(57)【要約】【課題】エレクトレット素子の電荷保持安定性を向上させる。【解決手段】基板１０１と、導電性電極１０３と、第１の誘電体層１０４および第２の誘電体層１０５を含むエレクトレット層１０７を有する、エレクトレット素子１００において、エレクトレット層１０７に着電する電荷が負の電荷である場合には、第２の誘電体層１０５の伝導帯の底Ｅｃが、第１の誘電体層１０４の伝導帯の底Ｅｃよりも低く、電荷が正の電荷である場合には、第２の誘電体層１０５の価電子帯の頂上Ｅｖが、第１の誘電体層１０４の価電子帯の頂上Ｅｖよりも高く、第１の誘電体層１０４の導電性電極と接する面と反対側の面に凹部１０６が形成され、凹部の底面１０６ａおよび側壁１０６ｂの少なくとも一部を被覆するように、第２の誘電体層１０５が形成されることによって、電荷保持安定性が向上し、特に基板の周囲への電荷流出を防止されたエレクトレット素子が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、導電性電極、ならびに第１の誘電体層および第２の誘電体層を含むエレクトレット層を有し、前記エレクトレット層に電荷が保持可能な、エレクトレット素子であって、
前記導電性電極が、前記基板の表面に形成されており、
前記第１の誘電体層が、前記導電性電極の表面に形成され、かつ前記導電性電極の側とは反対の側の表面に底面、側壁および頂面を有する凹部を少なくとも１つ有し、
前記第２の誘電体層が、前記底面全体、および前記側壁の少なくとも一部を覆っており、
前記第２の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃが、前記第１の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃよりも低い、または、前記第２の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖが、前記第１の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖよりも高い、
エレクトレット素子。
【請求項２】
前記エレクトレット層が少なくとも一つの誘電体層をさらに有し、前記少なくとも一つの誘電体層が前記導電性電極と前記第１の誘電体層の間に形成されている、請求項１に記載のエレクトレット素子。
【請求項３】
前記エレクトレット層に電荷が保持されており、
前記導電性電極は、
前記電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値が前記エレクトレット層の表面電位の絶対値よりも小さい電位、または
前記電荷とは異なる極性の電位
と接続されている、請求項１または２に記載のエレクトレット素子。
【請求項４】
前記導電性電極は、アース電位と接続されている、請求項１または２に記載のエレクトレット素子。
【請求項５】
前記第１の誘電体層がシリコン酸化膜であり、前記第２の誘電体層がシリコン窒化膜、アルミニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、およびチタン酸化膜からなる群から選択されるいずれか１つの膜である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトレット素子。
【請求項６】
前記基板が導電性基板であり、
前記導電性基板と前記導電性電極との間に第３の誘電体層が形成されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のエレクトレット素子。
【請求項７】
前記導電性基板がシリコン基板であり、前記第３の誘電体層がシリコン酸化膜であり、前記導電性電極が多結晶シリコンからなる、請求項６に記載のエレクトレット素子。
【請求項８】
前記基板が絶縁性基板である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエレクトレット素子。
【請求項９】
前記絶縁性基板がガラス基板またはサファイア基板であり、前記導電性電極が多結晶シリコン、アルミニウム、および銅からなる群から選択されるいずれか１つの材料からなる、請求項８に記載のエレクトレット素子。
【請求項１０】
前記基板および前記導電性電極が、導電性基板と置き換えられており、前記導電性基板の表面に前記第１の誘電体層が形成されている、請求項１または請求項２に記載のエレクトレット素子。
【請求項１１】
前記エレクトレット層に電荷が保持されており、
前記導電性基板が、
前記電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値が前記エレクトレット層の表面電位の絶対値よりも小さい電位、または
前記電荷とは異なる極性の電位
と接続されている、請求項１０に記載のエレクトレット素子。
【請求項１２】
前記導電性電極は、アース電位と接続されている、請求項１０に記載のエレクトレット素子。
【請求項１３】
前記凹部の底面から頂面までの深さが、前記第２の誘電体層の厚さよりも大きい、請求項１〜１２のいずれかに記載のエレクトレット素子。
【請求項１４】
前記凹部が複数形成されており、隣り合う凹部の間隔が、前記第１の誘電体層の厚さよりも大きい、請求項１〜１３のいずれかに記載のエレクトレット素子。
【請求項１５】
防湿層をさらに有し、前記防湿層が前記第２の誘電体層の表面、あるいは前記第２の誘電体層の表面および前記第１の誘電体層の表面のうち前記第２の誘電体層により被覆されていない領域を被覆している、請求項１〜１４のいずれかに記載のエレクトレット素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のエレクトレット素子を備える、振動発電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレット素子およびエレクトレット素子を備える振動発電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半永久的に電荷を保持する誘電体であるエレクトレットを用い、エレクトレットに接近する導体に生ずる静電誘導を利用し、振動エネルギーを電気エネルギーへ変換する振動発電器が提案されている。
【０００３】
図１９に、特許文献１に記載された振動発電器の断面外略図を示す。この振動発電器は、複数の集電電極１３を備えた第１の基板１１と、複数のエレクトレット素子１５を備えた第２の基板１６とから構成される。前記第１の基板１１と前記第２の基板１６は、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。第２の基板１６は固定されており、第１の基板１１の両側面にはバネ１９が接続され、バネ１９は固定構造１７に接続されている。外部の振動により第１の基板１１は側方運動を行い、バネ１９のバネ力で定位置に戻る。この動きにより、エレクトレット素子１５と、対向する集電電極１３との重なり面積の増減が生じ、集電電極１３に誘導される電荷が変化する。静電誘導型振動発電器は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。
【０００４】
非特許文献１は、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体からなる無機系エレクトレットを提案している。非特許文献２は、パーフルオロ化ポリマーからなる有機系エレクトレットを提案している。図２０は、非特許文献１に記載された無機系エレクトレットのＴＳＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）測定結果であり、図２１は、非特許文献２に記載された有機系エレクトレットのＴＳＣ測定図である。ＴＳＣ測定とは、被測定物を加熱して、被測定物を昇温したときに、放出される電流を検出する手法である。被測定物から電流が放出される温度が高温であるほど耐熱性が高い。無機系エレクトレットであるシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体からなるエレクトレットについてのＴＳＣピーク温度は約５００℃、有機系エレクトレットであるＣＴＬ−Ａ  ｗｉｔｈ  ａｍｉｎｏｓｉｌａｎｅ  ３．０％についてのＴＳＣピーク温度は約１９０℃である。シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体からなるエレクトレットは高い耐熱性を有するため、高温環境下においても信頼性が高い。
【０００５】
図２２は、特許文献２に記載された、エレクトレット素子１０の断面図である。エレクトレット素子１０は、シリコン基板１とシリコン酸化膜２から構成される。シリコン基板１には、溝部１ｂと凸形状部１ｃが形成され、溝部１ｂの内表面と溝部１ｂ間の凸形状部１ｃの表面とを覆うようにシリコン酸化膜２が形成されている。熱酸化法によりシリコン酸化膜２を形成する場合、シリコン基板１の主表面１ａに対して垂直方向のみならず、溝部１ｂの内側面部からシリコン基板１の主表面１ａと水平な方向にもシリコン酸化膜２を形成することができる。従って、単位平面体積あたりの表面積（体積）が増加されたシリコン酸化膜２を形成することで、エレクトレット素子１０へ注入できる電荷量を増加させて、表面電位を大きくすることができる。そのようなエレクトレット素子を使用すると、振動発電器の発電出力を増大させることができる。
【０００６】
図２３は、特許文献３に記載された、エレクトレット素子を含む固定電極部５０の断面図である。エレクトレット膜３１の表面に、凸部３２ａを有するエレクトレット膜３２が形成され、エレクトレット膜３２（凸部３２ａ）の表面に櫛歯状の導電体層３３が形成されている。導電体層３３の側面および導電体層３３の上面に電荷流出抑制膜３４が形成されている。導電体層３３はエレクトレット膜３２に蓄積された電荷による電界を遮る働きがあるので、導電体層３３が形成される領域の表面電位は小さく、導電体層３３が形成されておらずエレクトレット膜３２が露出している領域の表面電位は大きくなる。このようにエレクトレット素子を含む固定電極部５０にて櫛歯状に表面電位の高低が形成される。よって、この固定電極部５０と、これに対向して設置される集電電極との重なり面積が動作中に変化すると、集電電極において誘導される電荷量が変化し、変化分が電流として取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報（第１０−１１頁、図４）
【特許文献２】特開２００８−１４１１７１Ａ公報（第１８頁、図１）
【特許文献３】ＷＯ２００８−０５３７９４公報（第２０頁、図１１）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】H. Amjadi、Charge Storage in Double Layers of Thermally Grown Silicon Dioxide and APCVD Silicon Nitride, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 6 No. 6 December 1999
【非特許文献２】Sakaneら、The development of a high-performance perfluorinated polymer electret and its application to micro power generation, JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING 18 (2008) 104011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、２つの誘電体の積層体からなるエレクトレットの電荷保持安定性を向上させ、特に基板の周囲への電荷流出がより防止された、エレクトレット素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態は、
基板、導電性電極、ならびに第１の誘電体層および第２の誘電体層を含むエレクトレット層を有し、前記エレクトレット層に電荷が保持可能な、エレクトレット素子であって、
前記導電性電極が、前記基板の表面に形成されており、
前記第１の誘電体層が、前記導電性電極の表面に形成され、かつ前記導電性電極の側とは反対の側の表面に底面、側壁および頂面を有する凹部を少なくとも１つ有し、
前記第２の誘電体層が、前記底面全体、および前記側壁の少なくとも一部を覆っており、
前記第２の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃが、前記第１の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃよりも低い、または、前記第２の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖが、前記第１の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖよりも高い、
エレクトレット素子である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一実施形態に係るエレクトレット素子によれば、２つの誘電体の積層体からなるエレクトレットの電荷保持安定性を向上させ、特に基板の周囲への電荷流出を防止することができる。よって、本発明のエレクトレット素子を用いれば、発電出力の安定性に優れた振動発電器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００の断面図
【図２】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００の平面図
【図３】本発明の実施の形態に係るエレクトレット素子１００を用いた、振動発電器の断面図
【図４】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第１の変形例の断面図
【図５】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第２の変形例の断面図
【図６】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第３の変形例の断面図
【図７】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第４の変形例の断面図
【図８】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第５の変形例の断面図
【図９】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第６の変形例の断面図
【図１０】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第７の変形例の断面図
【図１１】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第８の変形例の断面図
【図１２】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第９の変形例の第１の誘電体層の平面図
【図１３】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第１０の変形例の第１の誘電体層の平面図
【図１４】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第１１の変形例の第１の誘電体層の平面図
【図１５】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第１２の変形例の第１の誘電体層の平面図
【図１６】本発明の実施の形態に係るエレクトレットの第１３の変形例の断面図
【図１７】本発明の一実施例のエレクトレット素子の断面図
【図１８】本発明の一実施例の高湿環境下（３０℃８５％ＲＨ）での電位経時劣化を示すグラフ
【図１９】従来の振動発電器の断面図
【図２０】従来のシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層からなる無機系エレクトレットのＴＳＣ測定結果を示すグラフ
【図２１】従来の有機系エレクトレットのＴＳＣ測定結果を示すグラフ
【図２２】従来の凹凸構造を含むシリコン基板と前記凹凸構造を被覆するように形成されたシリコン酸化膜からなるエレクトレット素子の斜視図
【図２３】従来の静電誘導型発電装置の固定電極部の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の一実施形態に至った経緯）
前述のとおり、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体からなるエレクトレットは高い耐熱性を有し、高温環境下での使用に優位である。しかし、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との界面においては、２つの膜の応力差および格子不整合に起因する過密な欠陥が存在するため、絶縁性が比較的低い。そのため、電荷は界面に沿って移動しやすく、移動した電荷は、最終的には端面等において露出した界面から流出しやすい。
【００１４】
また、特許文献２に示すエレクトレット素子４０においては、シリコン酸化膜２のみがエレクトレット膜として形成されている。このシリコン酸化膜２の表面にシリコン窒化膜を形成すれば、非特許文献１に記載の積層構造が得られ、耐熱性を向上させることができると考えられる。しかし、そのような積層構造においても、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との界面にて電荷が移動しやすく、露出した界面から電荷の流出が生じやすい。
【００１５】
また、特許文献３に示すエレクトレット素子を含む固定電極部５０において、電荷流出抑制膜３４をシリコン窒化膜とすれば、耐熱性を向上させることができると考えられる。しかし、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との界面では、電荷が移動しやすく、露出した界面から電荷の流出が生じやすい。さらに、導電体層３３が電荷を引き込むため、導電体層３３にも電荷が流出しやすい。
【００１６】
このように、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体からなるエレクトレットは、それにより保持された電荷が高温下でも放出されにくく、良好な耐熱性を示すものの、長期間の電荷保持安定性は充分ではない。そのため、この積層体からなるエレクトレットを含むエレクトレット素子を備えた振動発電器は、その発電出力が時間の経過とともに徐々に低下するという課題を有していた。
【００１７】
本発明者らは、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層体からなるエレクトレットにおいて、電荷が界面を移動することによる電荷の流出を抑制し、電荷保持安定性を向上させる構成を検討した。その結果、本発明者らは、シリコン酸化膜に凹部を設け、当該凹部の底面全体および側壁の一部をシリコン窒化膜が被覆するようにシリコン窒化膜を積層することによって、電荷保持安定性が向上することを見出した。
【００１８】
（本発明の態様）
本発明の第１の態様は、
基板、導電性電極、ならびに第１の誘電体層および第２の誘電体層を含むエレクトレット層を有し、前記エレクトレット層に電荷が保持可能な、エレクトレット素子であって、
前記導電性電極が、前記基板の表面に形成されており、
前記第１の誘電体層が、前記導電性電極の表面に形成され、かつ前記導電性電極の側とは反対の側の表面に底面、側壁および頂面を有する凹部を少なくとも１つ有し、
前記第２の誘電体層が、前記底面全体、および前記側壁の少なくとも一部を覆っており、
前記第２の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃが、前記第１の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃよりも低い、または、前記第２の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖが、前記第１の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖよりも高い、
エレクトレット素子である。
【００１９】
ここで「エレクトレット」とは、半永久的に電荷を保持することが可能な誘電体のことを意味し、「エレクトレット層」とはエレクトレットからなる層を意味し、「エレクトレット素子」とは、エレクトレット（またはエレクトレット層）を支持する基板、および電極等を含むものを意味する。エレクトレット（またはエレクトレット層）は複数の誘電体から構成されてもよいし、その複数の誘電体のうち一部または全部に電荷が保持されてもよい。
【００２０】
第１の態様において、第１の誘電体層と第２の誘電体層の接合界面に保持された電荷は、導電性電極に向かって静電力により引きつけられるため、導電性電極から離れる方向（図１中のｚ方向）へ移動することができない。より具体的には、電荷は、第１の誘電体層と第２の誘電体層の接合界面において、凹部の側壁に沿って移動しようとしても、導電性電極に向かって引っぱられ、導電性電極から離れる方向に移動しにくい。その結果、電荷は、凹部の底面領域に安定して保持される。
【００２１】
第１の態様において、エレクトレット層が保持する電荷が負の電荷である場合には、第２の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃが、第１の誘電体層の伝導帯の底Ｅｃよりも低く、電荷が正の電荷である場合には、第２の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖが、第１の誘電体層の価電子帯の頂上Ｅｖよりも高い。この関係を満たすことにより、高温下においてもエレクトレット層から電荷が放出されにくい、耐熱性の高いエレクトレット素子を得ることができる。
【００２２】
第２の態様は、前記エレクトレット層が少なくとも一つの誘電体層をさらに有し、前記少なくとも一つの誘電体層が前記導電性電極と前記第１の誘電体層の間に形成されている、第１の態様のエレクトレット素子である。この場合、エレクトレット素子に保持できる電荷量が増大し、表面電位を増加させることができる。
【００２３】
第３の態様は、前記エレクトレット層に電荷が保持されており、
前記導電性電極が、
前記電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値が前記エレクトレット層の表面電位の絶対値よりも小さい電位、または
前記電荷とは異なる極性の電位
と接続されている、第１または第２の態様のエレクトレット素子である。
【００２４】
第４の態様は、前記導電性電極が、アース電位と接続されている、第１または第２の態様のエレクトレット素子である。
【００２５】
導電性電極が、アース電位、またはエレクトレット層に保持された電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット層の表面電位の絶対値よりも小さい電位、またはエレクトレット層に保持された電荷と異なる極性の電位に接続されていると、電荷がより確実に導電性電極へ静電力により引き付けられる。その結果、電荷が、導電性電極から離れる方向（図１中のｚ方向）へより移動しにくくなり、凹部の底面領域により安定して保持される。
【００２６】
第５の態様は、前記第１の誘電体層がシリコン酸化膜であり、前記第２の誘電体層がシリコン窒化膜、アルミニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、およびチタン酸化膜からなる群から選択されるいずれか１つの膜である、第１〜４の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。
【００２７】
第６の態様は、前記基板が導電性基板であり、
前記導電性基板と前記導電性電極との間に第３の誘電体層が形成されている、
第１〜５の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。
【００２８】
第７の態様は、前記導電性基板がシリコン基板であり、前記第３の誘電体層がシリコン酸化膜であり、前記導電性電極は多結晶シリコンからなる、第６の態様のエレクトレット素子である。
【００２９】
第８の態様は、前記基板が絶縁性基板である、第１〜５の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。
【００３０】
第９の態様は、前記絶縁性基板がガラス基板またはサファイア基板であり、前記導電性電極が多結晶シリコン、アルミニウム、および銅からなる群から選択されるいずれか１つの材料からなる、第８の態様のエレクトレット素子である。
【００３１】
第１０の態様は、前記基板および前記導電性電極が、導電性基板と置き換えられており、前記導電性基板の表面に前記第１の誘電体層が形成されている、第１または第２の態様のエレクトレット素子である。この場合、導電性電極を形成する必要がないため、成膜回数を減らすことができる。
【００３２】
第１１の態様は、前記エレクトレット層に電荷が保持されており、
前記導電性基板が、
前記電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値が前記エレクトレット層の表面電位の絶対値よりも小さい電位、または
前記電荷とは異なる極性の電位
と接続されている、第１０の態様のエレクトレット素子である。
【００３３】
第１２の態様は、前記導電性電極が、アース電位と接続されている、第１０の態様のエレクトレット素子である。
第１１および第１２の態様において、導電性電極を上記いずれかの電位と接続することによる効果は、第３および第４の態様のそれと同じである。
【００３４】
第１３の態様は、前記凹部の底面から頂面までの深さが、前記第２の誘電体層の厚さよりも大きい、第１〜１２の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。この場合、第１の誘電体層と第２の誘電体層との界面だけでなく、第２の誘電体層内部を移動する電荷の流出も防止することができる。
【００３５】
第１４の態様は、前記凹部が複数形成されており、隣り合う凹部の間隔が、前記第１の誘電体層の厚さよりも大きい、第１〜１３の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。
【００３６】
第１５の態様は、防湿層をさらに有し、前記防湿層が前記第２の誘電体層の表面、あるいは前記第２の誘電体層の表面および前記第１の誘電体層の表面のうち前記第２の誘電体層により被覆されていない領域を被覆している、第１〜１４の態様のいずれか１つのエレクトレット素子である。
【００３７】
第１６の態様は、第１〜１５の態様のいずれか１つの素子を備える、振動発電器である。前述のように、第１の態様のエレクトレット素子においては、電荷保持安定性が向上され得るので、第１の態様またはそれを利用する他の態様のエレクトレット素子を用いた振動発電器によれば、発電出力の安定性の向上が図られ得る。
【００３８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。以下の説明においては、実質的に同一の構成についての重複説明を省略することがある。
【００３９】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態のエレクトレット素子１００の断面図である。図２はエレクトレット素子１００の平面図であり、図１が示す断面図は、図２のＡ−Ｂ断面に相当する。エレクトレット素子１００は、基板１０１と、基板１０１の主表面に形成された第３の誘電体層１０２と、第３の誘電体層１０２の表面に形成された導電性電極１０３と、導電性電極１０３の表面に形成された第１の誘電体層１０４と、第２の誘電体層１０５とから構成される。
【００４０】
第１の誘電体層１０４および第２の誘電体層１０５の積層体は、エレクトレット層１０７を構成し、エレクトレット層１０７に電荷が注入されている。本実施の形態において、第１の誘電体層１０４には、凹部１０６が複数形成されており、この凹部１０６を被覆するように、すなわち、凹部の底面１０６ａ、側壁１０６ｂおよび頂面１０６ｃの全体を被覆するように、第２の誘電体層１０５が形成されている。
【００４１】
凹部１０６は底面１０６ａ、側壁１０６ｂおよび頂面１０６ｃを有する。図示した形態において、凹部の底面１０６ａおよび頂面１０６ｃは基板１０１の表面と平行な面であるが、底面１０６ａおよび頂面１０６ｃはその一部が例えば湾曲していてもよい。また、側壁１０６ｂは、基板１０１の表面に対して垂直でもよいし、図示するように傾斜を有していてもよい。側壁１０６ｂが傾斜を有している場合には、第２の誘電体層１０５を均一に形成することが容易となる。あるいは、側壁１０６ｂは、湾曲していてよく、例えば、図１に示す断面においてｆ（ｘ）＝ｘ２で表されるような二次曲線であってよい。
【００４２】
凹部１０６の底面１０６ａから頂面１０６ｃまでの深さは、第２の誘電体層１０５の厚さよりも大きい。凹部の底面１０６ａが湾曲していて、底面のレベル（高さ）が一定でない場合、最も深い部分（基板１０１に最も近い部分）が深さを測定するときの基準である。頂面１０６ｃが湾曲していて、頂面のレベル（高さ）が一定でない場合、最も高い部分（基板１０１から最も離れた部分）が深さを測定するときの基準である。凹部１０６の深さと第２の誘電体層１０５の厚さがこの関係を満たす場合の効果は、上記第１１の態様において説明したとおりである。
【００４３】
図２に示すように、凹部１０６は、ｚ方向から見て、長方形状であり、互いに平行となるよう並列して形成される。図２は、第２の誘電体層１０５の表面を上から見た平面図であるため、凹部１０６の各部分に対応する符号は括弧をつけて表示している。凹部をこのように形成すると、電荷がより安定に保持される。また、このような形状および配置の凹部は、半導体プロセスにより製造する場合に、基板１０１において、エレクトレット層１０７のパターン（図３に示すように、複数のエレクトレット素子１００ａ〜１００ｃが形成される場合のエレクトレット素子のパターン）を変更する場合でも、同一のレクチルを使用することが可能である。
【００４４】
エレクトレット層１０７への電荷の注入は、コロナ放電などにより行う。電荷は、エレクトレット層１０７において、第１の誘電体層１０４および第２の誘電体層１０５のいずれか一方、または両方に注入される。注入される電荷の極性は正負どちらでもよい。
【００４５】
本実施の形態において、導電性電極１０３は、アース電位に接続されている。あるいは、導電性電極１０３は、エレクトレット層１０７に保持されている電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット層１０７の表面電位の絶対値よりも低い電位、またはエレクトレット層１０７に保持されている電荷とは異なる極性の電位に接続されていてもよい。例えば、エレクトレット層１０７に負の電荷が保持されていて、エレクトレット層１０７の表面電位が−２５０Ｖである場合、導電性電極１０３は、それよりも低い電位、例えば、−２４０〜＋７５０Ｖの電位に接続されてよい。あるいは、エレクトレット層１０７に正の電荷が保持されていて、エレクトレット層１０７の表面電位が＋２５０Ｖである場合、導電性電極１０３は、例えば、−７５０〜＋２４０Ｖの電位に接続されてよい。また、エレクトレット層１０７の表面電位と導電性電極１０３の電位は、それらの差がエレクトレット層の絶縁耐圧を超えないように選択してよい。そのような選択は、絶縁破壊による電荷の流出、およびリークパスの形成によるエレクトレット特性の喪失を抑制する。
【００４６】
また、隣り合う凹部１０６の間隔（図１において底面１０６ａの中央と中央とを結ぶ直線の長さに相当する）は、第１の誘電体層１０４の厚さよりも大きいことが好ましい。第１の誘電体層１０４の厚さは、最も薄い部分で測定される厚さ（底面における厚さ）である。これにより、第１の誘電体層１０４が保持可能な電荷量（第１の誘電体層１０４の絶縁耐圧（ＭＶ／ｃｍ）と第１の誘電体層１０４の厚さの積）において、隣り合う凹部１０６の底面１０６間に電位差が生じている場合に、底面１０６間をホッピング伝導などにより、電荷が直線的に移動して、流出することを防ぐことができる。
【００４７】
基板１０１は不純物をドープした単結晶シリコン基板であり、導電性を有する導電性基板である。第３の誘電体層１０２は、基板１０１を熱酸化法により酸化させることにより形成した、厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。導電性電極１０３は不純物をドープした厚さ３００ｎｍの多結晶シリコン膜である。第１の誘電体層１０４はＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成された、厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜であり、第２の誘電体層１０５はＬＰＣＶＤ法により形成された厚さ１５０ｎｍのシリコン窒化膜である。第１の誘電体層１０４に形成された凹部１０６は、ドライエッチングにより形成されている。凹部１０６ａにおいて、底面１０６ａの幅は５μｍであり、頂面１０６ｃの幅は５μｍであり、隣り合う凹部１０６の間隔（隣り合う底面１０６ａの中心から中心までの距離、「ピッチ」ともいう）は１０μｍであり、深さは３５０ｎｍである。また、凹部１０６において側壁１０６ｂは傾斜を有している。
【００４８】
図３に本発明のエレクトレット素子１００を備えた、振動発電器６００の断面図を示す。振動発電器６００は、エレクトレット層１０７および導電性電極１０３がパターニングされて形成されたエレクトレット素子１００ａ〜ｃ（エレクトレット素子１００ａ〜ｃを構成する基板１０１は共通する１つの基板である）と、所定の間隔を隔てて対向して設置された、集電電極６０７を含む基板６０３から構成される。基板１０１の両端は弾性構造体６０９を介して固定構造体６１０と接続される。弾性構造体６０９はバネでもよいし、反発により基板１０１を押し戻す材料（例えばゴム）から構成されていてもよい。
【００４９】
外部からの振動６０８が加わると、弾性構造体６０９が伸縮し、それにより基板１０１は基板６０３に対して相対的に変位を行う。このとき、エレクトレット素子１００ａ〜ｃと基板６０３上の集電電極６０７ａ〜ｃとの重なり面積の増減が起こり、集電電極６０７ａ〜ｃに誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減を電気エネルギーとして取り出すことによって発電を行う。振動発電器６００は、例えば、小電力の無線通信モジュール、およびその他の電子機器において用いてよい。
【００５０】
本発明の実施の形態にかかるエレクトレット素子１００によれば、エレクトレットの電荷保持安定性を向上させる効果を得ることができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
【００５１】
エレクトレット素子１００内部に注入され保持された電荷は、保持された電荷同士の静電反発力により電荷密度の高いエレクトレット素子１００内部から、電荷密度の低いエレクトレット素子１００の外部へ、時間の経過とともに拡散して流出する。このとき、エレクトレット素子１００内部に保持された電荷は、エレクトレット素子１００内部の絶縁性の低い領域を通過して流出する。エレクトレット素子１００を構成する第１の誘電体層１０４と第２の誘電体層１０５の接合界面は、第１の誘電体層１０４と第２の誘電体層１０５の異種材料の接合面である。接合面は、他の領域と比較して格子欠陥が多く存在する領域であるため、絶縁性が低い。したがって、エレクトレット素子１００内部に保持された電荷は、第１の誘電体層１０４と第２の誘電体層１０５との接合界面に沿って移動し、流出しやすい。
【００５２】
図１に示すように、第１の誘電体層１０４と第２の誘電体層１０５の接合界面のうち凹部１０６の側壁１０６ｂでは、第１の誘電体層１０４と第２の誘電体層１０５の界面が導電性電極１０３から離れる方向（図１中のｚ方向）へ延びている。よって、エレクトレット素子１００の内部に保持された電荷が第１の誘電体層１０４と第２の誘電体層１０５の接合界面に沿って移動する場合、電荷は導電性電極１０３から離れる方向（図１中のｚ方向）へ移動することとなる。一方、本実施の形態においては、導電性電極１０３がアース電位と接続されているので、エレクトレット素子１００内部に保持された電荷は導電性電極１０３へ静電力により引き付けられる。ゆえに、電荷が第１の誘電体１０４と第２の誘電体１０５の接合界面に沿って、導電性電極１０３から離れる方向（図１中のｚ方向）へ移動しようとしても、導電性電極１０３へ引き寄せる静電力が作用するため、電荷は凹部１０６の底面領域から移動することができない。それにより、電荷の流出を防ぐことができ、電荷は凹部１０６の底面１０６ａに安定して保持される。これは、導電性電極１０３を、エレクトレット層１０７が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット層１０７の表面電位の絶対値よりも小さい電位に接続した場合、または導電性電極１０３をエレクトレット層１０７が保持する電荷と異なる極性の電位に接続した場合でもあてはまる。
【００５３】
本実施の形態では、凹部１０６を複数有する構造を示した。第１の変形例においては、図４に示すように、１つのエレクトレット素子３００の第１の誘電体層１３４は、凹部１３６を１つのみ有してよい。この場合、凹部１３６のサイズを大きくできるため、第２の誘電体層１３５で、凹部１３６の底面および側壁を良好に被覆することが容易となる。
【００５４】
図５に示すように、第２の変形例のエレクトレット素子３１０においては、第２の誘電体層１４５が第１の誘電体層１４４の凹部１４６の底面１４６ａと側壁１４６ｂのみを被覆するように形成されていてもよい。あるいは、図６に示すように、第３の変形例のエレクトレット素子３２０においては、第２の誘電体１５５が、第１の誘電体層１５５の凹部１５６の底面１５６ａと側壁１５６ｂの一部分のみを被覆していてもよい。これらの変形例においても、第１の誘電体層１４４、１５４と第２の誘電体層１４５、１５５との接合界面を移動した電荷は、ｚ方向に移動しなければ流出できない。しかし、これらの変形例においても、電荷のｚ方向の移動は静電力により抑制されるので、電荷を凹部１４６、１５６内にとどめることができ、電荷安定性が向上する。
【００５５】
図７に示すように、本実施の形態の第４の変形例のエレクトレット素子３３０においては、第２の誘電体１６５の厚さが、第１の誘電体層１６４の凹部１６６の底面から頂面までの距離よりも大きくてもよい。さらに、第５の変形例（第４の変形例の変形例である）においては、図８に示すように、１つのエレクトレット素子３４０は凹部１７６を１つのみ有してよい。これらの変形例において、第２の誘電体層１６５、１７５を第１の誘電体層１６４、１７４の凹部１６６、１７６の深さよりも厚くして、凹部１６６、１７６を第２の誘電体層１６５、１７５で埋め込むようにすることで、第２の誘電体層１６５、１７５が、例えば凹部の側壁で途切れることなく、凹部の底面および側壁を連続して良好に第２の誘電体層１６５、１７５で被覆することができる。
【００５６】
図９に示すように、本実施の形態の第６の変形例のエレクトレット素子３５０においては、導電性電極１８３と第１の誘電体１８４との間に、１つまたは複数の誘電体層１８７を形成し、エレクトレット層１８０が３つの誘電体層１８５、１８４、１８７から成ってよい。この場合、エレクトレット層１８０に保持可能な電荷量を増加させることができる。例えば、シリコン酸化膜からなるエレクトレットにおいては、約５〜７ＭＶ／ｃｍ以上の電界を印加されたときに絶縁破壊が発生する。よって、第１の誘電体１８４のシリコン酸化膜の膜厚が１μｍであるとき、表面電位の限界は５００Ｖである。
【００５７】
これに対し、導電性電極１８３と第１の誘電体１８４との間に別の誘電体層１８７を形成すると、表面電位の限界を当該別の誘電体層１８７の絶縁耐圧（ＭＶ／ｃｍ）と膜厚の積の分だけ高くすることが可能となる。その結果、エレクトレット素子３５０の表面電位を高くすることができ、エレクトレット素子３５０を用いた電子機器の静電誘導特性を向上させることができる。その結果、例えば、エレクトレット素子３５０を振動発電器などに適用する場合、その発電出力を増大させることができる。
【００５８】
図１０に示すように、本実施の形態の第７の変形例のエレクトレット素子４００において、第２の誘電体層１０５の表面に、防湿層２０８を形成してもよい。防湿層２０８は、空気中の湿度により、エレクトレット層１０７中の電荷が奪われることを防止して、電荷保持安定性をより向上させ得る。前記防湿層は、疎水基により水の吸着を防止するＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラン）、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、または高ガスバリア性の無機材料（例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはアルミニウム酸化膜）であってよい。防湿層は、図５および図６に示すエレクトレット素子３１０および３２０におけるように、第１の誘電体層１４４、１５４の表面の一部が第２の誘電体層１４５、１５５により被覆されず、露出している場合には、当該露出した領域をも被覆するように形成される。
【００５９】
図１１に示すように、本実施の形態の第８の変形例のエレクトレット素子４１０においては、導電性電極および基板の代わりに導電性基板２１１を用い、基板２１１をアース電位に接続してよい。導電性基板を使用する場合にも、電荷保持安定性を向上させることができる。導電性基板２１１は、エレクトレット層１０７が保持する電荷と同じ極性の電位であって、その絶対値がエレクトレット層１０７の表面電位の絶対値よりも小さい電位、またはエレクトレット層１０７が保持する電荷とは異なる極性の電位に接続してよい。この構成は、第３の誘電体層および導電性電極を要しないので、エレクトレット素子構成を簡易にし、コスト面で有利である。
【００６０】
本実施の形態では、図２に示すように凹部１０６（より正確には、凹部の底面１０６ａおよび頂面１０６ｃ）が長方形状を有し、互いに平行となるよう並列している例を挙げた。図１２に示すように、第９の変形例においては、複数の凹部３０６を、１つのエレクトレット素子５００の第１の誘電体層５０６において、複数の底面３０６ａおよび複数の頂面３０６ｃが同心円となるように形成してもよい。この場合、ｘ−ｙ平面の全方向における電荷流出を防止することができる。図１２、および後述する変形例を示す図１３〜１５は、第２の誘電体層を取り除いた素子の平面図、すなわち第１の誘電体層の平面図である。これらの変形例において凹部の側壁は傾斜を有していないが、側壁は傾斜を有していてよく、あるいは湾曲していてよい。また、図１２、および図１３〜１５は見やすさのために、底面３０６ａに相当する部分にハッチングを付している。
【００６１】
あるいは、図１３に示すように、１つのエレクトレット素子５１０（第１０の変形例）の第１の誘電体層３１６において、相似形の額縁状の複数の凹部３１６を、底面３１６ａおよび頂面３１６ｂが同心となるように形成してもよい。このような凹部３１６は、リソグラフィを用いた半導体プロセスにて、同心円状の凹部よりも容易に形成することができる。
【００６２】
あるいは、図１４に示すように、１つのエレクトレット素子５２０（第１１の変形例）の第１の誘電体層３２６において、凹部３２６は、底面３２６ａがドット状となるように形成してもよい。この構成において、頂面３２６ｃはドット３２６ａの間をつなぐ面である。この構成をリソグラフィを用いた半導体プロセスにより形成する場合、第１の誘電体層、第２の誘電体層の形状によらず同一のレチクルを用いることができる。よって、第１の誘電体層、第２の誘電体層のパターン形状を変更しても、レチクルを再作成する必要がない。
【００６３】
あるいは、図１５に示すように、１つのエレクトレット素子３５０（第１２の変形例）の第１の誘電体層３３６において、凹部３３６は、四角形の底面３３６ａを規則的に形成して、頂面３３６ｂが格子状となるように形成してもよい。このような凹部３３６は、リソグラフィを用いた半導体プロセスにて、同心円状の凹部よりも容易に形成することができる。
【００６４】
本実施の形態において、基板１０１はシリコン基板である。基板１０１は、サファイア基板、またはガラス基板であってよく、あるいは他の材料からなる基板であってよい。特に基板１０１として、絶縁性基板（ガラス基板またはサファイア基板など）を用いる場合、図１６に示すように、エレクトレット素子６５０（第１３の変形例）は第３の誘電体層を有する必要はなく、基板６５１上に導電性電極１０３が形成されてよい。
【００６５】
本実施の形態において、第１の誘電体層１０４はシリコン酸化膜であり、第２の誘電体層１０５はシリコン窒化膜である。第１の誘電体層を基板に近い側に配置し、第２の誘電体層を基板から遠い側に配置する積層構造のエレクトレット層において、エレクレット層に負の電荷を着電する場合、第２の誘電体層は、第１の誘電体層よりも、伝導帯の底Ｅｃが低い限りにおいて制限されず、エレクトレット層において正の電荷を着電する場合、第２の誘電体層は、第１の誘電体層よりも価電子帯の頂上Ｅｖよりも高い限りにおいて特に制限されない。２つの誘電体層がこれらの関係を満たすエネルギー準位を有することにより、第１の誘電体層が着電した電荷に対するポテンシャル障壁となる。
【００６６】
例えば、第２の誘電体層１０５は、アルミニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、またはチタン酸化膜などであってよい。これらの膜もまた、シリコン酸化膜がポテンシャル障壁となりうるような誘電体膜であるから、シリコン酸化膜と組み合わされたときに、エレクトレット層の耐熱性を有効に向上させる。
【００６７】
導電性電極１０３は、多結晶シリコン以外の材料、例えば、金属材料（例えばアルミニウムや銅など）から形成してもよい。金属材料を用いた場合、電極の抵抗率を下げることができる。よって、金属材料で導電性電極を形成したエレクトレット素子１００を振動発電器で用いると、発電の発熱抵抗損失を低減することができる。その結果、静電誘導により誘起された電荷を有効に出力することが可能となる。
【００６８】
（実施例）
以下に、上記実施の形態の具体例を実施例として説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
図１７に示すエレクトレット素子７００を作製し、電荷保持安定性の評価を行った。シリコン基板７０１（厚さ６７５μｍ）に、熱酸化法により厚さ１μｍのシリコン酸化膜７０４を形成した。さらにシリコン基板７０１の主面側のシリコン酸化膜７０４表面に、底面７０６ａの幅が５μｍ、底面７０６ａのピッチが１０μｍ、深さ３５０ｎｍの長方形状の凹部７０６を複数、ドライエッチングにより形成した。凹部７０６は、互いに平行となるように形成した。凹部７０６が形成されたシリコン酸化膜７０４に、ＬＰＣＶＤ法によりシリコン窒化膜７０５（厚さ１５０ｎｍ）を形成した。最後に、防湿層７０８としてＨＭＤＳを蒸着し、コロナ放電により正の電荷をエレクトレット層７０７に注入した。
【００６９】
[電荷保持安定性の評価]
上記方法にて作製したエレクトレット素子７００を、電荷流出が加速される高湿環境下（３０℃８５％ＲＨ）にて保管し、電荷保持安定性の評価を行った。表面電位の測定は、表面電位計（Ｔｒｅｋ社製  ｍｏｄｅｌ３４７）を用いて行った。評価結果を図１８に示す。高湿環境下にて約２００時間経過後の初期電位に対する表面電位の劣化率を比較すると、従来のエレクトレット素子（第１の誘電体層に凹部を形成していない点を除いては、図１７のエレクトレット素子と同じ構成を有する）においては、表面電位が約３５％低下した。これに対し、本発明のエレクトレット素子において、表面電位は約１％しか低下していない。この結果から、本発明のエレクトレット素子は、従来の凹構造を有していない同膜厚、同膜構成のエレクトレットよりも高い電荷保持安定性を示すといえる。
【００７０】
図示した形態はいずれも、本実施の形態の例であり、凹部の数、形状、サイズおよび深さ、誘電体層の厚さ、誘電体層に保持される電荷の量、ならびに導電性電極の形状および数は、特定のものに限定されない。これらを任意に選択しても、本実施の形態の効果を得ることができる。
【００７１】
また、上述の実施の形態は、本発明を例示するためのものであり、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明のエレクトレット素子は、向上した電荷保持安定性を有し、振動発電器のエレクトレット電極として有用である。
【符号の説明】
【００７３】
１００  エレクトレット素子
１０１  基板
１０２  第３の誘電体
１０３  導電性電極
１０４  第１の誘電体
１０５  第２の誘電体
１０６  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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