(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な素子構造により電流発振する発振素子を提供する。【解決手段】第１金属層２と、第１金属層２とショットキー接合され、トンネル現象を発現させるトンネル絶縁層３と、第１金属層２とトンネル絶縁層３との間に電圧を印加するための第２金属層４とを備える。第２金属層４に対して第１金属層２が逆バイアスとなる方向に電圧を印加して高電流密度とすることにより、ショットキー接合に流れる電流を発振させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と、
上記金属層とショットキー接合され、トンネル現象を発現させるトンネル絶縁層と、
上記金属層と上記トンネル絶縁層との間に電圧を印加するための電極と
を備え、
上記電極に対して上記金属層が逆バイアスとなる方向に電圧を印加して上記ショットキー接合に流れる電流を所定の高電流密度とすることにより、上記ショットキー接合に流れる電流を発振させることを特徴とする発振素子。
【請求項２】
上記トンネル絶縁層は、アノード酸化処理により上記金属層上に形成されたアノード酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項３】
上記金属層は、アルミニウム層であり、
上記アノード酸化膜は、上記アルミニウム層の表面を覆うアルミニウム酸化皮膜であることを特徴とする請求項２に記載の発振素子。
【請求項４】
上記ショットキー接合に流れる電流が発振する電流領域の平均電流密度範囲は、１.２×１０４Ａｃｍ−２以上、７．８×１０４Ａｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項５】
上記トンネル絶縁層の厚さは、０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項６】
上記ショットキー接合に流れる電流が発振する周波数は、２．５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発振素子と、
上記電極に対して上記金属層が逆バイアスとなる方向に電圧を印加する電源装置と
を備えることを特徴とする発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキー障壁ダイオードを用いた発振素子及び発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属と半導体との接合で生じる障壁はショットキー障壁（Schottky Barrier）と呼ばれ、このショットキー障壁を利用したダイオードがショットキー障壁ダイオードである。ショットキー障壁ダイオードは、半導体がｐ型の場合、順方向バイアスでは半導体から金属へ多量の電流が流れ、逆方向バイアスでは金属から半導体へ少量の電流が流れる整流作用を示し、また、半導体がｎ型の場合、順方向バイアスでは金属から半導体へ多量の電流が流れ、逆方向バイアスでは半導体から金属へ少量の電流が流れる整流作用を示す。
【０００３】
このようなショットキー障壁は、金属とその表面に形成された金属酸化膜との接合においても生じる。金属酸化膜は酸素欠乏型または酸素過剰型の半導体であるからである。
【０００４】
ところで、金属酸化膜は絶縁膜であるため、通常、金属酸化膜中を電流が直接大量に流れることはないが、その膜厚を厚い方から薄い方へ変えていくにしたがって、金属酸化膜中を電流が直接大量に流れる現象、すなわち、トンネル現象が起こり始める。このトンネル現象により、金属と金属酸化膜との接合においては、上述した整流作用に基づく電流に加え、トンネル現象に基づく電流も流れることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-297092号公報（2004年10月21日公開）
【特許文献２】特開2007-48613号公報（2007年2月22日公開）
【特許文献３】特開2013-12755号公報（2013年1月17日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、このような２種の電流が流れる、金属と金属酸化膜との接合において、この接合を流れる電流に発振がみられることを見出し、この電流発振は所定の高電流密度において発現することを確認した。
【０００７】
これまで、金属と金属酸化膜との接合を流れる電流の特性に関し、当該電流特性を表わす電流−電圧特性の検討にまで踏み込んだ先行技術文献（特許文献１〜３を参照）はあるものの、いずれの文献においても上述したような電流発振が発現したとの報告はなされていない。
【０００８】
本発明は、本発明者による上記の知見を基にして完成されたものであり、簡単な素子構造により電流発振する発振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】
【０００９】
本発明に係る発振素子は、金属層と、上記金属層とショットキー接合され、トンネル現象を発現させるトンネル絶縁層と、上記金属層と上記トンネル絶縁層との間に電圧を印加するための電極とを備え、上記電極に対して上記金属層が逆バイアスとなる方向に電圧を印加して上記ショットキー接合に流れる電流を所定の高電流密度とすることにより、上記ショットキー接合に流れる電流を発振させる。
【００１０】
上記構成によれば、金属層とトンネル絶縁層とのショットキー接合に流れる電流を所定の高電流密度とすることにより、発振素子に電流発振させることができる。
【００１１】
それゆえ、金属層、トンネル絶縁層及び電極からなる簡単な素子構造により、電流発振する発振素子を実現することができる。
【００１２】
なお、所定の高電流密度とは、上記発振素子の構成、すなわち金属層及びトンネル絶縁層それぞれの材質や、トンネル絶縁層の厚さによって定まり、上記発振が起こる電流密度領域である。この電流密度領域は、一般的なショットキーダイオード等に流れる電流の電流密度よりも大幅に高い電流密度の領域である。上記電流密度領域は、上記発振素子に電流を流してその電流密度を変化させつつ、発振の有無を観察することによって特定することができる。
【００１３】
上記トンネル絶縁層は、アノード酸化処理により上記金属層上に形成されたアノード酸化膜であることが好ましい。
【００１４】
上記金属層は、アルミニウム層であり、上記アノード酸化膜は、上記アルミニウム層の表面を覆うアルミニウム酸化皮膜であることが好ましい。
【００１５】
上記ショットキー接合に流れる電流が発振する電流領域の平均電流密度範囲は、１.２×１０４Ａｃｍ−２以上、７．８×１０４Ａｃｍ−２以下であることが好ましい。
【００１６】
上記トンネル絶縁層の厚さは、０．５ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
上記ショットキー接合に流れる電流が発振する周波数は、２．５ｋＨｚであることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る発振装置は、上記発振素子と、上記電極に対して上記金属層が逆バイアスとなる方向に電圧を印加する電源装置とを備える。
【００１９】
上記構成によれば、簡単な素子構造により電流発振する発振素子を用いた発振装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、簡単な素子構造により、電流発振するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る発振素子の要部構造を模式的に示す断面図である。
【図２】上記発振素子を用いた、電気自動車に用いられるパワーコントロールユニットの概略構成図である。
【図３】評価に用いたサンプル素子の構造を示す断面図である。
【図４】サンプル素子を作製し、評価する装置の模式図である。
【図５】サンプル素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】（ａ）は、サンプル素子に印加された逆バイアス電圧を示す図、（ｂ）は、サンプル素子を流れた電流を示す図である。
【図７】（ａ）は、サンプル素子に印加された逆バイアス電圧を示す図、（ｂ）は、サンプル素子を流れた電流を示す図である。
【図８】（ａ）は、サンプル素子に印加された逆バイアス電圧を示す図、（ｂ）は、サンプル素子を流れた電流を示す図である。
【図９】上記発振素子のトンネル絶縁層に生じる空乏領域及びキャリア領域を示す模式図である。
【図１０】上記発振素子のトンネル絶縁層に生じる空乏領域及びキャリア領域を示す模式図である。
【図１１】上記発振素子のトンネル絶縁層に生じる空乏領域及びキャリア領域を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付し、図面で同一または類似の符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。また、本実施形態に記載されている構成の寸法、材質、形状、相対配置、加工法等はあくまで一実施形態に過ぎず、これらによってこの発明の範囲が限定解釈されるべきではない。さらに図面は模式的なものであり、寸法の比率、形状は現実のものとは異なる。
【００２３】
（発振素子１の構造）
図１は、本発明の一実施形態に係る発振素子１の要部構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、発振素子１は、第１金属層（金属層）２と、トンネル絶縁層３と、第２金属層（電極）４と、を備えている。第１金属層２、トンネル絶縁層３及び第２金属層４は、この順で、積層されている。
【００２４】
第１金属層２とトンネル絶縁層３とは、その接合部にショットキー障壁を形成する。すなわち、第１金属層２とトンネル絶縁層３とはショットキー接合している。このショットキー接合により、発振素子１は、背景技術で述べた整流作用を示す。
【００２５】
一方、トンネル絶縁層３と第２金属層４とは、その接合部にショットキー障壁を形成することなく、オーミック接合している。このオーミック接合により、第２金属層４は、トンネル絶縁層３に付けられた電極として機能する。第２金属層４は、トンネル絶縁層３の電極として機能すればよく、このため、発振素子１は、上述した、第２金属層４が、第１金属層２及びトンネル絶縁層３と積層される構造に限定されるものではない。要は、第２金属層４は、第１金属層２とトンネル絶縁層３との間に電圧を印加することができる構造であればよい。
【００２６】
また、第２金属層４は、一般的には白金等の金属が使用されるが、トンネル絶縁層３との間でオーミック接合することができればよいのであって、カーボンのような、金属以外の導電材料を用いることもできる。
【００２７】
なお、金属層と絶縁層との接合が、ショットキー接合となるか、オーミック接合となるかは、金属層と絶縁層との間におけるエネルギーバンド構造に生じる障壁の高さに依存する。このため、第１金属層２とトンネル絶縁層３とがショットキー接合するよう、各々の材料が選定されている。その選定には、例えば、エネルギーバンド構造の障壁の高さを決める各々の仕事関数や電子親和力が用いられる。トンネル絶縁層３と第２金属層４とのオーミック接合についても同様である。
【００２８】
さらに、トンネル絶縁層３は、背景技術で述べたトンネル現象を起こす。このトンネル現象により、第１金属層２とトンネル絶縁層３とのショットキー接合にはトンネル電流も流れる。上述した整流作用に基づく電流は、ショットキー障壁を超えて流れるものであるのに対し、トンネル電流は、ショットキー障壁を透過する、すなわち、量子力学的にトンネリングするものである。
【００２９】
このようにして、発振素子１は、第１金属層２及び第２金属層４を２つの電極とし、この２つの電極間に電圧Ｖ１１が印加されることにより、電流Ｉ１２を出力する。
【００３０】
以下、トンネル絶縁層３がｐ型半導体である場合を例として説明する。トンネル絶縁層３がｎ型半導体である場合であれば、第１金属層２と第２金属層４との間に印加されるバイアス電圧の正負が、以下に説明するｐ型半導体の場合とは逆の関係となる。
【００３１】
（発振素子１の動作）
次に、トンネル絶縁層３がｐ型半導体である、発振素子１の動作について説明する。図１に示したように、発振素子１には、２つの電極である、第１金属層２と第２金属層４との間に電圧Ｖ１１が印加される。電圧Ｖ１１の印加方向として、第２金属層４を基準として第１金属層２に負の電圧（以下、「順バイアス電圧」と呼ぶ。）Ｖ１１が印加される場合と、第２金属層４を基準として第１金属層２に正の電圧（以下、「逆バイアス電圧」と呼ぶ。）Ｖ１１が印加される場合と、がある。すなわち、第２金属層４を基準として第１金属層２に順バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合であれば、第２金属層４に対して第１金属層２が順バイアスとなる方向に電圧が印加され、第２金属層４を基準として第１金属層２に逆バイアス電圧が印加される場合であれば、第２金属層４に対して第１金属層２が逆バイアスとなる方向に電圧が印加される。
【００３２】
最初に、順バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合について説明する。第１金属層２と第２金属層４との間に順バイアス電圧が印加されると、上述の整流特性に基づく電流（以下、単に「整流特性電流」と呼ぶ。）及びトンネル電流の各々が流れる。
【００３３】
順バイアス電圧の印加により、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ流れ込むキャリア（電子または正孔）に対し、ショットキー障壁の高さが低下する。一方、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へのショットキー障壁の高さはそのままである。したがって、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へのみキャリアの移動が容易となる。すなわち、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ多量の整流特性電流（以下、「順方向電流」と呼ぶ。）が流れる。
【００３４】
トンネル電流は、上述したとおり、ショットキー障壁を透過し、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ流れる。
【００３５】
以上により、発振素子１に順バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合、トンネル電流と順方向電流とが足し合わされた電流Ｉ１２が、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ流れることになる。
【００３６】
次に、逆バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合について説明する。逆バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合であっても、順バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合と同様、基本的には、整流特性電流及びトンネル電流の各々が流れる。
【００３７】
逆バイアス電圧Ｖ１１の印加により、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ流れ込むキャリア（電子または正孔）に対し、ショットキー障壁の高さが上昇する。一方、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へのショットキー障壁の高さはそのままである。したがって、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へのキャリアの移動が難しくなる。すなわち、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へ極少量の整流特性電流（以下、「逆方向電流」と呼ぶ。）が流れる。
【００３８】
トンネル電流は、上述したとおり、ショットキー障壁を透過し、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へ流れる。
【００３９】
以上により、発振素子１に逆バイアス電圧Ｖ１１が印加される場合、トンネル電流と逆方向電流とが足し合わされた電流Ｉ１２が、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へ流れることになる。
【００４０】
ここで、本発明の特徴部分は、逆バイアス電圧Ｖ１１の印加時、所定の高電流密度領域において、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へ流れる電流Ｉ１２が発振する点にある。
【００４１】
発振素子１では、逆バイアス電圧Ｖ１１を印加し、所定の高電流密度とすることにより、高周波数で発振する電流Ｉ１２、すなわち、交流電流の出力が実現される。また、この電流発振は、これまで知られていなかった原理を用いることにより、複雑な回路構成を必要とすることなく上述したような単純な積層構造により実現される。さらに、発振素子１を用いれば、格段に小型化された発振装置を作り上げることができることが期待される。
【００４２】
（発振素子１の応用例）
発振素子１の応用例について説明する。図２は、電気自動車に用いられるパワーコントロールユニット１００の概略構成図である。発振素子１は、直流電流を交流電流に変換するインバータ１０３に内蔵される。
【００４３】
パワーコントロールユニット１００は、バッテリ１０１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２と、インバータ１０３と、制御回路１０４と、モータ１０５と、ＴＧ（出力軸トルク）１０６と、から構成されている。バッテリ１０１の出力電圧を、必要に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２が電圧変換し、インバータ１０３が直流電流を交流電流に変換する。この直流電流を交流電流に変換する処理を発振素子１が担うことができる。
【００４４】
インバータ１０３から出力される交流電流を用いてモータ１０５が回転する。制御回路１０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電圧及びインバータ１０３の出力電圧を検出すると共に、ＴＧ１０６を用いてモータ１０５の速度・位置等を検出することにより、インバータ１０３の変換処理を制御する。
【００４５】
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、発振素子１に電圧を印加する電源装置となる。発振素子１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電圧により、第２金属層４に対して第１金属層２に正の電圧、すなわち、逆バイアス電圧が印加される。この逆バイアス電圧の印加により、発振素子１に流れる電流が発振する。モータ１０５は、発振素子１から出力される交流電流の周波数により回転可能なものが選択されても良いし、発振素子１から出力される交流電流の周波数をモータ１０５が利用可能な周波数に変換する変換回路を設けても良い。
【００４６】
なお、バッテリ１０１においてはバッテリの直列数を多くすれば直流電圧を高くすることが可能である。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２を用いてバッテリ１０１の電圧を昇圧することなく、バッテリ１０１を発振素子１が内蔵されたインバータ１０３に直接接続することができる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２が不要となり、パワーコントロールユニット１００の部品点数を削減することができる。
【００４７】
上述したインバータの他、発振素子１には、固有の周波数で発振する電子部品、例えば、マイクロプロセッサなどのデジタル回路におけるクロック信号源、その他、テレビ、ビデオ、電装機器、電話機、複写機、カメラ、音声合成装置、通信機器といった幅広い分野でのタイミング回路における利用も期待される。
【００４８】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５０】
（サンプル素子の作製）
評価に用いる発振素子のサンプルを作製した。図３は、評価に用いたサンプル素子の構造を示す断面図である。図３に示すように、アルミニウム板（Ａｌ）５の表面にアノード酸化処理により形成したアルミニウム酸化皮膜６があり、そして、アルミニウム酸化皮膜６の面上に、白金メッキ層７が積層された構成のサンプル素子８を作製した。
【００５１】
サンプル素子８の各層についてさらに詳しく述べれば下記のとおりである。
【００５２】
アルミニウム板５（第１金属層２）：材質は１０８５（Ａｌは９９．８５％、他元素として主にＦｅ、Ｓｉ含有）、サイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さは０．１ｍｍ程度。
【００５３】
図４に示すように、サンプル素子８は、日本電子製、走査型プローブ顕微鏡、型番JSPM-5200を用い、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）コンタクティングモードで作製し、かつ評価を行った。プローブ１７が先端についたカンチレバー１８には、Budgetsensors社製、型番Tap190E-G、先端径は約２５ｎｍ、５μｍ厚のクロムメッキとクロムメッキの表面にさらに１０μｍ厚の白金メッキがされたものを用いた。共振周波数は１９０ｋＨｚであった。サンプル素子８においてプローブ１７の先端にある白金メッキ層７がアルミニウム酸化皮膜６に接触する先端径は、約２５ｎｍであることから、アルミニウム酸化皮膜６と白金メッキ層７との接触面積は約４５０ｎｍ２であった。
【００５４】
アルミニウム酸化皮膜６（トンネル絶縁層３）：プローブ１７の先端にある白金メッキ層７（第２金属層４）に対し大気中でアルミニウム板５に＋５〜＋１０Ｖの電圧を１分間印加し、アノード酸化処理により、アルミニウム板５の表面にアルミニウム酸化皮膜６を成長させた。大気中ではアルミニウム板５の表面には数ｎｍ〜数十ｎｍの水が付着しているため、本処理でアルミニウム酸化皮膜６を成長させることができる。アルミニウム酸化皮膜６の厚さは１０ｎｍ以下であった。なお、アルミニウム酸化皮膜６が自然酸化皮膜であれば、アルミニウム酸化皮膜６は最低０．５ｎｍの厚さとなる。
【００５５】
（サンプル素子の評価方法）
下記のとおり、サンプル素子８を評価した。サンプル素子８の評価は、大気中、室温で行った。図４は、上述に示すようにサンプル作製装置であると共にサンプル素子８を評価する評価装置でもあり、その模式図を示す。図４に示すように、サンプル素子８は、評価装置の支持台１５に設置されたステージ１６上に配置される。サンプル素子８のアルミニウム板５の裏面がステージ１６と接触し、アルミニウム板５上に配置されたアルミニウム酸化皮膜６に、プローブ１７の先端にある白金メッキ層７が接触される。
【００５６】
カンチレバー１８とステージ１６との間には、サンプル素子８に順バイアス電圧及び逆バイアス電圧を印加可能な電源装置１９及び、電流計２０が直列接続されている。一方、カンチレバー１８とステージ１６との間には電圧計２１が接続されている。電流計２０を用いてサンプル素子８を流れる電流Ｉ１２（図１を参照）を測定し、電圧計２１を用いてサンプル素子８に印加された電圧Ｖ１１（図１を参照）を測定することができる。
【００５７】
（評価結果）
図４に示した評価装置を用いて、サンプル素子８を評価した結果を図５に示す。図５の横軸は、サンプル素子８に印加されるバイアス電圧（Ｖ）、その縦軸は、サンプル素子８を流れる電流（ｎＡ）を示す。
【００５８】
図５に示すように、サンプル素子８に順バイアス電圧を印加した場合では（横軸のマイナス側）、サンプル素子８に流れる電流が順バイアス電圧と共にほぼ直線的に（線形的に）増加した。これに対し、サンプル素子８に逆バイアス電圧を印加した場合では（横軸のプラス側）、逆バイアス電圧が０．０１２Ｖ〜０．０７８Ｖにある時、サンプル素子８に流れる電流に大きな発振が観察された。そして、電流の発振幅は−０．１μＡ〜０．４５μＡという広範囲のものであった。なお、逆バイアス電圧が０．０１２Ｖ〜０．０７８Ｖを除く範囲では、順バイアス電圧の印加時と同様、逆バイアス電圧と共にほぼ直線的に増加した。
【００５９】
ここで、逆バイアス電圧が０．０１２Ｖ〜０．０７８Ｖである時の、サンプル素子８に流れる電流の平均電流密度を算出した。上述したとおり、プローブ１７の先端にある白金メッキ層７とアルミニウム酸化皮膜６との接触面積は約４５０ｎｍ２であったので、接触面積を４５０ｎｍ２とした。図５から、逆バイアス電圧が０．２Ｖである時、サンプル素子８に流れた電流は０．８８×１０−６Ａであると読み取れるので、プローブ１７の先端にある白金メッキ層７とアルミニウム板５との間のアルミニウム酸化皮膜６における抵抗は２．３×１０５Ω、面抵抗であれば１．０×１０−６Ωｃｍ２となった。これより、逆バイアス電圧が０．２Ｖである時、サンプル素子８に流れる電流の電流密度は２．０×１０５Ａｃｍ−２と算出された。これに対し、電流発振が観察された逆バイアス電圧の印加時、例えば逆バイアス電圧が０．０５Ｖである時、図５から読み取った値から算出すると、サンプル素子８に流れた発振電流の平均電流密度は４．０×１０４Ａｃｍ−２となった。平方ｃｍ当たり４０ｋＡの電流密度は極めて大きく、大電流を取り扱うパワー素子に適用され得ると期待される。
【００６０】
同様に、逆バイアス電圧が０．０１２Ｖ〜０．０７８Ｖである時の、サンプル素子８に流れる電流の平均電流密度を算出したところ、その平均電流密度範囲は、１.２×１０４Ａｃｍ−２〜７．８×１０４Ａｃｍ−２であった。
【００６１】
（電流発振の観察）
次に、サンプル素子８に印加された逆バイアス電圧及び、サンプル素子８を流れた発振電流を、オシロスコープ（Tektronix社製）を用いて観察した。図６は、図４に示した評価装置を用いた評価を行っている状態での観察結果、図７は、図４に示した評価装置を用いた評価の終了後の観察結果、図８は、プローブ１７の先端にある白金メッキ層７をアルミニウム酸化皮膜６から離した状態での観察結果である。また、図６〜図８の各図の（ａ）は逆バイアス電圧を示し、（ｂ）はサンプル素子８を流れた電流を示している。各図の（ａ）では、横軸は１マスが５０．０μＳ、縦軸は１マスが２０．０ｍＶである。また、各図の（ｂ）では、横軸は１マスが２５０μＳ、縦軸は１マスが５０．０Ｖである。なお、各図の（ｂ）は、上述したとおり、サンプル素子８を流れた電流を示すものであるが、各図の（ｂ）では、電流値を電圧値に換算し、プロットされている。
【００６２】
なお、各図の（ａ）には約２０ｋＨｚの交流やピーク性の波形が測定されているが、この波形は本評価に用いた測定系もしくは測定装置に起因するノイズであり、実際にサンプル素子８へ印加したバイアス電圧値（直流）は測定された交流波形の平均値から読み取ることができる。このノイズは電流測定の結果には影響していないことを確認した。
【００６３】
図６では、（ａ）に示すように０．０３２Ｖの逆バイアス電圧が印加された状態で、（ｂ）に示すようにサンプル素子８を流れた電流が発振することが観察された。そして、その発振周波数は約２．５ｋＨｚであった。また、図７においても、（ａ）に示すように０．０３２Ｖの逆バイアス電圧が印加された状態で、（ｂ）に示すようにサンプル素子８を流れた電流が発振することが観察された。そして、その発振周波数も約２．５ｋＨｚであった。なお、図８は、プローブ１７の先端にある白金メッキ層７をアルミニウム酸化皮膜６から離した状態での観察結果であったが、サンプル素子８に流れる電流は観察されなかった。
【００６４】
（電流発振のメカニズムの考察）
次に、発振素子１の電流発振のメカニズムについて考察する。なお、下記のメカニズムはあくまでも仮説であり、メカニズムの全容を解明するには、今後より深い研究を行う必要がある。
【００６５】
まず、電流発振のメカニズムの考察に入る前に、上述のショットキー接合の特性に関し、本発明者の知見を述べておく。
【００６６】
第１金属層２とトンネル絶縁層３とが接合すると、トンネル絶縁層３（ここでは、トンネル絶縁層３はｐ型半導体とする。）の正孔のうち、接合近傍の正孔は第１金属層２側へ拡散し、第１金属層２の電子と再結合し、消滅する。このため、接合近傍ではトンネル絶縁層３の正孔密度が著しく減少する。その結果、図９に示すように、トンネル絶縁層３には正孔が欠乏する空乏領域Ａが発生する。一方、空乏領域Ａを除くキャリア領域Ｂには正孔は依然存在する。なお、図９では、スイッチ１３はオフであることから、電源装置１４から発振素子１の第１金属層２と第２金属層４との間には順バイアス電圧も逆バイアス電圧も印加はされていない状態である。
【００６７】
図１０に示すように、スイッチ１３をオンすることにより、第１金属層２と第２金属層４との間に電源装置１４から順バイアス電圧を印加すると、第１金属層２側からトンネル絶縁層３側へ電子が流れる一方、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ正孔が流れ、この電子と正孔とが接合近傍で再結合することにより、発振素子１に電流が流れる。順バイアス電圧の印加により、接合近傍に、第１金属層２からは電子が、トンネル絶縁層３からは正孔が、それぞれ供給されるので、空乏領域Ａは縮み、その厚みは減少またはほとんど消滅する。
【００６８】
実際には上記の順バイアス電圧印加によるショットキー接合の電流に加えて、同方向に流れるトンネル電流Ｊｔが加算されて全体の電流になる。
【００６９】
これに対し、図１１に示すように、スイッチ１３をオンすることにより、第１金属層２と第２金属層４との間に電源装置１４から逆バイアス電圧を印加すると、第１金属層２の電子は電源装置１４側に引っ張られる一方、トンネル絶縁層３の正孔は第２金属層４側に引っ張られる。つまり、図１０に示した順バイアス電圧を印加した場合とは電子及び正孔ともに逆方向に流れる。その結果、接合近傍では電子と正孔との再結合が減少するので、発振素子１に流れる電流が減少する。また、接合近傍から正孔が掃き出されるので、空乏領域Ａが広がる。この空乏領域Ａは正孔欠乏により絶縁体となる。また、空乏領域Ａには、正孔欠乏により、少量のドナー（負電荷）が取り残され、空乏領域Ａの第２金属層４側には負電荷が蓄積する。また、第１金属層２には、電子欠乏により、正電荷が蓄積する。これにより、空乏領域Ａの両側に正の電荷及び負の電荷がそれぞれ蓄積されたコンデンサーが形成される。
【００７０】
上述の（評価結果）で述べたとおり、サンプル素子８の電流発振は、逆バイアス電圧が０．０７８Ｖに達した時点で停止した。この停止は、ショットキー接合の降伏現象が起こったものと考えられる。この降伏現象が起こった電圧である０．０７８Ｖがショットキー接合の降伏電圧である。ショットキー接合の降伏現象には二種類あり、一つはアバランシェ降伏であり、もう一つはツェナー降伏である。前者は接合のキャリア密度が低い時に起こり、後者はキャリア密度が高い時に起こる。サンプル素子８の電流発振の停止は、アバランシェ降伏に起因するものと考える。
【００７１】
逆バイアス電圧を印加した場合、図５の例においては０〜０．０１２Ｖおよび０．０７８Ｖ以上の逆バイアス電圧にて、トンネル電流Ｊｔが流れる。
【００７２】
次に、本発明者により考察された電流発振のメカニズムについて説明する。
【００７３】
上述したとおり、トンネル絶縁層３の厚さがおおよそ１０ｎｍよりも薄くなると、トンネル絶縁層３にトンネル電流が流れる。トンネル電流Ｊｔ（Ａ）は、第１金属層２−第２金属層４間の電圧Ｖ（Ｖ）、トンネル抵抗Ｒｔ（Ω）、トンネル障壁幅ｄ（ｍ）、トンネル障壁高さφ（ｅＶ）を用いれば、次の近似式が成り立つ。
Ｊｔ＝Ｖ／Ｒｔ                                            （１）
ただし、
【００７４】
【数１】
2018107153.tif 000003
【００７５】
ここで、ｑは電子の電荷（１．６０２×１０−１９Ｃ）、ｍは電子の質量（９．１０９×１０−３１ｋｇ）、ｈはプランク定数（６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ）である。
【００７６】
図９〜図１１に示したとおり、発振素子１では、アルミニウム酸化皮膜６が、空乏領域Ａ及びキャリア領域Ｂの２つの領域に分けられる。空乏領域Ａの抵抗をＲｄｅｐ、キャリア領域Ｂの抵抗をＲｃａｒとすると、
Ｒｔ＝Ｒｄｅｐ＋Ｒｃａｒ                                      （３）
となる。
【００７７】
空乏領域Ａではキャリア濃度が低くトンネル障壁φが高いため、上記（２）式によりＲｄｅｐは大きい値になるが、キャリア領域Ｂにおいてはキャリア濃度が高くトンネル障壁φが低いため、上記（２）式によりＲｃａｒは小さい値になると考えられる。すなわち、
Ｒｄｅｐ＞＞Ｒｃａｒ                                          （４）
である。
【００７８】
よって、上記（３）式は、
Ｒｔ≒Ｒｄｅｐ                                              （５）
とすることができる。以下、上記（５）式に基づき、トンネル抵抗としてＲｄｅｐを用いて、説明する。
【００７９】
発振素子１に順バイアス電圧が印加される場合、上述したとおり、トンネル電流と順方向電流とが足し合わされた電流Ｉ１２が、トンネル絶縁層３側から第１金属層２側へ流れることになる。
【００８０】
一方、発振素子１に逆バイアス電圧が印加される場合、電流発振が生じた。その理由を次のように推定した。トンネル電流Ｊｔが空乏領域Ａを通過する際、空乏領域Ａの両端に発生する電圧をＶｄｅｐとすると、
Ｊｔ＝Ｖｄｅｐ／Ｒｄｅｐ                                      （６）
また、空乏領域Ａの幅をｄｄｅｐとすると、次のことがいえる。
（ａ）発振素子１に逆バイアス電圧が印加されると、図１１に示したとおり、ｄｄｅｐが厚くなる。ｄｄｅｐが厚くなると、Ｖｄｅｐが増加することとなり、Ｒｄｅｐが増加する。
（ｂ）Ｒｄｅｐが増加すると、上記（１）式から、Ｊｔが減少する。
（ｃ）Ｊｔが減少すると、Ｖｄｅｐが減少する。
（ｄ）Ｖｄｅｐが減少すると、ｄｄｅｐが薄くなり、Ｒｄｅｐが減少する。
（ｅ）Ｒｄｅｐが減少すると、上記（１）式から、Ｊｔが増加する。
【００８１】
すなわち、Ｖｄｅｐの増加によりＪｔが減少し、Ｖｄｅｐの減少によりＪｔが増加する、といったステップが繰り返され、電流発振が生じるものと考えられる。
【００８２】
（発振周波数）
今回の評価により得られた発振周波数は約２．５ｋＨｚであった。この周波数になった理由について推定し、その推定に基づいて発振周波数を計算した。
【００８３】
発振周波数ｆは、時定数τ＝ＣＲの逆数で、ｆ＝１／τであると考えられる。
【００８４】
空乏領域Ａの容量をＣ、空乏領域Ａの体積固有抵抗Ｒｖにおける比抵抗をρとすると、
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄｄｅｐ                                      （７）
Ｒｖ＝ρｄｄｅｐ／Ｓ                                          （８）
であるので、
ｆ＝１／Ｃ／Ｒｖ＝１／ε０／εｒ／ρ＝２．６６×１０３［Ｈｚ］  （９）
と計算でき、実測値２．５ｋＨｚとほぼ一致した。
【００８５】
ここで、ε０は真空の誘電率（８．８５４×１０−１２［Ｆ/ｍ］）、εｒはアルミニウム酸化皮膜の比誘電率（８．５と推定）、ρ＝５．０×１０６［Ωｍ］（アノード酸化処理により生成したアルミニウム酸化皮膜の比抵抗の推定値）である。
【００８６】
空乏領域Ａの容量Ｃは、
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄｄｅｐ＝１．３５×１０−１７［Ｆ］
となる。ただし、ｄｄｅｐを２．５×１０−９［ｍ］、Ｓ＝４５０×１０−１８［ｍ２］とした。
【００８７】
なお、空乏領域Ａにおける抵抗には二通りの考え方ができる。一つはトンネル抵抗Ｒｄｅｐであり、もう一つは空乏領域Ａにおける体積固有抵抗Ｒｖである。
【００８８】
Ｒｄｅｐについては、図５に示したＩ−Ｖ測定の直線の傾きから求めた実測値から、Ｒｄｅｐ＝２．２７×１０５［Ω］である。これによりｆを計算すると次のとおりになる。
ｆ＝１／Ｃ／ｄｄｅｐ＝３．２６×１０１１［Ｈｚ］              （１０）
Ｒｖについては、Ｒｖ＝ρｄｄｅｐ／Ｓであるので、ρ＝５．０×１０６［Ωｍ］、ｄｄｅｐを２．５×１０−９［ｍ］、Ｓ＝４５０×１０−１８［ｍ２］とすると、Ｒｖ＝２．７８×１０１３［Ω］となる。ｆの計算値は上記（９）式に示したとおりである。
【００８９】
ＲｄｅｐとＲｖとには８桁の違いがあり、上記（９）式及び（１０）式から分かるように計算されるｆも８桁異なった。したがって、実際の発振周波数はＲｖで決定されると考えられる。なぜならば、Ｒｖを用いて計算したｆが実測した周波数とほぼ一致したこと、また、上記（２）式から分かるように、トンネル抵抗Ｒｄｅｐはトンネル障壁幅ｄとトンネル障壁高さφから決定されるものであり、ρの影響を受けない値だからである。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、直流電流を交流電流に変換するインバータや、固有の周波数で発振する電子部品、例えば、マイクロプロセッサなどのデジタル回路におけるクロック信号源、その他、テレビ、ビデオ、電装機器、電話機、複写機、カメラ、音声合成装置、通信機器といった幅広い分野でのタイミング回路における利用も期待される。
【符号の説明】
【００９１】
１  発振素子
２  第１金属層（金属層）
３  トンネル絶縁層
４  第２金属層（電極）
５  アルミニウム板
６  アルミニウム酸化皮膜
７  白金メッキ層
【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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