光導電膜と強誘電体薄膜を用いた強誘電体薄膜光メモリー素子
【課題】強誘電体光メモリーにおいて、メモリー素子である強誘電体セラミックスを薄膜化することにより、駆動電圧を大幅に低電圧化することが課題である
【解決手段】
本発明の解決手段は、Ｐｔ（１１１）／ＴｉＯｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ（１００） 基板上１に、メモリー材料としてＰＬＺＴ２、光導電膜としてＣｄＳ３、透明電極としてＩＴＯ４を積層させたサンドイッチ構造の素子とすることである。強誘電体セラミックスは駆動電圧に数キロボルト程度必要であるが、強誘電体薄膜は駆動電圧が１．５ボルト以上程度で済む。強誘電体薄膜を形成する技術は、多様に進展しており、既存の薄膜形成技術を駆使できる。強誘電体薄膜光メモリー素子の構造は単純であり、低コストで生産する事が可能である。
【解決手段】
本発明の解決手段は、Ｐｔ（１１１）／ＴｉＯｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ（１００） 基板上１に、メモリー材料としてＰＬＺＴ２、光導電膜としてＣｄＳ３、透明電極としてＩＴＯ４を積層させたサンドイッチ構造の素子とすることである。強誘電体セラミックスは駆動電圧に数キロボルト程度必要であるが、強誘電体薄膜は駆動電圧が１．５ボルト以上程度で済む。強誘電体薄膜を形成する技術は、多様に進展しており、既存の薄膜形成技術を駆使できる。強誘電体薄膜光メモリー素子の構造は単純であり、低コストで生産する事が可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導電膜と強誘電体薄膜をサンドイッチ構造に構成したデバイスの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体セラミックス上に光導電膜を合成し、その両端に透明電極を塗布した構造を有する強誘電体光メモリーは画像表示用アナログ記録素子として研究が行なわれたが、セラミックスを用いるため、駆動電圧が数キロボルト程度必要となり、実用化し商業的に用いるには困難が生じる。
【０００３】
本特許は、強誘電体セラミックスを薄膜化することにより駆動電圧を低下させることが出来、光導電膜を用いることで光を当てた任意の場所に対してデータを書き込めるという特徴を持つ素子である。
【０００４】
強誘電体薄膜光メモリーは下部電極から上部透明電極までを既存の薄膜形成技術で解決できるために、複雑な生産工程を必要とせず、生産コストを押さえることができる。
【０００５】
強誘電体光メモリーは既に提案されており、主として画像表示素子を目的とするものであった。液晶やＬＥＤと比較して、次の様な利点が挙げられる。
(1)ヒステリシス現象を利用した半永久的記憶作用がある。
(2)大画面表示ができる。
(3)局部的な書込みや消去ができる。
(4)応答速度が速い。
【０００６】
強誘電体光メモリーは前述のような優れた特性を有するデバイスではあるが、メモリー素子として強誘電体セラミックスを用いていたため、駆動電圧が数キロボルト必要であり、商業的に実用化には至らなかった。
【０００７】
強誘電体薄膜光メモリーはメモリー素子として強誘電体薄膜を用いるため、駆動電圧は１．５ボルト〜数１０ボルト程度あれば十分である。
【０００８】
したがって、本発明は強誘電体光メモリーの構造を利用するが、上記のセラミックス手法とは考え方を異にする薄膜手法を用いるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、強誘電体光メモリーの強誘電体セラミックスを強誘電体薄膜化し、駆動電圧を低電圧化させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
強誘電体薄膜光メモリーを構成する材料を以下に述べる。メモリー素子はＰｂＬａＺｒＴｉＯ３、ランタン添加チタンジルコン酸鉛であり、以下ＰＬＺＴと略記する。光導電膜はＣｄＳ、硫化カドミウムである。透明電極はＩｎＯ−ＳｎＯ、酸化インジウム-酸化スズであり、以下ＩＴＯと略記する。
【００１１】
図１に強誘電体薄膜光メモリーの模式図を示す。強誘電体薄膜光メモリーは、Ｐｔ（１１１）／ＴｉＯｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ（１００）基板上１に、メモリー材料としてＰＬＺＴ２、光導電膜としてＣｄＳ３、透明電極としてＩＴＯ４を積層させたサンドイッチ構造の素子である。
【００１２】
強誘電体薄膜光メモリーはレーザー光源５より照射された任意の位置に電圧６を印加する事が可能である。詳細な駆動原理については図２で述べる。
【００１３】
強誘電体薄膜は以下のプロセスによりゾルゲル法で合成する。
PT前駆体溶液を一分間あたり１０００回転で１０秒、一分間あたり３０００回転で２０秒の条件でコーティングした後、ホットプレートにより３００℃で５分間の熱分解および結晶化を行ない、バッファー層を合成する。次に、PLZT前駆体溶液を第１ステップでは一分間あたり１０００回転で１０秒、第２ステップでは一分間あたり３０００回転で２０秒の条件でコーティングし、ホットプレートにより１００℃で５分乾燥の後、３００℃で３分間の熱分解を行なう。高速熱熱処理装置を用いて、酸素雰囲気中で焼成（７００℃、２分間、１ｋｇｆ／ｃｍ２）を行ない結晶化させる。本工程を４回繰り返し、膜厚約３００〜３５０ナノｍのＰＬＺＴ薄膜を合成する。
【００１４】
光導電膜ＣｄＳは真空蒸着法で合成する
1.
基板の脱ガスのため、基板温度を４００℃まで加熱する。同時に、ＣｄＳ粉末の脱ガスのため、蒸発源温度を５００℃まで徐々に加熱する。
2.
基板温度４００℃、蒸発源温度５００℃に達したら、そのまま１０分間保ち、基板およびＣｄＳ粉末の脱ガスを行なう。
3.
基板温度を所定の温度まで下げ、蒸発源温度を２５０℃に保つ。
4.
基板温度が所定の温度に達したら、蒸発源温度を徐々に希望する温度に過熱する。
5.
基板温度が所定の温度になり、蒸発源温度が希望の温度に達したら、蒸着を開始する。
6.
３０分蒸着した後、蒸着を終了する。
【００１５】
透明電極ITOはスパッタリング法で合成する。
上部透明電極として、スパッタリング法によりITO薄膜を合成した。
スパッタリング条件は、印加電圧周波数１３．６メガＨｚ、陽極電流８０ミリＡ、陽極電圧０．９キロボルト、導入ガスはアルゴンガス９割に対して酸素１割を混入させた複合ガス、基板加熱温度は３５０℃である。スパッタリング時間は約２０分である。
以上が課題を解決する手段である。
【００１６】
強誘電体光メモリーの駆動方法について述べる。
図２に強誘電体薄膜光メモリーの駆動模式図を示した。強誘電体薄膜とフォトコンダクターに対して電界が印加されているので、分圧される。このとき、分圧の定量的な関係は式(1)である。
Ｅ＝ＶＦ＋ＶＰ・・・(1)
ここで、Ｅは印加電界、ＶＦは強誘電体に印加される電界、ＶＰはフォトコンダクターに印加される電界である。
【００１７】
電界はＶＦ＜ＥＣという条件を満たすように印加する。ここでＥＣは強誘電体の抗電界である。次に、フォトコンダクターに光を照射すると、フォトコンダクターの抵抗ＲＰ１は光導電効果により、ＲＰ２へ変化する。このときフォトコンダクターの抵抗値はＲＰ２＜ＲＰ１となる。その結果、強誘電体に印加される電界はＶＦ＞ＥＣとなり、分極反転を引き起こしメモリーの書込みが完了する。
【００１８】
以上のように本発明による課題の解決手段は、強誘電体光メモリーにおける強誘電体セラミックスを強誘電体薄膜にすることで、駆動電圧の大幅な低電圧化を狙うものである。
【００１９】
本発明はＳｉ基板上に、強誘電体薄膜を合成するプロセス、光導電膜を合成するプロセス、透明電極を合成するステップから成るものである。
【発明の効果】
【００２０】
強誘電体セラミックスは焼成時間が長いため粒径が大きくなるまた、単一な粒径を合成するには単結晶にする必要があるが、製造プロセスが精密になり、生産コストが上昇する欠点を持つ。強誘電体薄膜は焼成時間が短いため、微小な粒径を形成し、かつ粒径の大きさをコントロールすることができる。
【００２１】
強誘電体は非線型誘電率顕微鏡を用いることにより１平方インチあたり１．５テラビットの記録密度を持つ事が実証されている。この記録密度は現行の磁気記録密度１平方インチあたり６ギガビットを遥かに凌駕する高密度記録である。したがって、強誘電体は高記録密度を有する材料として優れたポテンシャルを持っている。
【００２２】
レーザー光などの単色光は半導体レーザーの開発により低コスト化・小型化されている。
ＤＶＤおよびＣＤに代表される光ディスクメモリー素子においては、中村による青色半導体レーザーの開発が成功し、Ｂｌｕｅ−ｒａｙ ＤＶＤ（以下、ＤＶＤ−ｂｌｕｅ）が実用化されている。ＤＶＤ−ｂｌｕｅに代表される高密度記録光メモリーは、従来よりも波長の短い青色光を用いることで回折限界を向上させ、レーザー光を小さく絞り高密度記録を達成している。同様に、強誘電体光メモリーも青色のレーザーを用いることによって高密度記録を達成できると考えられる。
【００２３】
したがって、前述に述べた通り、強誘電体薄膜光メモリーは産業活性化の一助となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】強誘電体薄膜光メモリーの模式図
【図２】強誘電体薄膜光メモリーの駆動模式図
【符号の説明】
【００２５】
１・・・Ｐｔ（１１１）／ＴｉＯｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ（１００） 基板
２・・・メモリー素子
３・・・光導電膜
４・・・透明電極
５・・・レーザー光源
６・・・印加電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導電膜と強誘電体薄膜をサンドイッチ構造に構成したデバイスの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体セラミックス上に光導電膜を合成し、その両端に透明電極を塗布した構造を有する強誘電体光メモリーは画像表示用アナログ記録素子として研究が行なわれたが、セラミックスを用いるため、駆動電圧が数キロボルト程度必要となり、実用化し商業的に用いるには困難が生じる。
【０００３】
本特許は、強誘電体セラミックスを薄膜化することにより駆動電圧を低下させることが出来、光導電膜を用いることで光を当てた任意の場所に対してデータを書き込めるという特徴を持つ素子である。
【０００４】
強誘電体薄膜光メモリーは下部電極から上部透明電極までを既存の薄膜形成技術で解決できるために、複雑な生産工程を必要とせず、生産コストを押さえることができる。
【０００５】
強誘電体光メモリーは既に提案されており、主として画像表示素子を目的とするものであった。液晶やＬＥＤと比較して、次の様な利点が挙げられる。
(1)ヒステリシス現象を利用した半永久的記憶作用がある。
(2)大画面表示ができる。
(3)局部的な書込みや消去ができる。
(4)応答速度が速い。
【０００６】
強誘電体光メモリーは前述のような優れた特性を有するデバイスではあるが、メモリー素子として強誘電体セラミックスを用いていたため、駆動電圧が数キロボルト必要であり、商業的に実用化には至らなかった。
【０００７】
強誘電体薄膜光メモリーはメモリー素子として強誘電体薄膜を用いるため、駆動電圧は１．５ボルト〜数１０ボルト程度あれば十分である。
【０００８】
したがって、本発明は強誘電体光メモリーの構造を利用するが、上記のセラミックス手法とは考え方を異にする薄膜手法を用いるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、強誘電体光メモリーの強誘電体セラミックスを強誘電体薄膜化し、駆動電圧を低電圧化させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
強誘電体薄膜光メモリーを構成する材料を以下に述べる。メモリー素子はＰｂＬａＺｒＴｉＯ３、ランタン添加チタンジルコン酸鉛であり、以下ＰＬＺＴと略記する。光導電膜はＣｄＳ、硫化カドミウムである。透明電極はＩｎＯ−ＳｎＯ、酸化インジウム-酸化スズであり、以下ＩＴＯと略記する。
【００１１】
図１に強誘電体薄膜光メモリーの模式図を示す。強誘電体薄膜光メモリーは、Ｐｔ（１１１）／ＴｉＯｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ（１００）基板上１に、メモリー材料としてＰＬＺＴ２、光導電膜としてＣｄＳ３、透明電極としてＩＴＯ４を積層させたサンドイッチ構造の素子である。
【００１２】
強誘電体薄膜光メモリーはレーザー光源５より照射された任意の位置に電圧６を印加する事が可能である。詳細な駆動原理については図２で述べる。
【００１３】
強誘電体薄膜は以下のプロセスによりゾルゲル法で合成する。
PT前駆体溶液を一分間あたり１０００回転で１０秒、一分間あたり３０００回転で２０秒の条件でコーティングした後、ホットプレートにより３００℃で５分間の熱分解および結晶化を行ない、バッファー層を合成する。次に、PLZT前駆体溶液を第１ステップでは一分間あたり１０００回転で１０秒、第２ステップでは一分間あたり３０００回転で２０秒の条件でコーティングし、ホットプレートにより１００℃で５分乾燥の後、３００℃で３分間の熱分解を行なう。高速熱熱処理装置を用いて、酸素雰囲気中で焼成（７００℃、２分間、１ｋｇｆ／ｃｍ２）を行ない結晶化させる。本工程を４回繰り返し、膜厚約３００〜３５０ナノｍのＰＬＺＴ薄膜を合成する。
【００１４】
光導電膜ＣｄＳは真空蒸着法で合成する
1.
基板の脱ガスのため、基板温度を４００℃まで加熱する。同時に、ＣｄＳ粉末の脱ガスのため、蒸発源温度を５００℃まで徐々に加熱する。
2.
基板温度４００℃、蒸発源温度５００℃に達したら、そのまま１０分間保ち、基板およびＣｄＳ粉末の脱ガスを行なう。
3.
基板温度を所定の温度まで下げ、蒸発源温度を２５０℃に保つ。
4.
基板温度が所定の温度に達したら、蒸発源温度を徐々に希望する温度に過熱する。
5.
基板温度が所定の温度になり、蒸発源温度が希望の温度に達したら、蒸着を開始する。
6.
３０分蒸着した後、蒸着を終了する。
【００１５】
透明電極ITOはスパッタリング法で合成する。
上部透明電極として、スパッタリング法によりITO薄膜を合成した。
スパッタリング条件は、印加電圧周波数１３．６メガＨｚ、陽極電流８０ミリＡ、陽極電圧０．９キロボルト、導入ガスはアルゴンガス９割に対して酸素１割を混入させた複合ガス、基板加熱温度は３５０℃である。スパッタリング時間は約２０分である。
以上が課題を解決する手段である。
【００１６】
強誘電体光メモリーの駆動方法について述べる。
図２に強誘電体薄膜光メモリーの駆動模式図を示した。強誘電体薄膜とフォトコンダクターに対して電界が印加されているので、分圧される。このとき、分圧の定量的な関係は式(1)である。
Ｅ＝ＶＦ＋ＶＰ・・・(1)
ここで、Ｅは印加電界、ＶＦは強誘電体に印加される電界、ＶＰはフォトコンダクターに印加される電界である。
【００１７】
電界はＶＦ＜ＥＣという条件を満たすように印加する。ここでＥＣは強誘電体の抗電界である。次に、フォトコンダクターに光を照射すると、フォトコンダクターの抵抗ＲＰ１は光導電効果により、ＲＰ２へ変化する。このときフォトコンダクターの抵抗値はＲＰ２＜ＲＰ１となる。その結果、強誘電体に印加される電界はＶＦ＞ＥＣとなり、分極反転を引き起こしメモリーの書込みが完了する。
【００１８】
以上のように本発明による課題の解決手段は、強誘電体光メモリーにおける強誘電体セラミックスを強誘電体薄膜にすることで、駆動電圧の大幅な低電圧化を狙うものである。
【００１９】
本発明はＳｉ基板上に、強誘電体薄膜を合成するプロセス、光導電膜を合成するプロセス、透明電極を合成するステップから成るものである。
【発明の効果】
【００２０】
強誘電体セラミックスは焼成時間が長いため粒径が大きくなるまた、単一な粒径を合成するには単結晶にする必要があるが、製造プロセスが精密になり、生産コストが上昇する欠点を持つ。強誘電体薄膜は焼成時間が短いため、微小な粒径を形成し、かつ粒径の大きさをコントロールすることができる。
【００２１】
強誘電体は非線型誘電率顕微鏡を用いることにより１平方インチあたり１．５テラビットの記録密度を持つ事が実証されている。この記録密度は現行の磁気記録密度１平方インチあたり６ギガビットを遥かに凌駕する高密度記録である。したがって、強誘電体は高記録密度を有する材料として優れたポテンシャルを持っている。
【００２２】
レーザー光などの単色光は半導体レーザーの開発により低コスト化・小型化されている。
ＤＶＤおよびＣＤに代表される光ディスクメモリー素子においては、中村による青色半導体レーザーの開発が成功し、Ｂｌｕｅ−ｒａｙ ＤＶＤ（以下、ＤＶＤ−ｂｌｕｅ）が実用化されている。ＤＶＤ−ｂｌｕｅに代表される高密度記録光メモリーは、従来よりも波長の短い青色光を用いることで回折限界を向上させ、レーザー光を小さく絞り高密度記録を達成している。同様に、強誘電体光メモリーも青色のレーザーを用いることによって高密度記録を達成できると考えられる。
【００２３】
したがって、前述に述べた通り、強誘電体薄膜光メモリーは産業活性化の一助となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】強誘電体薄膜光メモリーの模式図
【図２】強誘電体薄膜光メモリーの駆動模式図
【符号の説明】
【００２５】
１・・・Ｐｔ（１１１）／ＴｉＯｘ／ＳｉＯ２／Ｓｉ（１００） 基板
２・・・メモリー素子
３・・・光導電膜
４・・・透明電極
５・・・レーザー光源
６・・・印加電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを基盤とし、該基板上に、白金を下部電極として、下から順に強誘電体薄膜、光導電膜を積層し、さらに上部電極として透明電極の各薄膜を積層させた、サンドイッチ構造であることを特徴とする強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項２】
請求項１記載の強誘電体薄膜の材料として、透過性と屈折率が共に高く、且つ優れた光学特性を示すペロブスカイト構造である強誘電体であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項３】
請求項２記載の強誘電体として、ランタン添加チタンジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、を用いた強誘電体薄膜であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項４】
請求項１記載の光導電膜の材料として、光伝道効果を有する硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、を用いることを特徴とする請求項１記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項５】
請求項１記載の強誘電体薄膜をゾルゲル法で形成し、光導電膜を真空蒸着法で形成し、さらに透明電極の薄膜をスパッタリング法で形成して、各薄膜を積層することを特徴とする請求項1記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項１】
シリコンを基盤とし、該基板上に、白金を下部電極として、下から順に強誘電体薄膜、光導電膜を積層し、さらに上部電極として透明電極の各薄膜を積層させた、サンドイッチ構造であることを特徴とする強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項２】
請求項１記載の強誘電体薄膜の材料として、透過性と屈折率が共に高く、且つ優れた光学特性を示すペロブスカイト構造である強誘電体であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項３】
請求項２記載の強誘電体として、ランタン添加チタンジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、を用いた強誘電体薄膜であることを特徴とする請求項１記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項４】
請求項１記載の光導電膜の材料として、光伝道効果を有する硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、を用いることを特徴とする請求項１記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【請求項５】
請求項１記載の強誘電体薄膜をゾルゲル法で形成し、光導電膜を真空蒸着法で形成し、さらに透明電極の薄膜をスパッタリング法で形成して、各薄膜を積層することを特徴とする請求項1記載の強誘電体薄膜光メモリー素子。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−２６５４８１（Ｐ２００７−２６５４８１Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８６８１６（Ｐ２００６−８６８１６）
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（３０３００２９３０）財団法人青森県工業技術教育振興会 (17)
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（３０３００２９３０）財団法人青森県工業技術教育振興会 (17)
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