(57)【要約】  ＭＩＴ（metal-insulator transition：金属‐絶縁体転移）素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定する回路及び前記回路を利用するＭＩＴセンサを提供する。前記回路は、転移電圧で発生する不連続ＭＩＴを有する前記ＭＩＴ素子を含む測定対象部と、前記測定対象部に所定パルス電流または電圧信号を印加する電源部と、前記ＭＩＴ素子の前記不連続ＭＩＴを測定する測定部と、前記電源部と前記測定部とを制御するマイクロプロセッサとを備える。前記不連続ＭＩＴ測定回路は、前記ＭＩＴ素子の前記不連続ＭＩＴを連続的に測定する。従って、前記不連続ＭＩＴ測定回路を、外部因子の変化を感知するセンサとして活用することができる。
2010500557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴ（金属‐絶縁体転移）を測定する回路であって、
転移電圧で不連続ＭＩＴが発生する前記ＭＩＴ素子を含む測定対象部と、
前記測定対象部に所定のパルス電流または電圧信号を印加する電源部と、
前記ＭＩＴ素子の前記不連続ＭＩＴを測定する測定部と、
前記電源部と前記測定部とを制御する制御装置と
を備えることを特徴とする回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路において、前記測定部は、マイクロプロセッサを備えることを特徴とする回路。
【請求項３】
請求項１に記載の回路において、前記測定対象部は、前記ＭＩＴ素子に直列連結された保護抵抗を備え、前記電源部は、前記パルス電流または電圧信号を生成するＤＡＣ（デジタル・アナログ・コンバータ）及び前記ＤＡＣの前記出力信号を増幅する演算増幅器を備え、前記測定部は、比較器、及び前記比較器の出力信号を保存し、前記制御装置のマイクロプロセッサに前記保存された信号を伝達するエッジトリガード・フリップフロップまたはサンプルホルダを備えることを特徴とする回路。
【請求項４】
請求項３に記載の回路において、前記比較器の第１入力端子は、前記ＭＩＴ素子と前記保護抵抗との間に連結され、第２入力端子は、前記ＭＩＴ素子の前記転移電圧に対応する基準電圧を受け、前記基準電圧は、可変抵抗を介して制御され、前記電源部で生成された前記パルス電流または電圧信号は、前記ＭＩＴ素子に印加されることを特徴とする回路。
【請求項５】
請求項４に記載の回路において、前記比較器は、前記第１入力端子の前記電圧が前記第２入力端子の前記電圧より低い場合はロー信号を出力し、前記第１入力端子の前記電圧が前記第２入力端子の前記電圧と等しいかそれよりも高い場合はハイ信号を出力し、前記エッジトリガード・フリップフロップまたは前記サンプルホルダは、前記比較器の前記出力信号を保存並びに前記出力信号を前記制御装置の前記マイクロプロセッサに伝達することを特徴とする回路。
【請求項６】
請求項１に記載の回路において、前記所定のパルス電流または電圧信号は、前記制御装置のマイクロプロセッサによって印加されることを特徴とする回路。
【請求項７】
請求項１に記載の回路において、前記測定対象部は、前記ＭＩＴ素子と直列連結された保護抵抗を備え、前記電源部は、前記パルス電流または電圧信号を生成するＤＡＣ及び前記ＤＡＣの出力信号を増幅する演算増幅器を備え、前記測定部は、サンプルホルダ及び前記サンプルホルダの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）を備えることを特徴とする回路。
【請求項８】
請求項７に記載の回路において、前記パルス電流または電圧信号は、前記ＭＩＴ素子に高周波で印加され、前記サンプルホルダは、前記ＭＩＴ素子の電圧または電流の変化を所定時間保存し、前記ＡＤＣは、前記サンプルホルダの前記出力信号を受けて、前記出力信号をデジタル信号に変換し、前記デジタル信号を前記制御装置のマイクロプロセッサに伝達することを特徴とする回路。
【請求項９】
請求項７に記載の回路において、前記制御装置のマイクロプロセッサは、データバスを介して前記ＤＡＣに制御信号を出力し、前記ＡＤＣから前記ＭＩＴ素子の前記電圧または電流の変化に対応する前記信号を受け、前記データバスを介した信号伝達は、チップセレクタによって制御されることを特徴とする回路。
【請求項１０】
請求項１に記載の回路において、前記測定対象部は、前記ＭＩＴ素子に直列連結された保護抵抗を備え、前記電源部は、パルス電流または電圧信号によって制御されるトランジスタ及び前記測定対象部に固定電圧を印加する入力電源を備え、前記測定部は、比較器、及び前記比較器の出力信号を保存し、前記保存された信号を前記制御装置のマイクロプロセッサに伝達するエッジトリガード・フリップフロップまたはサンプルホルダを備えることを特徴とする回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載の回路において、前記比較器の第１入力端子は前記ＭＩＴ素子と前記保護抵抗との間に連結され、第２入力端子は前記ＭＩＴ素子の前記転移電圧に対応する基準電圧を受けて、前記基準電圧は可変抵抗によって制御され、前記比較器は前記第１入力端子の電圧が前記第２入力端子の電圧より低い場合はロー信号を出力し、前記第１入力端子の電圧が前記第２入力端子の電圧と等しいかそれよりも高い場合にはハイ信号を出力し、前記エッジトリガード・フリップフロップまたは前記サンプルホルダは前記比較器の前記出力信号を保存し、前記出力信号を前記制御装置のマイクロプロセッサに伝達することを特徴とする回路。
【請求項１２】
請求項１０に記載の回路において、前記パルス電流または電圧信号は、前記マイクロプロセッサによって生成され前記トランジスタに印加されるか、または追加のパルス生成オシレータによって生成され前記トランジスタに印加されることを特徴とする回路。
【請求項１３】
請求項１０に記載の回路において、前記トランジスタは、バイポーラ・トランジスタまたはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタであることを特徴とする回路。
【請求項１４】
請求項１３に記載の回路において、前記トランジスタは、バイポーラ・トランジスタであり、前記パルス電流または電圧信号は、前記バイポーラ・トランジスタのベースに印加され、前記測定対象部は、前記バイポーラ・トランジスタのコレクタまたはエミッタに連結されることを特徴とする回路。
【請求項１５】
請求項１３に記載の回路において、前記トランジスタは、ＭＯＳトランジスタであり、前記パルス電流または電圧信号は、前記ＭＯＳトランジスタのゲートに印加され、前記測定対象部は、前記ＭＯＳトランジスタのドレインまたはソースに連結されることを特徴とする回路。
【請求項１６】
請求項１に記載の回路において、前記測定対象部は、前記ＭＩＴ素子に直列連結された保護抵抗を備え、前記電源部は、パルス電流または電圧信号によって制御されるトランジスタ及び前記測定対象部に固定電圧を印加する入力電源を備え、前記測定部は、サンプルホルダ及び前記サンプルホルダの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤＣを備えることを特徴とする回路。
【請求項１７】
請求項１６に記載の回路において、高周波パルス電圧または電流信号が前記ＭＩＴ素子に印加され、前記サンプルホルダは前記ＭＩＴ素子の電圧または電流の変化を所定時間保存し、前記ＡＤＣは前記サンプルホルダの前記出力信号を受けて、前記出力信号をデジタル信号に変換し、前記制御装置のマイクロプロセッサに前記デジタル信号を伝達することを特徴とする回路。
【請求項１８】
請求項１に記載の回路において、前記測定対象部は、少なくとも２個のＭＩＴ素子及び前記ＭＩＴ素子を選択するマルチプレクサを備え、前記マイクロプロセッサは、前記ＭＩＴ素子のうち少なくとも１つを選択する前記マルチプレクサに選択信号を印加して、前記少なくとも１つの選択されたＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定することを特徴とする回路。
【請求項１９】
請求項１６に記載の回路において、前記測定対象部は、少なくとも２個のＭＩＴ素子及び前記ＭＩＴ素子を選択するマルチプレクサを備え、前記マイクロプロセッサは、前記ＭＩＴ素子のうち少なくとも１つを選択する前記マルチプレクサに選択信号を印加して、前記少なくとも１つの選択されたＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定することを特徴とする回路。
【請求項２０】
請求項１に記載の回路において、前記ＭＩＴ素子内の抵抗構成要素は、外部抵抗の代わりに保護抵抗として利用することができることを特徴とする回路。
【請求項２１】
請求項１に記載の回路を利用して製作されたＭＩＴセンサ。
【請求項２２】
請求項１６に記載の回路を利用して製作されたＭＩＴセンサ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のＭＩＴセンサにおいて、前記ＭＩＴセンサは、温度センサ、赤外線センサ、イメージセンサ、圧力センサ、電磁波センサ、粒子検出器、ガス濃度センサ及びスイッチのうちの一つに該当することを特徴とするＭＩＴセンサ。
【請求項２４】
請求項２２に記載のＭＩＴセンサにおいて、前記測定対象部は、直列、並列若しくは直列及び並列に連結されるか、またはアレイ状またはマトリックス状に配列される複数のＭＩＴ素子を備えることを特徴とするＭＩＴセンサ。
【請求項２５】
請求項２４に記載のＭＩＴセンサにおいて、前記ＭＩＴ素子は、アレイ状またはマトリックス状に配列され、赤外線を含む電磁波によって変化する転移電圧を有し、前記不連続ＭＩＴ測定回路は、前記転移電圧を検出して電磁波の強度を測定することを特徴とするＭＩＴセンサ。
【請求項２６】
請求項２５に記載のＭＩＴセンサにおいて、前記ＭＩＴセンサは、イメージセンサであることを特徴とするＭＩＴセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＩＴデバイスに係り、特にＭＩＴ素子の応用回路、及びその回路を利用したＭＩＴセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、新たな金属・絶縁体転移（ＭＩＴ：Metal Insulator Transition）の応用技術が開発されている。一般に、バナジウム酸化物（Ｖ2Ｏ5）において６８℃で不連続ジャンプが起きること、及びそれによって、不連続ＭＩＴを起こすバナジウム酸化物のセラミック物質を特定温度感知用センサに利用できることが知られていた。しかし、不連続ＭＩＴ現象を制御することができるという新しい事実が発見され、論文「Ｎｅｗ Ｊ．Ｐｈｙｓ．６（２００４）５２（www．njp．org）」に開示された。
【０００３】
一般的にセンサは、光、磁気、圧力などを感知する物理量検出センサと、ガスや湿度などを感知する化学量検出センサとに大別される。技術が絶えず進歩すると共に、多様で精密なセンサが開発され続けている。
【０００４】
センサのうち、サーミスタやバイメタルを利用した温度センサがある。かような温度センサで感知することができる温度範囲は、特定温度に限定されるか、または過度に広い可能性がある。光度を感知するセンサは、デジタルカメラやキャムコーダに使われるＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ及びＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを含む。これらのセンサは高価であり、さらに光しか感知することができない。
【０００５】
ＭＩＴ素子では、特定電圧（以下、「転移電圧」と呼ぶ）または特定温度（以下、「転移温度」と呼ぶ）で、絶縁体から金属への急速な転移が発生する。この転移電圧または転移温度は、前述のように制御可能である。ＭＩＴ現象は、電圧・電流曲線を利用し、転移電圧または転移温度での電流の不連続ジャンプとして説明できる。このＭＩＴ素子の転移電圧や転移温度は、光、温度、圧力またはガスのような外部因子によって変化しうる。従ってＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴジャンプを連続的に測定することで、外部因子の変化を感知することができる。しかし、今のところ、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定できる電子回路は、開発されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定できる回路、及びその回路を用いたＭＩＴセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によると、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を提供する。ＭＩＴ素子は、転移電圧で不連続ＭＩＴを起こすＭＩＴ素子を含む測定対象部と、測定対象部に所定パルス電流または電圧信号を印加するための電源部と、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する測定部と、電源部と測定部とを制御する制御装置とを備える。
【０００８】
測定対象部は、ＭＩＴ素子に直列連結された保護抵抗を備えることができ、電源部は、パルス電流または電圧信号を生成するデジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）及びＤＡＣの出力信号を増幅する演算増幅器を備えることができる。測定部は、比較器、及び比較器の出力信号を保存し、制御装置のマイクロプロセッサに保存された信号を伝達するエッジトリガード・フリップフロップまたはサンプルホルダを備えることができる。外部抵抗の代わりに、ＭＩＴ素子内の抵抗構成要素を保護抵抗として利用することができる。
【０００９】
比較器の第１入力端子を、ＭＩＴ素子と保護抵抗との間に連結することができ、第２入力端子は、ＭＩＴ素子の転移電圧に対応する基準電圧を受けることができる。基準電圧は、可変抵抗を通して調節することができ、電源部で生成されたパルス電流または電圧信号を、ＭＩＴ素子に印加することができる。比較器は、第１入力端子の電圧が第２入力端子の電圧より低い場合、ロー信号を出力し、第１入力端子の電圧が第２入力端子の電圧と同じかそれよりも高い場合、ハイ信号を出力することができる。エッジトリガード・フリップフロップまたはサンプルホルダは、比較器の出力信号を保存し、マイクロプロセッサに出力信号を伝達することができる。
【００１０】
マイクロプロセッサは、データバスを介してＤＡＣの出力信号を制御することができる。基準電圧を、制御装置のマイクロプロセッサによって印加することができる。
【００１１】
測定対象部は、ＭＩＴ素子と直列連結された保護抵抗を備えることができ、電源部は、パルス電流または電圧信号を生成するデジタル・アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）及びＤＡＣの出力信号を増幅する演算増幅器を備えることができる。測定部は、サンプルホルダ及びサンプルホルダの出力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ：analog-to-digital converter）を備えることができる。
【００１２】
パルス電流または電圧信号を、ＭＩＴ素子に高周波で印加することができる。サンプルホルダは、ＭＩＴ素子の電圧または電流における変化を所定時間保存することができる。ＡＤＣは、サンプルホルダの出力信号を受け、出力信号をデジタル信号に変換し、制御装置のマイクロプロセッサにこのデジタル信号を伝達することができる。
【００１３】
制御装置のマイクロプロセッサは、データバスを介してＤＡＣに制御信号を出力し、ＡＤＣからＭＩＴ素子の電圧または電流の変化に対応する信号を受ける。データバスを介した信号伝達は、チップセレクタによって制御することができる。
【００１４】
測定対象部は、ＭＩＴ素子と直列連結された保護抵抗を備えることができ、電源部は、パルス電流または電圧信号によって制御されるトランジスタ及び測定対象部に固定電圧を印加する入力電源を備えることができる。測定部は、比較器、及び比較器の出力信号を保存し、制御装置のマイクロプロセッサに保存された信号を伝達するエッジトリガード・フリップフロップまたはサンプルホルダを備えることができる。
【００１５】
比較器の第１入力端子は、ＭＩＴ素子と保護抵抗との間に連結することができ、第２入力端子は、ＭＩＴ素子の転移電圧に相当する基準電圧を受けることができる。基準電圧は、可変抵抗によって制御することができる。比較器は、第１入力端子の電圧が第２入力端子の電圧より低い場合、ロー信号を出力し、第１入力端子の電圧が第２入力端子の電圧と同じかそれよりも高い場合、ハイ信号を出力することができる。エッジトリガード・フリップフロップまたはサンプルホルダは、比較器の出力信号を保存し、制御装置のマイクロプロセッサに出力信号を伝達することができる。
【００１６】
パルス電流または電圧信号を、マイクロプロセッサによって生成してトランジスタに印加することができ、または追加のパルス生成オシレータによって生成してトランジスタに印加することができる。
【００１７】
トランジスタは、バイポーラ・トランジスタまたはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタであってもよい。トランジスタがバイポーラ・トランジスタである場合は、パルス電流または電圧信号はバイポーラ・トランジスタのベースに印加され、測定対象部をバイポーラ・トランジスタのコレクタまたはエミッタに連結することができる。トランジスタがＭＯＳトランジスタである場合は、パルス電流または電圧信号はＭＯＳトランジスタのゲートに印加され、測定対象部をＭＯＳトランジスタのドレインまたはソースに連結することができる。
【００１８】
測定対象部は、ＭＩＴ素子と直列連結された保護抵抗を備えることができ、電源部は、パルス電流または電圧信号によって制御されるトランジスタ及び測定対象部に固定電圧を印加する入力電源を備えることができる。測定部は、サンプルホルダ及びサンプルホルダの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤＣを備えることができる。
【００１９】
高周波パルス電圧または電流信号を、ＭＩＴ素子に印加することができる。サンプルホルダは、ＭＩＴ素子の電圧または電流信号における変化を所定時間保存することができる。ＡＤＣはサンプルホルダの出力信号を受け、出力信号をデジタル信号に変換し、制御装置のマイクロプロセッサにこのデジタル信号を伝達することができる。
【００２０】
測定対象部は、少なくとも２個のＭＩＴ素子及びこれらのＭＩＴ素子を選択するマルチプレクサを備えることができ、マイクロプロセッサは、マルチプレクサに選択信号を印加し、ＭＩＴ素子のうち少なくとも１個を選択して、少なくとも１個の選択されたＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定することができるようにする。
【００２１】
本発明の別の実施態様によると、不連続ＭＩＴ測定回路を利用して製作されたＭＩＴセンサが提供される。
【００２２】
ＭＩＴセンサは、温度センサ、赤外線センサ、イメージセンサ、圧力センサ、電磁波センサ、粒子検出器、ガス濃度センサ及びスイッチのうちの一つに該当する可能性がある。測定対象部は、複数のＭＩＴ素子を備えることができ、これらのＭＩＴ素子は、直列、並列または直列及び並列に連結されるか、アレイ状またはマトリックス状に配列される。
【００２３】
ＭＩＴ素子はアレイ状またはマトリックス状に配列され、赤外線を含んだ電磁波によって変化する転移電圧を有し、不連続ＭＩＴ測定回路は転移電圧を検出して電磁波の強度を測定できるようにする。
【００２４】
ＭＩＴセンサは、イメージセンサであってもよい。
【００２５】
本発明による不連続ＭＩＴ測定回路は、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定できる。さらに、ＭＩＴ素子の転移電圧または転移温度は、温度、圧力、ガス濃度などの外部因子によって変化するので、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定することで外部因子の変化を感知するセンサとして、不連続ＭＩＴ測定回路を、利用することができる。従って、本発明による不連続ＭＩＴ測定回路を利用して製作されたＭＩＴセンサは、例えば、光、圧力、温度、またはガス濃度の変動などの物理的または化学的変化を感知することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による不連続ＭＩＴ測定回路は、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定できる。さらに、温度、圧力またはガス濃度などの外部因子によってＭＩＴ素子の転移電圧または転移温度が変化するので、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定することで、外部因子の変化を感知するセンサとして利用することができる。
【００２７】
さらに、複数のＭＩＴ素子はアレイ状またはマトリックス状に配列され、そして前記ＭＩＴ測定回路を介して光の強度を感知し、デジタルカメラで利用されるイメージセンサを構築する。
【００２８】
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付された図面への参照とともに、例示的な実施形態を詳細に説明することで、より明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】垂直型構造を有するＭＩＴ素子の断面図である。
【図１Ｂ】平面型構造を有するＭＩＴ素子の断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに示されたＭＩＴ素子の平面図である。
【図２】ＭＩＴ素子及び保護抵抗の等価回路である。
【図３Ａ】図２に示された回路の電圧-電流曲線での不連続ジャンプを示す。
【図３Ｂ】シミュレーションを利用することにより図３Ａに示された電圧・電流曲線をデジタル化することで得られるグラフである。
【図４】本発明の一実施形態によるＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。
【図５】本発明の別の実施形態による複数のＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。
【図６】本発明の別の実施形態による複数のＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。
【図７】本発明の別の実施形態によるＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。
【図８】本発明の別の実施形態によるＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。
【図９】図８に示された回路で測定されたＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴジャンプを示すグラフである。
【図１０】ＭＩＴ素子に光が照射されたとき、光度によって連続的に変化する不連続ＭＩＴジャンプを示すグラフである。
【図１１Ａ】ＭＩＴ素子に熱を加えたとき、ＭＩＴ素子から感知される温度によって、連続的に変化する不連続ＭＩＴジャンプを示すグラフである。
【図１１Ｂ】ＭＩＴ素子に熱を加えたとき、ＭＩＴ素子から感知される温度によって、連続的に変化する不連続ＭＩＴジャンプを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
これから本発明を、添付図面を参照しつつ、より十分に説明する。添付図面では、本発明の例示的な実施形態が示される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形式で具体化することが可能であり、ここで説明された実施形態に限定されると解釈するべきではない。むしろこれらの実施形態は、この開示が終わり完結して、当業者に本発明の概念を十分に伝えることができるように、与えられる。図面中で、同様の参照番号は、同様の要素を参照する。
【００３１】
ＭＩＴ（metal-insulator transition）素子は、転移薄膜及び少なくとも２個の電極薄膜を含有する。ＭＩＴ素子は、転移薄膜及び電極薄膜の位置によって、垂直型構造または平面型構造を有することができる。
【００３２】
図１Ａは、垂直型構造を有するＭＩＴ素子の断面図である。図１Ａを参照すると、垂直型構造を有するＭＩＴ素子は、基板１０、基板１０上に形成されたバッファ層２０及びバッファ層２０の上部に連続して形成された第１電極薄膜４１、転移薄膜３０及び第２電極薄膜４２を含む。
【００３３】
バッファ層２０は、基板１０と第１電極薄膜４１間の格子不整合を減少させる。基板１０と第１電極薄膜間の格子不整合が非常に小さいときは、それらの間にバッファ層２０を形成せずに第１電極薄膜４１を基板１０上に直接形成できる。このバッファ層２０は、ＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4で形成することができる。
【００３４】
転移薄膜３０は、例えば酸素、炭素、半導体元素（ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族）、遷移金属元素、希土類元素、ランタン系元素など、低濃度の正孔が添加された無機化合物半導体または無機化合物絶縁体、低濃度の正孔が添加された有機物半導体または有機物絶縁体、低濃度の正孔が添加された半導体、または低濃度の正孔が添加された酸化物半導体または酸化物絶縁体から形成することができる。添加された正孔の濃度は、およそ３ｘ１０16cm-3である。さらに、転移薄膜３０は、とても大きい抵抗を有するｎ型半導体または絶縁体から形成することができる。
【００３５】
電極薄膜４０は、Ｗ、Ｍｏ、Ｗ／Ａｕ、Ｍｏ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｗ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎ、Ｎｉ／Ｃｒ、Ａｌ／Ａｕ、Ｐｒ、Ｃｒ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｙｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-d、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｍｏ、Ｎｉ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｍｏ／Ａｇ、Ｎｉ／Ｍｏ／Ａｌ、Ｎｉ／Ｗ、Ｎｉ／Ｗ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｗ／Ａｇ及びＮｉ／Ｗ／Ａｌから成るグループから選択された少なくとも１個の物質から形成することができる。電極薄膜４０は、スパッタリング蒸着法、真空蒸着法及びＥビーム蒸着法のうちの少なくとも１つを利用して形成することができる。
【００３６】
基板１０は、Ｓｉ、ＳｉＯ2、ＧａＡｓ、Ａｌ2Ｏ3、プラスチック、ガラス、Ｖ2Ｏ5、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＮｂがドープされたＳｒＴｉＯ3及び絶縁薄膜上のシリコン（ＳＯＩ：Silicon on Insulator）から成るグループから選択された少なくとも１つの物質から形成することができる。
【００３７】
ＭＩＴ素子の電気的特性は、電圧または温度によって急激に変わる。すなわち、ＭＩＴ素子は、転移電圧未満の電圧または転移温度未満の温度で絶縁体の特性を有する。転移電圧以上の電圧または転移温度以上の温度で、ＭＩＴ素子において不連続ＭＩＴが発生し、従って、ＭＩＴ素子は金属の特性を有する。
【００３８】
図１Ｂは、平面型構造を有するＭＩＴ素子の断面図である。図１Ｂを参照すると、平面型構造を有するＭＩＴ素子は、基板１０、基板１０上に形成されたバッファ層２０、バッファ層２０の所定の部分に形成された転移薄膜３０ａ、及びバッファ層２０の上部で転移薄膜３０ａの両側面に形成された第１及び第２電極薄膜４１ａ及び４２ａを含む。第１及び第２電極薄膜４１ａ及び４２ａは、電極薄膜の間に設置された転移薄膜３０ａを有することで、互いに分離されている。
【００３９】
図１Ｃは、図１Ｂで示された平面型ＭＩＴ素子の平面図である。図１Ｃを参照すると、バッファ層２０、転移薄膜３０ａ、及び第１及び第２電極薄膜４１ａ及び４２ａが図示されている。
【００４０】
前述の垂直型または平面型ＭＩＴ素子を、ミクロン（μｍ）単位の小型にかつ低コストで製作することができる。ＭＩＴ素子の構造が変化させられる場合、例えば図１Ｃで示される、電極薄膜間の間隔（ｄ）または電極薄膜の幅（ｗ）が変化させられる場合、転移電圧または転移温度を、変化させることができる。さらに、外部因子、例えば光、温度、圧力またはガス濃度の変化が、転移電圧または転移温度を、変化させることができる。従って、転移電圧または転移温度の変化、すなわち不連続ＭＩＴの変化を測定することによって、外部因子の変化を、感知することができる。不連続ＭＩＴジャンプを測定する回路がこれより説明される。
【００４１】
図２は、ＭＩＴ素子１００及び保護抵抗Ｒp１５０の等価回路である。図２を参照すると、保護抵抗Ｒp１５０は、ＭＩＴ素子１００を保護する。入力電圧Ｖinputは直接、ＭＩＴ素子１００に印加されている。しかしながら、入力電圧Ｖinputを、保護抵抗Ｒp１５０に印加することもできる。さらに、外部抵抗の代わりに、ＭＩＴ素子内の抵抗構成要素を保護抵抗として利用することができる。
【００４２】
図３Ａは、図２で示された回路の電圧‐電流（Ｖ−Ｉ）曲線での不連続ジャンプを示す。図３Ａに示されたグラフは、図２に示された回路に印加される入力電圧Ｖinputを増加する間、電流を測定することによって、得られる。
【００４３】
図３Ａを参照すると、ＭＩＴ素子１００は、転移電圧未満では、絶縁体の特性を有するので、入力電圧Ｖinputが転移電圧未満である場合、電流は、オームの法則によって線形的に増加する。しかし、入力電圧Ｖinputが転移電圧以上である場合、ＭＩＴ素子１００は、金属の特性を有するので、抵抗が非常に低くなり、電流の不連続ジャンプＡが発生する。図２で示される回路が保護抵抗Ｒp１５０を含むので、入力電圧Ｖinputが転移電圧よりも若干高い場合でしか、ＭＩＴ素子１００で実際に不連続ＭＩＴは発生しないが、以下では、保護抵抗Ｒp１５０が非常に小さい抵抗を有すると仮定し、入力電圧Ｖinputが転移電圧と等しくなるとき、不連続ＭＩＴジャンプが起きるものとして、ＭＩＴ素子を説明する。
【００４４】
図３Ｂは、シミュレーションを利用することで図３Ａに示された電圧‐電流曲線をデジタル化することにより得たグラフである。図３Ｂを参照すると、入力電圧Ｖinputが、不連続ジャンプＢが起きる転移電圧（ＤＡ電圧）以上の場合、ハイ（high）値を有し、転移電圧（ＤＡ電圧）未満ではロー（low）値を有する。ＭＩＴ素子を利用したデジタル化は、図２に示されるような回路にある信号が印加される場合、回路を通して流れる電流、またはＭＩＴ素子に印加される電圧を測定することと、測定された値を基準電流または基準電圧と比較することと、測定された値にハイ値またはロー値を割り当てることとによって、達成することができる。例えば、図２に示される回路へのアナログ信号入力を、比較器を利用することで、デジタル信号に変換することができる。異なる転移電圧を有する複数のＭＩＴ素子を連結して、デジタル回路を構成することができる。
【００４５】
図４は、本発明の一実施形態によるＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。図４を参照すると、不連続ＭＩＴ測定回路は、測定対象部１００、電源部３００、測定部４００及びマイクロプロセッサ７００を含む。測定対象部１００は、ＭＩＴ素子１２０と保護抵抗Ｒp１５０とを含む。電源部３００は、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ・コンバータ３２０（ＤＡＣ：Digital to Analog Converter）とＤＡＣ３２０の出力信号を増幅する演算増幅器３５０とを含む。十分なパルス電圧信号Ｖinputが、ＤＡＣ３２０及び演算増幅器３５０を介して、ＭＩＴ素子１２０に、印加される。
【００４６】
測定部４００は、比較器４２０とエッジトリガード・フリップフロップ４５０とを含む。ＭＩＴ素子１２０に印加される電圧Ｖmitが、比較器４２０の第１入力端子に入力され、ＭＩＴ素子１２０の転移電圧に相当する基準電圧Ｖiが、比較器４２０の第２入力端子に印加される。基準電圧Ｖiは、固定電圧Ｖiccの電源に２個の抵抗２２０と２４０を連結することにより、制御される。２個の抵抗２２０と２４０のうち一つは、可変抵抗Ｒｖである。従って、基準電圧Ｖiを、可変抵抗２４０を調節することによって、測定されるＭＩＴ素子１２０の転移電圧に合うように制御することができる。
【００４７】
比較器４２０は、第１入力端子の電圧Ｖmitが第２入力端子の電圧、すなわち基準電圧Ｖiより低い場合は、ロー値を出力し、第１入力端子の電圧Ｖmitが第２入力端子の電圧Ｖiと等しいか、またはそれより大きい場合は、ハイ値を出力する。従って、比較器４２０は、第１入力端子の電圧Ｖmitが転移電圧より低い場合は、継続的にロー値を出力し、第１入力端子の電圧Ｖmitが転移電圧と等しいか、または瞬間的に転移電圧より高くなった場合に、瞬間的にハイ値を出力する。転移電圧または転移電圧以上の電圧で不連続ＭＩＴジャンプが瞬間的に発生し、それによって第１入力端子の電圧Ｖmitがすぐ転移電圧未満に降下するので、比較器４２０は、瞬間的にのみハイ値を出力する。
【００４８】
比較器４２０の出力端子に連結されたエッジトリガード・フリップフロップ４５０は、比較器４２０からの瞬間的なハイ値出力を一時的に保存し、保存された信号は、マイクロプロセッサ７００に伝えられる。サンプルホルダは、エッジトリガード・フリップフロップに取って代わることができる。
【００４９】
基準電圧Ｖiが不連続ＭＩＴ後の電圧、または不連続ＭＩＴ後の電圧より若干高い電圧に設定された場合、比較器４２０の第１入力端子の電圧は、不連続ＭＩＴが起こる前は常に基準電圧Ｖi以上である。そして、第１入力端子の電圧Ｖmitが基準電圧Ｖiと等しいかそれより高いとき、比較器４２０はロー値を出力し、第１入力端子の電圧Ｖmitが基準電圧Ｖiより低いかそれと等しいとき、比較器４２０はハイ値を出力する。第１入力端子の電圧Ｖmitが基準電圧Ｖi以上であるので、比較器４２０は、不連続ＭＩＴの前は継続的にロー値を出力し、第１入力端子の電圧Ｖmitが転移電圧以上になって不連続ＭＩＴが発生すれば、第１入力端子の電圧Ｖmitが基準電圧Ｖi以下になるので、比較器４２０は、ハイ値を出力する。
【００５０】
マイクロプロセッサ７００は、データバスを介してＤＡＣ３２０を制御し、測定対象部１００に印加される電圧または電流を調節する。加えて、マイクロプロセッサ７００は、エッジトリガード・フリップフロップ４５０の出力信号を受けて、ＭＩＴ素子１２０の不連続ＭＩＴジャンプが発生したかどうかを連続的に検出し、検出結果を保存する。本実施形態においては、基準電圧Ｖiは、比較器４２０の第２入力端子に、追加の電源を介して印加されるが、回路を変更して、マイクロプロセッサ７００が比較器４２０の第２入力端子に適切な基準電圧を印加することができる。
【００５１】
図５は、本発明の別の実施形態による複数のＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。図５を参照すると、この回路は、測定対象部１００ａが、複数のＭＩＴ素子１２０ａを測定するために、複数のＭＩＴ素子１２０ａとアナログ・マルチプレクサ１７０とを含むことを除いて、図４に示された回路と同じである。
【００５２】
複数のＭＩＴ素子１２０ａは、並列にアナログ・マルチプレクサ１７０に連結される。アナログ・マルチプレクサ１７０は、複数のＭＩＴ素子１２０ａから、測定するよう要求されたＭＩＴ素子を選択し、選択されたＭＩＴ素子のみの不連続ＭＩＴジャンプが測定される。アナログ・マルチプレクサ１７０は、測定するよう要求されたＭＩＴ素子を選択するために、マイクロプロセッサ７００から信号ラインを介して選択信号を受ける。
【００５３】
図６は、本発明の別の実施形態による複数のＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。図６を参照すると、高周波のアナログ電圧Ｖinputまたは電流信号入力によるＭＩＴ素子１２０ａの不連続ＭＩＴを正確に測定するため、この回路は、測定部５００が、図５に示された比較器４２０及びエッジトリガード・フリップフロップ４５０の代わりに、サンプルホルダ５２０及びアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）５５０を使用することを除いて、図５に示された回路と同じである。すなわち、図４及び図５に示される比較器４２０を含む測定部４００は、電圧信号Ｖinputが高周波で入力される場合、正確に不連続ＭＩＴを測定することができない。従って、本実施形態では、測定部５００は、高周波の入力電圧または電流信号を用いてＭＩＴ素子１２０ａの不連続ＭＩＴを正確に測定するため、非常に短時間、高周波の信号をホールドできるサンプルホルダ５２０を使用する。
【００５４】
サンプルホルダ５２０に瞬間的に保存された信号は、ＡＤＣ５５０によってデジタル信号に変換されて、マイクロプロセッサ７００に伝えられる。電源部３００のＤＡＣ３２０と測定部５５０のＡＤＣ５５０とは、同一データバスを介して信号を伝え、ならびに受けるが、信号は、ＤＡＣ３２０とＡＤＣ５５０とに含まれるチップセレクタによって、互いに区分される。
【００５５】
図６に示される回路は、複数のＭＩＴ素子１２０ａの不連続ＭＩＴを測定するためマルチプレクサ１７０を含むが、単一のＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する場合、マルチプレクサを省略することができる。
【００５６】
図７は、本発明の別の実施形態によるＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。図７を参照すると、この回路は、電源部８００の構成が、図４に示された回路の電源部の構成と異なることを除いて、図４に示された回路と同じである。すなわち、電源部８００は、固定電圧Ｖinputを供給する入力電源８３０と電流素子としての機能を果たすトランジスタ８１０とを含む。トランジスタ８１０は、バイポーラ・トランジスタまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）トランジスタであってもよい。ベースやゲートに印加されるパルス信号によってトランジスタ８１０はターンオンされ、またはターンオフされる。
【００５７】
トランジスタ８１０がバイポーラ・トランジスタである場合、測定対象部１００は、バイポーラ・トランジスタのコレクタまたはエミッタに連結される。トランジスタがＭＯＳトランジスタである場合、測定対象部１００は、ＭＯＳトランジスタのソースまたはドレインに連結される。
【００５８】
図７は、ＰＮＰバイポーラ・トランジスタ８１０を示し、測定対象部１００は、ＰＮＰバイポーラ・トランジスタ８１０のエミッタに連結されている。ＰＮＰバイポーラ・トランジスタ８１０のベースは、トランジスタ抵抗Ｒt８２０と連結されて、パルス信号８５０を受ける。バイポーラ・トランジスタ８１０は電流デバイスであって、ベース電流と電流利得の乗算に一致した電流がエミッタに流れる。バイポーラ・トランジスタ８１０のベースに印加されるパルス信号８５０を、マイクロプロセッサ７００によって生成することができる。別の方法では、追加のパルス信号オシレータを利用してパルス信号を発生させ、そのパルス信号をバイポーラ・トランジスタ８１０のベースに印加することができる。
【００５９】
測定部４００の比較器４２０及びエッジトリガード・フリップフロップ４５０は、図４及び図５で示された前述の実施形態で説明されたように、ＭＩＴ素子１２０で生成された不連続ＭＩＴをデジタル方式で検出する。複数のＭＩＴ素子が、本実施形態で測定された場合、マルチプレクサを利用することができる。
【００６０】
図８は、本発明の別の実施形態によるＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する回路を示す。図８を参照すると、この回路は、測定部５００が比較器４２０及びエッジトリガード・フリップフロップ４５０の代わりにサンプルホルダ５２０及びＡＤＣ５５０を用いることを除いて、図７に示された回路と同じである。図６で示された前述の実施形態で説明されたように、高周波信号がＭＩＴ素子１２０に印加される場合には、図７に示される比較器４２０が不連続ＭＩＴを正確に測定することができない。従って、高周波信号を検出するためにサンプルホルダ５２０が利用され、ＡＤＣ５５０が、サンプルホルダ５２０からのアナログ信号出力をデジタル信号に変換する。
【００６１】
本実施形態では、パルス信号８５０を、追加のオシレータを利用して生成することができ、マルチプレクサを利用して複数のＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定することができる。上で説明されたＭＩＴ測定回路を利用して得た、ＭＩＴ素子で発生する不連続ＭＩＴに関する実験データ及びＭＩＴ測定回路の応用分野についてこれから説明する。
【００６２】
図９は、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴジャンプを示すグラフである。ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴジャンプは、図８に示された回路によって測定される。図８及び図９を参照すると、図８に示された不連続ＭＩＴ測定回路のトランジスタ８１０のベースにパルス信号８５０が印加される場合、トランジスタ８１０のエミッタに電流が流れる。前述のように、エミッタ電流はベース電流に比例して変わるので、絶縁体状態のＭＩＴ素子１２０を通って流れる電流が突然に増加し、それによってＭＩＴ素子１２０の電圧もオームの法則に従って急に増加する。電圧がＭＩＴ素子１２０の転移電圧以上である場合、ＭＩＴ素子１２０で不連続ＭＩＴが発生し、ＭＩＴ素子１２０の電圧は突然に減少する。
【００６３】
図９に示されるグラフでは、電圧降下は、不連続ＭＩＴによるジャンプによって引き起こされる。ＭＩＴ素子１２０の転移電圧は、ＭＩＴ素子１２０の温度変化が原因で、およそ１１Ｖからおよそ４Ｖ減少する。実際の実験データによると、約２１℃の温度が上昇し、この温度変化に起因して約４Ｖの電圧変化Ｃが発生する。
【００６４】
図９に示されるように、ＭＩＴ素子の絶縁体から金属への転移後、ＭＩＴ素子の電圧はオームの法則によって変化し、その後絶縁体状態に戻る。
【００６５】
図９に示されたグラフは、４μｓｅｃのサイクルを有するパルス信号が印加された場合に得られた。図８に示されたサンプルホルダ５２０を利用することによって、例えば短いサイクルを有するパルス信号などの高周波信号により引き起こされた不連続ＭＩＴジャンプを正確に測定することができることをグラフは示す。
【００６６】
温度によって転移電圧が変化するＭＩＴ素子の特徴は、温度センサとして利用することができる。すなわち、不連続ＭＩＴ測定回路を利用して連続的に不連続ＭＩＴを測定して、外部温度変化を感知することができ、このようにＭＩＴ測定回路を、温度センサとして活用することができる。
【００６７】
図１０は、ＭＩＴ素子に光が照射されたとき、不連続ＭＩＴジャンプが光度によって連続的に変化するのを示すグラフである。図１０では、上部に電圧‐電流曲線が表示され、下部に電圧‐電流曲線をデジタル化することによって得た結果が表示されている。
【００６８】
図１０を参照すると、電圧‐電流曲線は、ＭＩＴ素子に照射される光の強度によって不連続ＭＩＴジャンプが発生する転移電圧の変化を示す。光の波長は１．５５μｍであり、光の強度は−３０ｄＢｍから２０Ｂｍの範囲内である。図１０に示されるように、光度が増加するほど、転移電圧は減少する。従って、上述のＭＩＴ測定回路を利用して、光、すなわち電磁波によって変化する、ＭＩＴ素子の転移電圧を連続的に測定する方法で、電磁波測定センサを構築することが可能である。さらに、多くのＭＩＴ素子をアレイ状またはマトリックス状に配列し、前述のＭＩＴ測定回路を利用して、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを測定する方法で、デジタルカメラで使用されるイメージセンサを構築することが可能である。
【００６９】
図１０の下部に示されたグラフは、電磁波の強度によって不連続ＭＩＴジャンプが起きる電圧が変化するので、多様なバイナリ値が引き起こされ得ることを示す。例えば、−３０ｄＢｍの電磁波がＭＩＴ素子に照射された場合、およそ１２Ｖで不連続ＭＩＴが発生する。従って、１２Ｖ以上の電圧でハイ値を出力し、１２Ｖ未満の部分でロー値を出力する。２０ｄＢｍの電磁波がＭＩＴ素子に照射された場合には、およそ７Ｖで不連続ＭＩＴが発生するので、７Ｖ未満の電圧ではロー値を出力し、７Ｖ以上の電圧ではハイ値を出力する。
【００７０】
図１１Ａ及び１１Ｂは、ＭＩＴ素子に熱を加えたとき、ＭＩＴ素子から感知される温度によって連続的に変化する不連続ＭＩＴジャンプを示すグラフである。ＭＩＴ素子は、図１Ｂに示されたような平面型構造を有する。ＭＩＴ素子の転移薄膜は、ＶＯ2から形成され、電極間間隔は２０μｍであり、電極の幅は５０μｍであり、転移電圧は約２１．５Ｖである。
【００７１】
図１１Ａを参照すると、電圧が増加するほど、ＭＩＴ素子の転移温度が減少する。ＭＩＴ素子に印加された電圧がＭＩＴ素子の転移電圧、すなわち２１．５Ｖに近くなるにつれて、転移温度が常温に接近する。２２ＶをＭＩＴ素子に加えたときは、電圧はオームの法則に従い、転移温度は表れない。すなわち、転移電圧以上の電圧が加えられた場合、電圧に起因する不連続ＭＩＴが発生し、温度に起因する不連続ＭＩＴは発生しない。図１１Ａでは、Ｄは不連続ＭＩＴジャンプラインを表し、Ｅは構造相転移ラインを表す。
【００７２】
上述のように、ＭＩＴ素子の温度による不連続ＭＩＴを測定することができ、ならびに、温度による電圧変化を測定することができる。従って、前述の不連続ＭＩＴ測定回路を利用して不連続ＭＩＴを測定することによって、ＭＩＴ素子の温度を測定でき、このように、不連続ＭＩＴ測定回路を利用して温度センサを構築することができる。
【００７３】
図１１Ｂは、図１１Ａに示された転移温度変化をデジタル化することで得たグラフである。図１１Ｂを参照すると、特定の転移温度未満の温度ではロー値を出力し、転移温度以上の温度でハイ値を出力する。図１０の下部に示されるように、温度は多様な形状で表現されるべきだが、グラフを単純化するために、ただ１つの点で表現される。
【００７４】
ＭＩＴ素子の転移電圧または転移温度は、外部因子、例えば光、温度、圧力またはガス濃度などによって変化する。従って、この転移電圧または転移温度を測定することによって、外部因子の変化を感知することができる。転移温度の変化を測定するために、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴジャンプを連続的に測定できる回路を必要とする。前述の不連続ＭＩＴ測定回路を、転移温度変化を測定するために使用することができる。
【００７５】
従って、本発明による不連続ＭＩＴ測定回路を利用して、光、温度、圧力またはガス濃度によって変化する転移電圧または転移温度を感知することができるセンサを容易に形成することができる。さらに、複数のＭＩＴ素子をアレイ状またはマトリックス状に配列し、前述のＭＩＴ測定回路を介して光の強度を感知する方法で、デジタルカメラで利用されるイメージセンサを構築することができる。
【００７６】
本発明が、例示的な実施形態への参照とともに、詳しく示され、また説明されてきたが、以下の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨及び範囲から離れないで、形式及び細部において様々な変更をなすことができることが、当業者によって理解されるべきだろう。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明はＭＩＴデバイスに関し、特にＭＩＴ素子の応用回路及びその回路を利用したＭＩＴセンサに関する。本発明による不連続ＭＩＴ測定回路は、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定することができる。さらに、例えば温度、圧力またはガス濃度などの外部因子によって、ＭＩＴ素子の転移電圧または転移温度が変化するので、不連続ＭＩＴ測定回路は、ＭＩＴ素子の不連続ＭＩＴを連続的に測定することによって、外部因子における変化を感知するセンサとして活用することができる。さらに、複数のＭＩＴ素子をアレイ状またはマトリックス状に配列して、ＭＩＴ測定回路を介して光の強度を感知し、デジタルカメラで利用されるイメージセンサを構築する。
【図１Ａ】
2010500557.tif 000003
【図１Ｂ】
2010500557.tif 000004
【図１Ｃ】
2010500557.tif 000005
【図２】
2010500557.tif 000006
【図３Ａ】
2010500557.tif 000007
【図３Ｂ】
2010500557.tif 000008
【図４】
2010500557.tif 000009
【図５】
2010500557.tif 000010
【図６】
2010500557.tif 000011
【図７】
2010500557.tif 000012
【図８】
2010500557.tif 000013
【図９】
2010500557.tif 000014
【図１０】
2010500557.tif 000015
【図１１Ａ】
2010500557.tif 000016
【図１１Ｂ】
2010500557.tif 000017
【国際調査報告】
2010500557.tif 000018
2010500557.tif 000019