金属−絶縁体バラクタデバイス
バラクタは、所与の電圧が第１および第２導電層にわたって印加されるよう互いに離間して配された第１および第２導電層より構成される。さらに、絶縁構造は、前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを作り出すよう構成される。この絶縁構造は少なくとも１つの層、２つの別個の層、またはこれ以上の別個の層を含んでよい。これらの層の１つ以上はアモルファス材料であってよい。ゼロバイアス電圧バージョンのバラクタも記載される。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は２００５年４月２５日出願の「ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された米国特許出願番号第１１／１１３，５８７号の一部継続出願であり、２００４年６月８日出願の「ＭＥＴＡＬ−ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ ＶＡＲＡＣＴＯＲ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国仮特許出願番号第６０／５８６，４９３号の優先権を主張するものである。第１１／１１３，５８７号出願は、それ自体が２００４年６月２６日出願の「ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国特許出願番号第１０／８７７，８７４の一部継続出願であり、「ＰＲＡＣＴＩＣＡＬ ＴＨＩＮ−ＥＩＬＭ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＥＴＡＬ−ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＳＴＲＵＣＩＵＲＥＳ ＡＮＤ ＴＨＥＩＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された米国仮特許出願番号第６０／５６５，７００号の優先権を主張するものである。第１０／８８７，８７４号出願は、それ自体が２００３年１月２０日出願の「ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国特許出願番号第１０／３４７，５３４号の継続出願であり、これもまた２００１年５月２１日出願の「ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された米国特許出願番号第０９／８６０，９７２号の継続出願である。上記全ては、全体が参照により本願に組み込まれるものである。
【背景技術】
【０００２】
今日の電子設計では、多くの場合、バイアス電圧に応じてキャパシタンスが変化する電子部品が用いられており、将来においても継続して使用され続けることになろう。このようなデバイスは、「バラクタ」とも呼ばれることが多い。高速バラクタ（すなわち、キャパシタンスが電圧の高周波変化で非常に速く変化するバラクタ）は、高周波回路における低損失周波数逓倍器および同調素子として用いられる。
【０００３】
従来技術のバラクタ設計では、通常、半導体材料を用い、接合のキャパシタンスを変化させるようバイアスをかけたｐ−ｎ接合を作り出す。半導体ベースの設計を用いることは意図された目的には効果的であるが、本願では、一般的な先行技術のｐ−ｎ接合設計を用いるよりも、例えばデバイス速度などについての顕著な効果や、さらに他の効果を与えることを目的とする新しい設計を開示する。
【発明の開示】
【０００４】
以下にさらに詳細に説明するように、本明細書に開示されるのは、非常に効果的なバラクタおよび関連する方法である。
【０００５】
本発明の一つの態様において、バラクタは、所与の電圧が第１および第２導電層間に印加されるよう互いに離間して配された第１および第２導電層より構成される。さらに、絶縁構造は、前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを作り出すよう構成される。
【０００６】
一つの特徴では、この絶縁構造は少なくとも２つの別個の層を含む。
【０００７】
別の特徴では、この絶縁構造は単一の材料層を含む。
【０００８】
関連する特徴では、絶縁体層の少なくとも１つの層はアモルファス材料である。
【０００９】
本発明の別の様態において、ＭＩＩＭデバイスは、バイアス電圧を必要とすることなくバラクタを用いることができるようにするために、閾値バイアス電圧をゼロボルト、少なくともほぼゼロボルトに、設定するよう構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の説明は、当業者による本発明の製造と使用が可能となるように提示されるものであり、特許出願とその要件に照らして提供されるものである。説明された実施形態に対する各種の修正は、当業者には容易にわかるものであり、本明細書における一般的な原則はその他の実施形態にも当てはまる。したがって、本発明はここに示す実施形態に限定することを意図するものではなく、添付の請求の範囲に規定する代替物、変形例、等価物を含めてここに記載の原則および特徴に一致する最も広い範囲に従うものである。なお、図面は縮尺どおりではなく、その性質上、関心の対象である特徴を最もよく図示できると考えられるように、概略的となっている。また、本開示を通して、有用である場合には、同じ要素には同じ参照数字を適用している。
【００１１】
デバイスにかかる電圧の関数として２端子デバイスのキャパシタンスが変化する可変容量デバイス（以下、バラクタ）を形成する非常に有利な金属−絶縁体デバイス構造を開示する。開示されたバラクタは、競合する半導体ベースのバラクタに対して以下のようないくつかの利点を有する。
１．キャパシタンスの大きな変化
２．単位面積あたりの高キャパシタンス
３．高い微分容量
４．広い範囲の各種の基板材料に対応
【００１２】
一実施においては、本開示における基本的なバラクタは、金属−絶縁体−絶縁体−金属（ＭＩＩＭ）構造を有し、これは全体が参照により本願に組み込まれ共有されるＥｌｉａｓｓｏｎおよびＭｏｄｄｅｌによる米国特許番号第６，５３４，７８４号（以下、７８４特許）において最初に開示された種類のものである。これに関して、７８４特許のデバイスは特にソーラーエネルギー変換に関するものであることを認識する必要がある。
【００１３】
次に図１ａおよび図１ｂを参照すると、ＭＩＩＭバラクタのエネルギーバンド図が図示され、一般にそれぞれ参照符号１０および１２で示される。図１ａに、Ｖ＝０で示すゼロバイアスでのデバイスを示し、図１ｂに、Ｖ＝Ｖ＋で示す正方向に印加されたバイアス電圧（フォワードバイアス）でのデバイスを示す。これらの図において、第１金属層Ｍ１および第２金属層Ｍ２は間隔をおいた関係で配置される。絶縁構造２０は、第１および第２金属層Ｍ１およびＭ２の間に配される。この例において、絶縁構造２０は第１絶縁層Ｉ１および第２絶縁層Ｉ２を含む。本開示のバラクタデバイスが７８４特許のＭＩＩＭトンネルデバイスと異なるのは、デバイスが、非線形抵抗デバイスやダイオードではなく、キャパシタとして機能することである。７８４特許のＭＩＩＭダイオードでは、絶縁体材料および絶縁体の厚みは、電子がデバイスを一方の金属から他方の金属へトンネルできるように選択される。なお、この予期しない驚くべき振る舞いは、非線形デバイスの開発に向けられたデバイス特性および複雑なモデリング技術を用いた設計と関連して発見された。この注目すべき発見を元にＭＩＩＭ構造を全く異なる種類のデバイスとして全く異なる方法で機能するように変更が行われたが、これはありふれたことでも自明なことでもないと考えられる。とりわけ、第１絶縁体Ｉ１は、非常に高い障壁高（＞＞１ｅＶ）を有するよう構成され、第２絶縁体Ｉ２は、低い障壁高（通常＜０．３ｅＶ）を有する。そのため、第２の金属（Ｍ２）からの電子は、容易にＩ２をトンネルすることができるがＩ１をトンネルすることはできない。したがって、フォワードバイアス下で、自由電子電荷が、２つの絶縁体間にあるおおよそ三角形のポテンシャル井戸３０にプールされる。より具体的には、ポテンシャル井戸３０は、Ｉ２内のＩ１およびＩ２の間の境界３２近傍に形成される。さらに、この電荷のプーリングは印加される電圧に依存してキャパシタンスの変化を引き起こし、バラクタデバイスを形成することが理解される。
【００１４】
以下において、図１ａおよび図１ｂに示すＭＩＩＭバラクタのキャパシタンスの理論計算を、（i）印加電圧、（ii）Ｃ（Ｖ）、（iii）代替的バラクタ構成、（iv）バラクタの周波数応答と性能に影響を与える要因に応じて説明する。
【００１５】
［理論−Ｃ（Ｖ）を計算する］
以下の分析は、読者の理解を助けるという意図を持って提示されるものであって、提示された理論的概念によって限定されることは意図していない。
【００１６】
図２ａ〜図２ｃを参照すると、ＭＩＩＭバラクタの動作を理解し、印加電圧の関数としてのキャパシタンスを推定するには、図に示す電荷と電界分布の静電学的問題を解くことから始めることができる。図２ａ〜図２ｃは、それぞれ、距離ｘに対する、電位Ｅ、電荷ρ、および電界強度εのプロットである。厚みｄ１の第１の（高い）Ｉ１障壁、電子親和力χ１、および誘電定数ε１、ならびに厚みｄ２の第２の（低い）Ｉ２障壁、電子親和力χ２、および誘電定数ε２、を有する、上記のＭ１、Ｉ１、Ｉ２、およびＭ２を含むＭＩＩＭ構造からはじめる。これらの障壁は仕事関数ΦＭ１を有する左側の金属Ｍ１と、仕事関数ΦＭ２を有する右側の金属Ｍ２に境界付けられている。図２に示す障壁高は全て正の数を取っており、以下の式により得られる。
【数１】
【００１７】
最後に、ＭＩＩＭのＭ１、Ｍ２間に大きさＶｂの電圧を印加する。この分析では、いくつかの重要な仮定をしている。まず、第１の（高い）障壁はこれをトンネルする電子を無視できるほど十分に高いおよび／または広いと仮定する。そうでない場合、第１の金属Ｍ１と電荷プールとの間、および電荷プールと第２の金属Ｍ２との間のトンネル速度を考慮にいれる必要がある。このような３レベルシステムでは電荷プールの電子密度および擬フェルミエネルギーがトンネル速度の変化とともに変化するので、最初の分析ではこのような複雑さを回避することとする。同様に、第１の障壁における自由電荷密度は全く無視できる程度であると仮定する。次に、第２の（低い）障壁材料の状態密度は量子的機械反射によって修正されないと仮定する。つまり、量子閉じ込めと三角形量子井戸の形成を無視する。この仮定は、通常の障壁材料はアモルファス酸化物であり、長距離の電子コヒーレンスがないことによりあらゆる量子閉じ込め効果を破壊すると考えられるため、正確であると思われる。３つ目に、これらの障壁はアモルファスな性質を有するのであるが、状態密度におけるバンドテール状態は無視し、単に単一の有効電子質量を有する放物線バンドモデルを用いることとする。この状態密度は以下の式によって得られる。
【数２】
ここで、ｈ（バー）はプランク定数であり、ｍは電子質量であり、Ｅは伝導帯端上のエネルギーである。
【００１８】
第２の（低い）Ｉ２障壁の所与の点χにおける自由電子電荷密度を計算するには、障壁の電位Ｖ（χ）がわかればよい。このとき、電荷密度は以下のとおりである。
【数３】
ここで、ｆ（Ｅ）は電子のフェルミ分布である。なお、図２ａに示すエネルギー仕様を用いており、ここで第１の金属のフェルミ準位はゼロであり、電位エネルギーＥは縦軸の下に行くにつれて正の方向に増加する。障壁Ｉ２の電荷密度が電位の関数であることがわかっているので、電位分布Ｖ（χ）、障壁Ｉ２の電荷密度Ｑｃ、および２つの金属の界面における電荷密度Ｑ１およびＱ２を解くのに適当な境界状態を有するポアソン方程式を用いてもよい。なお、図２ｂは、これらの各種の電荷密度値を説明するためにｘの関数としての電荷密度をプロットする。アノードＭ１電荷Ｑ１（Ｖｂ）のバイアス電圧依存性より、キャパシタンスをｄＱ１／ｄＶｂとして計算することができる。
【００１９】
次に、障壁Ｉ２における電荷と電位のポアソン関係は、以下の式により得られる。
【数４】
上記式６の両辺に２・ｄＶ／ｄχをかけることにより、次を得ることができる。
【数５】
両辺を積分することにより、次を得ることができる。
【数６】
【００２０】
次に、Ｉ２−Ｍ２界面の境界条件を用いて、積分定数Ｃを解くことができる。この点（すなわちＩ２−Ｍ２界面）をχ＝０と呼び、χが図２ａ〜図２ｃで見て左およびＩ１に向かって正方向に増加する仕様を用いる。χ＝０における電位はわかっている。単に−φ２である。このときの電荷密度を無視できるようφ２＞＞ｋＴとするならば、χ＝０における電界はＱ２／ε２で与えられる。すると、χ＝０境界条件は次のとおりとなる。
【数７】
これらの境界条件により、積分定数は以下のとおりとなる。
【数８】
すると、電界を求める式は以下のとおりとなる。
【数９】
【００２１】
ポアソン方程式は高度に非線形の二階微分方程式であるので、Ｖ（χ）およびＱｃを解くためには数値法を用いる必要がある。ｄＶ／ｄχがわかっているため、周知のテイラー法がうまく働く（例えば、Ｓｃｈａｕｍの「Ｏｕｔｌｉｎｅ ｏｆ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ」ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ（１９７３）を参照。同書は、参照により本明細書に組み込まれる）。第２の障壁をｘ軸に沿って有限要素に分割する。Ｖ（χ）およびＶ’（χ）であることがわかっているχ＝０からはじまって、χ＝ｄ２に向かって作業する。このプロセスをはじめるにはＱ２の値を仮定しなければならない。後で、境界条件を用いて、所与のバイアス電圧のＱ２の正しい値を見つけることになる。テイラー法を用いて、連続する電位の値が次の式から得られる。
【数１０】
ここで、ｈは有限要素幅（ｄχ）であり、±はＶ（χ）の勾配によって決まる。Ｖ’（χ）＞０のとき符号は負であり、それ以外の場合は符号は正である。
【００２２】
Ｑ２の仮の値からＶ（χ）を解いたので、Ｑｃを次のように解くことができる。
【数１１】
【００２３】
所与のバイアス電圧のＱ２の正しい値を解くことができる境界条件は次の式から得られる。
【数１２】
ここで、φｃ＝Ｖｎｍａｘである。Ｑ２（Ｖｂ）を解くためには、Ｑｃについての先の２つの式を同等とみなしてＱ２を解くことができる。
【００２４】
Ｑ２（Ｖｂ）が求められたので、これを式１５に挿入してＱ１を求め、Ｑ１（Ｖｂ）を求める。最後に、ＭＩＩＭの微分容量を次の式から求める。
【数１３】
【００２５】
図３は一般に参照番号４０で指示される座標系を含み、所与のＭＩＩＭデバイスについての電圧に対してプロットされたキャパシタンスを示す。差込まれた座標系４２は、エネルギーバンド図４４を示し、ｄ１＝２ｎｍ、ｄ２＝８ｎｍ、ε１＝１０ε０、ε２＝６０ε０、φ１＝１．０ｅＶ、φ２＝０．１ｅＶ、およびφ１２＝０．９ｅＶである所与のＭＩＩＭデバイスについて、オングストロームでの距離に対する電子ボルトでのエネルギーを示している。プロットは、それぞれ参照番号４５、４６、４７、および４８で示される、４つの異なる温度１５０°Ｋ、２００°Ｋ、２５０°Ｋ、および３００°Ｋについて与えられる。
【００２６】
図３に照らすと、一般的な傾向は明らかである。負のバイアス電圧、および閾値電圧Ｖｔｈより低い電圧においては、ＭＩＩＭのキャパシタンスは、直列の２つの誘電体Ｉ１およびＩ２の幾何形状キャパシタンスに近づく。閾値より上では、キャパシタンスは、第１の（高い方の）Ｉ１障壁のみのキャパシタンスに近づく。温度がＴ＝０Ｋに向かって下がるにつれ、バラクタはこれらの２つのキャパシタンス値をより一層急に切り替えるようになる。閾値電圧は絶縁体井戸がＭ２のフェルミエネルギー準位にある正の印加電圧であり、次の式から得られる。
【数１４】
図３のＭＩＩＭ構造について、Ｖｔｈはほぼ０．２５Ｖである。実際の利用においては、すぐ後でより詳細に説明するように、ゼロバイアスにおけるキャパシタンスの最大変化が生じてバイアスの供給が必要とならないように、Ｖｔｈ＝０とすることが有利である場合がある。
【００２７】
ここで、それぞれ参照番号５０および６０で一般に指示されるエネルギーバンド図である図４ａおよび図４ｂに注目すると、非常に有利である「ゼロバイアス」ＭＩＩＭデバイスについて、バラクタが動作するためにバイアス供給電圧が必要とならないようＶｔｈがゼロボルトに移動される。図４ａはバイアスがＶ＝０のエネルギーバンド構成を示し、図４ｂはバイアスがＶ＝Ｖ＋のエネルギーバンド構成を示す。これを実現するために、φ２はΦＭ２＝χ２を選択することによりゼロに等しく設定される。すなわち、Ｍ２の仕事関数は、Ｉ２の電子親和力χ２に等しくなる。この変化は図４ｂを図２ａと比較すると、図２ａが非ゼロ値φ２を示すため、はっきりと見ることができる。さらに、図４ｂに示すように、φ１はφ１２に等しく設定される。
【００２８】
上記の分析から、また上述のデバイスおよび例をすべて考慮に入れると、キャパシタンスの振れを最大化するためには、第１の障壁Ｉ１層を非常に薄くかつ非常に高くし、第２の障壁層Ｉ２をかなり広くかつ低くしなければならないことがわかる。電荷蓄積領域に有利になるように電界をより強く分布させるために、可能であればε２＜ε１とすることは有利であるかもしれない。当然ながら、材料およびデバイススピードについての実用的な限界（以下で説明する）が、実現可能な性能を制限することになる。
【００２９】
［代替的なバラクタ構成］
代替的な金属−絶縁体バラクタ構造を考えることができ、本発明は上述のＭＩＩＭ構造に限られるものではないことが理解される。次にこのような代替的な構造について説明する。
【００３０】
ここで、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）バラクタのエネルギーバンド図を、それぞれ、一般に参照番号６０で示すバイアスがＶ＝０である場合について、および一般に参照番号６２で示すバイアスがＶ＝Ｖ＋における場合について示す図５ａおよび図５ｂに注目する。第１および第２金属層はそれぞれＭ１およびＭ２と示し、絶縁体をＩと示す。ＭＩＭバラクタの製作において、絶縁体Ｉの電子親和力χおよび仕事関数ΦＭ２を有する金属Ｍ２を、以下のように選択することにより負の障壁高が形成される。
【数１５】
【００３１】
したがって、負の障壁高が絶縁体Ｉおよび金属Ｍ２の間の境界６４に形成される。図５ａと図５ｂとの比較からわかるように、このＭＩＭ構造において、絶縁体Ｉおよび金属Ｍ２の間の負の障壁は、幅が印加電圧によって変調される電荷井戸６６を形成し、印加電圧に応じたキャパシタンスの変化をもたらす。
【００３２】
別の代替的バラクタ構造を、金属−絶縁体−金属（ＭＩＩＩＭ）バラクタのエネルギーバンド図を、それぞれ、一般に参照番号７０により示されるバイアスがＶ＝０である場合について、および一般に参照番号７２により示されるバイアスがＶ＝Ｖ＋における場合について示す図６ａおよび図６ｂに図示する。第１および第２金属層はそれぞれＭ１およびＭ２と示し、第１絶縁層Ｉ１、第２絶縁層Ｉ２、および第３絶縁層Ｉ３を含む絶縁層構造７４と示す。デバイスは、Ｉ１とＩ２との間の境界７８近傍のＩ２に電荷井戸７６を作り出すよう構成される。なお、図６ａおよび図６ｂのデバイスはゼロバイアスデバイスを表す。ＭＩＩＩＭ構造は動作および精神においてＭＩＩＭバラクタとかなり類似しているため、簡便性のために詳細な分析は行わない。さらに、当業者には上記の説明から容易にＭＩＩＭデバイスを作成することができると考えられる。
【００３３】
［周波数応答および性能］
本明細書に記載のバラクタの速度すなわち周波数応答は、電荷プールを出入りする電荷の移動の速さによって決定される。以下、ＭＩＩＭバラクタ構造に限定して検討を加えるが、代替的構造についてもこの検討により十分理解できると考えられる。
【００３４】
再び図１ａおよび図１ｂを参照すると、増加する正電圧をバラクタに印加すると、金属Ｍ２からのトンネリングにより電子が電荷プール３０を満たす。電圧が再び減少すると、以下の２つのプロセスを経て余剰の電荷がプールから流出する。（１）トンネリングにより金属Ｍ２に戻る、（２）絶縁体Ｉ２の伝導帯を亘るバンド輸送で金属Ｍ２に戻る。これらの電子が電荷プールと金属Ｍ２との間を行き来する移動スピードは、バラクタの周波数応答を決定する。
【００３５】
絶縁体Ｉ２を亘るバンド輸送はアモルファス絶縁材料の場合には過度に遅いのであるが、これを無視するならば、例えばＢｌａｋｅ Ｊ． Ｅｌｉａｓｓｏｎの博士論文「ＭＥＴＡＬ−ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ−ＭＥＴＡＬ ＤＩＯＤＥＳ ＦＯＲ ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ」（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｌｏｒａｄｏ（２００１））に記載されるような現行のトンネルモデルを用いて電荷プールおよび金属Ｍ２の間のトンネル電流を計算することができる。この論文は、参照により本明細書に組み込まれる。この計算はトンネルする電子についての微分抵抗Ｒ２（Ｖ）をもたらす。ここでの標記では、電圧Ｖは電荷プールと金属Ｍ２との間の電圧である。なお、Ｖ＝０でのトンネル確率が必ずしも対称的ではないため、Ｒ２（Ｖ）はＲ２（−Ｖ）とは等しくない。電荷プールと金属Ｍ２との間のキャパシタンスＣ２を加えると、以下のように周波数応答を計算することのできる図７の単純な小信号モデルを構築することができる。
【数１６】
ここで各種の要素は式１９と同じ符号が付される。
【００３６】
図７と共に図２ａを参照すると、高速バラクタの設計には、Ｒ２およびＣ２を最小化する必要がある。Ｉ２厚み（ｄ２）および障壁高（φ２）を最小化すると、Ｒ２が減少するがＣ２が増加することが知られている。ただし、Ｒ２が障壁高および厚みに指数的に依存するが、Ｃ２は線形にしか依存しないため、ｄ２およびφ２を減少することにより周波数応答のネットゲインが見られることになる。これらの値を減少することによる不利益は、Ｖｔｈに対するキャパシタンスの振れが減少することである（図３参照）。
【００３７】
現実的に材料を考慮すると周波数応答が上記の理想的なＲＣ限界値よりも低下する。とりわけ、アモルファス絶縁体材料については、局在化したバンドテール状態、ディープトラップ状態、および、ありがちなフラット表面状態が生じる可能性が高い。絶縁体の伝導帯「端」より下方で延出するこのような状態の電子は、絶縁体１の界面の近くの絶縁体Ｉ２への長期的な帯電を引き起こすことになり、部分的に印加電圧を遮蔽しＣ（Ｖ）曲線を変化させる。
【００３８】
広義にまとめると、この文書では以下を定める。バラクタは、所与の電圧を第１および第２導電層にわたって印加できるように互いに間隔をおいて配された第１および第２導電層をそなえて構成される。絶縁構造は、第１および第２導電層の間に配された少なくとも１つの絶縁層を含み、第１および第２導電層と協働して上記所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを作り出すよう構成されて、第１および第２導電層の間のデバイスキャパシタンス値が上記所与の電圧の変化に応じて変化する。絶縁構造は１つの層、２つの別々の層、または２つ以上の別々の層を含んでもよい。この層の１つ以上がアモルファス材料であってもよい。このバラクタのゼロバイアス電圧バージョンについても記述した。
【００３９】
上記具体的な方向付け有する各種の要素を有する物理的な実施形態がそれぞれ説明されたが、本発明は、広い範囲の配置や相互の方向付けで配設された各種の要素を有するさまざまな具体的構成を考慮に入れることができる。例えば、上記の組み込まれた米国特許第６，５６３，１８５号で詳細に検討されているように、金属層に換えて、半導体や半金属含むがこれに限定されないその他の材料を用いることができる。さらに、本明細書で説明した方法は、無制限に修正することができ、例えば、方法を構成する各種の手順の順番を変更することができる。したがって、本例は例示的なものとして理解するべきであり、限定的なものとして理解するべきではなく、本発明は本明細書に記載の詳細に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲において修正可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
本発明は、後に簡単に説明する図面とあわせて、以下の詳細な説明を参照して理解されるものである。説明の明瞭性のために、図面中の要素には縮尺どおりとなっていないものもある。さらに、各種の図面において用いられる垂直、水平などの説明的な用語は、説明の目的のみで用いられるものであって、記載の構造やデバイスの有用な方向付けについて限定することを意図したものではない。
【図１ａ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示している。
【図１ｂ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示している。
【図２ａ】図１ａおよび図１ｂのＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアス状態についてさらに詳細を示している。
【図２ｂ】図２ａのバイアスされたデバイスの横方向距離に対する電荷のプロットである。
【図２ｃ】図２ａのバイアスされたデバイスの横方向距離に対する電界強度のプロットである。
【図３】本発明により製造された例示的ＭＩＩＭバラクタデバイスのバイアス電圧に対するキャパシタンスのプロットであり、この例示的ＭＩＩＭのエネルギーバンド図の挿入プロットを含む。
【図４ａ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示し、デバイスはゼロバイアス電圧の必要なく用いられるよう構成されている。
【図４ｂ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示し、デバイスはゼロバイアス電圧の必要なく用いられるよう構成されている。
【図５ａ】本発明の第１の代替的ＭＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示している。
【図５ｂ】本発明の第１の代替的ＭＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示している。
【図６ａ】本発明の第２の代替的ＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示している。
【図６ｂ】本発明の第２の代替的ＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示している。
【図７】ＭＩＩＭデバイス構造から導き出された小信号モデルの模式図である。
【関連出願】
【０００１】
本願は２００５年４月２５日出願の「ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された米国特許出願番号第１１／１１３，５８７号の一部継続出願であり、２００４年６月８日出願の「ＭＥＴＡＬ−ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ ＶＡＲＡＣＴＯＲ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国仮特許出願番号第６０／５８６，４９３号の優先権を主張するものである。第１１／１１３，５８７号出願は、それ自体が２００４年６月２６日出願の「ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国特許出願番号第１０／８７７，８７４の一部継続出願であり、「ＰＲＡＣＴＩＣＡＬ ＴＨＩＮ−ＥＩＬＭ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＥＴＡＬ−ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＳＴＲＵＣＩＵＲＥＳ ＡＮＤ ＴＨＥＩＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された米国仮特許出願番号第６０／５６５，７００号の優先権を主張するものである。第１０／８８７，８７４号出願は、それ自体が２００３年１月２０日出願の「ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された米国特許出願番号第１０／３４７，５３４号の継続出願であり、これもまた２００１年５月２１日出願の「ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」と題された米国特許出願番号第０９／８６０，９７２号の継続出願である。上記全ては、全体が参照により本願に組み込まれるものである。
【背景技術】
【０００２】
今日の電子設計では、多くの場合、バイアス電圧に応じてキャパシタンスが変化する電子部品が用いられており、将来においても継続して使用され続けることになろう。このようなデバイスは、「バラクタ」とも呼ばれることが多い。高速バラクタ（すなわち、キャパシタンスが電圧の高周波変化で非常に速く変化するバラクタ）は、高周波回路における低損失周波数逓倍器および同調素子として用いられる。
【０００３】
従来技術のバラクタ設計では、通常、半導体材料を用い、接合のキャパシタンスを変化させるようバイアスをかけたｐ−ｎ接合を作り出す。半導体ベースの設計を用いることは意図された目的には効果的であるが、本願では、一般的な先行技術のｐ−ｎ接合設計を用いるよりも、例えばデバイス速度などについての顕著な効果や、さらに他の効果を与えることを目的とする新しい設計を開示する。
【発明の開示】
【０００４】
以下にさらに詳細に説明するように、本明細書に開示されるのは、非常に効果的なバラクタおよび関連する方法である。
【０００５】
本発明の一つの態様において、バラクタは、所与の電圧が第１および第２導電層間に印加されるよう互いに離間して配された第１および第２導電層より構成される。さらに、絶縁構造は、前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを作り出すよう構成される。
【０００６】
一つの特徴では、この絶縁構造は少なくとも２つの別個の層を含む。
【０００７】
別の特徴では、この絶縁構造は単一の材料層を含む。
【０００８】
関連する特徴では、絶縁体層の少なくとも１つの層はアモルファス材料である。
【０００９】
本発明の別の様態において、ＭＩＩＭデバイスは、バイアス電圧を必要とすることなくバラクタを用いることができるようにするために、閾値バイアス電圧をゼロボルト、少なくともほぼゼロボルトに、設定するよう構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の説明は、当業者による本発明の製造と使用が可能となるように提示されるものであり、特許出願とその要件に照らして提供されるものである。説明された実施形態に対する各種の修正は、当業者には容易にわかるものであり、本明細書における一般的な原則はその他の実施形態にも当てはまる。したがって、本発明はここに示す実施形態に限定することを意図するものではなく、添付の請求の範囲に規定する代替物、変形例、等価物を含めてここに記載の原則および特徴に一致する最も広い範囲に従うものである。なお、図面は縮尺どおりではなく、その性質上、関心の対象である特徴を最もよく図示できると考えられるように、概略的となっている。また、本開示を通して、有用である場合には、同じ要素には同じ参照数字を適用している。
【００１１】
デバイスにかかる電圧の関数として２端子デバイスのキャパシタンスが変化する可変容量デバイス（以下、バラクタ）を形成する非常に有利な金属−絶縁体デバイス構造を開示する。開示されたバラクタは、競合する半導体ベースのバラクタに対して以下のようないくつかの利点を有する。
１．キャパシタンスの大きな変化
２．単位面積あたりの高キャパシタンス
３．高い微分容量
４．広い範囲の各種の基板材料に対応
【００１２】
一実施においては、本開示における基本的なバラクタは、金属−絶縁体−絶縁体−金属（ＭＩＩＭ）構造を有し、これは全体が参照により本願に組み込まれ共有されるＥｌｉａｓｓｏｎおよびＭｏｄｄｅｌによる米国特許番号第６，５３４，７８４号（以下、７８４特許）において最初に開示された種類のものである。これに関して、７８４特許のデバイスは特にソーラーエネルギー変換に関するものであることを認識する必要がある。
【００１３】
次に図１ａおよび図１ｂを参照すると、ＭＩＩＭバラクタのエネルギーバンド図が図示され、一般にそれぞれ参照符号１０および１２で示される。図１ａに、Ｖ＝０で示すゼロバイアスでのデバイスを示し、図１ｂに、Ｖ＝Ｖ＋で示す正方向に印加されたバイアス電圧（フォワードバイアス）でのデバイスを示す。これらの図において、第１金属層Ｍ１および第２金属層Ｍ２は間隔をおいた関係で配置される。絶縁構造２０は、第１および第２金属層Ｍ１およびＭ２の間に配される。この例において、絶縁構造２０は第１絶縁層Ｉ１および第２絶縁層Ｉ２を含む。本開示のバラクタデバイスが７８４特許のＭＩＩＭトンネルデバイスと異なるのは、デバイスが、非線形抵抗デバイスやダイオードではなく、キャパシタとして機能することである。７８４特許のＭＩＩＭダイオードでは、絶縁体材料および絶縁体の厚みは、電子がデバイスを一方の金属から他方の金属へトンネルできるように選択される。なお、この予期しない驚くべき振る舞いは、非線形デバイスの開発に向けられたデバイス特性および複雑なモデリング技術を用いた設計と関連して発見された。この注目すべき発見を元にＭＩＩＭ構造を全く異なる種類のデバイスとして全く異なる方法で機能するように変更が行われたが、これはありふれたことでも自明なことでもないと考えられる。とりわけ、第１絶縁体Ｉ１は、非常に高い障壁高（＞＞１ｅＶ）を有するよう構成され、第２絶縁体Ｉ２は、低い障壁高（通常＜０．３ｅＶ）を有する。そのため、第２の金属（Ｍ２）からの電子は、容易にＩ２をトンネルすることができるがＩ１をトンネルすることはできない。したがって、フォワードバイアス下で、自由電子電荷が、２つの絶縁体間にあるおおよそ三角形のポテンシャル井戸３０にプールされる。より具体的には、ポテンシャル井戸３０は、Ｉ２内のＩ１およびＩ２の間の境界３２近傍に形成される。さらに、この電荷のプーリングは印加される電圧に依存してキャパシタンスの変化を引き起こし、バラクタデバイスを形成することが理解される。
【００１４】
以下において、図１ａおよび図１ｂに示すＭＩＩＭバラクタのキャパシタンスの理論計算を、（i）印加電圧、（ii）Ｃ（Ｖ）、（iii）代替的バラクタ構成、（iv）バラクタの周波数応答と性能に影響を与える要因に応じて説明する。
【００１５】
［理論−Ｃ（Ｖ）を計算する］
以下の分析は、読者の理解を助けるという意図を持って提示されるものであって、提示された理論的概念によって限定されることは意図していない。
【００１６】
図２ａ〜図２ｃを参照すると、ＭＩＩＭバラクタの動作を理解し、印加電圧の関数としてのキャパシタンスを推定するには、図に示す電荷と電界分布の静電学的問題を解くことから始めることができる。図２ａ〜図２ｃは、それぞれ、距離ｘに対する、電位Ｅ、電荷ρ、および電界強度εのプロットである。厚みｄ１の第１の（高い）Ｉ１障壁、電子親和力χ１、および誘電定数ε１、ならびに厚みｄ２の第２の（低い）Ｉ２障壁、電子親和力χ２、および誘電定数ε２、を有する、上記のＭ１、Ｉ１、Ｉ２、およびＭ２を含むＭＩＩＭ構造からはじめる。これらの障壁は仕事関数ΦＭ１を有する左側の金属Ｍ１と、仕事関数ΦＭ２を有する右側の金属Ｍ２に境界付けられている。図２に示す障壁高は全て正の数を取っており、以下の式により得られる。
【数１】
【００１７】
最後に、ＭＩＩＭのＭ１、Ｍ２間に大きさＶｂの電圧を印加する。この分析では、いくつかの重要な仮定をしている。まず、第１の（高い）障壁はこれをトンネルする電子を無視できるほど十分に高いおよび／または広いと仮定する。そうでない場合、第１の金属Ｍ１と電荷プールとの間、および電荷プールと第２の金属Ｍ２との間のトンネル速度を考慮にいれる必要がある。このような３レベルシステムでは電荷プールの電子密度および擬フェルミエネルギーがトンネル速度の変化とともに変化するので、最初の分析ではこのような複雑さを回避することとする。同様に、第１の障壁における自由電荷密度は全く無視できる程度であると仮定する。次に、第２の（低い）障壁材料の状態密度は量子的機械反射によって修正されないと仮定する。つまり、量子閉じ込めと三角形量子井戸の形成を無視する。この仮定は、通常の障壁材料はアモルファス酸化物であり、長距離の電子コヒーレンスがないことによりあらゆる量子閉じ込め効果を破壊すると考えられるため、正確であると思われる。３つ目に、これらの障壁はアモルファスな性質を有するのであるが、状態密度におけるバンドテール状態は無視し、単に単一の有効電子質量を有する放物線バンドモデルを用いることとする。この状態密度は以下の式によって得られる。
【数２】
ここで、ｈ（バー）はプランク定数であり、ｍは電子質量であり、Ｅは伝導帯端上のエネルギーである。
【００１８】
第２の（低い）Ｉ２障壁の所与の点χにおける自由電子電荷密度を計算するには、障壁の電位Ｖ（χ）がわかればよい。このとき、電荷密度は以下のとおりである。
【数３】
ここで、ｆ（Ｅ）は電子のフェルミ分布である。なお、図２ａに示すエネルギー仕様を用いており、ここで第１の金属のフェルミ準位はゼロであり、電位エネルギーＥは縦軸の下に行くにつれて正の方向に増加する。障壁Ｉ２の電荷密度が電位の関数であることがわかっているので、電位分布Ｖ（χ）、障壁Ｉ２の電荷密度Ｑｃ、および２つの金属の界面における電荷密度Ｑ１およびＱ２を解くのに適当な境界状態を有するポアソン方程式を用いてもよい。なお、図２ｂは、これらの各種の電荷密度値を説明するためにｘの関数としての電荷密度をプロットする。アノードＭ１電荷Ｑ１（Ｖｂ）のバイアス電圧依存性より、キャパシタンスをｄＱ１／ｄＶｂとして計算することができる。
【００１９】
次に、障壁Ｉ２における電荷と電位のポアソン関係は、以下の式により得られる。
【数４】
上記式６の両辺に２・ｄＶ／ｄχをかけることにより、次を得ることができる。
【数５】
両辺を積分することにより、次を得ることができる。
【数６】
【００２０】
次に、Ｉ２−Ｍ２界面の境界条件を用いて、積分定数Ｃを解くことができる。この点（すなわちＩ２−Ｍ２界面）をχ＝０と呼び、χが図２ａ〜図２ｃで見て左およびＩ１に向かって正方向に増加する仕様を用いる。χ＝０における電位はわかっている。単に−φ２である。このときの電荷密度を無視できるようφ２＞＞ｋＴとするならば、χ＝０における電界はＱ２／ε２で与えられる。すると、χ＝０境界条件は次のとおりとなる。
【数７】
これらの境界条件により、積分定数は以下のとおりとなる。
【数８】
すると、電界を求める式は以下のとおりとなる。
【数９】
【００２１】
ポアソン方程式は高度に非線形の二階微分方程式であるので、Ｖ（χ）およびＱｃを解くためには数値法を用いる必要がある。ｄＶ／ｄχがわかっているため、周知のテイラー法がうまく働く（例えば、Ｓｃｈａｕｍの「Ｏｕｔｌｉｎｅ ｏｆ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ」ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ（１９７３）を参照。同書は、参照により本明細書に組み込まれる）。第２の障壁をｘ軸に沿って有限要素に分割する。Ｖ（χ）およびＶ’（χ）であることがわかっているχ＝０からはじまって、χ＝ｄ２に向かって作業する。このプロセスをはじめるにはＱ２の値を仮定しなければならない。後で、境界条件を用いて、所与のバイアス電圧のＱ２の正しい値を見つけることになる。テイラー法を用いて、連続する電位の値が次の式から得られる。
【数１０】
ここで、ｈは有限要素幅（ｄχ）であり、±はＶ（χ）の勾配によって決まる。Ｖ’（χ）＞０のとき符号は負であり、それ以外の場合は符号は正である。
【００２２】
Ｑ２の仮の値からＶ（χ）を解いたので、Ｑｃを次のように解くことができる。
【数１１】
【００２３】
所与のバイアス電圧のＱ２の正しい値を解くことができる境界条件は次の式から得られる。
【数１２】
ここで、φｃ＝Ｖｎｍａｘである。Ｑ２（Ｖｂ）を解くためには、Ｑｃについての先の２つの式を同等とみなしてＱ２を解くことができる。
【００２４】
Ｑ２（Ｖｂ）が求められたので、これを式１５に挿入してＱ１を求め、Ｑ１（Ｖｂ）を求める。最後に、ＭＩＩＭの微分容量を次の式から求める。
【数１３】
【００２５】
図３は一般に参照番号４０で指示される座標系を含み、所与のＭＩＩＭデバイスについての電圧に対してプロットされたキャパシタンスを示す。差込まれた座標系４２は、エネルギーバンド図４４を示し、ｄ１＝２ｎｍ、ｄ２＝８ｎｍ、ε１＝１０ε０、ε２＝６０ε０、φ１＝１．０ｅＶ、φ２＝０．１ｅＶ、およびφ１２＝０．９ｅＶである所与のＭＩＩＭデバイスについて、オングストロームでの距離に対する電子ボルトでのエネルギーを示している。プロットは、それぞれ参照番号４５、４６、４７、および４８で示される、４つの異なる温度１５０°Ｋ、２００°Ｋ、２５０°Ｋ、および３００°Ｋについて与えられる。
【００２６】
図３に照らすと、一般的な傾向は明らかである。負のバイアス電圧、および閾値電圧Ｖｔｈより低い電圧においては、ＭＩＩＭのキャパシタンスは、直列の２つの誘電体Ｉ１およびＩ２の幾何形状キャパシタンスに近づく。閾値より上では、キャパシタンスは、第１の（高い方の）Ｉ１障壁のみのキャパシタンスに近づく。温度がＴ＝０Ｋに向かって下がるにつれ、バラクタはこれらの２つのキャパシタンス値をより一層急に切り替えるようになる。閾値電圧は絶縁体井戸がＭ２のフェルミエネルギー準位にある正の印加電圧であり、次の式から得られる。
【数１４】
図３のＭＩＩＭ構造について、Ｖｔｈはほぼ０．２５Ｖである。実際の利用においては、すぐ後でより詳細に説明するように、ゼロバイアスにおけるキャパシタンスの最大変化が生じてバイアスの供給が必要とならないように、Ｖｔｈ＝０とすることが有利である場合がある。
【００２７】
ここで、それぞれ参照番号５０および６０で一般に指示されるエネルギーバンド図である図４ａおよび図４ｂに注目すると、非常に有利である「ゼロバイアス」ＭＩＩＭデバイスについて、バラクタが動作するためにバイアス供給電圧が必要とならないようＶｔｈがゼロボルトに移動される。図４ａはバイアスがＶ＝０のエネルギーバンド構成を示し、図４ｂはバイアスがＶ＝Ｖ＋のエネルギーバンド構成を示す。これを実現するために、φ２はΦＭ２＝χ２を選択することによりゼロに等しく設定される。すなわち、Ｍ２の仕事関数は、Ｉ２の電子親和力χ２に等しくなる。この変化は図４ｂを図２ａと比較すると、図２ａが非ゼロ値φ２を示すため、はっきりと見ることができる。さらに、図４ｂに示すように、φ１はφ１２に等しく設定される。
【００２８】
上記の分析から、また上述のデバイスおよび例をすべて考慮に入れると、キャパシタンスの振れを最大化するためには、第１の障壁Ｉ１層を非常に薄くかつ非常に高くし、第２の障壁層Ｉ２をかなり広くかつ低くしなければならないことがわかる。電荷蓄積領域に有利になるように電界をより強く分布させるために、可能であればε２＜ε１とすることは有利であるかもしれない。当然ながら、材料およびデバイススピードについての実用的な限界（以下で説明する）が、実現可能な性能を制限することになる。
【００２９】
［代替的なバラクタ構成］
代替的な金属−絶縁体バラクタ構造を考えることができ、本発明は上述のＭＩＩＭ構造に限られるものではないことが理解される。次にこのような代替的な構造について説明する。
【００３０】
ここで、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）バラクタのエネルギーバンド図を、それぞれ、一般に参照番号６０で示すバイアスがＶ＝０である場合について、および一般に参照番号６２で示すバイアスがＶ＝Ｖ＋における場合について示す図５ａおよび図５ｂに注目する。第１および第２金属層はそれぞれＭ１およびＭ２と示し、絶縁体をＩと示す。ＭＩＭバラクタの製作において、絶縁体Ｉの電子親和力χおよび仕事関数ΦＭ２を有する金属Ｍ２を、以下のように選択することにより負の障壁高が形成される。
【数１５】
【００３１】
したがって、負の障壁高が絶縁体Ｉおよび金属Ｍ２の間の境界６４に形成される。図５ａと図５ｂとの比較からわかるように、このＭＩＭ構造において、絶縁体Ｉおよび金属Ｍ２の間の負の障壁は、幅が印加電圧によって変調される電荷井戸６６を形成し、印加電圧に応じたキャパシタンスの変化をもたらす。
【００３２】
別の代替的バラクタ構造を、金属−絶縁体−金属（ＭＩＩＩＭ）バラクタのエネルギーバンド図を、それぞれ、一般に参照番号７０により示されるバイアスがＶ＝０である場合について、および一般に参照番号７２により示されるバイアスがＶ＝Ｖ＋における場合について示す図６ａおよび図６ｂに図示する。第１および第２金属層はそれぞれＭ１およびＭ２と示し、第１絶縁層Ｉ１、第２絶縁層Ｉ２、および第３絶縁層Ｉ３を含む絶縁層構造７４と示す。デバイスは、Ｉ１とＩ２との間の境界７８近傍のＩ２に電荷井戸７６を作り出すよう構成される。なお、図６ａおよび図６ｂのデバイスはゼロバイアスデバイスを表す。ＭＩＩＩＭ構造は動作および精神においてＭＩＩＭバラクタとかなり類似しているため、簡便性のために詳細な分析は行わない。さらに、当業者には上記の説明から容易にＭＩＩＭデバイスを作成することができると考えられる。
【００３３】
［周波数応答および性能］
本明細書に記載のバラクタの速度すなわち周波数応答は、電荷プールを出入りする電荷の移動の速さによって決定される。以下、ＭＩＩＭバラクタ構造に限定して検討を加えるが、代替的構造についてもこの検討により十分理解できると考えられる。
【００３４】
再び図１ａおよび図１ｂを参照すると、増加する正電圧をバラクタに印加すると、金属Ｍ２からのトンネリングにより電子が電荷プール３０を満たす。電圧が再び減少すると、以下の２つのプロセスを経て余剰の電荷がプールから流出する。（１）トンネリングにより金属Ｍ２に戻る、（２）絶縁体Ｉ２の伝導帯を亘るバンド輸送で金属Ｍ２に戻る。これらの電子が電荷プールと金属Ｍ２との間を行き来する移動スピードは、バラクタの周波数応答を決定する。
【００３５】
絶縁体Ｉ２を亘るバンド輸送はアモルファス絶縁材料の場合には過度に遅いのであるが、これを無視するならば、例えばＢｌａｋｅ Ｊ． Ｅｌｉａｓｓｏｎの博士論文「ＭＥＴＡＬ−ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ−ＭＥＴＡＬ ＤＩＯＤＥＳ ＦＯＲ ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ」（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｌｏｒａｄｏ（２００１））に記載されるような現行のトンネルモデルを用いて電荷プールおよび金属Ｍ２の間のトンネル電流を計算することができる。この論文は、参照により本明細書に組み込まれる。この計算はトンネルする電子についての微分抵抗Ｒ２（Ｖ）をもたらす。ここでの標記では、電圧Ｖは電荷プールと金属Ｍ２との間の電圧である。なお、Ｖ＝０でのトンネル確率が必ずしも対称的ではないため、Ｒ２（Ｖ）はＲ２（−Ｖ）とは等しくない。電荷プールと金属Ｍ２との間のキャパシタンスＣ２を加えると、以下のように周波数応答を計算することのできる図７の単純な小信号モデルを構築することができる。
【数１６】
ここで各種の要素は式１９と同じ符号が付される。
【００３６】
図７と共に図２ａを参照すると、高速バラクタの設計には、Ｒ２およびＣ２を最小化する必要がある。Ｉ２厚み（ｄ２）および障壁高（φ２）を最小化すると、Ｒ２が減少するがＣ２が増加することが知られている。ただし、Ｒ２が障壁高および厚みに指数的に依存するが、Ｃ２は線形にしか依存しないため、ｄ２およびφ２を減少することにより周波数応答のネットゲインが見られることになる。これらの値を減少することによる不利益は、Ｖｔｈに対するキャパシタンスの振れが減少することである（図３参照）。
【００３７】
現実的に材料を考慮すると周波数応答が上記の理想的なＲＣ限界値よりも低下する。とりわけ、アモルファス絶縁体材料については、局在化したバンドテール状態、ディープトラップ状態、および、ありがちなフラット表面状態が生じる可能性が高い。絶縁体の伝導帯「端」より下方で延出するこのような状態の電子は、絶縁体１の界面の近くの絶縁体Ｉ２への長期的な帯電を引き起こすことになり、部分的に印加電圧を遮蔽しＣ（Ｖ）曲線を変化させる。
【００３８】
広義にまとめると、この文書では以下を定める。バラクタは、所与の電圧を第１および第２導電層にわたって印加できるように互いに間隔をおいて配された第１および第２導電層をそなえて構成される。絶縁構造は、第１および第２導電層の間に配された少なくとも１つの絶縁層を含み、第１および第２導電層と協働して上記所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを作り出すよう構成されて、第１および第２導電層の間のデバイスキャパシタンス値が上記所与の電圧の変化に応じて変化する。絶縁構造は１つの層、２つの別々の層、または２つ以上の別々の層を含んでもよい。この層の１つ以上がアモルファス材料であってもよい。このバラクタのゼロバイアス電圧バージョンについても記述した。
【００３９】
上記具体的な方向付け有する各種の要素を有する物理的な実施形態がそれぞれ説明されたが、本発明は、広い範囲の配置や相互の方向付けで配設された各種の要素を有するさまざまな具体的構成を考慮に入れることができる。例えば、上記の組み込まれた米国特許第６，５６３，１８５号で詳細に検討されているように、金属層に換えて、半導体や半金属含むがこれに限定されないその他の材料を用いることができる。さらに、本明細書で説明した方法は、無制限に修正することができ、例えば、方法を構成する各種の手順の順番を変更することができる。したがって、本例は例示的なものとして理解するべきであり、限定的なものとして理解するべきではなく、本発明は本明細書に記載の詳細に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲において修正可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
本発明は、後に簡単に説明する図面とあわせて、以下の詳細な説明を参照して理解されるものである。説明の明瞭性のために、図面中の要素には縮尺どおりとなっていないものもある。さらに、各種の図面において用いられる垂直、水平などの説明的な用語は、説明の目的のみで用いられるものであって、記載の構造やデバイスの有用な方向付けについて限定することを意図したものではない。
【図１ａ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示している。
【図１ｂ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示している。
【図２ａ】図１ａおよび図１ｂのＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアス状態についてさらに詳細を示している。
【図２ｂ】図２ａのバイアスされたデバイスの横方向距離に対する電荷のプロットである。
【図２ｃ】図２ａのバイアスされたデバイスの横方向距離に対する電界強度のプロットである。
【図３】本発明により製造された例示的ＭＩＩＭバラクタデバイスのバイアス電圧に対するキャパシタンスのプロットであり、この例示的ＭＩＩＭのエネルギーバンド図の挿入プロットを含む。
【図４ａ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示し、デバイスはゼロバイアス電圧の必要なく用いられるよう構成されている。
【図４ｂ】本発明のＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示し、デバイスはゼロバイアス電圧の必要なく用いられるよう構成されている。
【図５ａ】本発明の第１の代替的ＭＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示している。
【図５ｂ】本発明の第１の代替的ＭＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示している。
【図６ａ】本発明の第２の代替的ＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかっていない状態を示している。
【図６ｂ】本発明の第２の代替的ＭＩＩＭデバイスのエネルギーバンド図であり、バイアスのかかった状態を示している。
【図７】ＭＩＩＭデバイス構造から導き出された小信号モデルの模式図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の電圧が第１および第２導電層にわたって印加されるよう互いに離間して配された第１および第２導電層と、
前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを生成するように構成される絶縁構造と、
を備えるバラクタ。
【請求項２】
前記所与の電圧を用いて、前記第１導電層よりも正方向に、前記第２導電層にだんだんバイアスをかけることで、対応するデバイスキャパシタンス値の増加を生成する、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項３】
前記絶縁構造は、少なくとも、第１導電層に隣接する第１絶縁層と、第２導電層に隣接し、第１絶縁層と隣り合わせの関係にある第２絶縁層とを含み、その間に境界を規定し、前記複数の絶縁層の第１絶縁層との当該境界近傍で、前記複数の絶縁層の第２絶縁層内に電荷プールを生成する、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項４】
前記第１絶縁層は第１障壁高を含み、前記第２絶縁層は第２障壁高を含み、前記第１および第２障壁高は、前記所与の電圧に応じて第２導電層から第２絶縁層を通過する電子のトンネリングを生成させ、第１絶縁層を横切る電子のトンネリングを禁じて、前記電荷プールを生成するように選択される、請求項３に記載のバラクタ。
【請求項５】
前記第１障壁高は、前記第２障壁高よりも高い、請求項４に記載のバラクタ。
【請求項６】
前記第１障壁高は１ｅＶよりもはるかに高く、前記第２障壁高は０．３ｅＶよりも低い、請求項５に記載のバラクタ。
【請求項７】
前記第１絶縁層は第１キャパシタンス値を含み、前記第２絶縁層は第２キャパシタンス値を含み、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん正になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より低い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１キャパシタンス値と第２キャパシタンス値の直列の組み合わせに近づき、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん負になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より高い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１絶縁層の第１キャパシタンス値に近づくようになっている、請求項３に記載のバラクタ。
【請求項８】
前記バラクタは、所与の電圧の閾値をゼロボルト、少なくともほぼゼロボルト、に設定するように構成される、請求項７に記載のバラクタ。
【請求項９】
前記絶縁構造は、第１および第２導電層の間に１つのみの絶縁材料の層を含み、前記絶縁材料は第２導電層の第２層仕事関数と協働して前記絶縁材料と前記第２導電層との間に所与の電圧に応じて負の障壁高を生成する絶縁障壁高を有し、前記電荷プールが前記絶縁体材料内の前記第２導電層との境界の近傍に形成される、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項１０】
前記電荷プールは、所与の電圧の変化により変調される幅を備えている、請求項９に記載のバラクタ。
【請求項１１】
前記絶縁構造は、少なくとも、アモルファス材料からなる一つの層を含む、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項１２】
第１および第２導電層を、所与の電圧が第１および第２導電層にわたって印加されるよう互いに離間して配し、
前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを生成するよう構成される絶縁構造を配する、
バラクタの作製方法。
【請求項１３】
前記絶縁構造を、前記第１および第２導電層と協働して、前記所与の電圧を用いて、前記第１導電層よりも正方向に、前記第２導電層にだんだんバイアスをかけることで、対応するデバイスキャパシタンス値の増加を生成するよう構成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記絶縁構造を、少なくとも、第１導電層に隣接する第１絶縁層と、第２導電層に隣接し、第１絶縁層と隣り合わせの関係にある第２絶縁層とを含み、その間に境界を規定し、前記複数の絶縁層の第１絶縁層との当該境界近傍で、前記複数の絶縁層の第２絶縁層内に電荷プールを生成するよう構成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記所与の電圧に応じて第２導電層から第２絶縁層を通過する電子のトンネリングを生成させ、第１絶縁層を横切る電子のトンネリングを禁じて、前記電荷プールを生成するように、前記第１絶縁層が第１障壁高を含み、前記第２絶縁層が第２障壁高を含むように選択する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１障壁高は、前記第２障壁高よりも高い、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１障壁高は１ｅＶよりもはるかに高く選択され、第２障壁高は０．３ｅＶよりも低く選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１絶縁層は第１キャパシタンス値を含み、前記第２絶縁層は第２キャパシタンス値を含み、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん正になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より低い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１キャパシタンス値と第２キャパシタンス値の直列の組み合わせに近づき、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん負になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より高い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１絶縁層の第１キャパシタンス値に近づくようになっている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記バラクタを、所与の電圧の閾値をゼロボルト、少なくともほぼゼロボルト、に設定するよう構成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁構造を、第１および第２導電層の間に１つのみの絶縁材料の層を含み、前記絶縁材料は第２導電層の第２層仕事関数と協働して前記絶縁材料と前記第２導電層との間に所与の電圧に応じて負の障壁高を作り出す絶縁障壁高を有し、前記電荷プールは前記絶縁体材料内の前記第２導電層との境界の近傍に形成されるよう構成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
電荷プールは所与の電圧の変化により変調される幅を備えている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
絶縁構造の１部として、少なくとも、アモルファス材料の一つの層を用いる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１】
所与の電圧が第１および第２導電層にわたって印加されるよう互いに離間して配された第１および第２導電層と、
前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを生成するように構成される絶縁構造と、
を備えるバラクタ。
【請求項２】
前記所与の電圧を用いて、前記第１導電層よりも正方向に、前記第２導電層にだんだんバイアスをかけることで、対応するデバイスキャパシタンス値の増加を生成する、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項３】
前記絶縁構造は、少なくとも、第１導電層に隣接する第１絶縁層と、第２導電層に隣接し、第１絶縁層と隣り合わせの関係にある第２絶縁層とを含み、その間に境界を規定し、前記複数の絶縁層の第１絶縁層との当該境界近傍で、前記複数の絶縁層の第２絶縁層内に電荷プールを生成する、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項４】
前記第１絶縁層は第１障壁高を含み、前記第２絶縁層は第２障壁高を含み、前記第１および第２障壁高は、前記所与の電圧に応じて第２導電層から第２絶縁層を通過する電子のトンネリングを生成させ、第１絶縁層を横切る電子のトンネリングを禁じて、前記電荷プールを生成するように選択される、請求項３に記載のバラクタ。
【請求項５】
前記第１障壁高は、前記第２障壁高よりも高い、請求項４に記載のバラクタ。
【請求項６】
前記第１障壁高は１ｅＶよりもはるかに高く、前記第２障壁高は０．３ｅＶよりも低い、請求項５に記載のバラクタ。
【請求項７】
前記第１絶縁層は第１キャパシタンス値を含み、前記第２絶縁層は第２キャパシタンス値を含み、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん正になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より低い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１キャパシタンス値と第２キャパシタンス値の直列の組み合わせに近づき、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん負になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より高い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１絶縁層の第１キャパシタンス値に近づくようになっている、請求項３に記載のバラクタ。
【請求項８】
前記バラクタは、所与の電圧の閾値をゼロボルト、少なくともほぼゼロボルト、に設定するように構成される、請求項７に記載のバラクタ。
【請求項９】
前記絶縁構造は、第１および第２導電層の間に１つのみの絶縁材料の層を含み、前記絶縁材料は第２導電層の第２層仕事関数と協働して前記絶縁材料と前記第２導電層との間に所与の電圧に応じて負の障壁高を生成する絶縁障壁高を有し、前記電荷プールが前記絶縁体材料内の前記第２導電層との境界の近傍に形成される、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項１０】
前記電荷プールは、所与の電圧の変化により変調される幅を備えている、請求項９に記載のバラクタ。
【請求項１１】
前記絶縁構造は、少なくとも、アモルファス材料からなる一つの層を含む、請求項１に記載のバラクタ。
【請求項１２】
第１および第２導電層を、所与の電圧が第１および第２導電層にわたって印加されるよう互いに離間して配し、
前記第１および第２導電層の間に配された、少なくとも１つの絶縁層を含み、前記第１および第２導電層間のデバイスキャパシタンス値が所与の電圧に応じて変化するよう、前記第１および第２導電層と協働して所与の電圧の変化に応じて変化する電荷プールを生成するよう構成される絶縁構造を配する、
バラクタの作製方法。
【請求項１３】
前記絶縁構造を、前記第１および第２導電層と協働して、前記所与の電圧を用いて、前記第１導電層よりも正方向に、前記第２導電層にだんだんバイアスをかけることで、対応するデバイスキャパシタンス値の増加を生成するよう構成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記絶縁構造を、少なくとも、第１導電層に隣接する第１絶縁層と、第２導電層に隣接し、第１絶縁層と隣り合わせの関係にある第２絶縁層とを含み、その間に境界を規定し、前記複数の絶縁層の第１絶縁層との当該境界近傍で、前記複数の絶縁層の第２絶縁層内に電荷プールを生成するよう構成する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記所与の電圧に応じて第２導電層から第２絶縁層を通過する電子のトンネリングを生成させ、第１絶縁層を横切る電子のトンネリングを禁じて、前記電荷プールを生成するように、前記第１絶縁層が第１障壁高を含み、前記第２絶縁層が第２障壁高を含むように選択する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１障壁高は、前記第２障壁高よりも高い、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１障壁高は１ｅＶよりもはるかに高く選択され、第２障壁高は０．３ｅＶよりも低く選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１絶縁層は第１キャパシタンス値を含み、前記第２絶縁層は第２キャパシタンス値を含み、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん正になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より低い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１キャパシタンス値と第２キャパシタンス値の直列の組み合わせに近づき、
前記第２導電層に対して前記第１導電層がだんだん負になるようにする、所与の電圧の所与の閾値より高い、所与の電圧の印加により、デバイスキャパシタンス値が第１絶縁層の第１キャパシタンス値に近づくようになっている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記バラクタを、所与の電圧の閾値をゼロボルト、少なくともほぼゼロボルト、に設定するよう構成する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁構造を、第１および第２導電層の間に１つのみの絶縁材料の層を含み、前記絶縁材料は第２導電層の第２層仕事関数と協働して前記絶縁材料と前記第２導電層との間に所与の電圧に応じて負の障壁高を作り出す絶縁障壁高を有し、前記電荷プールは前記絶縁体材料内の前記第２導電層との境界の近傍に形成されるよう構成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
電荷プールは所与の電圧の変化により変調される幅を備えている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
絶縁構造の１部として、少なくとも、アモルファス材料の一つの層を用いる、請求項１２に記載の方法。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５０６２６５（Ｐ２００８−５０６２６５Ａ）
【公表日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５２０５２３（Ｐ２００７−５２０５２３）
【出願日】平成１７年７月８日（２００５．７．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２４２０７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０１４５７４
【国際公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【出願人】（３０３０４４０７７）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ コロラド (11)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｌｏｒａｄｏ
【公表日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月８日（２００５．７．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２４２０７
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０１４５７４
【国際公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【出願人】（３０３０４４０７７）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ コロラド (11)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｌｏｒａｄｏ
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