專利名稱：開關元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用納米間隙金屬電極的開關元件。
背景技術：
現(xiàn)在，伴隨著裝置小型化和高密度化，希望電氣元件更加微細化。 10以功能性有機分子或納米微粒為代表的所謂納米結構的研究取得了驚 人的進展。據(jù)認為在電氣元件中使用納米結構的特性可以使元件的微 細化更加有效，研究機構和企業(yè)都在進行研究。例如使用隔著細微間 隙的兩個電極(下面將這樣的電極組稱為"納米間隙電極")，用功能性有機分子在此間隙上架橋的元件引人注目。例如在Science, 289 (2000) 151172-1175中敘述的元件，就是在使用鉑形成的納米間隙電極的間隙中配置索烴系分子制成的。據(jù)說通過在此電極上施加電壓，索烴系分子就進行氧化還原反應，能夠進行開關的動作。作為納米間隙電極，用納米微粒在此間隙上架橋的元件也是引人注目的。例如在Nature, 433 (2005) 47-50中敘述的元件，就是使用 20硫化銀和鉑制成納米間隙電極，在其間隙中配置銀粒子而制成的。據(jù)報道，通過在此電極上施加電壓，進行電化學反應，使銀粒子伸縮就能夠在電極之間架橋或者切斷，進行開關的動作。然而，所舉例的任何一種元件，在納米間隙電極之間，都需要特殊的合成分子或復雜的金屬復合體系。由于這是利用分子內化學反應25 或者不同原子間反應的機構，所以對施加電壓的方向具有依存性，對作為開關元件的利用有一定的限制。由于是利用化學反應進行開關的 動作，所以有元件容易老化的問題。對于任何一種所舉例的開關元件，將納米間隙電極的間隙制造得 足夠小也是很難的。對于此課題，作為納米間隙電極間的間隙很小的30納米間隙電極的制造方法，有在特開2005-79335號公報中敘述的技術。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種結構極其簡單，而且能夠穩(wěn)定地重復進 行開關動作，而又沒有易失性的開關元件。 本發(fā)明的開關元件包括， 5 絕緣性襯底，設置在上述絕緣性襯底上的第一電極， 設置在上述絕緣性襯底上的第二電極，以及設置在上述第一電極和第二電極之間，使上述第一電極和第二電極之間的間隙G為0nm<G^50nm的電極間間隙。 io 這樣的結構能夠提供結構極其簡單，而且能夠穩(wěn)定地重復開關動作、沒有易失性的開關元件。在本發(fā)明中，上述距離G，指的是上述第一電極和上述第二電極 之間的電極間間隙中最接近處的電極間距離。在本發(fā)明的開關元件中，上述第一電極和第二電極之間的距離G， 15可以取0.1 nm^G^20nm 。在本發(fā)明的開關元件中，還可以具有在其內部至少包住上述電極 間間隙的封裝部件。在本發(fā)明的開關元件中，在上述封裝部件內部，壓力可以取不大 于2xl()5pa。20 在本發(fā)明的開關元件中，上述第一電極的材質可選自金、銀、鉬、鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、銠、銅、鎢、鉭、碳以及它們的合金中的一種。在本發(fā)明的開關元件中，上述第二電極的材質，可選自金、銀、 鉬、鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、銠、銅、鎢、鉭、碳以及它們的合金中的 一種。25 在本發(fā)明的開關元件中，上述第一電極和上述第二電極中的至少一個可以取多層結構。在本發(fā)明中，上述第一電極和上述第二電極之間的電阻值，在上述開關元件處于接通的狀態(tài)下為ikn至1MQ，在上述開關元件處于斷 路的狀態(tài)下，可以為1MQ至100TQ。30


圖1是示意性地表示涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100主要部 分的斷面圖。圖2是示意性地表示涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100主要部 分放大的斷面圖。5 圖3是示意性地表示涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100的平面圖。圖4是表示在涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100中設置封裝部 件，作為開關器件1000的例子的示意圖。圖5是示意性地表示在涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100的制 io 造工序中的第一蒸發(fā)沉積工序的斷面圖。圖6是示意性地表示在涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100的制 造工序中，在電場破斷工序中所使用電路的電路圖。圖7是表示具有納米間隙電極的開關元件的電流-電壓曲線一個例 子的示意圖。15 圖8是表示使具有納米間隙電極的開關元件動作的電壓順序的一個例子的示意圖。圖9是對涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100的電極間間隙40進 行掃描電子顯微鏡觀察結果。圖IO是示意性地表示對涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100進行 20動作確認和電阻測定的電路的電路圖。圖11是表示對涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100進行電流-電壓 特性測定結果的圖。圖12是表示使涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100進行重復開關 動作的電壓順序的示意圖。 25 圖13是使涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100進行重復開關動作時電阻值的圖。圖14是在涉及本發(fā)明實施方式的開關元件100中，相對于斷路脈 沖的電壓在斷路狀態(tài)下電阻值的圖。30具體實施方式
下面參照

本發(fā)明優(yōu)選實施方式的 一個例子。l.開關元件圖1是示意性地表示本實施方式開關元件IOO主要部分的斷面圖。 圖2是示意性地放大表示開關元件100主要部分的斷面圖。圖3是示 意性地表示本實施方式開關元件100主要部分的平面圖。圖4表示在 5 開關元件100中設置封裝部件，作為開關器件1000的例子的示意圖。 涉及本實施方式的開關元件100具有絕緣性襯底10、設置在絕緣 性襯底10上的第一電極20、設置在絕緣性襯底10上的第二電極30 和設置在第一電極20和第二電極30之間，而且在第一電極20和第二 電極30之間的距離G為0nm<G《0nm的電極間間隙40。10 絕緣性襯底10具有作為支持體的功能，使開關元件100的兩個電極20和30分隔開。只要具有絕緣性能，對絕緣性襯底10的結構和材 質都沒有特別的限定。例如，絕緣性襯底10的表面形狀可以是平面， 也可以具有凹凸。又例如，在Si等的半導體襯底表面上設置氧化膜等， 以此作為絕緣性襯底10是可以的，使用絕緣性的襯底本身也是可以的。15 絕緣性襯底10的材質，玻璃、氧化硅(Si02)等氧化物、氮化硅(Si3N4) 等氮化物都是適用的。其中，從下面所述的與電極20、 30的密合性的 觀點以及從其制造的過程中自由度大的觀點出發(fā)，作為絕緣性襯底10 的材質來說，氧化硅(Si02)是合適的。第一電極20設置在絕緣性襯底10上。第一電極20是開關元件10020 中的一個電極，與下面所述的第二電極30相對，能夠進行開關的動作。 第一電極20的形狀是任意的，但至少希望與如下所述第二電極30相 對向部位的橫方向尺寸W1 (參照圖3)在5nn^Wl的范圍內。第一電 極20的厚度T1 (參照圖l、圖2)是任意的，但希望在形成如下所述 的第二電極30以后的狀態(tài)下，5nrn^Tl。在圖1和圖2中，為了更方25 便地說明如下所述的工序，第一電極20將第一電極下部22和第一電 極上部24合在一起來表示。第一電極20的材質，優(yōu)選自金、銀、鉬、 鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、銠、銅、鎢、鉭、碳以及它們的合金中的至少 一種。為了強化與絕緣性襯底10的接合性，可以重疊使用不小于兩層 的不同金屬。例如第一電極20可具有鉻和金的堆疊結構。30 第二電極30設置在絕緣性襯底10上。第二電極30是開關元件100的另一個電極，與如上所述的第一電極20相對設置，能夠進行開關動作。第二電極30的形狀是任意的，但至少希望與上述第一電極20相對向部位的第二電極30在橫方向上的尺寸W2 (參照圖3)在 5nn^W2^Vl的范圍內。第二電極30的厚度T2是任意的，但基于電 極的強度、與支持體的剝離強度等方面考慮，希望5nm^T2^Tl。第二 5電極30的材質優(yōu)選自金、銀、鉬、鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、銠、銅、鎢、 鉭、碳以及它們的合金中的一種。為了強化與絕緣性襯底10的接合性， 可以重疊使用不小于兩層的不同金屬。例如，第二電極30可以是絡和 金的堆疊結構。電極間間隙40為第一電極20和第二電極30之間的距離G，設置io 為Onm<G^50nm，例如0.1nm￡G$20nm (參照圖2)。更佳為可取 0.1nm￡G^10nm。電極間間隙40具有體現(xiàn)開關元件100的開關現(xiàn)象的 作用。在電極之間最接近的部位，可以在第一電極20和第二電極30 相對的區(qū)域內形成一處或多處。當其上限值超過50nm時，由于使金屬 元素移動，從而使開關元件100動作的電場不夠，因此是不合適的。15 當取下限值為Onm時，第一電極20和第二電極30短路。上述下限值 通過顯微鏡測定來決定是很困難的，但可以取產(chǎn)生隧道電流的最小距 離。這就是說，該下限值是當元件動作時，電流-電壓特性不服從歐姆 定律，而能夠觀察到量子力學中隧道效應的距離的理論值。封裝部件50可設計為至少將上述電極間間隙40包含在內。希望20封裝部件50封裝住包括絕緣性襯底10的整體。封裝部件50具有使電 極間間隙40與大氣不接觸的功能。只要具有上述功能，封裝部件50 的形狀和材質都是任意的。封裝部件50還具有使開關元件100更穩(wěn)定 地動作的作用。封裝部件50的材質，可使用公知的半導體封裝材料， 也可以根據(jù)需要設置由公知的物質構成的氣體阻隔層等。整個納米間25隙電極設置在適當?shù)恼婵帐覂?，在將其作為開關元件使用的情況下， 此部件可以省略。封裝部件50的內部，可形成減壓的環(huán)境，此外也可以充滿各種物 質。封裝部件50的內部，其壓力可取不大于2xl()Spa。更佳為封裝部 件50的內部或者設置納米間隙電極的真空室內，其壓力P為3010—9Pa<P<2xl05Pa。另外，封裝部件50的內部也可以充滿干燥空氣、 氮氣、稀有氣體等惰性氣體或者甲苯等對電氣呈惰性的有機溶劑。2.開關元件的制造方法開關元件100的制造方法可具有如下的工序。這就是說，開關元件100的制造方法包括，(1)準備絕緣性襯底10的工序、(2)形成第一光刻阻抗圖案(^ -7卜"夕一>)工序、 5 (3)第一蒸發(fā)沉積(蒸著)工序、(4)第一剝離('J 7卜才7 )工序、 (5)形成第二光刻阻抗圖案工序、(6)第二蒸發(fā)沉積工序、(7)第二 剝離工序、(8)電場破斷工序以及(9)封裝工序。在此為了便于說明 這些工序，將第一電極20看作由第一電極下部22和第一電極上部24 構成，付加如圖1中所示的符號。io 在特開2005-79335號公報中公開了這些工序。作為納米間隙電極的制造方法，不僅有在上述文件中敘述的方法，也可以由在特開2004 -259748號公報或在特開2005-175164號公報中敘述的方法制造。在本 實施方式中，是按照在特開2005-79335號公報中敘述的方法制造開關 元件100。下面參照圖1至圖6依次說明這些工序。圖5是說明第一蒸15發(fā)沉積工序的示意圖。圖6是在電場破斷工序中構成電路的示意圖。(1) 準備絕緣性襯底10的工序絕緣性襯底IO，可以使用市售的玻璃襯底、附氧化膜Si襯底或其 它的表面具有絕緣性的襯底。另外，在使用Si等導電性襯底的情況下， 通過熱處理、氧化處理、蒸發(fā)沉積、濺鍍等公知的方法在其表面上設 20置所需的絕緣膜后，可使用這些作為絕緣性襯底10。(2) 形成第一光刻阻抗圖案工序 在準備好的絕緣性襯底10上，使用公知的方法例如光刻法(7 *卜'j y夕'，7 < 一)形成光刻阻抗圖案60，以形成第一電極下部22。該光刻阻抗圖案60的厚度只要滿足其功能，可以是任意的。例如該光 25刻阻抗圖案60的厚度可以為l(im。(3) 第一蒸發(fā)沉積工序 第一蒸發(fā)沉積工序形成第一電極下部22。此工序可使用一般公知的蒸發(fā)沉積裝置進行。此時，絕緣性襯底10的被蒸發(fā)沉積面要傾斜地 配置，使被蒸發(fā)沉積面面向著蒸發(fā)沉積源。如在圖5中所示，被蒸發(fā) 30沉積面和從蒸發(fā)沉積源蒸發(fā)的粒子飛來的方向之間的夾角為01時，使 0°<01<90° (下面將該蒸發(fā)沉積方法稱為"傾斜蒸發(fā)沉積")。結果如在圖5中所示，第一電極下部22，其前端形成為傾斜的形狀。此時，第一電極下部22前端的傾斜部分與襯底io表面之間的夾角為er。在此， er可隨著光刻阻抗圖案60的形狀、在襯底io表面上金屬的堆積特性 和ei的大小而變化。為了可以在各個條件相同的情況下，較佳重復性 5 地形成該er，可以對相同條件下進行蒸發(fā)沉積的結果，以其他測定途 徑測量出er的大小。在蒸發(fā)沉積時，由于蒸發(fā)沉積源和被蒸發(fā)沉積面之間的距離越大， 則蒸發(fā)沉積線的平行性就越高，所以為較佳選擇。此距離依存于所使用的蒸發(fā)沉積裝置，如果大體上離開不小于500mm，就能夠進行本實10 施方式所必需的蒸發(fā)沉積。第一蒸發(fā)沉積工序將選自金、銀、鉬、鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、銠、銅、鎢、鉭、碳以及它們的合金中的物質蒸發(fā) 沉積一次或多次。多次的蒸發(fā)沉積，例如在蒸發(fā)沉積鉻以后，再蒸發(fā) 沉積金，形成兩層結構也是可以的。由第一蒸發(fā)沉積工序得到的第一電極下部22的厚度，只要在確保導電性的范圍內可以是任意的。例如 15在選擇的材質是金的情況下，第一電極下部22的厚度可以取不小于 5nm。(4) 第一剝離工序 第一剝離工序用公知的方法進行。此工序使用與所用光刻阻抗圖案60的材質相適合的剝離液。由此形成了第一電極下部22，同時除去 20在光刻阻抗圖案60上形成的犧牲電極22a (參照圖5)。(5) 形成第二光刻阻抗圖案工序形成第二光刻阻抗圖案的方法，使用了公知的方法例如光刻法等。 通過此工序，形成了光刻阻抗圖案(圖中未顯示)以形成第二電極30 和附帶形成第一電極上部24。該光刻阻抗圖案的開口部分設置為橫切 25在上述工序中得到的第一電極下部22的前端部分(構成納米間隙電極 中的一個的部分)。該光刻阻抗圖案的厚度任意。(6) 第二蒸發(fā)沉積工序 通過第二蒸發(fā)沉積工序形成第二電極30。伴隨著此工序附帶形成第一電極上部24 (參照圖2)。此工序可使用一般公知的蒸發(fā)沉積裝置 30 進行。此工序是傾斜蒸發(fā)沉積。如在圖2中所示，當被蒸發(fā)沉積面與 來自蒸發(fā)沉積源中散發(fā)的粒子飛來方向之間的夾角為02時，如果er<90。，貝ij 00<92<91,<卯0，而如果90。^er，貝U oo<e2<90o。通過此工序形成第二電極30的前端部分，即與第一電極20相對向的部分。伴 隨著此工序同時形成第一電極上部24。與第一蒸發(fā)沉積工序同樣，在 蒸發(fā)沉積時，由于蒸發(fā)沉積源與被蒸發(fā)沉積面之間的距離越大，蒸發(fā) 5沉積粒子飛行軌跡的平行性越高，所以為較佳選擇。此距離依存于使 用的裝置，但如果離開大約不小于500mm，就能夠沒有問題地進行蒸 發(fā)沉積。第二蒸發(fā)沉積工序將選自金、銀、鉬、鈀、鎳、鋁、鈷、鉻、 銠、銅、鴇、鉭、碳以及它們的合金中的物質蒸發(fā)沉積一次或多次。 在此，形成電極間間隙40的形成，是利用在第二蒸發(fā)沉積工序的 io 傾斜蒸發(fā)沉積中，形成蒸發(fā)沉積粒子的第一電極下部22的影子。因此， 通過調節(jié)第一電極下部22的厚度，或者調節(jié)在第二蒸發(fā)沉積工序中傾 斜蒸發(fā)沉積的角度02中的至少一方，就能夠得到具有所需電極間距離 G的電極間間隙40。因此希望由第二蒸發(fā)沉積工序得到的第二電極30 的厚度小于第一電極20的厚度。 15 (7)第二剝離工序第二剝離工序由公知的方法進行。此工序使用與所用光刻阻抗圖 案材質相適應的剝離液。由此形成第一電極20和第二電極30，得到納 米間隙電極。(S)電場破斷工序20 如上所述得到的納米間隙電極，有短路的情況。因此根據(jù)需要可實施本工序。電場破斷工序可使用在文獻Appl.Phys.Lett.， 75 (1999) 301中敘述的方法。圖6表示在進行電場破斷工序時布線的示意圖。與 短路的電極串連上可變電阻Rv、固定電阻Rc以及電源并施加電壓。 設置固定電阻Rc，要使通過不小于目的量的電流，但是又不會破壞電25極。為了使電極之間破斷所需要的電流量為幾個mA至幾十個mA。調 節(jié)可變電阻Rv的電阻值使其從初期值(大電阻)開始緩慢地變小，到 沒有電流流過時為止，如此就能夠得到具有所需電極間距離G的納米 間隙電極，即開關元件IOO。 (9)封裝工序30 本工序利用公知的氣密封裝技術?？梢岳锰沾煞庋b、玻璃封裝、塑料封裝或金屬室封裝，可以在所需的環(huán)境中進行。3. 作用效果
本實施方式的開關元件100，其結構極其簡單，能夠穩(wěn)定地重復進 行開關的動作。這就是說，本實施方式的開關元件100僅由納米間隙 電極構成，無需其它有機分子或無機粒子，具有極其簡單的結構。由 5 于本實施方式的開關元件100不含可老化的物質，可穩(wěn)定地重復進行
開關動作。再有，本實施方式的開關元件ioo不具有易失性。
4. 開關動作
下面說明本實施方式開關元件100動作的一個例子。圖7示意性 地表示開關元件100的電流-電壓曲線的一個例子。圖7的橫軸與在開
io 關元件100的納米間隙電極之間施加的電壓相對應，縱軸與電流相對 應。在圖7當中為了說明，附加由A到H以及O的符號。圖8示意性 地表示在開關元件100的納米間隙電極之間施加的電壓順序。圖8的 橫軸表示經(jīng)過的時間，縱軸表示施加的電壓。
如在圖7中所示，開關元件100的電流-電壓曲線，由于相對于0
15點是點對稱的，所以施加在開關元件100上的電壓和電流不依存于開 關元件100的極性。為此，在以下的說明中，只說明圖7的右半邊， 即電壓為正的部分，對電壓為負值部分的說明則予以省略。對電壓為 負值部分的開關動作，適當?shù)貙σ韵抡f明的極性相反讀出即可。在通 過圖7中B點的、在A點(電阻最小值的電壓)和C點之間的區(qū)域內，
20 開關元件100顯示出伴隨施加電壓提高電阻值變大的負電阻效應。在 此區(qū)域內，開關元件100的狀態(tài)依存于施加的電壓而變化。下面稱此 電壓區(qū)域為遷移區(qū)域。當在此遷移區(qū)域內從在元件上施加了電壓的狀 態(tài)瞬時變化到電壓為0點附近值(在實用上是在A點附近和E點附近 之間的值)時(以下稱這種電壓值瞬時變化到O點附近的操作為"電壓
25的切斷"。)，能夠得到與切斷電壓前所施加的電壓值相對應的電阻值。 決定此時電阻值的遷移狀態(tài)電壓，設定為越靠近A點，元件的電阻值 就越小，而設定為電壓越高于A點，電阻值就越大(在遷移區(qū)域中電 阻值對設定電壓的依存性在下面的5.實施例中的圖14中還要說明。)。 此處遷移區(qū)域的B點，顯示出在切斷電壓之后得到在電阻值比較小的
30 狀態(tài)(下面稱為"ON狀態(tài)")和電阻值比較大的狀態(tài)(下面稱為"OFF 狀態(tài)")的中間狀態(tài)的點。因此，遷移區(qū)域低電壓一端，即在A點附近的電壓被稱為閾值電壓。在此之所以將閾值電壓定義為在A點附近的 值，是由于隨著動作電壓或測量環(huán)境等不同，作為在遷移區(qū)域中得到 最小元件電阻的電壓的閾值，并不一定與圖7的A點相一致，根據(jù)情 況不同多少有些偏差。
5 下面說明開關元件100動作方式的例子。首先施加如在圖8中的I
所示的矩形脈沖，瞬時成為將電壓遮斷的狀態(tài)J。施加的矩形脈沖I的
電壓，相當于在圖7中遷移區(qū)域內比B點更高電壓的位置C處。希望 矩形脈沖的寬度不小于lns。接著使電壓在0附近的切斷狀態(tài)位于圖8 的J區(qū)域，相當于圖7中的0點附近。此時，當施加圖7中作為測量
io電壓表示的微小電壓時，電流不沿著圖7的曲線D，表示為極小的電 流值。也就是說得到OFF的狀態(tài)。然后，施加如在圖8的K所表示的 矩形脈沖，成為將電壓切斷的狀態(tài)L。矩形脈沖K的施加電壓，相當 于在圖7中遷移區(qū)域內從B點起低壓側的、在閾值電壓附近的電壓。 矩形脈沖K的脈沖寬度，希望不小于100ns。在L區(qū)域施加微小的電
15 壓，當測量此時的電流值時，這次電流沿著圖7的曲線D通過。即得 到ON的狀態(tài)。開關的動作，可以通過這樣的電壓切斷前電壓施加的 過程，任意設定元件的ON和OFF。
在此，在得到ON狀態(tài)的方法中，在閾值電壓附近滯留的時間是 很重要的。這就是說，希望在閾值電壓附近滯留的時間不小于100ns。
20 如果滿足此滯留時間的條件，為了得到ON的狀態(tài)，可以使用如在圖8 中N的三角波代替矩形波K。在此，為了使三角波N通過閾值電壓附 近，具有比閾值更高的電壓頂點是必要的。此時在比閾值更高電壓區(qū) 域中滯留的時間，可由圖8的三角波N的斜率Q來調節(jié)。調節(jié)斜率Q， 使在閾值電壓附近滯留的時間不小于100ns，可得到ON狀態(tài)。與此相
25 反，當在此三角波滯留的時間非常短時(此時在閾值附近滯留的時間 希望不大于100ns)，即施加圖8中的三角波M時，元件就處于OFF 狀態(tài)。如此，即使在得到OFF狀態(tài)的情況下，也可以使用三角波M來 代替矩形波I。三角波M頂點的值，與矩形波I的情況一樣設定為圖7 中的C點。在此三角波M中，在閾值附近滯留的時間，也可以由圖8
30中三角波M的P區(qū)域的斜率來調節(jié)。
再有，開關元件100的驅動方法，也可以利用如上所述矩形波或三角波以外的各種順序。 5.實施例
絕緣性襯底10使用了覆蓋有厚度300nrn氧化硅層的硅襯底。第一 光刻阻抗圖案的厚度為l(im。形成的第一光刻阻抗圖案使第一電極下 5 部22在水平方向上的寬度Wl為100pm。第一電極下部22，在與絕緣 性襯底10接觸的部分蒸發(fā)沉積厚度2nm的鉻，然后蒸發(fā)沉積上金，使 得總厚度為25nm。第一蒸發(fā)沉積工序中傾斜蒸發(fā)沉積的角度ei為75°。 第二光刻阻抗圖案的厚度為lpm。形成的第二光刻阻抗圖案使第二電 極30在水平方向上的寬度W2為2|im。第二電極30在與絕緣性襯底
10 10相接觸的部分蒸發(fā)沉積上厚度2nm的鉻，然后蒸發(fā)沉積上金，使總 厚度為15nm。因此第一電極20的總厚度為大約40nm。在第二蒸發(fā)沉 積工序中傾斜蒸發(fā)沉積時的角度02為60°。然后，實施第二剝離工序。 在上述狀態(tài)下的開關元件100，由于包含有第一電極20和第二電極30 短路的部分，所以要實施電場破斷工序以除去短路的部分。電場破斷
15 的條件是附加電壓IV，電阻Rc值IOOQ，可變電阻Rv從100kQ向OQ 逐漸降低，慢慢地增大電流。引起破斷時的電流量大約為4mA。如上 就得到開關元件100。得到的開關元件100設置在真空室內。此時真空 室內的壓力為1()-Spa左右。
在圖9中表示用掃描電子顯微鏡觀察本實施例的開關元件100的
20 結果。掃描電子顯微鏡使用的是日立制作所制造的S-4300型，在加速 電壓15kV下攝影。由于使用加熱臺而增大了掃描速度，分辨能力為大 約5nm。圖9是第一電極20的一部分(上)、第二電極30的一部分(下) 和電極間間隙40的一部分(照片中間橫向暗的部分)的照片。如從圖 9所見到的，在電極間間隙40中觀察到多個第一和第二電極接近的部
25分。向下的粗箭頭表示電極接近的部分，在此箭頭的左側畫出了兩根 用于讀取的輔助線表示出間隙的寬度。對各個間隙的寬度進行測量， 可以看出在觀察的區(qū)域中第一電極20和第二電極30之間的距離G為 大約8nm?？梢栽O想開關元件100的兩個電極之間接近的部位也會存 在于觀察區(qū)域以外的地方。在接近部位距離更小的情況下，由于顯微
30 鏡的分辨能力不夠使得不能測量。因此從得到的電阻值可以設想出兩 個電極之間最近部位的距離。從在元件處于ON狀態(tài)下兩個電極之間的電阻值為大約60kQ，通過隧道效應計算，可以知道至少不小于O.lnm。
圖IO是進行元件特性評價電路的示意圖。上述評價電路是使用在 真空室內的微型探測器，與上述開關元件100連接而形成的。圖ll是 5 表示用圖10中所示的電路測量本實施方式開關元件100的I-V特性結 果的圖。圖ll上圖的橫軸，表示從電路電壓減去在固定電阻Rm兩端 的電壓后，在開關元件100上施加的正向電壓。圖10的縱軸表示在施 加各電壓時用電流計測量的流經(jīng)的電流值。在圖11中測定I-V特性， 是在測量開始時使施加的電壓為0V，然后以+0.2V/s的速度掃描，直 io至U+15V，然后以-0.2V/s的速度掃描至!J-15V，再以+0.2V/s的速度掃描 至U+15V，重復這樣的循環(huán)進行的。圖11與上述的圖7相對應。
在觀察圖11時，本實施方式的開關元件100的I-V曲線，當施加 的電壓為+4V和-4V時，電流的絕對值顯示出最大值。當電壓大于+4V 時，電流的絕對值急劇降低，而當屯壓小于-4V時，屯流的絕對值也是 15 急劇降低。利用此現(xiàn)象，如在4.開關動作一段中所述的那樣，進行開 關動作。這就是說，以電壓的絕對值在4V附近作為閾值電壓(在圖7 中相當于A、 B、 E和F附近)。
圖12是本實施例的電壓順序示意圖。在本實施例中，用于變成 OFF狀態(tài)的脈沖電壓取+10V，用于變成ON狀態(tài)的三角波為從+9V掃 20 到+3V，在+3V處切斷成為三角波。如在圖12中所示，最初施加100ms 的+10V矩形脈沖I，然后在大約24s的J區(qū)域中在+0.2V的測量電壓下 測量電阻。然后如在圖12的區(qū)域K中所示，在ls中從+9V掃到+3V 然后切斷電壓。隨后在大約24s中，在L區(qū)域中在+0.2V的測量電壓下
J量作為一個循環(huán)，進行1000個循環(huán)的電阻
施例電阻測量結果的一部分。圖13在橫軸 上顯示出施加電壓+0.2V時的電阻值。如在 圖13中所示，本實施方式的開關元件100，在重復進行ON、 OFF動 作的情況下，從試驗開始時起，在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)下的電阻值幾 30乎沒有變化。在進行1000次循環(huán)測量以后，與開始試驗時相比，在 ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)下的電阻值也幾乎沒有變化。這就是說，開關元
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測量電阻。以此一連串的
在圖13中表示出本; 上表示經(jīng)過的時間，在縱:件100的第一電極20和第二電極30之間的電阻值，在ON狀態(tài)下是 10kQ至200kQ，而在OFF狀態(tài)下是100MQ至IOGQ。在這里顯示出，開關元件100隨著從外部輸入電壓的不同，可自 由地采用ON或OFF狀態(tài)。由于在給予電壓脈沖之后，即使不施加電 5壓，元件也能夠維持ON狀態(tài)或OFF狀態(tài)，可以看出開關元件100是 具有不易失性的開關元件。圖14是在橫軸上表示使得處于OFF狀態(tài)的脈沖電壓，在縱軸上表 示在該脈沖之后開關元件100兩端之間電阻值的點分布圖。當使用圖 12進行說明時，圖14是最初以施加100ms的矩形脈沖I的電壓為橫軸，io然后以在J區(qū)域中測量的電阻為縱軸，重復進行此測定時的圖。當觀 察圖14時，可以看出當脈沖電壓變得大于+5V附近時，電阻值超過 1MQ，成為OFF狀態(tài)。當再增大脈沖電壓，使其超過+10V附近時， 電阻值就超過1GQ，當脈沖電壓超過+13V附近時，電阻值就超過1TQ。 這就是說，可以看出開關元件100是按照使其處于OFF狀態(tài)的脈沖電15 壓的大小，可以任意設定在OFF時電阻值的開關元件。除此以外，由 于在+4V附近能夠得到ON狀態(tài)，所以開關元件100能夠任意得到至 少四個階段的電阻狀態(tài)。這就是說，開關元件在ON狀態(tài)下是lkQ至 1MQ，上述開關元件在OFF狀態(tài)下可以取1MQ至100TQ。另外，例 如使用納米間隙電極的開關元件，在ON狀態(tài)下可以是幾個kQ至20 1 00kQ，在OFF狀態(tài)下可以是幾個1001d"2至幾個GQ?？梢钥闯觯?果從這些電阻值的狀態(tài)中任意選擇兩個狀態(tài)，就能夠作為能夠產(chǎn)生較 小電阻值和較大電阻值的元件加以利用。以上說明，涉及本實施方式的開關元件100是無須使用有機分子、 納米粒子等成分、極其簡單的開關元件。另外，開關元件100能夠極25 為穩(wěn)定地重復進行開關動作。這就是說，本實施方式的開關元件100 的結構極其簡單，而且能夠穩(wěn)定地重復進行開關動作的非易失性開關 元件。
權利要求
1、一種開關元件，其特征在于，該開關元件包括，絕緣性襯底，設置在上述絕緣性襯底上的第一電極，設置在上述絕緣性襯底上的第二電極，以及設置在上述第一電極和第二電極之間，在上述第一電極和上述第二電極之間的距離G為0nm＜G≤50nm的電極間間隙。
2、 如權利要求1所述的開關元件，其特征在于，上述電極間間隙， 即上述第一電極和上述第二電極之間的距離G為0.1nm^G^20nm。
3、 如權利要求1所述的開關元件，其特征在于，該開關元件還具 有在其內部至少包封住上述電極間間隙的封裝部件。
4、 如權利要求3所述的開關元件，其特征在于，在上述封裝部件 的內部，壓力不大于2xl()Spa。
5、 如權利要求1至4中任何一項所述的開關元件， 20上述第一電極的材質是選自金、銀、鉬、鈀、鎳、鋁、銅、鴇、鉭、碳以及它們的合金中的至少一種。
6、 如權利要求1至4中任何一項所述的開關元件， 上述第二電極的材質是選自金、銀、鉑、鈀、鎳、鋁、25銅、鎢、鉭、碳以及它們的合金中的至少一種。其特征在于， 鈷、鉻、銠、其特征在于: 鈷、鉻、銠、
7、如權利要求1至4中任何一項所述的開關元件，其特征在于: 上述第一電極和第二電極中至少一個具有多層結構。
8、如權利要求1至4中任何一項所述的開關元件， 上述第一電極和上述第二電極之間的電阻值，在上述開關元件處于ON的狀態(tài)下為lkQ至lMa其特征在于:在上述開關元件處于OFF的狀態(tài)下為1MQ至100TQ。
全文摘要
本發(fā)明的開關元件(100)包括絕緣性襯底(10)，設置在上述絕緣性襯底(10)上的第一電極(20)，設置在上述絕緣性襯底(10)上的第二電極(30)，以及設置在上述第一電極(20)和第二電極(30)之間，在上述第一電極(20)和上述第二電極(30)之間的距離(G)為0nm＜G≤50nm的電極間間隙(40)。
文檔編號B82B1/00GK101273461SQ20068003539
公開日2008年9月24日 申請日期2006年9月25日 優(yōu)先權日2005年9月27日
發(fā)明者內藤泰久, 古田成生, 堀川昌代, 水谷亙, 水野雅敏, 清水哲夫, 阿部秀和, 高橋剛 申請人:獨立行政法人產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所;株式會社船井電機新應用技術研究所