(57)【要約】金属が添加された強誘電体基板と、前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備えている。
2004107466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属が添加された強誘電体基板と、
前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、
前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備え、
前記分極の方向を変化させることで、前記強誘電体基板の抵抗値を変化させる電気スイッチ。
【請求項２】
前記強誘電体基板は酸化物である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項３】
前記強誘電体基板は単一分極の強誘電体材料からなり、
前記電界印加部は、前記強誘電体基板の分極方向に対向する向きに電界を印加する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項４】
前記強誘電体基板は、分極が反転する際に、前記反転した分極に対向する内部電界が残留する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項５】
前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、
前記電界は、周波数が５Ｈｚ以上の交流電界である請求項１に記載の強誘電体電気スイッチ。
【請求項６】
前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、
前記電界は、高周波を重畳した電界である請求項１に記載の強誘電体電気スイッチ。
【請求項７】
前記強誘電体基板に添加された前記金属は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、ＣｕおよびＦｅの内少なくとも１つであり、
前記強誘電体基板は、ＬｉＮｂＯ３である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項８】
前記強誘電体基板は、前記金属が添加されたＺ板のＬｉＮｂＯ３である請求項７に記載の電気スイッチ。
【請求項９】
前記強誘電体基板は、単一分極処理された強誘電体結晶である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１０】
前記強誘電体基板は、多結晶またはアモルファス材料である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１１】
前記一対の電極は、前記強誘電体基板の自発分極の方向に沿って並ぶように形成されていて、
前記電界印加部が、前記一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、
前記一対の電極間の抵抗が制御される請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１２】
前記強誘電体基板の自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極をさらに備え、
前記電界印加部が、前記自発分極の方向に沿って並ぶように形成されている一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、
自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極間の抵抗が制御される請求項１１に記載の電気スイッチ。
【請求項１３】
前記電界印加部が前記強誘電体基板に電界を印加することにより、前記強誘電体の電界が印加された部分における１０％〜９０％の部分の分極の方向が変化する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１４】
前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略垂直である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１５】
強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略平行である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１６】
前記強誘電体基板における、最大の抵抗値は、最小の抵抗値の１００倍以上である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１７】
前記一対の電極の少なくともどちらかの電極が櫛形電極である請求項１１に記載の電気スイッチ。
【請求項１８】
前記強誘電体基板が単一分極の結晶であり、前記櫛形電極の電極指の方向が、前記結晶のＹ軸方向と略平行である請求項１７に記載の電気スイッチ。
【請求項１９】
前記電界印加部は、前記強誘電体の分極の方向を制御することで、異なる分極の方向の境界である分極壁を前記一対の電極間の近傍において形成または消去し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２０】
前記強誘電体基板の表面には溝が形成されていて、前記溝に前記一対の電極が形成されている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２１】
前記金属の添加濃度は１ｍｏｌ％以上である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２２】
前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して傾いている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２３】
前記強誘電体基板の表面に一対の分極用電極が設置され、
前記電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２４】
前記強誘電体基板の表面に形成された溝に一対の分極用電極が設置され、
電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２５】
前記電界印加部は、半導体材料からなる電気スイッチ素子である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２６】
前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２７】
前記強誘電体基板がイルメナイト構造を有する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２８】
前記分極の方向を変化させる際の前記強誘電体基板の電荷の移動により、前記一対の電極間に電流を流し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２９】
前記強誘電体基板は、自発分極の方向をほぼ単一方向に揃えるためポーリング処理を施されている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項３０】
前記一対の電極の少なくとも１つと、前記強誘電体基板の間には、絶縁層が設置されている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項３１】
請求項１ないし請求項３０に記載のいずれかの電気スイッチを複数個備え、
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値を保持している記憶素子。
【請求項３２】
前記各電気スイッチが２次元的に複数配列されている請求項３１に記載の記憶素子。
【請求項３３】
前記各電気スイッチが、半導体集積回路上に複数形成されており、
前記電圧印加部は、前記半導体集積回路により制御されている請求項３１に記載の記憶素子。
【請求項３４】
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により制御され、
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により検出される請求項３３に記載の記憶素子。
【請求項３５】
光照射部を備え、
前記光照射部は、波長５００ｎｍ以下の光を各電気スイッチの前記強誘電体基板に照射する請求項３１に記載の記憶素子。
【請求項３６】
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた請求項３１に記載の記憶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は強誘電体の自発分極の変化に伴う導電性の変化を利用した電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子に関するものである。
【背景技術】  強誘電体は、自発分極を有し、分極方向の制御が可能である。強誘電体の自発分極の可変性を利用したものとして、強誘電体メモリがある。これは、強誘電体に電圧を印加することで自発分極の方向を変化させ、それに伴い電荷が移動することを利用して電気スイッチを構成するもので、不揮発メモリとして利用されている。このような強誘電体メモリにおいて、自発分極の変化にともなう導電性の変化が漏れ電流の原因となることは知られており、漏れ電流対策として導電性の変化を防止する方法等が検討されている。また、漏れ電流を利用した技術もある（特開平１０−５６１４１号公報参照）。また、強誘電体の分極を利用したものとしては、例えば、過電流によって電気導電性が変化することを利用した電気スイッチ等がある。
また、強誘電体の分極に関して、Ｘ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ３において分極反転部が整流特性を示し、低抵抗化するとの報告がある（Ｓ．Ｓｏｎｏｄａ，Ｉ．Ｔｓｕｍｕｒａ，ａｎｄ  Ｍ．Ｈａｔｏｒｉ；ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７０，ｐｐ．３０７８−３０７９，１９９７参照）。
また、強誘電体に過電流を流すことで電気導電性を変化させる電気スイッチ（Ｙ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｊ．Ｇ．Ｂｄｘｏｒｚ，Ａ．Ｂｉｅｓｔｓｃｈ、Ｃｈ．Ｇｅｒｂｅｒ、Ｄ．Ｗｉｄｍｅｒ、Ａ．Ｂｅｃｋ；ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７８，ｐｐ．３７３８−３７４０，２００１参照）等もある。
このように、強誘電体の分極を利用する種々の技術がある。なお、強誘電体メモリにおいて、自発分極の変化にともない、その絶縁性が劣化する現象は、強誘電体メモリの特性を劣化させる現象とされるが、これらの特性は数倍程度〜数１０倍程度の導電性の劣化である。
強誘電体の自発分極の変化を利用した、現在市販されている強誘電体メモリは、安定性、量産性および信頼性に優れたものであることは、広いメモリ応用により実証されている。しかし、従来の強誘電体メモリは、自発分極の反転に伴う電荷移動により生じる電界を、半導体スイッチを駆動する電圧として利用するものであり、２次的なものであった。このため、構成が複雑で、集積度の向上に限界があるという問題があった。さらに、メモリの寿命、スイッチングの繰り返し回数および不揮発電荷の維持時間等において十分なものとはいえない。一方、自発分極の変化自体を直接スイッチングに利用する試みも行われているが、適当な強誘電体材料が見つかっていないため、実現には至っていない。
【発明の開示】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、簡単な構成であって集積度の高い強誘電体電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子を提供することを目的とする。
本発明の電気スイッチは、金属が添加された強誘電体基板と、前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備え、前記分極の方向を変化させることで、前記強誘電体基板の抵抗値を変化させることを特徴とする。
本発明の記憶素子は、本発明の電気スイッチを複数個備え、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値を保持していることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】  図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る電気スイッチの構成を示す斜視図である。
図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る他の電気スイッチの構成を示す斜視図である。
図２Ａは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。
図２Ｂは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。
図２Ｃは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。
図２Ｄは、強誘電体基板に電圧を印加した場合のヒステリシス特性を示す電界と分極との関係図である。
図３は、図２Ａに示した状態と図２Ｂに示した状態のそれぞれにおける電流電圧特性を示している。
図４Ａは、強誘電体基板に、直流電圧を印加した場合の時間と抵抗の変化を示している。
図４Ｂは、強誘電体基板における周波数と抵抗の変化を示している。
図５Ａは、電極の形状を説明するための電極の平面図である。
図５Ｂは、電極対のそれぞれの電極の周辺部の長さと抵抗の関係を示している。
図６Ａは、実施の形態２に係る第１の電気スイッチの構成を示す側面図である。
図６Ｂは、実施の形態２に係る第２の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図７Ａは、実施の形態２の第３の電気スイッチの構成を示す側面図である。
図７Ｂは、電極対間に流れる電流と時間との関係を示す図である。
図８Ａは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの構成を示す側面図である。
図８Ｂは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの強誘電体基板に印加される電圧と時間経過の関係を示した図である。
図８Ｃは、本実施の形態１の第４の電気スイッチを流れる電流と時間経過の関係を示した図である。
図９Ａは本発明の実施の形態３に係る電気スイッチの構成を示す平面図である。
図９Ｂは本発明の実施の形態３に係る電気スイッチの構成を示す断面図である。
図９Ｃは本発明の実施の形態３に係る分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図９Ｄは本発明の実施の形態３に係る分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１０は、実施の形態３の他の電気スイッチの構成を示す構成図である。
図１１Ａは、本発明の実施の形態４に係る第１の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１１Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第１の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１１Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第１の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１１Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第１の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１２Ａは、本発明の実施の形態４に係る第２の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１２Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第２の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１２Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第２の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１２Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第２の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１３Ａは、本発明の実施の形態４に係る第３の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１３Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第３の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１３Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第３の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１３Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第３の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１４Ａは、本発明の実施の形態４に係る第４の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１４Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第４の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１４Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第４の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１４Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第４の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１５Ａは、本発明の実施の形態４に係る第５の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１５Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第５の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１５Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第５の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１５Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第５の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１６Ａは、本発明の実施の形態４に係る第６の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１６Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第６の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１６Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第６の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１６Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第６の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１７Ａは、本発明の実施の形態４に係る第７の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１７Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第７の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１７Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第７の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１７Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第７の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１８Ａは、本発明の実施の形態４に係る第８の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１８Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第８の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１８Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第８の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。
図１８Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第８の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１９は、実施の形態５に係る電気スイッチと、それを測定した実験系との構成を示す模式図である。
図２０Ａは、強誘電体基板をノンドープのＬｉＮｂＯ３とし、その厚みを０．１５ｍｍとした場合の印加電圧と電流の関係図である。
図２０Ｂは、強誘電体基板をＭｇが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ３とし、その厚みを１ｍｍとした場合の印加電界と電流の関係図である。
図２１Ａは、分極が反転し始め、抵抗が低下した状態の電極の分極の様子を示す図である。
図２１Ｂは、反転した分極反転が再反転し、抵抗が元に戻った状態の電極の分極の様子を示す図である。
図２２は、強誘電体基板にドーピングしたＭｇのモル濃度と電極間の電気抵抗の変化量の関係図である。
図２３Ａは、時間経過にともなう電極間の電圧波形を示す図である。
図２３Ｂは、時間経過にともなう電極間の電流波形を示す図である。
図２４は、実施の形態６に係る記憶素子の構成を示す斜視図である。
図２５は、実施の形態６に係る記憶素子の構成を具体的に示す斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の電気スイッチは、強誘電体の自発分極を制御することで、強誘電体の電気導電性を大きく変化させて、スイッチングを行う。それにより、強誘電体を直接スイッチとして用いることができるので、簡単な構成で、集積度の高い電気スイッチを実現できる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板は酸化物である。それにより、強誘電体基板は、高い絶縁性を有する。そのため、スイッチングにより、大きな抵抗変化を実現できる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板は単一分極の強誘電体材料からなり、前記電界印加部は、前記強誘電体基板の分極方向に対向する向きに電界を印加する。それにより、分極の方向がそろっているため、低電圧でスイッチを駆動することができる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、分極が反転する際に、前記反転した分極に対向する内部電界が残留する。それにより、強誘電体基板の抵抗の変化が見られる。
また、好ましくは、前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、前記電界は、周波数が５Ｈｚ以上の交流電界である。それにより、時間とともに、強誘電体基板の抵抗が変化しないため、安定している。
また、好ましくは、前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、前記電界は、高周波を重畳した電界である。それにより、低抵抗化した強誘電体基板を再反転させて高抵抗化する際に必要な電流を低減することができる。そのため、電気スイッチの駆動電力を低減できる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板に添加された前記金属は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、ＣｕおよびＦｅの内少なくとも１つであり、前記強誘電体基板は、ＬｉＮｂＯ３である。それにより、強誘電体基板の抵抗の変化が見られる。
また、前記強誘電体基板は、前記金属が添加されたＺ板のＬｉＮｂＯ３とすればいい。
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、単一分極処理された強誘電体結晶である。それにより、分極方向がそろっているため、低電圧でスイッチの駆動ができる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、多結晶またはアモルファス材料である。それにより、強誘電体基板を薄膜とできるため、作製においてバルクの結晶成長を必要とせず、容易に作製できる。
また、好ましくは、前記一対の電極は、前記強誘電体基板の自発分極の方向に沿って並ぶように形成されていて、前記電界印加部が、前記一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、前記一対の電極間の抵抗が制御される。それにより、電気スイッチが構成される。
また、好ましくは、前記強誘電体基板の自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極をさらに備え、前記電界印加部が、前記自発分極の方向に沿って並ぶように形成されている一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極間の抵抗が制御される。それにより、電気スイッチが構成される。
また、好ましくは、前記電界印加部が前記強誘電体基板に電界を印加することにより、前記強誘電体の電界が印加された部分における１０％〜９０％の部分の分極の方向が変化する。それにより、前記強誘電体の電界が印加された部分の抵抗値を制御することができる。
また、前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略垂直であるとしてもよい。
また、強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略平行としてもよい。
また、好ましくは、前記強誘電体基板における、最大の抵抗値は、最小の抵抗値の１００倍以上である。それにより、電気スイッチとしての機能を有するようになる。
また、好ましくは、前記一対の電極の少なくともどちらかの電極が櫛形電極である。それにより、分極反転の広がりが早くなる。
また、前記強誘電体基板が単一分極の結晶であり、前記櫛形電極の電極指の方向が、前記結晶のＹ軸方向と略平行であるとしてもよい。
また、好ましくは、前記電界印加部は、前記強誘電体の分極の方向を制御することで、異なる分極の方向の境界である分極壁を前記一対の電極間の近傍において形成または消去し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる。それにより、電気スイッチを実現することができる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面には溝が形成されていて、前記溝に前記一対の電極が形成されている。それにより、電界分布が均一になり、電気スイッチを駆動するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、一対の電極間の絶縁性が高まる。
また、好ましくは、前記金属の添加濃度は１ｍｏｌ％以上である。それにより、強誘電体基板の大きな抵抗の変化を得ることができる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して傾いている。すなわち、この強誘電体基板は、強誘電体基板の自発分極の方向が強誘電体基板表面に対して斜めに交差している、オフカット基板である。それにより、強誘電体基板の分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面に一対の分極用電極が設置され、前記電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する。それにより、分極用の電極と、抵抗値を検知するために電流を流す電極とを別々にできるので、効率よく電気スイッチを駆動できる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面に形成された溝に一対の分極用電極が設置され、電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する。それにより、電界分布が均一になり、電気スイッチを駆動するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、一対の電極間の絶縁性が高まる。
また、好ましくは、前記電界印加部は、半導体材料からなる電気スイッチ素子としてもよい。
また、好ましくは、前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた。それにより、強誘電体基板を加熱することで、低電圧で電気スイッチを駆動させることができる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板がイルメナイト構造を有する請求項１に記載の電気スイッチ。それにより、強誘電体基板の抵抗低下が大きい。
また、好ましくは、前記分極の方向を変化させる際の前記強誘電体基板の電荷の移動により、前記一対の電極間に電流を流し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる。それにより、最低でも、２Ｐｓ×Ｓの電荷量が流れ、抵抗値が２桁以上大きく変化するため、スイッチとして十分使用できる。
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、自発分極の方向をほぼ単一方向に揃えるためポーリング処理を施されている。それにより、結晶に歪を残さずに、分極を一方向にそろえることができる。
また、好ましくは、前記一対の電極の少なくとも１つと、前記強誘電体基板の間には、絶縁層が設置されている。それにより、分極反転させるために印加する電界を小さくでき、電気スイッチを低消費電力で駆動することができる。
また、本発明の記憶素子は、本発明の記憶素子は、上記本発明の電気スイッチを用いて構成される。それにより、簡単な構成で集積度が高い、不揮発メモリを実現できる。
また、好ましくは、前記各電気スイッチが２次元的に複数配列されている。それにより、容易に２次元メモリを実現できる。
また、好ましくは、前記各電気スイッチが、半導体集積回路上に複数形成されており、前記電圧印加部は、前記半導体集積回路により制御されている。それにより、各電気スイッチを容易に制御することができる。
また、好ましくは、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により制御され、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により検出される。それにより、容易に情報を記憶し、記憶した情報を容易に読み出すことができる。
また、好ましくは、光照射部を備え、前記光照射部は、波長５００ｎｍ以下の光を各電気スイッチの前記強誘電体基板に照射する。それにより、すべての強誘電体基板に光を照射することで、すべての電気スイッチの抵抗を高抵抗化することができるので、一括して記憶した情報を消去することができる記憶素子が実現できる。
また、好ましくは、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えている。それにより、すべての強誘電体基板を加熱することで、すべての電気スイッチの抵抗を高抵抗化することができるので、一括して記憶した情報を消去することができる記憶素子が実現できる。
本発明の強誘電体電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子は、電界印加による強誘電体の自発分極の変化にともない、強誘電体の導電性が大きく変化することを利用している。具体的には、自発分極の変化に伴い、強誘電体が絶縁体から半導体に、また半導体から絶縁体へとその導電性を大きく変化させる現象を用いたものである。この現象は、従来は知られておらず、本発明者らが実験結果に基づいて見出したものである。この強誘電体における導電性の可変特性を用いて、電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子を実現する。
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る電気スイッチについて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る電気スイッチ１０ａの構成を示す斜視図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る他の電気スイッチ１０ｂの構成を示す斜視図である。図１Ａに示すように、実施の形態１に係る電気スイッチ１０ａは、金属が添加された強誘電体基板１と、電極対２と、電界印加部である電圧源４を備えている。電極対２は、強誘電体基板に設置されている。図１Ａにおける矢印は、強誘電体基板１の分極の方向を示している。電極対２のそれぞれは、電圧源４に接続されている。電極対２は、強誘電体基板１の表面および裏面に設置されていて、それらは分極の方向に沿うように配置されている。
この電気スイッチ１０ａの動作について説明する。まず、電極対２に電界を印加しない状態では、強誘電体基板１は絶縁体であるため、導電性が低い。すなわち、高抵抗であり、電極対２間には、電流が流れない。次に、電圧源４により、強誘電体基板１の自発分極の方向に対向して電界を印加する。電圧源４は、強誘電体基板１に電界を印加することができ、それにより、強誘電体基板１の一部の分極方向を変化させることができる。自発分極が、完全に反転して、分極反転が完了すると、電極対２間の導電性が高くなる。つまり、電極対２間は低抵抗であり、電流が流れる。次に、電圧源４を用いて、強誘電体基板１に、現在分極反転している方向とは逆向き（元の自発分極の向き）に電界を印加すると、強誘電体基板１の分極が、元の自発分極の状態に戻る（再反転）。この状態では、電極対２間は再び高抵抗になっている。このように、電圧源４を制御することで、電極対２間は導通または非導通とすることができ、スイッチとして動作している。
図１Ｂは、他の実施の形態１に係る電気スイッチの構成を示す斜視図である。図１Ａとの違いは、矢印で表されている強誘電体基板１の自発分極の向きが、強誘電体基板１の表面に対して平行であり、電極対２が自発分極の向きに沿う方向に並んで、強誘電体基板１の同一面に設置されている点である。このような構成であっても、電圧源４を制御することで、強誘電体基板１の一部である電極対２間の分極方向を変化することができる。それにより、電極対２間を導通または非導通とすることができる。
次に、強誘電体基板１の分極方向を制御することで、強誘電体基板１の導電性を変化することができる理由について説明する。まず、強誘電体の特性について説明する。強誘電体材料は、自発分極を有し、その分極の方向は、外部電界により可変とすることができる。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図であり、図２Ｄは、強誘電体基板に電圧を印加した場合のヒステリシス特性を示す電界と分極との関係図である。
強誘電体基板１に電界を電圧源４により印加した場合に、図２Ｄに示すヒステリシス特性を示すことが知られている。強誘電体基板１は結晶内に電荷の偏りを有し、内部に電界を持っている。これを自発分極（Ｐｓ）という。この電界に対向する方向に電圧を外部から印加していくと、自発分極の方向が変化する。
例えば、１軸方向に分極を持った結晶の場合、分極方向は２通りしかない。図２Ａ〜図２Ｃに示すように、強誘電体基板１を挟んで対向するように電極対２が設置され、さらにそれぞれの電極対２が対向する方向が分極方向に沿うように設置されている。なお、図中の矢印は、分極の方向を表している。まず、強誘電体基板１に電界が印加されていない状態では強誘電体基板１は自発分極しており、分極方向は図２Ａにおいて上向きである。この強誘電体基板１に、電圧源４により、分極の方向に対向する方向（図２Ａにおいて下向き）に電界を印加していくと、印加している電界が反転電界−Ｅｃを超えた時点で、強誘電体基板１の一部である電極対２の周辺の分極方向が１８０度反転（Ｐｓが−Ｐｓとなる）して、図２Ｂに示す状態となる。なお、図２Ａ〜図２Ｃにおいて、上向きを「＋」方向、下向きを「−」方向としている。図２Ａで示した状態から図２Ｂに示した状態に変化するように、分極方向が逆方向に変化する現象は分極反転と呼ばれている。図２Ｄにおいて、図２Ａの状態は、状態３２ａで示した個所であり、印加電界が−Ｅｃになったときに、状態３２ｂで示した状態に変化しているのがわかる。また、状態３２ａと状態３２ｂとの間には、状態３２ｃの状態がある。また、状態３２ｂの強誘電体基板１（図２Ｂ）に、分極の逆方向（図２Ｂにおいて、上方向）に電圧を電圧源４により外部からかけると、電界がＥｃを越えた時点で、図２Ａに示すように分極方向が上向きになる。つまり図２Ｄにおいて、状態３２ｂから、状態３２ｃを介して、状態３２ａに変化する。
図２Ｄにおける状態３２ａでは、強誘電体基板１はもとの結晶状態であり、状態３２ｂでは、電極対２間の強誘電体基板１の自発分極が反転している状態である。状態３２ａおよび状態３２ｂは安定状態であるが、状態３２ｃおよび状態３２ｄは状態３２ａおよび状態３２ｂに変化する中間的な状態であり、結晶構造的に不安定な状態で過渡状態であると考えられていた。つまり、図２Ｃに示すように、電極対２周辺の一部分のみが、反転分極しており、電極対２周辺が完全に分極反転していない。そのため、電極２周辺において、分極方向が、反転分極による下向きの分極と、自発分極による上向きの分極とが混在している状態である。なお、自発分極による分極は内部電界である。
次に、上述のように、分極方向が変化している状態の電流の変化について説明する。強誘電体は一般に絶縁体であるが、分極反転が生じる反転電界Ｅｃの近傍において、自発分極の反転に伴う内部電荷の移動により一瞬電流が流れる。この電流の電荷量は反転する面積Ｓに比例して２Ｐｓ×Ｓで表される。分極反転が終了し、反転に必要なこの電荷量２Ｐｓ×Ｓが流れると電流の流れは停止し強誘電体は絶縁体にもどる。つまり、分極反転が起きる瞬間にのみ、電流が流れ、その量も大きくはなかった。例えば、この電荷の移動により電極対２間に一瞬流れる電流を用いて、スイッチングを行うことができる。
また、絶縁体に高電圧を印加した場合に、絶縁体の電気導電性が増加する絶縁破壊という現象が発生する。これは、結晶構造が高電界により破壊され絶縁性を失う現象であり、結晶が破壊されるため結晶構造自体が変化するもので、不可逆な現象である。
本発明者らは、強誘電体の結晶において、絶縁破壊以外に強誘電体材料において電気導電性が増加することを発見した。さらに、それは可逆的に電気導電性を増加させることできた。具体的には、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明した１軸性の強誘電体基板１において、前述のように図２Ｄにおける状態３２ａおよび３２ｂが安定な状態であり、状態３２ｃおよび３２Ｄは過渡的な状態であるとされていた。しかし、状態３２ｃおよび３２ｄは強誘電体基板１の結晶状態として存在し、このように強誘電体基板１の結晶の一部が分極反転している状態において、強誘電体基板１の結晶の抵抗が大幅に低下することが見いだされた。このような、強誘電体基板１の低抵抗状態は、状態３２ａおよび３２ｂになる途中段階である状態３２ｃおよび３２ｄでのみ存在した。状態３２ｃは、図２Ｃで示したような状態であり、このように、電極対２間の一部において、分極反転が発生した状態で、強誘電体基板１の抵抗が低下した。
まず、Ｚ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ３結晶を単一分極処理した強誘電体基板１の自発分極に対向する電界（約２．６ｋＶ／ｍｍ）を強誘電体基板１に印加すると、結晶の一部の分極が反転した時点で、結晶の電気抵抗が大幅に低減するのが観測された。この強誘電体基板１は、電気抵抗は１０１０Ω・ｃｍ以上の絶縁体であったが、分極反転が始まると１０６Ω・ｃｍ以下に低下した。さらに電圧を印加し続けると分極反転が進行し、完全に分極が反転するともとの絶縁体に戻った。このように、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ３結晶である強誘電体基板１は、分極反転の途中段階において結晶の抵抗が大幅に低下する。また、低抵抗化している状態で強誘電体基板１を２００℃程度で熱処理すると抵抗はもとの状態に近い値まで高抵抗化した。このとき分極反転部の形状は変化しなかった。
また、別の実験では、Ｚ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ３結晶（Ｍｇのドープ量は５ｍｏｌ％）を単一分極処理して構成された強誘電体基板１に、その自発分極に対向する電界（約４ｋＶ／ｍｍ）を印加した。その結果、結晶の一部の分極が反転した時点で、強誘電体基板１の電気・抵抗が大幅に低減した。電気抵抗は１ＧΩ・ｃｍ以上の絶縁体であったのが、分極反転が始まると１ＭΩ・ｃｍ以下に低下した。さらに電界を印加し続けると、抵抗値が再び増大した。
これらの結果より、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３結晶のような金属が添加された強誘電体基板において、分極反転が形成され始めた直後の、内部電界が残留している状態で、強誘電体の抵抗が低下すると考えられる。なお、内部電界とは、自発分極を反転させ始めた直後に、結晶内部に残留する反転した分極に対向する電界である。
このように、分極反転の途中において抵抗が低下する現象はＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３およびＫＴＰ等の強誘電体の結晶において観測されている。抵抗が低下している状態は、結晶内部に分極反転によって生じた結晶構造の歪みが存在しており、反転分極に対向している電界が残っている。この状態で、反転した分極に対向する電界を印加すると、通常の反転電界Ｅｃに比べて低い電圧で再反転が発生し、元の自発分極の状態に戻る。
図３は、図２Ａに示した状態と図２Ｂに示した状態のそれぞれにおける電流電圧特性を示している。図３において、実線で示されているのが図２Ａに示した状態であり、破線に示されているのが図２Ｃに示した状態である。図３よりわかるように、図２Ａのように強誘電体基板１が完全に分極している状態では、強誘電体基板１は絶縁体であって、電流が流れない。しかし、図２Ｃのように、分極反転が途中まで進行した状態で、かつ自発分極に対向する内部電界が存在する状態では、強誘電体基板１は低抵抗化し電流が流れる。つまり、分極の反転が電極間で完全に生じていない状態であることと、反転した自発分極に対向する内部電界が存在することの２つの条件が同時に成立する場合に強誘電体の電気抵抗が大幅に低下するとみられる。
図２Ａまたは図２Ｂのように、分極反転が電極間で完全に進んでしまうと、電気抵抗は再び大きくなる。分極反転部分としては、電極間の１０％〜９０％程度であることが望ましかった。また内部電界の存在も重要である。前述のように、低抵抗化されている強誘電体を２００℃程度で熱処理すると抵抗が上昇するのは、内部電界が低下したためであると考えられる。また、抵抗の低下は分極反転により生じる結晶構造の歪みが原因で発生していると考えられる。結晶の歪みが内部電界の要因であり、内部電界の存在している場合に電気抵抗の低下が発生しているからである。
また、電気抵抗が低抵抗化している状態の強誘電体は、抵抗の値も半導体と同程度であるが、その特性も半導体と同等の特性を示す。具体的には、強誘電体は整流特性を有している。例えば、強誘電体に金属膜を堆積して、その電流電圧特性を調べたところ、金属膜の種類によって大きく特性が変化した。これは金属−半導体間の接触部分におけるショットキーバリアの状態が変化したからであり、金属膜の仕事関数により整流特性が変化したためと考えられる。つまり、一部が分極していることで、低抵抗化している強誘電体は、半導体としての特性を示す。
上述したように、Ｘ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ３において分極反転部が整流特性を示し、低抵抗化することはすでに報告されている。しかし、これは、分極反転部分が低抵抗化しているのであって、本実施の形態１の強誘電体基板１のように、分極反転と分極反転に伴う内部電界の存在により低抵抗化していることとは異なる。
上述のように、実施の形態１の電気スイッチは、強誘電体基板１に内部電極とそれに対向する分極とがともに存在する状態（図２Ｃ参照）と、強誘電体基板１が完全に分極している状態（図２Ａまたは図２Ｂ参照）とを有し、それらのどちらかに切り換えることで、強誘電体基板１をそれぞれ低抵抗化または高抵抗化する。それにより、電気スイッチは導通または非導通に制御される。
しかし、内部電界が存在する状態は結晶構造的に不安定である。そこで、低抵抗化された強誘電体基板１の抵抗の時間変化を測定した。図４Ａは、強誘電体基板１に、直流電圧を印加した場合の時間と抵抗の変化を示している。強誘電体基板１を、図２Ｃに示した状態とし、強誘電体基板１の温度は１２０℃として測定した。図４Ａに示しているように、抵抗値は時間の経過とともに徐々に増加し、数時間で２〜３倍になった。これは分極反転部分の抵抗が時間とともに増加していることを示している。抵抗の変化は温度に依存し、室温ではかなり小さいが１００℃を越えると数時間で２〜３倍になる。抵抗の変化が大きくならぬように、安定して使用するためには、強誘電体基板１は５０℃以下の温度で利用するのが望ましい。さらに、抵抗の周波数依存性についても測定した。図４Ｂは、強誘電体基板１における周波数と抵抗の変化を示している。強誘電体の分極反転部分に高周波を印加して電流電圧特性より抵抗を測定した。図４Ｂに示されているように、周波数が大きくなると抵抗が増加した。直流では１ＭΩ程度であった抵抗が周波数が１ｋＨｚでは３ＭΩ程度に増加した。ところが、抵抗の時間変化を見ると、周波数を増大させることで、時間的な変化が殆ど無くなることが分かった。図４Ｂにおいては、時間経過による抵抗の変化量も示している。図４Ｂに示しているように、直流電圧または、５Ｈｚ未満の交流の場合、抵抗値は時間とともに増加していった。しかし、１０Ｈｚ以上の交流に対しては、抵抗値の時間変化はほとんどなく、安定な値を示した。このことより、電気スイッチのスイッチングを制御する信号としては、５Ｈｚ以上の交流信号を用いればよく、１０Ｈｚ以上の交流信号を用いることがさらに望ましい。
上述したように、分極反転により強誘電体基板１を低抵抗化する場合において、その抵抗は、印加する高周波電界の周波数に依存する（図４Ｂ参照）。具体的には、周波数が大きくなると抵抗が増加する。また、低抵抗化した強誘電体基板１を再反転させて高抵抗化するために、電界を印加する際に、高電流を流さなければならない。そこで、高周波を重畳した電界を印加すればよい。それにより、強誘電体基板１の高抵抗化がはかれ、電界を印加する際の電流を低減することができる。そのため、電気スイッチの駆動電力を低減することができる。
強誘電体を低抵抗化した場合の抵抗値は、分極反転が生じている表面積に依存している。図５Ａは電極の形状を説明するための電極の平面図である。図２Ａに示すように、強誘電体基板１の分極方向に沿う方向に、電極対２を並べて配置する。図５Ａに示したように、電極対２の形状を櫛形電極とすると望ましい。それにより、電極対２の周辺部の長さを長くすることができる。図５Ｂは電極対２のそれぞれの電極の周辺部の長さと抵抗の関係を示している。図５Ｂに示されているように、電極対２のそれぞれの電極の周辺部（電極エッジ）の長さを長くすることで、強誘電体基板１の抵抗をより低くできる。つまり、同じ電極面積でも、長い周辺距離がとれる電極形状のほうが、より低抵抗とすることができる。そこで、例えば、櫛型電極等を用いればよい。
また、例えば両方に電極指のある枝状の電極を用いて電極対２を形成してもよい。電極の方向としては、櫛の指の方向を結晶のＹ軸方向にすると特性が向上する。Ｚ板のＭｇドープのＬｉＮｂＯ３基板を用いた実験では、櫛の指の方向によって分極反転の形成の容易さが異なることが分かった。櫛の指の方向をＹ軸方向に一致させた場合は、これに９０°直交させたＸ軸方向に形成した場合にくらべ、分極反転の広がる早さが１０倍以上になった。このため、結晶に形成する櫛の指の方向はＹ軸方向に設定するのが好ましい。
なお、強誘電体基板１としては、ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ３を用いたが、これはＬｉＮｂＯ３結晶では、同様の効果が得られなかったからである。ＬｉＮｂＯ３そのものでは、分極反転に伴う電気導電性の大幅な向上は見られず、絶縁体の特性に変化はなかった。すなわち、強誘電体に金属を添加することで、分極方向の変化に伴う電気導電性の変化を実現できる。同様に、ＬｉＴａＯ３においてもＬｉＴａＯ３結晶単体では分極反転前後で電気導電性の変化は発生せず、ともに絶縁体であるが、Ｍｇ等の金属添加物を加えることで電気導電性の変化が観測された。添加するＭｇのドープ量は１ｍｏｌ％未満の場合に、上記分極方向の変化に伴う強誘電体基板１の抵抗の変化量が数％程度と大幅に低下した。１０％以上の大きな抵抗の変化を実現するには１ｍｏｌ％以上の金属の添加が必要である。３ｍｏｌ％以上の添加を行うと抵抗が１／１０以下になりより有効である。また、その他の強誘電体材料においても、金属ドープ量を増大できるものであれば、同様の電気導電性の変化が可能である。
また、強誘電体基板１としては単一分極の強誘電体結晶以外であってもよく、例えばアモルファス結晶、微結晶等の結晶粒が存在するものであれば同様の効果が得られる。アモルファス、微結晶構造を利用すれば、薄膜材料が利用できるため、バルクの結晶成長を必要とせず、デバイス作製が容易になる。また、アモルファス、微結晶にすることで、金属添加物のドープ量を増大できる。そのため、電極対２間の電気抵抗の変化量を増大できる。しかし、金属のドープ量を増大すると結晶の格子歪みが増大するため、大型結晶を引き上げる際にクラック等が生じ、均一な大型結晶の成長が難しくなる。例えばＬｉＮｂＯ３の場合Ｍｇを１０ｍｏｌ％以上添加するのは難しいため、単結晶の基板を用いる場合はドープ量を１０ｍｏｌ％以下が望ましい。
なお、強誘電体基板１として自発分極を単一分極化したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いたが、その他の金属を添加した強誘電体、例えばＩｎ、Ｓｃ、ＣｕおよびＦｅ等の金属を添加したＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰまたは、これらの結晶の混成結晶でも同様の効果が得られる。
なお、強誘電体基板１の材料としては、自発分極の方向が表面に垂直なＺ板の基板以外であってもよく、例えば、自発分極の方向が基板平面と平行なＸ板もしくはＹ板、または、基板表面に対して斜めに交差するオフカット基板等でもよい。オフカット基板は、分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できるため、より好ましい。
なお、上述のように、室温近傍で強誘電体の電気抵抗の変化を観測した。強誘電体の大幅な電気抵抗の低下が観測されたことは、さらなる低温において超伝導作用を起こす可能性がある。温度が高い状態では前述したように結晶的に不安定であったが、時間的な制約があるが、低温で使用することで、結晶の不安定性は解決できる。０℃以下の低温で強誘電体を利用すれば超伝導特性を示し、かつ分極反転を利用することで超伝導の電気スイッチが構成できるため有効である。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る電気スイッチについて図を用いて説明する。実施の形態２の電気スイッチは、実施の形態１と同様に、金属を添加した強誘電体基板の分極を制御することで、強誘電体基板の抵抗を変化させて、強誘電体基板を導通または非導通に制御する電気スイッチである。電極の配置および電圧印加部の構成等は異なるが、用いる強誘電体基板は、実施の形態１で用いたものと同一とすればよい。
図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態２に係る電気スイッチの構成を示す図である。図６Ａは、実施の形態２に係る第１の電気スイッチの構成を示す側面図である。図中、矢印で示している強誘電体基板５１の自発分極の方向に沿って並ぶように、電圧用電極対５２が設置されている。また、電圧用電極対５２は強誘電体基板５１を挟むようにその表面および裏面に設置されている。さらに、電圧用電極対５２が設置された面のうち一方の面に、分極方向の垂直方向に沿って並ぶように、電流用電極対５３が設置されている。また、図６Ｂは、実施の形態２に係る第２の電気スイッチの構成を示す平面図である。強誘電体基板５６の１つの面において、矢印で示している自発分極方向に沿って並ぶように、電圧用電極対５７が設置されている。さらに、電圧用電極対５７が設置された面と同一の面に分極方向の垂直方向に沿って並ぶように、電流用電極５８が設置されている。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、電圧用電極対５２および５７には、電圧源５４が電気的に接続され、電流用電極対５３および５８には、電流源５５が電気的に接続されている。なお、図６Ａの強誘電体基板５１はＺ板であり、図６Ｂの強誘電体５６はＸ板またはＹ板とすればよい。また、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、オフカット基板を用いてもよい。
図６Ａおよび図６Ｂに示した電気スイッチにおいて、電圧源５４を用いて、電圧用電極対５２間および電圧用電極対５７間に、強誘電体基板５１および強誘電体基板５６の自発分極に対向する方向の電界もしくは自発分極と同一方向の電界を選択的に印加する。それにより、電圧用電極対５２間および電圧用電極対５７間の抵抗をそれぞれ高抵抗または低抵抗に制御することができる。そうすることで、電流用電極対５３間および電流用電極対５８間に抵抗も低抵抗または高抵抗に制御され、電流が導通または非導通となる。
図７Ａは、実施の形態２の第３の電気スイッチの構成を示す側面図である。図７Ａの電気スイッチは、電極対６２間の電流値をスイッチングする電気スイッチである。強誘電体基板６１の表面と裏面に対となる電極（電極対６２）を分極の方向に沿うように形成され、これら電極対６２は電圧源６３と電気的に接続されている。
電圧源６３により電極対６２間に印加される電界は反転電界Ｅｃを超えるパルス電界である。電界が印加されることで、強誘電体基板６１における電極対６２間の一部の分極が反転し、強誘電体基板６１の電気抵抗が低下する。図７Ｂは、電極対６２間に流れる電流と時間との関係を示す図である。図７Ｂにおいて、電流が飛び出した個所６４は、パルス電界が印加された時である。パルス電界が印加されると強誘電体基板６１の抵抗が低下し、図７Ｂに示すように、電極対６２間に電流が流れる。さらに、−のパルス電圧を印加すると、電流が流れなくなる。つまり、図７Ｂの電流が飛び出した個所６５は、「−」のパルス電圧を印加された時である。このように、電流にパルス電圧を重畳することでながれる電流の値を可変とすることができ、スイッチングを行うことができる。
図８Ａは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの構成を示す側面図である。この電気スイッチは、分極の方向（図中、矢印で示している）が図７Ａの電気スイッチと１８０度異なっているが、その他の構成は同一である。電圧源６３は、強誘電体基板６１に印加するパルス電圧が「＋」または「−」に交互に入れ替わるようにする。図８Ｂは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの強誘電体基板に印加される電圧と時間経過の関係を示した図である。また、図８Ｃは、本実施の形態１の第４の電気スイッチを流れる電流と時間経過の関係を示した図である。図８Ｂに示すようなパルス電圧を、電極対６２間に印加することにより、図８Ｃに示すような電流波形を得ることができる。これからわかるように、第４の電気スイッチは整流素子として動作している。つまり、電圧源６３のパルス電圧を「−」に印加すると、分極反転が生じて電流が流れるが、「＋」の電圧が印加されて分極反転が無くなり電流が流れなくなる。これが繰り返されることで、整流特性が得られる。分極反転するためには、反転電界Ｅｃ（２．６ｋＶ／ｍｍ）を印加させねばならないが、分極反転部分を再反転させて元に戻すには０．５ｋＶ／ｍｍ以下の電界でも可能であった。これは、内部電界が存在することで反転電圧が低下したためである。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る電気スイッチについて図を用いて説明する。
強誘電体材料において自発分極の反転に伴い、電気導電性が増加する状態が可逆的に存在するという現象については実施の形態１で説明し、このような現象は内部電圧の影響によるものではないかとの見解を述べた。しかし、このような現象が生じる原因としては、それ以外に分極壁の存在の有無が挙げられる。分極壁とは、分極の方向が異なる個所どうしの境界である。分極壁の有無により、強誘電体の電気抵抗が大きく変化している。強誘電体基板に電界を印加した初期には、電極間に分極壁が存在しており、そのため電気抵抗が大幅に低下するのではないかと考えられる。さらに電界印加を続けると分極反転領域が大きく広がり、分極反転が完了すると、電極面積より大きな分極反転領域が形成される。分極壁が電極より遠ざかるため、電極間の抵抗が再び増大すると考えられる。
分極壁では結晶構造に大きな歪みが存在すること、自発分極が急激に変化する領域で大きな内部電界が存在することが、このような現象に起因するものと考えられる。そこで、実施の形態３では、分極壁の説明も加えて、電気スイッチについて説明する。
図９Ａ〜図９Ｄは、本発明の実施の形態３に係る電気スイッチの構成を示す図である。図９Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図９Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図９Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図９Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。図９Ａ〜図９Ｄにおいて、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されている。この強誘電体基板８１は、実施の形態１および２で説明した強誘電体基板８１を用いればよく、同様の効果を有する。強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示している。自発分極方向に沿ってこの電極対８２は強誘電体基板８１の自発分極方向に沿うように並べて設置されている。図９Ａおよび図９Ｂに示しているように、自発分極を変化させていない状態では、電極対８２間に分極が異なる領域が形成されていず、分極壁は形成されていない。この状態では強誘電体基板８１は高抵抗であり、電極対８２間に電流を流そうとしても流れない。自発分極を可変とする電界印加部により、強誘電体基板８１の自発分極の方向を変化させることで、図９Ｃおよび図９Ｄに示しているように、電極対８２間に分極方向が異なる領域８３が生じる。領域８３内と領域８３外では分極の方向が異なる。この分極方向が異なる境界が、分極壁８４である。分極壁８４においては電気抵抗が大幅に低下しているので、電極対８２間は低抵抗化している。そのため、電極対８２間に電流が流れ得る。
なお、電界印加部は、図示していないが、実施の形態１および２に示しているように、自発分極方向または、その逆方向に電界を印加することができる、例えば電圧源等であればよい。また、電極対８２間に電圧を印加する電圧源等でもよい。上述のように、電極対８２間に自発分極の方向とは逆方向に電圧を印加することで、分極壁８４を生じさせることができ、それにより、電極対８２間の抵抗を可変とすることができる。
分極方向が異なる領域８３の分極方向は、強誘電体基板８１によって異なる。例えば、強誘電体基板８１として、単一分極のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いた場合、反転分極により分極方向は１８０°変化する。このため、強誘電体基板８１と分極方向が異なる領域８３では分極の方向が１８０°異なる。このような分極方向以外に、分極の方向が強誘電体基板８１表面に平行な場合、強誘電体基板８１表面に垂直な場合および強誘電体基板８１表面に対し傾いている場合等がある。また分極の安定な方向が複数有る場合もあり、この場合には、印加する電界の方向で分極の方向が決まる。
強誘電体基板８１が単一分極の結晶であるが、分極方向が単一分極化されていない場合には、強誘電体基板８１を単一分極処理してから使用する必要がある。また、強誘電体基板８１として、微結晶、アモルファス、セラミック等の材料、単結晶、液層成長の薄膜結晶等が利用できるが、これらは分極の方向がバラバラで存在するので、ポーリング処理を施すことが望ましい。ポーリング処理とは、各材料の温度を、その結晶のキュリー温度近くまで上げて、電界を印加することで、分極を一方向にそろえる処理方法である。温度を上げて自発分極を形成するため、分極壁８４に結晶歪みが残りにくい。この状態で徐々に冷却することで、マクロ的には分極方向がそろった強誘電体基板８１を形成することができる。
ポーリング処理した強誘電体基板８１の、低抵抗状態を実現するには、強誘電体基板８１の温度をキュリー温度よりかなり低い温度として、ポーリング電界に対向する電界を印加することが望ましい。キュリー温度は数１００℃のものが多い。このため、分極反転の温度はキュリー温度の１／２以下または１００℃以下が好ましい。こうすることで、分極反転により分極壁に結晶歪みを残した状態を作ることができる。
図９Ａ〜図９Ｄにおいて、強誘電体基板８１としてＭｇドープのＬｉＮｂＯ３を用いた場合について説明する。Ｍｇのドープ量は５ｍｏｌ％であり、Ｘカット基板の単一分極処理された結晶であり、この電極対８２が並べられた方向に沿うように自発分極の方向を有している。図９Ａおよび図９Ｂの状態で、自発分極の逆方向となるように電極対８２間に、図示していない電界印加部により５ｋＶ／ｍｍの電界を印加した。例えば、電極対８２同士の間隔を１μｍとすれば、印加電圧は５Ｖである。電圧を印加することで、分極壁が生じた。つまり、図９Ｃおよび図９Ｄの状態に変化した。このとき電極対８２間の抵抗は数１００Ωであった。
次に先ほどと逆方向に例えば５Ｖの電圧を印加すると図９Ａおよび図９Ｂの状態に再び戻り、電極対８２間の抵抗は数１０ｋΩに増大した。このように抵抗の変化率は２桁以上であった。つまり、１００倍以上であった。
また、上記電界を印加する操作を繰り返し行ったが、変わりなく電極対８２間の抵抗を変化させることができた。図９Ａおよび図９Ｂと図９Ｃおよび図９Ｄとのそれぞれの状態における抵抗の値は、変更直後はわずかに変化したが、その後は安定であり、そのまま数ヶ月たっても抵抗値が変化することはなかった。このように、強誘電体基板８１の分極は非常に安定であるため、途中で外部からの電気的な供給を受けることなく、実施の形態３に係る電気スイッチは半永久的にスイッチ状態を保持することができる。
強誘電体基板８１の分極の方向を変化させる際に、分極壁８４が形成または消去されるが、それにより、分極壁８４が生じる個所には大きな結晶的な歪みが存在する。このため、繰り返し回数を増大させた場合に、結晶的なダメージが残るが、結晶的なダメージは、分極壁８４の領域の大きさに依存し、面積に比例して動作回数の限界が減少する。分極壁の面積が１ｍｍ２以上の場合繰り返し回数は１０００回程度であった。１０万回以上のスイッチ回数を実現するには、分極壁の面積を１００μｍ２以下に規制すればよい。さらに面積を低減して１０μｍ２以下とすることで、さらに繰り返し回数を増大することが可能である。
強誘電体基板８１には、前述のようにＭｇをドープしている。このように、金属添加物を加えることは、自発分極を反転させるための反転電界Ｅｃの値を小さくできるため有効である。例えば、ＬｉＮｂＯ３単体結晶の場合において、反転電界Ｅｃの値は２０ｋＶ／ｍｍ程度であるが、Ｍｇを５ｍｏｌ％程度ドーピングすることで反転電界Ｅｃは１／４程度に低下する。結晶に電圧を印加すると電歪効果により結晶が歪むため、繰り返し高電圧を印加するとクラック等が生じる。このため、強誘電体基板８１への印加電圧は小さいほど、電気スイッチの寿命が長くなる。金属添加を行うことで、印加電圧を大幅に低減できるため、電気スイッチのスイッチングの繰り返し回数が増大するため有効である。
また、反転電界Ｅｃの値は結晶構造に大きく依存している。結晶引き上げを効率的にするため、強誘電体基板８１の結晶は、完全な組成比から少しずれたコングルエント組成で引き上げられる場合が多い。この組成の方が均一な結晶を引き上げやすいからである。これに対して、ストイキオメトリック組成にすることで、反転電界Ｅｃの値が大幅に低下することが知られている。これは、ストイキオメトリック組成の方が結晶内の欠陥密度が小さいため自発分極の制御が容易になるからである。例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３においては反転電界Ｅｃの値が１／４から１／１０近くまで低下する。そこで、強誘電体基板８１としてはストイキオメトリック結晶を用いることで印加電圧の低電圧化が可能となり、電気スイッチの寿命を大幅に増大できる。なお、ストイキオメトリック組成の結晶は、結晶引き上げの他、エピタキシャル成長による成膜で容易に形成できる。エピタキシャル成長膜による強誘電体基板８１を用いることで、反転電界Ｅｃを低下させることが容易であり、電気スイッチのスイッチング寿命を増大できる。
なお、実施の形態３では、電極対８２を強誘電体基板８１の表面に形成したが、電極対８２の配置は、これに限られるものではない。例えば、強誘電体基板８１を薄膜化して、その表面と裏面に形成することでも同様の効果が得られる。また、強誘電体基板８１の抵抗が低下するのは、分極壁の部分であるため、分極壁面積を増大することで、抵抗を低下することができる。例えば、電極対８２を櫛形電極等とすることで、分極壁の面積を増大することができ、強誘電体基板８１をさらに低抵抗化することができる。
図１０は、実施の形態３の他の電気スイッチの構成を示す構成図である。強誘電体基板９１は、上述の強誘電体基板と同様とする。強誘電体基板９１の表面には、トレンチである溝９６が形成されていて、電極対９２は、その中に形成されている。さらに、強誘電体基板９１には、加熱部であるヒータ９７が設置されている。電極対９２には電界印加部である電圧源９８が接続されている。なお、強誘電体基板９１の自発分極方向は、図１０中に矢印で示している。この電気スイッチの動作は、上述の電気スイッチと同様である。
図１０に示す電気スイッチにおいて、電圧源９８により、電極対９２間に電界を印加する際に、強誘電体基板９１の温度を室温からわずかに上昇させることが望ましい。強誘電体基板９１に設置されているヒータ９７により、強誘電体基板９１の温度を８０℃程度にすることで、分極反転に必要な印加電界Ｅｃを半分程度に低下させることができる。印加電界Ｅｃが低下することで、電気スイッチを低消費電力で駆動することが可能となる。さらに、分極反転時に発生する結晶の歪みが低下するため、繰り返し回数の耐性が大幅に上昇するため有効である。具体的には、強誘電体基板９１を２０℃以上で使用するのが好ましい。さらに４０℃以上とするとさらに好ましい。
また、溝９６内に電極対９２を形成することで電界分布が均一になり分極の異なる領域を形成するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、電極対９２間の絶縁性が高まるので好ましい。なお、溝９６内と強誘電体基板９１表面とに電極対９２を形成するようにしてもよい。
実施の形態３の強誘電体基板８１および９１において、アモルファスまたは微結晶構造としてもよく、その場合、金属のドープ量を増大することができる。また、微結晶を焼結したセラミック等を用いることで同様の特性を利用できる。ただし、分極壁８４を形成するには、薄膜内に反転する分極の境界が必要である。このため、薄膜は一定以上の大きさの結晶粒が必要となり、微結晶としては、結晶粒の大きさが１μｍ以上あるものが望ましい。薄膜の厚さとしては、１μｍ以上、１００μｍ以下が望ましい。これよりも薄膜が厚くなりすぎると、成膜時間がかかって量産性が乏しくなる上、薄膜を形成するための基板との応力等によりクラックが生じる等の問題が発生する。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る電気スイッチについて図面を用いて説明する。実施の形態４の電気スイッチは、実施の形態３の電気スイッチにさらに、分極壁を形成および消去するための電極を備えた構成である。なお、全図を通して、同様の働きを有する部材には同一符号を付し説明を省略する。図９Ａ〜図９Ｄに示したように、電極対間における分極壁の有無を制御することで電気スイッチが動作する。強誘電体の自発分極は、電界印加により制御が可能となる。
図１１Ａ〜図１１Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第１の電気スイッチの構成を示す図である。図１１Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１１Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１１Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１１Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第１の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極９５が設置されたものである。強誘電体基板８１としては、実施の形態１〜３で説明した特性を有する強誘電体基板を用いればよい。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示している。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内であって、強誘電体基板８１の自発分極方向の垂直方向に沿うように並べて設置されている。分極用電極９５は、電極対８２が並ぶ方向に平行な方向を長手方向として設置されている。このような電気スイッチにおいて、電極対８２と分極用電極９５との間に電界を印加することで、図１１Ｃおよび図１１Ｄに示しているように、分極の異なる領域９３が形成される。なお、各電極対８２同士は同電位である。分極が異なる領域９３の周辺には、分極壁９４が形成されている。これにより、電極対８２間が低抵抗化されている。図１１Ａおよび図１１Ｂに示す状態では電極対８２間は高抵抗であるため、電極対８２間に電流が流れない（非導通）。しかし、図１１Ｃおよび図１１Ｄの状態とすることで、電極対８２間には電流が流れる（導通）ようになる。つまり、スイッチとして働いている。図１１Ｃおよび図１１Ｄの状態からは、さらに、電極対８２と分極用電極９５との間に、電極対８２間を低抵抗化した際とは逆方向に電圧を印加することで分極の異なる領域９３は消滅し、分極壁９４が消滅するので、電極対８２間の抵抗は元のように高抵抗化する。
以下、他の電気スイッチについて説明するが、動作原理は上述と同様であり、分極壁が形成されることで電極対間が低抵抗化（導通）し、分極壁が消滅して、電極対間が高抵抗化（非導通）する。図１２Ａ〜図１２Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第２の電気スイッチの構成を示す図である。図１２Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１２Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１２Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１２Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第２の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極対１０５が設置されたものである。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示している。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内であって、強誘電体基板８１の自発分極方向の垂直方向に沿うように並べて設置されている。分極用電極対１０５は、電極対８２が並ぶ方向に平行な方向を長手方向として設置され、分極用電極対１０５同士で、電極対８２を挟むように設置されている。つまり、電極対８２が並ぶ方向と分極用電極対１０５の並ぶ方向は直交している。このような電気スイッチにおいて、分極用電極対１０５間に電界を印加することで、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示しているように、分極の異なる領域１０３が形成される。分極が異なる領域１０３の周辺には、分極壁１０４が形成されている。これにより、電極対８２同士の間が低抵抗化されている。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す状態では電極対８２間は高抵抗であるため、これらの状態を選択的に切替えることで、スイッチとして機能する。この場合、強誘電体基板８１の自発分極の方向は分極用電極対１０５間に形成される電界の方向に略平行とすることが望ましい。それにより、強誘電体基板８１の自発分極の方向を制御するための電界を小さくすることができる。
図１２Ａおよび図１２Ｂに示す状態から、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示す状態に変化させる場合には、分極用電極対１０５間に電界を印加するが、この際には分極壁１０４が存在しないので、強誘電体基板８１は高抵抗状態であり電界の印加は容易である。しかし、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示す状態から、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す状態に変化させる場合には、分極用電極対１０５間に分極壁１０４が存在するため抵抗が低くなっており、電流が流れやすいため電界を印加する場合に消費される電力が大きくなる。これを防止するには、分極用電極対１０５と強誘電体基板８１との間に、例えば絶縁体膜を形成しておくことが有効である。例えばＳｉＯ２等の絶縁体膜を分極用電極対１０５と強誘電体基板８１との間に堆積することで、電流の流れを防止し、分極を制御する際の電力消費を大幅に低減できる。
図１３Ａ〜図１３Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第３の電気スイッチの構成を示す図である。図１３Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１３Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１３Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１３Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第３の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極１１５が設置されたものである。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示しているように、強誘電体基板８１の厚さ方向である。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内に並べて設置されている。また、電極対８２の間に分極用電極１１５が設置されている。上述の第１および第２の電気スイッチは強誘電体基板８１の表面に平行な方向に分極の方向を制御していたが、第３の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に対して垂直な方向に自発分極の方向を制御する電気スイッチである。図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて、電極対８２と分極用電極１１５との間に電圧を印加すると、強誘電体基板８１の表面に対して垂直な方向にも電界ができる。強誘電体基板８１としては、その表面に対して垂直な方向に自発分極を有するものを利用しているので、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示すように、自発分極の異なる領域１１３が形成され、分極壁１１４が形成される。また、電力消費を低減するために、分極用電極１１５の下には絶縁体膜を形成するのが好ましい。
図１４Ａ〜図１４Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第４の電気スイッチの構成を示す図である。図１４Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１４Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１４Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１４Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第４の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極対１２５が設置されたものである。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示しているように、強誘電体基板８１の厚さ方向である。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内に並べて設置されている。第４の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面および裏面に分極用電極対１２５が設置されている。強誘電体基板８１の表面に設置された分極用電極対１２５の一方は、電極対８２の間に設置されている。図１４Ａおよび図１４Ｂの状態から、強誘電体基板８１の表面および裏面に形成された分極用電極対１２５間に電界を印加させることで、図１４Ｃおよび図１４Ｄの状態となる。なお、強誘電体基板８１の自発分極の方向は、強誘電体基板８１の表面に対して垂直である。図１４Ｃおよび図１４Ｄに示しているように、電極対８２間には分極の異なる領域１２３が形成され、その周りに分極壁１２４が形成されている。そのため、電極対８２間が低抵抗化する。なお、第４の電気スイッチにおいては、分極反転の駆動電圧を低減するために、強誘電体基板８１は、薄膜化することが望ましい。強誘電体基板８１の厚みは５μｍ以下が望ましい。
図１５Ａ〜図１５Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第５の電気スイッチの構成を示す図である。図１５Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１５Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１５Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１５Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第５の電気スイッチは、強誘電体基板８１がオフカット基板であり、その表面に電極対１３２が形成されている。さらに、強誘電体基板８１上には、分極用電極１３５が設置されている。電極対１３２と分極用電極１３５との間に電界を印加することで、図１５Ａおよび図１５Ｂの状態から図１５Ｃおよび図１５Ｄの状態に変化する。オフカット基板とは、強誘電体基板８１の結晶の表面に対して自発分極の方向が角度を持っている基板である。分極反転部分は自発分極の方向に沿って成長するため、図１５Ｃおよび図１５Ｄに示すように、分極の異なる領域１３３は、強誘電体基板８１の内部に自発分極の方向（図中矢印で示している）に沿って成長する。分極の異なる領域１３３の周りに形成されている分極壁１３４は強誘電体基板８１の内部に潜った部分に形成される。分極壁１３４は、電極対１３２の近傍に存在するため、電極対１３２間の抵抗は低抵抗化する。
図１６Ａ〜図１６Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第６の電気スイッチの構成を示す図である。図１６Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１６Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１６Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１６Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第６の電気スイッチは、図１５Ａ〜図１５Ｄに示す第５の電気スイッチの分極用電極の代わりに、強誘電体基板８１の表面に分極用電極対１４５が形成されている。電極対１３２が並ぶ方向と分極用電極対１４５が並ぶ方向が直交するように配置されている。これら分極用電極対１４５間に電界を印加することで、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す状態から、図１６Ｃおよび図１６Ｄに示す状態に変化させることができる。図１６Ｃおよび図１６Ｄに示す状態は、分極が異なる領域１４３が形成されていて、その周りには分極壁１４４が形成されている。そのため、電極対１３２間は低抵抗化されている。
図１７Ａ〜図１７Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第７の電気スイッチの構成を示す図である。図１７Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１７Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１７Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１７Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第７の電気スイッチは、図１５Ａ〜図１５Ｄに示す第５の電気スイッチの分極用電極の代わりに、強誘電体基板１３１の表裏面に分極用電極対１５５が形成されている。これら分極用電極対１５５間に電界を印加することで、図１７Ａおよび図１７Ｂに示す状態から、図１７Ｃおよび図１７Ｄに示す状態に変化させることができる。図１７Ｃおよび図１７Ｄに示す状態は、分極が異なる領域１５３が形成されていて、その周りには分極壁１５４が形成されている。そのため、電極対１３２間は低抵抗化されている。
第５〜第７の電気スイッチは、強誘電体基板１３２として、オフカット基板を用いている。これにより、分極壁１３４、１４４および１５４が、強誘電体基板１３２内部に形成される。そのため、分極用電極１３５および分極用電極対１４５および１５５が分極壁１３４、１４４および１５４に直接接触しない。それにより、低抵抗状態から高抵抗状態へ移行する際の電界印加における電力消費を大幅に低減できる。
以上実施の形態４に係る電気スイッチについて説明したが、第１〜第７の電気スイッチの構成に限定されるわけではなく、強誘電体上に、電極対を有し、それらの間の分極方向を変化させることができる構成であればよい。
なお、上記第１〜第７の電気スイッチの説明において、電界印加部については、説明および図示を省略したが、電界印加部は、強誘電体基板８１の分極方向を制御するもので、電界を分極方向に対向する方向に印加できるものであればよい。例えば、実施の形態１〜３で説明した電圧源である。また、例えば、電極対、外部電源、静電気、放電、荷電粒子、イオン、他の強誘電体および半導体回路（例えば、半導体材料からなる電気スイッチ素子等）等の電界を発生する手段であればよい。
なお、第２、第４および第６の電気スイッチの分極用電極対において、それぞれの電極の大きさは、非対称形状が好ましい。特に、異なる自発分極を消去する電極が、形成する電極に対して大きいことが望ましい。ここで、異なる自発分極を消去する電極および形成する電極について説明する。強誘電体基板の分極反転は、分極反転核が発生し、反転核から自発分極の方向に分極反転部が成長する。ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ等は分極反転核の発生する方向が決まっており、＋Ｚ面側から分極が発生する。つまり、分極反転核が形成される側（ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３およびＫＴＰ等では＋Ｚ側）の電極が異なる自発分極を形成する電極であり、もう一方の電極（ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３およびＫＴＰ等では−Ｚ側）が異なる自発分極を消去する電極である。
ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の単一分極の結晶において、分極反転部の成長は、分極反転核の発生と、分極反転核から反転部分が成長する工程からなる。分極反転は結晶のＣ軸に沿って成長し、分極核の発生は＋Ｃ側に発生するため、分極反転は＋Ｃから−Ｃに向かって生じる。このため、分極用電極は分極方向に沿って並んで形成され、±Ｃ軸側に形成するのが効果的である。この際、＋Ｃ側に形成する電極は−Ｃ側に形成する電極形状より小さくするのが望ましい。形成される自発分極の反転した部分の幅は＋Ｃ側の電極の幅に規制される。これを消去する電界を印加する−Ｃ側の電極を＋Ｃ側電極の幅より大きくすることで、消去をより完全なものにして、抵抗の変化を大きくすることができる。なお、Ｃ軸は結晶軸のことで、Ｚ軸と同じであり、１軸性の結晶における主軸の方向を表している。ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３ＬおよびＫＴＰ等では自発分極の方向はＣ軸方向と一致している。
なお、強誘電体基板８１の表面に形成される、電極対、分極用電極対および分極用電極の材料としては、例えばＴａ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｔおよびＣｕ等の金属材料以外に、半導体材料の利用も可能である。また、これらの電極材料上にポリシリコンを堆積し、集積回路を直接形成することも可能である。
なお、強誘電体基板８１としては、バルクの強誘電体材料を用い手もよいし、例えば、薄膜の強誘電体材料を用いてもよい。図１８Ａ〜図１８Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第８の電気スイッチの構成を示す図である。図１８Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１８Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１８Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１８Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
図１８Ａ〜図１８Ｄは図９Ａ〜図９Ｄに示す電気スイッチの強誘電体基板８１が薄膜であり、基板１６７上に形成されている構成である。動作は、図９Ａ〜図９Ｄに示した実施の形態３の電気スイッチと同様である。薄膜としては、エピタキシャル成長成長により作製したエピ薄膜、その他アモルファスの成膜等も利用できる。エピ薄膜は、強誘電体特性を有する薄膜を利用できるため、有効である。その他、薄膜の作製方法としては、強誘電体材料を基板に張り合わせて薄膜研磨する方法がある。基板に張り合わせる方法としては、接着剤による方法、直接接合法等がある。接合した後、ＣＭＰ研磨等により数μｍ厚の強誘電体の薄膜が形成できる。薄膜研磨による方法は、結晶成長による成膜とは異なり、基板材料を限定しない。このため、半導体材料や誘電体材料等を基板１６７として、いずれの材料上にも形成できる。例えば、電気回路を形成した半導体回路上に強誘電体基板８１である強誘電体薄膜を接合すれば、半導体回路に備えた電界印加部から、強誘電体基板８１電界を印加したり、また、強誘電体基板８１の抵抗の変化を同時に読み取ることも可能となり、強誘電体メモリを構成できる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る電気スイッチについて、図を用いて説明する。実施の形態１〜４に係る電気スイッチについて説明したが、実施の形態５では、具体的に電気スイッチを作製し、その各特性について測定した結果を示す。
図１９は、実施の形態５に係る電気スイッチと、それを測定した実験系との構成を示す模式図である。図１９に示すように、電気スイッチ１７０は、強誘電体基板１７１と、強誘電体基板１７１の表面に形成された電極１７２ａおよび強誘電体基板１７１の裏面全面に形成された電極１７２ｂと、電極１７２ａおよび１７２ｂ間に電界を印加する電界印加部である電圧源１７３とを備えている。強誘電体基板１７１には、Ｚ板のＭｇドープのＬｉＮｂＯ３を用いた。
各特性を測定するために、図１９に示すように、電気スイッチ１７０を絶縁液１７７中に浸けて、電極１７２ａおよび１７２ｂ間に電界を印加した。電気スイッチ１７０を絶縁液１７７中に浸けたのは、電界印加中の放電を防止するためである。電極１７２ａおよび１７２ｂ間の印加電圧と電流の関係を測定した。なお、図中矢印は、強誘電体基板１７１の自発分極の方向である。図２０Ａおよび図２０Ｂは、図１９の電気スイッチにおける印加電圧と電流の関係図である。図１９において、自発分極に対向する方向をプラスとしている。つまり、図１９において、下から上への方向がプラスである。図２０Ａは、強誘電体基板１７１をノンドープのＬｉＮｂＯ３とし、その厚みを０．１５ｍｍとした場合の印加電圧と電流の関係図である。また、図２０Ｂは、強誘電体基板１７１をＭｇが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ３とし、その厚みを１ｍｍとした場合の印加電界と電流の関係図である。
図２０Ａでは、印加電界を増加させていき、印加電圧が３．１５ｋＶになったときに、自発分極の反転が始まる。なお、その際の印加電界は、反転電界Ｅｃである２１ｋＶ／ｍｍであり、この値を超えると電極１７２ａおよび１７２ｂ間に電流が流れる。電極１７２ａおよび１７２ｂの間の自発分極が完全に反転してしまうと電流は停止する。このとき流れる電荷量Ｑは電極面積Ｓと自発分極Ｐｓに比例し、Ｑ＝２Ｓ×Ｐｓの関係をとる。さらに電極１７２ａおよび１７２ｂにマイナスの電圧を印加すると分極が再反転する際に同様に電流が流れる。これは、強誘電体の示す一般的な特性であり、分極反転にともなう電荷量の移動により生じる。
一方、図２０Ｂでは、印加電界を増加させていき、印加電圧が３．９ｋＶになったときに、自発分極の反転が始まる。なお、その際の印加電界は、反転電界Ｅｃである３．９ｋＶ／ｍｍであり、この値を超えると電流が流れ始めた。電極１７２ａおよび１７２ｂ間の抵抗は低下しているため、電流は流れ続ける。この状態で電極間の抵抗を測定すると、分極反転前の抵抗に比べて８桁も抵抗が低下していることが分かった。その後、電圧を低下させて−３．９ｋＶ／ｍｍにすると分極が再反転し、電流は停止した。この状態で電界印加を停止し、電極間の抵抗を測定したところ、電極間の抵抗は元の結晶とほぼ同じ値に回復していた。なお、上述の動作は、図２０Ｂ中、「１」、「２」、「３」、「４」、「５」の順で行われる。
また、このときの電極１７２ａおよび１７２ｂ間にできている分極反転部分の状態を観測した結果を図２１Ａおよび図２１Ｂに示す。図２１Ａは、分極が反転し始め、抵抗が低下した状態の電極１７２ａの分極の様子を示している。また、図２１Ｂは、反転した分極反転が再反転し、抵抗が元に戻った状態の電極１７２ａの分極の様子を示している。図２１Ａよりわかるように、一部に分極の方向が異なる領域１９０が存在している。また、図２１Ｂよりわかるように、分極反転領域が存在せず、分極の方向はすべて一致している。分極反転部の形成および消去は、電極１７２ａおよび１７２ｂ間の抵抗値の変化に関係が有ることが分かった。つまり、強誘電体基板１７１の自発分極の反転および非反転により強誘電体基板１７１の電気抵抗を制御することができる。
さらに、強誘電体基板１７１の薄膜化により反転電圧の低減が可能であるため、電気スイッチ１７０は消費電力が小さいので有効である。例えば、強誘電体基板１７１の膜厚を１００ｎｍ程度にした場合、Ｍｇを３ｍｏｌ％ドープした強誘電体基板１７１では反転電圧が１．３Ｖ程度になり、低電圧駆動ができるため有効である。強誘電体基板１７１が結晶基板の場合以外の、アモルファス結晶または微結晶状態の強誘電体基板１７１を利用する場合は単一結晶に比べて数倍に反転電圧が増大する。このため、印加電圧の観点からすると金属添加のモル濃度は３ｍｏｌ％以上が好ましい。また、印加電界は結晶の温度に大きく依存する。具体的には、強誘電体基板１７１の温度を１２０℃に上げると、反転電界Ｅｃは約半分に低下する。このため、例えば、電気スイッチ１７０は強誘電体基板１７１を加熱するヒータ等の加熱部を備え、スイッチングする場合に、強誘電体基板１７１を加熱すれば、低電圧駆動が可能となる。また、分極反転時に発生する結晶の歪みが加熱により低下するため、電気スイッチ１７０の繰り返し回数の耐性が大幅に上昇する。スイッチング時の強誘電体基板１７１の温度としては、２０℃以上とするのが好ましい。また、４０℃以上がさらに好ましい。
また、強誘電体基板１７１において、温度を上げるのと同様に、紫外線に近い光を当てることでも反転電界Ｅｃを低下させることができる。その光の波長としては５００ｎｍ以下が望ましく、４００ｎｍ以下ではさらに望ましい。このような短波長光を当てることで、反転電界Ｅｃの低下が可能となり、分極反転が容易になるため、スイッチング回数が大幅に増大し、電気スイッチ１７０の寿命を長くすることができる。また、記憶したスイッチング状態を一挙に消去する場にも短波長光を照射しながら電界を印加することで、消去残りが無くなり確実な消去が可能になる。
また、通常のコングルエント組成では、反転電界とＭｇのドープ量が反比例している。例えば、ノンドープでは反転電界Ｅｃは２１ｋＶ／ｍｍであり、３ｍｏｌ％ドープで１２ｋＶ／ｍｍ程度、５ｍｏｌ％ドープで４ｋＶ／ｍｍ程度となる。このため、反転電界Ｅｃは金属ドープ量の調整で制御できる。たとえば、強誘電体基板１７１の膜厚を１００ｎｍ程度とすると、５ｍｏｌ％ドープの場合には、反転電圧は０．４Ｖとなる。強誘電体基板１７１を薄膜化すると、さらに反転電界が低下する。反転電界が低下すると、高速動作および高集積化が可能になる。しかし、反転電界が低すぎると、わずかなノイズによっても反転や再反転が発生し、記憶させたデータが消去されてしまう。そこで、強誘電体基板１７１の膜厚と金属添加物のモル濃度を調整して適当な反転電界を実現する必要がある。
反転電圧としては、０．０１Ｖ〜１０Ｖの範囲が望ましい。０．０１Ｖ未満ではノイズや外乱によってメモリの誤動作が大きくなるからである。強誘電体基板１７１の金属添加物の量と膜厚を調整して上記範囲に入る反転電圧を実現することが好ましい。
また、反転電界Ｅｃの調整は結晶の組成によっても調整可能である。結晶組成をストイキオ構造にすることで反転電界Ｅｃを大きく低下させることができる。実測によると、Ｍｇのモル濃度に対する依存性は非常に小さく、ドープ量が１〜５ｍｏｌ％の間でほぼ４ｋＶ／ｍｍ程度であった。上記強誘電体基板１７１の金属添加物の量と膜厚に加えて、結晶組成を調整して、上記適した反転電圧を実現すればよい。
次に、分極反転による電気抵抗の変化とＭｇのドーピング量について検討した。図２２は、強誘電体基板１７１にドーピングしたＭｇのモル濃度と電極１７２ａおよび１７２ｂ間の電気抵抗の変化量の関係図である。自発分極が反転するときの電界である反転電界Ｅｃは強誘電体基板１７１のＭｇのドーピング量が増大するとともに減少することが分かった。図２２において、□は強誘電体基板１７１に電圧を印加していない状態（初期状態）であり、■は一部が分極反転させている状態（反転状態）であり強誘電体基板１７１が低抵抗化している状態であり、▲は再反転させた状態（最反転状態）である。
図２２に示しているように、Ｍｇのドープ量が増加するとともに、電気抵抗の変化量は増大し、５ｍｏｌ％では、初期状態および最反転状態と反転状態とで最大６桁の抵抗値の変化を観測した。図２２より、スイッチとして機能するために必要な１桁以上の抵抗値の変化を実現するには、１ｍｏｌ％以上の金属の添加が必要である。好ましくは、３ｍｏｌ％以上の添加を行うほうがよい。この場合、４桁以上の抵抗値の変化を実現できるため望ましい。
次に、電気スイッチ１７０を用いて、連続的な電気スイッチング特性を測定した。Ｍｇを５ｍｏｌ％ドープし、厚さが２ｍｍの強誘電体基板１７１を用いた。温度は１２０℃とした。このとき、反転電圧は約４ｋＶであった。なお、反転電界Ｅｃは約２ｋＶ／ｍｍである。印加電圧は最大±６ｋＶで、電流値は最大４００ｍＡで制限した。この測定結果を、図２３Ａおよび図２３Ｂに示した。図２３Ａは、時間経過にともなう電極１７２ａおよび１７２ｂ間の電圧波形を示し、図２３Ｂは、時間経過にともなう電極１７２ａおよび１７２ｂ間の電流波形を示す。図２３Ａにおいて、強誘電体基板１７１の自発分極方向に対向する方向に印加される電圧をプラスとし、自発分極方向に印加される電圧をマイナスとする。同様に、図２３Ｂにおいて、強誘電体基板１７１の自発分極方向に対向する方向の電流をプラスとし、自発分極方向の電流をマイナスとする。また、それぞれの図中に記載された符号は、同一時間を示している。
反転電圧を超えるプラス電圧を印加すると（「２」、「８」、「１４」、「２０」）、図２３Ｂに示すように電流が流れているため、電極１７２ａおよび１７２ｂ間の抵抗が低下していることがわかる。一方、再反転に必要な電圧以下の−６ｋＶを印加すると（「５」、「１１」、「１７」）、抵抗が増大し電流が低下しているのが分かる。分極反転および再反転により電気抵抗が低下および増大しているのが確認できた。したがって、電気スイッチ１７０がスイッチとして働いていることがわかる。
また、この測定より、この電気スイッチ１７０を使用する上で初期化処理が必要であることおよび抵抗が時間により変動していることがわかる。まず、初期化処理について、以下に説明する。強誘電体基板１７１において、電界を印加した初期すなわち「１」のパルス以前では、図２３Ａに示されている電圧に比べて、図２３Ｂに示されているように電流変化が小さい。これは、電界印加による抵抗の変化が小さいことを示している。つまり、この状態（初期状態）では電界印加によって電気抵抗が十分変化していない。これを防ぐためには、電気スイッチ１７０を使用する前に、電界印加による分極反転のスイッチングを複数回行えばよい。そうすることで、強誘電体基板１７１において、電界印加による抵抗の変化が生じるようになり、電気スイッチ１７０は高速なスイッチング応答が可能になる。このように、電気スイッチ１７０が正しく作動するように、電気スイッチ１７０に電界印加を繰り返し行うことを初期化処理という。
次に、時間による抵抗の変化について説明する。また、図２３Ｂに示すように、−６ｋＶのパルスを印加することで、強誘電体基板１７１を再反転させ、高抵抗化した後、負電界を印加している場合（「６」、「１２」、「１８」）は、電流はほとんど流れず抵抗が非常に高いことを示している。ところが、その状態で正電界を印加している場合（「７」、「１３」、「１９」）は電流値が時間と共に徐々に増大していることがわかる。具体的には、「７」では電流値は５０μＡであり、「１３」では電流値は１００μＡであり、「１９」では電流値は１２０μＡである。このように、正電界を印加した状態では、同一の条件であっても、時間とともに順次電流値が増加しているのがわかる。それに対応して、抵抗も時間と共に低下している。このように、抵抗が時間により変動する現象の具体的な原因は分かっていないが、分極壁の何らかの経時変化、または疲弊に関係していると考えられる。
電気スイッチ１７０によりメモリを構成する場合、自発分極の反転、再反転により電気抵抗を変化させ、この抵抗を読み出すことで、メモリの状態を判別する。電気的に抵抗の状態を判別するには、分極反転部に電界を印加して抵抗値を判別する必要がある。この実験結果より明らかなように、分極反転の有無により電気抵抗は大きく変化するが、安定して抵抗を判別するためには、元の自発分極の方向と同じ方向の電界を印加して抵抗を判別することが望ましい。図２３Ｂからわかるように、「４」と「６」の抵抗差、「１０」と「１２」の抵抗差、「１６」と「１８」の抵抗差を読み出して、それぞれの差により抵抗を判別するのがよい。つまり、負電界（自発分極と同じ方向）の状態で抵抗を読み出すことが望ましい。負電界で読み出すことで抵抗の変化を大きく、かつ安定にできる。図２３Ｂにおいて、正電界で抵抗を判別すると、例えば「１」と「３」の抵抗差と、「１３」と「１５」の抵抗差とを比べればわかるように、抵抗差が小さくなっていっている。このように徐々に抵抗が変化し、その差が小さくなるため、抵抗の判別に誤差が発生する。
なお、実施の形態５では、強誘電体基板１７１として、ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ３を用いている。これ以外でも、ＬｉＴａＯ３においてもＭｇ等の金属添加物を加えることで電気導電性の変化が観測されている。このような、金属添加によって強誘電体の分極反転にともなう電気抵抗の変化が発生するのは、結晶の構造に大きく依存する。強誘電体基板１７１としては、ＬｉＮｂＯ３が属するイルメナイト構造とするのが好ましい。強誘電体基板１７１としては、分極化したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３を用いたが、そのほか金属を添加した強誘電体を用いればよい。例えば、Ｉｎ、Ｓｃ、ＣｕまたはＦｅ等の金属を添加したＬｉＮｂＯ３、ＬＩＴａＯ３、ＫＴＰまたは、これらの結晶の混成結晶でも同様の効果が得られる。その他の強誘電体材料においても、金属ドープ量を増大できるものであれば、同様の電気導電性の変化が可能である。
強誘電体基板１７１としては、単一分極の強誘電体結晶を用いたが、アモルファス結晶、微結晶等の結晶粒が存在するものであれば同様の効果が得られる。アモルファス、微結晶構造を利用すれば、薄膜材料が利用できるため、バルクの結晶成長を必要とせず、デバイス作製が容易になる。また、アモルファス、微結晶にすることで、金属添加物のドープ量が増大できるため、電気抵抗の変化量を増大でき、好ましい。金属のドープ量を増大すると結晶の格子歪みが増大するため、大型結晶を引き上げる際にクラック等が生じ、均一な大型結晶の成長が難しくなる。例えばＬＩＮｂＯ３の場合Ｍｇを１０ｍｏｌ％以上添加するのは難しいため、単結晶の基板を用いる場合はドープ量を１０ｍｏｌ％以下とすることが望ましい。しかし、アモルファスまたは微結晶構造の場合さらにドープ量を増大できる。また、微結晶を焼結したセラミック等を用いることで同様の特性を利用できる。ただし、分極壁を形成するには、薄膜内に反転する自発分極の境界が必要である。このため、薄膜は一定以上の大きさの結晶粒が必要である。微結晶としては、結晶粒の大きさが１μｍ以上あるものが望ましい。膜の製造方法としては、エピ成長、ＭＢＥ、スパッタ、ゾルゲル、レーザアプレージョン等の方法でも可能である。
また微結晶、アモルファス、セラミック等の材料、単結晶、液層成長の薄膜結晶等の基板が利用できるが、これらを利用する場合に、ポーリング処理が重要となる。ポーリング処理は、結晶のキュリー温度近くに温度を上げて、電界を印加する工程で、一方向に分極をそろえる方法である。温度を上げて自発分極を形成するため分極壁に結晶歪みが残りにくい。このため、本発明の構成で利用する場合は、電界を印加して分極を制御する電界方向にポーリング処理した基板を用いることが望ましい。また、ポーリング処理時に波長５００μｍ以下の短波長光を照射するのは有効である。
なお、実施の形態５では強誘電体基板１７１に直接電極１７２ａおよび１７２ｂを形成したが、電極１７２ａおよび１７２ｂと強誘電体基板１７１との間に絶縁層を形成することで低消費電力化が可能になる。また、印加電界をパルス状にして短時間で高抵抗化を行うようにしても、低消費電力化が可能になる。
なお、強誘電体基板１７１としては、自発分極が強誘電体基板１７１の表面に垂直なＺ板の基板に限定されるわけではない。例えば、自発分極が強誘電体基板１７１平面と平行なＸ、Ｙ板または強誘電体基板１７１表面と角度を有しているオフカット基板等にも利用できる。オフカット基板は、分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できるため、より好ましい。
なお、図２３Ａおよび図２３Ｂよりわかるように、分極反転が起こった瞬間（「２」、「８」、「１４」、「２０」）および再反転が起こった瞬間（「５」、「１１」、「１７」）において、瞬間的に大量の電流が流れている。これは、電荷の移動により生じる電流であり、移動する電荷量は２Ｐｓ×Ｓで表すことができる。電流が流れるということは、強誘電体基板１７１は低抵抗化している。この強誘電体基板１７１の低抵抗化を用いて、電気スイッチ１７０を作動させてもよい。
電気スイッチにおいて、分極反転の手段としては、電界印加が一般杓である。強誘電体の自発分極を可変する手段であり、自発分極に対向する電界を印加する手段である、電極対、外部電源、静電気、放電、荷電粒子、イオン他の強誘電体、半導体回路等、電界を発生する手段であれば利用できる。その他、外部からの応力により自発分極を反転させることも可能である。圧電体等を用いて部分的に応力を加えることで自発分極の制御が可能である。また電界との併用も可能である。さらに部分的に熱を加えて焦電効果による電界の発生を利用して分極反転を行うことも可能である。
また、電極形状に関しては、電気導電性を増大する構造が存在する。前述したように、電気抵抗が低下するのは、分極壁の部分であるため、分極反転周辺部の分極璧の面肴を増大することで電気抵抗の低下を大きくすることができる。形成される分極反転部は電極形状に依存するため分極壁面積を増大できる。例えば櫛形電極等を利用することで、分極壁の面墳を増大できる。
なお、実施の形態１〜５の電気スイッチおいて、分極を形成させるための電極と強誘電体基板との間には、絶縁膜を形成することが望ましい。それにより、電気スイッチを低電流で駆動できるため、消費電力を低減できる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る記憶素子について図を用いて説明する。実施の形態６に係る記憶素子は、上記実施の形態１〜５のいずれかの電気スイッチを、２次元配列することで構成される。電気スイッチの高抵抗と低抵抗とを読み出すことで、２次元メモリとしての機能を実現できる。
図２４は実施の形態６に係る記憶素子２２０の構成を示す斜視図である。記憶素子２２０は半導体集積回路２２１上に実施の形態１〜５のいずれかの電気スイッチ２２２が複数配列された構成である。半導体集積回路２２１はシリコンＬＳＩから構成されており、電気スイッチ２２２に電界を印加することができる。印加電界により電気スイッチ２２２の強誘電体基板の自発分極の方向が変化し、これによって電界を印加した部分の電気導電性が変わる。強誘電体の自発分極の変化は安定しているため、反転状態は印加電界を切っても保存される。また、外部からの電力を供給することなく非常に安定に、長時間に渡り状態を記憶することができる。また、各電気スイッチ２２２の抵抗を読み取ることで記憶した状態を読み取ることができ、状態を読み出しても、記憶の状態は変化することなく保存される。つまり、記憶素子２２０は、半導体集積回路２２１により、電気スイッチ２２２に印加する電界を制御して、自発分極の形成または消去することで状態を記憶し、その状態を検出することができる。つまり、記憶素子として機能している。電気スイッチ２２２と半導体集積回路２２１とを組み合わせることで、小型化および集積化が可能である。
なお、半導体集積回路２２１で発生する電圧としては数Ｖ程度が標準であり、低電圧駆動が望まれる。そのために、電気スイッチ２２２は、強誘電体を薄膜化している構成が望ましい。強誘電体基板の膜厚としては数μｍ以下が必要である。
しかしながら、強誘電体基板は、温度の急激な変化により焦電効果による表面電界が発生する。この焦電効果による電界により記録している自発分極が一部消滅する可能性がある。回路の安定動作のためには、焦電効果を防止する構成が必要である。例えば、温度の急激な変化を避けるパッケージ構成をとることが望ましい。使用温度範囲を室温±５０℃程度に規制する。また外部温度をモニターして、急激な温度変化に対して保護回路を働かせる方法もある。また表面に発生する焦電電荷を消滅させるため、強誘電体基板表面に導電性の薄膜を形成する方法もある。一方の表面にスイッチ電極を形成し、この面に半導体回路を直接接触させて、スイッチを駆動する。一方の面には導電性の膜を体積して、焦電電荷の発生を防止することが可能となる。
また、実施の形態６の記憶素子には、記憶している内容を一括消去するための加熱部を備えていることが望ましい。加熱部としては、例えば、ヒータであればよい。ヒータはすべての電気スイッチ２２２の強誘電体基板の温度を上昇させることができる。ヒータによりすべての電気スイッチ２２２の強誘電体基板の温度を上昇させた状態で電圧を印加することで、強誘電体基板はすべて高抵抗の元の絶縁体に近い状態に戻る。キュリー温度以下の温度に加熱して、電圧を印加することで、分極壁における歪みが取れて電気抵抗がもとの絶縁体に近い値に戻る。加熱温度としては例えば２００℃以上が望ましい。また、温度を上げるだけでも一括消去は可能である。この状態で電界を印加すると一方向に分極が揃う。次回からはこの方向の逆方向に電圧を印加することで電気特性を変えて低抵抗化できる。
また、ヒータの代わりに紫外線照射部を備えていてもよい。つまり、波長４００ｎｍ近傍以下の紫外線を電気スイッチ２２２の強誘電体基板に照射できる紫外線照射部を備えていればよい。紫外線照射部より紫外線を出射して、すべての電気スイッチ２２２の強誘電体基板に照射することで分極壁の結晶歪みが緩和され、電気抵抗がもとの絶縁体に近い値に戻る。したがって、複数の電気スイッチを高抵抗化させることができるため、記憶素子２２０の記憶を一括消去することができる。
また、例えば、加熱と紫外線照射とを併用することも可能である。上述の一括消去は、抵抗のリフレッシュとしても有効である。記憶素子２２０を繰り返し利用することで各電気スイッチ２２２のスイッチング特性が劣化した場合にリフレッシュすれば、スイッチング特性が向上する。
実施の形態６の記憶素子が従来の強誘電体メモリと異なるのは、自発分極の方向で、強誘電体自体の電気導電性を変化させて、その違いを電気的に検出することで、記憶素子として利用している点である。
図２５は、実施の形態６に係る記憶素子の構成を具体的に示す斜視図である。図２５に示すように、半導体集積回路が形成されている基板２３７上にストライプ状に電極２３２ｂが形成され、さらにその上に強誘電体薄膜２３１が形成され、さらにその上に、電極２３２ｂとは直交するようなストライプ状に電極２３２ａが形成されている。このような構成で、電極２３２ａおよび電極２３２ｂとで挟まれた強誘電体薄膜２３１により構成された電気スイッチ２３０が格子状に複数配列された記憶素子が構成されている。つまり、強誘電体薄膜２３１を挟んで対向している電極２３２ａおよび電極２３２ｂとで１つの電気スイッチ２３０を形成している。さらに、図示していないが、強誘電体薄膜２３１を挟んで対抗している電極２３２ａおよび電極２３２ｂ間に電界を印加することができる電界印加部（図示せず）を備えている。この電界印加部を用いて、格子状に配列されている電気スイッチ２３０のオン、オフを制御することができる。具体的には、電極２３２ａおよび電極２３２ｂを構成するそれぞれのストライプのうちいずれかの電極を選択して電界を印加すると、電極２３２ａおよび電極２３２ｂが交差した部分の強誘電体薄膜２３１に選択的に電界が印加され、抵抗を変化させることができる。また、同時に複数の電極２３２ａおよび電極２３２ｂを選択することで、一度に複数のポイントにデータを書き込むことも可能となる。この状態を読み出すには逆に電極を選択してその電極間の抵抗を検知すればよい。
このように、実施の形態６の記憶素子は、構成が容易であり、高集積化が可能である。また、同時書き込みも可能なので、データ処理速度を大幅に向上させることが可能である。
以上述べたように、実施の形態１〜５の電気スイッチは、強誘電体の自発分極を制御することで、電気導電性を大きく変化させることができることを利用している。具体的には、自発分極の反転に伴い、強誘電体が高抵抗から低抵抗に変化していることを利用している。この変化により、強誘電体は、絶縁体から半導体へと変化させることができる。この特性を利用した電気スイッチを構成することで、簡単な構成で集積度の高い電気スイッチを構成することができる。
また、自発分極は反転時に電界印加が必要であるが、反転後は電界を必要としない。そこで、この電気スイッチは、その状態を保持し続けることができるので、例えば、この電気スイッチを複数用いることで、不揮発性のメモリとしても利用できる。
さらに、強誘電体材料として薄膜を用いれば、半導体集積回路とのモノリシック化が容易なため、集積度の高い記憶素子が構成できて、有効である。
以上、実施の形態１〜５の電気スイッチおよび実施の形態６の記憶素子について説明したが、具体的に示した構成および材料等は、あくまでも一例であり、これらの具体例のみに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】  本発明の電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子は、記憶した状態を保持し続けることができる。そのため、不揮発メモリや、それを利用した記録媒体や、それを含んだ広範な機器に適用が可能である。
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【図３】
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【図１０】
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【図１９】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月24日(2005.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属が添加された強誘電体基板と、
前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、
前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備え、
前記分極の方向を変化させることで、前記強誘電体基板の抵抗値を変化させる電気スイッチ。
【請求項２】
前記強誘電体基板は酸化物である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項３】
前記強誘電体基板は単一分極の強誘電体材料からなり、
前記電界印加部は、前記強誘電体基板の分極方向に対向する向きに電界を印加する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項４】
前記強誘電体基板は、分極が反転する際に、前記反転した分極に対向する内部電界が残留する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項５】
前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、
前記電界は、周波数が５Ｈｚ以上の交流電界である請求項１に記載の強誘電体電気スイッチ。
【請求項６】
前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、
前記電界は、高周波を重畳した電界である請求項１に記載の強誘電体電気スイッチ。
【請求項７】
前記強誘電体基板に添加された前記金属は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、ＣｕおよびＦｅの内少なくとも１つであり、
前記強誘電体基板は、ＬｉＮｂＯ3である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項８】
前記強誘電体基板は、前記金属が添加されたＺ板のＬｉＮｂＯ3である請求項７に記載の電気スイッチ。
【請求項９】
前記強誘電体基板は、単一分極処理された強誘電体結晶である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１０】
前記強誘電体基板は、多結晶またはアモルファス材料である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１１】
前記一対の電極は、前記強誘電体基板の自発分極の方向に沿って並ぶように形成されていて、
前記電界印加部が、前記一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、
前記一対の電極間の抵抗が制御される請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１２】
前記強誘電体基板の自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極をさらに備え、
前記電界印加部が、前記自発分極の方向に沿って並ぶように形成されている一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、
自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極間の抵抗が制御される請求項１１に記載の電気スイッチ。
【請求項１３】
前記電界印加部が前記強誘電体基板に電界を印加することにより、前記強誘電体の電界が印加された部分における１０％〜９０％の部分の分極の方向が変化する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１４】
前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略垂直である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１５】
強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略平行である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１６】
前記強誘電体基板における、最大の抵抗値は、最小の抵抗値の１００倍以上である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項１７】
前記一対の電極の少なくともどちらかの電極が櫛形電極である請求項１１に記載の電気スイッチ。
【請求項１８】
前記強誘電体基板が単一分極の結晶であり、前記櫛形電極の電極指の方向が、前記結晶のＹ軸方向と略平行である請求項１７に記載の電気スイッチ。
【請求項１９】
前記電界印加部は、前記強誘電体の分極の方向を制御することで、異なる分極の方向の境界である分極壁を前記一対の電極間の近傍において形成または消去し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２０】
前記強誘電体基板の表面には溝が形成されていて、前記溝に前記一対の電極が形成されている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２１】
前記金属の添加濃度は１ｍｏｌ％以上である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２２】
前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して傾いている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２３】
前記強誘電体基板の表面に一対の分極用電極が設置され、
前記電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２４】
前記強誘電体基板の表面に形成された溝に一対の分極用電極が設置され、
電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２５】
前記電界印加部は、半導体材料からなる電気スイッチ素子である請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２６】
前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２７】
前記強誘電体基板がイルメナイト構造を有する請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２８】
前記分極の方向を変化させる際の前記強誘電体基板の電荷の移動により、前記一対の電極間に電流を流し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項２９】
前記強誘電体基板は、自発分極の方向をほぼ単一方向に揃えるためポーリング処理を施されている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項３０】
前記一対の電極の少なくとも１つと、前記強誘電体基板の間には、絶縁層が設置されている請求項１に記載の電気スイッチ。
【請求項３１】
請求項１ないし請求項３０に記載のいずれかの電気スイッチを複数個備え、
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値を保持している記憶素子。
【請求項３２】
前記各電気スイッチが２次元的に複数配列されている請求項３１に記載の記憶素子。
【請求項３３】
前記各電気スイッチが、半導体集積回路上に複数形成されており、
前記電圧印加部は、前記半導体集積回路により制御されている請求項３１に記載の記憶素子。
【請求項３４】
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により制御され、
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により検出される請求項３３に記載の記憶素子。
【請求項３５】
光照射部を備え、
前記光照射部は、波長５００ｎｍ以下の光を各電気スイッチの前記強誘電体基板に照射する請求項３１に記載の記憶素子。
【請求項３６】
前記各電気スイッチの前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた請求項３１に記載の記憶素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強誘電体の自発分極の変化に伴う導電性の変化を利用した電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体は、自発分極を有し、分極方向の制御が可能である。強誘電体の自発分極の可変性を利用したものとして、強誘電体メモリがある。これは、強誘電体に電圧を印加することで自発分極の方向を変化させ、それに伴い電荷が移動することを利用して電気スイッチを構成するもので、不揮発メモリとして利用されている。このような強誘電体メモリにおいて、自発分極の変化にともなう導電性の変化が漏れ電流の原因となることは知られており、漏れ電流対策として導電性の変化を防止する方法等が検討されている。また、漏れ電流を利用した技術もある（例えば、特許文献１参照）。また、強誘電体の分極を利用したものとしては、例えば、過電流によって電気導電性が変化することを利用した電気スイッチ等がある。
【０００３】
また、強誘電体の分極に関して、Ｘ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ3において分極反転部が整流特性を示し、低抵抗化するとの報告がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、強誘電体に過電流を流すことで電気導電性を変化させる電気スイッチ（例えば、非特許文献２参照）等もある。
【０００５】
このように、強誘電体の分極を利用する種々の技術がある。なお、強誘電体メモリにおいて、自発分極の変化にともない、その絶縁性が劣化する現象は、強誘電体メモリの特性を劣化させる現象とされるが、これらの特性は数倍程度〜数１０倍程度の導電性の劣化である。
【特許文献１】特開平１０−５６１４１号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｓｏｎｏｄａ，Ｉ．Ｔｓｕｍｕｒａ，ａｎｄ  Ｍ．Ｈａｔｏｒｉ；ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７０，ｐｐ．３０７８−３０７９，１９９７
【非特許文献２】Ｙ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｊ．Ｇ．Ｂｄｘｏｒｚ，Ａ．Ｂｉｅｓｔｓｃｈ、Ｃｈ．Ｇｅｒｂｅｒ、Ｄ．Ｗｉｄｍｅｒ、Ａ．Ｂｅｃｋ；ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．７８，ｐｐ．３７３８−３７４０，２００１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
強誘電体の自発分極の変化を利用した、現在市販されている強誘電体メモリは、安定性、量産性および信頼性に優れたものであることは、広いメモリ応用により実証されている。しかし、従来の強誘電体メモリは、自発分極の反転に伴う電荷移動により生じる電界を、半導体スイッチを駆動する電圧として利用するものであり、２次的なものであった。このため、構成が複雑で、集積度の向上に限界があるという問題があった。さらに、メモリの寿命、スイッチングの繰り返し回数および不揮発電荷の維持時間等において十分なものとはいえない。一方、自発分極の変化自体を直接スイッチングに利用する試みも行われているが、適当な強誘電体材料が見つかっていないため、実現には至っていない。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、簡単な構成であって集積度の高い強誘電体電気スイッチおよびそれを用いた記憶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】
【０００８】
本発明の電気スイッチは、金属が添加された強誘電体基板と、前記強誘電体基板に設置された一対の電極と、前記強誘電体基板の一部の分極の方向を変化させ得る電界印加部とを備え、前記分極の方向を変化させることで、前記強誘電体基板の抵抗値を変化させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の記憶素子は、本発明の電気スイッチを複数個備え、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値を保持していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電気スイッチおよび記憶素子は、構成が容易であり、高集積化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の電気スイッチは、強誘電体の自発分極を制御することで、強誘電体の電気導電性を大きく変化させて、スイッチングを行う。それにより、強誘電体を直接スイッチとして用いることができるので、簡単な構成で、集積度の高い電気スイッチを実現できる。
【００１２】
また、好ましくは、前記強誘電体基板は酸化物である。それにより、強誘電体基板は、高い絶縁性を有する。そのため、スイッチングにより、大きな抵抗変化を実現できる。
【００１３】
また、好ましくは、前記強誘電体基板は単一分極の強誘電体材料からなり、前記電界印加部は、前記強誘電体基板の分極方向に対向する向きに電界を印加する。それにより、分極の方向がそろっているため、低電圧でスイッチを駆動することができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、分極が反転する際に、前記反転した分極に対向する内部電界が残留する。それにより、強誘電体基板の抵抗の変化が見られる。
【００１５】
また、好ましくは、前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、前記電界は、周波数が５Ｈｚ以上の交流電界である。それにより、時間とともに、強誘電体基板の抵抗が変化しないため、安定している。
【００１６】
また、好ましくは、前記電界印加部は前記強誘電体基板に電界を印加し、前記電界は、高周波を重畳した電界である。それにより、低抵抗化した強誘電体基板を再反転させて高抵抗化する際に必要な電流を低減することができる。そのため、電気スイッチの駆動電力を低減できる。
【００１７】
また、好ましくは、前記強誘電体基板に添加された前記金属は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｃ、ＣｕおよびＦｅの内少なくとも１つであり、前記強誘電体基板は、ＬｉＮｂＯ3である。それにより、強誘電体基板の抵抗の変化が見られる。
【００１８】
また、前記強誘電体基板は、前記金属が添加されたＺ板のＬｉＮｂＯ3とすればいい。
【００１９】
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、単一分極処理された強誘電体結晶である。それにより、分極方向がそろっているため、低電圧でスイッチの駆動ができる。
【００２０】
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、多結晶またはアモルファス材料である。それにより、強誘電体基板を薄膜とできるため、作製においてバルクの結晶成長を必要とせず、容易に作製できる。
【００２１】
また、好ましくは、前記一対の電極は、前記強誘電体基板の自発分極の方向に沿って並ぶように形成されていて、前記電界印加部が、前記一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、前記一対の電極間の抵抗が制御される。それにより、電気スイッチが構成される。
【００２２】
また、好ましくは、前記強誘電体基板の自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極をさらに備え、前記電界印加部が、前記自発分極の方向に沿って並ぶように形成されている一対の電極間に電界を印加することで、前記強誘電体基板の一部の分極の方向が制御され、自発分極の方向にほぼ直交する方向に並ぶように形成された一対の電極間の抵抗が制御される。それにより、電気スイッチが構成される。
【００２３】
また、好ましくは、前記電界印加部が前記強誘電体基板に電界を印加することにより、前記強誘電体の電界が印加された部分における１０％〜９０％の部分の分極の方向が変化する。それにより、前記強誘電体の電界が印加された部分の抵抗値を制御することができる。
【００２４】
また、前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略垂直であるとしてもよい。
【００２５】
また、強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して略平行としてもよい。
【００２６】
また、好ましくは、前記強誘電体基板における、最大の抵抗値は、最小の抵抗値の１００倍以上である。それにより、電気スイッチとしての機能を有するようになる。
【００２７】
また、好ましくは、前記一対の電極の少なくともどちらかの電極が櫛形電極である。それにより、分極反転の広がりが早くなる。
【００２８】
また、前記強誘電体基板が単一分極の結晶であり、前記櫛形電極の電極指の方向が、前記結晶のＹ軸方向と略平行であるとしてもよい。
【００２９】
また、好ましくは、前記電界印加部は、前記強誘電体の分極の方向を制御することで、異なる分極の方向の境界である分極壁を前記一対の電極間の近傍において形成または消去し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる。それにより、電気スイッチを実現することができる。
【００３０】
また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面には溝が形成されていて、前記溝に前記一対の電極が形成されている。それにより、電界分布が均一になり、電気スイッチを駆動するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、一対の電極間の絶縁性が高まる。
【００３１】
また、好ましくは、前記金属の添加濃度は１ｍｏｌ％以上である。それにより、強誘電体基板の大きな抵抗の変化を得ることができる。
【００３２】
また、好ましくは、前記強誘電体基板の自発分極の方向が、前記強誘電体基板の表面に対して傾いている。すなわち、この強誘電体基板は、強誘電体基板の自発分極の方向が強誘電体基板表面に対して斜めに交差している、オフカット基板である。それにより、強誘電体基板の分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できる。
【００３３】
また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面に一対の分極用電極が設置され、前記電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する。それにより、分極用の電極と、抵抗値を検知するために電流を流す電極とを別々にできるので、効率よく電気スイッチを駆動できる。
【００３４】
また、好ましくは、前記強誘電体基板の表面に形成された溝に一対の分極用電極が設置され、電界印加部が前記一対の分極用電極間に電界を印加する。それにより、電界分布が均一になり、電気スイッチを駆動するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、一対の電極間の絶縁性が高まる。
【００３５】
また、好ましくは、前記電界印加部は、半導体材料からなる電気スイッチ素子としてもよい。
【００３６】
また、好ましくは、前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えた。それにより、強誘電体基板を加熱することで、低電圧で電気スイッチを駆動させることができる。
【００３７】
また、好ましくは、前記強誘電体基板がイルメナイト構造を有する請求項１に記載の電気スイッチ。それにより、強誘電体基板の抵抗低下が大きい。
【００３８】
また、好ましくは、前記分極の方向を変化させる際の前記強誘電体基板の電荷の移動により、前記一対の電極間に電流を流し、前記一対の電極間の抵抗値を変化させる。それにより、最低でも、２Ｐｓ×Ｓの電荷量が流れ、抵抗値が２桁以上大きく変化するため、スイッチとして十分使用できる。
【００３９】
また、好ましくは、前記強誘電体基板は、自発分極の方向をほぼ単一方向に揃えるためポーリング処理を施されている。それにより、結晶に歪を残さずに、分極を一方向にそろえることができる。
【００４０】
また、好ましくは、前記一対の電極の少なくとも１つと、前記強誘電体基板の間には、絶縁層が設置されている。それにより、分極反転させるために印加する電界を小さくでき、電気スイッチを低消費電力で駆動することができる。
【００４１】
また、本発明の記憶素子は、上記本発明の電気スイッチを用いて構成される。それにより、簡単な構成で集積度が高い、不揮発メモリを実現できる。
【００４２】
また、好ましくは、前記各電気スイッチが２次元的に複数配列されている。それにより、容易に２次元メモリを実現できる。
【００４３】
また、好ましくは、前記各電気スイッチが、半導体集積回路上に複数形成されており、前記電圧印加部は、前記半導体集積回路により制御されている。それにより、各電気スイッチを容易に制御することができる。
【００４４】
また、好ましくは、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により制御され、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板の抵抗値は、前記半導体集積回路により検出される。それにより、容易に情報を記憶し、記憶した情報を容易に読み出すことができる。
【００４５】
また、好ましくは、光照射部を備え、前記光照射部は、波長５００ｎｍ以下の光を各電気スイッチの前記強誘電体基板に照射する。それにより、すべての強誘電体基板に光を照射することで、すべての電気スイッチの抵抗を高抵抗化することができるので、一括して記憶した情報を消去することができる記憶素子が実現できる。
【００４６】
また、好ましくは、前記各電気スイッチの前記強誘電体基板を加熱する加熱部を備えている。それにより、すべての強誘電体基板を加熱することで、すべての電気スイッチの抵抗を高抵抗化することができるので、一括して記憶した情報を消去することができる記憶素子が実現できる。
【００４７】
本発明の強誘電体電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子は、電界印加による強誘電体の自発分極の変化にともない、強誘電体の導電性が大きく変化することを利用している。具体的には、自発分極の変化に伴い、強誘電体が絶縁体から半導体に、また半導体から絶縁体へとその導電性を大きく変化させる現象を用いたものである。この現象は、従来は知られておらず、本発明者らが実験結果に基づいて見出したものである。この強誘電体における導電性の可変特性を用いて、電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子を実現する。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
【００４９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る電気スイッチについて説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る電気スイッチ１０ａの構成を示す斜視図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る他の電気スイッチ１０ｂの構成を示す斜視図である。図１Ａに示すように、実施の形態１に係る電気スイッチ１０ａは、金属が添加された強誘電体基板１と、電極対２と、電界印加部である電圧源４を備えている。電極対２は、強誘電体基板に設置されている。図１Ａにおける矢印は、強誘電体基板１の分極の方向を示している。電極対２のそれぞれは、電圧源４に接続されている。電極対２は、強誘電体基板１の表面および裏面に設置されていて、それらは分極の方向に沿うように配置されている。
【００５０】
この電気スイッチ１０ａの動作について説明する。まず、電極対２に電界を印加しない状態では、強誘電体基板１は絶縁体であるため、導電性が低い。すなわち、高抵抗であり、電極対２間には、電流が流れない。次に、電圧源４により、強誘電体基板１の自発分極の方向に対向して電界を印加する。電圧源４は、強誘電体基板１に電界を印加することができ、それにより、強誘電体基板１の一部の分極方向を変化させることができる。自発分極が、完全に反転して、分極反転が完了すると、電極対２間の導電性が高くなる。つまり、電極対２間は低抵抗であり、電流が流れる。次に、電圧源４を用いて、強誘電体基板１に、現在分極反転している方向とは逆向き（元の自発分極の向き）に電界を印加すると、強誘電体基板１の分極が、元の自発分極の状態に戻る（再反転）。この状態では、電極対２間は再び高抵抗になっている。このように、電圧源４を制御することで、電極対２間は導通または非導通とすることができ、スイッチとして動作している。
【００５１】
図１Ｂは、他の実施の形態１に係る電気スイッチの構成を示す斜視図である。図１Ａとの違いは、矢印で表されている強誘電体基板１の自発分極の向きが、強誘電体基板１の表面に対して平行であり、電極対２が自発分極の向きに沿う方向に並んで、強誘電体基板１の同一面に設置されている点である。このような構成であっても、電圧源４を制御することで、強誘電体基板１の一部である電極対２間の分極方向を変化することができる。それにより、電極対２間を導通または非導通とすることができる。
【００５２】
次に、強誘電体基板１の分極方向を制御することで、強誘電体基板１の導電性を変化することができる理由について説明する。まず、強誘電体の特性について説明する。強誘電体材料は、自発分極を有し、その分極の方向は、外部電界により可変とすることができる。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図であり、図２Ｄは、強誘電体基板に電圧を印加した場合のヒステリシス特性を示す電界と分極との関係図である。
【００５３】
強誘電体基板１に電界を電圧源４により印加した場合に、図２Ｄに示すヒステリシス特性を示すことが知られている。強誘電体基板１は結晶内に電荷の偏りを有し、内部に電界を持っている。これを自発分極（Ｐｓ）という。この電界に対向する方向に電圧を外部から印加していくと、自発分極の方向が変化する。
【００５４】
例えば、１軸方向に分極を持った結晶の場合、分極方向は２通りしかない。図２Ａ〜図２Ｃに示すように、強誘電体基板１を挟んで対向するように電極対２が設置され、さらにそれぞれの電極対２が対向する方向が分極方向に沿うように設置されている。なお、図中の矢印は、分極の方向を表している。まず、強誘電体基板１に電界が印加されていない状態では強誘電体基板１は自発分極しており、分極方向は図２Ａにおいて上向きである。この強誘電体基板１に、電圧源４により、分極の方向に対向する方向（図２Ａにおいて下向き）に電界を印加していくと、印加している電界が反転電界−Ｅｃを超えた時点で、強誘電体基板１の一部である電極対２の周辺の分極方向が１８０度反転（Ｐｓが−Ｐｓとなる）して、図２Ｂに示す状態となる。なお、図２Ａ〜図２Ｃにおいて、上向きを「＋」方向、下向きを「−」方向としている。図２Ａで示した状態から図２Ｂに示した状態に変化するように、分極方向が逆方向に変化する現象は分極反転と呼ばれている。図２Ｄにおいて、図２Ａの状態は、状態３２ａで示した個所であり、印加電界が−Ｅｃになったときに、状態３２ｂで示した状態に変化しているのがわかる。また、状態３２ａと状態３２ｂとの間には、状態３２ｃの状態がある。また、状態３２ｂの強誘電体基板１（図２Ｂ）に、分極の逆方向（図２Ｂにおいて、上方向）に電圧を電圧源４により外部からかけると、電界がＥｃを越えた時点で、図２Ａに示すように分極方向が上向きになる。つまり図２Ｄにおいて、状態３２ｂから、状態３２ｃを介して、状態３２ａに変化する。
【００５５】
図２Ｄにおける状態３２ａでは、強誘電体基板１はもとの結晶状態であり、状態３２ｂでは、電極対２間の強誘電体基板１の自発分極が反転している状態である。状態３２ａおよび状態３２ｂは安定状態であるが、状態３２ｃおよび状態３２ｄは状態３２ａおよび状態３２ｂに変化する中間的な状態であり、結晶構造的に不安定な状態で過渡状態であると考えられていた。つまり、図２Ｃに示すように、電極対２周辺の一部分のみが、反転分極しており、電極対２周辺が完全に分極反転していない。そのため、電極２周辺において、分極方向が、反転分極による下向きの分極と、自発分極による上向きの分極とが混在している状態である。なお、自発分極による分極は内部電界である。
【００５６】
次に、上述のように、分極方向が変化している状態の電流の変化について説明する。強誘電体は一般に絶縁体であるが、分極反転が生じる反転電界Ｅｃの近傍において、自発分極の反転に伴う内部電荷の移動により一瞬電流が流れる。この電流の電荷量は反転する面積Ｓに比例して２Ｐｓ×Ｓで表される。分極反転が終了し、反転に必要なこの電荷量２Ｐｓ×Ｓが流れると電流の流れは停止し強誘電体は絶縁体にもどる。つまり、分極反転が起きる瞬間にのみ、電流が流れ、その量も大きくはなかった。例えば、この電荷の移動により電極対２間に一瞬流れる電流を用いて、スイッチングを行うことができる。
【００５７】
また、絶縁体に高電圧を印加した場合に、絶縁体の電気導電性が増加する絶縁破壊という現象が発生する。これは、結晶構造が高電界により破壊され絶縁性を失う現象であり、結晶が破壊されるため結晶構造自体が変化するもので、不可逆な現象である。
【００５８】
本発明者らは、強誘電体の結晶において、絶縁破壊以外に強誘電体材料において電気導電性が増加することを発見した。さらに、それは可逆的に電気導電性を増加させることできた。具体的には、図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明した１軸性の強誘電体基板１において、前述のように図２Ｄにおける状態３２ａおよび３２ｂが安定な状態であり、状態３２ｃおよび３２Ｄは過渡的な状態であるとされていた。しかし、状態３２ｃおよび３２ｄは強誘電体基板１の結晶状態として存在し、このように強誘電体基板１の結晶の一部が分極反転している状態において、強誘電体基板１の結晶の抵抗が大幅に低下することが見いだされた。このような、強誘電体基板１の低抵抗状態は、状態３２ａおよび３２ｂになる途中段階である状態３２ｃおよび３２ｄでのみ存在した。状態３２ｃは、図２Ｃで示したような状態であり、このように、電極対２間の一部において、分極反転が発生した状態で、強誘電体基板１の抵抗が低下した。
【００５９】
まず、Ｚ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶を単一分極処理した強誘電体基板１の自発分極に対向する電界（約２．６ｋＶ／ｍｍ）を強誘電体基板１に印加すると、結晶の一部の分極が反転した時点で、結晶の電気抵抗が大幅に低減するのが観測された。この強誘電体基板１は、電気抵抗は１０10Ω・ｃｍ以上の絶縁体であったが、分極反転が始まると１０6Ω・ｃｍ以下に低下した。さらに電圧を印加し続けると分極反転が進行し、完全に分極が反転するともとの絶縁体に戻った。このように、ＭｇドープのＬｉＮｂＯ3結晶である強誘電体基板１は、分極反転の途中段階において結晶の抵抗が大幅に低下する。また、低抵抗化している状態で強誘電体基板１を２００℃程度で熱処理すると抵抗はもとの状態に近い値まで高抵抗化した。このとき分極反転部の形状は変化しなかった。
【００６０】
また、別の実験では、Ｚ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶（Ｍｇのドープ量は５ｍｏｌ％）を単一分極処理して構成された強誘電体基板１に、その自発分極に対向する電界（約４ｋＶ／ｍｍ）を印加した。その結果、結晶の一部の分極が反転した時点で、強誘電体基板１の電気抵抗が大幅に低減した。電気抵抗は１ＧΩ・ｃｍ以上の絶縁体であったのが、分極反転が始まると１ＭΩ・ｃｍ以下に低下した。さらに電界を印加し続けると、抵抗値が再び増大した。
【００６１】
これらの結果より、ＭｇドープＬｉＮｂＯ3結晶のような金属が添加された強誘電体基板において、分極反転が形成され始めた直後の、内部電界が残留している状態で、強誘電体の抵抗が低下すると考えられる。なお、内部電界とは、自発分極を反転させ始めた直後に、結晶内部に残留する反転した分極に対向する電界である。
【００６２】
このように、分極反転の途中において抵抗が低下する現象はＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3およびＫＴＰ等の強誘電体の結晶において観測されている。抵抗が低下している状態は、結晶内部に分極反転によって生じた結晶構造の歪みが存在しており、反転分極に対向している電界が残っている。この状態で、反転した分極に対向する電界を印加すると、通常の反転電界Ｅｃに比べて低い電圧で再反転が発生し、元の自発分極の状態に戻る。
【００６３】
図３は、図２Ａに示した状態と図２Ｂに示した状態のそれぞれにおける電流電圧特性を示している。図３において、実線で示されているのが図２Ａに示した状態であり、破線に示されているのが図２Ｃに示した状態である。図３よりわかるように、図２Ａのように強誘電体基板１が完全に分極している状態では、強誘電体基板１は絶縁体であって、電流が流れない。しかし、図２Ｃのように、分極反転が途中まで進行した状態で、かつ自発分極に対向する内部電界が存在する状態では、強誘電体基板１は低抵抗化し電流が流れる。つまり、分極の反転が電極間で完全に生じていない状態であることと、反転した自発分極に対向する内部電界が存在することの２つの条件が同時に成立する場合に強誘電体の電気抵抗が大幅に低下するとみられる。
【００６４】
図２Ａまたは図２Ｂのように、分極反転が電極間で完全に進んでしまうと、電気抵抗は再び大きくなる。分極反転部分としては、電極間の１０％〜９０％程度であることが望ましかった。また内部電界の存在も重要である。前述のように、低抵抗化されている強誘電体を２００℃程度で熱処理すると抵抗が上昇するのは、内部電界が低下したためであると考えられる。また、抵抗の低下は分極反転により生じる結晶構造の歪みが原因で発生していると考えられる。結晶の歪みが内部電界の要因であり、内部電界の存在している場合に電気抵抗の低下が発生しているからである。
【００６５】
また、電気抵抗が低抵抗化している状態の強誘電体は、抵抗の値も半導体と同程度であるが、その特性も半導体と同等の特性を示す。具体的には、強誘電体は整流特性を有している。例えば、強誘電体に金属膜を堆積して、その電流電圧特性を調べたところ、金属膜の種類によって大きく特性が変化した。これは金属−半導体間の接触部分におけるショットキーバリアの状態が変化したからであり、金属膜の仕事関数により整流特性が変化したためと考えられる。つまり、一部が分極していることで、低抵抗化している強誘電体は、半導体としての特性を示す。
【００６６】
上述したように、Ｘ板のＭｇドープＬｉＮｂＯ3において分極反転部が整流特性を示し、低抵抗化することはすでに報告されている。しかし、これは、分極反転部分が低抵抗化しているのであって、本実施の形態１の強誘電体基板１のように、分極反転と分極反転に伴う内部電界の存在により低抵抗化していることとは異なる。
【００６７】
上述のように、実施の形態１の電気スイッチは、強誘電体基板１に内部電極とそれに対向する分極とがともに存在する状態（図２Ｃ参照）と、強誘電体基板１が完全に分極している状態（図２Ａまたは図２Ｂ参照）とを有し、それらのどちらかに切り換えることで、強誘電体基板１をそれぞれ低抵抗化または高抵抗化する。それにより、電気スイッチは導通または非導通に制御される。
【００６８】
しかし、内部電界が存在する状態は結晶構造的に不安定である。そこで、低抵抗化された強誘電体基板１の抵抗の時間変化を測定した。図４Ａは、強誘電体基板１に、直流電圧を印加した場合の時間と抵抗の変化を示している。強誘電体基板１を、図２Ｃに示した状態とし、強誘電体基板１の温度は１２０℃として測定した。図４Ａに示しているように、抵抗値は時間の経過とともに徐々に増加し、数時間で２〜３倍になった。これは分極反転部分の抵抗が時間とともに増加していることを示している。抵抗の変化は温度に依存し、室温ではかなり小さいが１００℃を越えると数時間で２〜３倍になる。抵抗の変化が大きくならぬように、安定して使用するためには、強誘電体基板１は５０℃以下の温度で利用するのが望ましい。さらに、抵抗の周波数依存性についても測定した。図４Ｂは、強誘電体基板１における周波数と抵抗の変化を示している。強誘電体の分極反転部分に高周波を印加して電流電圧特性より抵抗を測定した。図４Ｂに示されているように、周波数が大きくなると抵抗が増加した。直流では１ＭΩ程度であった抵抗が周波数が１ｋＨｚでは３ＭΩ程度に増加した。ところが、抵抗の時間変化を見ると、周波数を増大させることで、時間的な変化が殆ど無くなることが分かった。図４Ｂにおいては、時間経過による抵抗の変化量も示している。図４Ｂに示しているように、直流電圧または、５Ｈｚ未満の交流の場合、抵抗値は時間とともに増加していった。しかし、１０Ｈｚ以上の交流に対しては、抵抗値の時間変化はほとんどなく、安定な値を示した。このことより、電気スイッチのスイッチングを制御する信号としては、５Ｈｚ以上の交流信号を用いればよく、１０Ｈｚ以上の交流信号を用いることがさらに望ましい。
【００６９】
上述したように、分極反転により強誘電体基板１を低抵抗化する場合において、その抵抗は、印加する高周波電界の周波数に依存する（図４Ｂ参照）。具体的には、周波数が大きくなると抵抗が増加する。また、低抵抗化した強誘電体基板１を再反転させて高抵抗化するために、電界を印加する際に、高電流を流さなければならない。そこで、高周波を重畳した電界を印加すればよい。それにより、強誘電体基板１の高抵抗化がはかれ、電界を印加する際の電流を低減することができる。そのため、電気スイッチの駆動電力を低減することができる。
【００７０】
強誘電体を低抵抗化した場合の抵抗値は、分極反転が生じている表面積に依存している。図５Ａは電極の形状を説明するための電極の平面図である。図２Ａに示すように、強誘電体基板１の分極方向に沿う方向に、電極対２を並べて配置する。図５Ａに示したように、電極対２の形状を櫛形電極とすると望ましい。それにより、電極対２の周辺部の長さを長くすることができる。図５Ｂは電極対２のそれぞれの電極の周辺部の長さと抵抗の関係を示している。図５Ｂに示されているように、電極対２のそれぞれの電極の周辺部（電極エッジ）の長さを長くすることで、強誘電体基板１の抵抗をより低くできる。つまり、同じ電極面積でも、長い周辺距離がとれる電極形状のほうが、より低抵抗とすることができる。そこで、例えば、櫛型電極等を用いればよい。
【００７１】
また、例えば両方に電極指のある枝状の電極を用いて電極対２を形成してもよい。電極の方向としては、櫛の指の方向を結晶のＹ軸方向にすると特性が向上する。Ｚ板のＭｇドープのＬｉＮｂＯ3基板を用いた実験では、櫛の指の方向によって分極反転の形成の容易さが異なることが分かった。櫛の指の方向をＹ軸方向に一致させた場合は、これに９０°直交させたＸ軸方向に形成した場合にくらべ、分極反転の広がる早さが１０倍以上になった。このため、結晶に形成する櫛の指の方向はＹ軸方向に設定するのが好ましい。
【００７２】
なお、強誘電体基板１としては、ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ3を用いたが、これはＬｉＮｂＯ3結晶では、同様の効果が得られなかったからである。ＬｉＮｂＯ3そのものでは、分極反転に伴う電気導電性の大幅な向上は見られず、絶縁体の特性に変化はなかった。すなわち、強誘電体に金属を添加することで、分極方向の変化に伴う電気導電性の変化を実現できる。同様に、ＬｉＴａＯ3においてもＬｉＴａＯ3結晶単体では分極反転前後で電気導電性の変化は発生せず、ともに絶縁体であるが、Ｍｇ等の金属添加物を加えることで電気導電性の変化が観測された。添加するＭｇのドープ量は１ｍｏｌ％未満の場合に、上記分極方向の変化に伴う強誘電体基板１の抵抗の変化量が数％程度と大幅に低下した。１０％以上の大きな抵抗の変化を実現するには１ｍｏｌ％以上の金属の添加が必要である。３ｍｏｌ％以上の添加を行うと抵抗が１／１０以下になりより有効である。また、その他の強誘電体材料においても、金属ドープ量を増大できるものであれば、同様の電気導電性の変化が可能である。
【００７３】
また、強誘電体基板１としては単一分極の強誘電体結晶以外であってもよく、例えばアモルファス結晶、微結晶等の結晶粒が存在するものであれば同様の効果が得られる。アモルファス、微結晶構造を利用すれば、薄膜材料が利用できるため、バルクの結晶成長を必要とせず、デバイス作製が容易になる。また、アモルファス、微結晶にすることで、金属添加物のドープ量を増大できる。そのため、電極対２間の電気抵抗の変化量を増大できる。しかし、金属のドープ量を増大すると結晶の格子歪みが増大するため、大型結晶を引き上げる際にクラック等が生じ、均一な大型結晶の成長が難しくなる。例えばＬｉＮｂＯ3の場合Ｍｇを１０ｍｏｌ％以上添加するのは難しいため、単結晶の基板を用いる場合はドープ量を１０ｍｏｌ％以下が望ましい。
【００７４】
なお、強誘電体基板１として自発分極を単一分極化したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いたが、その他の金属を添加した強誘電体、例えばＩｎ、Ｓｃ、ＣｕおよびＦｅ等の金属を添加したＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＴＰまたは、これらの結晶の混成結晶でも同様の効果が得られる。
【００７５】
なお、強誘電体基板１の材料としては、自発分極の方向が表面に垂直なＺ板の基板以外であってもよく、例えば、自発分極の方向が基板平面と平行なＸ板もしくはＹ板、または基板表面に対して斜めに交差するオフカット基板等でもよい。オフカット基板は、分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できるため、より好ましい。
【００７６】
なお、上述のように、室温近傍で強誘電体の電気抵抗の変化を観測した。強誘電体の大幅な電気抵抗の低下が観測されたことは、さらなる低温において超伝導作用を起こす可能性がある。温度が高い状態では前述したように結晶的に不安定であったが、時間的な制約があるが、低温で使用することで、結晶の不安定性は解決できる。０℃以下の低温で強誘電体を利用すれば超伝導特性を示し、かつ分極反転を利用することで超伝導の電気スイッチが構成できるため有効である。
【００７７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る電気スイッチについて図を用いて説明する。実施の形態２の電気スイッチは、実施の形態１と同様に、金属を添加した強誘電体基板の分極を制御することで、強誘電体基板の抵抗を変化させて、強誘電体基板を導通または非導通に制御する電気スイッチである。電極の配置および電圧印加部の構成等は異なるが、用いる強誘電体基板は、実施の形態１で用いたものと同一とすればよい。
【００７８】
図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態２に係る電気スイッチの構成を示す図である。図６Ａは、実施の形態２に係る第１の電気スイッチの構成を示す側面図である。図中、矢印で示している強誘電体基板５１の自発分極の方向に沿って並ぶように、電圧用電極対５２が設置されている。また、電圧用電極対５２は強誘電体基板５１を挟むようにその表面および裏面に設置されている。さらに、電圧用電極対５２が設置された面のうち一方の面に、分極方向の垂直方向に沿って並ぶように、電流用電極対５３が設置されている。また、図６Ｂは、実施の形態２に係る第２の電気スイッチの構成を示す平面図である。強誘電体基板５６の１つの面において、矢印で示している自発分極方向に沿って並ぶように、電圧用電極対５７が設置されている。さらに、電圧用電極対５７が設置された面と同一の面に分極方向の垂直方向に沿って並ぶように、電流用電極５８が設置されている。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、電圧用電極対５２および５７には、電圧源５４が電気的に接続され、電流用電極対５３および５８には、電流源５５が電気的に接続されている。なお、図６Ａの強誘電体基板５１はＺ板であり、図６Ｂの強誘電体５６はＸ板またはＹ板とすればよい。また、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、オフカット基板を用いてもよい。
【００７９】
図６Ａおよび図６Ｂに示した電気スイッチにおいて、電圧源５４を用いて、電圧用電極対５２間および電圧用電極対５７間に、強誘電体基板５１および強誘電体基板５６の自発分極に対向する方向の電界もしくは自発分極と同一方向の電界を選択的に印加する。それにより、電圧用電極対５２間および電圧用電極対５７間の抵抗をそれぞれ高抵抗または低抵抗に制御することができる。そうすることで、電流用電極対５３間および電流用電極対５８間に抵抗も低抵抗または高抵抗に制御され、電流が導通または非導通となる。
【００８０】
図７Ａは、実施の形態２の第３の電気スイッチの構成を示す側面図である。図７Ａの電気スイッチは、電極対６２間の電流値をスイッチングする電気スイッチである。強誘電体基板６１の表面と裏面に対となる電極（電極対６２）を分極の方向に沿うように形成され、これら電極対６２は電圧源６３と電気的に接続されている。
【００８１】
電圧源６３により電極対６２間に印加される電界は反転電界Ｅｃを超えるパルス電界である。電界が印加されることで、強誘電体基板６１における電極対６２間の一部の分極が反転し、強誘電体基板６１の電気抵抗が低下する。図７Ｂは、電極対６２間に流れる電流と時間との関係を示す図である。図７Ｂにおいて、電流が飛び出した個所６４は、パルス電界が印加された時である。パルス電界が印加されると強誘電体基板６１の抵抗が低下し、図７Ｂに示すように、電極対６２間に電流が流れる。さらに、−のパルス電圧を印加すると、電流が流れなくなる。つまり、図７Ｂの電流が飛び出した個所６５は、「−」のパルス電圧を印加された時である。このように、電流にパルス電圧を重畳することでながれる電流の値を可変とすることができ、スイッチングを行うことができる。
【００８２】
図８Ａは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの構成を示す側面図である。この電気スイッチは、分極の方向（図中、矢印で示している）が図７Ａの電気スイッチと１８０度異なっているが、その他の構成は同一である。電圧源６３は、強誘電体基板６１に印加するパルス電圧が「＋」または「−」に交互に入れ替わるようにする。図８Ｂは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの強誘電体基板に印加される電圧と時間経過の関係を示した図である。また、図８Ｃは、本実施の形態１の第４の電気スイッチを流れる電流と時間経過の関係を示した図である。図８Ｂに示すようなパルス電圧を、電極対６２間に印加することにより、図８Ｃに示すような電流波形を得ることができる。これからわかるように、第４の電気スイッチは整流素子として動作している。つまり、電圧源６３のパルス電圧を「−」に印加すると、分極反転が生じて電流が流れるが、「＋」の電圧が印加されて分極反転が無くなり電流が流れなくなる。これが繰り返されることで、整流特性が得られる。分極反転するためには、反転電界Ｅｃ（２．６ｋＶ／ｍｍ）を印加させねばならないが、分極反転部分を再反転させて元に戻すには０．５ｋＶ／ｍｍ以下の電界でも可能であった。これは、内部電界が存在することで反転電圧が低下したためである。
【００８３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る電気スイッチについて図を用いて説明する。
【００８４】
強誘電体材料において自発分極の反転に伴い、電気導電性が増加する状態が可逆的に存在するという現象については実施の形態１で説明し、このような現象は内部電圧の影響によるものではないかとの見解を述べた。しかし、このような現象が生じる原因としては、それ以外に分極壁の存在の有無が挙げられる。分極壁とは、分極の方向が異なる個所どうしの境界である。分極壁の有無により、強誘電体の電気抵抗が大きく変化している。強誘電体基板に電界を印加した初期には、電極間に分極壁が存在しており、そのため電気抵抗が大幅に低下するのではないかと考えられる。さらに電界印加を続けると分極反転領域が大きく広がり、分極反転が完了すると、電極面積より大きな分極反転領域が形成される。分極壁が電極より遠ざかるため、電極間の抵抗が再び増大すると考えられる。
【００８５】
分極壁では結晶構造に大きな歪みが存在すること、自発分極が急激に変化する領域で大きな内部電界が存在することが、このような現象に起因するものと考えられる。そこで、実施の形態３では、分極壁の説明も加えて、電気スイッチについて説明する。
【００８６】
図９Ａ〜図９Ｄは、本発明の実施の形態３に係る電気スイッチの構成を示す図である。図９Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図９Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図９Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図９Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。図９Ａ〜図９Ｄにおいて、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されている。この強誘電体基板８１は、実施の形態１および２で説明した強誘電体基板８１を用いればよく、同様の効果を有する。強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示している。自発分極方向に沿ってこの電極対８２は強誘電体基板８１の自発分極方向に沿うように並べて設置されている。図９Ａおよび図９Ｂに示しているように、自発分極を変化させていない状態では、電極対８２間に分極が異なる領域が形成されていず、分極壁は形成されていない。この状態では強誘電体基板８１は高抵抗であり、電極対８２間に電流を流そうとしても流れない。自発分極を可変とする電界印加部により、強誘電体基板８１の自発分極の方向を変化させることで、図９Ｃおよび図９Ｄに示しているように、電極対８２間に分極方向が異なる領域８３が生じる。領域８３内と領域８３外では分極の方向が異なる。この分極方向が異なる境界が、分極壁８４である。分極壁８４においては電気抵抗が大幅に低下しているので、電極対８２間は低抵抗化している。そのため、電極対８２間に電流が流れ得る。
【００８７】
なお、電界印加部は、図示していないが、実施の形態１および２に示しているように、自発分極方向または、その逆方向に電界を印加することができる、例えば電圧源等であればよい。また、電極対８２間に電圧を印加する電圧源等でもよい。上述のように、電極対８２間に自発分極の方向とは逆方向に電圧を印加することで、分極壁８４を生じさせることができ、それにより、電極対８２間の抵抗を可変とすることができる。
【００８８】
分極方向が異なる領域８３の分極方向は、強誘電体基板８１によって異なる。例えば、強誘電体基板８１として、単一分極のＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いた場合、反転分極により分極方向は１８０°変化する。このため、強誘電体基板８１と分極方向が異なる領域８３では分極の方向が１８０°異なる。このような分極方向以外に、分極の方向が強誘電体基板８１表面に平行な場合、強誘電体基板８１表面に垂直な場合および強誘電体基板８１表面に対し傾いている場合等がある。また分極の安定な方向が複数有る場合もあり、この場合には、印加する電界の方向で分極の方向が決まる。
【００８９】
強誘電体基板８１が単一分極の結晶であるが、分極方向が単一分極化されていない場合には、強誘電体基板８１を単一分極処理してから使用する必要がある。また、強誘電体基板８１として、微結晶、アモルファス、セラミック等の材料、単結晶、液層成長の薄膜結晶等が利用できるが、これらは分極の方向がバラバラで存在するので、ポーリング処理を施すことが望ましい。ポーリング処理とは、各材料の温度を、その結晶のキュリー温度近くまで上げて、電界を印加することで、分極を一方向にそろえる処理方法である。温度を上げて自発分極を形成するため、分極壁８４に結晶歪みが残りにくい。この状態で徐々に冷却することで、マクロ的には分極方向がそろった強誘電体基板８１を形成することができる。
【００９０】
ポーリング処理した強誘電体基板８１の、低抵抗状態を実現するには、強誘電体基板８１の温度をキュリー温度よりかなり低い温度として、ポーリング電界に対向する電界を印加することが望ましい。キュリー温度は数１００℃のものが多い。このため、分極反転の温度はキュリー温度の１／２以下または１００℃以下が好ましい。こうすることで、分極反転により分極壁に結晶歪みを残した状態を作ることができる。
【００９１】
図９Ａ〜図９Ｄにおいて、強誘電体基板８１としてＭｇドープのＬｉＮｂＯ3を用いた場合について説明する。Ｍｇのドープ量は５ｍｏｌ％であり、Ｘカット基板の単一分極処理された結晶であり、この電極対８２が並べられた方向に沿うように自発分極の方向を有している。図９Ａおよび図９Ｂの状態で、自発分極の逆方向となるように電極対８２間に、図示していない電界印加部により５ｋＶ／ｍｍの電界を印加した。例えば、電極対８２同士の間隔を１μｍとすれば、印加電圧は５Ｖである。電圧を印加することで、分極壁が生じた。つまり、図９Ｃおよび図９Ｄの状態に変化した。このとき電極対８２間の抵抗は数１００Ωであった。
【００９２】
次に先ほどと逆方向に例えば５Ｖの電圧を印加すると図９Ａおよび図９Ｂの状態に再び戻り、電極対８２間の抵抗は数１０ｋΩに増大した。このように抵抗の変化率は２桁以上であった。つまり、１００倍以上であった。
【００９３】
また、上記電界を印加する操作を繰り返し行ったが、変わりなく電極対８２間の抵抗を変化させることができた。図９Ａおよび図９Ｂと図９Ｃおよび図９Ｄとのそれぞれの状態における抵抗の値は、変更直後はわずかに変化したが、その後は安定であり、そのまま数ヶ月たっても抵抗値が変化することはなかった。このように、強誘電体基板８１の分極は非常に安定であるため、途中で外部からの電気的な供給を受けることなく、実施の形態３に係る電気スイッチは半永久的にスイッチ状態を保持することができる。
【００９４】
強誘電体基板８１の分極の方向を変化させる際に、分極壁８４が形成または消去されるが、それにより、分極壁８４が生じる個所には大きな結晶的な歪みが存在する。このため、繰り返し回数を増大させた場合に、結晶的なダメージが残るが、結晶的なダメージは、分極壁８４の領域の大きさに依存し、面積に比例して動作回数の限界が減少する。分極壁の面積が１ｍｍ2以上の場合繰り返し回数は１０００回程度であった。１０万回以上のスイッチ回数を実現するには、分極壁の面積を１００μｍ2以下に規制すればよい。さらに面積を低減して１０μｍ2以下とすることで、さらに繰り返し回数を増大することが可能である。
【００９５】
強誘電体基板８１には、前述のようにＭｇをドープしている。このように、金属添加物を加えることは、自発分極を反転させるための反転電界Ｅｃの値を小さくできるため有効である。例えば、ＬｉＮｂＯ3単体結晶の場合において、反転電界Ｅｃの値は２０ｋＶ／ｍｍ程度であるが、Ｍｇを５ｍｏｌ％程度ドーピングすることで反転電界Ｅｃは１／４程度に低下する。結晶に電圧を印加すると電歪効果により結晶が歪むため、繰り返し高電圧を印加するとクラック等が生じる。このため、強誘電体基板８１への印加電圧は小さいほど、電気スイッチの寿命が長くなる。金属添加を行うことで、印加電圧を大幅に低減できるため、電気スイッチのスイッチングの繰り返し回数が増大するため有効である。
【００９６】
また、反転電界Ｅｃの値は結晶構造に大きく依存している。結晶引き上げを効率的にするため、強誘電体基板８１の結晶は、完全な組成比から少しずれたコングルエント組成で引き上げられる場合が多い。この組成の方が均一な結晶を引き上げやすいからである。これに対して、ストイキオメトリック組成にすることで、反転電界Ｅｃの値が大幅に低下することが知られている。これは、ストイキオメトリック組成の方が結晶内の欠陥密度が小さいため自発分極の制御が容易になるからである。例えば、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3においては反転電界Ｅｃの値が１／４から１／１０近くまで低下する。そこで、強誘電体基板８１としてはストイキオメトリック結晶を用いることで印加電圧の低電圧化が可能となり、電気スイッチの寿命を大幅に増大できる。なお、ストイキオメトリック組成の結晶は、結晶引き上げの他、エピタキシャル成長による成膜で容易に形成できる。エピタキシャル成長膜による強誘電体基板８１を用いることで、反転電界Ｅｃを低下させることが容易であり、電気スイッチのスイッチング寿命を増大できる。
【００９７】
なお、実施の形態３では、電極対８２を強誘電体基板８１の表面に形成したが、電極対８２の配置は、これに限られるものではない。例えば、強誘電体基板８１を薄膜化して、その表面と裏面に形成することでも同様の効果が得られる。また、強誘電体基板８１の抵抗が低下するのは、分極壁の部分であるため、分極壁面積を増大することで、抵抗を低下することができる。例えば、電極対８２を櫛形電極等とすることで、分極壁の面積を増大することができ、強誘電体基板８１をさらに低抵抗化することができる。
【００９８】
図１０は、実施の形態３の他の電気スイッチの構成を示す構成図である。強誘電体基板９１は、上述の強誘電体基板と同様とする。強誘電体基板９１の表面には、トレンチである溝９６が形成されていて、電極対９２は、その中に形成されている。さらに、強誘電体基板９１には、加熱部であるヒータ９７が設置されている。電極対９２には電界印加部である電圧源９８が接続されている。なお、強誘電体基板９１の自発分極方向は、図１０中に矢印で示している。この電気スイッチの動作は、上述の電気スイッチと同様である。
【００９９】
図１０に示す電気スイッチにおいて、電圧源９８により、電極対９２間に電界を印加する際に、強誘電体基板９１の温度を室温からわずかに上昇させることが望ましい。強誘電体基板９１に設置されているヒータ９７により、強誘電体基板９１の温度を８０℃程度にすることで、分極反転に必要な印加電界Ｅｃを半分程度に低下させることができる。印加電界Ｅｃが低下することで、電気スイッチを低消費電力で駆動することが可能となる。さらに、分極反転時に発生する結晶の歪みが低下するため、繰り返し回数の耐性が大幅に上昇するため有効である。具体的には、強誘電体基板９１を２０℃以上で使用するのが好ましい。さらに４０℃以上とするとさらに好ましい。
【０１００】
また、溝９６内に電極対９２を形成することで電界分布が均一になり分極の異なる領域を形成するための電圧が低減する。また表面電荷の影響が少なくなり、電極対９２間の絶縁性が高まるので好ましい。なお、溝９６内と強誘電体基板９１表面とに電極対９２を形成するようにしてもよい。
【０１０１】
実施の形態３の強誘電体基板８１および９１において、アモルファスまたは微結晶構造としてもよく、その場合、金属のドープ量を増大することができる。また、微結晶を焼結したセラミック等を用いることで同様の特性を利用できる。ただし、分極壁８４を形成するには、薄膜内に反転する分極の境界が必要である。このため、薄膜は一定以上の大きさの結晶粒が必要となり、微結晶としては、結晶粒の大きさが１μｍ以上あるものが望ましい。薄膜の厚さとしては、１μｍ以上、１００μｍ以下が望ましい。これよりも薄膜が厚くなりすぎると、成膜時間がかかって量産性が乏しくなる上、薄膜を形成するための基板との応力等によりクラックが生じる等の問題が発生する。
【０１０２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る電気スイッチについて図面を用いて説明する。実施の形態４の電気スイッチは、実施の形態３の電気スイッチにさらに、分極壁を形成および消去するための電極を備えた構成である。なお、全図を通して、同様の働きを有する部材には同一符号を付し説明を省略する。図９Ａ〜図９Ｄに示したように、電極対間における分極壁の有無を制御することで電気スイッチが動作する。強誘電体の自発分極は、電界印加により制御が可能となる。
【０１０３】
図１１Ａ〜図１１Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第１の電気スイッチの構成を示す図である。図１１Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１１Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１１Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１１Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第１の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極９５が設置されたものである。強誘電体基板８１としては、実施の形態１〜３で説明した特性を有する強誘電体基板を用いればよい。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示している。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内であって、強誘電体基板８１の自発分極方向の垂直方向に沿うように並べて設置されている。分極用電極９５は、電極対８２が並ぶ方向に平行な方向を長手方向として設置されている。このような電気スイッチにおいて、電極対８２と分極用電極９５との間に電界を印加することで、図１１Ｃおよび図１１Ｄに示しているように、分極の異なる領域９３が形成される。なお、各電極対８２同士は同電位である。分極が異なる領域９３の周辺には、分極壁９４が形成されている。これにより、電極対８２間が低抵抗化されている。図１１Ａおよび図１１Ｂに示す状態では電極対８２間は高抵抗であるため、電極対８２間に電流が流れない（非導通）。しかし、図１１Ｃおよび図１１Ｄの状態とすることで、電極対８２間には電流が流れる（導通）ようになる。つまり、スイッチとして働いている。図１１Ｃおよび図１１Ｄの状態からは、さらに、電極対８２と分極用電極９５との間に、電極対８２間を低抵抗化した際とは逆方向に電圧を印加することで分極の異なる領域９３は消滅し、分極壁９４が消滅するので、電極対８２間の抵抗は元のように高抵抗化する。
【０１０４】
以下、他の電気スイッチについて説明するが、動作原理は上述と同様であり、分極壁が形成されることで電極対間が低抵抗化（導通）し、分極壁が消滅して、電極対間が高抵抗化（非導通）する。図１２Ａ〜図１２Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第２の電気スイッチの構成を示す図である。図１２Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１２Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１２Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１２Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第２の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極対１０５が設置されたものである。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示している。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内であって、強誘電体基板８１の自発分極方向の垂直方向に沿うように並べて設置されている。分極用電極対１０５は、電極対８２が並ぶ方向に平行な方向を長手方向として設置され、分極用電極対１０５同士で、電極対８２を挟むように設置されている。つまり、電極対８２が並ぶ方向と分極用電極対１０５の並ぶ方向は直交している。このような電気スイッチにおいて、分極用電極対１０５間に電界を印加することで、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示しているように、分極の異なる領域１０３が形成される。分極が異なる領域１０３の周辺には、分極壁１０４が形成されている。これにより、電極対８２同士の間が低抵抗化されている。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す状態では電極対８２間は高抵抗であるため、これらの状態を選択的に切替えることで、スイッチとして機能する。この場合、強誘電体基板８１の自発分極の方向は分極用電極対１０５間に形成される電界の方向に略平行とすることが望ましい。それにより、強誘電体基板８１の自発分極の方向を制御するための電界を小さくすることができる。
【０１０５】
図１２Ａおよび図１２Ｂに示す状態から、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示す状態に変化させる場合には、分極用電極対１０５間に電界を印加するが、この際には分極壁１０４が存在しないので、強誘電体基板８１は高抵抗状態であり電界の印加は容易である。しかし、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示す状態から、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す状態に変化させる場合には、分極用電極対１０５間に分極壁１０４が存在するため抵抗が低くなっており、電流が流れやすいため電界を印加する場合に消費される電力が大きくなる。これを防止するには、分極用電極対１０５と強誘電体基板８１との間に、例えば絶縁体膜を形成しておくことが有効である。例えばＳｉＯ2等の絶縁体膜を分極用電極対１０５と強誘電体基板８１との間に堆積することで、電流の流れを防止し、分極を制御する際の電力消費を大幅に低減できる。
【０１０６】
図１３Ａ〜図１３Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第３の電気スイッチの構成を示す図である。図１３Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１３Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１３Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１３Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第３の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極１１５が設置されたものである。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示しているように、強誘電体基板８１の厚さ方向である。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内に並べて設置されている。また、電極対８２の間に分極用電極１１５が設置されている。上述の第１および第２の電気スイッチは強誘電体基板８１の表面に平行な方向に分極の方向を制御していたが、第３の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に対して垂直な方向に自発分極の方向を制御する電気スイッチである。図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて、電極対８２と分極用電極１１５との間に電圧を印加すると、強誘電体基板８１の表面に対して垂直な方向にも電界ができる。強誘電体基板８１としては、その表面に対して垂直な方向に自発分極を有するものを利用しているので、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示すように、自発分極の異なる領域１１３が形成され、分極壁１１４が形成される。また、電力消費を低減するために、分極用電極１１５の下には絶縁体膜を形成するのが好ましい。
【０１０７】
図１４Ａ〜図１４Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第４の電気スイッチの構成を示す図である。図１４Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１４Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１４Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１４Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第４の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面に電極対８２が形成されていて、さらに分極用電極対１２５が設置されたものである。なお、強誘電体基板８１の自発分極方向は、図中に矢印で示しているように、強誘電体基板８１の厚さ方向である。電極対８２は強誘電体基板８１の同一面内に並べて設置されている。第４の電気スイッチは、強誘電体基板８１の表面および裏面に分極用電極対１２５が設置されている。強誘電体基板８１の表面に設置された分極用電極対１２５の一方は、電極対８２の間に設置されている。図１４Ａおよび図１４Ｂの状態から、強誘電体基板８１の表面および裏面に形成された分極用電極対１２５間に電界を印加させることで、図１４Ｃおよび図１４Ｄの状態となる。なお、強誘電体基板８１の自発分極の方向は、強誘電体基板８１の表面に対して垂直である。図１４Ｃおよび図１４Ｄに示しているように、電極対８２間には分極の異なる領域１２３が形成され、その周りに分極壁１２４が形成されている。そのため、電極対８２間が低抵抗化する。なお、第４の電気スイッチにおいては、分極反転の駆動電圧を低減するために、強誘電体基板８１は、薄膜化することが望ましい。強誘電体基板８１の厚みは５μｍ以下が望ましい。
【０１０８】
図１５Ａ〜図１５Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第５の電気スイッチの構成を示す図である。図１５Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１５Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１５Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１５Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第５の電気スイッチは、強誘電体基板８１がオフカット基板であり、その表面に電極対１３２が形成されている。さらに、強誘電体基板８１上には、分極用電極１３５が設置されている。電極対１３２と分極用電極１３５との間に電界を印加することで、図１５Ａおよび図１５Ｂの状態から図１５Ｃおよび図１５Ｄの状態に変化する。オフカット基板とは、強誘電体基板８１の結晶の表面に対して自発分極の方向が角度を持っている基板である。分極反転部分は自発分極の方向に沿って成長するため、図１５Ｃおよび図１５Ｄに示すように、分極の異なる領域１３３は、強誘電体基板８１の内部に自発分極の方向（図中矢印で示している）に沿って成長する。分極の異なる領域１３３の周りに形成されている分極壁１３４は強誘電体基板８１の内部に潜った部分に形成される。分極壁１３４は、電極対１３２の近傍に存在するため、電極対１３２間の抵抗は低抵抗化する。
【０１０９】
図１６Ａ〜図１６Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第６の電気スイッチの構成を示す図である。図１６Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１６Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１６Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１６Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第６の電気スイッチは、図１５Ａ〜図１５Ｄに示す第５の電気スイッチの分極用電極の代わりに、強誘電体基板８１の表面に分極用電極対１４５が形成されている。電極対１３２が並ぶ方向と分極用電極対１４５が並ぶ方向が直交するように配置されている。これら分極用電極対１４５間に電界を印加することで、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す状態から、図１６Ｃおよび図１６Ｄに示す状態に変化させることができる。図１６Ｃおよび図１６Ｄに示す状態は、分極が異なる領域１４３が形成されていて、その周りには分極壁１４４が形成されている。そのため、電極対１３２間は低抵抗化されている。
【０１１０】
図１７Ａ〜図１７Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第７の電気スイッチの構成を示す図である。図１７Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１７Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１７Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１７Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。第７の電気スイッチは、図１５Ａ〜図１５Ｄに示す第５の電気スイッチの分極用電極の代わりに、強誘電体基板１３１の表裏面に分極用電極対１５５が形成されている。これら分極用電極対１５５間に電界を印加することで、図１７Ａおよび図１７Ｂに示す状態から、図１７Ｃおよび図１７Ｄに示す状態に変化させることができる。図１７Ｃおよび図１７Ｄに示す状態は、分極が異なる領域１５３が形成されていて、その周りには分極壁１５４が形成されている。そのため、電極対１３２間は低抵抗化されている。
【０１１１】
第５〜第７の電気スイッチは、強誘電体基板１３２として、オフカット基板を用いている。これにより、分極壁１３４、１４４および１５４が、強誘電体基板１３２内部に形成される。そのため、分極用電極１３５および分極用電極対１４５および１５５が分極壁１３４、１４４および１５４に直接接触しない。それにより、低抵抗状態から高抵抗状態へ移行する際の電界印加における電力消費を大幅に低減できる。
【０１１２】
以上実施の形態４に係る電気スイッチについて説明したが、第１〜第７の電気スイッチの構成に限定されるわけではなく、強誘電体上に、電極対を有し、それらの間の分極方向を変化させることができる構成であればよい。
【０１１３】
なお、上記第１〜第７の電気スイッチの説明において、電界印加部については、説明および図示を省略したが、電界印加部は、強誘電体基板８１の分極方向を制御するもので、電界を分極方向に対向する方向に印加できるものであればよい。例えば、実施の形態１〜３で説明した電圧源である。また、例えば、電極対、外部電源、静電気、放電、荷電粒子、イオン、他の強誘電体および半導体回路（例えば、半導体材料からなる電気スイッチ素子等）等の電界を発生する手段であればよい。
【０１１４】
なお、第２、第４および第６の電気スイッチの分極用電極対において、それぞれの電極の大きさは、非対称形状が好ましい。特に、異なる自発分極を消去する電極が、形成する電極に対して大きいことが望ましい。ここで、異なる自発分極を消去する電極および形成する電極について説明する。強誘電体基板の分極反転は、分極反転核が発生し、反転核から自発分極の方向に分極反転部が成長する。ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＴＰ等は分極反転核の発生する方向が決まっており、＋Ｚ面側から分極が発生する。つまり、分極反転核が形成される側（ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3およびＫＴＰ等では＋Ｚ側）の電極が異なる自発分極を形成する電極であり、もう一方の電極（ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3およびＫＴＰ等では−Ｚ側）が異なる自発分極を消去する電極である。
【０１１５】
ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3等の単一分極の結晶において、分極反転部の成長は、分極反転核の発生と、分極反転核から反転部分が成長する工程からなる。分極反転は結晶のＣ軸に沿って成長し、分極核の発生は＋Ｃ側に発生するため、分極反転は＋Ｃから−Ｃに向かって生じる。このため、分極用電極は分極方向に沿って並んで形成され、±Ｃ軸側に形成するのが効果的である。この際、＋Ｃ側に形成する電極は−Ｃ側に形成する電極形状より小さくするのが望ましい。形成される自発分極の反転した部分の幅は＋Ｃ側の電極の幅に規制される。これを消去する電界を印加する−Ｃ側の電極を＋Ｃ側電極の幅より大きくすることで、消去をより完全なものにして、抵抗の変化を大きくすることができる。なお、Ｃ軸は結晶軸のことで、Ｚ軸と同じであり、１軸性の結晶における主軸の方向を表している。ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3ＬおよびＫＴＰ等では自発分極の方向はＣ軸方向と一致している。
【０１１６】
なお、強誘電体基板８１の表面に形成される、電極対、分極用電極対および分極用電極の材料としては、例えばＴａ、Ａｌ、Ａｕ、ＰｔおよびＣｕ等の金属材料以外に、半導体材料の利用も可能である。また、これらの電極材料上にポリシリコンを堆積し、集積回路を直接形成することも可能である。
【０１１７】
なお、強誘電体基板８１としては、バルクの強誘電体材料を用い手もよいし、例えば、薄膜の強誘電体材料を用いてもよい。図１８Ａ〜図１８Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第８の電気スイッチの構成を示す図である。図１８Ａは電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１８Ｂは電気スイッチの構成を示す断面図であり、図１８Ｃは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図であり、図１８Ｄは分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【０１１８】
図１８Ａ〜図１８Ｄは図９Ａ〜図９Ｄに示す電気スイッチの強誘電体基板８１が薄膜であり、基板１６７上に形成されている構成である。動作は、図９Ａ〜図９Ｄに示した実施の形態３の電気スイッチと同様である。薄膜としては、エピタキシャル成長成長により作製したエピ薄膜、その他アモルファスの成膜等も利用できる。エピ薄膜は、強誘電体特性を有する薄膜を利用できるため、有効である。その他、薄膜の作製方法としては、強誘電体材料を基板に張り合わせて薄膜研磨する方法がある。基板に張り合わせる方法としては、接着剤による方法、直接接合法等がある。接合した後、ＣＭＰ研磨等により数μｍ厚の強誘電体の薄膜が形成できる。薄膜研磨による方法は、結晶成長による成膜とは異なり、基板材料を限定しない。このため、半導体材料や誘電体材料等を基板１６７として、いずれの材料上にも形成できる。例えば、電気回路を形成した半導体回路上に強誘電体基板８１である強誘電体薄膜を接合すれば、半導体回路に備えた電界印加部から、強誘電体基板８１電界を印加したり、また、強誘電体基板８１の抵抗の変化を同時に読み取ることも可能となり、強誘電体メモリを構成できる。
【０１１９】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る電気スイッチについて、図を用いて説明する。実施の形態１〜４に係る電気スイッチについて説明したが、実施の形態５では、具体的に電気スイッチを作製し、その各特性について測定した結果を示す。
【０１２０】
図１９は、実施の形態５に係る電気スイッチと、それを測定した実験系との構成を示す模式図である。図１９に示すように、電気スイッチ１７０は、強誘電体基板１７１と、強誘電体基板１７１の表面に形成された電極１７２ａおよび強誘電体基板１７１の裏面全面に形成された電極１７２ｂと、電極１７２ａおよび１７２ｂ間に電界を印加する電界印加部である電圧源１７３とを備えている。強誘電体基板１７１には、Ｚ板のＭｇドープのＬｉＮｂＯ3を用いた。
【０１２１】
各特性を測定するために、図１９に示すように、電気スイッチ１７０を絶縁液１７７中に浸けて、電極１７２ａおよび１７２ｂ間に電界を印加した。電気スイッチ１７０を絶縁液１７７中に浸けたのは、電界印加中の放電を防止するためである。電極１７２ａおよび１７２ｂ間の印加電圧と電流の関係を測定した。なお、図中矢印は、強誘電体基板１７１の自発分極の方向である。図２０Ａおよび図２０Ｂは、図１９の電気スイッチにおける印加電圧と電流の関係図である。図１９において、自発分極に対向する方向をプラスとしている。つまり、図１９において、下から上への方向がプラスである。図２０Ａは、強誘電体基板１７１をノンドープのＬｉＮｂＯ3とし、その厚みを０．１５ｍｍとした場合の印加電圧と電流の関係図である。また、図２０Ｂは、強誘電体基板１７１をＭｇが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ3とし、その厚みを１ｍｍとした場合の印加電界と電流の関係図である。
【０１２２】
図２０Ａでは、印加電界を増加させていき、印加電圧が３．１５ｋＶになったときに、自発分極の反転が始まる。なお、その際の印加電界は、反転電界Ｅｃである２１ｋＶ／ｍｍであり、この値を超えると電極１７２ａおよび１７２ｂ間に電流が流れる。電極１７２ａおよび１７２ｂの間の自発分極が完全に反転してしまうと電流は停止する。このとき流れる電荷量Ｑは電極面積Ｓと自発分極Ｐｓに比例し、Ｑ＝２Ｓ×Ｐｓの関係をとる。さらに電極１７２ａおよび１７２ｂにマイナスの電圧を印加すると分極が再反転する際に同様に電流が流れる。これは、強誘電体の示す一般的な特性であり、分極反転にともなう電荷量の移動により生じる。
【０１２３】
一方、図２０Ｂでは、印加電界を増加させていき、印加電圧が３．９ｋＶになったときに、自発分極の反転が始まる。なお、その際の印加電界は、反転電界Ｅｃである３．９ｋＶ／ｍｍであり、この値を超えると電流が流れ始めた。電極１７２ａおよび１７２ｂ間の抵抗は低下しているため、電流は流れ続ける。この状態で電極間の抵抗を測定すると、分極反転前の抵抗に比べて８桁も抵抗が低下していることが分かった。その後、電圧を低下させて−３．９ｋＶ／ｍｍにすると分極が再反転し、電流は停止した。この状態で電界印加を停止し、電極間の抵抗を測定したところ、電極間の抵抗は元の結晶とほぼ同じ値に回復していた。なお、上述の動作は、図２０Ｂ中、「１」、「２」、「３」、「４」、「５」の順で行われる。
【０１２４】
また、このときの電極１７２ａおよび１７２ｂ間にできている分極反転部分の状態を観測した結果を図２１Ａおよび図２１Ｂに示す。図２１Ａは、分極が反転し始め、抵抗が低下した状態の電極１７２ａの分極の様子を示している。また、図２１Ｂは、反転した分極反転が再反転し、抵抗が元に戻った状態の電極１７２ａの分極の様子を示している。図２１Ａよりわかるように、一部に分極の方向が異なる領域１９０が存在している。また、図２１Ｂよりわかるように、分極反転領域が存在せず、分極の方向はすべて一致している。分極反転部の形成および消去は、電極１７２ａおよび１７２ｂ間の抵抗値の変化に関係が有ることが分かった。つまり、強誘電体基板１７１の自発分極の反転および非反転により強誘電体基板１７１の電気抵抗を制御することができる。
【０１２５】
さらに、強誘電体基板１７１の薄膜化により反転電圧の低減が可能であるため、電気スイッチ１７０は消費電力が小さいので有効である。例えば、強誘電体基板１７１の膜厚を１００ｎｍ程度にした場合、Ｍｇを３ｍｏｌ％ドープした強誘電体基板１７１では反転電圧が１．３Ｖ程度になり、低電圧駆動ができるため有効である。強誘電体基板１７１が結晶基板の場合以外の、アモルファス結晶または微結晶状態の強誘電体基板１７１を利用する場合は単一結晶に比べて数倍に反転電圧が増大する。このため、印加電圧の観点からすると金属添加のモル濃度は３ｍｏｌ％以上が好ましい。また、印加電界は結晶の温度に大きく依存する。具体的には、強誘電体基板１７１の温度を１２０℃に上げると、反転電界Ｅｃは約半分に低下する。このため、例えば、電気スイッチ１７０は強誘電体基板１７１を加熱するヒータ等の加熱部を備え、スイッチングする場合に、強誘電体基板１７１を加熱すれば、低電圧駆動が可能となる。また、分極反転時に発生する結晶の歪みが加熱により低下するため、電気スイッチ１７０の繰り返し回数の耐性が大幅に上昇する。スイッチング時の強誘電体基板１７１の温度としては、２０℃以上とするのが好ましい。また、４０℃以上がさらに好ましい。
【０１２６】
また、強誘電体基板１７１において、温度を上げるのと同様に、紫外線に近い光を当てることでも反転電界Ｅｃを低下させることができる。その光の波長としては５００ｎｍ以下が望ましく、４００ｎｍ以下ではさらに望ましい。このような短波長光を当てることで、反転電界Ｅｃの低下が可能となり、分極反転が容易になるため、スイッチング回数が大幅に増大し、電気スイッチ１７０の寿命を長くすることができる。また、記憶したスイッチング状態を一挙に消去する場にも短波長光を照射しながら電界を印加することで、消去残りが無くなり確実な消去が可能になる。
【０１２７】
また、通常のコングルエント組成では、反転電界とＭｇのドープ量が反比例している。例えば、ノンドープでは反転電界Ｅｃは２１ｋＶ／ｍｍであり、３ｍｏｌ％ドープで１２ｋＶ／ｍｍ程度、５ｍｏｌ％ドープで４ｋＶ／ｍｍ程度となる。このため、反転電界Ｅｃは金属ドープ量の調整で制御できる。たとえば、強誘電体基板１７１の膜厚を１００ｎｍ程度とすると、５ｍｏｌ％ドープの場合には、反転電圧は０．４Ｖとなる。強誘電体基板１７１を薄膜化すると、さらに反転電界が低下する。反転電界が低下すると、高速動作および高集積化が可能になる。しかし、反転電界が低すぎると、わずかなノイズによっても反転や再反転が発生し、記憶させたデータが消去されてしまう。そこで、強誘電体基板１７１の膜厚と金属添加物のモル濃度を調整して適当な反転電界を実現する必要がある。
【０１２８】
反転電圧としては、０．０１Ｖ〜１０Ｖの範囲が望ましい。０．０１Ｖ未満ではノイズや外乱によってメモリの誤動作が大きくなるからである。強誘電体基板１７１の金属添加物の量と膜厚を調整して上記範囲に入る反転電圧を実現することが好ましい。
【０１２９】
また、反転電界Ｅｃの調整は結晶の組成によっても調整可能である。結晶組成をストイキオ構造にすることで反転電界Ｅｃを大きく低下させることができる。実測によると、Ｍｇのモル濃度に対する依存性は非常に小さく、ドープ量が１〜５ｍｏｌ％の間でほぼ４ｋＶ／ｍｍ程度であった。上記強誘電体基板１７１の金属添加物の量と膜厚に加えて、結晶組成を調整して、上記適した反転電圧を実現すればよい。
【０１３０】
次に、分極反転による電気抵抗の変化とＭｇのドーピング量について検討した。図２２は、強誘電体基板１７１にドーピングしたＭｇのモル濃度と電極１７２ａおよび１７２ｂ間の電気抵抗の変化量の関係図である。自発分極が反転するときの電界である反転電界Ｅｃは強誘電体基板１７１のＭｇのドーピング量が増大するとともに減少することが分かった。図２２において、□は強誘電体基板１７１に電圧を印加していない状態（初期状態）であり、■は一部が分極反転させている状態（反転状態）であり強誘電体基板１７１が低抵抗化している状態であり、▲は再反転させた状態（最反転状態）である。
【０１３１】
図２２に示しているように、Ｍｇのドープ量が増加するとともに、電気抵抗の変化量は増大し、５ｍｏｌ％では、初期状態および最反転状態と反転状態とで最大６桁の抵抗値の変化を観測した。図２２より、スイッチとして機能するために必要な１桁以上の抵抗値の変化を実現するには、１ｍｏｌ％以上の金属の添加が必要である。好ましくは、３ｍｏｌ％以上の添加を行うほうがよい。この場合、４桁以上の抵抗値の変化を実現できるため望ましい。
【０１３２】
次に、電気スイッチ１７０を用いて、連続的な電気スイッチング特性を測定した。Ｍｇを５ｍｏｌ％ドープし、厚さが２ｍｍの強誘電体基板１７１を用いた。温度は１２０℃とした。このとき、反転電圧は約４ｋＶであった。なお、反転電界Ｅｃは約２ｋＶ／ｍｍである。印加電圧は最大±６ｋＶで、電流値は最大４００ｍＡで制限した。この測定結果を、図２３Ａおよび図２３Ｂに示した。図２３Ａは、時間経過にともなう電極１７２ａおよび１７２ｂ間の電圧波形を示し、図２３Ｂは、時間経過にともなう電極１７２ａおよび１７２ｂ間の電流波形を示す。図２３Ａにおいて、強誘電体基板１７１の自発分極方向に対向する方向に印加される電圧をプラスとし、自発分極方向に印加される電圧をマイナスとする。同様に、図２３Ｂにおいて、強誘電体基板１７１の自発分極方向に対向する方向の電流をプラスとし、自発分極方向の電流をマイナスとする。また、それぞれの図中に記載された符号は、同一時間を示している。
【０１３３】
反転電圧を超えるプラス電圧を印加すると（「２」、「８」、「１４」、「２０」）、図２３Ｂに示すように電流が流れているため、電極１７２ａおよび１７２ｂ間の抵抗が低下していることがわかる。一方、再反転に必要な電圧以下の−６ｋＶを印加すると（「５」、「１１」、「１７」）、抵抗が増大し電流が低下しているのが分かる。分極反転および再反転により電気抵抗が低下および増大しているのが確認できた。したがって、電気スイッチ１７０がスイッチとして働いていることがわかる。
【０１３４】
また、この測定より、この電気スイッチ１７０を使用する上で初期化処理が必要であることおよび抵抗が時間により変動していることがわかる。まず、初期化処理について、以下に説明する。強誘電体基板１７１において、電界を印加した初期すなわち「１」のパルス以前では、図２３Ａに示されている電圧に比べて、図２３Ｂに示されているように電流変化が小さい。これは、電界印加による抵抗の変化が小さいことを示している。つまり、この状態（初期状態）では電界印加によって電気抵抗が十分変化していない。これを防ぐためには、電気スイッチ１７０を使用する前に、電界印加による分極反転のスイッチングを複数回行えばよい。そうすることで、強誘電体基板１７１において、電界印加による抵抗の変化が生じるようになり、電気スイッチ１７０は高速なスイッチング応答が可能になる。このように、電気スイッチ１７０が正しく作動するように、電気スイッチ１７０に電界印加を繰り返し行うことを初期化処理という。
【０１３５】
次に、時間による抵抗の変化について説明する。また、図２３Ｂに示すように、−６ｋＶのパルスを印加することで、強誘電体基板１７１を再反転させ、高抵抗化した後、負電界を印加している場合（「６」、「１２」、「１８」）は、電流はほとんど流れず抵抗が非常に高いことを示している。ところが、その状態で正電界を印加している場合（「７」、「１３」、「１９」）は電流値が時間と共に徐々に増大していることがわかる。具体的には、「７」では電流値は５０μＡであり、「１３」では電流値は１００μＡであり、「１９」では電流値は１２０μＡである。このように、正電界を印加した状態では、同一の条件であっても、時間とともに順次電流値が増加しているのがわかる。それに対応して、抵抗も時間と共に低下している。このように、抵抗が時間により変動する現象の具体的な原因は分かっていないが、分極壁の何らかの経時変化、または疲弊に関係していると考えられる。
【０１３６】
電気スイッチ１７０によりメモリを構成する場合、自発分極の反転、再反転により電気抵抗を変化させ、この抵抗を読み出すことで、メモリの状態を判別する。電気的に抵抗の状態を判別するには、分極反転部に電界を印加して抵抗値を判別する必要がある。この実験結果より明らかなように、分極反転の有無により電気抵抗は大きく変化するが、安定して抵抗を判別するためには、元の自発分極の方向と同じ方向の電界を印加して抵抗を判別することが望ましい。図２３Ｂからわかるように、「４」と「６」の抵抗差、「１０」と「１２」の抵抗差、「１６」と「１８」の抵抗差を読み出して、それぞれの差により抵抗を判別するのがよい。つまり、負電界（自発分極と同じ方向）の状態で抵抗を読み出すことが望ましい。負電界で読み出すことで抵抗の変化を大きく、かつ安定にできる。図２３Ｂにおいて、正電界で抵抗を判別すると、例えば「１」と「３」の抵抗差と、「１３」と「１５」の抵抗差とを比べればわかるように、抵抗差が小さくなっていっている。このように徐々に抵抗が変化し、その差が小さくなるため、抵抗の判別に誤差が発生する。
【０１３７】
なお、実施の形態５では、強誘電体基板１７１として、ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ3を用いている。これ以外でも、ＬｉＴａＯ3においてもＭｇ等の金属添加物を加えることで電気導電性の変化が観測されている。このような、金属添加によって強誘電体の分極反転にともなう電気抵抗の変化が発生するのは、結晶の構造に大きく依存する。強誘電体基板１７１としては、ＬｉＮｂＯ3が属するイルメナイト構造とするのが好ましい。強誘電体基板１７１としては、分極化したＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3を用いたが、そのほか金属を添加した強誘電体を用いればよい。例えば、Ｉｎ、Ｓｃ、ＣｕまたはＦｅ等の金属を添加したＬｉＮｂＯ3、ＬＩＴａＯ3、ＫＴＰまたは、これらの結晶の混成結晶でも同様の効果が得られる。その他の強誘電体材料においても、金属ドープ量を増大できるものであれば、同様の電気導電性の変化が可能である。
【０１３８】
強誘電体基板１７１としては、単一分極の強誘電体結晶を用いたが、アモルファス結晶、微結晶等の結晶粒が存在するものであれば同様の効果が得られる。アモルファス、微結晶構造を利用すれば、薄膜材料が利用できるため、バルクの結晶成長を必要とせず、デバイス作製が容易になる。また、アモルファス、微結晶にすることで、金属添加物のドープ量が増大できるため、電気抵抗の変化量を増大でき、好ましい。金属のドープ量を増大すると結晶の格子歪みが増大するため、大型結晶を引き上げる際にクラック等が生じ、均一な大型結晶の成長が難しくなる。例えばＬＩＮｂＯ3の場合Ｍｇを１０ｍｏｌ％以上添加するのは難しいため、単結晶の基板を用いる場合はドープ量を１０ｍｏｌ％以下とすることが望ましい。しかし、アモルファスまたは微結晶構造の場合さらにドープ量を増大できる。また、微結晶を焼結したセラミック等を用いることで同様の特性を利用できる。ただし、分極壁を形成するには、薄膜内に反転する自発分極の境界が必要である。このため、薄膜は一定以上の大きさの結晶粒が必要である。微結晶としては、結晶粒の大きさが１μｍ以上あるものが望ましい。膜の製造方法としては、エピ成長、ＭＢＥ、スパッタ、ゾルゲル、レーザアプレージョン等の方法でも可能である。
【０１３９】
また微結晶、アモルファス、セラミック等の材料、単結晶、液層成長の薄膜結晶等の基板が利用できるが、これらを利用する場合に、ポーリング処理が重要となる。ポーリング処理は、結晶のキュリー温度近くに温度を上げて、電界を印加する工程で、一方向に分極をそろえる方法である。温度を上げて自発分極を形成するため分極壁に結晶歪みが残りにくい。このため、本発明の構成で利用する場合は、電界を印加して分極を制御する電界方向にポーリング処理した基板を用いることが望ましい。また、ポーリング処理時に波長５００μｍ以下の短波長光を照射するのは有効である。
【０１４０】
なお、実施の形態５では強誘電体基板１７１に直接電極１７２ａおよび１７２ｂを形成したが、電極１７２ａおよび１７２ｂと強誘電体基板１７１との間に絶縁層を形成することで低消費電力化が可能になる。また、印加電界をパルス状にして短時間で高抵抗化を行うようにしても、低消費電力化が可能になる。
【０１４１】
なお、強誘電体基板１７１としては、自発分極が強誘電体基板１７１の表面に垂直なＺ板の基板に限定されるわけではない。例えば、自発分極が強誘電体基板１７１平面と平行なＸ、Ｙ板または強誘電体基板１７１表面と角度を有しているオフカット基板等にも利用できる。オフカット基板は、分極の制御性が高く。均一な分極反転が再現性良く形成できるため、より好ましい。
【０１４２】
なお、図２３Ａおよび図２３Ｂよりわかるように、分極反転が起こった瞬間（「２」、「８」、「１４」、「２０」）および再反転が起こった瞬間（「５」、「１１」、「１７」）において、瞬間的に大量の電流が流れている。これは、電荷の移動により生じる電流であり、移動する電荷量は２Ｐｓ×Ｓで表すことができる。電流が流れるということは、強誘電体基板１７１は低抵抗化している。この強誘電体基板１７１の低抵抗化を用いて、電気スイッチ１７０を作動させてもよい。
【０１４３】
電気スイッチにおいて、分極反転の手段としては、電界印加が一般杓である。強誘電体の自発分極を可変する手段であり、自発分極に対向する電界を印加する手段である、電極対、外部電源、静電気、放電、荷電粒子、イオン他の強誘電体、半導体回路等、電界を発生する手段であれば利用できる。その他、外部からの応力により自発分極を反転させることも可能である。圧電体等を用いて部分的に応力を加えることで自発分極の制御が可能である。また電界との併用も可能である。さらに部分的に熱を加えて焦電効果による電界の発生を利用して分極反転を行うことも可能である。
【０１４４】
また、電極形状に関しては、電気導電性を増大する構造が存在する。前述したように、電気抵抗が低下するのは、分極壁の部分であるため、分極反転周辺部の分極璧の面肴を増大することで電気抵抗の低下を大きくすることができる。形成される分極反転部は電極形状に依存するため分極壁面積を増大できる。例えば櫛形電極等を利用することで、分極壁の面墳を増大できる。
【０１４５】
なお、実施の形態１〜５の電気スイッチおいて、分極を形成させるための電極と強誘電体基板との間には、絶縁膜を形成することが望ましい。それにより、電気スイッチを低電流で駆動できるため、消費電力を低減できる。
【０１４６】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る記憶素子について図を用いて説明する。実施の形態６に係る記憶素子は、上記実施の形態１〜５のいずれかの電気スイッチを、２次元配列することで構成される。電気スイッチの高抵抗と低抵抗とを読み出すことで、２次元メモリとしての機能を実現できる。
【０１４７】
図２４は実施の形態６に係る記憶素子２２０の構成を示す斜視図である。記憶素子２２０は半導体集積回路２２１上に実施の形態１〜５のいずれかの電気スイッチ２２２が複数配列された構成である。半導体集積回路２２１はシリコンＬＳＩから構成されており、電気スイッチ２２２に電界を印加することができる。印加電界により電気スイッチ２２２の強誘電体基板の自発分極の方向が変化し、これによって電界を印加した部分の電気導電性が変わる。強誘電体の自発分極の変化は安定しているため、反転状態は印加電界を切っても保存される。また、外部からの電力を供給することなく非常に安定に、長時間に渡り状態を記憶することができる。また、各電気スイッチ２２２の抵抗を読み取ることで記憶した状態を読み取ることができ、状態を読み出しても、記憶の状態は変化することなく保存される。つまり、記憶素子２２０は、半導体集積回路２２１により、電気スイッチ２２２に印加する電界を制御して、自発分極の形成または消去することで状態を記憶し、その状態を検出することができる。つまり、記憶素子として機能している。電気スイッチ２２２と半導体集積回路２２１とを組み合わせることで、小型化および集積化が可能である。
【０１４８】
なお、半導体集積回路２２１で発生する電圧としては数Ｖ程度が標準であり、低電圧駆動が望まれる。そのために、電気スイッチ２２２は、強誘電体を薄膜化している構成が望ましい。強誘電体基板の膜厚としては数μｍ以下が必要である。
【０１４９】
しかしながら、強誘電体基板は、温度の急激な変化により焦電効果による表面電界が発生する。この焦電効果による電界により記録している自発分極が一部消滅する可能性がある。回路の安定動作のためには、焦電効果を防止する構成が必要である。例えば、温度の急激な変化を避けるパッケージ構成をとることが望ましい。使用温度範囲を室温±５０℃程度に規制する。また外部温度をモニターして、急激な温度変化に対して保護回路を働かせる方法もある。また表面に発生する焦電電荷を消滅させるため、強誘電体基板表面に導電性の薄膜を形成する方法もある。一方の表面にスイッチ電極を形成し、この面に半導体回路を直接接触させて、スイッチを駆動する。一方の面には導電性の膜を体積して、焦電電荷の発生を防止することが可能となる。
【０１５０】
また、実施の形態６の記憶素子には、記憶している内容を一括消去するための加熱部を備えていることが望ましい。加熱部としては、例えば、ヒータであればよい。ヒータはすべての電気スイッチ２２２の強誘電体基板の温度を上昇させることができる。ヒータによりすべての電気スイッチ２２２の強誘電体基板の温度を上昇させた状態で電圧を印加することで、強誘電体基板はすべて高抵抗の元の絶縁体に近い状態に戻る。キュリー温度以下の温度に加熱して、電圧を印加することで、分極壁における歪みが取れて電気抵抗がもとの絶縁体に近い値に戻る。加熱温度としては例えば２００℃以上が望ましい。また、温度を上げるだけでも一括消去は可能である。この状態で電界を印加すると一方向に分極が揃う。次回からはこの方向の逆方向に電圧を印加することで電気特性を変えて低抵抗化できる。
【０１５１】
また、ヒータの代わりに紫外線照射部を備えていてもよい。つまり、波長４００ｎｍ近傍以下の紫外線を電気スイッチ２２２の強誘電体基板に照射できる紫外線照射部を備えていればよい。紫外線照射部より紫外線を出射して、すべての電気スイッチ２２２の強誘電体基板に照射することで分極壁の結晶歪みが緩和され、電気抵抗がもとの絶縁体に近い値に戻る。したがって、複数の電気スイッチを高抵抗化させることができるため、記憶素子２２０の記憶を一括消去することができる。
【０１５２】
また、例えば、加熱と紫外線照射とを併用することも可能である。上述の一括消去は、抵抗のリフレッシュとしても有効である。記憶素子２２０を繰り返し利用することで各電気スイッチ２２２のスイッチング特性が劣化した場合にリフレッシュすれば、スイッチング特性が向上する。
【０１５３】
実施の形態６の記憶素子が従来の強誘電体メモリと異なるのは、自発分極の方向で、強誘電体自体の電気導電性を変化させて、その違いを電気的に検出することで、記憶素子として利用している点である。
【０１５４】
図２５は、実施の形態６に係る記憶素子の構成を具体的に示す斜視図である。図２５に示すように、半導体集積回路が形成されている基板２３７上にストライプ状に電極２３２ｂが形成され、さらにその上に強誘電体薄膜２３１が形成され、さらにその上に、電極２３２ｂとは直交するようなストライプ状に電極２３２ａが形成されている。このような構成で、電極２３２ａおよび電極２３２ｂとで挟まれた強誘電体薄膜２３１により構成された電気スイッチ２３０が格子状に複数配列された記憶素子が構成されている。つまり、強誘電体薄膜２３１を挟んで対向している電極２３２ａおよび電極２３２ｂとで１つの電気スイッチ２３０を形成している。さらに、図示していないが、強誘電体薄膜２３１を挟んで対抗している電極２３２ａおよび電極２３２ｂ間に電界を印加することができる電界印加部（図示せず）を備えている。この電界印加部を用いて、格子状に配列されている電気スイッチ２３０のオン、オフを制御することができる。具体的には、電極２３２ａおよび電極２３２ｂを構成するそれぞれのストライプのうちいずれかの電極を選択して電界を印加すると、電極２３２ａおよび電極２３２ｂが交差した部分の強誘電体薄膜２３１に選択的に電界が印加され、抵抗を変化させることができる。また、同時に複数の電極２３２ａおよび電極２３２ｂを選択することで、一度に複数のポイントにデータを書き込むことも可能となる。この状態を読み出すには逆に電極を選択してその電極間の抵抗を検知すればよい。
【０１５５】
このように、実施の形態６の記憶素子は、構成が容易であり、高集積化が可能である。また、同時書き込みも可能なので、データ処理速度を大幅に向上させることが可能である。
【０１５６】
以上述べたように、実施の形態１〜５の電気スイッチは、強誘電体の自発分極を制御することで、電気導電性を大きく変化させることができることを利用している。具体的には、自発分極の反転に伴い、強誘電体が高抵抗から低抵抗に変化していることを利用している。この変化により、強誘電体は、絶縁体から半導体へと変化させることができる。この特性を利用した電気スイッチを構成することで、簡単な構成で集積度の高い電気スイッチを構成することができる。
【０１５７】
また、自発分極は反転時に電界印加が必要であるが、反転後は電界を必要としない。そこで、この電気スイッチは、その状態を保持し続けることができるので、例えば、この電気スイッチを複数用いることで、不揮発性のメモリとしても利用できる。
【０１５８】
さらに、強誘電体材料として薄膜を用いれば、半導体集積回路とのモノリシック化が容易なため、集積度の高い記憶素子が構成できて、有効である。
【０１５９】
以上、実施の形態１〜５の電気スイッチおよび実施の形態６の記憶素子について説明したが、具体的に示した構成および材料等は、あくまでも一例であり、これらの具体例のみに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明の電気スイッチおよびそれを用いた記憶素子は、記憶した状態を保持し続けることができる。そのため、不揮発メモリや、それを利用した記録媒体や、それを含んだ広範な機器に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る電気スイッチの構成を示す斜視図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る他の電気スイッチの構成を示す斜視図である。
【図２】図２Ａは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。図２Ｂは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。図２Ｃは、強誘電体基板に電圧を印加した場合の分極の方向を説明するための図である。図２Ｄは、強誘電体基板に電圧を印加した場合のヒステリシス特性を示す電界と分極との関係図である。
【図３】図３は、図２Ａに示した状態と図２Ｂに示した状態のそれぞれにおける電流電圧特性を示している。
【図４】図４Ａは、強誘電体基板に、直流電圧を印加した場合の時間と抵抗の変化を示している。図４Ｂは、強誘電体基板における周波数と抵抗の変化を示している。
【図５】図５Ａは、電極の形状を説明するための電極の平面図である。図５Ｂは、電極対のそれぞれの電極の周辺部の長さと抵抗の関係を示している。
【図６】図６Ａは、実施の形態２に係る第１の電気スイッチの構成を示す側面図である。図６Ｂは、実施の形態２に係る第２の電気スイッチの構成を示す平面図である。
【図７】図７Ａは、実施の形態２の第３の電気スイッチの構成を示す側面図である。図７Ｂは、電極対間に流れる電流と時間との関係を示す図である。
【図８】図８Ａは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの構成を示す側面図である。図８Ｂは、本実施の形態２の第４の電気スイッチの強誘電体基板に印加される電圧と時間経過の関係を示した図である。図８Ｃは、本実施の形態１の第４の電気スイッチを流れる電流と時間経過の関係を示した図である。
【図９】図９Ａは本発明の実施の形態３に係る電気スイッチの構成を示す平面図である。図９Ｂは本発明の実施の形態３に係る電気スイッチの構成を示す断面図である。図９Ｃは本発明の実施の形態３に係る分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図９Ｄは本発明の実施の形態３に係る分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３の他の電気スイッチの構成を示す構成図である。
【図１１】図１１Ａは、本発明の実施の形態４に係る第１の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１１Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第１の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１１Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第１の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１１Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第１の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１２】図１２Ａは、本発明の実施の形態４に係る第２の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１２Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第２の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１２Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第２の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１２Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第２の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１３】図１３Ａは、本発明の実施の形態４に係る第３の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１３Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第３の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１３Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第３の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１３Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第３の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１４】図１４Ａは、本発明の実施の形態４に係る第４の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１４Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第４の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１４Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第４の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１４Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第４の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１５】図１５Ａは、本発明の実施の形態４に係る第５の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１５Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第５の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１５Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第５の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１５Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第５の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１６】図１６Ａは、本発明の実施の形態４に係る第６の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１６Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第６の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１６Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第６の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１６Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第６の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１７】図１７Ａは、本発明の実施の形態４に係る第７の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１７Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第７の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１７Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第７の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１７Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第７の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１８】図１８Ａは、本発明の実施の形態４に係る第８の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１８Ｂは、本発明の実施の形態４に係る第８の電気スイッチの構成を示す断面図である。図１８Ｃは、本発明の実施の形態４に係る第８の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す平面図である。図１８Ｄは、本発明の実施の形態４に係る第８の分極壁が生じている状態の電気スイッチの構成を示す断面図である。
【図１９】図１９は、実施の形態５に係る電気スイッチと、それを測定した実験系との構成を示す模式図である。
【図２０】図２０Ａは、強誘電体基板をノンドープのＬｉＮｂＯ3とし、その厚みを０．１５ｍｍとした場合の印加電圧と電流の関係図である。図２０Ｂは、強誘電体基板をＭｇが５ｍｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ3とし、その厚みを１ｍｍとした場合の印加電界と電流の関係図である。
【図２１】図２１Ａは、分極が反転し始め、抵抗が低下した状態の電極の分極の様子を示す図である。図２１Ｂは、反転した分極反転が再反転し、抵抗が元に戻った状態の電極の分極の様子を示す図である。
【図２２】図２２は、強誘電体基板にドーピングしたＭｇのモル濃度と電極間の電気抵抗の変化量の関係図である。
【図２３】図２３Ａは、時間経過にともなう電極間の電圧波形を示す図である。図２３Ｂは、時間経過にともなう電極間の電流波形を示す図である。
【図２４】図２４は、実施の形態６に係る記憶素子の構成を示す斜視図である。
【図２５】図２５は、実施の形態６に係る記憶素子の構成を具体的に示す斜視図である。
【国際調査報告】
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