(57)【要約】【課題】単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し、大きな静電容量変化が得られ、且つ広範囲の周波数帯域に対応すると共に、高周波数帯域での使用が期待できる、新規な可変容量キャパシタ素子とその製造方法を提供する。【解決手段】  基板と、基板上に配置された第１の電極層と、第１の電極層上に配置された誘電体層と、誘電体層上に配置された第２の電極層とを有する可変容量キャパシタ素子であって、前記誘電体層は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧を印加することによって、前記誘電体層内をイオンが移動して静電容量が変化するイオン伝導性誘電体層である、可変容量キャパシタ素子。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上に配置された第１の電極層と、
第１の電極層上に配置された誘電体層と、
誘電体層上に配置された第２の電極層と、
を有する可変容量キャパシタ素子であって、
前記誘電体層は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧を印加することによって、前記誘電体層内をイオンが移動して静電容量が変化する、イオン伝導性誘電体層である、
可変容量キャパシタ素子。
【請求項２】
イオン伝導性誘電体層が、電圧印加により当該イオン伝導性誘電体層内を移動するイオンを供給する材料を含む、請求項１に記載の可変キャパシタ素子。
【請求項３】
第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部が、電圧印加により前記イオン伝導性誘電体層内を移動するイオンを当該イオン伝導性誘電体層に供給する材料を含む、請求項１又は２に記載の可変キャパシタ素子。
【請求項４】
イオン伝導性誘電体層内を移動する前記イオンが、銀、銅、リチウム、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかの金属イオンである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変キャパシタ素子。
【請求項５】
イオン伝導性誘電体層内を移動する前記イオンが、酸素イオンである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変キャパシタ素子。
【請求項６】
イオン伝導性誘電体層が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の可変キャパシタ素子。
【請求項７】
前記イオン伝導性誘電体層が、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかの高分子を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の可変キャパシタ素子。
【請求項８】
前記イオン伝導性誘電体層が、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかの高分子に、銀電解質塩、銅電解質塩、ニッケル電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩のいずれかの金属塩を含ませた高分子電解質である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のキャパシタ素子。
【請求項９】
前記イオン伝導性誘電体層が、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、ヨウ化銀ルビジウム（ＲｂＡｇ４Ｉ５）のいずれかのハロゲン化物である、請求項１から５のいずれか一項に記載のキャパシタ素子。
【請求項１０】
前記イオン伝導性誘電体層が、硫化ゲルマニウム（ＧｅＳ）、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、セレン化ゲルマニウム（ＧｅＳｅ）、セレン化銀（Ａｇ２Ｓｅ）、セレン化銅（Ｃｕ２Ｓｅ）、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）、テルル化アンチモン（ＳｂＴｅ）、テルル化ゲルマニウムアンチモン（ＧｅＳｂＴｅ）のいずれかのカルコゲン化合物である、請求項１から５のいずれか一項に記載のキャパシタ素子。
【請求項１１】
第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部が含む前記材料が、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ３）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、クロム酸リチウム（ＬｉＣｒＯ２）、タングステン酸銀（Ａｇ２ＷＯ４）、タングステン酸銅（ＣｕＷＯ４）、タングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）のいずれかである、請求項３〜１０のいずれか１項に記載のキャパシタ素子。
【請求項１２】
第１の電極層及び／又は第２の電極層が、白金、金、イリジウム、タングステン、ルテニウム、パラジウム、ロジウムのいずれかを主成分とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のキャパシタ素子。
【請求項１３】
基板と第１の電極層との間に配置された絶縁層又は密着層を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のキャパシタ素子。
【請求項１４】
前記イオン伝導性誘電体層の厚さが１μｍ以下である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のキャパシタ素子。
【請求項１５】
基板上に、前記第１の電極層と第２の電極層の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された請求項１から１４のいずれか一項に記載のキャパシタ素子が少なくとも２つ以上配列された、キャパシタアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導性誘電体層中の正または負の電荷を有するイオン移動に伴い、イオン伝導性誘電体層の静電容量が変化する、可変容量キャパシタ素子及びそのようなキャパシタ素子を用いて構成されるキャパシタアレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の情報端末機器に代表される無線通信機器の進化により、通信システムのブロードバンド化が進み、今後、更なる情報量の増加に伴って、２ＧＨｚ以上の周波数帯域を使用したデータの送受信が見込まれている。このような通信機器では、広範囲の周波数帯域で動作する無線の送受信回路（共振器）の選定が特に重要である。
従来、この要請に応えるために、各周波数に対応する幾つもの容量素子をあらかじめ選択して共振器に搭載し、使用する周波数帯域に応じて対応する容量素子をその都度切り替えて使用するという方法が採用されていた。しかし、この方法では、多数の容量素子が必要となるために部品点数の増加を招き、その結果、これらを配置するためのスペースが必要となり、機器が大型化するという問題があった。
そこで、この問題を解決するために、使用する広範囲の周波数帯域に対応しうる可変容量素子の開発が求められている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、誘電体として空乏層を用いる、一般に「バラクタ」と称される可変容量素子が記載されている。具体的には、バラクタは、ｐｎ接合のｐ型半導体とｎ型半導体との界面、またはＭＩＳ構造の絶縁膜と半導体との界面などに形成される空乏層の厚みを電圧によって制御することで静電容量を調節できることが記載されている（段落［０００２］）。さらに、ＭＩＳ構造においてダイヤモンド半導体を使用することによって、高温でも動作する可変容量素子が得られることが記載されている（段落［００１１］）。
しかしながら、バラクタダイオードは、消費電力や損失が大きく、今後の携帯電話の高性能化、高機能化への対応には限界があるという問題点が指摘されている（特許文献３、段落［０００２］参照）。また、このような空乏層の厚みを電圧によって制御する可変容量素子は、高周波での誘電損失が大きいため、一般に、大きなリーク電流と発熱も問題となり、また、容量可変率も小さく、使用できる周波数も限定的である。
【０００４】
また、特許文献２には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術で作製されたアクチュエータを使用した可変キャパシタ（ＭＥＭＳ可変キャパシタ）が記載されている。具体的には、ＭＥＭＳ可変キャパシタは、例えば、一端が基板主面に接続され、他端が基板主面の上方に保持されたアクチュエータに設けられた可動電極と、可動電極に対向する基板主面上に設けられた固定電極と、を有し、アクチュエータにより可動電極と固定電極との間の距離を変化させることで、これらの電極間の静電容量を変化させるものであることが記載されている（段落［０００４］）。さらに、ＭＥＭＳ可変キャパシタを携帯電話等の高周波向けの用途に応用した場合、高いＱ値を実現することが記載されている（段落［０００５］）。
しかしながら、ＲＦ−ＭＥＭＳを用いた可変容量素子は、容量値が小さい、衝撃に弱い、応答速度が遅い、微細な３次元精密加工が必要であるため高価である等の問題があることが指摘されている（特許文献３、段落［０００５］）。また、このようなＭＥＭＳを用いた可変容量素子は、アクチュエータ部の動作の信頼性やパッケージ技術の難しさ、さらには、製造コストが高いという問題がある。  
【０００５】
また、特許文献３には、他の可変容量素子として、チタン酸バリウムストロンチウムや、チタン酸ストロンチウム等のペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料を用いることが記載され、具体的には、誘電体材料の誘電率のバイアス電界依存性を利用した薄膜可変容量素子が記載されている（段落［０００４］）。
しかしながら、これらのペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料を用いた可変容量素子は、高周波信号に対する損失が大きいという問題があることが指摘され（特許文献３、段落［０００６］）、そのＱ値も小さいという問題がある。また、このような高周波信号に対する損失特性を改善するために、ペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料に添加物を加える試みも行われているが、それにより容量変化率が大きく損なわれてしまうという問題も指摘されている（特許文献３、段落［０００７］）。
【０００６】
一方、特許文献４には、固体電解質が、リチウムイオン伝導性固体電解質である、ＬｉαＺｒβＭγ（ＰＯ４）３（但し、ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及び希土類元素から選択される少なくとも１種の金属であり、α、β、γは、１．１＜α≦１．８、０．０３≦γ／β≦０．５、α＞１＋γ）を、５０体積％以上含むことを特徴とするキャパシタが記載され、卑金属を含む電極材料とリチウムイオン伝導性固体電解質材料とを低酸素雰囲気で焼成して製造した場合でも、焼結体密度などの優れた特性を有するキャパシタが得られることが記載されている。
しかしながら、特許文献４には、専ら、焼結体密度、イオン伝導度、及び静電容量に着目したキャパシタ、並びに、電極材料と固体電解質材料と焼成時の雰囲気を規定したキャパシタの製造方法が記載されているにとどまり、広範囲の周波数帯域に対応しうる可変容量素子については記載も示唆もされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１７７２７８号公報
【特許文献２】特開２００９−２８５７９７号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００７／１１６４７１号公報
【特許文献４】特開２０１５−２１６２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の背景技術の項で説明した従来の問題点を解消するためになされたものであり、単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し、大きな静電容量変化が得られ、且つ広範囲の周波数帯域に対応すると共に、高周波数帯域での使用が期待できる、新規な可変容量キャパシタ素子とその製造方法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】
【０００９】
本発明者らは、上記の文献に記載されたこれまでの試みとは異なる観点から鋭意検討を進めた結果、基板上に、第１の電極層、電圧印加によりイオン伝導性誘電体層内にイオンを供給する材料を含む当該誘電体層、及び第２の電極層を積層したキャパシタ素子の両電極層の間に電圧を印加すると、イオン伝導性誘電体層内をイオンが移動していずれか一方の電極層側に例えば高ドープし又は析出し、それによって、イオン伝導性誘電体層の誘電率が変化して、静電容量が変化する可変キャパシタ素子が得られ、かかる可変キャパシタ素子を用いることによって上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、本発明者らは、第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部が、電圧印加によりイオン伝導性誘電体層内にイオンを供給する材料を含む場合も、上記の構成と同様に機能して、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１）  基板と、基板上に配置された第１の電極層と、第１の電極層上に配置された誘電体層と、誘電体層上に配置された第２の電極層と、を有する可変容量キャパシタ素子であって、前記誘電体層は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧を印加することによって、前記誘電体層内をイオンが移動して静電容量が変化する、イオン伝導性誘電体層である、可変キャパシタ素子。
（２）  イオン伝導性誘電体層が、電圧印加により当該イオン伝導性誘電体層内を移動するイオンを供給する材料を含む、（１）に記載の可変キャパシタ素子。
（３）  第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部が、電圧印加により前記イオン伝導性誘電体層内を移動するイオンを当該イオン伝導性誘電体層に供給する材料を含む、（１）又は（２）に記載の可変キャパシタ素子。
（４）  イオン伝導性誘電体層内を移動する前記イオンが、銀、銅、リチウム、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかの金属イオンである、（１）〜（３）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（５）  イオン伝導性誘電体層内を移動する前記イオンが、酸素イオンである、（１）〜（３）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（６）  イオン伝導性誘電体層が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかを含む、（１）〜（５）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（７）  前記イオン伝導性誘電体層が、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかの高分子を含む、（１）〜（５）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（８）  前記イオン伝導性誘電体層が、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかの高分子に、銀電解質塩、銅電解質塩、ニッケル電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩のいずれかの金属塩を含ませた高分子電解質である、（１）〜（５）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（９）  前記イオン伝導性誘電体層が、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、ヨウ化銀ルビジウム（ＲｂＡｇ４Ｉ５）のいずれかのハロゲン化物である、（１）から（５）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（１０）  前記イオン伝導性誘電体層が、硫化ゲルマニウム（ＧｅＳ）、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、セレン化ゲルマニウム（ＧｅＳｅ）、セレン化銀（Ａｇ２Ｓｅ）、セレン化銅（Ｃｕ２Ｓｅ）、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）、テルル化アンチモン（ＳｂＴｅ）、テルル化ゲルマニウムアンチモン（ＧｅＳｂＴｅ）のいずれかのカルコゲン化合物である、（１）から（５）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（１１）  第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部が含む前記材料が、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ３）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、クロム酸リチウム（ＬｉＣｒＯ２）、タングステン酸銀（Ａｇ２ＷＯ４）、タングステン酸銅（ＣｕＷＯ４）、タングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）のいずれかである、（３）〜（１０）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（１２）  第１の電極層及び／又は第２の電極層が、白金、金、イリジウム、タングステン、ルテニウム、パラジウム、ロジウムのいずれかを主成分とする、（１）〜（１１）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（１３）  基板と第１の電極層との間に配置された絶縁層又は密着層を有する、（１）〜（１２）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（１４）  前記イオン伝導性誘電体層の厚さが１μｍ以下である、（１）〜（１３）のいずれかに記載のキャパシタ素子。
（１５）  第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部が、銀、銅、リチウム、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかの金属を含む、（１）〜（１４）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（１６）  イオン伝導性誘電体層が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかで形成され、さらに、銀、銅、リチウム、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかの金属を含む、（１）〜（１５）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（１７）  イオン伝導性誘電体層が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかで形成され、さらに、酸素イオンを含む、（１）〜（１６）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（１８）  前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に電圧を印加することによって、前記第１の電極層又は第２の電極層から前記イオン伝導性誘電体層内にイオンが供給され、前記誘電体層内を前記イオンが移動して静電容量が変化する、（１）〜（１７）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（１９）前記電圧印加後に電圧をゼロにしても、前記電圧印加後の静電容量を保持する、不揮発性を有する、（１）〜（１８）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（２０）前記電圧印加後に電圧をゼロにすると、前記電圧印加後の静電容量が保持されない、揮発性を有する、（１）〜（１８）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（２１）前記基板が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどのプラスチック基板である、（１）〜（２０）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（２２）前記基板が、柔軟な材料で構成される、（１）〜（２１）のいずれかに記載の可変キャパシタ素子。
（２３）  基板上に、前記第１の電極層と第２の電極層の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された上記のいずれかに記載のキャパシタ素子が少なくとも２つ以上配列された、キャパシタアレイ。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の可変キャパシタ素子によれば、第１の電極層と第２の電極層との間に電圧を印加することによって、イオン伝導性誘電体層内をイオンが移動して、いずれか一方の電極層側にイオンが蓄積し、それによって、キャパシタ素子の静電容量を変化させることが可能であるため、単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し得る。また、本発明の可変キャパシタ素子によれば、電圧印加により大きな静電容量変化が得られるという優れた効果が得られる。また、本発明によれば、広範囲の周波数帯域に対応すると共に、高周波数帯域での使用を可能とする新規な可変容量キャパシタ素子を提供することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、フレキシブルなキャパシタ素子の作製が可能となり、インクジェット等の印刷技術により低コストで作製可能であるという効果が得られる。このように、本発明を使用することにより、ペーパーディスプレイ、フラットパネルディスプレイの駆動回路への応用も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の可変キャパシタ素子の第１の態様の構成例を示す概念図。
【図２】本発明の可変キャパシタ素子の第２の態様の構成例を示す図である。
【図３】本発明の可変キャパシタ素子の第１の態様・実施形態１、２の動作原理を示す概念図。
【図４】本発明の可変キャパシタ素子の第２の態様・実施形態４、５の動作原理を示す概念図。
【図５】本発明の可変キャパシタ素子の第２の態様・実施形態３の動作原理を示す概念図。
【図６】本発明のキャパシタアレイの構成例とその動作原理を示す概念図。
【図７】実施例１の可変キャパシタ素子の容量−周波数曲線の一例。
【図８】実施例１の可変キャパシタ素子の容量−印加電圧曲線の一例。
【図９】実施例２の可変キャパシタ素子の容量−印加電圧曲線の一例。
【図１０】実施例２の可変キャパシタ素子の容量−時間曲線の一例。
【図１１】実施例２の可変キャパシタ素子の容量−誘電体層膜厚曲線の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する本発明の詳細な説明は、代表的な態様、実施形態、及び実施例に基づいてなされることがあるが、これらは例示であり、本発明はそのような態様、実施形態、及び実施例に限定されるものではない。
【００１５】
［１］本発明のキャパシタの素子の第１の態様
本発明のキャパシタ素子の第１の態様の例を、図１に示す。
本発明の第１の態様は、基板１１の上に、第１の電極層１３、イオン伝導性誘電体層１４、第２の電極層１５が順次積層されたキャパシタ素子であって、イオン伝導性誘電体層１４が、第１の電極層１３と第２の電極層１５との間に電圧を印加することにより当該イオン伝導体誘電体層内を移動するイオン１６を供給する材料を含むことを特徴とするキャパシタ素子である。
なお、図１のように、基板１１と第１の電極層１３との間に、絶縁層又は密着層１２を好適に配置してもよい。
【００１６】
図１においては、第１の態様のうち、第１の電極層１３と第２の電極層１５との間に電圧を印加することにより、イオン伝導体誘電体層１４が含む前記材料から供給されたイオン１６が、イオン伝導体誘電体層中に存在している様子を例示している。
【００１７】
基板１１としては、その上に積層される層構成を保持できるものであれば、いかなる材料及び形状のものを用いることができ、例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックからなる任意の形状の基板を使用することができる。また、基板１１には、これらの材料を複合し、あるいは積層して用いてもよく、例えば、シリコン上に二酸化珪素を形成した積層体を基板１１として用いてもよい。また、基板１１がプラスチックからなる場合は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート又はポリイミドなどを用いてもよい。また、基板１１は柔軟な材料で構成されていてもよく、かかる材料を使用することにより、フレキシブルなキャパシタ素子の作製が可能となる。基板１１を柔軟な材料で構成したり、基板を平坦で且つ薄厚のものとすることにより、本発明のキャパシタ素子を、ペーパーディスプレイやフラットディスプレイの駆動回路に応用しやすくなるという利点がある。
【００１８】
絶縁層又は密着層１２としては、基板１１と第１の電極層１３との間の絶縁性を確保したり、あるいは密着性を高めるものであれば、いかなる材料のものも用いることができ、例えば、基板１１上に、絶縁層又は密着層１２として、任意の酸化物層を形成してもよい。特に、基板１１がシリコンであって、第１の電極層１３が白金の場合は、基板１１と第１の電極層１３との間に、絶縁層又は密着層１２として二酸化珪素を形成することが好ましい。絶縁層又は密着層１２の形成にあたっては、塗布法、スパッタ法、真空蒸着法など、任意の既知の方法を適宜使用することができる。
第１の電極層１３としては、本発明の電極として機能するものであれば、いかなる材料のものも用いることができ、例えば、白金、金、イリジウム、タングステン、ルテニウム、パラジウム、ロジウムから構成されていてもよく、あるいは、これらのいずれかを主成分として構成されていてもよい。第１の電極層及び後述の第２の電極層共に、任意の既知の方法を用いて作製することができる。
【００１９】
一方、第２の電極層１５としては、本発明の電極として機能するものであれば、いかなる材料のものも用いることができ、例えば、白金、金、イリジウム、タングステン、ルテニウム、パラジウム、ロジウムから構成されていてもよく、あるいは、これらのいずれかを主成分として構成されていてもよい。第１の電極層１３と第２の電極層１５とは同じ材料でもよいが、本発明の電極として機能する限り、異なる材料であってもよい。  
【００２０】
ここで、本発明の第１の態様では、特にイオン伝導性誘電体層１４の構成に特徴があり、図１に示すように、イオン伝導性誘電体層１４が、第１の電極層１３と第２の電極層１５との間に電圧を印加することにより当該イオン伝導体誘電体層内を移動するイオン１６を供給する材料を含むことを特徴とする。
【００２１】
以下、イオン１６が、リチウムイオンの場合（実施形態１）、銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかのイオンである場合（実施形態２）、酸素イオンの場合（実施形態３）に分けて、それぞれの実施形態における、好ましいイオン伝導性誘電体層１４について説明する。
なお、イオン１６がいずれの場合でも、イオン伝導性誘電体層１４の厚さは１μｍ以下が好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以下であり、又、下限としては１０ｎｍ以上がより好ましい。
【００２２】
［１−Ａ］実施形態１：イオン１６が、リチウムイオンの場合
図１において、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在するリチウムイオン１６を供給するための材料との組み合わせの例としては、前者については、酸化物である酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかを含むものが挙げられ、後者については、電圧印加によってリチウムイオンを形成するイオン性化合物やリチウム金属単体、あるいはリチウムイオン自体が挙げられる。例えば、前者の酸化物に、後者の正電荷のリチウムイオン１６をドーピングすることにより、そのような組み合わせのイオン伝導性誘電体層１４を得ることができる。
【００２３】
また、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在するリチウムイオン１６を供給するための材料との組み合わせの別の例としては、前者については、高分子であるポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートが挙げられ、後者については、リチウム電解質塩が挙げられ、例えば、前者の高分子に、後者のリチウム電解質塩を含ませることにより、高分子電解質として、そのような組み合わせのイオン伝導性誘電体層を得ることができる。
【００２４】
また、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在するリチウムイオン１６を供給するための材料との組み合わせの別の例としては、前者と後者とが一致した組み合わせとして、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）又は臭化リチウム（ＬｉＢｒ）であるハロゲン化リチウムとしたものを用いてもよい。
【００２５】
［１−Ｂ］実施形態２：イオン１６が、銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかのイオンの場合
図１において、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在する銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかのイオン１６を供給するための材料との組み合わせの例としては、前者については、酸化物である酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかを含むものが挙げられ、後者については、電圧印加によって、銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかのイオンを形成するイオン性化合物やそれらの金属単体、あるいはそれらの金属イオン自体が挙げられる。例えば、前者の酸化物に、後者の正電荷の金属イオン１６をドーピングすることにより、そのような組み合わせのイオン伝導性誘電体層１４を得ることができる。
【００２６】
また、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在する銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかの金属イオン１６を供給するための材料との組み合わせの別の例としては、前者については、高分子であるポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートが挙げられ、後者については、銀電解質塩、銅電解質塩、ニッケル電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩のいずれかの電解質塩が挙げられ、例えば、前者の高分子に、後者の金属電解質塩を含ませることにより、高分子電解質として、そのような組み合わせのイオン伝導性誘電体層を得ることができる。
【００２７】
また、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在する銀、銅のいずれかの金属イオン１６を供給するための材料との組み合わせの別の例としては、前者と後者とが一致した組み合わせとして、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、ヨウ化銀ルビジウム（ＲｂＡｇ４Ｉ５）のいずれかの金属ハロゲン化物としたものを用いてもよい。
【００２８】
また、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在する銀、銅のいずれかの金属イオン１６を供給するための材料との組み合わせの別の例としては、前者と後者とが一致した組み合わせとして、硫化銀（Ａｇ２Ｓ）、硫化銅（Ｃｕ２Ｓ）、セレン化銀（Ａｇ２Ｓｅ）、テルル化インジウムアンチモン銀（ＡｇＩｎＳｂＴｅ）、セレン化銅（Ｃｕ２Ｓｅ）、テルル化ゲルマニウム銅（ＧｅＣｕＴｅ）のいずれかのカルコゲン化合物としたものを用いてもよい。
【００２９】
［１−Ｃ］実施形態３：イオン１６が、酸素イオンの場合
図１において、イオン伝導性誘電体層１４と、当該誘電体層１４中に存在する酸素イオンを１６を供給するための材料との組み合わせの例としては、前者と後者が一致した組み合わせとして、酸化物である酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかを含むものが挙げられる。
【００３０】
これらの酸化物を含むイオン伝導性誘電体層１４の形成にあたっては、例えば、反応性スパッタ法を用い、成膜時に供給する酸素ガスの流量を高めることにより、当該誘電体層中の酸素含有量を増加させ、電圧印加によって当該誘電体層内への酸素イオンを供給するための能力を向上しておく手段が有効である。
【００３１】
なお、実施形態３（イオン１６が酸素イオンの場合）の実施にあたっては、負の酸素イオン１６の効果を電気的に相殺させないために、第１の電極層及び第２の電極層は共に、正の金属イオン及びそのようなイオン供給源を含まないように設計することが望ましい。
【００３２】
［２］本発明のキャパシタの素子の第２の態様
本発明のキャパシタ素子の第２の態様の例を、図２に示す。
本発明の第２の態様は、基板２１の上に、第１の電極層２３、イオン伝導性誘電体層２４、第２の電極層２５が順次積層されたキャパシタ素子であって、第１の電極層２３及び／又は第２の電極層２５の少なくとも一部が、電圧印加により前記イオン伝導性誘電体層２４内を移動するイオン２６を当該イオン伝導性誘電体層２４に供給する材料を含むことを特徴とするキャパシタ素子である。
なお、図２のように、基板２１と第１の電極層２３との間に、絶縁層又は密着層２２を好適に配置してもよい。
【００３３】
図２においては、第２の態様のうち、第１の電極層２３と第２の電極層２５との間に電圧を印加することにより、イオン伝導性誘電体層に供給されるイオン２６が、第２の電極層２５内に留まって存在している様子を例示している。
【００３４】
基板２１は、前記の図１の基板１１と同様な基板を選択して用いることができる。
【００３５】
絶縁層又は密着層２２は、前記の図１の絶縁層又は密着層１２と同様な層を選択して用いることができる。
【００３６】
イオン伝導性誘電体層２４の厚さは１μｍ以下が好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以下であり、又、下限としては１０ｎｍ以上がより好ましい。
イオン伝導性誘電体層２４の例としては、酸化物である酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化タングステン（ＷＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はこれらの混晶のいずれかを含むものが挙げられる。
【００３７】
ここで、本発明の第２の態様では、イオン伝導性誘電体層２４の構成に加えて、特に第１の電極層及び／又は第２の電極層の構成に特徴があり、図２に示すように、第１の電極層２３と第２の電極層２５との間に電圧を印加することにより、イオン伝導性誘電体層２４に供給されるイオン２６ないしそのイオン供給源が、第２の電極層２５中に存在することを特徴とする。例えば、第２の電極層２５としては、電圧を印加したときに陽極酸化反応によってイオン伝導性誘電体層２４中にイオン２６を供給し得る材料を用いている。
【００３８】
以下、イオン２６が、リチウムイオンの場合（実施形態４）、銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかのイオンである場合（実施形態５）に分けて、それぞれの実施形態における、好ましい電極層について説明する。
【００３９】
［２−Ａ］実施形態４：イオン２６がリチウムイオンの場合
図２において、第２の電極層２５としては、例えば、第１の電極層２３と第２の電極層２５との間に電圧を印加したときに陽極酸化反応によってイオン伝導性誘電体層２４中にリチウムイオン２６を供給し得る材料から構成されていることが好ましく、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ３）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、クロム酸リチウム（ＬｉＣｒＯ２）、タングステン酸リチウム（Ｌｉ２ＷＯ４）を好適に用いることができる。第１の電極層及び／又は第２の電極層は、これらのいずれかの材料から構成されているのが好ましいが、イオン伝導性誘電体層中にイオン２６を供給し得る限り、第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部に含まれている態様でもよい。
【００４０】
［２−Ｂ］実施形態５：イオン２６が銀、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄、コバルト、マンガンのいずれかのイオンの場合
図２において、第２の電極層２５としては、例えば、第１の電極層２３と第２の電極層２５との間に電圧を印加したときに陽極酸化反応によってイオン伝導性誘電体層２４中に銀、銅のいずれかのイオン２６を供給し得る材料から構成されていることが好ましく、タングステン酸銀（Ａｇ２ＷＯ４）、タングステン酸銅（ＣｕＷＯ４）を好適に用いることができる。第１の電極層及び／又は第２の電極層は、これらのいずれかの材料から構成されているのが好ましいが、イオン伝導性誘電体層２４中にイオン２６を供給し得る限り、第１の電極層及び／又は第２の電極層の少なくとも一部に含まれている態様でもよい。
【００４１】
［３］本発明のキャパシタ素子構造の作製方法
本発明のキャパシタ素子は、既知の方法により効率良く簡便に作製することができる。例えば、あらかじめ準備した基板に、スパッタ法又は真空蒸着法を用いて密着層、第１の電極層を形成する。その後、イオン伝導性誘電体層を材料に適合する好適な手法で堆積する。例えば、金属酸化物の場合は、スパッタ法やパルスレーザー堆積法で、高分子の場合は、スピンコート法で、ハロゲン化物及びカルコゲン化合物の場合は、スパッタ法や真空蒸着法で適宜形成することができる。さらに第２の電極層は、スパッタ法、真空蒸着法、又はパルスレーザー堆積法のいずれかの手法を用いて形成してもよい。
【００４２】
［４］本発明のキャパシタ素子の動作原理
本発明のキャパシタ素子の動作原理を、前記の実施形態を例として、図を参照しつつ説明する。
【００４３】
［４−Ａ］第１の態様・実施形態１の動作原理
本発明の実施形態１のキャパシタ素子の動作原理を、図１及び図３を参照しつつ説明する。図３の符号１１〜１６は、図１の符号１１〜１６とそれぞれ対応している。ここでは、第１の電極層１３（白金）／イオン伝導性誘電体層１４（リチウムドープ酸化タンタル）／第２の電極層１５（白金）を順次積層した構造を例にして説明する。
【００４４】
まず、図１に示すように、このキャパシタ素子構造を作製した直後の初期状態では、正の電荷を有するリチウムイオン１６が、最初から酸化タンタル１４中に存在し、均一に分布している。
【００４５】
次に、図３に示すように、この状態から、第１の電極層１３と第２の電極層１５との間に電圧を印加することによって、リチウムイオン１６が、第１の電極層１３側の界面に向かって移動する。
移動したリチウムイオン１６は、酸化タンタル層１４と第１の電極層１３との界面（以下、下部電極界面と称する）付近に蓄積する。このとき、２つの効果によって静電容量が変化する。一つは、高ドープされた下部電極界面付近の酸化タンタルの誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、下部電極界面付近に集まったリチウムイオン１６によって母体となる酸化タンタル層１４の実効的な厚さが薄くなることによるものである。この２つの効果により、キャパシタ素子の静電容量Ｃを印加電圧の関数として変化させることができる。
【００４６】
電圧を印加することを止めると、下部電極界面に蓄積したリチウムイオン１６は、酸化タンタル層１４内を拡散し均一化して元の状態へと戻ろうとうる（すなわち、静電容量が小さくなる。）。したがって、この場合は、電圧を印加しているときにのみ静電容量が変化する、いわゆる揮発性動作となる。これに続いて、第２の電極層１５に負の電圧を印加すると、酸化タンタル層１４中のリチウムイオン１６は、酸化タンタル層１４と第２の電極層１５との界面（以下、上部電極界面と称する）付近に蓄積し、再び、同様に静電容量が変化する。したがって、正と負の両方の極性の印加電圧に対して同様に静電容量が変化する。このような動作はイオン１６としてナトリウムイオンを使用した場合にも観測することができる。
【００４７】
［４−Ｂ］第１の態様・実施形態２の動作原理
これに対して、本発明の実施形態２の場合、例えば、銀、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、マンガンのいずれかを有するイオン伝導性誘電体を用いた場合においては、電圧印加によって上部あるいは下部電極界面付近に移動したその金属イオン１６は、実施形態１の場合とは異なり、下部電極界面に析出して同様の静電容量の変化を起こす。この状態では、印加電圧をゼロにしても析出した金属は変化しないため、実施形態１の場合とは異なり、印加電圧をゼロにしても静電容量は維持され、いわゆる不揮発動作となる。静電容量を元に戻すためには逆極性の電圧印加が必要となる。すなわち、第２の電極層１５に負の電圧を印加すると、析出した金属は再び酸化されてイオン化し、イオン伝導性誘電体層内を上部電極界面側へと移動する。そして、上部電極界面で還元反応により上部電極内へと戻り、静電容量も元に戻る。
したがって、本発明の実施形態２の場合のキャパシタ素子では、常に第２の電極層１５に正の電圧を印加した場合のみ静電容量は大きくなり、逆に、負の電圧を印加することにより元の静電容量に戻す動作となる。
【００４８】
［４−Ｃ］第２の態様・実施形態４の動作原理
続いて、本発明の実施形態３のキャパシタ素子の動作原理を、図２及び図４を参照しつつ説明する。図４の符号２１〜２６は、図２の符号２１〜２６とそれぞれ対応している。ここでは、第１の電極層２３（白金）／イオン伝導性誘電体層２４（酸化タンタル）／第２の電極層２５（コバルト酸リチウム）を順次積層した構造を例にして説明する。
【００４９】
まず、図２に示すように、このキャパシタ素子構造を作製した直後の初期状態では、正の電荷を有するリチウムイオン２６は、酸化タンタル層２４中には存在しない。
【００５０】
次に、図４に示すように、この状態から、第１の電極層２３と第２の電極層２５との間に電圧を印加することによって、コバルト酸リチウムの酸化反応により、第２の電極層２５との界面（以下、上部電極界面と称する）でリチウムがイオン化し、そのリチウムイオン２６が、酸化タンタル層２４中に供給されて、第１の電極層２３側の界面に向かって移動する。
移動したリチウムイオン２６は、酸化タンタル層２４と第１の電極層２３との界面（以下、下部電極界面と称する）付近に蓄積する。このとき、２つの効果によって静電容量が変化する。一つは、高ドープされた下部電極界面付近の酸化タンタルの誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、下部電極界面付近に集まったリチウムイオン２６によって母体となる酸化タンタル層２４の実効的な厚さが薄くなることによるものである。この２つの効果により、キャパシタ素子の静電容量Ｃを印加電圧の関数として変化させることができる。
【００５１】
電圧を印加することを止めると、下部電極界面に蓄積したリチウムイオン２６は、酸化タンタル層２４内を拡散し均一化して元の状態へと戻ろうとする（すなわち、静電容量が小さくなる。）。したがって、この場合は、電圧を印加しているときにのみ静電容量が変化する、いわゆる揮発性動作となる。これに続いて、第２の電極層２５（コバルト酸リチウム）に負の電圧を印加すると、酸化タンタル層２４中のリチウムイオン２６は、タンタル層２４と第２の電極層２５との界面（上部電極界面）付近へと移動する。そして、上部電極界面での還元反応により、リチウムイオン２６は、第２の電極層２５（コバルト酸リチウム）に戻る。その結果、再び、同様に静電容量が変化する。したがって、正と負の両方の極性の印加電圧に対して同様に静電容量が変化する。このような動作はイオン２６としてナトリウムイオンを使用した場合にも観測することができる。
【００５２】
［４−Ｄ］第２の態様・実施形態５の動作原理
これに対して、本発明の実施形態５の場合、例えば、第２の電極層に銀、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、マンガンのいずれかを用いた場合においては、電圧印加によって上部電極界面付近でこれらの金属が酸化反応によりイオン化し、その金属イオン２６が、イオン伝導性誘電体層内に供給され、第１の電極層２３側の界面に向かって移動し、実施形態４の場合とは異なり、下部電極界面に析出して同様の静電容量の変化を起こす。この状態では、印加電圧をゼロにしても析出した金属は変化しないため、実施形態４の場合とは異なり、印加電圧をゼロにしても静電容量は維持され、いわゆる不揮発動作となる。静電容量を元に戻すためには逆極性の電圧印加が必要となる。すなわち、第２の電極層２５に負の電圧を印加すると、析出した金属は再び酸化されてイオン化し、イオン伝導性誘電体層内を上部電極界面側へと移動する。そして、上部電極界面で還元反応により上部電極内へと戻り、静電容量も元に戻る。
したがって、本発明の実施形態５の場合のキャパシタ素子では、常に第２の電極層２５に正の電圧を印加した場合のみ静電容量は大きくなり、逆に、負の電圧を印加することにより元の静電容量に戻す動作となる。
【００５３】
［４−Ｅ］第１の態様・実施形態３の動作原理
本発明の実施形態３のキャパシタ素子の動作原理を、図１及び図５を参照しつつ説明する。図５の符号５１〜５６は、図１の符号１１〜１６とそれぞれ対応している。ここでは、第１の電極層５３（白金）／イオン伝導性誘電体層５４（酸化タングステン）／第２の電極層５５（白金）を順次積層した構造を例にして説明する。
【００５４】
まず、図１に示すように、このキャパシタ素子構造を作製した直後の初期状態では、負の電荷を有する酸素イオン１６が、最初から酸化タングステン１４内に存在し、均一に分布している。
【００５５】
次に、図５に示すように、この状態から、第１の電極層５３と第２の電極層５５との間に電圧を印加することによって、酸化タングステン層５４中の負の電荷を有する酸素イオン５６が、第２の電極層５５側の界面に向かって移動する。
移動した酸素イオン５６は、電気化学反応により気体５７となって大気中に放出される。この酸素イオンの脱離により、酸化タングステン層５４内には正の電荷の酸素空孔５８が下部電極界面付近に生成される。このとき、２つの効果によって静電容量がへんかする。一つは、この酸素空孔５８の密度が高くなる下部電極界面付近の酸化タングステンの誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、下部電極界面付近に生成された酸素空孔５８によって母体となる酸化タングステン層５４の実効的な厚さが薄くなることによるものである。この２つの効果により、キャパシタ素子の静電容量Ｃを印加電圧の関数として変化させることができる。
【００５６】
電圧を印加することを止めると、酸化タングステン層５４が大気中から酸素を取りこむため、下部電極界面付近に生成された酸素空孔５８は少しずつ減少する。その結果、変化した静電容量は、時間の経過と共に少しずつ元に戻る、半揮発的な動作を示す。この状態から、第２の電極層５５に正の電圧を印加すると、上部電極界面付近において大気中から酸素が酸化タングステン層５４内に取り込まれ、下部電極界面付近に生成された酸素空孔５８は消滅し、元の状態に戻る。
【００５７】
［５］本発明のキャパシタアレイ
図６は、本発明の別の実施形態である、キャパシタアレイの構成例を示す。複数の本発明のキャパシタ素子を基板３１上に、絶縁層又は密着層３２、第１の電極層３３、イオン伝導性誘電体層３４、及び第２の電極層３５をクロスバー構造で形成する。第１の電極層３３は共通化されており、すべての上部電極に同じ電圧を印加してもよいし、特定の上部電極に任意の電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を印加してもよい。それぞれのキャパシタ素子のイオン伝導性誘電体層３４と第２の電極層３５を適切に選択し、異なる特性周波数を有するキャパシタ素子を並列接続することにより、広い周波数範囲を網羅するキャパシタアレイ、あるいはより大きな容量変化を有するキャパシタアレイを構成することが可能となる。
【００５８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、必ずしも下記の実施例に限定されるものではない。
【００６０】
［実施例１］
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層として白金、イオン伝導性誘電体層としてリチウムドープ酸化タンタル、第２の電極層として白金を、順次積層したキャパシタ構造を作製した。
イオン伝導性誘電体層として、リチウムを５ｍｏｌ％ドープした厚さ５ｎｍのＴａ２Ｏ５膜をスパッタ法により堆積した。また、第１及び第２の電極層として、白金を電子線蒸着法により堆積した。
【００６１】
次に、作製した白金／リチウムドープ酸化タンタル／白金構造を有する本発明のキャパシタ素子の容量−周波数特性を交流インピーダンス法により測定した。その結果の一例を、図７に示す。容量は、電圧印加前の初期状態での容量の値で規格化している。
図７に示すとおり、直流印加電圧を大きくしていくと、低周波数領域での容量変化が大きくなり、その立ち上がりは印加電圧とともに高周波数側にシフトすることが判明した。リチウムをドープしていないＴａ２Ｏ５層を使用した場合は、このような容量変化は観測されないことから、図７に示した容量変化は、Ｔａ２Ｏ５層（イオン伝導性誘電体層）中の正の電荷を有するリチウムイオンの移動に伴うＴａ２Ｏ５層の組成変調（誘電率変調）及び実効的な誘電体層の厚さの変化に起因すると考えられる。
このように、本発明の可変キャパシタ素子によれば、電圧印加により、低周波数側で大きな静電容量変化が得られると共に、より高周波数側での静電容量変化をもたらすことが示された。
【００６２】
また、上記の白金／リチウムドープ酸化タンタル／白金構造を有する本発明のキャパシタ素子について、異なる周波数での容量の印加電圧依存性を測定した結果を図８に示す。
図８に示すとおり、電圧印加により低周波数側でより大きな容量変化が観測されるが、１０ｋＨｚの周波数でも１Ｖの電圧印加で３倍程度もの大きな容量変化が実現できていることが判明した。
このように、本発明の可変キャパシタ素子によれば、比較的小さな電圧を印加することにより、高周波数側で極めて大きな静電容量変化が実現できることが示された。
【００６３】
［実施例２］
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層として白金、イオン伝導性誘電体層として酸化タングステン、第２の電極層として白金を、順次積層したキャパシタ構造を作製した。
イオン伝導性誘電体層として、酸化タングステンを、酸素ガスを十分に導入した反応性スパッタ法により堆積し、酸化タングステン層中に最初から酸素イオンが電圧印加により存在するような成膜条件を用いた。なお、酸化タングステンの厚さは１５０ｎｍとした。
また、第１及び第２の電極層として、白金をスパッタ法により堆積した。
【００６４】
次に、作製した白金／酸化タングステン／白金構造を有する本発明のキャパシタ素子の容量−印加電圧特性を交流インピーダンス法により測定した。その結果の一例を、図９に示す。容量は、電圧印加前の初期状態での容量の値で規格化している。
図９に示すとおり、０Ｖから１００ｍＶまでは印加する電圧を大きくしても容量の変化は見られなかったが、印加電圧が２００ｍＶに達したところで容量の増加が観測された。ここで、いったん印加電圧を０Ｖに戻し、再度測定を行ったところ、容量が初期の容量の９倍もの値に増大したことが判明した。
このように、本発明の可変キャパシタ素子によれば、比較的小さな電圧を印加することにより、極めて大きな静電容量変化が得られることが示された。
【００６５】
続いて、変化した静電容量の時間変化を調べるため、図９を用いて説明した上記の電圧印加後に、本発明のキャパシタ素子を大気中に放置し、一定時間おきに０Ｖ印加状態の静電容量を測定した。その結果の一例を、容量−時間曲線として図１０に示す。
図１０に示すとおり、電圧印加によって変化した容量は徐々に減少するものの、４日間経過した後でも、初期の容量の約３倍の値を維持し、半揮発性的な振る舞いをすることが判明した。これは、酸素イオンを放出した酸化タングステン層（イオン伝導性誘電体層）が、再び大気中から酸素を取り込む挙動に対応すると考えられ、負の酸素イオンによる容量変化であることを示唆しているものと考えられる。
【００６６】
さらに、変化する容量についての酸化タングステン層厚さ依存性を測定した結果を図１１に示す。
図１１に示すとおり、酸化タングステン層の厚さが３００ｎｍ以上の場合は電圧印加による容量の変化が見られなかったが、厚さが２００ｎｍを下回る辺りから容量変化が２倍を超え、厚さが１５０ｎｍでは約９倍に達した（図９に対応）。したがって、さらに酸化タングステン層（イオン伝導性誘電体層）の厚さを小さくすることにより、より大きな容量変化を得られる可能性がある。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上詳細に説明したように、本発明は、イオン伝導性誘電体層中のイオン移動により容量変化を起こすキャパシタ素子及びそれを使用したキャパシタアレイを提供するものである。低電圧で動作可能な本発明の可変容量キャパシタ素子は携帯電話等の高周波通信機器に搭載される可能性だけでなく、ペーパーディスプレイやフラットパネルディスプレイ回路などの幅広い用途にも使用できる。
【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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