 7 1の自発分極方向に対向する方向に印加される電圧をプラスとし、自発分極方向に印加される電圧をマイナスとする。同様に、図 2 3 Bにおいて、強誘電体基板 1 7 1の自発分極方向に対向する方向の電流をプラスとし、自発分極方向の電流をマイナスとする。また、それぞれの図中に記載された符号は、同一時間を示している。反転電圧を超えるプラス電圧を印加すると（「2」、「 8」、「 1 4」、「 2 0」）、図 2 3 Bに示すように電流が流れているため、電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 b間の抵抗が低下していることがわかる。一方、再反転に必要な電圧以下の— 6 k Vを印加すると（「5」、「1 1」、「1 7」）、抵抗が増大し電流が低下しているのが分かる。分極反転および再反転により電気抵抗が低下および増大しているのが確認できた。したがって、電気スィツチ 1 7 0がスィッチとして働いていることがわかる。

また、この測定より、この電気スィッチ 1 7 0を使用する上で初期化処理が必要であることおよび抵抗が時間により変動していることがわかる。まず、初期化処理について、以下に説明する。強誘電体基板 1 Ί 1 において、電界を印加した初期すなわち「1」のパルス以前では、図 2 3 Aに示されている電圧に比べて、図 2 3 Bに示されているように電流変化が小さい。これは、電界印加による抵抗の変化が小さいことを示している。つまり、この状態（初期状態）では電界印加によって電気抵抗が十分変化していない。これを防ぐためには、電気スィッチ 1 7 0を使用する前に、電界印加による分極反転のスィツチングを複数回行えばよレ^ そうすることで、強誘電体基板 1 7 1において、電界印加による抵抗の変化が生じるようになり、電気スィッチ 1 7 0は高速なスィッチング応答が可能になる。このように、電気スィッチ 1 7 0が正しく作動するように、電気スィッチ 1 7 0に電界印加を繰り返し行うことを初期化処理という。

次に、時間による抵抗の変化について説明する。また、図 2 3 Bに示すように、一 6 k Vのパルスを印加することで、強誘電体基板 1 7 1を再反転させ、高抵抗化した後、負電界を印加している場合（「6」、「1 2」、「 1 8」）は、電流はほとんど流れず抵抗が非常に高いことを示している。ところが、その状態で正電界を印加している場合（「7」、「 1 3」、「1 9 J )は電流値が時間と共に徐々に増大していることがわかる。具体的には、「 7」では電流値は 5 0 Aであり、「1 3」では電流値は 1 0 0 X Aであり、「1 9」では電流値は 1 2 0 Aである。このように、正電界を印加した状態では、同一の条件であっても、時間とともに順次電流値が増加しているのがわかる。それに対応して、抵抗も時間と共に低下している。このように、抵抗が時間により変動する現象の具体的な原因は分かっていないが、分極壁の何らかの経時変化、または疲弊に関係していると考えられる。

電気スィッチ 1 7 0によりメモリを構成する場合、自発分極の反転、再反転により電気抵抗を変化させ、この抵钪を読み出すことで、メモリの状態を判別する。電気的に抵抗の状態を判別するには、分極反転部に電界を印加して抵抗値を判別する必要がある。この実験結果より明らかなように、分極反転の有無により電気抵抗は大きく変化するが、安定して抵抗を判別するためには、元の自発分極の方向と同じ方向の電界を印加して抵抗を判別することが望ましい。図 2 3 Bからわかるように、「4」と「6」の抵抗差、「1 0」と「1 2」の抵抗差、「1 6」と「1 8 J の抵抗差を読み出して、それぞれの差により抵抗を判別するのがよい。つまり、負電界（自発分極と同じ方向）の状態で抵抗を読み出すことが望ましい。負電界で読み出すことで抵抗の変化を大きく、かつ安定にできる。図 2 3 Bにおいて、正電界で抵抗を判別すると、例えば「1」と「3」の抵抗差と、「1 3」と「1 5」の抵抗差とを比べればわかるように、抵抗差が小さくなつていつている。このように徐々に抵抗が変化し、その差が小さくなるため、抵抗の判別に誤差が発生する。

なお、実施の形態 5では、強誘電体基板 1 7 1として、 M gをド一ピングした L i N b 0 ₃を用いている。これ以外でも、 L i T a 0 ₃においても M g等の金属添加物を加えることで電気導電性の変化が観測されている。このような、金属添加によって強誘電体の分極反転にともなう電気抵抗の変化が発生するのは、結晶の構造に大きく依存する。強誘電体基板 1 7 1としては、 L i N b〇₃が属するィルメナイト構造とするのが好ましい。強誘電体基板 1 7 1としては、分極化した M g〇： L i N b〇₃を用いたが、そのほか金属を添加した強誘電体を用いればよい。例えば、 I n、 S c、 C uまたは F e等の金属を添加した L i N b〇₃、 L I T a 0 ₃ > K T Pまたは、これらの結晶の混成結晶でも同様の効果が得られる。その他の強誘電体材料においても、金属ドープ量を増大できるものであれば、同様の電気導電性の変化が可能である。

強誘電体基板 1 7 1としては、単一分極の強誘電体結晶を用いたが、アモルファス結晶、微結晶等の結晶粒が存在するものであれば同様の効果が得られる。アモルファス、微結晶構造を利用すれば、薄膜材料が利用できるため、バルクの結晶成長を必要とせず、デバイス作製が容易になる。また、アモルファス、微結晶にすることで、金属添加物のドープ量が増大できるため、電気抵抗の変化量を増大でき、好ましい。金属のドープ量を増大すると結晶の格子歪みが増大するため、大型結晶を引き上げる際にクラック等が生じ、均一な大型結晶の成長が難しくなる。例えば L I N b 0 ₃の場合 M gを 1 O m o 1 %以上添加するのは難しいため、単結晶の基板を用いる場合はドープ量を 1 O m o 1 %以下とすることが望ましい。しかし、アモルファスまたは微結晶構造の場合さらにド —プ量を増大できる。また、微結晶を焼結したセラミック等.を用いることで同様の特性を利用できる。ただし、分極壁を形成するには、薄膜内に反転する自発分極の境界が必要である。このため、薄膜は一定以上の大きさの結晶粒が必要である。微結晶としては、結晶粒の大きさが 1 m以上あるものが望ましい。膜の製造方法としては、ェピ成長、 M B E、スパッ夕、ゾルゲル、レーザァプレージョン等の方法でも可能である。また微結晶、アモルファス、セラミック等の材料、単結晶、液層成長の薄膜結晶等の基板が利用できるが、これらを利用する場合に、ポーリング処理が重要となる。ポーリング処理は、結晶のキュリー温度近くに温度を上げて、電界を印加する工程で、一方向に分極をそろえる方法である。温度を上げて自発分極を形成するため分極壁に結晶歪みが残りにくい。このため、本発明の構成で利用する場合は、電界を印加して分極を制御する電界方向にポ一リング処理した基板を用いることが望ましいまた、ポーリング処理時に波長 5 0 0 m以下の短波長光を照射するのは有効である。

なお、実施の形態 5では強誘電体基板 1 7 1に直接電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 bを形成したが、電極 1 7 2 aおよび 1 7 2 bと強誘電体基板 1 7 1との間に絶縁層を形成することで低消費電力化が可能になる。また、印加電界をパルス状にして短時間で高抵抗化を行うようにしても、低消費電力化が可能になる。

なお、強誘電体基板 1 7 1としては、自発分極が強誘電体基板 1 7 1 の表面に垂直な Z板の基板に限定されるわけではない。例えば、自発分極が強誘電体基板 1 7 1平面と平行な X、 Y板または強誘電体基板 1 7 1表面と角度を有しているオフカツト基板等にも利用できる。オフカツト基板は、分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できるため、より好ましい。

なお、図 2 3 Aおよび図 2 3 Bよりわかるように、分極反転が起こつた瞬間（「2」、「8」、「 1 4」、「2 0」）および再反転が起こった瞬間 (「5」、「1 1」、「 1 7」）において、瞬間的に大量の電流が流れている。これは、電荷の移動により生じる電流であり、移動する電荷量は 2 P s X Sで表すことができる。電流が流れるということは、強誘電体基板 1 7 1は低抵抗化している。この強誘電体基板 1 7 1の低抵抗化を用いて、電気スィツチ 1 7 0を作動させてもよい。

電気スィッチにおいて、分極反転の手段としては、電界印加が一般杓である。強誘電体の自発分極を可変する手段であり、自発分極に対向する電界を印加する手段である、電極対、外部電源、静電気、放電、荷電粒子、イオン他の強誘電体、半導体回路等、電界を発生する手段であれば利用できる。その他、外部からの応力により自発分極を反転させることも可能である。圧電体等を用いて部分的に応力を加えることで自発分極の制御が可能である。また電界との併用も可能である。さらに部分的に熱を加えて焦電効果による電界の発生を利用して分極反転を行うことも可能である。

また、電極形状に関しては、電気導電性を増大する構造が存在する。前述したように、電気抵抗が低下するのは、分極壁の部分であるため、分極反転周辺部の分極璧の面肴を増大することで電気抵抗の低下を大きくすることができる。形成される分極反転部は電極形状に依存するため分極壁面積を増大できる。例えば櫛形電極等を利用することで、分極壁の面墳を増大できる。なお、実施の形態 1〜 5の電気スィッチおいて、分極を形成させるための電極と強誘電体基板との間には、絶縁膜を形成することが望ましい。それにより、電気スィッチを低'電流で駆動できるため、消費電力を低減できる。

(実施の形態 6 )

本発明の実施の形態 6に係る記憶素子について図を用いて説明する。実施の形態 6に係る記憶素子は、上記実施の形態 1〜 5のいずれかの電気スィッチを、 2次元配列することで構成される。電気スィッチの高抵抗と低抵抗とを読み出すことで、 2次元メモリとしての機能を実現できる。

図 2 4は実施の形態 6に係る記憶素子 2 2 0の構成を示す斜視図である。記憶素子 2 2 0は半導体集積回路 2 2 1上に実施の形態 1〜 5のいずれかの電気スィッチ 2 2 2が複数配列された構成である。半導体集積回路 2 2 1はシリコン L S Iから構成されており、電気スィッチ 2 2 2 に電界を印加することができる。印加電界により電気スィッチ 2 2 2の強誘電体基板の自発分極の方向が変化し、これによつて電界を印加した部分の電気導電性が変わる。強誘電体の自発分極の変化は安定しているため、反転状態は印加電界を切っても保存される。また、外部からの電力を供給することなく非常に安定に、長時間に渡り状態を記憶することができる。また、各電気スィッチ 2 2 2の抵抗を読み取ることで記憶した状態を読み取ることができ、状態を読み出しても、記憶の状態は変化することなく保存される。つまり、記憶素子 2 2 0は、半導体集積回路 2 2 1により、電気スィッチ 2 2 2に印加する電界を制御して、自発分極の形成または消去することで状態を記憶し、その状態を検出することができる。つまり、記憶素子として機能している。電気スィッチ 2 2 2 と半導体集積回路 2 2 1とを組み合わせることで、小型化および集積化が可能である。

なお、半導体集積回路 2 2 1で発生する電圧としては数 V程度が標準であり、低電圧駆動が望まれる。そのために、電気スィッチ 2 2 2は、強誘電体を薄膜化している構成が望ましい。強誘電体基板の膜厚としては数/ i m以下が必要である。

しかしながら、強誘電体基板は、温度の急激な変化により焦電効果による表面電界が発生する。この焦電効果による電界により記録している自発分極が一部消滅する可能性がある。回路の安定動作のためには、焦電効果を防止する構成が必要である。例えば、温度の急激な変化を避けるパッケージ構成をとることが望ましい。使用温度範囲を室温 ± 5 0 °C 程度に規制する。また外部温度をモニタ一して、急激な温度変化に対して保護回路を働かせる方法もある。また表面に発生する焦電電荷を消滅させるため、強誘電体基板表面に導電性の薄膜を形成する方法もある。一方の表面にスィツチ電極を形成し、この面に半導体回路を直接接触させて、スィッチを駆動する。一方の面には導電性の膜を体積して、焦電電荷の発生を防止することが可能となる。

また、実施の形態 6の記憶素子には、記憶している内容を一括消去するための加熱部を備えていることが望ましい。加熱部としては、例えば、ヒー夕であればよい。ヒータはすべての電気スィッチ 2 2 2の強誘電体基板の温度を上昇させることができる。ヒータによりすベての電気スィツチ 2 2 2の強誘電体基板の温度を上昇させた状態で電圧を印加することで、強誘電体基板はすべて高抵抗の元の絶縁体に近い状態に戻る。キユリ一温度以下の温度に加熱して、電圧を印加することで、分極壁における歪みが取れて電気抵抗がもとの絶縁体に近い値に戻る。加熱温度としては例えば 2 0 0 °C以上が望ましい。また、温度を上げるだけでも一括消去は可能である。この状態で電界を印加すると一方向に分極が揃う。次回からはこの方向の逆方向に電圧を印加することで電気特性を変えて低抵抗化できる。

また、ヒ一夕の代わりに紫外籙照射部を備えていてもよい。つまり、波長 4 0 0 n m近傍以下の紫外線を電気スィツチ 2 2 2の強誘電体基板に照射できる紫外線照射部を備えていればよい。紫外線照射部より紫外線を出射して、すべての電気スィッチ 2 2 2の強誘電体基板に照射することで分極壁の結晶歪みが緩和され、電気抵抗がもとの絶縁体に近い値に戻る。したがって、複数の電気スィッチを高抵抗化させることができるため、記憶素子 2 2 0の記憶を一括消去することができる。

また、例えば、加熱と紫外線照射とを併用することも可能である。上述の一括消去は、抵抗のリフレッシュとしても有効である。記憶素子 2

2 0を繰り返し利用することで各電気スィッチ 2 2 2のスイッチング特性が劣化した場合にリフレツシュすれば、スィツチング特性が向上する。実施の形態 6の記憶素子が従来の強誘電体メモリと異なるのは、自発分極の方向で、強誘電体自体の電気導電性を変化させて、その違いを電気的に検出することで、記憶素子として利用している点である。

図 2 5は、実施の形態 6に係る記憶素子の構成を具体的に示す斜視図である。図 2 5に示すように、半導体集積回路が形成されている基板 2

3 7上にス卜ライプ状に電極 2 3 2 bが形成され、さらにその上に強誘電体薄膜 2 3 1が形成され、さらにその上に、電極 2 3 2 bとは直交するようなストライプ状に電極 2 3 2 aが形成されている。このような構成で、電極 2 3 2 aおよび電極 2 3 2 bとで挟まれた強誘電体薄膜 2 3 1により構成された電気スィッチ 2 3 0が格子状に複数配列された記憶素子が構成されている。つまり、強誘電体薄膜 2 3 1を挟んで対向している電極 2 3 2 aおよび電極 2 3 2 bとで 1つの電気スィツチ 2 3 0を形成している。さらに、図示していないが、強誘電体薄膜 2 3 1を挟んで対抗している電極 2 3 2 aおよび電極 2 3 2 b間に電界を印加することができる電界印加部（図示せず）を備えている。この電界印加部を用いて、格子状に配列されている竃気スィッチ 2 3 0のオン、オフを制御することができる。具体的には、電極 2 3 2 aおよび電極 2 3 2 bを構成するそれぞれのストライプのうちいずれかの電極を選択して電界を印加すると、電極 2 3 2 aおよび電極 2 3 2 bが交差した部分の強誘電体薄膜 2 3 1に選択的に電界が印加され、抵抗を変化させることができる。また、同時に複数の電極 2 3 2 aおよび電極 2 3 2 bを選択することで、一度に複数のボイントにデータを書き込むことも可能となる。この状態を読み出すには逆に電極を選択してその電極間の抵抗を検知すればよい _c このように、実施の形態 6の記憶素子は、構成が容易であり、高集積化が可能である。また、同時書き込みも可能なので、データ処理速度を大幅に向上させることが可能である。

以上述べたように、実施の形態 1〜 5の電気スィッチは、強誘電体の自発分極を制御することで、電気導電性を大きく変化させることができることを利用している。具体的には、自発分極の反転に伴い、強誘電体が高抵坊から低抵抗に変化していることを利用している。この変化により、強誘電体は、絶縁体から半導体へと変化させることができる。この特性を利用した電気スィツチを構成することで、簡単な構成で集積度の高い電気スィツチを構成することができる。

また、自発分極は反転時に電界印加が必要であるが、反転後は電界を必要としない。そこで、この電気スィッチは、その状態を保持し続けることができるので、例えば、この電気スィッチを複数用いることで、不揮発性のメモリとしても利用できる。

さらに、強誘電体材料として薄膜を用いれば、半導体集積回路とのモノリシック化が容易なため、集積度の高い記憶素子が構成できて、有効である。

以上、実施の形態 1〜 5の電気スィツチおよび実施の形態 6の記憶素子について説明したが、具体的に示した構成および材料等は、あくまでも一例であり、これらの具体例のみに限定されるものではない。産業上の利用可能性

本発明の電気スィツチおよびそれを用いた記憶素子は、記憶した状態を保持し続けることができる。そのため、不揮発メモリや、それを利用した記録媒体や、それを含んだ広範な機器に適用が可能である。

Claims

求の範囲

1 . 金属が添加された強誘電体 S板と、

前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、

前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備え、

前記分極の方向を変化させることで、前記強誘電体基板の抵抗値を変化させる電気スィツチ。

2 . 前記強誘電体基板は酸化物である請求項 1に記載の電気スィッチ。

3 . 前記強誘電体基板は単一分極の強誘電体材料からなり、

前記電界印加部は、前記強誘電体基板の分極方向に対向する向きに電界を印加する請求項 1に記載の電気スィッチ。

4 . 前記強誘電体基板は、分極が反転する際に、前記反転した分極に対向する内部電界が残留する請求項 1に記載の電気スィツチ。

5 . 前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、

前記電界は、周波数が 5 H z以上の交流電界である請求項 1に記載の強誘電体電気スィッチ。

6 . 前記電界印加部ば前記強誘電体基板に電界を印加し、

前記電界は、高周波を重畳した電界である請求項 1に記載の強誘電体電気スィッチ。

7. 前記強誘電体基板に添加された前記金属は、 Mg、 Z n、 I n、 S c、 C uおよび F eの内少なくとも 1つであり、

前記強誘電体基板は、 L i Nb〇₃である請求項 1に記載の電気スィッチ。

8. 前記強誘電体基板は、前記金属が添加された Z板の L i Nb〇₃である請求項 7に記載の竃気スィツチ。

9. 前記強誘電体基板は、単一分極処理された強誘電体結晶である請求項 1に記載の電気スィッチ。

1 0. 前記強誘電体基板は、多結晶またはアモルファス材料である請求項 1に記載の電気スィッチ。

1 1. 前記一対の電極は、前記強誘電体基板の自発分極の方向に沿って並ぶように形成されていて、

前記電界印加部が、前記一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、

前記一対の電極間の抵抗が制御される請求項 1に記載の電気スィツチ

1 2. 前記強誘電体基板の自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極をさらに備え、

前記電界印加部が、前記自発分極の方向に沿って並ぶように形成されている一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、

自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極間の抵抗が制御される請求項 1 1に記載の電気スィッチ。

1 3 .前記電界印加部が前記強誘電体基板に電界を印加することにより、前記強誘電体の電界が印加された部分における 1 0 %〜9 0 %の部分の分極の方向が変化する請求項 1に記載の電気スィッチ。

1 4 . 前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略垂直である請求項 1に記載の電気スィツチ。

1 5 . 強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略平行である請求項 1に記載の電気スィツチ。

1 6 . 前記強誘電体基板における、最大の抵抗値は、最小の抵抗値の 1 0 0倍以上である請求項 1に記載の ¾気スィッチ。

1 7 . 前記一対の電極の少なくともどちらかの電極が櫛形電極である請求項 1 1に記載の電気スィッチ。

1 8 . 前記強誘電体基板が単一分極の結晶であり、前記櫛形電極の電極指の方向が、前記結晶の Y軸方向と略平行である請求項 1 7に記載の電気スィッチ。

1 9 .前記電界印加部は、前記強誘電体の分極の方向を制御することで、異なる分極の方向の境界である分極壁を前記一対の電極間の近傍において形成または消去し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる請求項 1 に記載の電気スィッチ。

2 0 . 前記強誘電体基板の表面には溝が形成されていて、前記溝に前記一対の電極が形成されている請求項 1に記載の電気スィツチ。

2 1 . 前記金属の添加濃度は l m o 1 %以上である請求項 1に記載の電気スィッチ。

2 2 . 前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して傾いている請求項 1に記載の電気スィツチ。

2 3 . 前記強誘電体基板の表面に一対の分極用電極が設置され、前記電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する請求項 1 に記載の電気スィッチ。

2 4 . 前記強誘電体基板の表面に形成された溝に一対の分極用電極が設置され、

電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する請求項 1に記載の電気スィッチ。

2 5 . 前記電界印加部は、半導体材料からなる電気スィッチ素子である請求項 1に記載の電気スィッチ。

2 6 . 前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた請求項 1に記載の電気スィツチ。

2 7 . 前記強誘電体基板がィルメナイ卜構造を有する請求項 1に記載の電気スィツチ。

2 8 . 前記分極の方向を変化させる際の前記強誘電体基板の電荷の移動により、前記一対の電極間に電流を流し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる請求項 1に記載の電気スィッチ。

2 9 . 前記強誘電体基板は、自発分極の方向をほぼ単一方向に揃えるためポーリング処理を施されている請求項 1に記載の電気スィツチ。

3 0 .前記一対の電極の少なくとも 1つと、前記強誘電体基板の間には、絶縁層が設置されている請求項 1に記載の電気スィツチ。

3 1 . 請求項 1ないし請求項 3 0に記載のいずれかの電気スィッチを複数個備え、

前記各電気スィッチの前記強誘電体基板の抵抗値を保持している記憶素子。

3 2 . 前記各電気スィッチが 2次元的に複数配列されている請求項 3 1 に記載の記憶素子。

3 3 .前記各電気スィツチが、半導体集積回路上に複数形成されており、前記電圧印加部は、前記半導体集積回路により制御されている請求項

3 1に記載の記憶素子。

3 4 . 前記各電気スィッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により制御され、前記各電気スィツチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により検出される請求項 3 3に記載の記憶素子。

3 5 . 光照射部を備え、

前記光照射部は、波長 5 0 0 n m以下の光を各電気スィッチの前記強誘電体基板に照射する請求項 3 1に記載の記憶素子。

3 6 . 前記各電気スィッチの前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた請求項 3 1に記載の記憶素子。