专利名称：电气开关及使用该电气开关的存储元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用导电性随着铁电体(ferroelectric)的自发极化的变化而变化的电气开关及使用该电气开关的存储元件。
背景技术：
铁电体具有自发极化，能够进行极化方向的控制。作为利用铁电体的自发极化的可变性的装置，有铁电存储器。它是利用通过对铁电体施加电压而改变自发极化的方向、电荷随之移动的特性，来构成电气开关的，被用作非易失性存储器。在这种铁电存储器中，已经知道伴随着自发极化变化的导电性的变化是泄漏电流的产生原因，作为泄漏电流对策，防止导电性变化的方法正在被研究。此外，还有利用泄漏电流的技术(参照日本特开平10-56141号公报)。此外，作为利用铁电体的极化的装置，有例如利用通过过电流使电气导电性变化的特性的电气开关。
此外，关于铁电体的极化，有在X板的Mg掺杂LiNbO3中极化反转部显示整流特性、低电阻化的报告(参照S.Sonoda，I.Tsumura，and M.Hatori；Applied Physics Letters，vol.70，pp.3078-3079，1997)。
此外，还有通过在铁电体中流过过电流而使电气导电性变化的电气开关(参照Y.Watanabe、J.G.Bdxorz，A.Biestsch、Ch.Gerber、D.Widmer、A.Beck；Applied Physics Letters，vol.78，pp.3738-3740，2001)。
这样，有利用铁电体的极化的各种技术。另外，在铁电存储器中，其绝缘性随着自发极化的变化而变差的现象，是使铁电存储器的特性变差的现象，但这些特性是数倍左右～数10倍左右的导电性的变差。
利用铁电体的自发极化的变化的目前市场销售的铁电存储器的稳定性、量产性及可靠性是优良的，这通过广泛的存储器应用正在被证实。但是，以往的铁电存储器是将通过伴随着自发极化反转的电荷移动而产生的电场，用作驱动半导体开关的电压，是2次的。因此，有结构复杂、集成度的提高有限度的问题。进而，在存储器的寿命、开关的重复次数、以及非易失性电荷的维持时间等方面还不能说是足够好的。另一方面，虽然也对在直接开关中利用自发极化的变化本身进行了尝试，但由于没有发现合适的铁电体材料，所以还没有实现。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而做出的，目的是提供一种结构简单、集成度高的铁电体电气开关及使用它的存储元件。
本发明的电气开关的特征在于，具有添加了金属的铁电体基板；设置在上述铁电体基板上的一对电极；使上述铁电体基板的一部分的极化方向变化的电场施加部；通过使上述极化方向变化，使上述铁电体基板的电阻值变化。
本发明的存储元件的特征在于，具有多个本发明的电气开关；保持着上述各电气开关的上述铁电体基板的电阻值。
图1A是表示本发明的实施方式1的电气开关的结构的立体图。
图1B是表示本发明的实施方式1的另一种电气开关的结构的立体图。
图2A是用来说明对铁电体基板施加电压时的极化方向的图。
图2B是用来说明对铁电体基板施加电压时的极化方向的图。
图2C是用来说明对铁电体基板施加电压时的极化方向的图。
图2D是表示对铁电体基板施加电压时的滞后特性的电场与极化的关系图。
图3表示图2A所示的状态与图2B所示的状态的各自的电流电压特性。
图4A表示对铁电体基板施加直流电压时的时间与电阻的变化。
图4B表示铁电体基板的频率与电阻的变化。
图5A是用来说明电极的形状的俯视图。
图5B表示电极对的各个电极的周边部的长度与电阻的关系。
图6A是表示实施方式2的第1电气开关的结构的侧视图。
图6B是表示实施方式2的第2电气开关的结构的俯视图。
图7A是表示实施方式2的第3电气开关的结构的侧视图。
图7B是表示在电极对间流动的电流与时间的关系的图。
图8A是表示本实施方式2的第4电气开关的结构的侧视图。
图8B是表示对本实施方式2的第4电气开关的铁电体基板施加的电压与时间经过的关系的图。
图8C是表示在本实施方式1的第4电气开关中流过的电流与时间经过的关系的图。
图9A是表示本发明的实施方式3的电气开关的结构的俯视图。
图9B是表示本发明的实施方式3的电气开关的结构的剖视图。
图9C是表示本发明的实施方式3的产生了畴壁(domain wall极化壁)的状态的电气开关的结构的俯视图。
图9D是表示本发明的实施方式3的产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图10是表示实施方式3的另一种电气开关的结构的结构图。
图11A是表示本发明的实施方式4的第1电气开关的结构的俯视图。
图11B是表示本发明的实施方式4的第1电气开关的结构的剖视图。
图11C是表示本发明的实施方式4的产生了第1畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图11D是表示本发明的实施方式4的产生了第1畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图12A是表示本发明的实施方式4的第2电气开关的结构的俯视图。
图12B是表示本发明的实施方式4的第2电气开关的结构的剖视图。
图12C是表示本发明的实施方式4的产生了第2畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图12D是表示本发明的实施方式4的产生了第2畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图13A是表示本发明的实施方式4的第3电气开关的结构的俯视图。
图13B是表示本发明的实施方式4的第3电气开关的结构的剖视图。
图13C是表示本发明的实施方式4的产生了第3畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图13D是表示本发明的实施方式4的产生了第3畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图14A是表示本发明的实施方式4的第4电气开关的结构的俯视图。
图14B是表示本发明的实施方式4的第4电气开关的结构的剖视图。
图14C是表示本发明的实施方式4的产生了第4畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图14D是表示本发明的实施方式4的产生了第4畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图15A是表示本发明的实施方式4的第5电气开关的结构的俯视图。
图15B是表示本发明的实施方式4的第5电气开关的结构的剖视图。
图15C是表示本发明的实施方式4的产生了第5畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图15D是表示本发明的实施方式4的产生了第5畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图16A是表示本发明的实施方式4的第6电气开关的结构的俯视图。
图16B是表示本发明的实施方式4的第6电气开关的结构的剖视图。
图16C是表示本发明的实施方式4的产生了第6畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图16D是表示本发明的实施方式4的产生了第6畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图17A是表示本发明的实施方式4的第7电气开关的结构的俯视图。
图17B是表示本发明的实施方式4的第7电气开关的结构的剖视图。
图17C是表示本发明的实施方式4的产生了第7畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图17D是表示本发明的实施方式4的产生了第7畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图18A是表示本发明的实施方式4的第8电气开关的结构的俯视图。
图18B是表示本发明的实施方式4的第8电气开关的结构的剖视图。
图18C是表示本发明的实施方式4的产生了第8畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图。
图18D是表示本发明的实施方式4的产生了第8畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图19是表示实施方式5的电气开关与测量它的实验系统的结构的示意图。
图20A是使铁电体基板为无掺杂的LiNbO3、使其厚度为0.15mm时的施加电压与电流的关系图。
图20B是使铁电体基板为掺杂了5mol％Mg的LiNbO3、使其厚度为1mm时的施加电场与电流的关系图。
图21A是表示极化开始反转、电阻降低的状态的电极的极化的状况的图。
图21B是表示已反转的极化反转再反转、电阻回复原状的状态电极的极化的状况的图。
图22是铁电体基板中掺杂的Mg的摩尔浓度与电极间的电阻的变化量的关系图。
图23A是表示伴随着时间经过的电极间的电压波形的图。
图23B是表示伴随着时间经过的电极间的电流波形的图。
图24是表示实施方式6的存储元件的结构的立体图。
图25是具体表示实施方式6的存储元件的结构的立体图。
具体实施例方式
本发明的电气开关通过控制铁电体的自发极化而显著地改变铁电体的电气导电性来进行开关。由此，由于能够将铁电体用作直接开关，所以能够以简单的结构实现集成度较高的电气开关。
此外，优选的是，上述铁电体基板为氧化物。由此，铁电体基板具有高绝缘性。因此，通过开关能够实现较大的电阻变化。
此外，优选的是，上述铁电体基板由单一极化的铁电体材料构成，上述电场施加部在与上述铁电体基板的极化方向对置的朝向上施加电场。由此，由于极化方向一致，所以能够以低电压驱动开关。
此外，优选的是，上述铁电体基板在极化反转时残留有与上述反转后的极化对置的内部电场。由此，可以看到铁电体基板的电阻的变化。
此外，优选的是，上述电场施加部对上述铁电体基板施加电场，上述电场为频率大于等于5Hz的交流电场。由此，铁电体基板的电阻不随着时间而变化，所以是稳定的。
此外，优选的是，上述电场施加部对上述铁电体基板施加电场，上述电场为叠加了高频率的电场。由此，能够降低在使已低电阻化的铁电体基板再反转而高电阻化时所需的电流。因此能够降低电气开关的驱动电力。
此外，优选的是，添加到上述铁电体基板中的上述金属为Mg、Zn、In、Sc、Cu、Fe中的至少一种，上述铁电体基板为LiNbO3。由此，可以看到铁电体基板的电阻的变化。
此外，上述铁电体基板可以是添加了上述金属的Z板的LiNbO3。
此外，优选的是，上述铁电体基板为单一极化处理后的铁电体结晶。由此，由于极化方向一致，所以能够以低电压进行开关的驱动。
此外，优选的是，上述铁电体基板为多晶或无定形(非晶质)材料。由此，能够将铁电体基板做成薄膜，所以在制造中不需要体(bulk大块)的结晶生长，能够容易地制造。
此外，优选的是，上述一对电极沿着上述铁电体基板的自发极化的方向排列，上述电场施加部通过在上述一对电极间施加电场，控制上述铁电体基板的一部分的极化方向，并控制上述一对电极间的电阻。由此，构成了电气开关。
此外，优选的是，还具有在与上述铁电体基板的自发极化方向大致正交的方向上排列而形成的一对电极，上述电场施加部通过在沿着上述自发极化方向排列而形成的一对电极间施加电场，控制上述铁电体基板的一部分的极化方向，控制在与自发极化方向大致正交的方向上排列而形成的一对电极间的电阻。由此，构成了电气开关。
此外，优选的是，通过上述电场施加部对上述铁电体基板施加电场，使上述铁电体的施加了电场的部分中的10％～90％部分的极化方向发生变化。由此，能够控制上述铁电体基板的施加了电场的部分的电阻值。
此外，上述铁电体基板的自发极化的方向可以相对于上述铁电体基板的表面大致垂直。
此外，铁电体基板的自发极化的方向可以相对于上述铁电体基板的表面大致平行。
此外，优选的是，上述铁电体基板的最大电阻值大于等于最小电阻值的100倍。由此，具有了作为电气开关的功能。
此外，优选的是，上述一对电极的至少某个电极为梳形电极。由此，极化反转的扩展变快。
此外，上述铁电体基板可以为单一极化的结晶，上述梳形电极的电极指的方向与上述结晶的Y轴方向大致平行。
此外，优选的是，上述电场施加部通过控制上述铁电体的极化方向，在上述一对电极间附近形成或消除作为不同极化方向的界线的畴壁，并改变上述一对电极间的电阻值。由此，能够实现电气开关。
此外，优选的是，在上述铁电体基板的表面上形成有槽，在上述槽中形成上述一对电极。由此，电场分布变得均匀，降低了用来驱动电气开关的电压。此外，表面电荷的影响变小，提高了一对电极间的绝缘性。
此外，优选的是，上述金属的添加浓度大于等于1mol％。由此，能够得到铁电体基板的较大的电阻变化。
此外，优选的是，上述铁电体基板的自发极化的方向相对于上述铁电体基板的表面倾斜。即，该铁电体基板是铁电体基板的自发极化方向相对于铁电体基板表面倾斜交叉的切余基板(off-cutsubstrate)。由此，铁电体基板的极化的控制性较高。能够再现性良好地形成均匀的极化反转。
此外，优选的是，在上述铁电体基板的表面上设置有一对极化用电极，上述电场施加部在上述一对极化用电极间施加电场。由此，由于能够将极化用电极与为了检测电阻值而流过电流的电极，所以能够有效地驱动电气开关。
此外，优选的是，在上述铁电体基板的表面上形成的槽中设置有一对极化用电极，上述电场施加部在上述一对极化用电极间施加电场。由此，电场分布变得均匀，降低了用来驱动电气开关的电压。此外，表面电荷的影响变小，提高了一对电极间的绝缘性。
此外，上述电场施加部可以是由半导体材料构成的电气开关元件。
此外，优选的是，具有加热上述铁电体基板的加热部。由此，通过加热铁电体基板，能够以低电压驱动电气开关。
此外，优选的是，如权利要求1所述的电气开关，其中，上述铁电体基板具有钛铁矿构造。由此，铁电体基板的电阻降低变大。
此外，优选的是，通过改变上述极化方向时的上述铁电体基板的电荷的移动，在上述一对电极间流过电流，使上述一对电极间的电阻值变化。由此，由于最低也有2Ps×S的电荷流过，电阻值大幅变化2位数以上，所以能够充分地作为开关使用。
此外，优选的是，上述铁电体基板被实施了使自发极化的方向基本沿单一方向一致的极化(poling)处理。由此，在结晶中无应变残留，能够使极化导向到一个方向上。
此外，优选的是，在上述一对电极的至少一个与上述铁电体基板之间设置有绝缘层。由此，能够减小为了使极化反转而施加的电场，能够以低电力消耗驱动电气开关。
此外，本发明的存储元件，是使用本发明的电气开关而构成的。由此，能够以简单的结构实现高集成度的非易失性存储器。
此外，优选的是，上述各电气开关二维地排列有多个。由此，能够容易地实现二维存储器。
此外，优选的是，上述各电气开关在半导体集成电路上形成有多个，上述电压施加部由上述半导体集成电路控制。由此，能够容易地控制各电气开关。
此外，优选的是，上述各电气开关的上述铁电体基板的电阻值由上述半导体集成电路控制，上述各电气开关的上述铁电体基板的电阻值由上述半导体集成电路检测。由此，能够容易地存储信息、容易地读取所存储的信息。
此外，优选的是，具有光照射部，上述光照射部将波长500nm以下的光照射到各电气开关的上述铁电体基板上。由此，通过对所有的铁电体基板照射光，能够使所有的电气开关的电阻高电阻化，所以能够实现可以将所存储的信息一起消除的存储元件。
此外，优选的是，具有将上述各电气开关的上述铁电体基板加热的加热部。由此，通过加热所有的铁电体基板，能够使所有的电气开关的电阻高电阻化，所以能够实现可以将所存储的信息一起消除的存储元件。
本发明的铁电体电气开关和使用它的存储元件，是利用了铁电体的导电性随着施加电场而带来的铁电体的自发极化的变化而大幅变化的特性。具体而言，是利用了随着自发极化的变化，铁电体从绝缘体向半导体、或从半导体向绝缘体的其导电性显著变化的现象。该现象在以往不为人知，是本发明者们根据实验结果而发现的。利用该铁电体的导电性的可变特性，能够实现电气开关和使用该电气开关的存储元件。
下面具体说明本发明的实施方式。
(实施方式1)对本发明的实施方式1的电气开关加以说明。图1A是表示本发明的实施方式1的电气开关10a的结构的立体图。此外，图1B是表示本发明的实施方式1的另一种电气开关10b的结构的立体图。如图1A所示，实施方式1的电气开关10a具有添加了金属的铁电体基板1；电极对2；电场施加部，即电压源4。电极对2设置在铁电体基板上。图1A中的箭头表示铁电体基板1的极化方向。电极对2分别与电压源4连接。电极对2设置在铁电体基板1的表面及背面上，它们沿着极化的方向配置。
对该电气开关10a的动作加以说明。首先，在对电极对2施加电场的状态下，铁电体基板1为绝缘体，所以导电性较低。即为高电阻，在电极对2之间没有电流流过。接着，通过电压源4与铁电体基板1的自发极化方向对置地施加电场。电压源4能够对铁电体基板1施加电场，由此能够使铁电体基板1的一部分的极化方向变化。自发极化完全反转，如果极化结束，则电极对2之间的导电性变高。即电极对2之间为低电阻，电流流过。接着，如果用电压源4对铁电体基板1在与目前极化反转的方向相反的朝向(原来的自发极化的朝向)施加电场，则铁电体基板1的极化回复到原来的自发极化状态(再反转)。在该状态下，电极对2之间再次成为高电阻。这样，通过控制电压源4，能够使电解对2之间变为导通或非导通，作为开关而动作。
图1B是表示另一种实施方式1的电气开关的结构的立体图。与图1A的不同点是由箭头表示的铁电体基板1的自发极化的朝向相对于铁电体基板1的表面平行，电极对2在沿着自发极化朝向的方向并列，设置在铁电体基板1的同一面上。在这种结构中，也能够通过控制电压源4来改变铁电体基板1的一部分即电极对2之间的极化方向。由此，能够使电解对2之间变为导通或非导通。
接着，说明通过控制铁电体基板1的极化方向能够改变铁电体基板1的导电性的理由。首先说明铁电体的特性。铁电体材料具有自发极化，其极化方向可以在外部电场的作用下改变。图2A、图2B、和图2C，是用来说明对铁电体基板施加电压时的极化方向的图，图2D是表示对铁电体基板施加电压时的滞后特性的电场与极化的关系图。
在通过电压源4对铁电体基板1施加电场时，已知表现出图2D所示的滞后特性。铁电体基板1在结晶内具有电荷的偏置，内部具有电场。这称作自发极化(Ps)。如果从外部在与该电场对置的方向施加电压，则自发极化的方向发生变化。
例如，在单轴方向具有极化的情况下，极化方向只有2种。如图2A～图2C所示，将电极对2设置为夹着铁电体基板1对置，还设置为使电极对2对置的方向沿着极化方向。另外，图中的箭头表示极化的方向。首先，在没有对铁电体基板1施加电场的状态下，铁电体基板1自发极化，极化方向在图2A中为向上。如果通过电压源4对该铁电体基板1在与极化方向对置的方向(图2A中向下)施加电场，则在施加的电场超过反转电场-Ec的时刻，铁电体基板1的一部分即电极对2的周边的极化方向做180度反转(Ps成为-Ps)，成为图2B所示的状态。另外，在图2A～图2C中，将向上作为“+”方向，将向下作为“-”方向。如从图2A所示的状态变化到图2B所示的状态那样，极化方向变化为反方向的现象称作极化反转。在图2D中可知，图2A的状态为状态32a所示的地方，在施加电场变为-Ec时，变化为状态32b所示的状态。此外，在状态32a和状态32b之间有状态32c的状态。此外，如果通过电压源4从外部在极化的反方向(图2B中的上方向)对状态32b的铁电体基板1(图2B)加载电压，则在电场超过Ec的时刻，如图2A所示那样极化方向变为向上。即，在图2D中，从状态32b经由状态32c变化为状态32a。
在图2D中的状态32a下，铁电体基板1为原来的结晶状态，在状态32b下，电极对2之间的铁电体基板1的自发极化为反转状态。状态32a和状态32b是稳定状态，而状态32c和状态32d是向状态32a和状态32b变化的中间状态，可以看作结晶构造不稳定的状态、过渡状态。即，如图2C所示，仅电极对2周边的一部分反转极化，并不是电极对2周边完全极化反转。因此，在电极2周边，极化方向是反转极化的向下的极化与自发极化的向上极化混合存在的状态。另外，自发极化的极化为内部电场。
接着，对上述那样极化方向变化的状态的电流变化加以说明。铁电体一般为绝缘体，在发生极化反转的反转电场Ec附近，通过伴随着自发极化反转的内部电荷的移动而有瞬间电流流过。该电流的电荷量与反转面积S成比例，用2Ps×S表示。如果极化反转结束、流过了反转所需的该电荷量2Ps×S，则电流的流动停止，铁电体恢复为绝缘体。即，仅在发生极化反转的瞬间有电流流过，该电流量也不大。例如，利用通过该电荷的移动而在电极对2之间瞬间流过的电流，能够进行开关。
此外，在对绝缘体施加高电压时，会产生绝缘体的电气导电性增加的所谓绝缘损坏的现象。这是结晶构造被高电场损坏而丧失绝缘性的现象，由于结晶被损坏而使结晶构造本身发生变化，是不可逆的现象。
本发明者们发现，在铁电体的结晶中，除了绝缘损坏以外，在铁电体材料中电气导电性会增加。进而，它可以可逆地增加电气导电性。具体而言，在用图2A～图2D说明的单轴性铁电体基板1中，如上所述图2D中的状态32a和32b为稳定的状态，状态32c和32D为过渡状态。但是，状态32c和32d作为铁电体基板1的结晶状态而存在，这样，在铁电体基板1的结晶的一部分极化反转的状态下，发现铁电体基板1的结晶的电阻大幅降低。这种铁电体基板1的低电阻状态，仅在向状态32a和32b变化的中间阶段即状态32c和状态32d中存在。状态32c为图2C所示那样的状态，这样，在电极对2之间的一部分上发生了极化反转的状态下，铁电体基板1的电阻降低。
首先，如果对铁电体基板1施加与铁电体基板1的自发极化对置的电场(约2.6kV/mm)，该铁电体基板1是对Z板的Mg掺杂LiNbO3结晶进行单一极化处理而得到的，则在结晶的一部分的极化反转的时刻，观测到结晶的电阻大幅降低。该铁电体基板1为电阻1010Ω·cm以上的绝缘体，而如果开始极化反转则降低到106Ω·cm以下。如果再继续施加电压，则极化反转继续进行，如果极化完全反转则恢复为绝缘体。这样，作为Mg掺杂LiNbO3的结晶的铁电体基板1在极化反转的中途阶段结晶的电阻大幅降低。此外，如果在低电阻化的状态下在200℃左右对铁电体基板1进行热处理，则被高电阻化，电阻达到接近于原来状态的值。此时极化反转部的形状不变化。
此外，在另一种实验中，对将Z板的Mg掺杂LiNbO3结晶(Mg的掺入量为5mol％)进行单一极化处理而构成的铁电体基板1，施加与其自发极化对置的电场(约4kV/mm)。结果，在结晶的一部分极化反转的时刻，铁电体基板1的电阻大幅降低。原本电阻为1GΩ·cm以上的绝缘体，如果开始极化反转，则降低到1MGΩ·cm以下。如果再继续施加电场，则电阻再次增大。
通过这些结果可以想到，在Mg掺杂LiNbO3结晶那样的添加了金属的铁电体基板中，在刚开始形成极化反转后的、残留有内部电场的状态下，铁电体的电阻会降低。另外，所谓内部电场，是指在刚开始使自发极化反转后，与残留在结晶内部中的反转的极化对置的电场。
这样，在极化反转的中途电阻降低的现象，在LiNbO3、LiTaO3及KTP等铁电体的结晶中可观测到。在电阻降低的状态下，在结晶内部存在因极化反转而产生的结晶构造的应变，残留有与反转极化对置的电场。在此状态下，如果施加与反转后的极化对置的电场，则在比通常的反转电场Ec低的电压下发生再反转，返回到原来的自发极化状态。
图3表示图2A所示的状态与图2B所示的状态各自的电流电压特性。在图3中，实线表示的是图2A所示的状态，虚线表示的是图2C所示的状态。由图3可知，在图2A所示那样铁电体基板1完全极化的状态下，铁电体基板1为绝缘体，没有电流流过。但是，如图2C所示，在极化反转进行到中途的状态、且存在与自发极化对置的内部电场的状态下，铁电体基板1低电阻化而有电流流过。即，在处于极化的反转在电极间没有完全发生的状态、以及存在与反转的自发极化对置的内部电场这2个条件同时成立的情况下，可以看到铁电体的电阻大幅降低。
如图2A或图2B所示，如果极化反转在电极间完全进行，则电阻再次变大。作为极化反转部分，优选为电极间的10％～90％左右。此外，存在内部电极也是很重要的。如上所述，如果对低电阻化的铁电体在200℃左右进行热处理则电阻上升，可以认为这是因为内部电场降低的缘故。此外，电阻的降低可以认为是因为通过极化反转而产生的结晶构造的应变而发生的。结晶的应变是内部电场的重要原因，是因为在存在内部电场的情况下发生了电阻的降低。
此外，电阻低电阻化的状态的铁电体的电阻值也是与半导体同样的程度，其特性也显示出与半导体同样的特性。具体而言，铁电体具有整流特性。例如，在铁电体上堆积金属膜，调查其电流电压特性，结果因金属膜的种类而特性显著变化。可以认为这是因为金属—半导体间的接触部分的肖特基势垒的状态发生了变化，整流特性因金属膜的工作函数而发生了变化。即，通过一部分极化而低电阻化的铁电体表现出半导体的特性。
如上所述，在X板的Mg掺杂LiNbO3中，极化反转部表现出整流特性，低电阻化，这已经进行了阐述。但是，这是极化反转部分低电阻化，与本实施方式1的铁电体基板1那样，因极化反转与随着极化反转的内部电场的存在而低电阻化是不同的。
如上所述，实施方式1的电气开关具有在铁电体基板1中内部电极和与其对置的极化都存在的状态(参照图2C)，和铁电体基板1完全极化的状态(参照图2A或图2B)，通过切换至其中任一种状态，来将铁电体基板1分别低电阻化或高电阻化。由此，来控制电气开关为导通或非导通。
但是，存在内部电场的状态是结晶构造不稳定的。所以，对低电阻化的铁电体基板1的电阻的时间变化进行测量。图4A表示在对铁电体基板1施加直流电压时的时间与电阻的变化。使铁电体基板1成为图2C所示的状态，铁电体基板1的温度测量为120℃。如图4A所示，电阻值随着时间的经过而逐渐增加，在几小时内变为2～3倍。这显示出极化反转部分的电阻随着时间而增加。电阻的变化与温度有关，在室温下很小，而如果超过100℃则在几小时内变为2～3倍。为了稳定地使用而使电阻的变化不会太大，优选为在50℃以下的温度使用铁电体基板1。进而，还对电阻的频率相关性进行测量。图4B表示铁电体基板1的频率与电阻的变化。对铁电体的极化反转部分施加高频率，通过电流电压特性来测量电阻。在直流的情况下，1MΩ左右的电阻在频率为1kHz下增加到3MΩ左右。但是，如果观察电阻的时间变化，则可知通过增大频率使时间性变化几乎消失。在图4B中，也表示电阻随时间经过的变化量。如图4B所示，在直流电压、或不到5Hz的交流的情况下，电阻值随着时间而增加。但是，对于10Hz以上的交流，几乎没有电阻值的时间变化，显示出稳定的值。由此，作为控制电气开关的开关的信号，使用大于等于5Hz的交流信号就可以，更优选为使用10Hz以上的交流信号。
如上所述，在通过极化反转使铁电体基板1低电阻化的情况下，其电阻与所施加的高频率电场的频率有关(参照图4B)。具体而言，如果频率变大则电阻增加。此外，在为了使已低电阻化的铁电体基板1再反转、高电阻化而施加电场时，必须使高电流流过。所以，只要施加叠加了高频率的电场就可以。由此，能够实现铁电体基板1的高电阻化，能够减少施加电场时的电流。因此，能够降低电气开关的驱动电力。
将铁电体低电阻化时的电阻值与发生极化反转的表面积有关。图5A是用来说明电极的形状的电极的俯视图。如图2A所示，将电极对2在沿着铁电体基板1的极化方向上排列设置。如图5A所示，优选为将电极对2的形状做成梳形电极。由此，能够使电极对2的周边部的长度变长。图5B表示电极对2的各个电极的周边部的长度与电阻的关系。如图5B所示，通过使电极对2的各个电极的周边部(电极边缘)的长度变长，能够使铁电体基板1的电阻变得更低。即，即使相同的电极面积，做成较长的周边距离的电极形状能够变为更低的电阻。所以，可以使用例如梳形电极等。
此外，也可以使用例如在两边具有电极指的枝状电极来形状电极对2。作为电极的方向，如果使梳形的指的方向为结晶的Y轴方向则可提高特性。在使用Z板的Mg掺杂LiNbO3基板的实验中，可知形成极化反转的容易程度因梳形指的方向不同而不同。使梳形指的方向与Y轴方向一致的情况，和形成在与其90°正交的X轴方向上的情况相比，极化反转的扩散速度为10倍以上。因此，形成于结晶上的梳形的指的方向优选地设定为Y轴方向。
另外，作为铁电体基板1，使用了掺杂了Mg的LiNbO3，这是因为在LiNbO3结晶中得不到同样的效果。在LiNbO3本身中，看不到电气导电性伴随极化反转的大幅提高，在绝缘体的特性中没有变化。即，通过在铁电体中添加金属，能够实现电气导电性随着极化方向的变化而变化。同样，对于LiTaO3，在LiTaO3结晶单体中，在极化反转前后没有发生电气导电性的变化，而同样是绝缘体，通过添加Mg等金属添加物，能够观测到电气导电性的变化。在添加的Mg的掺入量不到1mol％时，伴随上述极化方向变化的铁电体基板1的电阻的变化量大幅地降低几个百分点左右。为了实现10％以上的较大的电阻变化，需要添加1mol％以上的金属。如果进行3mol％以上的添加则电阻变为1/10以下，就更有效了。此外，在其它铁电体材料中，只要是能够增大金属掺入量的，都能够实现同样的电气导电性的变化。
此外，作为铁电体基板1，也可以是单一极化的铁电体结晶以外的，只要是存在例如无定形结晶、微晶等结晶粒的物质就能够得到同样的效果。如果利用无定形、微晶构造，可以利用薄膜材料，所以不需要大量的结晶生长，装置制造变得容易。此外，通过做成无定形、微晶，能够增大金属添加物的掺入量。所以能够增大电极对2间的电阻的变化量。但是，由于如果增大金属的掺入量则结晶的晶格应变增大，所以在拉制大型结晶时会产生裂缝等，均匀的大型结晶的生长变得困难。例如在LiNbO3的情况下难以添加10mol％以上的Mg，所以在使用单结晶基板的情况下，掺入量优选为10mol％以下。
另外，使用使自发极化单一极化的MgO:LiNbO3，但对于添加了其他金属的铁电体、例如添加了In、Sc、Cu和Fe等金属的LiNbO3、LiTaO3、KTP、或它们的结晶的混合结晶，也能够得到同样的效果。
另外，作为铁电体基板1的材料，也可以是自发极化的方向垂直于表面的Z板基板以外的材料，例如也可以是自发极化方向与基板平面平行的X板或Y板、或者与基板表面斜交叉的切余(off-cut)基板等。切余基板由于极化的控制性较高，能够使均匀的极化反转再现性良好地形成，所以更优选。
另外，如上所述，在室温附近对铁电体的电阻变化进行了观测。观测到铁电体的大幅的电阻降低，有可能在更低温下引起超导作用。在温度较高的状态下如上述那样结晶不稳定，有时间性的制约，通过在低温下使用，能够解决结晶的不稳定性。如果在0℃以下的低温下利用铁电体则会显示出超导特性，并且通过利用极化反转能够构成超导的电气开关，所以是有效的。
(实施方式2)使用附图对本发明的实施方式2的电气开关加以说明。实施方式2的电气开关与实施方式1同样，是通过控制添加了金属的铁电体基板的极化而改变铁电体基板的电阻、使铁电体基板成为导通或非导通的电气开关。虽然电极的配置和电压施加部的结构等不同，但将所使用的铁电体基板做成与实施方式1中使用的相同就可以。
图6A和图6B是表示实施方式2的电气开关的结构的图。图6A是表示实施方式2的第1电气开关的结构的侧视图。在图中，将电压用电极对52设置为，使它们沿着箭头所示的铁电体基板51的自发极化的方向排列。此外，电压用电极对52夹着铁电体基板51地设置在其表面和背面上。进而，在设置有电压用电极对52的面中的一个面上，沿着极化方向的垂直方向设置有电流用电极对53。此外，图6B是表示实施方式2的电气开关的结构的俯视图。在铁电体基板56的一个面上设置有电压用电极对57，使它们沿着箭头所示的自发极化的方向排列。进而，在与设有电压用电极对57的面同一个面上，沿着极化方向的垂直方向设置有电流用电极58。在图6A和图6B中，电压源54与电压用电极对52和57电连接，电流源55与电流用电极对53和58电连接。另外，图6A的铁电体基板51为Z板，图6B的铁电体基板56可以为X板或Y板。此外，在图6A和图6B中，也可以使用切余基板。
在图6A和图6B所示的电气开关中，使用电压源54，在电压用电极对52间或电压用电极对57间，有选择地施加与铁电体基板51和铁电体基板56的自发极化对置的方向的电场、或与自发极化同一方向的电场。由此，能够将电压用电极对52间和电压用电极对57间的电阻分别控制为高电阻或低电阻。通过这样做，也在电流用电极对53间和电流用电极对58间将电阻控制为低电阻或高电阻，电流变为导通或非导通。
图7A是表示实施方式2的第3电气开关的结构的侧视图。图7A的电气开关是对电极对62间的电流值进行开关的电气开关。在铁电体基板61的表面和背面上沿着极化方向形成有电极(电极对62)，该电极对62与电压源63电连接。
通过电压源63施加在电极对62间的电场为超过反转电场Ec的脉冲电场。通过施加电场，铁电体基板61上的电极对62间的一部分极化反转，铁电体基板61的电阻降低。图7B是表示在电极对62间流过的电流与时间的关系的图。在图7B中，电流跳变的地方64是施加脉冲电场的时刻。如果施加脉冲电场，则铁电体基板61的电阻降低，如图7B所示，在电极对62间流过电流。进而，如果施加“-”的脉冲电压，则电流不流动。即，图7B的电流跳变的地方65是施加了“-”脉冲电压的时刻。这样，通过在电流中叠加脉冲电压，能够改变流动的电流的值，能够进行开关。
图8A是表示实施方式2的第4电气开关的结构的侧视图。该电气开关的极化方向(图中用箭头表示)与图7A的电气开关相差180度，而其他结构相同。电压源63可以使施加在铁电体基板61上的脉冲电压交替为“+”或“-”。图8B是表示对本实施方式2的第4电气开关的铁电体基板施加的电压与时间经过的关系的图。此外，图8C是表示在本实施方式1的第4电气开关中流过的电流与时间经过的关系的图。通过将图8B所示那样的脉冲电压施加到电极对62间，能够得到图8C所示那样的电流波形。由此可知，第4电气开关作为整流元件动作。即，如果将电压源63的脉冲电压施加到“-”上，则产生极化反转、电流流过，而施加“+”的电压则极化反转消失、电流不流过。通过重复这个动作，就能够得到整流特性。为了进行极化反转而必须施加反转电场Ec(2.6Kv/mm)，但为了使极化反转部分再反转而恢复原状，使用0.5Kv/mm以下的电场也是可以的。这是因为通过存在内部电场而使反转电压降低。
(实施方式3)使用附图对本发明的实施方式3的电气开关加以说明。
在铁电体材料中，伴随着自发极化的反转、电气导电性增加的状态是可逆地存在的，对于这种现象在实施方式1中进行了说明，阐述了这种现象是不是受到内部电压的影响的见解。但是，作为产生这种现象的原因，除了上述以外，还可以举出有无畴壁的存在。作为畴壁，是极化方向不同处彼此的界线。铁电体的电阻因有无畴壁而显著变化。在对铁电体基板施加电场的初期，在电极间存在畴壁，考虑是不是电阻因此而大幅降低呢。进而，如果继续施加电场则极化反转区域扩大，如果极化反转结束，则形成比电极面积大的极化反转区域。由于畴壁远离电极，所以可以想到电极间的电阻会再次增大。
可以认为在畴壁中结晶构造存在较大的应变、在自发极化剧烈变化的区域存在较大的内部电场，是引起这种现象的原因。所以，在实施方式3中，也加入畴壁的说明，对电气开关加以说明。
图9A～图9D是表示本发明的实施方式3的电气开关的结构的图。图9A是表示电气开关的结构的俯视图，图9B是表示电气开关的结构的剖视图，图9C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图9D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。在图9A～图9D中，在铁电体基板81的表面上形成有电极对82。该铁电体基板81使用由实施方式1和实施方式2说明的铁电体基板81就可以，具有同样的效果。铁电体基板81的自发极化方向在图中用箭头表示。沿着自发极化方向，该电极对82沿着铁电体基板81的自发极化方向排列设置。如图9A和图9B所示，在不使自发极化变化的状态下，在电极对82间没有形成极化不同的区域，没有形成畴壁。在该状态下，铁电体基板81为高电阻，在电极对82间想流过电流也不能。通过使自发极化变化的电场施加部，改变铁电体基板81的自发极化方向，从而如图9C和图9D所示，在电极对82间产生极化方向不同的区域83。在区域83内和区域83外，极化方向不同。该极化方向不同的界线，是畴壁84。由于在畴壁84中电阻大幅降低，所以电极对82间低电阻化。因此，在电极对82间有电流流过。
另外，虽然没有图示，但如实施方式1和2所示，电场施加部只要是能够在自发极化方向或其反方向上施加电场的例如电压源等就可以。此外，也可以是在电极对82间施加电压的电压源。如上所述，通过在电极对82间，在自发极化方向与反方向施加电压，能够产生畴壁84，由此，能够改变电极对82间的电阻。
极化方向不同的区域83的极化方向因铁电体基板81的不同而不同。例如，在使用单一极化的MgO:LiNbO3作为铁电体基板81的情况下，通过极化反转使极化方向改变180°。因此，在与铁电体基板81极化方向不同的区域83中，极化方向相差180°。除了这种极化方向，还有极化方向与铁电体基板81的表面平行的情况、垂直于铁电体基板81表面的情况、以及相对于铁电体基板81表面倾斜的情况等。此外，还有极化的稳定方向具有多个的情况，在这种情况下，通过施加的电场方向决定极化的方向。
铁电体基板81为单一极化的结晶，而在极化方向没有单一极化的情况下，需要将铁电体基板81单一极化处理后使用。此外，可以使用微晶、无定形、陶瓷等材料、单晶、液层生长的薄膜结晶等作为铁电体基板81，但由于它们的极化方向凌乱地存在，所以优选为实施极化处理。作为极化处理，是指将各材料的温度提升到其结晶的居里温度附近，通过施加电场，使极化方向一致的处理方法。由于提高温度来形成自发极化，所以在畴壁84中不易残留结晶应变。通过在该状态下逐渐冷却，能够形成微观极化方向一致的铁电体基板81。
为了实现极化处理后的铁电体基板81的低电阻状态，优选为使铁电体基板81的温度为比居里温度低很多的温度，施加与插木还原电场对置的电场。居里温度大多为几百℃。因此，极化反转温度优选为居里温度的1/2以下或100℃以下。通过这样做，能够做成因极化反转而使畴壁上残留结晶应变的状态。
在图9A～图9D中，说明了使用Mg掺杂LiNbO3作为铁电体基板81的情况。Mg的掺入量为5mol％，是X切割基板的单一极化处理后的结晶，具有自发极化的方向，使其沿着该电极对82排列的方向。在图9A和图9B的状态下，通过未图示的电场施加部在电极对82间施加5kV/mm的电场，使其为自发极化的反方向。例如，如果使电极对82彼此的间隔为1μm，则施加电压为5V。通过施加电压而产生畴壁。即变化为图9C和图9D的状态。此时电极对82间的电阻为几百Ω。
如果接着在与刚才相反的方向施加例如5V的电压，则再次恢复到图9A和图9B的状态，电极对82间的电阻增大到几十kΩ。这样，电阻的变化率为2位数以上。即100倍以上。
此外，反复进行了施加上述电场的操作，但还是同样能够改变电极对82间的电阻。图9A、图9B、图9C和图9D的各个状态的电阻值在刚变更后稍微变化，此后就是稳定的，即使这样经过几个月电阻也不会变化。这样，由于铁电体基板81的极化非常稳定，所以在中途不用接受来自外部的电气供给，实施方式3的电气开关可以永久地保持开关状态。
在改变铁电体基板81的极化方向时，形成或消除了畴壁84，但由此在产生畴壁84的部位存在较大的结晶应变。因此，在增大重复次数时会残留结晶性损坏，但结晶性损坏与畴壁84的区域的大小有关，动作次数的界限与面积成比例减少。在畴壁的面积为1mm2以上的情况下，重复次数为1000次左右。为了实现10万次以上的开关次数，只要将畴壁面积限制在100μm2以下就可以。通过进一步将面积减小到10μm2以下，能够进一步增大重复次数。
在铁电体基板81中如上所述掺杂有Mg。这样添加金属添加物由于能够减小用来使自发极化反转的反转电场Ec的值，所以是有效的。例如，在LiNbO3单体结晶的情况下，反转电场Ec的值为20Kv/mm左右，而通过掺杂5mol％左右的镁，反转电场Ec会降低至1/4左右。如果对结晶施加电压则通过电致伸缩效应使结晶应变，如果反复施加高电压则会产生裂缝等。因此，向铁电体基板81施加电压越小，电气开关的寿命越长。通过进行金属添加，能够大幅降低施加电压，所以电气开关的开关重复次数增大，所以是有效的。
此外，反转电场Ec的值与结晶构造有很大关系。由于使结晶拉制变得有效，所以铁电体基板81的结晶大多以稍稍偏离完全的组成比的适当组成(congruent composition)被拉制。这是因为该组成更容易拉制均匀的结晶。与此相对，可知通过使其成为化学剂量组成(stoichiometric composition)，反转电场Ec的值会大幅降低。这是因为化学剂量组成结晶内的缺陷密度更小，所以自发极化变得容易控制。例如在LiNbO3、LiTaO3中，反转电场Ec的值从1/4降低到1/10附近。所以，通过使用化学剂量结晶作为铁电体基板81，能够实现施加电压的低电压化，能够大幅增加电气开关的寿命。另外，化学剂量组成的结晶，除了结晶拉制以外，也能够通过外延生长进行的成膜而容易地形成。通过使用外延生长膜的铁电体基板81，能够容易地降低反转电场Ec，能够增加电气开关的开关寿命。
另外，在实施方式3中，在铁电体基板81的表面上形成电极对82，但电极对82的配置并不限于此。例如通过将铁电体基板81做成薄膜化、在其表面与背面上形成，也能够得到同样的效果。此外，铁电体基板81的电阻降低的是畴壁的部分，所以通过增大畴壁面积能够降低电阻。例如通过将电极对82做成梳形电极等，能够增大畴壁的面积，能够进一步使铁电体基板81低电阻化。
图10是表示实施方式3的另一种电气开关的结构的结构图。铁电体基板91与上述铁电体基板相同。在铁电体基板91的表面上形成有沟槽即槽96，电极对92形成于其中。进而，在铁电体基板91上设置有作为加热部的加热器97。在电极对92上连接着作为电场施加部的电压源98。另外，铁电体基板91的自然计划方向在图10中用箭头表示。该电气开关的动作与上述电气开关相同。
在图10所示的电气开关中，在通过电压源98对电极对92间施加电场时，优选为使铁电体基板91的温度比室温稍稍上升。通过由设置在铁电体基板91上的加热器97使铁电体基板91的温度变为80℃左右，能够使极化反转所需的施加电场Ec降低到一半左右。通过降低施加电场Ec，能够以较低的消耗电力来驱动电气开关。进而，由于在极化反转时发生的结晶的应变降低，所以重复次数的耐久性大幅上升，所以是有效的。具体而言，优选为在20℃以上使用铁电体基板91。更优选为40℃以上。
此外，通过在槽96内形成电极对92，能够使电场分布变得均匀，降低了用来形成极化不同的区域的电压。此外，表面电荷的影响变小，电极对92间的绝缘性变高，所以是优选的。另外，也可以在槽96内和铁电体基板91的表面上形成电极对92。
在实施方式3的铁电体基板81和91中，也可以做成无定形或微晶构造，此时，可以增大金属的掺入量。此外，通过使用将微晶烧结后的陶瓷等，可以利用同样的特性。但是，为了形成畴壁84而在薄膜内需要有反转极化的界线。因此，薄膜需要做成一定程度以上大小的结晶粒，作为微晶，优选为结晶粒的大小在1μm以上。薄膜的厚度优选在1μm以上、100μm以下。如果与上述相比薄膜过厚，则会需要成膜时间，量产性变差，并且会因与用来形成薄膜的基板的应力等而产生裂缝等问题。
(实施方式4)使用附图对本发明的实施方式4的电气开关加以说明。实施方式4的电气开关是在实施方式3的电气开关中还具有用来形成和消除畴壁的电极的结构。另外，在所有图中，对于具有相同作用的部件赋予相同的符号并省略说明。如图9A～图9D所示，通过控制电极对间有无畴壁来使电气开关动作。通过施加电场能够控制铁电体的自发极化。
图11A～图11D是表示本发明的实施方式4的第1电气开关的结构的图。图11A是表示电气开关的结构的俯视图，图11B是表示电气开关的结构的剖视图，图11C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图11D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第1电气开关在铁电体基板81的表面上形成有电极对82，并设置有极化用电极95。作为铁电体基板81只要使用具有实施例1～3中说明的特性的铁电体基板就可以。另外，铁电体基板81的自发极化方向在图中用箭头表示。电极对82在铁电体基板81的同一面内，沿着铁电体基板81的自发极化方向的垂直方向而排列设置。极化用电极95将与电极对82排列的方向平行的方向作为长度方向而设置。在这种电气开关中，通过在电极对82与极化用电极95之间施加电场，如图11C和图11D所示，形成极化不同的区域93。另外，各电极对82彼此为同电位。在极化不同的区域93的周边形成畴壁94。由此，电极对82间被低电阻化。在图11A和图11B所示的状态下，由于电极对82间为高电阻，所以在电极对82间没有电流流过(非导通)。但是，通过做成图11C和图11D的状态，可以使电流在电极对82间流过(导通)。即起到作为开关的作用。从图11C和图11D的状态开始，通过再在电极对82与极化用电极95之间施加与使电极对82间低电阻化时相反的方向施加电压，极化不同的区域93消失，畴壁94消失，所以使电极对82间的电阻高电阻化，恢复到原来的状态。
以下说明其他的电器开关，动作原理与上述相同，通过形成畴壁使电极对间低电阻化(导通)，畴壁消失而使电极对间高电阻化(非导通)。图12A～图12D是表示本发明的实施方式4的第2电气开关的结构的图。图12A是表示电气开关的结构的俯视图，图12B是表示电气开关的结构的剖视图，图12C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图12D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第2电气开关在铁电体基板81的表面上形成有电极对82，并设置有极化用电极对105。另外，铁电体基板81的自发极化方向在图中用箭头表示。电极对82在铁电体基板81的同一面内，沿着铁电体基板81的自发极化方向的垂直方向而排列设置。极化用电极对105将与电极对82排列的方向平行的方向作为长度方向而设置，极化用电极对105彼此夹着电极对82而设置。即，电极对82排列的方向与极化用电极对105排列的方向正交。在这种电气开关中，通过在极化用电极对105之间施加电场，如图12C和图12D所示，形成极化不同的区域103。在极化不同的区域103的周边形成畴壁104。由此，电极对82彼此之间被低电阻化。在图12A和图12B所示的状态下，由于电极对82间为高电阻，所以通过有选择地切换这些状态，能够起到作为开关的作用。此时，优选为使铁电体基板81的自发极化的方向与形成在极化用电极对105之间的电场的方向大致平行。由此，能够减小用来控制铁电体基板81的自发极化方向的电场。
从图12A和图12B所示的状态开始变化到图12C和图12D所示的状态时，对极化用电极对105间施加电场，但由于此时不存在畴壁104，所以铁电体基板81为高电阻状态，施加电场是容易的。但是，在从图12C和图12D所示的状态开始变化到图12A和图12B所示的状态时，由于在极化用电极对105间存在畴壁104，所以电阻变低，由于电流容易流动，所以在施加电场时消耗的电力变大。为了防止这种情况，在极化用电极对105与铁电体基板81之间形成例如绝缘体膜是有效的。例如通过将SiO2等绝缘体膜堆积在极化用电极对105与铁电体基板81之间，能够防止电流的流动，能够大幅降低控制极化时的电力消耗。
图13A～图13D是表示本发明的实施方式4的第3电气开关的结构的图。图13A是表示电气开关的结构的俯视图，图13B是表示电气开关的结构的剖视图，图13C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图13D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第3电气开关在铁电体基板81的表面上形成有电极对82，并设置有极化用电极115。另外，铁电体基板81的自发极化方向如图中用箭头表示那样，是铁电体基板81的厚度方向。电极对82排列设置在铁电体基板81的同一面内。此外，在电极对82之间设置有极化用电极115。上述第1和第2电气开关是在平行于铁电体基板81的表面的方向上控制极化方向的，而第3电气开关是在相对于铁电体基板81的表面垂直的方向上控制自发极化方向的电气开关。在图13A和图13B中，如果在电极对82与极化用电极115之间施加电压，则在相对于铁电体基板81的表面垂直的方向上也产生电场。作为铁电体基板81，使用了在相对于其表面垂直的方向上具有自发极化的基板，所以如图13C和图13D所示，形成自发极化不同的区域113，形成畴壁114。此外，为了降低电力消耗，优选为在极化用电极115的下方形成绝缘体膜。
图14A～图14D是表示本发明的实施方式4的第4电气开关的结构的图。图14A是表示电气开关的结构的俯视图，图14B是表示电气开关的结构的剖视图，图14C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图14D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第4电气开关在铁电体基板81的表面上形成有电极对82，还设置有极化用电极对125。另外，铁电体基板81的自发极化方向如图中用箭头表示那样，是铁电体基板81的厚度方向。电极对82排列设置在铁电体基板81的同一面内。第4电气开关在铁电体基板81的表面和背面上设置有极化用电极对125。设置在铁电体基板81的表面上的极化用电极对125中的一个设置在电极对82之间。从图14A和图14B的状态开始，通过在形成于铁电体基板81的表面和背面上的极化用电极对125间施加电场，变成图14C和图14D所示的状态。另外，铁电体基板81的自发极化方向相对于铁电体基板81的表面垂直。如图14C和图14D所示，在电极对82间形成极化不同的区域123，在其周围形成畴壁124。因此，使电极对82间低电阻化。另外，在第4电气开关中，为了降低极化反转的驱动电压，优选地使铁电体基板81薄膜化。铁电体基板81的厚度优选为5μm以下。
图15A～图15D是表示本发明的实施方式4的第5电气开关的结构的图。图15A是表示电气开关的结构的俯视图，图15B是表示电气开关的结构的剖视图，图15C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图15D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第5电气开关的铁电体基板81为切余基板，在它的表面上形成有电极对132。进而，在铁电体基板81上还设置有极化用电极135。通过在电极对132和极化用电极135之间施加电场，从图15A和图15B的状态变化到图15C和图15D的状态。所谓切余基板，是指自发极化方向相对于铁电体基板81的结晶表面具有角度的基板。由于极化反转部分沿着自发极化的方向生长，所以如图15C和图15D所示，极化不同的区域133在铁电体基板81的内部中沿着自发极化的方向(图中箭头所示的方向)生长。在极化不同的区域133的周围形成的畴壁134在潜入到铁电体基板81的内部中的部分上形成。由于畴壁134存在于电极对132的附近，所以使电极对132间的电阻低电阻化。
图16A～图16D是表示本发明的实施方式4的第6电气开关的结构的图。图16A是表示电气开关的结构的俯视图，图16B是表示电气开关的结构的剖视图，图16C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图16D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第6电气开关在铁电体基板81的表面上形成有极化用电极对145，来代替图15A～15D所示的第5电气开关的极化用电极。配置为，使电极对132排列的方向与极化用电极对145排列的方向正交。通过在这些极化用电极对145间施加电场，能够从图16A和图16B的状态变化到图16C和图16D的状态。在图16C和图16D所示的状态下，形成极化不同的区域143，在其周围形成畴壁144。因此，使电极对132间低电阻化。
图17A～图17D是表示本发明的实施方式4的第7电气开关的结构的图。图17A是表示电气开关的结构的俯视图，图17B是表示电气开关的结构的剖视图，图17C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图17D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。第7电气开关在铁电体基板131的表面上形成有极化用电极对155，来代替图15A～15D所示的第5电气开关的极化用电极。通过在这些极化用电极对155间施加电场，能够从图17A和图17B的状态变化到图17C和图17D的状态。在图17C和图17D所示的状态下，形成极化不同的区域153，在其周围形成畴壁154。因此，使电极对132间低电阻化。
第5～第7电气开关使用切余基板作为铁电体基板132。由此，畴壁134、144和154形成在铁电体基板132内部中。因此，极化用电极135、极化用电极对145和155不与畴壁134、144、154直接接触。由此，能够大幅降低从低电阻状态向高电阻状态移动时的施加电场的电力消耗。
以上说明了实施方式4的电气开关，但并不限于第1～第7电气开关的结构，只要是在铁电体上具有电极对、可以使它们之间的极化方向变化的结构就可以。
另外，在上述第1～第7电气开关的说明中，对于电场施加部省略了说明和图示，电场施加部控制铁电体基板81的极化方向，只要能够在对置于极化方向的方向上施加电场就可以。例如是实施方式1～3中说明的电压源。此外，可以是电极对、外部电源、静电源、放电、带电粒子、离子、其他铁电体和半导体电路(例如由半导体材料构成的电气开关元件等)产生电场的机构。
另外，在第2、第4和第6电气开关的极化用电极对中，各个电极的大小优选为非对称形状。特别优选为，使消除不同自发极化的电极比形成的电极大。这里，对消除不同自发极化的电极和形成的电极加以说明。铁电体基板的极化反转，是产生极化反转核，极化反转部从反转核向自发极化的方向生长。LiNbO3、LiTaO3、KTP等决定了极化反转核的产生方向，从+Z面侧产生极化。即，形成有极化反转核一侧(在LiNbO3、LiTaO3、KTP等中为+Z侧)的电极是形成不同的自发极化的电极，另一个电极(在LiNbO3、LiTaO3、KTP等中为-Z侧)是消除不同的自发极化的电极。
在LiNbO3、LiTaO3等单一极化的结晶中，极化反转部的生长由极化反转核的产生、和反转部分从极化反转核生长的工序构成。极化反转沿着结晶的C轴生长，极化核的产生是在+C侧产生的，所以极化反转从+C向-C发生。因此，极化用电极沿着极化方向排列形成，在±C轴侧形成是有效的。此时，优选为使形成于+C侧的电极比形成于-C侧的电极形状小。形成的自发极化的反转部分的宽度限制在+C侧的电极的宽度内。通过使施加将其消除的电场的-C侧电极比+C侧的电极大，能够使消除变得更彻底，能够增大电阻的变化。另外，C轴为结晶轴，与Z轴相同，表示单轴性的结晶的主轴方向。在LiNbO3、LiTaO3、KTP等中，自发极化的方向与C轴一致。
另外，作为在铁电体基板81的表面上形成的电极对、极化用电极对、以及极化用电极的材料，除了例如Ta、Al、Au、Pt和Cu等金属材料以外，也可以利用半导体材料。此外，也可以在这些电极材料上堆积多晶硅，来直接形成集成电路。
另外，也可以使用大块的铁电体材料作为铁电体基板81，也可以使用例如薄膜的铁电体基板。图18A～图18D是表示本发明的实施方式4的第8电气开关的结构的图。图18A是表示电气开关的结构的俯视图，图18B是表示电气开关的结构的剖视图，图18C是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的俯视图，图18D是表示产生了畴壁的状态的电气开关的结构的剖视图。
图18A～图18D是图9A～图9D所示的电气开关的铁电体基板81为薄膜、形成在基板167上的结构。动作与图9A～图9D所示的实施方式3的电气开关相同。作为薄膜，可以使用通过外延生长而制造的外延薄膜、其他无定形成膜等。外延薄膜由于可以利用具有铁电体特性的薄膜，所以是有效的。此外，作为薄膜的制造方法，有将铁电体材料贴合在基板上进行薄膜研磨的方法。作为贴合在基板上的方法，有通过粘接剂的方法、直接接合法等。在接合后，可以通过CMP研磨等形成几μm厚的铁电体的薄膜。薄膜研磨的方法与通过结晶生长进行成膜的方法不同，并不限于基板材料。因此，将半导体材料或电介质材料等用作基板167，可以在任何材料上形成。例如如果将作为铁电体基板81的铁电体薄膜接合到形成了电路的半导体电路上，则能够从半导体电路中所具有的电场施加部对铁电体基板81施加电压，或者同时读取铁电体基板81的电阻的变化，能够构成铁电存储器。
(实施方式5)使用附图对本发明的实施方式5的电气开关加以说明。对实施方式1～4的电气开关已进行了说明，在实施方式5中，具体地制造电气开关，表示对其各特性进行测量的结果。
图19是表示实施方式5的电气开关与测量它的实验系统的结构的示意图。如图19所示，电气开关170具有铁电体基板171；在铁电体基板171的表面上形成的电极172a和在铁电体基板171的背面上形成的电极172b；电压源173，作为在电极172a和172b之间施加电场的电场施加部。在铁电体基板171中，使用Z板的Mg掺杂的LiNbO3。
为了测量各特性，如图19所示，将电气开关170浸在绝缘液177中，在电极172a和172b间施加电场。将电气开关170浸在绝缘液177中，是为了防止电场施加过程中的放电。对电极172a和172b间的施加电压和电流的关系进行测量。另外，图中的箭头是铁电体基板171的自发极化方向。图20A和图20B是图19的电气开关的施加电压与电流的关系图。在图19中，将与自发极化对置的方向作为正方向。即，在图19中，从下向上的方向为正方向。图20A是使铁电体基板171为无掺杂的LiNbO3、使其厚度为0.15mm时的施加电压与电流的关系图。此外，图20B是使铁电体基板171为掺杂了5mol％Mg的LiNbO3、使其厚度为1mm时的施加电场与电流的关系图。
在图20A中，使施加电场增加，施加电压变为3.15kV时，开始自发极化的反转。另外，此时的施加电场为作为反转电场Ec的21kV/mm，如果超过该值，则在电极172a和172b间有电流流过。如果电极172a和172b的自发极化完全反转则电流停止。此时流过的电荷量Q与电极面积S和自发极化Ps成比例，为Q＝2S×Ps的关系。如果再对电极172a和172b施加正的电压，则在极化再反转时同样有电流流过。这是铁电体所表现的一般的特性，是通过伴随着极化反转的电荷量的移动而发生的。
另一方面，在图20B中，使施加电场增加，施加电压变为3.9kV时，开始自发极化的反转。另外，此时的施加电场为作为反转电场Ec的3.9kV/mm，如果超过该值，则电流开始流过。由于电极172a和172b间的电阻降低，所以电流继续流过。如果在此状态下测量电极间的电阻，则可知与极化反转前的电阻相比降低了8位数。然后，如果使电压降低，变为-3.9kV/mm，则极化再反转，电流停止。在此状态下停止电场施加，测量电极间的电阻，结果电极间的电阻恢复到与原来的结晶大致相同的值。另外，上述动作在图20B中按“1”、“2”、“3”、“4”、“5”的顺序来进行。
此外，对此时的电极172a和172b间产生的极化反转部分的状态进行观测，将结果在图21A和图21B中表示。图21A表示极化开始反转、电阻降低的状态的电极172a的极化的状况。此外，图21B表示已反转的极化反转再反转、电阻回复原状的状态电极172a的极化的状况。由图21A可知，在一部分上存在极化方向不同的区域190。此外，如图21B可知，不存在极化反转区域，极化的方向都是一致的。可知极化反转部的形成和消除，与电极172a和172b间的电阻值的变化有关。即，通过铁电体基板171的自发极化的反转和非反转，能够控制铁电体基板171的电气电阻。
进而，由于通过铁电体基板171的薄膜化能够降低反转电压，所以电气开关170消耗电力较少，因此是有效的。例如，在使铁电体基板171的膜厚为100nm左右时，在掺杂了3mol％Mg的铁电体基板171中，反转电压为1.3V左右，由于能够进行低电压驱动，所以是有效的。在铁电体基板171为结晶基板的情况以外的、利用无定形结晶或微晶状态的铁电体基板171的情况下，与单一结晶相比反转电压增大了几倍。因此，从施加电场的角度，金属添加的摩尔浓度优选为3mol％以上。此外，施加电场与结晶的温度有很大关系。具体而言，如果使铁电体基板171的温度上升到120℃，则反转电场Ec降低到大约一般。因此，例如电气开关170具有加热铁电体基板171的加热器等加热部，在进行开关时只要将铁电体基板171加热，就能够进行低电压驱动。此外，由于通过加热使极化反转时产生的结晶应变降低，所以电气开关170的重复次数的耐久性大幅上升。作为开关时的铁电体基板171的温度，优选为20℃以上。此外，更优选为40℃以上。
此外，在铁电体基板171中，与提高温度同样，照射接近于紫外线的光也能够使反转电场Ec降低。作为该光的波长，优选为500nm以下，更优选为400nm以下。通过照射这种短波长光，能够降低反转电场Ec，极化反转变得容易，所以能够大幅增加开关次数，能够延长电气开关170的寿命。此外，在一举消除所存储的开关状态的情况下，通过一边照射短波长光一边施加电场，能够无残留地进行可靠的消除。
此外，在通常的适当组成中，反转电场与Mg的掺杂量成反比例。例如在无掺杂情况下反转电场Ec为21kV/mm，在3mol％掺杂的情况下为12kV/mm左右，在5mol％掺杂的情况下为4kV/mm左右。因此，通过金属掺杂量的调整能够控制反转电场Ec。例如如果使铁电体基板171的膜厚为100nm左右，则在5mol％掺杂的情况下，反转电压为0.4V。如果使铁电体基板171薄膜化，则反转电场进一步降低。如果反转电场降低，则能够实现高速动作和高集成化。但是，如果反转电场过低，则很小的干扰也会产生反转和再反转，会消除所存储的数据。所以，需要调整铁电体基板171的膜厚和金属添加物的摩尔浓度，来实现适当的反转电场。
作为反转电压，优选为0.01V～10V的范围。这是因为在不到0.01V的情况下干扰、扰动会使存储器的误动作变大。优选为调整铁电体基板171的金属添加物的量和膜厚，来实现在上述范围中的反转电压。
此外，反转电场Ec的调整也可以通过结晶的组成来调整。通过使结晶组成为化学剂量组成，能够大幅降低反转电场Ec。根据实测，对于Mg的摩尔浓度的相关性非常小，在掺杂量为1～5mol％之间为大约4kV/mm左右。除了上述铁电体基板171的金属添加物的量和膜厚，也可以调整结晶组成来实现上述合适的反转电压。
接着，对极化反转带来的电阻变化与Mg的掺杂量进行研究。图22是在铁电体基板171中掺杂的Mg的摩尔浓度与电极172a和172b间的电阻的变化量的关系图。可知自发极化反转时的电场即反转电场Ec随着铁电体基板171的Mg的掺杂量增大而减小。在图22中，□为没有对铁电体基板171施加电压的状态(初始状态)，■为一部分极化反转的状态(反转状态)，是铁电体基板171低电阻化的状态，▲为再次反转的状态(再反转状态)。
如图22所示，在Mg的掺杂量增加的同时，电阻的变化量增大，在5mol％的情况下，在初始状态、再反转状态和反转状态观测到最大6位数的电阻值的变化。根据图22，为了实现起作为开关的作用所需的1位数以上的电阻值的变化，需要添加1mol％以上的金属。优选为添加3mol％以上。此时，由于能够实现4位数以上的电阻值的变化，所以是优选的。
接着，使用电气开关170，测量连续的电气开关特性。使用掺杂了5mol％的Mg、厚度为2mm的铁电体基板171。将温度设定为120℃。此时，反转电压为大约4kV。另外，反转电场Ec为约2kV/mm。施加电压限制为最大±6kV，电流值限制为最大400mA。将该测量结果在图23A和图23B中表示。图23A表示伴随着时间经过的电极172a和172b间的电压波形，图23B表示伴随着时间经过的电极172a和172b间的电流波形。在图23A中，设在与铁电体基板171的自发极化方向对置的方向施加的电压为正，设在自发极化方向上施加的电压为负。同样，在图23B中，设在与铁电体基板171的自发极化方向对置的方向的电流为正，设在自发极化方向上的电流为负。此外，各个图中所记载的标号表示同一时间。
如果施加超过反转电压的正电压(“2”、“8”、“14”、“20”)，则如图23B所示那样有电流流过，所以可知电极172a和172b间的电阻降低。另一方面，如果施加再反转所需的电压以下的-6kV(“5”、“11”、“17”)，可知电阻增大、电流降低。可以确认通过极化反转和再反转使电阻降低和增大。因而，可知电气开关170作为开关而工作。
此外，通过测量可知，为了使用该电气开关170而需要初始化处理，并且电阻随时间而变动。首先，以下对初始化处理进行说明。在铁电体基板171中，在施加电场的初期、即“1”的脉冲以前，与图23A所示的电压相比，如图23B所示那样电流的变化较小。这表明电场施加所带来的电阻的变化较小。即，在该状态(初期状态)下，电阻并没有在施加电场的作用下而充分变化。为了防止这种情况发生，在使用电气开关170之前，只要进行多次通过施加电场进行的极化反转的开关就可以。通过这样做，在铁电体基板171中，会产生施加电场带来的电阻的变化，电气开关170能够告诉开关响应。这样，将反复对电气开关170施加电场以使电气开关170正确动作的处理称为初始化处理。
接着说明电阻随时间的变化。如图23B所示，在通过施加-6kV的脉冲，使铁电体基板171再反转、高电阻化后，施加负电场的情况下(“6”、“12”、“18”)，表现为电流几乎不流动，电阻非常高。但是，在此状态下施加正电场的情况下(“7”、“13”、“19”)，可知电流值随着时间逐渐增大。具体而言，在“7”的情况下电流值为50μA，在“13”的情况下电流值为100μA，在“19”的情况下电流值为120μA。这样，在施加了正电场的状态下，可知即使是相同的条件，电流值也会随时间依次增加。与其相对应，电阻也随时间而降低。这样，虽然没有明白电阻随时间而变动的现象的具体原因，但可知与畴壁的某种时效变化、或老化有关。
在通过电气开关170构成存储器时，通过自发极化的反转、再反转而改变电阻，并读出该电阻，由此来判别存储器的状态。为了判别电阻的状态，需要对极化反转部施加电场来判别电阻值。通过该实验结果可知，电阻因有无极化反转而大幅变化，但为了稳定地判别电阻，优选为施加与原来的自发极化的方向相同方向的电场来判别电阻。由图23B可知，可以读取“4”与“6”的电阻差、“10”与“12”的电阻差、“16”与“18”的电阻差，通过各个差值来判别电阻。即，优选为在负电场(与自发极化相同的方向)的状态下读取电阻。通过由负电场读取能够使电阻的变化较大、并且较稳定。在图23B中，如果由正电场判别电阻，则如果将例如“1”与“3”的电阻差和“13”与“15”的电阻差相比可知，电阻差变小。这样电阻逐渐变化，其差变小，所以在电阻的判别中产生误差。
另外，在实施方式5中，作为铁电体基板171，使用掺杂了Mg的LiNbO3。除此以外，在LiTaO3中也可以通过添加Mg等金属添加物来观测导电性的变化。这种通过添加金属来产生伴随着铁电体的极化反转的电阻变化，与结晶的构造有很大关系。作为铁电体基板171，优选为LiNbO3所属的钛铁矿构造。作为铁电体基板171，使用了极化的MgO:LiNbO3，但除此以外也可以使用添加了金属的铁电体。例如用添加了In、Sc、Cu或Fe等金属的、LiNbO3、LiTaO3、KTP、或它们的结晶的混合结晶，也能够得到同样的效果。在其他铁电体材料中，只要是能够增大金属掺杂量的，都能够产生同样的电气导电性的变化。
作为铁电体基板171，使用单一极化的铁电体结晶，如果是存在无定形结晶、微晶等结晶粒的物质，都能够得到同样的效果。如果利用无定形、微晶构造，则能够利用薄膜材料，所以不需要体的结晶生长，器件的制造变得容易。此外，通过做成无定形、微晶，能够增加金属添加物的掺杂量，所以能够增大电阻的变化量，是优选的。由于如果增大金属的掺杂量则结晶的晶格应变增大，所以在拉制大型结晶时会产生裂缝，难以进行均匀的大型结晶的生长。例如在LiNbO3的情况下，由于难以添加10mol％以上的Mg，所以在使用单结晶基板的情况下优选地使掺杂量在10mol％以下。但是，在无定形或微晶构造的情况下可以进一步增大掺杂量。此外，通过使用烧结了微晶的陶瓷等能够利用同样的特性。但是，为了形成畴壁而在薄膜内需要反转的自发极化的界线。因此，薄膜需要一定以上大小的结晶粒。作为微晶，优选为结晶粒的大小在1μm以上。作为膜的制造方法，可以是外延生长、MBE、溅射、溶胶—凝胶法、激光消融法等方法。
此外，可以利用微晶、无定形、陶瓷等材料、单结晶、液层生长的薄膜结晶等基板，但在利用它们时做极化处理是很重要的。极化处理是将温度提升到结晶的居里温度附近，通过施加电场的工序使极化导向到一个方向上的方法。由于提高了温度来形成自发极化，所以在畴壁中不易残留结晶应变。因此，在以本发明的结构使用时，优选地使用在施加电场而控制极化的电场方向上进行了极化处理的基板。此外，在极化处理时照射波长500μm以下的短波长光也是有效的。
另外，在实施方式5中，在铁电体基板171上形成了直接电极172a和172b，可以通过在电极172a、172b和铁电体基板171之间形成绝缘层来实现低电力消耗。此外，通过使施加电场为脉冲状、在短时间内进行高电阻化，也能够实现低电力消耗。
另外，作为铁电体基板171，并不限于自发极化与铁电体基板171的表面垂直的Z板的基板。也可以利用例如自发极化方向与铁电体基板171平面平行的X、Y板或与铁电体基板171表面具有角度的切余基板等。切余基板的极化控制性较高，可以再现性良好地形成均匀的极化反转，所以更优选。
另外，由图23A和图23B可知，在发生极化反转的瞬间(“2”、“8”、“14”、“20”)和发生再反转的瞬间(“5”、“11”、“17”)，在瞬间有大量的电流流过。这是因电荷的移动而产生的电流，移动的电荷量可以用2Ps×S表示。所谓的电流流过，是指铁电体基板171低电阻化了。也可以利用该铁电体基板171的低电阻化来使电气开关170动作。
在电气开关中，作为极化反转的机构一般为电场施加。作为改变铁电体的自发极化的机构，只要是施加与自发极化对置的电场的机构、即电极对、外部电源、静电、放电、带电粒子、离子、其他铁电体、半导体电路等产生电场的机构，就可以使用。此外，还可以通过来自外部的应力使自发极化反转。通过使用压电体等部分地施加应力而能够控制自发极化。此外也可以与电场并用。还可以部分地加热，利用因热电效应而产生的电场来进行极化反转。
此外，关于电极形状，存在增大电气导电性的构造。如上所述，由于电阻降低的是畴壁的部分，所以通过增大极化反转周边部的畴壁的面积能够增大电阻的降低。由于所形成的极化反转部与电极形状有关，所以能够增大畴壁面积。通过使用例如梳形电极，能够增大畴壁的面积。
另外，在实施方式1～5的电气开关中，优选为在用来形成极化的电极与铁电体基板之间形成绝缘膜。由此能够以低电流驱动电气开关，所以能够降低电力消耗。
(实施方式6)使用
本发明的实施方式6的存储元件。实施方式6的存储元件是通过将上述实施方式1～5中的任一种电气开关二维排列而构成的。通过读取电气开关的高电阻和低电阻，能够实现作为二维存储器的功能。
图24是表示实施方式6的存储元件220的结构的立体图。存储元件220是在半导体集成电路221上排列多个实施方式1～5中的任一种电气开关222而构成的。半导体集成电路221由硅LSI(大规模集成电路)构成，能够对电气开关222施加电场。通过施加电场使电气开关222的铁电体基板的自发极化方向变化，由此改变施加了电场的部分的电气导电性。由于铁电体的自发极化的变化是稳定的，所以即使切断施加电场也会保存反转状态。此外，能够不从外部供给电力而非常稳定地、经过很长时间来进行存储。此外，通过读取各电气开关222的电阻能够读取所存储的状态，即使读取状态，所存储的状态也不会变化地被保存。即，存储元件220，通过半导体集成电路221控制施加给电气开关222的电场，进行自发极化的形成或消除，来存储状态，并检测该状态。即，作为存储元件发挥作用。通过将电气开关222与半导体集成电路221组合，能够实现小型化和集成化。
另外，作为由半导体集成电路221产生的电压，几V左右为标准，希望能以低电压驱动。为此，电气开关222优选为将铁电体薄膜化的结构。作为铁电体基板的膜厚，需要为几μm以下。
但是，铁电体基板会因温度的剧烈变化而产生由热电效应带来的表面电场。有可能通过由该热电效应带来的电场使所存储的自发极化的一部分消失。为了进行电路的稳定动作，需要有防止热电效应的结构。例如优选地采用可避免温度剧烈变化的封装结构。将使用温度范围限制在室温±50℃左右。此外，还有监视外部温度、对于剧烈的温度变化起动保护电路的方法。此外，为了消除表面上发生的热电电荷，还有在铁电体基板表面上形成导电性的薄膜的方法。在一个表面上形成开关电极，使半导体电路与该面直接接触，来驱动开关。在一个面上堆积导电性的膜，能够防止热电电荷的产生。
此外，在实施方式6的存储元件种，优选为具有用来将所存储的内容一起消除的加热部。作为加热部只要是例如加热器就可以。加热器可以使所有的电气开关222的铁电体基板的温度上升。在通过加热器使所有的电气开关222的铁电体基板的温度上升的状态下施加电压，使铁电体基板都恢复到接近于高电阻的原来的绝缘体的状态。加热到小于等于居里温度的温度，并通过施加电压，消除畴壁的应变，电阻恢复到接近于原来的绝缘体的状态。作为加热温度，优选为例如200℃以上。此外，仅通过提高温度也能够进行一起消除。如果在该状态下施加电场，则极化导向到一个方向。从下一次开始通过在该方向的反方向上施加电压而能够改变电特性，进行低电阻化。
此外，也可以具有紫外线照射部来代替加热器。即，只要具有能够将波长400nm左右以下的紫外线照射到电气开关222的铁电体基板上的紫外线照射部就可以。从紫外线照射部射出紫外线，照射所有的电气开关222的铁电体基板，来缓和畴壁的结晶应变，使电阻恢复到接近于原来的绝缘体的值。因而，由于能够使多个电气开关高电阻化，所以能够将存储元件220的存储一起消除。
此外，也可以例如并用加热和紫外线照射。上述的一起消除作为电阻的刷新也是有效的。在因重复利用存储元件220而使各电气开关222的开关特性变差的情况下，只要进行刷新，就可提高开关特性。
实施方式6的存储元件与以往的铁电存储器的不同点是，在自发极化方向使铁电体本身的电气导电性变化，通过电气地检测该不同，来用作存储元件的。
图25是具体表示实施方式6的存储元件的结构的立体图。如图25所示，在形成有半导体集成电路的基板237上以条状形成电极232b，再在其上形成铁电体薄膜231，再在其上以条状形成与电极232b正交的电极232a。通过这种结构构成存储元件，该存储元件是将由被电极232a和电极232b夹着的铁电体薄膜231构成的电气开关230排列多个而成为格子状。即，由夹着铁电体薄膜231而对置的电极232a和电极232b形成一个电气开关230。进而，虽然没有图示，但具有能够在夹着铁电体薄膜231而对置的电极232a和电极232b之间施加电场的电场施加部(未图示)。使用该电场施加部，能够控制排列成格子状的电气开关230的导通(ON)和关断(OFF)。具体而言，如果在构成电极232a和电极232b的各个条中选择任一个电极来施加电场，则有选择地对电极232a和电极232b交叉的部分的铁电体薄膜231施加电场，能够改变电阻。此外，通过同时选择多个电极232a和电极232b，还能够一次在多个点上写入数据。为了读取该状态，只要反之选择电极而检测该电极间的电阻就可以。
这样，实施方式6的存储元件容易构成，并且能够实现高集成化。此外，由于能够同时写入，所以能够大幅提高数据处理速度。
如以上所述，实施方式1～5的电气开关，是利用了通过控制铁电体的自发极化能够大幅改变电气导电性的特性。具体而言，是利用了随着自发极化的反转，铁电体从高电阻变化为低电阻的特性。通过该变化，铁电体能够从绝缘体变化为半导体。通过构成利用该特性的电气开关，能够以简单的结构构成高集成度的电气开关。
此外，虽然自发极化在反转时需要施加电场，但在反转后不需要电场。所以，由于该电气开关能够持续保持该状态，所以例如通过使用多个该电气开关，也能够用作非易失性存储器。
进而，如果使用薄膜作为铁电体材料，则容易实现与半导体集成电路的单片化，所以能够构成高集成度的存储元件，是有效的。
以上说明了实施方式1～5的电气开关和实施方式6的存储元件，但具体所示的结构和材料等毕竟只是一个例子，并不限于这些具体例子。
工业实用性本发明的电气开关和使用该电气开关的存储元件能够持续保持存储的状态。因此，能够应用到非易失性存储器、使用它的存储介质、及包含它的广泛的设备中。
权利要求
1.一种电气开关，其特征在于具有添加了金属的铁电体基板；设置在上述铁电体基板上的一对电极；以及使上述铁电体基板的一部分的极化方向变化的电场施加部；通过使上述极化方向变化，使上述铁电体基板的电阻值变化。
2.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板为氧化物。
3.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板由单一极化的铁电体材料构成；上述电场施加部在与上述铁电体基板的极化方向对置的朝向上施加电场。
4.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板在极化反转时残留有与上述反转后的极化对置的内部电场。
5.如权利要求1所述的铁电体电气开关，其特征在于，上述电场施加部对上述铁电体基板施加电场；上述电场为频率大于等于5Hz的交流电场。
6.如权利要求1所述的铁电体电气开关，其特征在于，上述电场施加部对上述铁电体基板施加电场；上述电场为叠加了高频率的电场。
7.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，添加到上述铁电体基板中的上述金属为Mg、Zn、In、Sc、Cu、Fe中的至少一种；上述铁电体基板为LiNbO3。
8.如权利要求7所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板为添加了上述金属的Z板的LiNbO3。
9.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板为单一极化处理后的铁电体结晶。
10.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板为多晶或无定形材料。
11.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述一对电极沿着上述铁电体基板的自发极化的方向排列形成，上述电场施加部通过在上述一对电极间施加电场，控制上述铁电体基板的一部分的极化方向，控制上述一对电极间的电阻。
12.如权利要求11所述的电气开关，其特征在于，还具有在与上述铁电体基板的自发极化方向大致正交的方向上排列而形成的一对电极，上述电场施加部通过在沿着上述自发极化方向排列而形成的一对电极间施加电场，控制上述铁电体基板的一部分的极化方向，控制在与自发极化方向大致正交的方向上排列而形成的一对电极间的电阻。
13.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，通过上述电场施加部对上述铁电体基板施加电场，使上述铁电体的施加了电场的部分中的10％～90％部分的极化方向发生变化。
14.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板的自发极化的方向相对于上述铁电体基板的表面大致垂直。
15.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，铁电体基板的自发极化的方向相对于上述铁电体基板的表面大致平行。
16.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板的最大电阻值大于等于最小电阻值的100倍。
17.如权利要求11所述的电气开关，其特征在于，上述一对电极的至少某个电极为梳形电极。
18.如权利要求17所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板为单一极化的结晶，上述梳形电极的电极指的方向与上述结晶的Y轴方向大致平行。
19.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述电场施加部通过控制上述铁电体的极化方向，在上述一对电极间附近形成或消除作为不同极化方向的界线的畴壁，并改变上述一对电极间的电阻值。
20.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，在上述铁电体基板的表面上形成有槽，在上述槽中形成上述一对电极。
21.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述金属的添加浓度大于等于1mol％。
22.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板的自发极化的方向相对于上述铁电体基板的表面倾斜。
23.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，在上述铁电体基板的表面上设置有一对极化用电极，上述电场施加部在上述一对极化用电极间施加电场。
24.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，在上述铁电体基板的表面上形成的槽中设置有一对极化用电极，上述电场施加部在上述一对极化用电极间施加电场。
25.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述电场施加部是由半导体材料构成的电气开关元件。
26.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，具有加热上述铁电体基板的加热部。
27.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板具有钛铁矿构造。
28.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，通过改变上述极化方向时的上述铁电体基板的电荷的移动，在上述一对电极间流过电流，使上述一对电极间的电阻值变化。
29.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，上述铁电体基板被实施了使自发极化的方向基本沿单一方向一致的极化处理。
30.如权利要求1所述的电气开关，其特征在于，在上述一对电极的至少一个与上述铁电体基板之间设置有绝缘层。
31.一种存储元件，其特征在于，具有多个如权利要求1至30任一项所述的电气开关；保持着上述各电气开关的上述铁电体基板的电阻值。
32.如权利要求31所述的存储元件，其特征在于，上述各电气开关二维地排列有多个。
33.如权利要求31所述的存储元件，其特征在于，上述各电气开关在半导体集成电路上形成有多个；上述电压施加部由上述半导体集成电路控制。
34.如权利要求33所述的存储元件，其特征在于，上述各电气开关的上述铁电体基板的电阻值由上述半导体集成电路控制；上述各电气开关的上述铁电体基板的电阻值由上述半导体集成电路检测。
35.如权利要求31所述的存储元件，其特征在于，具有光照射部；上述光照射部将波长500nm以下的光照射到各电气开关的上述铁电体基板上。
36.如权利要求31所述的存储元件，其特征在于，具有将上述各电气开关的上述铁电体基板加热的加热部。
全文摘要
具有添加了金属的铁电体基板、设置在上述铁电体基板上的一对电极、和可以改变上述铁电体基板的一部分的极化方向的电场施加部。
文档编号H01L27/10GK1784793SQ20048001247
公开日2006年6月7日 申请日期2004年5月7日 优先权日2003年5月8日
发明者水内公典, 山本和久, 杉田知也, 森川显洋 申请人:松下电器产业株式会社