(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板に設けられた第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間への所定電圧の印加により抵抗のスイッチング現象が生じるナノメートルオーダーの間隙を有する電極間間隙部と、
前記電極間間隙部に気体の酸素が満たされた状態で少なくとも前記電極間間隙部を密封する封止部材と、
を備え、
前記封止部材は102[Pa]以上かつ105[Pa]以下の圧力で酸素を封止することを特徴とするスイッチング素子。
【請求項２】
前記第１電極及び第２電極を金、白金又はこれらの合金のいずれかにより形成したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記絶縁性基板は段部を有し、前記第１電極と前記第２電極とは前記段部の段差により高低差をもって配置され、
前記段部の高さ方向に沿って前記電極間間隙部が形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記絶縁性基板は、前記第１電極から前記第２電極に通じる孔部を有し、
当該孔部内に前記電極間間隙部が形成されると共に、前記封止部材は、当該孔部を密封することを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノギャップ電極を用いたスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電子素子の小型化、高密度化に伴い、電気素子の一層の微細化が望まれているが、各種の電子素子は、その微細化の限界が近づきつつある。例えば、現在の主要なメモリ素子であるＣＭＯＳの場合、その機能を発現するチャネル長の最小値は6ｎｍであると予想されている。そして、この限界を超えるために、種々の新技術研究開発が推し進められている。
その一例として、微細な間隙を隔てた２つの電極（ナノギャップ電極）を用い、その間隙を機能性有機分子にて橋架けした素子が注目されている。この種の素子では、例えば、白金を用いて形成されたナノギャップ電極の間隙に、カテナン系分子を配置したものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。当該電極に電圧を印加することにより、カテナン系分子は酸化還元反応を受け、スイッチング動作が可能となっている。
【０００３】
また、ナノギャップ電極としては、その間隙をナノ微粒子にて橋架けした素子も注目されている。例えば、硫化銀及び白金を用いてナノギャップ電極を作成し、その間隙に銀粒子を配置したものが知られている（例えば、非特許文献２参照）。当該電極に電圧を印加することにより、電気化学反応が起きて銀粒子が伸縮することで、電極間を架橋・切断でき、スイッチング動作が可能となっている。
【０００４】
ところが、上記の何れのスイッチング素子にあっても、ナノギャップ電極間に特殊な合成分子や複雑な金属の複合系が必要となっている。また、スイッチング動作に化学反応を利用するため、素子の劣化が起こりやすいという問題がある。
そこで、絶縁基板上に第１と第２の電極を形成すると共に、各電極間に空間的なギャップを形成し、当該ギャップを減圧状態に維持し又は乾燥空気、窒素、希ガス等の不活性ガスの雰囲気で封止するスイッチング素子も案出されている（例えば、特許文献１，２参照）。また、このような空間的なギャップは、絶縁基板上の第１電極の端部段差を利用して第２の電極を斜め蒸着により形成することで、微細加工技術を不要とする形成方法が採用されている（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２３８２８号公報
【特許文献２】特開２００８−２３５８１６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８９（２０００）１１７２−１１７５
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ，４３３（２００５）４７−５０
【非特許文献３】Y.Naitoh, M.Horikawa, H.Abe, and T.Shimizu: Nanotechnology Vol.17,pp.5669〜5674(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記各スイッチング素子は、所定の電圧印加により抵抗値が切り替わる特性を有しており、その特性を利用して不揮発性メモリなどのエレクトロニクスデバイスとしての利用が望まれている。
しかしながら、上述したスイッチング素子は、動作電圧が3Ｖ、動作電流が1ｍＡ程度であり、エレクトロニクスデバイスとして利用するには、その消費電力が高過ぎるという問題を生じていた。
【０００８】
そこで、本発明は、消費電力の低減が図られたスイッチング素子を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板に設けられた第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間への所定電圧の印加により抵抗のスイッチング現象が生じるナノメートルオーダーの間隙を有する電極間間隙部と、前記電極間間隙部に気体の酸素が満たされた状態で少なくとも前記電極間間隙部を密封する封止部材と、を備え、前記封止部材は102[Pa]以上かつ105[Pa]以下の圧力で酸素を封止することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明と同様の構成を備えると共に、前記第１電極及び第２電極を金、白金又はこれらの合金のいずれかにより形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明と同様の構成を備えると共に、前記絶縁性基板は段部を有し、前記第１電極と前記第２電極とは前記段部の段差により高低差をもって配置され、前記段部の高さ方向に沿って前記電極間間隙部が形成されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明と同様の構成を備えると共に、前記絶縁性基板は、前記第１電極から前記第２電極に通じる孔部を有し、当該孔部内に前記電極間間隙部が形成されると共に、前記封止部材は、当該孔部を密封することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明は、第１電極と第２電極との間にナノメートルオーダーの空間的な間隙を有する電極間間隙部を形成し、当該電極間間隙部に酸素を封入することで、所定電圧の印加により電極間での抵抗値の切り替えが行われるというスイッチング動作を実現したので、当該スイッチング素子を有機分子や無機粒子などが不要で、より単純な構造で構成することができる。
また、当該スイッチング素子は電極間に劣化する物質を含まないため、スイッチング動作を安定的に繰り返すことができる。
加えて、スイッチング素子は不揮発性を有し、スイッチング動作後に外部入力がなくとも、当該スイッチング素子１００の動作状態を維持することができる。
【００１５】
さらに、封止部材によって電極間間隙部を酸素雰囲気で封止することにより、例えば、従前から使用される窒素のような不活性ガスを封止した場合に比べて、電極間間隙部における電流電圧特性のピーク電圧を低減することが可能である（図７〜図１０参照）。また、ピーク電流についても窒素封入の場合と比べて上昇を生じるものではないことから、スイッチング素子をエレクトロニクスデバイスとして使用する場合でも、その消費電力の低減を図ることが可能となる。
また、ピーク電圧とピーク電流とは、封止される酸素ガスの圧力の増加に応じて低減する特性を示すことから、酸素ガス圧力を適宜調整することにより、ピーク電圧及びピーク電流を任意に設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用した一実施形態として例示するスイッチング素子の要部を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の構成に封止部材を設けたスイッチング素子の模式図である。
【図３】図１のスイッチング素子の製造工程における第１の蒸着工程を模式的に示す断面図である。
【図４】図１のスイッチング素子の要部を模式的に示す要部拡大断面図である。
【図５】ナノギャップ電極を有するスイッチング素子の電流−電圧曲線の一例を示す線図である。
【図６】スイッチング素子のナノギャップ電極間に印加される電圧と経過時間との対応関係を示す図６（ａ）及びナノギャップ電極間を流れる電流と経過時間との対応関係を示す図６（ｂ）である。
【図７】酸素雰囲気下で気体圧力を１０Ｐａ、１．５ＫＰａ、２０ＫＰａの三段階とした場合の電流電圧特性を示す線図である。
【図８】１．０〜１０５Ｐａまでの範囲で酸素ガスの圧力を変化させた場合のピーク電圧の変化を示す線図である。
【図９】１．０〜１０５Ｐａまでの範囲で酸素ガスの圧力を変化させた場合のピーク電流の変化を示す線図である。
【図１０】各電極を金により形成したスイッチング素子について０．１Ｐａ〜２×１０４Ｐａまでの範囲で酸素ガスの圧力を変化させた場合のピーク電圧（図５におけるＡ点の電圧に相当）の変化を示す線図である。
【図１１】スイッチング素子内を窒素ガスで満たした比較例について気体圧力を１ＫＰａ、１０ＫＰａ、１００ＫＰａの三段階とした場合の電流電圧特性を示す線図である。
【図１２】スイッチング素子の変形例１の断面図である。
【図１３】スイッチング素子の変形例２の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明について、図面を用いて具体的な態様を説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
ここで、図１は、本発明を適用した一実施形態として例示するスイッチング素子１００の要部を模式的に示す断面図である。また、図２は図１の構成に封止部材５０を加えた例を示す模式図である。
【００１８】
本実施形態にかかるスイッチング素子１００は、例えば、図１及び図２に示すように、絶縁性基板１０と、絶縁性基板１０の上面（一面）に設けられた第１電極２０及び第２電極３０と、第１電極２０と第２電極３０との間に設けられた電極間間隙部４０と、絶縁性基板１０の電極形成面側が酸素ガスで満たされた状態で封止する封止部材５０とを有している。
【００１９】
絶縁性基板１０は、例えば、スイッチング素子１００の２つの電極２０，３０を隔てて設けるための保持体を構成している。また、この絶縁性基板１０は、第１電極２０と第２電極３０のそれぞれに対して絶縁されている。
絶縁性基板１０の構造及び材質は、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、絶縁性基板１０の表面の形状は、平面であってもよいし、凹凸を有していてもよい。また、絶縁性基板１０は、例えば、Ｓｉ等の半導体基板の表面に酸化膜等を設けたものであっても良いし、基板そのものが絶縁性とされたものであってもよい。また、絶縁性基板１０の材質としては、例えば、ガラス、酸化珪素（ＳｉＯ２）などの酸化物、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化物等が好ましく、このうち、酸化珪素（ＳｉＯ２）が、後述の電極２０、３０との密着性と、その製造において自由度が大きい点で好適となっている。
【００２０】
第１電極２０は、例えば、第２電極３０と対になって当該スイッチング素子１００のスイッチング動作を行うためのものである。
第１電極２０の形状は、特に限定されるものではなく、適宜任意に変更することができる。
第１電極２０の材質は、特に限定されるものではないが、後述するようにスイッチング素子内部は酸素雰囲気で満たされるので、酸化を生じにくい材質、例えば、金、銀、白金、銅等イオン化傾向が小さいもの或いはこれらの合金から選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、特に、金、白金を用いることが特に好ましい。ここで、絶縁性基板１０との接着性を強化するために、例えば、異なる金属を２層以上重ねて用いても良い。なお、図１及び図２にあっては、後述の工程説明の便宜上、第１電極２０は第１電極下部２１と第１電極上部２２とをあわせたものとして表している。
【００２１】
第２電極３０は、例えば、第１電極２０と対になって当該スイッチング素子１００のスイッチング動作を可能にする。
第２電極３０の形状は、特に限定されるものではなく、適宜任意に変更することができる。
第２電極３０の材質は、特に限定されるものではないが、後述するようにスイッチング素子内部は酸素雰囲気で満たされるでの、酸化を生じにくい材質、例えば、金、銀、白金、銅等イオン化傾向が小さいもの或いはこれらの合金から選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、特に、金、白金を用いることが特に好ましい。ここで、絶縁性基板１０との接着性を強化するために、例えば、異なる金属を２層以上重ねて用いても良い。
【００２２】
電極間間隙部４０は、例えば、第１電極２０と第２電極３０間にナノメートルオーダーの間隙を有するものであり、当該スイッチング素子１００の後述するスイッチング現象を発現する役割を具備している。
第１電極２０と第２電極３０間（ナノギャップ電極間）の距離（間隔）Ｇは、例えば、０ｎｍ＜Ｇ≦１３ｎｍであるのが好ましく、０．８ｎｍ＜Ｇ＜２．２ｎｍであるのがより好ましい。
ここで、距離Ｇの上限値を１３ｎｍとしたのは、例えば、二回の斜め蒸着で作成する場合には、ギャップ間隔が１３ｎｍより大きくなるとスイッチングが起きなくなるためである。
一方、距離Ｇの下限値は、０ｎｍとすると第１電極２０と第２電極３０とが短絡していることになるが、後述する実施例１のグラフ（図５参照）は０Ｖ付近で変化しており、０ｎｍより大きいギャップが存在することが明らかである。なお、下限値を顕微鏡測定によって決定することは困難であるが、トンネル電流が生じうる最小距離であるということができる。即ち、下限値は、素子が動作したときに、電流−電圧特性がオームの法則に従わずに量子力学的なトンネル効果が観測される距離の理論値である。
ここで、トンネル電流の理論式に抵抗値を代入すると、ギャップ幅の計算結果として０．８ｎｍ＜Ｇ＜２．２ｎｍの範囲が求められる。
【００２３】
また、電極間間隙部４０（第１電極２０と第２電極３０との間）の直流電気抵抗は、例えば、１ｋΩより大きく１０ＴΩ未満であるのが好ましく、１００ｋΩより大きいのがより好ましい。
ここで、抵抗の上限値を１０ＴΩとしたのは、１０ＴΩ以上とすると、スイッチングが起きなくなるためである。一方、抵抗の下限値を１ｋΩとしたのは、現状では１ｋΩ以下に下がったことがないため、これを下限としている。
なお、スイッチとして使用する場合には、ＯＦＦ状態での抵抗は高いほど良いため、上限値はより高い値となるのが好ましいが、ＯＮ状態での抵抗が１ｋΩであると、ｍＡオーダーの電流が簡単に流れてしまい、他の素子を破壊する可能性があるため、下限値は１００ｋΩ程度とするのが好ましい。
【００２４】
なお、第１電極２０と第２電極３０間の最近接部位は、例えば、第１電極２０と第２電極３０とが対向する領域に１若しくは複数箇所形成されていても良い。
また、第１電極２０と第２電極３０間には、例えば、当該第１電極２０及び第２電極３０の構成材料等からなる島部分（中州部分）が形成されていても良い。この場合には、例えば、第１電極２０と島部分間、第２電極３０と島部分間に所定の間隙が形成されて、第１電極２０と第２電極３０が短絡していなければ良い。
また、第１電極２０及び第２電極３０の各々には、リード線Ｌ１，Ｌ２が接続されており、当該リード線Ｌ１，Ｌ２は封止部材５０の外側に延出されている（図２参照）。
【００２５】
封止部材５０は、例えば、電極間間隙部４０を大気に接触させず、酸素雰囲気で満たした状態として、当該スイッチング素子１００をさらに安定に動作させるためのものである。なお、この封止部材５０は、少なくとも電極間間隙部４０が酸素ガスのみに暴露されるよう封止行う構造であれば足りるが、図示の例では絶縁性基板１０の電極形成面側全体を封止する構造を例示している。また、当該スイッチング素子１００全体が酸素雰囲気で封止されるよう構成しても良い。
封止部材５０の形状及び材質は、電極間間隙部４０を大気に接触しないようにし、酸素ガスが漏洩しないよう密封する機能を具備する限り、適宜任意に変更することができる。封止部材５０の材質は、例えば、絶縁性基板１０と同じ材質を採用しても良いし、公知の半導体封止材料を用いることもでき、必要に応じて、公知の物質からなる気体バリヤ層等を設けても良い。
【００２６】
ここで、圧力Ｐは、１０−６Ｐａ以上であって１０５Ｐａ以下の範囲を逸脱すると取り扱いが難しいため、少なくとも当該範囲を逸脱しないようにすることが望ましい。より具体的には、封止部材５０の内部の圧力Ｐは、例えば、１０Ｐａ以上とするのが好ましく、さらには、１．５×１０３Ｐａ以上、より望ましくは２×１０４Ｐａとする。
なお、電極間間隙部４０の周囲を酸素で満たすことにより効果については、上述する実施例の記載において実測データに基づいて説明する。
【００２７】
次に、スイッチング素子１００の製造方法について説明する。
スイッチング素子１００は、例えば、（１）絶縁性基板１０の準備工程、（２）第１のレジストパターン形成工程、（３）第１の蒸着工程、（４）第１のリフトオフ工程、（５）第２のレジストパターン形成工程、（６）第２の蒸着工程、（７）第２のリフトオフ工程、（８）電界破断工程、及び（９）封止工程を行うことにより製造される。
【００２８】
（１）絶縁性基板１０の準備工程
絶縁性基板１０としては、例えば、酸化膜付きＳｉ基板、その他表面が絶縁性の基板等が用いられる。具体的には、例えば、Ｓｉ等の導電性の基板を用いる場合には、その表面に所望の絶縁膜を、熱処理、酸化処理、蒸着、スパッタ等の公知の方法によって設け、絶縁膜を絶縁性基板１０とする。また、例えば、ガラス等の絶縁性の基板を絶縁性基板１０として用いる場合は絶縁膜の形成は不要である。
【００２９】
（２）第１のレジストパターン形成工程
第１のレジストパターン形成工程は、例えば、フォトリソグラフィー等を用いて行われ、絶縁性基板１０に第１電極下部２１を形成するためのレジストパターン６０を形成する（図３参照）。
なお、レジストパターン６０の厚さは、例えば、適宜任意に変更することができ、具体的には、１μｍとされている。
【００３０】
（３）第１の蒸着工程
第１の蒸着工程は、例えば、所定の蒸着装置を用いて行われ、第１電極下部２１を形成する。
絶縁性基板１０の被蒸着面は、例えば、蒸着源から被蒸着面を臨むとき傾斜するように配置される。即ち、絶縁性基板１０は、例えば、図３に示すように、被蒸着面と、蒸着源から蒸散する粒子の飛来方向とのなす角をθ１としたとき、０°＜θ１＜９０°となるように配置される（当該蒸着方法を、以下、「傾斜蒸着」と言う）。この結果、第１電極下部２１は、その先端部が絶縁性基板１０（被蒸着面）に対して傾斜した形状に形成される。
なお、第１電極下部２１の先端部の傾斜方向と、絶縁性基板１０表面とのなす角をθ１’は、例えば、レジストパターン６０の形状、絶縁性基板１０表面の金属が堆積する特性及び角度θ１の大きさなどによって変更することができる。
【００３１】
また、第１の蒸着工程は、例えば、金、銀、白金、銅或いはそれらの合金から選ばれる少なくとも何れか一つの物質を１回又は複数回蒸着するようになっている。具体的には、複数回の蒸着としては、例えば、一回の蒸着ごとに金属を替えて蒸着することにより、２層構造の第１電極下部２１を形成するようにしても良い。
第１電極下部２１の厚さは、例えば、適宜任意に変更することができ、ここでは５ｎｍ以上としている。
【００３２】
（４）第１のリフトオフ工程
第１のリフトオフ工程は、例えば、レジストパターン６０の材質に適合する剥離液を用い行われ、当該工程の結果、第１電極下部２１が形成されるとともに、レジストパターン６０上に形成された犠牲電極２１ａが除去される。
【００３３】
（５）第２のレジストパターン形成工程
第２のレジストパターン形成方法は、例えば、フォトリソグラフィー等を用いて行われ、第２電極３０及び第１電極上部２２を形成するためのレジストパターン（図示略）を形成する。
【００３４】
（６）第２の蒸着工程
第２の蒸着工程は、例えば、所定の蒸着装置を用いて行われ、第２電極３０を形成するとともに、付随的に第１電極上部２２を形成する（図４参照）。
また、第２の蒸着工程は、例えば、傾斜蒸着により行われ、例えば、図４に示すように、被蒸着面と、蒸着源から蒸散する粒子の飛来方向とのなす角をθ２としたとき、θ１’＜９０°のときは、０°＜θ２＜θ１’＜９０°となるように、また、９０°≦θ１’のときは、０°＜θ２＜９０°となるように絶縁性基板１０が配置される。
さらに、第２の蒸着工程は、例えば、金、銀、白金、銅或いはそれらの合金から選ばれる少なくとも何れか一つの物質を１回又は複数回蒸着するようになっている。
【００３５】
また、第２の蒸着工程により、第１電極２０と第２電極３０間にナノメートルオーダーの間隙を有する電極間間隙部４０が形成される。
即ち、電極間間隙部４０の形成は、例えば、第２の蒸着工程の傾斜蒸着における、蒸着粒子により形成される第１電極下部２１の影を利用している。従って、第１電極下部２１の厚さ及び第２の蒸着工程における傾斜蒸着の角度θ２のうち、少なくとも何れか一方を調整することにより、所望の電極間距離Ｇを有する電極間間隙部４０を得ることができる。
【００３６】
（７）第２のリフトオフ工程
第２のリフトオフ工程は、例えば、レジストパターンの材質に適合する剥離液を用い行われ、当該工程の結果、第１電極２０及び第２電極３０が形成され、ナノギャップ電極が得られる。
【００３７】
（８）電界破断工程
ナノギャップ電極は短絡している場合があるため、必要に応じて、当該電界破断工程を行うことが好ましい。
電界破断工程は、例えば、短絡している電極と直列に可変抵抗、固定抵抗及び電源（何れも図示略）を接続して電圧を印加する。そして、可変抵抗の抵抗値を初期値（抵抗大）からゆっくり抵抗が小さくなるように調節して、電流が流れなくなる時点で止めることにより、所望の電極間距離Ｇを有するナノギャップ電極を得ることができる。
【００３８】
（９）封止工程
封止工程は、例えば、所定の気密封止技術を利用して行われ、酸素雰囲気中で、セラミック封止、ガラス封止、プラスチツク封止又は金属キャップによる封止等により行われる。
【００３９】
なお、上記のスイッチング素子１００の製造方法は、一例であって、これに限られるものではない。
【００４０】
次に、本実施形態のスイッチング素子１００の動作の一例を以下に説明する。図５は、スイッチング素子１００の電流−電圧曲線の一例を模式的に示す。図５の横軸は、スイッチング素子１００のナノギャップ電極間に印加される電圧に対応し、縦軸は、電流に対応する。図５には、説明のため、ＡからＨおよび０の符号を付した。
【００４１】
図５に示すように、スイッチング素子１００の電流−電圧曲線は、０点について、点対称となっているため、スイッチング素子１００に印加する電圧および電流は、スイッチング素子１００の極性に依存しない。このため、以下の説明では、図５は右半分すなわち電圧が正の部分について説明し、電圧が負の部分についての説明を省略する。電圧が負の部分についてのスイッチング動作は、以下の説明の極性を適宜反対にして読みかえることとする。図５のＢ点を通るＡ点（抵抗最小値の電圧）とＣ点との間の領域では、スイッチング素子１００は、印加電圧を高くするにしたがって抵抗が大きくなる負性抵抗効果を示す。この領域では印加電圧に依存してスイッチング素子１００の状態が変化する。以下、この電圧領域を遷移領域と呼ぶ。この遷移領域における電圧を、素子に印加した状態から瞬時に電圧を０点付近の値（実用的には、Ａ点付近とＥ点付近との間の値）に変化させる（以下このような瞬時に電圧値を０点付近に変化させる操作を「電圧のカット」と呼ぶ。）と、電圧をカットする直前に印加していた電圧値に対応する抵抗値を得ることができる。このときの抵抗値を決定する遷移状態の電圧が、Ａ点に近く設定されているほど、素子の抵抗値は小さくなり、またＡ点より高い電圧に設定すればするほど、抵抗値は大きくなる。ここで遷移領域のＢ点は、電圧をカットした後の、抵抗の小さい状態（以下、「ＯＮ状態」という。）と、抵抗の大きい状態（以下、「ＯＦＦ状態」という。）との中間の状態を得られる点をあらわしている。そして、遷移領域の低電圧側の端、すなわちＡ点付近の電圧をしきい値電圧と呼ぶ。ここでしきい値をＡ点付近の値と定義しているのは、動作電圧や測定環境などによって、遷移領域の中で最小の素子抵抗を得られる電圧であるしきい値が、図５のＡ点と必ずしも一致せず、場合によっては多少ずれてしまうためである。
【００４２】
図６（ａ）は、ナノギャップ電極間に印加される電圧と経過時間との対応関係を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は、ナノギャップ電極間を流れる電流と経過時間との対応関係を模式的に示す図である。
まず、ナノギャップ電極間に矩形パルスＩのＯＮ電圧（図５におけるＡ−Ｂ間でＡに近い大きさの電圧）を印加して、その後、読出電圧Ｒ１を印加すると（図６（ａ）参照）、ナノギャップ電極間に大きな電流が流れ、スイッチング素子１００がＯＮ状態になったことが確認される（図６（ｂ）参照）。
次に、ナノギャップ電極間に矩形パルスＪのＯＦＦ電圧（図５におけるＢ−Ｃ間でＣに近い大きさの電圧）を印加して、その後、読出電圧Ｒ２を印加すると（図６（ａ）参照）、ナノギャップ電極間には電流が流れず、スイッチング素子１００がＯＦＦ状態になったことが確認される（図６（ｂ）参照）。
【００４３】
なお、これ以降は、同様にＯＮ電圧Ｋ、ＯＦＦ電圧Ｌを繰り返して印加すると、スイッチング素子１００は、ＯＮ状態、ＯＦＦ状態のスイッチング動作を同様に繰り返すようになっているため、説明を省略するものとする。
【００４４】
（実施例）
実施例としてのスイッチング素子１００は、その絶縁性基板１０として、厚さ３００ｎｍの酸化シリコン層で被覆されたシリコン基板を用いた。第１のレジストパターンの厚みは、１μｍとした。第１電極下部２２の水平方向の幅は、１００μｍとなるように第１のレジストパターンを形成した。第１電極下部２２は、白金を蒸着し、その厚みが２５ｎｍとなるようにした。第１の蒸着工程の傾斜蒸着時の角度θ１は、７５°とした。第２のレジストパターンの厚みは、１μｍとした。第２電極３０の水平方向の幅は、２μｍとなるように第２のレジストパターンを形成した。第２電極３０は、白金を蒸着し、その厚みが１５ｎｍとなるようにした。したがって、第１電極２０の全体の厚みは、約４０ｎｍとなった。第２の蒸着工程の傾斜蒸着時の角度θ２は、６０°とした。次いで、第２のリフトオフ工程をおこなった。前記の状態でスイッチング素子１００は、第１電極２０と第２電極３０が短絡しているものを含んでいたため、電界破断工程を実施し、短絡部の除去をおこなった。電界破断の条件は、付加電圧は、１Ｖ、抵抗Ｒｃ値は、１００Ωとし、可変抵抗Ｒｖを１００ｋΩから０Ωへ向かって、徐々に下げ、電流量を徐々に増加させた。電界破断を起こした時の、電流量は約４ｍＡであった。以上のようにしてスイッチング素子１００を得た。
そして、上記スイッチング素子１００を真空プローバー内に入れ、真空ポンプで０．１Ｐａまで減圧し、内部に酸素ガスを導入することで、任意の真空圧力を維持しつつ酸素雰囲気を実現した。かかる酸素雰囲気下のスイッチング素子の電流電圧特性を半導体パラメータアナライザー（Keithley4200）により測定した。なお、酸素の圧力を任意に変更して上記測定を行うため、このスイッチング素子１００は便宜上、封止部材５０を設けていないが、電極間間隙部４０を含むスイッチング素子１００全体を酸素雰囲気中に暴露し、外気を遮断しているので、封止部材により酸素を封入したスイッチング素子と同等に見なすことができる。
【００４５】
図７は上記酸素雰囲気下で気体圧力を１０Ｐａ、１．５ＫＰａ、２０ＫＰａの三段階とした場合の電流電圧特性を示す線図であり、図８は１．０〜１０５Ｐａまでの範囲で酸素ガスの圧力を変化させた場合にピーク電圧（図５における電流値が最大となるＡ点の電圧に相当）の変化を示す線図、図９は１．０〜１０５Ｐａまでの範囲で酸素ガスの圧力を変化させた場合のピーク電流（図５におけるＡ点の電流に相当）の変化を示す線図である。また、図１１には比較のために、上述したスイッチング素子を窒素雰囲気下で気体圧力を１ＫＰａ、１０ＫＰａ、１００ＫＰａの三段階とした場合の電流電圧特性を示した。
【００４６】
図７〜９によれば、実施例１のスイッチング素子は、１ＫＰａ、１０ＫＰａ、１００ＫＰａにおいてピーク電圧はおよそ２Ｖから１．５Ｖの間で変化し、ピーク電流はおよそ０．７ｍＡから１．０ｍＡの間で変化している。一方、比較例では図１１に示すように、１ＫＰａ、１０ＫＰａ、１００ＫＰａにおいてピーク電圧はおよそ３．０Ｖから３．４Ｖの間で変化し、ピーク電流はおよそ０．６ｍＡから０．９ｍＡの間で変化している。
これらの比較によれば、スイッチング素子に酸素封入により、従来の窒素封入のスイッチング素子に比べてピーク電圧を低減する効果が得られることが観測された。
さらに、図８によれば、封入される酸素ガスの圧力が高くなるにつれてピーク電圧が低減することが観測された。また、図９によれば、封入される酸素ガスの圧力が１０５Ｐａを超えると一部上昇するが、それよりも低圧の範囲では酸素ガスの圧力が高くなるにつれてピーク電圧が低減することが観測された。
【００４７】
また、酸素ガスの圧力は、図８に示すように、１０２Ｐａ以上とすることにより、ピーク電圧を大きく低減することが可能である。即ち、窒素ガスの雰囲気下の場合には図１１に示すように、各圧力下でピーク電圧はせいぜい３Ｖ程度までしか下がらないが、酸素ガスの雰囲気下では、圧力を１０２Ｐａ以上とした範囲では３Ｖを大きく下回り、２Ｖ台までピーク電圧を低減することが可能である。なお、図１０に示すように、電極は白金に限らず、金で形成した場合も同様である。なお、計測試験は圧力を１０５Ｐａ（≒大気圧）までしか行っていないが、スイッチング素子１００の内部圧力としては酸素ガスの漏洩を生じないよう、大気圧程度までが上限と考えて良い。
【００４８】
なお、上記実施例のスイッチング素子は各電極を白金で形成したものを例示したが、電極を金により形成した場合にも同様にピーク電圧の低減等を図ることが可能である。図１０は各電極を金により形成したスイッチング素子について０．１Ｐａ〜２×１０４Ｐａまでの範囲で酸素ガスの圧力を変化させた場合のピーク電圧（図５におけるＡ点の電圧に相当）の変化を示す線図である。この図のように、電極を金で形成した場合には、白金で形成した場合と比べてもピーク電圧が同等或いはそれ以下にまで低減することが可能であることが観測された。
【００４９】
（スイッチング素子における技術的効果）
以上のように、本実施形態のスイッチング素子１００によれば、当該スイッチング素子１００の構造をより単純なものとすることができ、スイッチング動作を安定的に繰り返すことができる。即ち、ナノメートルオーダーの空間的な間隙を空けて配設されたナノギャップ電極（第１電極２０及び第２電極３０）と封止部材５０とによって構成されているので、有機分子や無機粒子などが不要で、より単純な構造で構成することができる。
さらに、当該スイッチング素子１００は劣化する物質を含まないため、スイッチング動作を安定的に繰り返すことができる。
加えて、スイッチング素子１００は不揮発性を有し、スイッチング動作後に外部入力がなくとも、当該スイッチング素子１００の動作状態を維持することができる。
【００５０】
また、封止部材５０によってナノギャップ電極間を含む絶縁性基板１０の片側を酸素雰囲気で封止することにより、例えば、従前から使用される窒素のような不活性ガスを封止した場合に比べて、ピーク電圧を低減することが可能である。また、ピーク電流についても窒素封入の場合と比べて上昇を生じるものではないことから、スイッチング素子をエレクトロニクスデバイスとして使用する場合でも、その消費電力の低減を図ることが可能となる。
また、ピーク電圧とピーク電流とは、封止される酸素ガスの圧力の増加に応じて低減する特性を示すことから、酸素ガス圧力を適宜調整することにより、ピーク電圧及びピーク電流を任意に設定することが可能となる。
【００５１】
また、スイッチング素子１００では、第１電極２０及び第２電極３０を酸化しにくい材質、特に、金、白金又はこれらの合金のいずれかにより形成することにより、電極間間隙部４０が酸素雰囲気で封止された場合でも、各電極２０，３０の酸化をより効果的に抑制し、電極間のスイッチング動作を良好に行うことを可能とする。また、酸化防止により耐久性を向上し、良好な動作を長期間維持することが可能となる。
【００５２】
（スイッチング素子の変形例［１］）
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
以下に、本発明に係るスイッチング素子の変形例について説明する。なお、以下に説明する複数の変形例について、前述したスイッチング素子１００と共通する構成については同符号を付して説明を省略するものとする。
【００５３】
変形例１のスイッチング素子２００は、例えば、図１２に示すように、絶縁性基板１０と、絶縁性基板１０の上面に設けられた絶縁体２６０と、絶縁性基板１０の上面に設けられた第１電極２２０と、第１電極２２０の上方に設けられた第２電極２３０と、第１電極２２０と第２電極２３０との間に設けられた電極間間隙部２４０と、絶縁性基板１０の電極形成面側が酸素ガスで満たされた状態で封止する封止部材５０とを主に備えている。
具体的には、絶縁体２６０が絶縁性基板１０の上面に設けられることにより段部を構成しており、当該絶縁体２６０により、第一電極２２０と台に電極２３０とが高低差をもって基板１０上に配置されている。そして、第１電極２２０は、絶縁性基板１０の上面と絶縁体２６０の側面２６１の下側部分とに接して設けられており、第２電極２３０は、絶縁体２６０の上面と絶縁体２６０の側面２６１上側部分とに接して設けられている。そして、電極間間隙部２４０は、絶縁体２６０の側面２６１下側部分に設けられた第１電極２２０と、絶縁体２６０の側面２６１上側部分に設けられた第２電極２３０との間に設けられている。つまり、電極間間隙部２４０は絶縁体２６０により形成される段部の高さ方向に沿ってギャップＧが形成されている。
【００５４】
なお、第１電極２２０及び第２電極２３０の材質は、前述した第１電極２０及び第２電極３０と同様のものを選択することが望ましい。
また、絶縁体２６０は、電極間間隙部２４０を構成する第１電極２２０の対向部位と第２電極２３０の対向部位とが基板１０の平面に対する高さ方向に沿って並ぶように配置するためのものである。従って、上記機能を具備する限り、他の構造を採っても良い。
また、絶縁体２６０は、例えば、絶縁性基板１０の一部に酸化膜等を設けたものであってもよいし、絶縁性基板１０全面に酸化膜等を設け、その一部を取り去ることで形成されるものであってもよい。また、絶縁体２６０の材質としては、例えば、ガラス、酸化珪素（ＳｉＯ２）などの酸化物、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化物等が好ましく、このうち、酸化珪素（ＳｉＯ２）が、第１電極２２０及び第２電極２３０との密着性と、その製造における自由度と、が大きい点で好適となっている。
【００５５】
また、電極間間隙部２４０は、前述した電極間間隙部４０に比して形成される平面の向きが異なる点を除けば、実体的な構造はほぼ同一である。従って、電極間間隙部２４０の寸法などの設計条件やその動作方法は前述した電極間間隙部４０の場合と同様である。
【００５６】
かかる変形例１のスイッチング素子２００は、前述したスイッチング素子１００と同様の技術的効果を具備すると共に、
絶縁性基板１０の上面に対して絶縁体２６０により形成される段部により第１電極２２０及び第２電極２３０が高低差をもって配置され、その高さ方向に沿って電極間間隙部２４０が形成されているため、第１電極２２０、第２電極２３０及び電極間間隙部２４０を同一平面上に並べて配置する場合に比べて当該電極間間隙部２４０が絶縁性基板１０の平面視での占有面積を低減することが可能となる。これにより、例えば、単一の絶縁性基板１０を共有して多数のスイッチング素子２００を集積化することでメモリ素子を形成する場合に、集積化に有利であり、メモリ素子の小型化を図ることが可能となる。
【００５７】
（スイッチング素子の変形例［２］）
本発明に係るスイッチング素子の変形例２について説明する。なお、以下に説明する複数の変形例について、前述したスイッチング素子１００と共通する構成については同符号を付して説明を省略するものとする。
【００５８】
変形例２のスイッチング素子３００は、例えば、図１３に示すように、絶縁性基板１０と、絶縁性基板１０の上面に接して設けられた第１電極３２０と、第１電極３２０の上面に接して設けられた絶縁体３６０と、第１電極３２０の上方に配置され、絶縁体３６０の上面に接して設けられた第２電極３３０と、第１電極３２０と第２電極３３０との間に設けられた電極間間隙部３４０と、第２電極３３０の上面に接して設けられた封止部材３５０とを主に備えて構成される。
【００５９】
このスイッチング素子３００は、基板１０の平面に対して直交する方向（上下方向）に沿って並んで第１電極３２０及び第２電極３３０が配置され、電極間間隙部３４０を構成する第１電極３２０と第２電極３３０の相互の対向部位も上下方向に沿って並んで配置する点で前述したスイッチング素子２００と共通している。
具体的には、スイッチング素子３００は、第１電極３２０と第２電極３３０の間に絶縁体３６０が介在し、第１電極３２０から第２電極３３０にかけて貫通する孔部としてのホール３６１を絶縁体３６０に形成し、当該ホール３６１の内部空間に電極間間隙部３４０を形成するという構造を採っている。
そして、電極間間隙部３４０は、第１電極３２０からホール３６１の内面に沿って第２電極３３０に向かって延出された延出端部３２１と、第２電極３３０からホール３６１の内面に沿って第１電極３２０に向かって延出された延出端部３３１とから構成されている。また、当該各延出端部の先端に所定のギャップＧが形成される点は前述したスイッチング素子１００と同様である。
【００６０】
また、第２電極３３０は、ホール３６１の内部空間を上方に向けて開放する開口部３３２が形成されており、封止部材３５０は開口部３３２を塞ぐように第２電極３３０の上面に形成されることでホール３６１内部に酸素ガスを封入している。
【００６１】
かかるスイッチング素子３００では、第１電極３２０及び第２電極３３０の材質は、前述した第１電極２０及び第２電極３０と同様のものを選択することが望ましい。
また、絶縁体３６０は、第１電極３２０と第２電極３３０とが基板１０の平面に対して直交する方向（上下方向）に並んで配置されるように支持するためのものであり、当該配置を実現するための支持構造であれば他の構造を採用しても良い。
また、この絶縁体３６０は、絶縁性基板１０と共に各電極３２０及び３３０を保持する機能を果たすものであり、機能的には絶縁性基板１０の一部と見なすことができる。
また、絶縁体３６０は、例えば、絶縁性基板１０の一部に酸化膜等を設けたものであってもよいし、絶縁性基板１０全面に酸化膜等を設け、その一部を取り去ることで形成されるものであってもよい。また、絶縁体３６０の材質としては、例えば、ガラス、酸化珪素（ＳｉＯ２）などの酸化物、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化物等が好ましく、このうち、酸化珪素（ＳｉＯ２）が、第１電極３２０及び第２電極３３０との密着性と、その製造における自由度と、が大きい点で好適となっている。
【００６２】
また、電極間間隙部３４０は、前述した電極間間隙部４０に比して形成される平面の向きが異なる点を除けば、実体的な構造はほぼ同一である。従って、電極間間隙部３４０の寸法などの設計条件やその動作方法は前述した電極間間隙部４０の場合と同様である。
【００６３】
かかる変形例２のスイッチング素子３００は、前述したスイッチング素子１００と同様の技術的効果を具備すると共に、絶縁性基板１０に設けられた絶縁体３６０にホール３６１を設け、当該ホール３６１内に電極間間隙部３４０を形成しているので、第１電極３２０と第２電極３３０とを上下方向に重ねて配置した場合に、その相互間に電極間間隙部３４０を配置することができる。その結果、絶縁性基板１０の平板面に対して上下方向に沿って第一の電極３２０と電極間間隙部３４０と第二の電極３３０とを並べて配置することが可能であるため、絶縁性基板１０の平面視における各電極３２０，３３０が占有する面積を低減することが可能となる。これにより、例えば、単一の絶縁性基板１０を共有して多数のスイッチング素子３００を集積化して形成することでメモリ素子を製造する場合に、集積化に有利であり、メモリ素子の小型化を図ることが可能となる。
また、絶縁性基板１０の平面に対して交差する方向（上下方向）に沿って第一の電極３２０と第二の電極３３０とを配置することが可能であるため、例えば、メモリ素子を製造する場合に、各スイッチング素子３００を絶縁性基板１０の平面に沿って互いに交差（直交）する二方向に沿って平面状に並べて配置する場合に、互いに交差する二方向の内の一方向について第一の電極３２０の共通一体化を図ることができると共に、互いに交差する二方向の内の他の方向について第二の電極３３０の共通一体化を図ることができ、集積化にさらなる有利な構造を採ることが可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１０  絶縁性基板
２０，２２０，３２０  第１電極
３０，２３０，３３０  第２電極
４０，２４０，３４０  電極間間隙部
５０，３５０  封止部材
１００，２００，３００  スイッチング素子
２６０  絶縁体（段部）
３６１  ホール（孔部）
【図１】
0005526341.tif 000002
【図２】
0005526341.tif 000003
【図３】
0005526341.tif 000004
【図４】
0005526341.tif 000005
【図５】
0005526341.tif 000006
【図６】
0005526341.tif 000007
【図７】
0005526341.tif 000008
【図８】
0005526341.tif 000009
【図９】
0005526341.tif 000010
【図１０】
0005526341.tif 000011
【図１１】
0005526341.tif 000012
【図１２】
0005526341.tif 000013
【図１３】
0005526341.tif 000014