(57)【要約】  ポリマー結合剤、および１つの部類以上の粒子成分を含む組成物が提供される。少なくとも１つの部類の粒子成分は、個別に２ｅＶ以下のバンドギャップを有する半導体粒子を含む。ＶＳＤ材料として、この組成物は、（ｉ）固有の電圧レベルを超えた電圧の存在しない状況下で誘電性であり、（ｉｉ）固有の電圧レベルを超えた電圧の印加により導電性である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧で切替可能な誘電体材料の組成物であって、２種類以上のポリマーまたはコポリマーの混合物を含むポリマー結合剤を含み、前記ポリマー結合剤の有効バンドギャップが２ｅＶ未満であることを特徴とする組成物。
【請求項２】
前記ポリマー結合剤中の少なくとも１種類のポリマーが、該ポリマー結合剤の有効バンドギャップを２ｅＶ未満にするほど十分に低いバンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項３】
前記ポリマー結合剤中の少なくとも別の種類のポリマーがエポキシであることを特徴とする請求項１記載の組成物。
【請求項４】
組成物において、
２ｅＶ未満の有効バンドギャップを有するポリマー結合剤、および
２ｅＶ未満のバンドギャップを個別に有する部類の半導体粒子を含む、１つ以上の部類の粒子成分、
を含む組成物であって、
前記組成物が、（ｉ）固有の電圧レベルを超える電圧の存在しない状況下で誘電性であり、（ｉｉ）前記固有の電圧レベルを超えた電圧の印加により導電性であることを特徴とする組成物。
【請求項５】
前記半導体粒子がマイクロメートルまたはナノメートルの寸法にあることを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項６】
前記半導体粒子の個々のバンドギャップが、前記ポリマー結合剤のバンドギャップと実質的に等しいかまたはそれより小さいことを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項７】
前記１つ以上の部類の粒子成分が導体粒子を含むことを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項８】
前記１つ以上の部類の粒子成分が、２ｅＶ未満のバンドギャップを有する半導体粒子の部類以外の高アスペクト比粒子を含むことを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項９】
前記半導体粒子が、ＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−ＶＩ、およびＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体を含むかまたはそれらに相当することを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項１０】
前記化合物半導体が高アスペクト比粒子であることを特徴とする請求項９記載の組成物。
【請求項１１】
前記化合物半導体が少なくともある程度の濃度の量子ドット粒子を含むことを特徴とする請求項９記載の組成物。
【請求項１２】
前記化合物半導体が少なくともある程度の濃度のナノサイズの結晶質シリコンを含むことを特徴とする請求項９記載の組成物。
【請求項１３】
前記ポリマーがエポキシまたはアクリレートに相当することを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項１４】
前記ポリマー結合剤がポリマーのブレンドを含み、該ポリマーのブレンドが、該ブレンドの有効バンドギャップを２ｅＶ未満にするほど十分に低いバンドギャップを有する少なくとも１種類のポリマーを含むことを特徴とする請求項４記載の組成物。
【請求項１５】
装置において、
電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料の保護層であって、
ポリマー結合剤、および
前記ポリマー結合剤のバンドギャップと実質的に等しいかまたはそれより小さいバンドギャップを個別に有する該ポリマー結合剤中に分散されたある濃度の半導体粒子、
を有する保護層を備えた装置。
【請求項１６】
前記ある濃度の半導体粒子がマイクロメートルまたはナノメートルの寸法にあることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記ＶＳＤ材料が、前記ある濃度の半導体粒子に加え、導体粒子、より高いバンドギャップの半導体粒子、または高アスペクト比粒子に相当する１つ以上の部類の粒子をある濃度でさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
２ｅＶ未満のバンドギャップを有する前記半導体粒子が、ＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−ＶＩ、およびＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体を含むかまたはそれらに相当することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１９】
２ｅＶ未満のバンドギャップを有する前記半導体粒子が、少なくともある濃度の量子ドット粒子を含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項２０】
２ｅＶ未満のバンドギャップを有する前記半導体粒子が、少なくともある濃度のナノメートルサイズの結晶質シリコンを含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００８年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／０３９７８２号への優先権の恩恵を主張するものであり、上述した優先権の出願の全てをここに引用する。
【技術分野】
【０００２】
ここに記載された実施の形態は、電圧で切替可能な誘電体材料に関する。特に、ここに記載された実施の形態は、低バンドギャップのポリマー結合剤または複合体を有する電圧で切替可能な誘電体材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料は、低電圧で絶縁性であり、より高い電圧で導電性である材料であることが知られている。これらの材料は、典型的に、絶縁性ポリマーマトリクス中に導体、半導体、および絶縁体の粒子を含む複合体である。これらの材料は、電子装置の過渡的保護、特に、静電気放電（ＶＳＤ）および電気的オーバーストレス（ＥＯＳ）からの保護に使用される。一般に、ＶＳＤ材料は、固有の電圧または電圧範囲が印加されない限り、誘電体として挙動し、印加された場合には、この材料は導体として挙動する。様々な種類のＶＳＤ材料が存在する。電圧で切替可能な誘電体の例が、特許文献１から９などの文献に与えられており、その全てをここに引用する。
【０００４】
ＶＳＤ材料は、様々なプロセスおよび材料または組成物を使用して形成される。ある従来技法では、ポリマー層に高レベルの金属粒子を、浸透(percolation)閾値の極めて近くまで、典型的に、２５体積％より多く充填する。次いで、この混合物に半導体および／または絶縁体材料が加えられる。
【０００５】
別の従来技法では、ドープされた金属酸化物粉末を混合し、次いで、これらの粉末を焼結して粒界を有する粒子を作製し、次いで、これらの粒子をポリマーマトリクスに上述した浸透閾値まで加えることによって、ＶＳＤ材料を形成する。
【０００６】
ＶＳＤ材料を形成するための他の技法および組成物が、導体または半導体有機材料を有する電圧で切替可能な誘電体材料と題する特許文献１０、および高アスペクト比の粒子を有する電圧で切替可能な誘電体材料と題する特許文献１１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４９７７３５７号明細書
【特許文献２】米国特許第５０６８６３４号明細書
【特許文献３】米国特許第５０９９３８０号明細書
【特許文献４】米国特許第５１４２２６３号明細書
【特許文献５】米国特許第５１８９３８７号明細書
【特許文献６】米国特許第５２４８５１７号明細書
【特許文献７】米国特許第５８０７５０９号明細書
【特許文献８】国際公開第９６／０２９２４号パンフレット
【特許文献９】国際公開第９７／２６６６５号パンフレット
【特許文献１０】米国特許出願第１１／８２９９４６号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第１１／８２９９４８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに記載された実施の形態は、比較的低いバンドギャップを有するポリマー結合剤を含むＶＳＤ材料を提供する。このポリマー結合剤は、２電子ボルト（ｅＶ）未満のバンドギャップを有するように配合される。ある実施の形態において、ポリマー結合剤は、０．８から１．２ｅＶの範囲にあるバンドギャップ値を有する。このポリマー結合剤は、ポリマー結合剤の有効バンドギャップを所望の範囲に調整するために使用される少なくとも１種類のポリマー成分を含む、多数のポリマー成分から形成される。
【０００９】
追加にまたは代わりに、ここに記載された実施の形態は、ポリマーの性能を向上させるための比較的低いバンドギャップを有する半導体粒子を含有するＶＳＤ材料を提供する。そのような半導体粒子は、ポリマー結合剤のバンドギャップと実質的に等しいまたは匹敵する（例えば、２電子ボルト（ｅＶ）未満の）バンドギャップを有するマイクロメートルまたはナノメートルの寸法の粒子に相当するであろう。そのような半導体粒子は、ポリマー結合剤中に分散させて、ＶＳＤ材料のポリマー複合体部分を形成してもよい。
【００１０】
ある実施の形態によれば、１種類以上のポリマー成分、および１つの部類以上の粒子成分を含む組成物が提供される。少なくとも１つの部類の粒子成分は、個別に２ｅＶ以下のバンドギャップを有する半導体粒子を含む。代わりにまたは追加に、半導体粒子は個別に、ポリマー結合剤のバンドギャップと実質的に等しいバンドギャップを有する。ＶＳＤ材料として、この組成物は、（ｉ）固有の電圧レベルを超えた電圧の存在しない状況下で誘電性であり、（ｉｉ）固有の電圧レベルを超えた電圧の印加により導電性である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】様々な実施の形態によるＶＳＤ材料の成分を示す、ＶＳＤ材料の層または厚さの断面図（均一の縮尺ではない）
【図２】ある実施の形態による、ＶＳＤ材料における比較的低いバンドギャップを有する粒子充填剤を使用する効果を説明するための、図１に示されたＶＳＤ材料の無作為サンプル部分の拡大図
【図３Ａ】ここに与えられた実施の形態のいずれかに記載されたような組成を有するＶＳＤ材料により構成された基板装置の構成を示す側面図
【図３Ｂ】ここに与えられた実施の形態のいずれかに記載されたような組成を有するＶＳＤ材料により構成された基板装置の異なる構成を示す側面図
【図４】ここに記載された実施の形態によるＶＳＤ材料が提供される電子装置の略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電圧で切替可能な誘電体（ＶＳＤ）材料
ここに用いたように、「電圧で切替可能な誘電体材料」または「ＶＳＤ材料」は、その材料の固有のレベルを超える場または電圧が印加されない限り、誘電性すなわち非導電性である特徴を有する任意の組成物、または組成物の組合せであり、印加された場合には、この材料は導電性になる。それゆえ、ＶＳＤ材料は、固有のレベル（例えば、ＥＳＤ事象により与えられるような）を超える電圧（または場）が材料に印加されない限り、誘電性であり、印加された場合には、このＶＳＤ材料は、導電状態に切り替えられる。ＶＳＤ材料はさらに、非線形抵抗材料として特徴付けることもできる。多くの用途において、ＶＳＤ材料の固有の電圧は、回路または装置の動作電圧レベルを何倍も超える値に及ぶ。そのような電圧レベルは、静電気放電により生じるような、ほぼ過渡状況のものであろうが、ある実施の形態では、計画された電気的事象の使用を含んでもよい。さらに、１つ以上の実施の形態では、固有の電圧を超える電圧のない状況下で、その材料は結合剤に似た挙動を示す（すなわち、非導電性または誘電性）。
【００１３】
さらにまた、ある実施の形態では、ＶＳＤ材料は、一部が導体または半導体粒子と混合された結合剤を含む材料として特徴付けてもよい。固有の電圧レベルを超える電圧のない状況下では、材料は全体として結合剤の誘電性特徴を示す。固有レベルを超える電圧を印加すると、その材料は全体として導電性特徴を示す。
【００１４】
ここに記載された実施の形態によれば、ＶＳＤ材料の成分は、結合剤またはポリマーマトリクス中に均一に混ぜ合わせてよい。ある実施の形態において、混合物はナノスケールで分散されており、これは、導体／半導体材料を含む粒子が、少なくとも１つの寸法（例えば、断面）においてナノスケールであり、体積中に全体的に分散した量を占める相当な数の粒子が個別に分離している（凝集したり、互いにぎっしり詰まったりしないように）ことを意味する。
【００１５】
さらにまた、電子装置に、ここに記載されたどの実施の形態によるＶＳＤ材料を提供してもよい。そのような電子装置としては、プリント回路基板、半導体パッケージ、個別素子、薄膜電子素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）、無線周波数（ＲＦ）コンポーネント、およびディスプレイ装置などの基板装置が挙げられる。
【００１６】
ＶＳＤ材料のいくつかの組成は、ちょうど浸透未満の量でポリマー結合剤中に導体および／または半導体材料を添加することによって働く。浸透は、比較的低い電圧が印加されたときに、連続導電路がそれによって存在するような統計的に定義された閾値に対応する。浸透閾値をよりよく制御するために、他の絶縁体または半導体材料を加えてもよい。
【００１７】
ポリマー結合剤または複合体
ここに記載されたいくつかの実施の形態では、ポリマー結合剤の有効バンドギャップを低下させるまたは調整するために、ＶＳＤ材料のポリマー結合剤としてポリマーブレンドを使用する。ポリマー結合剤の有効バンドギャップを低下させることによって、ＶＳＤ材料の「ターンオン」電圧（すなわち、クランプまたはトリガー電圧）が減少するであろう。ある実施の形態において、ポリマー結合剤は、所望の値の有効バンドギャップを有するように調整してもよい。ポリマー結合剤は、選択された濃度のポリマーを混合することによって、調整してもよい。ポリマーブレンドは、比較的低いバンドギャップを有する第１のタイプのポリマー、および例えば、所望の物理的性質または機械的性質などの、他の所望の特徴または性質を有する第２のタイプのポリマーを含んでもよい。ポリマーを混合することにより、所望の値の有効バンドギャップを有するポリマー結合剤が形成される。ポリマー結合剤の有効バンドギャップがより低いと、ＶＳＤ材料のトリガー／クランプ電圧の低減が促進されると同時に、ＶＳＤ材料における望ましい機械的性質が維持される。ポリマー結合剤に使用するための結合剤およびポリマーの特別な例が、図１の実施の形態について記載されている。
【００１８】
より詳しくは、局在化状態による無秩序アモルファス相における電子伝達は、規則正しい結晶相における電子伝達とは著しく異なる。ポリマーの無秩序アモルファス相により、エネルギーバンドにおいて無作為に分布した局在化状態が誘発される。実施の形態によりさらに、フェルミ準位の近傍のエネルギーによる局在化状態間の電子遷移が伝達にとって最も効率的であることが認識された。ポリエチレンおよびエポキシの有効バンドギャップは、それぞれ、０．９ｅＶおよび０．８ｅＶ辺りである。異なる結合構造も、フェルミ準位の近くで局在化エネルギー状態を誘発する。例えば、ポリエチレンにおける鎖内の炭素−炭素二重結合により、フェルミ準位の近くで、０．５１ｅＶの深さを持つ電子トラップおよび１．３５ｅＶの深さを持つホールトラップが誘起される。共役結合構造により生じる局在化状態は、共役ポリマーの有効バンドギャップを小さくする。さらに、ポリマーの有効バンドギャップは、適度なエネルギー準位を持つ適切な結合構造を導入することによって、調節することができる。このように、この手法により、結合剤またはポリマーマトリクスのバンドギャップは調整することができる。
【００１９】
追加にまたは代わりに、ある実施の形態では、個別に比較的低いバンドギャップ（すなわち、２ｅＶ未満）を有する半導体粒子をポリマー結合剤に含ませる。ポリマーまたはポリマー結合剤中の半導体粒子は、ポリマー複合体を形成すると言われている。ある実施の形態において、半導体粒子は、それらの粒子のバンドギャップが（ポリマー）結合剤の有効バンドギャップと実質的に等しい（またはそれより小さくさえある）ように選択される。半導体粒子をこのように使用することにより、ＶＳＤ材料の物理的性質が向上する。
【００２０】
実施の形態により、従来のＶＳＤ材料（上述したような）には、パルスを受けた後の材料の性質に関して固有の問題があることが分かった。詳しくは、高電圧事象（ＥＳＤまたはそのシミュレートされたものなどによる）によりパルスを受けたＶＳＤ材料は、ある程度の電流を隣接する導体粒子間のポリマーマトリクスに流さなければならない。典型的に、導電を制限する副反応が生じ、高電圧事象の前と後のオフ状態の抵抗間に履歴現象が生じると考えられる。この履歴現象は、導電の副生成物として生じるポリマーの劣化によるものである。実施の形態によりさらに、ポリマーの劣化は、ポリマー結合剤のバンドギャップに匹敵する（または実質的に等しい）バンドギャップ値を有するマイクロメートルまたはナノメートルサイズの半導体粒子を有するポリマー複合体を含むようにＶＳＤ材料を配合することによって減少するであろうと認識される。そのような半導体粒子は、充填剤としてポリマー結合剤中に添加してもよく、ＶＳＤ材料が初期パルス（例えば、ＥＳＤまたはＥＯＳ事象）に施された後のポリマー結合剤の物理的性質を改善するために、ポリマー結合剤のバンドギャップを調整する。ポリマー複合体の性質を改善することによって、実施の形態は、改善された漏れ電流および耐久性を含む、優れた特徴を有するＶＳＤ組成物を提供する。より詳しくは、ＶＳＤ材料がオンに切り替えられる（またはストレスが与えられる）初期パルス後、ポリマーの劣化が低減するかまたは回避され、それにより、漏れ電流の増加または初期パルス後の劣化などの問題が低減されるかまたはなくなる。それに加え、低バンドギャップのポリマー複合体またはマトリクスを使用することにより、ＶＳＤ材料のトリガーまたはクランプ電圧が減少するであろう。
【００２１】
ある実施の形態において、ＶＳＤ材料のためのポリマー結合剤の「有効バンドギャップ」は一般に約１ｅＶ（電子ボルト）に近い。伝導帯の下部と価電子帯の上部との間のエネルギー分離により示される有効バンドギャップは、ポリマー複合体における電子伝達を制御する基本的な物理的特徴である。
【００２２】
したがって、ここに記載された実施の形態により、結合剤またはポリマー結合剤のバンドギャップに実質的に一致するバンドギャップを有するポリマーまたは結合剤中に分散した半導体粒子を使用する利点が認識される。ここに用いたように、半導体粒子のバンドギャップは、２つの値の平均が各々の値の３０％以内にある場合、ポリマーのバンドギャップに実質的に一致すると言われる。いくつかの実施の形態において、半導体粒子は、約１ｅＶであるバンドギャップを有する。上述したように、ポリマー、または半導体粒子のいずれかの正確なバンドギャップは、得られるＶＳＤ材料が（ｉ）高い（例えば、＞１０メガオーム）低電圧（印加される、５０ボルト未満、より好ましくは１２ボルト未満）抵抗値、および（ｉｉ）低い（＜１０キロオーム）オン状態の抵抗値の両方を有するように選択してよい。
【００２３】
ポリマー複合体を形成するために、ポリマー結合剤中に分散される低バンドギャップの半導体粒子として様々なタイプの粒子を用いてよい。実施の形態に記載したように、半導体粒子は、所望のバンドギャップ値を有するようにサイズ、形状および／または化合物により選択されるまたは変更される、化合半導体粒子を含む半導体粒子を含んでよい。
【００２４】
ポリマー結合剤／複合体を有するＶＳＤ材料
図１は、様々な実施の形態によるＶＳＤ材料の成分を示す、ＶＳＤ材料の層または厚さの説明（均一の縮尺ではない）断面図である。図示したように、ＶＳＤ材料１００は、ポリマー結合剤１０５およびある濃度の低バンドギャップの半導体粒子１０６を含んでいる。半導体粒子１０６は、寸法がマイクロメートルまたはナノメートルであってよく、ＶＳＤ材料のポリマー複合体を形成するためにポリマー結合剤１０５中に添加してもよい。半導体粒子１０６に加え、他の粒子成分は、金属粒子１１０、半導体粒子１２０（半導体粒子１０６とは異なる場合、必要に応じて）、および高アスペクト比（ＨＡＲ）粒子１３０（半導体粒子１０６と異なる場合）を含んでもよい。半導体粒子１０６に対応し得る異なるタイプの粒子の説明が以下に記載されている。ＶＳＤ材料中に含まれる粒子成分のタイプは、ＶＳＤ材料の所望の電気的性質および物理的性質に応じて様々であってよいことに留意されたい。例えば、あるＶＳＤ材料組成物は、金属粒子１１０を含んでよいが、半導体粒子１２０および／またはＨＡＲ粒子１３０は含まないであろう。さらにまた、他の実施の形態は、導体粒子１１０の使用を省いてもよい。
【００２５】
ポリマー結合剤１０５の例としては、ポリエチレン、シリコーン、アクリレート、ポリミド、ポリウレタン、エポキシ、およびそれらのコポリマーおよび／またはブレンドが挙げられる。ある実施の形態において、ポリマー結合剤１０５は、ポリマー結合剤１０５が所望のバンドギャップ値を有するように調整するように、アクリレートなどの低バンドギャップポリマーとブレンドされたエポキシに対応する。別の実施の形態において、ポリマー結合剤１０５は、ビスフェノールＡエポキシとブレンドされたヘキサンジオールジアクリレートに対応する。
【００２６】
導体材料１１０の例としては、銅、アルミニウム、ニッケル、銀、金、チタン、ステンレス鋼、クロム、他の合金などの金属、または二ホウ化チタンなどの導電性セラミックが挙げられる。半導体材料１２０の例としては、有機と無機粒法の半導体が挙げられる。無機半導体の例としては、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛、硫化亜鉛、酸化ビスマス、二酸化チタン、酸化セリウム、および酸化鉄が挙げられる。特定の配合および組成を、ＶＳＤ材料の特定の用途に最適に合う機械的性質および電気的性質のために選択してもよい。ＨＡＲ粒子１３０は、有機（例えば、カーボンナノチューブまたはグラフェン）または無機（例えば、ナノワイヤまたはナノロッド）であってよく、様々な濃度で他の粒子間に分散されていてよい。ＨＡＲ粒子１３０のより特別な例は、ナノワイヤまたはあるタイプのナノロッドにより提供されるような、導体または半導体向き粒子に対応するであろう。そのような粒子の材料としては、銅、ニッケル、金、銀、コバルト、酸化亜鉛、酸化スズ、炭化ケイ素、ヒ化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、二酸化チタン、アンチモン、窒化ホウ素、酸化インジウムスズ、酸化インジウム亜鉛、酸化ビスマス、酸化セリウム、および酸化アンチモン亜鉛が挙げられる。
【００２７】
ポリマー１０５内の様々な部類の粒子の分散は、ＶＳＤ材料１００が非層状であり、組成が均一である一方で、電圧で切替可能な誘電体材料の電気的特徴を示すようなものであってよい。一般に、ＶＳＤ材料の固有電圧は、ボルト／長さ（例えば、５ミル（約０．０１２５ｍｍ）当たり）で測定されるが、電圧の代わりとして、他の場の測定値を使用してもよい。したがって、ＶＳＤ材料層の境界１０２に亘り印加される電圧１０８は、その電圧がギャップ距離Ｌに関する固有電圧を超えた場合、ＶＳＤ材料１００を導電状態に切り替えるであろう。導電状態において、ポリマー複合体（ポリマー結合剤１０５および半導体粒子１０６を含む）は、導体粒子１１０の間でＶＳＤ材料の一方の境界から他方の境界まで電荷を伝達する（導電路１２２により示されるように）。１つ以上の実施の形態では、ＶＳＤ材料は、動作回路の電圧レベルを超える固有電圧レベルを有する。前述したように、他の固有の場の測定値を使用してもよい。
【００２８】
１つ以上の実施の形態によれば、半導体粒子１０６は、ポリマー結合剤１０５のバンドギャップに匹敵するまたは実質的に等しいバンドギャップを有するように選択された、変更された、または寸法の化合物半導体に対応してもよい。ある実施の形態において、ポリマー結合剤１０５は０．８〜１．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、半導体粒子１０６は、ほぼ同じ範囲にあるバンドギャップを有するように選択される、変更されるおよび／または寸法である。
【００２９】
ある実施の形態は、半導体粒子１０６としての半導体の使用を提供する。充填剤として使用できる半導体の例としては、シリコン、ゲルマニウム、およびごく最近では、Ｉｎ2Ｓｅ3（ＩＳ）、ＣｕＩｎＳｅ2（ＣＩＳ）、ＣｕＧａＳｅ2、ＣｕＩｎＳ2およびＣｕＩｎxＧａ1-xＳｅ2（ＣＩＧＳ）などのＩＩＩ−Ｖ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−ＶＩおよびＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体が挙げられる。ある実施の形態は、半導体粒子１０６は、ＣｕＩｎxＧａ1-xＳｅ2を含むかまたはそれに相当し、これは、多結晶膜の晶子間の独特の粒界および低いバンドギャップの両方を有する。この粒界は、特有の空孔エネルギーバリヤ特性および多結晶構造中の無作為に分布したｐｎ接合を有するように提案される。シリコン、ゲルマニウム、またはＩＩＩ−ＶＩ、ＩＩ−ＶＩ、およびＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のそのような性質により、これらの材料の複合体が、所望の電圧で切替可能なまたは非線形抵抗特性を有することが可能になる。
【００３０】
化合物半導体装置は、典型的に、費用のかかる真空系成膜法から合成される。トランジスタおよび光起電装置のシリコンの製造コストを低減するために、ＣＩＳ、ＣＩＧＳ、および他の化合物半導体装置を合成する多数の非真空法が開発されてきた。これらの非真空法の例としては、シリコン、ＣＩＳ、およびＣＩＧＳのマイクロメートルサイズの粒子、ナノ粒子、または量子ドットを合成し、次いで、これらを後にポリマー樹脂中に分散させることが挙げられる。
【００３１】
量子が制限されるほど小さい粒子は、「量子ドット」と称される。ある実施の形態において、半導体粒子１０６は、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、およびＧａＮなどの、量子ドット（ＱＤ）半導体を含むかまたはそれに相当する。ＱＤ半導体は、一部には半導体のタイプとサイズの関数である比較的低いバンドギャップを有する。
【００３２】
ある実施の形態によれば、ＶＳＤ材料は、（ｉ）導体粒子、および（ｉｉ）化合物半導体粒子（半導体粒子１０６として提供してもよい）を含んでもよい。必要に応じて、他の半導体（従来の金属酸化物のタイプなどの）、ＨＡＲ粒子、および／または絶縁体粒子が含まれてもよい。その化合物半導体粒子は、「マイクロメートルサイズ」、「ナノメートルサイズ」であってよい。より好ましくは２ｅＶ未満のバンドギャップ、最も好ましくは１．５ｅＶ未満の有効バンドギャップを有する化合物半導体が選択される（半導体粒子１０６として）。
【００３３】
表１は、選択された半導体材料のバンドギャップを示している。ポリマー結合剤１０５の有効バンドギャップが約１ｅＶ（または２ｅＶ未満）であると仮定すると、空間電荷の蓄積またはポリマー中の劣化性副反応を最小にするために、約１ｅＶに近いまたはそれ未満のバンドギャップを有する半導体粒子１０６を選択することが最も望ましい。それゆえ、表１において、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳｅ２、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、およびＰｂＴｅが、半導体粒子１０６として、またはそれに使用するのに適している。必要に応じて、表１の化合物にドープして、粒子の有効バンドギャップを低下させても差し支えない。例えば、シリコンに少量のホウ素またはリン原子をドープして、電流移動度を増加させ、有効バンドギャップを減少させても差し支えない。
【表１】
2011521441.tif 000003
【００３４】
図２は、ある実施の形態による、ＶＳＤ材料中の比較的低いバンドギャップを有する半導体粒子１０６を使用する効果を示すための、図１に示されたＶＳＤ材料の無作為のサンプル部分の拡大（均一な縮尺ではない）説明図である。図２において、このサンプルは、ポリマー結合剤１０５および半導体粒子１０６により隔てられた導体粒子１１０を含んでいる。ＶＳＤ材料を導電状態に切り替えるために、２つの隣接する粒子１１０の間に経路が形成される（図示されるような）。半導体粒子１０６がポリマー結合剤１０５よりも比較的高いバンドギャップを有する場合、導体粒子１１０の間の導電経路は、最小の電気抵抗の経路にしたがうように、半導体粒子を避ける（すなわち、最小の抵抗の経路）。このことが、導電経路２１０（ＢＧＰｏｌｙ≦ＢＧＦｉｌｌ）により示されている。
【００３５】
他方で、半導体粒子１０６がポリマー結合剤１０５と実質的に等しいバンドギャップ値を有する場合、２つの隣接する導体粒子１１０の間の電荷は、半導体粒子１０６をより通過する傾向がある。このことが、粒子導電経路２２０（ＢＧＰｏｌｙ≒ＢＧＦｉｌｌ）により示されている。記載されたような実施の形態は、導電経路２２０により示される導電経路の使用を促進または増加させるための、ポリマー結合剤１０５および低バンドギャップの半導体粒子１０６を使用したＶＳＤ材料を提供する。ポリマー複合体における粒子の使用を増やすことにより、ポリマー結合剤１０５の全体的な劣化が低下して、例えば、特にＶＳＤ材料にパルスが印加された後の、漏れ電流が改善される。
【００３６】
変更例および代替例
ここに記載されたいくつかの実施の形態では、適切なバンドギャップ（すなわち、ポリマー結合剤１０５のものに実質的に等しい）を有する半導体粒子１０６を特定し、選択しているが、他の実施の形態では、所望のバンドギャップを有するように、半導体粒子を設計、構成または形成する。それでも、いくつかのタイプの半導体粒子は、粒子のバンドギャップに影響を与える（それゆえ、多かれ少なかれ、所望の値のバンドギャップの範囲にする）ように形成されるであろう。例えば、半導体粒子１０６は、化合物半導体、シリコン、ゲルマニウム、または非球状（例えば、立方体、角柱、四面体）である、脚部を有する（例えば、テトラポッド）、またはロッド状に形成されるＱＤ粒子を含むかまたはそれに相当してよい。これらの物理的特徴は、粒子の固有のバンドギャップに影響を与えることもあり、充填剤粒子を所望のバンドギャップ範囲に上下に調整するように使用できる。
【００３７】
ＶＳＤ材料の用途
ここに記載された実施の形態のいずれによるＶＳＤ材料の組成物には、数多くの用途がある。特に、実施の形態により、プリント回路基板、半導体パッケージ、個別素子、薄膜電子素子などの基板装置に設けられる、並びにＬＥＤ、無線周波数装置（例えば、ＲＦＩＤタグ）などのより特有の用途のためのＶＳＤ材料が提供される。さらにまた、他の用途では、液晶ディスプレイ、有機発光ディスプレイ、エレクトロクロミック・ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ、またはそのような装置のためのバックプレーン・ドライバへのここに記載されたようなＶＳＤ材料の使用が提供される。ＶＳＤ材料を含ませる目的は、ＥＳＤ事象により生じるような、過渡過電圧状態の取扱性を向上させることであろう。ＶＳＤ材料の別の用途には、L.Kosowskyへの米国特許第６７９７１４５号明細書（ここに全てを引用する）に記載されているような、金属蒸着がある。
【００３８】
図３Ａおよび３Ｂの各々は、ここに提供した実施の形態のいずれかに記載したような組成を有するＶＳＤ材料により構成された基板装置の異なる構成を示している。図３Ａにおいて、基板３００は、例えば、プリント回路基板に相当する。そのような構成において、ＶＳＤ材料３１０（ここに記載された実施の形態のいずれかに記載されたような組成を有する）が、接続された要素に接地するように表面３０２に設けられている。代替例または変更例として、図３Ｂは、ＶＳＤ材料３１０が、基板の厚さ内に埋め込まれた接地経路を形成している構成を示している。
【００３９】
電気メッキ
例えば、ＥＳＤ事象に対処するために装置にＶＳＤ材料を含ませることに加え、１つ以上の実施の形態では、基板上のトレース要素(trace elements)、およびバイアなどの相互接続要素を含む基板装置を形成するためのＶＳＤ材料（ここの実施の形態のいずれかに記載されたような組成を使用した）の使用を検討する。２００７年７月２９日に出願され、米国特許第６７９７１４５号への優先権の恩恵を主張する米国特許出願第１１／８８１８９６号明細書（両方ともそれぞれ全てをここに引用する）には、ＶＳＤ材料を使用した、基板、バイアおよび他の装置を電気メッキするための数多くの技法が記載されている。ここに記載された実施の形態により、本出願の実施の形態のいずれかに記載されたようなＶＳＤ材料の使用が可能になる。
【００４０】
他の用途
図４は、ここに記載された実施の形態によるＶＳＤ材料を設けてよい電子装置の略図である。図４は、基板４１０、コンポーネント４２０、および随意的なケーシングまたはハウジング４３０を含む装置４００を示している。ＶＳＤ材料４０５（記載した実施の形態のいずれかによる）は、表面４０２の上の位置、表面４０２の下（そのトレース要素の下またはコンポーネント４２０の下などの）、または基板４１０の厚さ内を含む、多くの位置の任意の１カ所以上に含まれてもよい。あるいは、このＶＳＤ材料は、ケーシング４３０内に含まれてもよい。各々の場合、ＶＳＤ材料４０５は、固有電圧を超える電圧が存在したときに、トレース導線などの導電性要素と結合するように含まれるであろう。それゆえ、ＶＳＤ材料４０５は、特定の電圧状況の存在下で導電性要素である。
【００４１】
ここに記載された用途のいずれに関しても、装置４００はディスプレイ装置であってよい。例えば、コンポーネント４２０は、基板４１０から照明するＬＥＤに相当するであろう。基板４１０上のＶＳＤ材料４０５の位置決めおよび構成は、導線、端子（すなわち、入力または出力）および発光装置に設けられる、それにより使用される、またはそれに組み込まれる他の導電性要素を収容するように選択的であろう。代替例として、ＶＳＤ材料は、基板から離れた、ＬＥＤ装置の正と負の導線の間に含まれてよい。さらにまた、１つ以上の実施の形態は有機ＬＥＤの使用を提供し、この場合、ＶＳＤ材料は、例えば、ＯＬＥＤの下に設けられるであろう。
【００４２】
ＬＥＤおよび他の発光装置に関して、米国特許第１１／５６２２８９号明細書（ここに引用する）に記載された実施の形態のいずれを、本出願の他の実施の形態に記載されたようなＶＳＤ材料に実施してもよい。
【００４３】
あるいは、装置４００は、無線周波数識別装置などの無線通信装置に相当してもよい。無線周波数識別装置（ＲＦＩＤ）および無線通信コンポーネントなどの無線通信装置に関して、ＶＳＤ材料は、例えば、過充電またはＥＳＤ事象からコンポーネント４２０を保護するであろう。そのような場合、コンポーネント４２０は、その装置のチップまたは無線通信コンポーネントに相当するであろう。あるいは、ＶＳＤ材料４０５の使用により、コンポーネント４２０により生じるかもしれない電荷から他のコンポーネントを保護してもよい。例えば、コンポーネント４２０は電池に相当してよく、ＶＳＤ材料４０５は、電池事象から生じる電圧状況に対する保護を提供するための基板４１０の表面上のトレース要素として設けてもよい。ここに記載した実施の形態によるＶＳＤ材料の任意の組成物は、ＶＳＤ材料を含む無線通信装置の数多くの実施を記載した、米国特許出願第１１／５６２２２２号明細書（ここに引用する）に記載された装置および装置構成のためのＶＳＤ材料として使用するのに実施してよい。
【００４４】
代替例または変更例として、コンポーネント４２０は、例えば、個別の半導体装置に相当してよい。ＶＳＤ材料４０５は、このコンポーネントに組み込んでも、この材料をオンに切り替える電圧の存在下でそのコンポーネントに電気的に接続するように配置してもよい。
【００４５】
さらにまた、装置４００は、パッケージ化されたデバイス、あるいは、基板コンポーネントを受け入れるための半導体パッケージに相当してもよい。ＶＳＤ材料４０５は、基板４１０またはコンポーネント４２０が装置に含まれる前に、ケーシング４３０と組み合わせてもよい。
【００４６】
図面に関して記載した実施の形態は、説明のためであると考えられ、本出願人の特許請求の範囲は、そのような説明のための実施の形態の詳細に制限されるものではない。異なる説明のための実施の形態について別々に記載された特徴の組合せを含む、様々な改変および変更を、記載された実施の形態に含ませてもよい。したがって、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲により定義されることが意図されている。さらに、個別にまたは実施の形態の一部のいずれかとして記載された特別な特徴は、他の個別に記載された特徴または他の実施の形態の部分がその特別な特徴を言及していなくても、それらと組み合わせても差し支えないと考えられる。
【符号の説明】
【００４７】
１００，３１０，４０５    ＶＳＤ材料
１０５    ポリマー結合剤
１０６    半導体粒子
１１０    金属粒子、導体粒子
１２０    半導体粒子
１３０    高アスペクト比粒子
３０２，４１０    基板
３１０    基板装置
４００    装置
４２０    コンポーネント
４３０    ケーシング、ハウジング
【図１】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図２】
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【国際調査報告】
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