WO2011148551A1 - 不揮発スイッチング装置を駆動する方法 - Google Patents

不揮発スイッチング装置を駆動する方法 Download PDF

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幸広 金子
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パナソニック株式会社
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    • H01L29/772—Field effect transistors
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a nonvolatile switching device including a laminated film formed of a ferroelectric film and a semiconductor film.
  • Patent Document 1 discloses a nonvolatile switching device.
  • FIG. 8 shows a conventional nonvolatile switching device disclosed in FIG.
  • the nonvolatile switching device includes a substrate 11, a control electrode 12, a ferroelectric layer 13, a semiconductor layer 14, and first to third electrodes 15a to 15c.
  • the control electrode 12, the ferroelectric layer 13, and the semiconductor layer 14 are laminated on the substrate 11 in this order.
  • the first to third electrodes 15 a to 15 c are provided on the semiconductor layer 14.
  • a voltage is applied between the control electrode 12 and the first to third electrodes 15a to 15c to change the polarization direction of the ferroelectric layer 13.
  • the part of the semiconductor layer 14 laminated on the part has a low resistance. This corresponds to the on state.
  • FIG. 8A only a part of the ferroelectric layer 13 located under the third electrode 15c has a downward polarization direction. Therefore, as shown in FIG. 8B, a current selectively flows from the first electrode 15a to the second electrode 15b.
  • FIG. 9A shows a modification of the nonvolatile switching device shown in FIG.
  • an X direction, a Y direction, and a Z direction are a longitudinal direction of the ferroelectric layer 13, a direction orthogonal to the longitudinal direction, and a stacking direction, respectively.
  • the nonvolatile switching device shown in FIG. 9A is the same as the nonvolatile switching device shown in FIG. 8 except that it includes a first electrode 15, a second electrode 16, a third electrode 17, and a fourth electrode 18. Are the same. These four electrodes 15 to 18 are arranged at four positions corresponding to the apexes of the square.
  • the first electrode 15 and the third electrode 17 are provided along the X direction.
  • the second electrode 16 and the fourth electrode 18 are provided along the X direction.
  • the first electrode 15 and the second electrode 16 are provided along the Y direction.
  • the third electrode 17 and the fourth electrode 18 are provided along the Y direction.
  • a method of selectively flowing a current between two electrodes using the nonvolatile switching device will be described below.
  • a current is selectively passed between the first electrode 15 and the third electrode 17.
  • a ferroelectric is applied between the control electrode 12 and the first electrode 15 and between the control electrode 12 and the third electrode 17 and is located below the first electrode 15 and the third electrode 17.
  • Each part of the body layer 13 has an upward polarization direction. In this way, each portion has a low resistance, that is, an on state.
  • a voltage is applied between the control electrode 12 and the second electrode 16, and between the control electrode 12 and the fourth electrode 18, and is positioned below the second electrode 16 and the fourth electrode 18.
  • Each part of the ferroelectric layer 13 has a downward polarization direction. In this way, each portion has a high resistance, that is, an off state.
  • a current can selectively flow from the first electrode 15 to the third electrode 17. In other words, no current flows through the second electrode 16 or the fourth electrode 18.
  • a current is selectively passed between the first electrode 15 and the fourth electrode 18.
  • each part of the ferroelectric layer 13 located under the first electrode 15 and the fourth electrode 18 has an upward polarization direction.
  • a part of the ferroelectric layer 13 located below the third electrode 17 and the second electrode 16 has a downward polarization direction.
  • the first electrode 15 and the fourth electrode 18 have an on state
  • the third electrode 17 and the second electrode 16 have an off state. Therefore, theoretically, a current can selectively flow between the first electrode 15 and the fourth electrode 18.
  • FIG. 10 is a plan view of the first to fourth electrodes 15 to 18.
  • the distance L1 between the first electrode 15 and the second electrode 16 is shorter than the distance L2 between the first electrode 15 and the fourth electrode 18. Therefore, the resistance R1 between the first electrode 15 and the second electrode 16 is smaller than the resistance R2 between the first electrode 15 and the fourth electrode 18.
  • first electrode 15 and the second electrode 16 There are three electrical resistances between the first electrode 15 and the second electrode 16. That is, they have a low resistance RL 15 and a resistance R 1 included in a portion of the semiconductor layer 14 located under the first electrode 15, and a high resistance included in the portion of the semiconductor layer 14 located under the second electrode 16. RH 16 .
  • first electrode 15 and the fourth electrode 18 there are three electrical resistances between the first electrode 15 and the fourth electrode 18. That is, they have a low resistance RL 15 , a resistance R 2, and a low resistance of a portion of the semiconductor layer 14 located under the fourth electrode 18. RL 18 is present electrically.
  • An object of the present invention is to provide a method of selectively flowing a current using a nonvolatile switching device that operates accurately.
  • a method of selectively flowing a current using a nonvolatile switching device includes the following steps: Preparing the nonvolatile switching device (a), wherein the nonvolatile switching device comprises a control electrode, a ferroelectric film, a semiconductor film, and an electrode group; The control electrode, the ferroelectric film, the semiconductor film, and the electrode group are laminated in this order,
  • the electrode group includes a first electrode, a second electrode, and a third electrode,
  • the first electrode includes a side L2 having a length of LL and a side L3 having a length of LS.
  • the second electrode comprises a side L4 having a length of LS and a length L6 having a length of LS;
  • the third electrode includes a side L7 having a length of LS and a side L8 having a length of LL.
  • the side L2, the side L3, and the side L6 are parallel to the side L8, the side L4, and the side L7, respectively.
  • IL / LL IS / LS (A)
  • IL is an interval between the side L2 and the side L8
  • IS is an interval between the side L3 and the side L4
  • the distance between the side L6 and the side L7 is equal to the IS
  • in the first state no current flows between the electrode groups
  • In the second state a current selectively flows between the first electrode and the second electrode
  • a current selectively flows between the first electrode and the third electrode
  • Voltages V1, Va, Vb, and Vc are applied to the control electrode, the first electrode, the second electrode, and the third electrode, respectively
  • a voltage that satisfies any of the following inequalities (a) to (d) is applied: V1> Va, V1 ⁇ Vb, and V1 ⁇ Vc (a) V1
  • the first electrode, the second electrode, and the third electrode may be congruent.
  • step (c) may further be provided: Applying a voltage Vin to the first electrode, the second electrode, and the third electrode, and simultaneously applying a voltage Vreset to the control electrode (c)
  • Vin ⁇ Vreset.
  • any one of the first state, the second state, the third state, and the fourth state may be set:
  • a current flows between the first electrode, the second electrode, and the third electrode,
  • a voltage that satisfies the following inequality is applied: V1> Va, V1> Vb, V1> Vc.
  • the nonvolatile switching device may further include a fourth electrode, wherein the fourth electrode includes a side L10 having a length of LS, a side L11 having a length of LL, and the LS.
  • Side L12 having a length of The first electrode further includes a side L1 having a length of the LS, The second electrode further includes a side L5 having a length of the LL, The third electrode further includes a side L9 having the length of the LS, The side L1, the side L5, and the side L9 are parallel to the side L12, the side L11, and the side L10, respectively.
  • the distance between the side L5 and the side L11 is equal to the IL
  • the distance between the side L1 and the side L12 and the distance between the side L9 and the side L10 are all equal to the IS.
  • the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode may be congruent.
  • any one of the first state, the second state, the third state, and the fourth state to the twelfth state may be set.
  • the voltage Vd is Applied to the fourth electrode;
  • a current flows between the first electrode, the second electrode, and the third electrode,
  • a voltage Vd is applied to the fourth electrode.
  • a voltage that satisfies the following inequality is applied: V1> Va, V1> Vb, V1> Vc, and V1 ⁇ Vd
  • a current selectively flows between the second electrode and the third electrode
  • a voltage that satisfies the following inequality is applied: V1 ⁇ Va, V1> Vb, V1> Vc, and V1 ⁇ Vd
  • a current selectively flows between the first electrode and the fourth electrode,
  • a voltage that satisfies the following inequality is applied: V1> Va, V1 ⁇ Vb
  • the present invention provides a method of selectively flowing current using a nonvolatile switching device that operates accurately.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of driving the nonvolatile switching device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of driving the nonvolatile switching device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of driving the nonvolatile switching device according to the first embodiment.
  • Cross-sectional view showing low and high resistance states Plan view of nonvolatile switching device according to embodiment 2
  • Electrical circuit diagram of nonvolatile switching device according to embodiment 2 The figure which shows the result of Example 1
  • FIG. 1 is a plan view of the nonvolatile switching device 20 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
  • a control electrode 12, a ferroelectric film 13, and a semiconductor film 14 are laminated on the substrate 11 in this order.
  • an electrode group is formed on the semiconductor film 14.
  • the electrode group includes a first electrode 15, a second electrode 16, and a third electrode 17. These electrodes 15 to 17 are arranged rotationally symmetrical. The electrodes 15 to 17 are congruent in plan view.
  • the X direction, the Y direction, and the Z direction are the longitudinal direction of the ferroelectric film 13, the direction orthogonal to the longitudinal direction, and the stacking direction, respectively. Is defined.
  • the term “plan view” means viewing from the Z direction.
  • the second electrode 16 is adjacent to the third electrode 17 along the X direction.
  • the first electrode 15 is adjacent to the second electrode 16 along the Y direction.
  • the first electrode 15 includes a side L1, a side L2, and a side L3.
  • the second electrode 16 includes a side L4, a side L5, and a side L6.
  • the third electrode 17 includes a side L7, a side L8, and a side L9.
  • the side L1, the side L3, the side L4, the side L6, the side L7, and the side L9 all have a length of LS.
  • the term “short sides” as used herein means those sides having a length LS.
  • Side L2, side L5, and side L8 have a length of LL.
  • the term “long sides” as used herein means those sides having a length LL.
  • the side L2 is parallel to the side L8.
  • the interval between the side L2 and the side L8 is IL.
  • the side L3 is parallel to the side L4.
  • the interval between the side L3 and the side L4 is IS.
  • the side L6 is parallel to the side L7.
  • the interval between the side L6 and the side L7 is also IS.
  • the current flowing through the semiconductor film 14 is controlled according to the direction of polarization in the ferroelectric film 13. That is, when the polarization direction of the ferroelectric film 13 matches the + Z direction, the electrons induced in the semiconductor film 14 make the semiconductor film 14 have a low resistance. When the polarization direction matches the ⁇ Z direction, the discharge of electrons from the semiconductor film 14 makes the semiconductor film 14 highly resistive.
  • a voltage is applied between each of the electrodes 15 to 17 and the control electrode 12, and the resistance value of the semiconductor film 14 is controlled. As a result, the resistance value between the electrodes 15 to 17 is controlled.
  • the three electrodes 15-17 can be electrically connected or disconnected independently.
  • Table 1 below shows the conduction state between the first electrode 15 and the other electrodes 16 to 17 and the potentials of the electrodes 15 to 17.
  • the voltage applied to the control electrode 12 is always constant.
  • the constant voltage is 0V.
  • 3A to 3C show the potentials of the electrodes 15 to 17 in the top view.
  • 3A, 3B, and 3C show the first state, the second state, and the third state, respectively.
  • FIG. 4 shows the polarization state of the ferroelectric film 13 and the state of the semiconductor film 14 when a voltage of ⁇ 10 V and a voltage of 10 V are applied to the second electrode 16 and the third electrode 17.
  • the semiconductor 31 located under the electrode 16 to which ⁇ 10 V is applied has a low resistance due to the accumulation of electrons caused by the ferroelectric polarization 30a.
  • the semiconductor 32 positioned under the electrode 34 to which 10 V is applied has a high resistance due to retreat of electrons generated by the ferroelectric polarization 30b.
  • a reset operation is performed before setting.
  • the voltage Vin is applied to the electrodes 15 to 17 and the voltage Vreset that satisfies the relationship Vin ⁇ Vreset is applied to the control electrode 12. More specifically, it is preferable that 10 V is applied to the control electrode 12 while 0 V is applied to the electrodes 15 to 17. Thereby, all the polarizations of the ferroelectric film 13 are set upward.
  • V1 is applied to the control electrode 12
  • Va is applied to the first electrode
  • Vb is applied to the second electrode 16
  • Vc is applied to the third electrode 17, respectively.
  • the ferroelectric film 13 located under 17 is polarized. This polarization causes each portion of the semiconductor film 14 located under these electrodes 15 to 17 to have a high resistance state or a low resistance state.
  • Any one of the first state, the second state, and the third state is set in the nonvolatile switching device 20.
  • V1> Va, V1 ⁇ Vb, and V1 ⁇ Vc (specifically, ⁇ 10V Va, + 10V Vb, and + 10V Vc are applied while V1 is held at 0V)
  • V1 ⁇ Va, V1> Vb, and V1 ⁇ Vc (specifically, + 10V Va, ⁇ 10V Vb, and + 10V Vc are applied while V1 is held at 0V)
  • V1 ⁇ Va, V1 ⁇ Vb, and V1> Vc specifically, + 10V Va, + 10V Vb, and ⁇ 10V Vc are applied while V1 is held at 0V)
  • V1 ⁇ Va, V1 ⁇ Vb, and V1 ⁇ Vc (specifically, + 10V Va, + 10V Vb, and + 10V Vc are applied while V1 is held at 0V)
  • d In the second state, a current selectively flows between the first electrode 15 and the second electrode 16.
  • a current flows selectively between electrode A and electrode B means that a current flows only between electrode A and electrode B, and a current flows between the other electrodes. Means no.
  • selective as used herein is interpreted as described above.
  • a current selectively flows between the first electrode 15 and the third electrode 17. No current flows between the second electrode 16 and the first electrode 15. No current flows between the second electrode 16 and the third electrode 17. That is, in the third state, the resistance value between the first electrode 15 and the third electrode 17 is low. The resistance value between the second electrode 16 and the other electrodes 15 and 17 is high.
  • R 1 Resistance between the first electrode 15 and the second electrode 16
  • RH 16 Below the second electrode 16
  • R2 resistance between the first electrode 15 and the third electrode 17
  • RL 17 part of the semiconductor layer 14 located below the third electrode 17 Low resistance (see FIG. 10).
  • inequality (II) is further transformed into the following inequality (III): RH 16 >> RL 17 (III) Since inequality (III) is always satisfied, inequality (I) is always satisfied. In this way, a current selectively flows between the first electrode 15 and the third electrode 17.
  • FIG. 5 is a plan view of the nonvolatile switching device 20 according to the second embodiment.
  • a fourth electrode 18 is formed on the semiconductor film 14.
  • the electrodes 15 to 18 are arranged rotationally symmetrical.
  • the electrodes 15 to 18 are congruent in plan view.
  • the fourth electrode 18 includes a side L10 having a length of LS, a side L11 having a length of LL, and a side L12 having a length of LS.
  • the side L11 is parallel to the side L5.
  • the distance between the side L11 and the side L5 is equal to IL.
  • the side L10 and the side L12 are parallel to the side L9 and the side L1, respectively.
  • the distance between these sides is equal to IS.
  • the four electrodes 15-18 can be electrically connected or disconnected independently.
  • Table 3 below shows the potentials of the electrodes 15 to 18 when the conduction state between the electrodes 15 to 18 is changed.
  • the voltage applied to the control electrode 12 is always constant.
  • the constant voltage is 0V.
  • the reset operation is preferable.
  • V1 is applied to the control electrode 12
  • Va is applied to the first electrode
  • Vb is applied to the second electrode
  • Vc is applied to the third electrode 17
  • Vd is applied to the fourth electrode 18.
  • Va is applied to polarize each portion of the ferroelectric film 13 located under the electrodes 15-18. This polarization causes the semiconductor film 14 located under these electrodes 15 to 18 to have a high resistance state or a low resistance state.
  • Any one of the first to twelfth states is set in the nonvolatile switching device 20.
  • the first to fourth states in the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • a current selectively flows between the second electrode 16 and the third electrode 17.
  • voltages V1, Va, Vb, Vc, and Vd that satisfy the following inequality are applied.
  • a current selectively flows between the first electrode 15 and the fourth electrode 18.
  • voltages V1, Va, Vb, Vc, and Vd that satisfy the following inequality are applied.
  • a current selectively flows between the second electrode 16 and the fourth electrode 18.
  • voltages V1, Va, Vb, Vc, and Vd that satisfy the following inequality are applied.
  • a current selectively flows between the first electrode 15, the second electrode 16, and the fourth electrode 18.
  • voltages V1, Va, Vb, Vc, and Vd that satisfy the following inequality are applied.
  • a current selectively flows between the first electrode 15, the third electrode 17, and the fourth electrode 18.
  • voltages V1, Va, Vb, Vc, and Vd that satisfy the following inequality are applied.
  • a current selectively flows between the second electrode 16, the third electrode 17, and the fourth electrode 18.
  • voltages V1, Va, Vb, Vc, and Vd that satisfy the following inequality are applied.
  • the control electrode 12 was formed on the silicon substrate 11 having a surface covered with a silicon oxide film according to the following procedure.
  • a Ti film having a thickness of 5 nm and a Pt film having a thickness of 30 nm were formed in this order on the substrate 11 by electron gun evaporation.
  • an SrRuO 3 (hereinafter, SRO) film having a thickness of 10 nm was formed by a pulse laser deposition method.
  • the substrate was heated to 700 ° C., and a ferroelectric film 13 made of Pb (Zr, Ti) O 3 having a thickness of 450 nm was formed by a pulse laser deposition method.
  • the substrate temperature was set to 400 ° C., and the semiconductor film 14 made of ZnO having a thickness of 30 nm was formed.
  • a resist pattern was formed on the semiconductor film 14 by photolithography. Thereafter, the portion of the semiconductor film 14 not covered with the resist pattern was removed by etching using nitric acid.
  • a resist was patterned on the semiconductor film 14 by photolithography.
  • a Ti film having a thickness of 5 nm and a Pt film having a thickness of 30 nm were formed thereon by an electron gun evaporation method.
  • the resist was removed to form electrodes 15 to 18 shown in FIG.
  • LS, IS, LL, and IL were 10 ⁇ m, 8 ⁇ m, 63 ⁇ m, and 51 ⁇ m, respectively.
  • the first, second, third, and sixth states were set for the obtained nonvolatile switching device based on Table 3.
  • FIG. 7 shows the resistance values calculated in the first, second, third, and sixth states. As understood from FIG. 7, in the first state, the resistance value between all the electrodes is high. In the second state, the resistance value between the first electrode 15 and the second electrode 16 is low. In the third state, the resistance value between the first electrode 15 and the third electrode 17 is low. In the sixth state, the resistance value between the first electrode 15 and the fourth electrode 18 is low.
  • control electrode 12 made of a laminated film of SRO / Pt / Ti and the electrodes 15 to 18 made of a laminated film of Pt / Ti were used.
  • Conductive films made of other materials can also be used.
  • ferroelectric film 13 As Sr (Bi, Ta) material of the ferroelectric film 13 other ferroelectric materials such as O x or BiTiO x may be used. Other semiconductor materials such as GaN or InGaZnO x can be used as the material of the semiconductor film 14.
  • the present invention provides a method of selectively flowing current using a nonvolatile switching device that operates accurately.

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Abstract

　本発明の不揮発スイッチング装置を用いて選択的に電流を流す方法は、不揮発スイッチング装置(20)に、電極群(15～17)の間で電流が流れない第１の状態、第１の電極(15)と第２の電極(16)との間に選択的に電流が流れる第２の状態、及び第１の電極(15)と第３の電極(17)との間に選択的に電流が流れる第３の状態のいずれかを設定する工程を含む。第１～第３の状態が設定される場合には、第１～第３の状態に対応する所定の不等式をそれぞれ充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが制御電極、第１の電極(15)、第２の電極(16)、および第３の電極(17)にそれぞれ印加される。

Description

不揮発スイッチング装置を駆動する方法
　本発明は、強誘電体膜および半導体膜から形成された積層膜を具備する不揮発スイッチング装置を駆動する方法に関する。
　特許文献１は、不揮発スイッチング装置を開示している。図８は、特許文献１の図３に開示された従来の不揮発スイッチング装置を示す。
　図８Ａに示されるように、当該不揮発スイッチング装置は、基板１１、制御電極１２、強誘電体層１３、半導体層１４、および第１～第３の電極１５ａ～１５ｃを具備している。制御電極１２、強誘電体層１３、および半導体層１４がこの順で基板１１上に積層されている。第１～第３の電極１５ａ～１５ｃは、半導体層１４上に設けられている。
　制御電極１２と第１～第３の電極１５ａ～１５ｃとの間に電圧が印加され、強誘電体層１３の分極方向を変化させる。
　強誘電体層１３の一部分が上方向の分極方向を有する場合、当該一部分の上に積層している半導体層１４の部分は低い抵抗を有する。これは、オン状態に対応する。
　一方、強誘電体層１３の一部分が下方向の分極方向を有する場合、当該一部分の上に積層している半導体層１４の部分は高い抵抗を有する。これは、オフ状態に対応する。
　図８Ａでは、第３の電極１５ｃの下に位置する強誘電体層１３の一部分のみが下方向の分極方向を有する。従って、図８Ｂに示されるように、第１の電極１５ａから第２の電極１５ｂに選択的に電流が流れる。
米国特許出願公開第２００９／００９７２９９号明細書（特開２００９－９９６０６号公報に対応）
　図９Ａは、図８に示される不揮発スイッチング装置の変形例を示す。
　図９Ａにおいて、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、それぞれ、強誘電体層１３の長手方向、当該長手方向に直交する方向、および積層方向である。
　図９Ａに示される不揮発スイッチング装置は、第１の電極１５、第２の電極１６、第３の電極１７、および第４の電極１８を具備する点を除き、図８に示される不揮発スイッチング装置と同一である。これらの４つの電極１５～１８は、正方形の頂点に対応する４つの位置に配置されている。
　第１の電極１５および第３の電極１７は、Ｘ方向に沿って設けられている。
　第２の電極１６および第４の電極１８は、Ｘ方向に沿って設けられている。
　第１の電極１５および第２の電極１６は、Ｙ方向に沿って設けられている。
　第３の電極１７および第４の電極１８は、Ｙ方向に沿って設けられている。
　当該不揮発スイッチング装置を用いて、２つの電極の間に選択的に電流を流す方法が、以下、説明される。ここでは、まず、第１の電極１５および第３の電極１７の間に選択的に電流を流すことが例に挙げられる。
　制御電極１２と第１の電極１５との間、および制御電極１２と第３の電極１７との間に電圧が印加され、第１の電極１５および第３の電極１７の下に位置する強誘電体層１３の各部分に上方向の分極方向を持たせる。このようにして、当該各部分は低抵抗、すなわちオン状態を有する。
　一方、制御電極１２と第２の電極１６との間、および制御電極１２と第４の電極１８との間に電圧が印加され、第２の電極１６および第４の電極１８の下に位置する強誘電体層１３の各部分に下方向の分極方向を持たせる。このようにして、当該各部分は高抵抗、すなわちオフ状態を有する。
　従って、図９Ｂに示されるように、第１の電極１５から第３の電極１７に選択的に電流が流れ得る。言い換えれば、第２の電極１６にも第４の電極１８にも電流は流れない。
　次に、第１の電極１５および第４の電極１８の間に選択的に電流を流すことが例に挙げられる。
　上記と同様の電圧の印加により、第１の電極１５および第４の電極１８の下に位置する強誘電体層１３の各部分に上方向の分極方向を持たせる。一方、電圧の印加により、第３の電極１７および第２の電極１６の下に位置する強誘電体層１３の一部分に下方向の分極方向を持たせる。このようにして、第１の電極１５および第４の電極１８はオン状態を有すると共に、第３の電極１７および第２の電極１６はオフ状態を有する。従って、理論的には、第１の電極１５と第４の電極１８との間に電流が選択的に流れ得る。
　しかし、実際には、第１の電極１５と第３の電極１７との間に電流が流れる。
　この原因を、以下、図１０を参照しながら説明する。
　図１０は、第１～第４の電極１５～１８の平面図である。
　第１の電極１５と第２の電極１６との間の距離Ｌ１は、第１の電極１５と第４の電極１８との間の距離Ｌ２よりも短い。従って、第１の電極１５と第２の電極１６との間の抵抗Ｒ１は、第１の電極１５と第４の電極１８との間の抵抗Ｒ２よりも小さい。
　第１の電極１５と第２の電極１６との間には、３つの電気的抵抗が存在する。すなわち、それらは、第１の電極１５の下に位置する部分の半導体層１４が有する低い抵抗ＲＬ15、抵抗Ｒ１、および第２の電極１６の下に位置する部分の半導体層１４が有する高い抵抗ＲＨ16である。
　同様に、第１の電極１５と第４の電極１８との間にはも、３つの電気的抵抗が存在する。すなわち、それらは、第１の電極１５の下に位置する部分の半導体層１４が有する低い抵抗ＲＬ15、抵抗Ｒ２、および第４の電極１８の下に位置する部分の半導体層１４が有する低い抵抗ＲＬ18が電気的に存在する。
　従って、第１の電極１５と第４の電極１８との間に選択的に電流を流すためには、以下の不等式（Ｉ）が充足されることが必要とされる。
　ＲＬ15＋Ｒ１＋ＲＨ16＞＞ＲＬ15＋Ｒ２＋ＲＬ18　・・・　（Ｉ）
　ここで、記号「＞＞」は、左側の値が右側の値よりも十分に大きいという意味である。すなわち、「値Ａ＞＞値Ｂ」は、値Ａが値Ｂよりも十分に大きいという意味である。
　しかし、上記の通り、Ｒ１はＲ２よりも小さいので、不等式（Ｉ）は必ずしも充足されるとは限らない。
　ＲＨ16がＲＬ18よりも十分大きくない場合、（Ｒ１＋ＲＨ16）は、（Ｒ２＋ＲＬ18）よりも十分大きくない。従って、不等式（Ｉ）が充足されない。そのため、第１の電極１５および第４の電極１８に選択的に電流を流すことが意図されているにも拘わらず、第１の電極１５と第３の電極１７との間に電流が流れる。このことは、図９に示される不揮発スイッチング装置が正確に動作しないことを意味する。
　本発明の目的は、正確に動作する不揮発スイッチング装置を用いて選択的に電流を流す方法を提供することである。
　上記目的を達成するために、本発明のある形態(aspect)に係る、不揮発スイッチング装置を用いて選択的に電流を流す方法は、以下の工程を具備する：
　前記不揮発スイッチング装置を準備する工程（ａ）、および
　ここで、前記不揮発スイッチング装置は、制御電極、強誘電体膜、半導体膜、および電極群を備え、
　前記制御電極、前記強誘電体膜、前記半導体膜、および前記電極群がこの順に積層されており、
　前記電極群は、第１の電極、第２の電極、および第３の電極を具備しており、
　前記第１の電極は、ＬＬの長さを有する辺Ｌ２およびＬＳの長さを有する辺Ｌ３を具備しており、
　前記第２の電極は、ＬＳの長さを有する辺Ｌ４およびＬＳの長さを有するＬ６を具備しており、
　前記第３の電極は、ＬＳの長さを有する辺Ｌ７およびＬＬの長さを有する辺Ｌ８を具備しており、
　前記辺Ｌ２、前記辺Ｌ３、および前記辺Ｌ６は、それぞれ、前記辺Ｌ８、前記辺Ｌ４、および前記辺Ｌ７に平行であり、
　以下の等式（Ａ）が充足され、
　ＩＬ／ＬＬ＝ＩＳ／ＬＳ　・・・　（Ａ）
　ここで、ＩＬは、前記辺Ｌ２と前記辺Ｌ８との間の間隔であり、
　ＩＳは前記辺Ｌ３と前記辺Ｌ４との間の間隔であり、
　前記辺Ｌ６および前記辺Ｌ７との間の間隔は前記ＩＳに等しく、
                                                   
　前記不揮発スイッチング装置に第１の状態、第２の状態、および第３の状態のいずれかを設定する工程（ｂ）、
　ここで、前記第１の状態では、前記電極群の間で電流が流れず、
　前記第２の状態では、前記第１の電極と前記第２の電極との間に選択的に電流が流れ、
　前記第３の状態では、前記第１の電極と前記第３の電極との間に選択的に電流が流れ、
　前記制御電極、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極には、それぞれ、電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが印加され、
　前記第１の状態が設定される場合には、以下の不等式（ａ）～（ｄ）のいずれかを充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ・・・（ａ）
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ・・・（ｂ）
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＞Ｖｃ・・・（ｃ）、または
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ・・・（ｄ）
　前記第２の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ
　前記第３の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＞Ｖｃ。
　平面視において、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極は合同であってもよい。
  前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、以下の工程（ｃ）をさらに具備してもよい：
　前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極に電圧Ｖｉｎを印加し、同時に前記制御電極に電圧Ｖｒｅｓｅｔを印加する工程（ｃ）
　ここで、Ｖｉｎ＜Ｖｒｅｓｅｔである。
　工程（ｂ）においては、前記第１の状態、前記第２の状態、前記第３の状態、および第４の状態のいずれかが設定されてもよい：
　前記第４の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極の間で電流が流れ、
　前記第４の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される：
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ。
　前記不揮発スイッチング装置が、さらに第４の電極を具備してもよい、ここで
　前記第４の電極は、前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ１０、前記ＬＬの長さを有する辺Ｌ１１、および前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ１２を具備しており、
　前記第１の電極は、前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ１をさらに具備しており、
　前記第２の電極は、前記ＬＬの長さを有する辺Ｌ５をさらに具備しており、
　前記第３の電極は、前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ９をさらに具備しており、
　前記辺Ｌ１、前記辺Ｌ５、および前記辺Ｌ９は、それぞれ、前記辺Ｌ１２、前記辺Ｌ１１、および前記辺Ｌ１０に平行であり、
　前記辺Ｌ５と前記辺Ｌ１１との間の間隔は前記ＩＬに等しく、
　前記辺Ｌ１と前記辺Ｌ１２との間の間隔および前記辺Ｌ９および前記辺Ｌ１０との間の間隔はいずれも前記ＩＳに等しい。
　平面視において、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極は合同であってもよい。
　工程（ｂ）においては、前記第１の状態、前記第２の状態、前記第３の状態、第４の状態～第１２の状態のいずれかが設定されてもよい、ここで
　電圧Ｖｄが前記第４の電極に印加され、
　前記第４の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極の間で電流が流れ、
　ここで、前記第４の電極には、電圧Ｖｄが印加され、
　前記第４の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される：
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＜Ｖｄ
　前記第５の状態では、前記第２の電極と前記第３の電極との間に選択的に電流が流れ、
　前記第５の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＜Ｖｄ
　前記第６の状態では、前記第１の電極と前記第４の電極との間に選択的に電流が流れ、
　前記第６の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　前記第７の状態では、前記第２の電極と前記第４の電極との間に選択的に電流が流れ、
　前記第７の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　前記第８の状態では、前記第３の電極と第４の電極との間に選択的に電流が流れ、
　前記第８の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　前記第９の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第４の電極の間に選択的に電流が流れ、
　前記第９の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　前記第１０の状態では、前記第１の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極の間に選択的に電流が流れ、
　前記第１０の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　前記第１１の状態では、前記第２の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極の間に選択的に電流が流れ、
　前記第１１の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　前記第１２の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極の間に電流が流れ、
　前記第１２の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ。
　本発明は、正確に動作する不揮発スイッチング装置を用いて選択的に電流を流す方法を提供する。
実施の形態１による不揮発スイッチング装置の平面図 実施の形態１による不揮発スイッチング装置の断面図 実施の形態１による不揮発スイッチング装置を駆動する方法を説明する図 実施の形態１による不揮発スイッチング装置を駆動する方法を説明する図 実施の形態１による不揮発スイッチング装置を駆動する方法を説明する図 低抵抗状態および高抵抗状態を示す断面図 実施の形態２による不揮発スイッチング装置の平面図 実施の形態２による不揮発スイッチング装置の電気回路図 実施例１の結果を示す図 特許文献１の図３に開示される不揮発スイッチング装置を示す図 特許文献１の図３に開示される不揮発スイッチング装置を示す図 図８に示される不揮発スイッチング装置の変形例を示す図 図８に示される不揮発スイッチング装置の変形例を示す図 図９に示される不揮発スイッチング装置が正確に動作しない理由を説明する図
　本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下、説明する。
　（実施の形態１）
　図１は、実施の形態１による不揮発スイッチング装置２０の平面図を示す。図２は図１におけるＡ－Ａ’線断面図を示す。
　図２に示されるように、基板１１上に、制御電極１２、強誘電体膜１３、および半導体膜１４がこの順に積層されている。
　図１および図２に示されるように、半導体膜１４上に電極群が形成されている。当該電極群は、第１の電極１５、第２の電極１６、および第３の電極１７を具備する。これらの電極１５～１７は、回転対称に配置されている。電極１５～１７は、平面視において合同である。
　図１および図２に示されるように、本明細書において、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、それぞれ、強誘電体膜１３の長手方向、当該長手方向に直交する方向、および、積層方向と定義される。用語「平面視」とは、Ｚ方向から見ることを意味する。
　Ｘ方向に沿って、第２の電極１６は、第３の電極１７に隣接している。
　Ｙ方向に沿って、第１の電極１５は、第２の電極１６に隣接している。
　図１に示されるように、第１の電極１５は、辺Ｌ１、辺Ｌ２、および辺Ｌ３を具備する。第２の電極１６は、辺Ｌ４、辺Ｌ５、および辺Ｌ６を具備する。第３の電極１７は、辺Ｌ７、辺Ｌ８、および辺Ｌ９を具備する。
　辺Ｌ１、辺Ｌ３、辺Ｌ４、辺Ｌ６、辺Ｌ７、および辺Ｌ９は、いずれも、ＬＳの長さを有する。本明細書において用いられる用語「短い辺」は、長さＬＳを有するこれらの辺を意味する。辺Ｌ２、辺Ｌ５、および辺Ｌ８は、ＬＬの長さを有する。本明細書において用いられる用語「長い辺」は、長さＬＬを有するこれらの辺を意味する。
　辺Ｌ２は、辺Ｌ８に平行である。辺Ｌ２と辺Ｌ８との間の間隔はＩＬである。
　辺Ｌ３は、辺Ｌ４に平行である。辺Ｌ３と辺Ｌ４との間の間隔はＩＳである。
　辺Ｌ６は、辺Ｌ７に平行である。辺Ｌ６と辺Ｌ７との間の間隔もＩＳである。
　実施の形態１では、以下の等式（Ａ）が充足される：
　ＩＬ／ＬＬ＝ＩＳ／ＬＳ　・・・　（Ａ）
　当該等式（Ａ）が充足されるので、実施の形態１に係る不揮発スイッチング装置は、正確に動作する。この理由は、後に詳細に説明される。
　不揮発論理回路２０においては、強誘電体膜１３のにおける分極の方向に応じて半導体膜１４を流れる電流が制御される。つまり、強誘電体膜１３の分極方向が＋Ｚ方向に合致している場合では、半導体膜１４中に誘起された電子が半導体膜１４を低抵抗にする。当該分極の向きが－Ｚ方向に合致している場合、半導体膜１４からの電子の排出が半導体膜１４を高抵抗にする。
　各電極１５～１７と制御電極１２との間に電圧が印加され、半導体膜１４の抵抗値が制御される。これにより、電極１５～１７の電極間の抵抗値が制御される。
　（不揮発スイッチング装置２０における導通区間の設定手順）
　次に、図３、図４、および図５を参照しながら、不揮発スイッチング装置２０における導通区間の設定手順が説明される。
　３つの電極１５～１７は独立して(independently)電気的に接続または切断され得る。
　以下の表１は、第１の電極１５と他の電極１６～１７との間の導通状態および電極１５～１７の電位を示す。制御電極１２に印加される電圧は常に一定である。好ましくは当該一定の電圧は０Ｖである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図３Ａ～図３Ｃは上面図における電極１５～１７の電位を示す。図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、それぞれ、第１の状態、第２の状態、および第３の状態を示す。
　図４は、－１０Ｖの電圧および１０Ｖの電圧が、第２の電極１６および第３の電極１７に印加されたときの強誘電体膜１３の分極状態および半導体膜１４の状態を示す。－１０Ｖが印加された電極１６の下に位置する半導体３１は、強誘電体の分極３０ａによって生じる電子の蓄積のため、低い抵抗を有する。一方、１０Ｖが印加された電極３４の下に位置する半導体３２は、強誘電体の分極３０ｂによって生じる電子の退去のため、高い抵抗を有する。
　以下、第１の状態、第２の状態、および第３の状態を設定する手順を説明する。
　好ましくは、設定前にリセット動作が行なわれる。リセット動作では、電圧Ｖｉｎが電極１５～１７に印加され、かつＶｉｎ＜Ｖｒｅｓｅｔの関係を満たす電圧Ｖｒｅｓｅｔが制御電極１２に印加される。より具体的には、電極１５～１７に０Ｖが印加されながら、制御電極１２に１０Ｖが印加されることが好ましい。これにより、強誘電体膜１３の全ての分極が上向きに設定される。
　当該リセット動作は、スイッチングの再現性を向上させる。
　設定時には、制御電極１２にはＶ１が、第１の電極１５にはＶａが、第２の電極１６にはＶｂが、そして第３の電極１７にはＶｃがそれぞれ印加され、これらの電極１５～１７の下に位置している強誘電体膜１３を分極させる。この分極が、これらの電極１５～１７の下に位置している半導体膜１４の各部分が高抵抗状態または低抵抗状態を有することをもたらす。
　第１の状態、第２の状態、および第３の状態のいずれか１つの状態が、不揮発スイッチング装置２０に設定される。
　第１の状態では、電極１５～１７の間で電流が流れない。当該第１の状態を設定する場合、以下の不等式（ａ）～（ｄ）のいずれか１つを充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが印加される。第１の状態では電極１５～１７間の全ての抵抗値が高い。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、およびＶ１＜Ｖｃ（具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、そして＋１０ＶのＶｃが印加される）・・・（ａ）
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、およびＶ１＜Ｖｃ（具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、そして＋１０ＶのＶｃが印加される）・・・（ｂ）
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、およびＶ１＞Ｖｃ（具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、そして－１０ＶのＶｃが印加される）・・・（ｃ）、または
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、およびＶ１＜Ｖｃ（具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、そして＋１０ＶのＶｃが印加される）・・・（ｄ）
　第２の状態では、第１の電極１５と第２の電極１６との間に選択的に電流が流れる。第３の電極１７と第１の電極１５との間には電流が流れない。第３の電極１７と第２の電極１６との間にも電流が流れない。すなわち、第２の状態では、第１の電極１５と第２の電極１６との間の抵抗値が低い。第３の電極１７と他の電極１５、１６との間の抵抗値は高い。
　本明細書において用いられる用語「電極Ａと電極Ｂとの間に選択的に電流が流れる」とは、電極Ａと電極Ｂとの間にのみ電流が流れ、他の電極間には電流が流れないことを意味する。本明細書において用いられる用語「選択的に」とは、上記のように解釈される。
　第２の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、およびＶ１＜Ｖｃ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、そして＋１０ＶのＶｃが印加される。
　第３の状態では、第１の電極１５と第３の電極１７との間に選択的に電流が流れる。第２の電極１６と第１の電極１５との間には電流が流れない。第２の電極１６と第３の電極１７との間にも電流が流れない。すなわち、第３の状態では、第１の電極１５と第３の電極１７との間の抵抗値が低い。第２の電極１６と他の電極１５、１７との間の抵抗値は高い。
　第３の状態が設定されるためには、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、およびＶ１＞Ｖｃ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、そして－１０ＶのＶｃが印加される。
　前述したように、第１の電極１５と第３の電極１７との間に選択的に電流を流すためには、以下の不等式（Ｉ）の充足が必要とされる。
　ＲＬ15＋Ｒ１＋ＲＨ16＞＞ＲＬ15＋Ｒ２＋ＲＬ17　・・・　（Ｉ）
                 
　ここで、
　ＲＬ15：第１の電極１５の下に位置する部分の半導体層１４が有する低い抵抗
　Ｒ１：第１の電極１５と第２の電極１６との間の抵抗
　ＲＨ16：第２の電極１６の下に位置する部分の半導体層１４が有する高い抵抗
　Ｒ２：第１の電極１５と第３の電極１７との間の抵抗
　ＲＬ17：第３の電極１７の下に位置する部分の半導体層１４が有する低い抵抗
（図１０を参照）。
　不等式（Ｉ）の左側および右側のいずれもＲＬ15を有するから、ＲＬ15は不等式（Ｉ）の左側および右側の両方から減算され、不等式（Ｉ）を以下の不等式（ＩＩ）に変形する：
　Ｒ１＋ＲＨ16＞＞Ｒ２＋ＲＬ17　・・・　（ＩＩ）
　本実施の形態では、等式（Ａ）　ＩＬ／ＬＬ＝ＩＳ／ＬＳが充足される。抵抗は、長さ（ＩＬおよびＩＳ）に比例し、断面積（ＬＬおよびＬＳ）に反比例するので、Ｒ２はＲ１に等しい。
　よって、不等式（ＩＩ）はさらに以下の不等式（ＩＩＩ）に変形される：
　ＲＨ16＞＞ＲＬ17・・・（ＩＩＩ）
　不等式（ＩＩＩ）は常に充足されるので、不等式（Ｉ）も常に充足される。このようにして、第１の電極１５と第３の電極１７との間に選択的に電流が流れる。
　実施の形態１においては、以下の表２に示されるように、第１の電極１５、第２の電極１６、および第３の電極１７の全ての区間が導通され得る（すなわち、電気的に接続され得る）。この状態は「第４の状態」と言う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　第４の状態では、電極１５～１７の間の全ての抵抗値が低い。
　第４の状態が設定されるためには、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、およびＶ１＞Ｖｃ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、そして－１０ＶのＶｃが印加される。
　（実施の形態２）
　図５は、実施の形態２による不揮発スイッチング装置２０の平面図を示す。
　実施の形態１による不揮発スイッチング素子と異なり、半導体膜１４上に、第４の電極１８が形成されている。電極１５～１８は、回転対称に配置されている。電極１５～１８は、平面視において合同である。
　図５に示されるように、第４の電極１８は、ＬＳの長さを有する辺Ｌ１０、ＬＬの長さを有する辺Ｌ１１、およびＬＳの長さを有する辺Ｌ１２を具備する。
　辺Ｌ１１は、辺Ｌ５に平行である。辺Ｌ１１と辺Ｌ５との間の間隔はＩＬに等しい。
　辺Ｌ１０および辺Ｌ１２は、それぞれ、辺Ｌ９および辺Ｌ１に平行である。これらの辺の間隔はＩＳに等しい。
　実施の形態２でも、以下の等式（Ａ）が充足される：
　ＩＬ／ＬＬ＝ＩＳ／ＬＳ　・・・　（Ａ）
　そのため、実施の形態１において説明した理由と同様に、図６に示されるように、電極１５～１８の間に選択的に電流が流れ得る。
　(不揮発スイッチング装置２０における導通区間の設定手順）
　次に、実施の形態２による不揮発スイッチング装置２０における導通区間の設定手順が説明される。
　４つの電極１５～１８は独立して(independently)電気的に接続または切断され得る。
　以下の表３は電極１５～１８の間の導通状態を変化させる場合における電極１５～１８の電位を示す。制御電極１２に印加される電圧は常に一定である。好ましくは当該一定の電圧は０Ｖである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施の形態２においても、リセット動作が好ましい。
　設定時には、制御電極１２にはＶ１が、第１の電極１５にはＶａが、第２の電極１６にはＶｂが、第３の電極１７にはＶｃが、そして第４の電極１８にはＶｄが、それぞれ印加され、電極１５～１８の下に位置している強誘電体膜１３の各部分を分極させる。この分極が、これらの電極１５～１８の下に位置している半導体膜１４が高抵抗状態または低抵抗状態を有することをもたらす。
　第１～第１２の状態のいずれか１つの状態が、不揮発スイッチング装置２０に設定される。
　実施の形態２の第１～第４の状態は、実施の形態１におけるそれらと同一である。
　第５の状態では、第２の電極１６と第３の電極１７との間に選択的に電流が流れる。第５の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＜Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、－１０ＶのＶｃ、そして＋１０ＶのＶｄが印加される。
　第６の状態では、第１の電極１５と第４の電極１８との間に選択的に電流が流れる。第６の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、＋１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　第７の状態では、第２の電極１６と第４の電極１８との間に選択的に電流が流れる。第７の状態が設定されるためには、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、＋１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　第８の状態では、第３の電極１７と第４の電極１８との間に選択的に電流が流れる。第８の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、－１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　第９の状態では、第１の電極１５、第２の電極１６、および第４の電極１８の間に選択的に電流が流れる。第９の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、＋１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　第１０の状態では、第１の電極１５、第３の電極１７、および第４の電極１８の間に選択的に電流が流れる。第１０の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、＋１０ＶのＶｂ、－１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　第１１の状態では、第２の電極１６、第３の電極１７、および第４の電極１８の間に選択的に電流が流れる。第１１の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、＋１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、－１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　第１２の状態では、全ての電極１５～１８の間に電流が流れる。第１２の状態が設定される場合、以下の不等式を充足する電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄが印加される。
　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
　具体的には、Ｖ１が０Ｖに保持されながら、－１０ＶのＶａ、－１０ＶのＶｂ、－１０ＶのＶｃ、そして－１０ＶのＶｄが印加される。
　（実施例）
　以下、実施例を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
　（１）　制御電極１２を、以下の手順に従って、シリコン酸化膜によって被覆された表面を有するシリコン基板１１上に形成した。基板１１上に、電子銃蒸着法にて５ｎｍの厚みを有するＴｉ膜、および３０ｎｍの厚みを有するＰｔ膜をこの順に形成した。次いで、パルスレーザーデポジション法によって１０ｎｍの厚みを有するＳｒＲｕＯ3（以下、ＳＲＯ）膜を形成した。
　（２）　基板を７００℃に加熱し、４５０ｎｍの厚みを有するＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3からなる強誘電体膜１３をパルスレーザーデポジション法により形成した。
　（３）　基板温度を４００℃に設定し、３０ｎｍの厚みを有するＺｎＯからなる半導体膜１４を形成した。
　（４）　半導体膜１４上にフォトリソグラフィによってレジストのパターンを形成した。その後、レジストのパターンが被覆していない部分の半導体膜１４を、硝酸を用いるエッチングにより除去した。
　（５）　その後、半導体膜１４上にレジストをフォトリソグラフィによってパターニングした。その上に、５ｎｍの厚みを有するＴｉ膜および３０ｎｍの厚みを有するＰｔ膜を電子銃蒸着法にて形成した。レジストを除去し、図５に示される電極１５～１８を形成した。
　ＬＳ、ＩＳ、ＬＬ、およびＩＬは、それぞれ、１０μｍ、８μｍ、６３μｍ、および５１μｍであった。ＩＬ／ＬＬ＝ＩＳ／ＬＳ＝およそ０．８。
　得られた不揮発スイッチング装置に、表３に基づいて第１、第２、第３、および第６の状態を設定した。
　その後、第１の電極１５と他の電極１６～１８との間に０．１Ｖの電圧を印加し、第１の電極１５と他の電極１６～１８との間に流れる電流を測定した。当該電流から、当該不揮発スイッチング装置の抵抗値を算出した。
　図７は、第１、第２、第３、および第６の状態において算出された抵抗値を示す。図７から理解されるように、第１の状態ではすべての電極間の抵抗値が高い。第２の状態では、第１の電極１５と第２の電極１６との間の抵抗値が低い。第３の状態では、第１の電極１５と第３電極１７との間の抵抗値が低い。第６の状態では、第１の電極１５と第４の電極１８との間の抵抗値が低い。
　本実施例では、ＳＲＯ／Ｐｔ／Ｔｉの積層膜からなる制御電極１２およびＰｔ／Ｔｉの積層膜からなる電極１５～１８が用いられた。他の材料からなる導電膜も用いられ得る。
　強誘電体膜１３の材料としてＳｒ（Ｂｉ，Ｔａ）ＯxまたはＢｉＴｉＯxのような他の強誘電材料が用いられ得る。半導体膜１４の材料としてＧａＮまたはＩｎＧａＺｎＯxのような他の半導体材料が用いられ得る。
　本発明は、正確に動作する不揮発スイッチング装置を用いて選択的に電流を流す方法を提供する。
１１　基板
１２　制御電極
１３　強誘電体膜
１４　半導体膜
１５　第１の電極
１６　第２の電極
１７　第３の電極
１８　第４の電極
２０　不揮発スイッチング装置
３０ａ　強誘電体の上向き分極
３０ｂ　強誘電体の下向き分極
３１　半導体膜のうち低抵抗部分
３２　半導体膜のうち高抵抗部分

Claims (7)

  1. 　不揮発スイッチング装置を用いて、選択的に電流を流す方法であって、以下の工程を具備する：
                                                      
    　前記不揮発スイッチング装置を準備する工程（ａ）、および
    　ここで、前記不揮発スイッチング装置は、制御電極、強誘電体膜、半導体膜、および電極群を備え、
    　前記制御電極、前記強誘電体膜、前記半導体膜、および前記電極群がこの順に積層されており、
    　前記電極群は、第１の電極、第２の電極、および第３の電極を具備しており、
    　前記第１の電極は、ＬＬの長さを有する辺Ｌ２およびＬＳの長さを有する辺Ｌ３を具備しており、
    　前記第２の電極は、ＬＳの長さを有する辺Ｌ４およびＬＳの長さを有するＬ６を具備しており、
    　前記第３の電極は、ＬＳの長さを有する辺Ｌ７およびＬＬの長さを有する辺Ｌ８を具備しており、
    　前記辺Ｌ２、前記辺Ｌ３、および前記辺Ｌ６は、それぞれ、前記辺Ｌ８、前記辺Ｌ４、および前記辺Ｌ７に平行であり、
    　以下の等式（Ａ）が充足され、
    　ＩＬ／ＬＬ＝ＩＳ／ＬＳ　・・・　（Ａ）
    　ここで、ＩＬは、前記辺Ｌ２と前記辺Ｌ８との間の間隔であり、
    　ＩＳは前記辺Ｌ３と前記辺Ｌ４との間の間隔であり、
    　前記辺Ｌ６および前記辺Ｌ７との間の間隔は前記ＩＳに等しく、
                                                             
      前記不揮発スイッチング装置に第１の状態、第２の状態、および第３の状態のいずれかを設定する工程（ｂ）、
    　ここで、前記第１の状態では、前記電極群の間で電流が流れず、
    　前記第２の状態では、前記第１の電極と前記第２の電極との間に選択的に電流が流れ、
    　前記第３の状態では、前記第１の電極と前記第３の電極との間に選択的に電流が流れ、
    　前記制御電極、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極には、それぞれ、電圧Ｖ１、Ｖａ、Ｖｂ、およびＶｃが印加され、
    　前記第１の状態が設定される場合には、以下の不等式（ａ）～（ｄ）のいずれかを充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ・・・（ａ）
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ・・・（ｂ）
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＞Ｖｃ・・・（ｃ）、または
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ・・・（ｄ）
    　前記第２の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、かつＶ１＜Ｖｃ
    　前記第３の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、かつＶ１＞Ｖｃ。
  2. 　請求項１に記載の方法であって、
    　平面視において、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極は合同である。
  3. 　請求項１に記載の方法であって、
    　前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、以下の工程（ｃ）をさらに具備する：
    　前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極に電圧Ｖｉｎを印加し、同時に前記制御電極に電圧Ｖｒｅｓｅｔを印加する工程（ｃ）
    　ここで、Ｖｉｎ＜Ｖｒｅｓｅｔである。
  4. 　請求項１に記載の方法であって、
    　工程（ｂ）においては、前記第１の状態、前記第２の状態、前記第３の状態、および第４の状態のいずれかが設定される：
    　前記第４の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極の間で電流が流れ、
    　前記第４の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される：
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ。
  5. 　請求項３に記載の方法であって、
    　前記不揮発スイッチング装置が、さらに第４の電極を具備し、ここで
    　前記第４の電極は、前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ１０、前記ＬＬの長さを有する辺Ｌ１１、および前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ１２を具備しており、
    　前記第１の電極は、前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ１をさらに具備しており、
    　前記第２の電極は、前記ＬＬの長さを有する辺Ｌ５をさらに具備しており、
    　前記第３の電極は、前記ＬＳの長さを有する辺Ｌ９をさらに具備しており、
    　前記辺Ｌ１、前記辺Ｌ５、および前記辺Ｌ９は、それぞれ、前記辺Ｌ１２、前記辺Ｌ１１、および前記辺Ｌ１０に平行であり、
    　前記辺Ｌ５と前記辺Ｌ１１との間の間隔は前記ＩＬに等しく、
    　前記辺Ｌ１と前記辺Ｌ１２との間の間隔および前記辺Ｌ９および前記辺Ｌ１０との間の間隔はいずれも前記ＩＳに等しい。
  6. 　平面視において、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極は合同である、請求項５に記載の方法。
  7. 　請求項５に記載の方法であって、
    　工程（ｂ）においては、前記第１の状態、前記第２の状態、前記第３の状態、第４の状態～第１２の状態のいずれかが設定され、ここで
    　電圧Ｖｄが前記第４の電極に印加され、
    　前記第４の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第３の電極の間で電流が流れ、
    　ここで、前記第４の電極には、電圧Ｖｄが印加され、
    　前記第４の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される：
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＜Ｖｄ
    　前記第５の状態では、前記第２の電極と前記第３の電極との間に選択的に電流が流れ、
    　前記第５の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＜Ｖｄ
    　前記第６の状態では、前記第１の電極と前記第４の電極との間に選択的に電流が流れ、
    　前記第６の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
    　前記第７の状態では、前記第２の電極と前記第４の電極との間に選択的に電流が流れ、
    　前記第７の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
    　前記第８の状態では、前記第３の電極と第４の電極との間に選択的に電流が流れ、
    　前記第８の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
    　前記第９の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第４の電極の間に選択的に電流が流れ、
    　前記第９の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＜Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
    　前記第１０の状態では、前記第１の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極の間に選択的に電流が流れ、
    　前記第１０の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＜Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
    　前記第１１の状態では、前記第２の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極の間に選択的に電流が流れ、
    　前記第１１の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加され、
    　Ｖ１＜Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ
    　前記第１２の状態では、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極、および前記第４の電極の間に電流が流れ、
    　前記第１２の状態が設定される場合には、以下の不等式を充足する電圧が印加される
    　Ｖ１＞Ｖａ、Ｖ１＞Ｖｂ、Ｖ１＞Ｖｃ、およびＶ１＞Ｖｄ。
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