(57)【要約】本発明のＲＣ発振回路は、増幅器と移相回路を具備する。移相回路は、１つの抵抗および１つのキャパシタから構成される少なくとも３つのＲＣ回路素子を具備する。ＲＣ回路素子のうち少なくとも１つは、１つの可変抵抗と１つの可変キャパシタから構成される。可変抵抗は、第１電極、第２電極、半導体膜の一部、強誘電体膜の一部、および第４電極から形成されている。可変キャパシタは、第２電極、第３電極、第５電極、強誘電体膜の他の一部、半導体膜の他の一部、および常誘電体膜によって形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器、および
移相回路、を具備するＲＣ発振回路であって、
前記増幅器は出力端子および入力端子を具備し、
前記移相回路は、少なくとも３つのＲＣ回路素子を具備し、
前記各ＲＣ回路素子は、抵抗およびキャパシタを具備し、
前記抵抗は、前記出力端子および前記入力端子の間に直列に接続され、
前記ＲＣ回路素子のうち少なくとも１つのＲＣ回路素子は、可変抵抗と可変キャパシタから構成された可変ＲＣ回路素子であり、
前記可変ＲＣ回路素子は、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、および第５電極、強誘電体膜、半導体膜、および常誘電体膜を具備し、
Ｚ軸は前記強誘電体膜の法線方向であり、
Ｘ軸は前記Ｚ軸に直交する方向であり、
前記強誘電体膜および前記半導体膜は前記Ｚ軸に沿って積層されており、
前記半導体膜の表側の面に、前記第１電極、前記第２電極、および前記常誘電体膜が配置されており、
前記Ｘ軸に沿って、前記第２電極は前記第１電極および前記常誘電体膜の間に挟まれており、
前記強誘電体膜の裏側の面に、前記第４電極および前記第５電極が配置されており、
前記第４電極は、前記第５電極から電気的に絶縁されており、
前記Ｚ軸に沿った透視図において、前記第４電極は、前記第１電極および前記第２電極の間に挟まれており、
前記可変抵抗は、前記第１電極、前記第２電極、前記強誘電体膜の一部、前記半導体膜の一部、および前記第４電極から形成されており、
前記強誘電体膜の他の一部、前記半導体膜の他の一部、および前記常誘電体膜が、前記第３電極および前記第５電極の間に挟まれており、
前記可変キャパシタは、前記第２電極、前記第３電極、前記第５電極、前記強誘電体膜の前記他の一部、前記半導体膜の前記他の一部、および前記常誘電体膜によって形成されている、
前記ＲＣ発振回路。
【請求項２】
ＲＣ発振回路を発振させる方法であって、
請求項１に記載された前記ＲＣ発振回路を用意する工程（ａ）、および
前記増幅器の電源を入れ、前記可変抵抗の抵抗値および前記可変キャパシタの容量値に応じた発振周波数で前記ＲＣ発振回路を発振させる工程（ｂ）、
を具備する方法。
【請求項３】
ＲＣ発振回路を発振させる方法であって、
請求項１に記載された前記ＲＣ発振回路を用意する工程（ａ）、
前記第１電極および前記第２電極から選択される少なくとも一方の電極と、前記第４電極の間に電位差を印加して、前記可変抵抗の抵抗値を所定の値に設定する工程（ｂ）、
前記第２電極および前記第３電極から選択される少なくとも一方の電極と、前記第５電極の間に電位差を印加して、前記可変キャパシタの容量値を所定の値に設定する工程（ｃ）、および
前記増幅器の電源を入れ、前記工程（ｂ）で設定された前記抵抗値および前記工程（ｃ）で設定された前記容量値に応じた発振周波数で前記ＲＣ発振回路を発振させる工程（ｄ）、
を具備する方法。
【請求項４】
ＲＣ発振回路の発振周波数を設定する方法であって、
請求項１に記載された前記ＲＣ発振回路を用意する工程（ａ）、
前記第１電極および前記第２電極から選択される少なくとも一方の電極と、前記第４電極の間に電位差を印加して、前記可変抵抗の抵抗値を所定の値に設定する工程（ｂ）、および
前記第２電極および前記第３電極から選択される少なくとも一方の電極と、前記第５電極の間に電位差を印加して、前記可変キャパシタの容量値を所定の値に設定する工程（ｃ）、
を具備する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＲＣ発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、特許文献１（特に図２（ｂ））にも開示されているような、従来のＲＣ発振回路を示す。この従来のＲＣ発振回路は、増幅器１および移相回路２を具備する。移相回路２は、１つの抵抗および１つのキャパシタから構成されるＲＣ回路素子を少なくとも３つ具備する。図５では、第１ＲＣ回路素子３１ａ、第２ＲＣ回路素子３１ｂ、および第３ＲＣ回路素子３１ｃが設けられている。図５に示されるように、第１〜第３ＲＣ回路素子３１ａ〜３１ｃは、第１〜第３抵抗４１ａ〜４１ｃおよび第１〜第３キャパシタ５１ａ〜５１ｃを具備する。【０００３】
増幅器１の出力端子は、第１抵抗４１ａの一方の端子に接続されている。第１抵抗４１ａの他方の端子は、第１ノード６１ａを介して、第２抵抗４１ｂの一方の端子に接続されている。第１ノード６１ａに第１キャパシタ５１ａの一方の端子が接続されている。第１キャパシタ５１ａの他方の端子は、接地されている。【０００４】
第２抵抗４１ｂの他方の端子は、第２ノード６１ｂを介して、第３抵抗４１ｃの一方の端子に接続されている。第２ノード６１ｂに第２キャパシタ５１ｂの一方の端子が接続されている。第２キャパシタ５１ｂの他方の端子は、接地されている。【０００５】
第３抵抗４１ｃの他方の端子は、第３ノード６１ｃを介して、増幅器１の入力端子に接続されている。第３ノード６１ｃに第３キャパシタ５１ｃの一方の端子が接続されている。第３キャパシタ５１ｃの他方の端子は、接地されている。【０００６】
増幅器１の電源を入れると、ＲＣ発振回路は、各抵抗４１ａ〜４１ｃの抵抗値および各キャパシタ５１ａ〜５１ｃの容量値に応じた発振周波数で発振する。【０００７】
特許文献２（米国特許出願公開第２００８／０１５０６４６号公報に対応する）は、可変抵抗および可変キャパシタを用いたＲＣ発振器を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２５８８８０号公報
【特許文献２】特開２００８−１６０７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、発振周波数を広範囲に変調可能である新規かつ不揮発なＲＣ発振回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明のＲＣ発振回路は、増幅器、および移相回路、を具備するＲＣ発振回路であって、増幅器は出力端子および入力端子を具備し、移相回路は、少なくとも３つのＲＣ回路素子を具備する。各ＲＣ回路素子は、抵抗およびキャパシタを具備する。抵抗は、出力端子および入力端子の間に直列に接続される。ＲＣ回路素子のうち少なくとも１つのＲＣ回路素子は、可変抵抗と可変キャパシタから構成された可変ＲＣ回路素子である。可変ＲＣ回路素子は、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、および第５電極、強誘電体膜、半導体膜、および常誘電体膜を具備する。Ｚ軸は強誘電体膜の法線方向であり、Ｘ軸はＺ軸に直交する方向である。強誘電体膜および半導体膜はＺ軸に沿って積層されており、半導体膜の表側の面に、第１電極、第２電極、および常誘電体膜が配置されており、Ｘ軸に沿って、第２電極は第１電極および常誘電体膜の間に挟まれている。強誘電体膜の裏側の面に、第４電極および第５電極が配置されており、第４電極は、第５電極から電気的に絶縁されている。Ｚ軸に沿った透視図において、第４電極は、第１電極および第２電極の間に挟まれている。可変抵抗は、第１電極、第２電極、強誘電体膜の一部、半導体膜の一部、および第４電極から形成されている。強誘電体膜の他の一部、半導体膜の他の一部、および常誘電体膜が、第３電極および第５電極の間に挟まれている。可変キャパシタは、第２電極、第３電極、第５電極、強誘電体膜の他の一部、半導体膜の他の一部、および常誘電体膜によって形成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発振周波数を広範囲に変調可能である新規かつ不揮発なＲＣ発振回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態によるＲＣ発振回路の概略図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態による可変ＲＣ回路素子の断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態による可変ＲＣ回路素子のＺ軸に沿った透視図を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、可変ＲＣ回路素子の等価回路図を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、実施の形態における可変抵抗の抵抗値を所定の値に設定する手順を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施の形態における可変抵抗の抵抗値を所定の値に設定する手順を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態における可変キャパシタの容量値を所定の値に設定する手順を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施の形態における可変キャパシタの容量値を所定の値に設定する手順を示す。
【図５】図５は、従来のＲＣ発振回路の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態によるＲＣ発振回路を、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、実施の形態によるＲＣ発振回路の概略図を示す。このＲＣ発振回路は増幅器１および移相回路２を具備する。移相回路２は、３つ以上のＲＣ回路素子を具備する。これらのうち、１以上のＲＣ回路素子が、可変ＲＣ回路素子３である。他のＲＣ回路素子は、固定された抵抗値および容量値を有するＲＣ回路素子であり得る。図１に示されるように、移相回路２に具備される全てのＲＣ回路素子が、可変ＲＣ回路素子３であり得る。ここでは、３つの可変ＲＣ回路素子３を３ａ、３ｂ、３ｃと表す。
【００１５】
図１では、移相回路２は、第１可変ＲＣ回路素子３ａ、第２可変ＲＣ回路素子３ｂ、および第３可変ＲＣ回路素子３ｃを具備する。図１に示されるように、第１〜第３可変ＲＣ回路素子３ａ〜３ｃは、第１〜第３可変抵抗４ａ〜４ｃおよび第１〜第３可変キャパシタ５ａ〜５ｃを具備する。
【００１６】
増幅器１の出力端子は、第１可変抵抗４ａの一方の端子に接続されている。第１可変抵抗４ａの他方の端子は、第１ノード６ａを介して、第２可変抵抗４ｂの一方の端子に接続されている。第１ノード６ａに第１可変キャパシタ５ａの一方の端子が接続されている。第１可変キャパシタ５ａの他方の端子は、接地されている。
【００１７】
第２可変抵抗４ｂの他方の端子は、第２ノード６ｂを介して、第３可変抵抗４ｃの一方の端子に接続されている。第２ノード６ｂに第２可変キャパシタ５ｂの一方の端子が接続されている。第２可変キャパシタ５ｂの他方の端子は、接地されている。
【００１８】
第３可変抵抗４ｃの他方の端子は、第３ノード６ｃを介して、増幅器１の入力端子に接続されている。第３ノード６ｃに第３可変キャパシタ５ｃの一方の端子が接続されている。第３可変キャパシタ５ｃの他方の端子は、接地されている。
【００１９】
図１に示されるように、可変抵抗４ａ〜４ｃは増幅器１の出力端子および入力端子の間に電気的に直列に接続される。
【００２０】
次に、可変ＲＣ回路素子３の構造を詳細に説明する。
【００２１】
図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、それぞれ、可変ＲＣ回路素子３の断面図、Ｚ軸に沿った透視図、等価回路図を示す。可変ＲＣ回路素子３は、第１電極１７、第２電極１８、第３電極１９、第４電極１２、および第５電極１３、強誘電体膜１４、半導体膜１５、および常誘電体膜１６を具備する。Ｚ軸は強誘電体膜１４の法線方向である。Ｘ軸はＺ軸に直交する方向である。Ｙ軸はＺ軸およびＸ軸の両方に直交する方向である。
【００２２】
第１電極１７〜第５電極１３の例は、白金膜およびチタン膜から構成される積層体である。
【００２３】
強誘電体膜１４の材料の例は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３、Ｓｒ（Ｂｉ，Ｔａ）Ｏ、またはＢｉ１２ＴｉＯ２０である。
【００２４】
半導体膜１５の材料の例は、ＺｎＯ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＺｎＯである。
【００２５】
強誘電体膜１４および半導体膜１５はＺ軸に沿って積層されている。半導体膜１５の表側の面に、第１電極１７、第２電極１８、および常誘電体膜１６が配置されている。Ｘ軸に沿って、第２電極１８は第１電極１７および常誘電体膜１６の間に挟まれている。強誘電体膜１４の裏側の面に、第４電極１２および第５電極１３が配置されている。Ｚ軸に沿った透視図において、第４電極１２は、第１電極１７および第２電極１８の間に挟まれている。
【００２６】
可変抵抗４は、第１電極１７、第２電極１８、強誘電体膜１４の一部、半導体膜１５の一部、および第４電極１２から形成されている。
【００２７】
強誘電体膜１４の他の一部、半導体膜１５の他の一部、および常誘電体膜１６が、第３電極１９および第５電極１３の間に挟まれている。可変キャパシタ５は、第２電極１８、第３電極１９、第５電極１３、強誘電体膜１４の他の一部、半導体膜１５の他の一部、および常誘電体膜１６によって形成されている。
【００２８】
次に、本実施の形態によるＲＣ発振回路を発振させる方法を、以下、説明する。
【００２９】
増幅器１の電源を入れると、ＲＣ発振回路は、各可変抵抗４ａ〜４ｃの抵抗値および各可変キャパシタ５ａ〜５ｃの容量値に応じて、以下の（数１）によって表される発振周波数ｆ０で発振する。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はそれぞれ可変抵抗４ａ、４ｂ、４ｃの抵抗値を表す。
【００３２】
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれ可変キャパシタ５ａ、５ｂ、５ｃの容量値を表す。
【００３３】
図２Ｃに示すように、可変抵抗４の抵抗値は、第１電極１７および第２電極１８の間に形成される抵抗の値に相当する。可変キャパシタ５の容量値は、第２電極１８および第３電極１９の間に形成された容量の値に相当する。
【００３４】
（数１）に基づいて、各可変抵抗４ａ〜４ｃの抵抗値および各可変キャパシタ５ａ〜５ｃの容量値を調整することで、発振周波数を変調することが達成される。
【００３５】
次に、可変抵抗４の抵抗値と可変キャパシタ５の容量値を、所定の値に調整する具体的な手順を詳細に説明する。
【００３６】
図３Ａは、第１電極１７および第２電極１８から選択される少なくとも一方の電極に対して正の電位を第４電極１２に印加し、強誘電体膜１４の自発分極２０の方向を半導体膜１５側に向けた状態を示す。この状態では、自発分極２０とのカップリングにより強誘電体膜１４および半導体膜１５の間に形成された界面に電子２２が蓄積される。この結果、第１電極１７と第２電極１８の間の抵抗値は小さくなる。
【００３７】
一方、図３Ｂは、第１電極１７および第２電極１８から選択される少なくとも一方の電極に対して負の電位を第４電極１２に印加し、自発分極２０の方向を第４電極１２側に向けた状態を示す。この状態では、自発分極２０および電子との間に生じる斥力によって、強誘電体膜１４および半導体膜１５の間に形成された界面が空乏化する。この結果、第１電極１７と第２電極１８の間の抵抗値は大きくなる。
【００３８】
全ての自発分極２０のうち半導体膜１５側に向いている自発分極の割合に依存して、蓄積される電子２２の量は連続的に変化する。これは、印加された電位の値により、抵抗値は連続的に変化することを意味する。このようにして、可変抵抗４に必要とされる抵抗値に基づいて、第１電極１７および第２電極１８から選択される少なくとも一方の電極と第４電極１２との間に電位差を印加する。
【００３９】
印加された電位差が取り除かれた後も、強誘電体膜１４の不揮発性のため自発分極２０の方向は変化しない。従って、抵抗値は保持される。これは、可変抵抗４が不揮発性であることを意味している。
【００４０】
図４Ａは、第２電極１８および第３電極１９から選択される少なくとも一方の電極に対して正の電位を第５電極１３に印加し、強誘電体膜１４の自発分極２１の方向を半導体膜１５側に向けた状態を示す。この状態では、自発分極２１とのカップリングにより、強誘電体膜１４および半導体膜１５の間に形成される界面に電子２３が蓄積される。蓄積された電子２３は電極のごとく働くため、第２電極１８の仮想的な面積を増やす。キャパシタに具備される電極の面積が大きいほど、キャパシタの容量値は大きくなることは周知である。その結果、第２電極１８と第３電極１９の間の容量値は大きくなる。
【００４１】
一方、図４Ｂは、第２電極１８および第３電極１９から選択される少なくとも一方の電極に対して負の電位を第５電極１３に印加し、自発分極２１の方向を第５電極１３側に向けた状態を示す。この状態では、自発分極２１および電子との間に生じる斥力により強誘電体膜１４および半導体膜１５の間に形成される界面は空乏化する。その結果、容量値は小さくなる。
【００４２】
全ての自発分極２１のうち半導体膜１５側に向いている自発分極の割合に依存して、蓄積される電子２３の量は連続的に変化する。これは、印加された電位により、容量値は連続的に変化することを意味する。このようにして、可変キャパシタ５に必要とされる容量値に基づいて、第２電極１８および第３電極１９から選択される少なくとも一方の電極と第５電極１３との間に電位差を印加する。
【００４３】
印加された電位差が取り除かれた後も、強誘電体膜１４の不揮発性のため自発分極２１の方向は変化しない。従って、容量値は保持される。これは可変容量５ｂが不揮発であることを意味している。
【００４４】
以上の説明のように、独立して抵抗値および容量値が調整される。後述される実施例からも明らかなように、先に抵抗値を調整し、発振周波数を大まかに変調する。次に、容量値を調整し、発振周波数を正確に変調する。
【００４５】
図２Ａに示されるように、抵抗４およびキャパシタ５が第２電極１８を共有するため、第４電極１２は第５電極１３から電気的に絶縁されている必要がある。万一、第４電極１２が第５電極１３に電気的に接続されていると、独立して抵抗値および可変値が調整されない。これは、発振周波数を所望の値に調整されないことをもたらす。
【００４６】
第１電極１７は、図２Ｃに示されるように、抵抗４を介して第２電極１８から電気的に絶縁されている必要がある。万一、第１電極１７が、抵抗を用いずに電気的に第２電極１８に接続されていると、抵抗４が機能しなくなる。
【００４７】
（実施例）
以下の実施例を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【００４８】
（可変ＲＣ回路素子３の作製）
厚さ３０ｎｍのルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３、以下ＳＲＯ）からなる酸化物導電膜を、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）からなる（００１）単結晶基板上に、パルスレーザデポジション（以下ＰＬＤ）法によって堆積した。堆積時の基板の温度は７００℃であった。堆積後、フォトリソグラフィおよびイオンミリング法によって第４電極１２および第５電極１３を形成した。
【００４９】
基板の温度が７００℃である状態で、ＰＬＤ法を用いてＳＲＯ上に厚さ４５０ｎｍのジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下ＰＺＴ）からなる強誘電体膜１４を堆積した。その後、基板の温度を４００℃まで下げた。次いで、厚さ３０ｎｍの酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる半導体膜１５を堆積した。
【００５０】
半導体膜１５上にパターニングされたレジストを形成した後、厚さ５ｎｍのチタン膜と、厚さ３０ｎｍの白金膜から構成される積層体を、室温下で電子ビーム蒸着法によって堆積した。堆積後、リフトオフ法によって第１電極１７と第２電極１８を形成した。
【００５１】
半導体膜１５、第１電極１７、及び第２電極１８の上に、厚さ１００ｎｍの窒化珪素からなる常誘電体膜１６を室温下での高周波スパッタリング法によって堆積した。その後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによって不要部を除去した。常誘電体膜１６上にパターニングされたレジストを形成した後、厚さ５ｎｍのＴｉ層と厚さ３０ｎｍのＰｔ膜の積層体を室温下で電子ビーム蒸着法によって堆積した。堆積後、リフトオフ法によって第３電極１９を形成した。このようにして、可変ＲＣ回路素子３を得た。
【００５２】
（可変ＲＣ回路素子３の評価）
０ボルト、０ボルト、および−５ボルトを、それぞれ、第１電極１７、第２電極１８、および第４電極１２に印加した後に、第１電極１７および第２電極１８の間に生じた抵抗４の値を測定した。得られた抵抗値は、１０．６ギガオームであった。
【００５３】
０ボルト、０ボルト、および＋５ボルトを、それぞれ、第１電極１７、第２電極１８、および第４電極に印加した後に、第１電極１７および第２電極１８の間に生じた抵抗４の値を測定した。得られた抵抗値は、２．５２キロオームであった。
【００５４】
０ボルト、０ボルト、および−１０ボルトを、それぞれ、第２電極１８、第３電極１９、および第５電極１３に印加した後に、第２電極１８および第３電極１９の間に生じた容量５の値を測定した。得られた容量値は、３．６２ピコファラッドであった。
【００５５】
第２電極１８、第３電極１９、および第５電極１３に、それぞれ、０ボルト、０ボルト、および＋１０ボルトを印加した後に、第２電極１８および第３電極１９の間に生じた容量５の値を測定した。得られた容量値は、６．７９ピコファラッドであった。
【００５６】
（ＲＣ発振回路の作製および評価）
このようにして得られた３つの可変ＲＣ回路素子３ａ、３ｂ、３ｃおよび増幅器１を用いて、図１に示すＲＣ発振回路を得た。表１に示されるように抵抗値および容量値を変化させた後、増幅器１の電源を入れた。得られた発振周波数を（表１）に示す。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
（表１）から明らかなように、まず各可変抵抗４ａ〜４ｃの抵抗値を調整することで、数Ｈｚから数ＭＨｚまでの範囲の値に発振周波数を大まかに設定する。次に各可変キャパシタ５ａ〜５ｃの容量値を調整することで、発振周波数の微調整をする。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によるＲＣ発振回路は、マイクロコンピュータの基準クロックとして用いられ得る。
【符号の説明】
【００６０】
１    増幅器
２    移相回路
３ａ−３ｃ    可変ＲＣ回路素子
４ａ−４ｃ    可変抵抗
５ａ−５ｃ    可変キャパシタ
６ａ−６ｃ    ノード
３１ａ−３１ｃ    ＲＣ回路素子
４１ａ−４１ｃ    抵抗
５１ａ−５１ｃ    キャパシタ
６１ａ−６１ｃ    ノード
１２    第４電極
１３    第５御電極
１４    強誘電体膜
１５    半導体膜
１６    常誘電体膜
１７    第１電極
１８    第２電極
１９    第３電極
２０    強誘電体膜１４の一部の、自発分極
２１    強誘電体膜１４の他の一部の、自発分極
２２    強誘電体膜１４と半導体膜１５との界面の一部に蓄積される電子
２３    強誘電体膜１４と半導体膜１５との界面の他の一部に蓄積される電子
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2012153448.tif 000010
【図４Ａ】
2012153448.tif 000011
【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2012153448.tif 000015
2012153448.tif 000016
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