專利名稱：可變電容元件、調(diào)節(jié)可變電容元件的方法、可變電容裝置及電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非易失性可變電容元件，其電容隨給定的寫入電壓而變化并且在去除 寫入電壓后仍被保持。本發(fā)明還涉及調(diào)節(jié)該可變電容元件的方法、可變電容裝置和電子設(shè) 備。
背景技術(shù)：
通常，為了控制頻率、時(shí)間等，可變電容二極管(變?nèi)荻?jí)管)、MEMS等已被商業(yè) 化并被廣泛使用。這些元件只允許較小的電流(微安級(jí)電流)通過(guò)并且不適用于高功率應(yīng) 用。然而，本發(fā)明人已提出一種可變電容元件，其包括允許大電流通過(guò)的鐵電材料。例如，下文的專利文獻(xiàn)1描述了一種可變電容器，其具有改進(jìn)可靠性和生產(chǎn)率的 電極結(jié)構(gòu)，其中將鈦酸鹽體系用作高介電材料。所有這些常規(guī)可變電容元件均為端電容隨施加的控制電壓變化的可變電容元件， 并且，可以說(shuō)是在控制電壓被去除時(shí)電容返回初始值的易失性可變電容元件。因此，這種易 失性可變電容元件需要被連續(xù)控制。因此，包括該可變電容元件的電子設(shè)備需要控制電路 和電源用以控制該可變電容元件。專利文獻(xiàn)1 JP-A-2007-28799
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題此外，由于在出廠設(shè)置中使用可變電容元件進(jìn)行校正的元件間偏差等，不是總能 被控制的電子設(shè)備可能需要具有調(diào)諧頻率偏移。然而，易失性的且需要連續(xù)控制的常規(guī)可 變電容元件不能滿足這些需要。鑒于上述原因，本發(fā)明提供一種可變電容元件，其電容能夠被自由地設(shè)置成對(duì)應(yīng) 于寫入電壓的期望值，并且一旦被設(shè)置，在去除寫入電壓后該電容仍能被保持。本發(fā)明還提 供調(diào)節(jié)該可變電容元件的方法、可變電容裝置和電子設(shè)備。用于解決該問題的手段為了解決上述問題并達(dá)到本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的可變電容元件的特征在于 包括多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)連接的單元可變電容元件，單元可變電容元件中的每個(gè)包括一對(duì)電 極，其間形成有鐵電材料層。通過(guò)施加dc電壓來(lái)改變根據(jù)本發(fā)明的可變電容元件的電容，并且在去除該dc電 壓之后，仍保持該變化了的電容。一種調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，其中該可變電容元件包括一對(duì)電極，其間形成有 鐵電材料層，該方法包括步驟最大化或最小化鐵電材料層的電偶極矩之和；以及，通過(guò)在 可變電容元件的電極之間施加期望的寫入電壓來(lái)向可變電容元件寫入期望的電容，其中該 可變電容元件的鐵電材料層的電偶極矩之和已被最大化或最小化。
根據(jù)本發(fā)明，寫入電壓為向可變電容元件施加的dc電壓，用于向可變電容元件寫 入期望的電容。依照根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，調(diào)節(jié)可變電容元件以使其具 有期望的電容。此外，該方法包括以下步驟最大化或最小化鐵電材料層的電偶極矩之和， 其能夠拓寬電容的可調(diào)范圍。根據(jù)本發(fā)明的可變電容裝置的特征在于，包括可變電容元件，其包括一對(duì)電極， 其間形成有鐵電材料層；以及，電容元件，用于消除可變電容元件的兩側(cè)上的dc電壓且與 該可變電容元件串聯(lián)連接。該可變電容裝置的特征在于，還包括可變電容元件，其包括多 個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)連接的單元可變電容元件，單元可變電容元件中的每個(gè)包括一對(duì)電極，其間 形成有鐵電材料層；以及，電容元件，用于消除可變電容元件的兩側(cè)上的dc電壓且與該可 變電容元件串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的可變電容裝置包括用于消除dc電壓的電容元件。因此，當(dāng)將該可變 電容裝置構(gòu)建在給定的電路中時(shí)，能夠防止外部施加于該可變電容元件的dc電壓影響該 電路。根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備的特征在于包括可變電容裝置，所述可變電容裝置包括 可變電容元件，其包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層；以及電容元件，用于消除該可變 電容元件的兩側(cè)上的dc電壓且與該可變電容元件串聯(lián)連接。該電子設(shè)備的特征還在于包括可變電容裝置，該可變電容裝置包括可變電容元 件，其包括多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)連接的單元可變電容元件，單元可變電容元件中的每個(gè)包括一 對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層；以及電容元件，用于消除該可變電容元件的兩側(cè)上的dc 電壓且與該可變電容元件串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備包括可變電容裝置，該可變電容裝置包括用于消除dc電 壓的電容元件，因此，能夠從外部向該可變電容元件施加dc電壓而不影響該電子設(shè)備。此 外，通過(guò)外部施加dc電壓來(lái)調(diào)節(jié)該可變電容元件的電容。依照根據(jù)本發(fā)明的可變電容元件，能夠通過(guò)向該可變電容元件施加dc電壓來(lái)精 確地調(diào)節(jié)該可變電容元件的電容。依照根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，能夠擴(kuò)展可變電容元件的電容的可 調(diào)范圍。依照根據(jù)本發(fā)明的可變電容裝置，能夠當(dāng)在期望的電子設(shè)備中實(shí)施可變電容裝置 時(shí)調(diào)節(jié)該可變電容元件的電容。依照根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備，能夠調(diào)節(jié)可變電容裝置中的可變電容元件的電容， 因此能夠校正電子設(shè)備間的偏差或調(diào)諧頻率的偏移。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于調(diào)節(jié)可變電容元件的方法中的使用的可 變電容元件的示意圖；圖2為示出可變電容元件的電容如何隨寫入電壓變化的圖表；圖3為示出鐵電材料的磁滯曲線的示意圖；圖4為示出可變電容元件的電容如何隨寫入電壓變化的圖表；圖5為示出可變電容元件的電容如何隨寫入電壓變化的圖表；
圖6為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件的電路圖；圖7為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件的電容如何隨寫入電壓變化 的示意圖；圖8為示出包括串聯(lián)連接的單元可變電容元件的可變電容元件的電容如何隨寫 入電壓變化以及一個(gè)單元可變電容元件的電容如何隨寫入電壓變化的圖表；圖9為示出包括七個(gè)串聯(lián)連接的單元可變電容元件的可變電容元件的電容如何 隨寫入電壓變化以及施加在單元可變電容元件lc上的電壓如何變化的圖表；圖10A、10B和10C為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件的特定配置示例 的示意圖(第一)；圖11為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件的特定配置的示意圖(第 二)；圖12A、12B和12C為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件的特定配置示例 的示意圖(第三)；圖13為示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件的特定配置的示意圖(第 四)；圖14為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的可變電容元件的電路圖；圖15為示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的可變電容元件的電容如何隨寫入電壓變化 的示意圖；圖16A、16B和16C為示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的可變電容元件的特定配置示例 的示意圖(第一)；圖17為示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的可變電容元件的特定配置的示意圖(第 二)；圖18為根據(jù)本發(fā)明的可變電容裝置的一個(gè)示例的電路圖；圖19為包括根據(jù)本發(fā)明的可變電容裝置的電子設(shè)備的一個(gè)示例的電路圖。對(duì)標(biāo)號(hào)和符號(hào)的說(shuō)明1可變電容元件
lc單元可變電容元件
2寫入電壓源
2c單元可變電容元件
3c單元可變電容元件
4可變電容元件
4c單元可變電容元件
5a第一外部電極
5b第二外部電極
6端子
7端子
8鐵電層
10可變電容元件
11可變電容元件
6
下文將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例。[調(diào)節(jié)可變電容元件的方法]首先，將描述根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法。圖1示出了用于根據(jù)本發(fā)明的用于調(diào)節(jié)可變電容元件的方法的一個(gè)實(shí)施例中的 使用的可變電容元件的示意性配置。圖1所示的可變電容元件100包括鐵電材料層103和 一對(duì)電極101和102，鐵電材料層103位于電極101和102之間。寫入電壓V(dc電壓)被施 加于電極101和102之間。圖1所示的可變電容元件100的鐵電材料層103例如由PZT(鋯 鈦酸鉛)制成。參照?qǐng)D2至圖5描述圖1所示的用于調(diào)節(jié)可變電容元件100的方法。圖2示出了寫入圖1所示的可變電容元件100的電容如何隨施加在可變電容元件100的電極101和102之間的寫入電壓V變化。在圖2中，橫軸表示寫入電壓V，而縱軸表 示可變電容元件100的電容。圖2所示的電容Capl表示在將由橫軸表示的相應(yīng)寫入電壓V 施加到可變電容元件100并從可變電容元件100去除之后(即，在施加的寫入電壓回到OV 之后)所測(cè)得的電容。換句話說(shuō)，電容Capl不是在施加相應(yīng)寫入電壓V時(shí)測(cè)得的電容，而 是在施加并去除相應(yīng)寫入電壓V之后在各測(cè)量點(diǎn)處測(cè)得的電容。在本示例性實(shí)施例中，首先，在圖2所示的電容測(cè)量開始之前，將可變電容元件 100加熱到等于或高于居里溫度的溫度。因此，在圖2中，寫入電壓V為OV的電容Capl為 當(dāng)通過(guò)將可變電容元件100加熱到等于或高于居里溫度的溫度來(lái)最小化鐵電材料層103的 電偶極矩時(shí)的電容。由圖2可見，當(dāng)寫入電壓V增大到20V時(shí)，可變電容元件100的電容Capl幾乎未 顯示變化，而僅輕徽降低。隨后，當(dāng)寫入電壓V為20V時(shí)，可變電容元件100的電容Capl處 于其最小值。進(jìn)一步地，當(dāng)寫入電壓V增大到超過(guò)20V時(shí)，電容Capl緩慢增大。隨后，當(dāng)寫 入電壓V超過(guò)60V時(shí)，電容Capl幾乎恒定。在本示例性實(shí)施例中，電容Capl的最大值比電 容Capl的最小值大大約1. 5倍。在將寫入電壓V施加到可變電容元件100并從可變電容元件100去除之后，電容 一旦被寫入則被保持。此外，如從圖2所示的電容Capl的變化可見，在20至60V的寫入電 壓V的范圍內(nèi)，當(dāng)施加比先前所施加的寫入電壓V更高的寫入電壓V時(shí)，比先前所寫入的電 容更大的電容將被重寫。換句話說(shuō)，在20至60V的寫入電壓V的范圍內(nèi)，通過(guò)施加比先前 所施加的寫入電壓V更高的寫入電壓V來(lái)重寫電容。例如，由圖2可見，當(dāng)向可變電容元件100施加30V的寫入電壓V時(shí)，電容保持在 435pF，且能夠?qū)⒖勺冸娙菰?00作為435pF的電容來(lái)使用。此外，向可變電容元件100 再施加40V的寫入電壓V，電容保持在480pF，且可將可變電容元件100作為480pF的電容 來(lái)使用。這樣，通過(guò)施加期望的寫入電壓V來(lái)調(diào)節(jié)可變電容元件100的電容，從而使可變電 容元件100可作為經(jīng)調(diào)節(jié)的電容來(lái)使用。因此，能夠?qū)⒖勺冸娙菰?00作為對(duì)應(yīng)于寫入電壓V的電容Capl來(lái)使用。進(jìn)一 步地，在電容Capl變化范圍內(nèi)的比先前向可變電容元件100施加的寫入電壓V更高的寫入 電壓V可實(shí)現(xiàn)重寫或電容的重寫，并且允許可變電容元件100的電容Capl增大。由圖2可 見，可變電容元件100的電容Capl的變化范圍為20至60V的寫入電壓V的范圍?？勺冸娙菰?00的電容Capl的此變化是由鐵電材料層103的極化反轉(zhuǎn)所導(dǎo)致， 其為電偶極矩之和的變化。隨后，由圖2可見，當(dāng)向處于未極化狀態(tài)的可變電容元件100施 加寫入電壓V時(shí)(當(dāng)電偶極矩之和處于其最小值時(shí))，鐵電材料層103中發(fā)生極化，導(dǎo)致電 容Capl變化。參照?qǐng)D3描述了鐵電材料的特性，圖3示出了鐵電材料的磁滯曲線。在圖3所示 的磁滯曲線中，橫軸表示電場(chǎng)E，而縱軸表示鐵電材料的電偶極矩之和或極化P。在該鐵電 材料中，極化P隨電場(chǎng)E的強(qiáng)度而變化，如圖3中的磁滯曲線所示。首先，考慮極化P為零 的鐵電材料，這意味著電偶極矩之和處于其最小值。隨后，向鐵電材料施加正電壓以產(chǎn)生增 強(qiáng)的電場(chǎng)E，其導(dǎo)致極化P增大，如曲線a所示。當(dāng)電場(chǎng)E達(dá)到特定值時(shí)，電偶極矩之和處于 其最大值，且極化P變?yōu)轱柡?。此時(shí)的電場(chǎng)E被稱為飽和電場(chǎng)Ep。隨后，向鐵電材料施加電 壓以降低電場(chǎng)E，其導(dǎo)致極化P降低，如曲線b所示。當(dāng)電場(chǎng)E達(dá)到特定值時(shí)，電偶極矩之和再次處于其最小值，且極化P變?yōu)榱?。此時(shí)的電場(chǎng)E被稱為矯頑電場(chǎng)_Ec。進(jìn)一步產(chǎn)生負(fù)電 場(chǎng)E，其導(dǎo)致電偶極矩之和再次處于其最大值，且極化P變?yōu)轱柡汀４藭r(shí)的電場(chǎng)E被稱為飽 和電場(chǎng)-Ep。隨后，向鐵電材料施加電壓以產(chǎn)生超過(guò)飽和電場(chǎng)-Ep的增強(qiáng)電場(chǎng)E，其導(dǎo)致極 化P增大，如曲線c所示。當(dāng)電場(chǎng)E達(dá)到矯頑電場(chǎng)Ec時(shí)，電偶極矩之和處于其最小值，且極 化P變?yōu)榱?。?dāng)電場(chǎng)E達(dá)到飽和電場(chǎng)Ep時(shí)，極化P再次變?yōu)轱柡?。在圖2所示的可變電容元件100的電容的變化中，在開始測(cè)量之前，將可變電容元 件100加熱到等于或高于居里溫度的溫度。因此，被加熱到等于或高于居里溫度的溫度的 可變電容元件100的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖3所示的磁滯曲線中的電場(chǎng)為零且極化P為零的狀態(tài)。 施加到圖2所示的可變電容元件100的增大的寫入電壓V的狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖3中磁滯曲線中 的曲線a所示的狀態(tài)變化。圖2中的電容Capl停止變化處的寫入電壓V對(duì)應(yīng)于圖3中的飽和電場(chǎng)Ep。具體 地說(shuō)，在飽和電場(chǎng)Ep下，鐵電材料的電偶極矩之和(極化P)處于其最大值，并且此時(shí)圖1 所示的包括鐵電材料層103的可變電容元件100的電容變?yōu)轱柡?。為了改變包括鐵電材料層103的可變電容元件100的電容Capl，實(shí)際上重要的值 不是寫入電壓V的值，而是在電極101和102之間所產(chǎn)生的電場(chǎng)E的值。在圖2中，IOV的 寫入電壓V對(duì)應(yīng)于0. 02V/ μ m的電場(chǎng)。隨后，在圖2中，向可變電容元件100施加寫入電壓 V產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述寫入電壓V的電場(chǎng)E，導(dǎo)致鐵電材料層103中的極化，從而使電容變化。電容如何相對(duì)于電場(chǎng)E增加幾乎取決于鐵電材料的電極化率。隨后，由圖2可見， 圖1所示的包括鐵電材料層103的可變電容元件100為非易失性可變電容元件，其中即便 在將電壓設(shè)置成OV之后仍保持在施加寫入電壓V時(shí)所寫入的電容。在此示例性性實(shí)施例中，使用了其中將PZT (鋯鈦酸鉛)用作鐵電材料的可變電容 元件100。然而，除此之外，可使用離子極化鐵電材料和電子極化鐵電材料。離子極化鐵電材料包括離子晶體材料且通過(guò)正、負(fù)離子的位移而得以電極化。例 如，離子極化鐵電材料可由包括原子A和原子B的化學(xué)式ABO3表示，其具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且 包括鈦酸鋇、KNbO3和0bTi03。本示例性實(shí)施例中所使用的PZT (鋯鈦酸鉛)是一種通過(guò)將 鋯酸鉛(PbZrO3)混合入鈦酸鉛(PbTiO3)而制備的鐵電材料。電子極化鐵電材料是通過(guò)由帶正電荷和帶負(fù)電荷的部分的分離所產(chǎn)生的電偶極 矩而得以極化。最近，報(bào)道了一種稀土氧化鐵，其可展現(xiàn)出由Fe2+電荷面和Fe3+電荷面 的形成而形成的極化所導(dǎo)致的鐵電特性。據(jù)報(bào)道，在此系列中，分子式(RE) · (TM)2 *04所 表示的包括稀土金屬(RE)和鐵族過(guò)渡金屬(TM)的化合物具有高介電常數(shù)。例如，RE包 括Y、Er、Yb和Lu (尤其是Y和重稀土金屬元素)，而TM包括Fe、Co和Ni (尤其是Fe)。 (RE) · (TM)2 · O4S 包括 ErFe2O4，LuFe2O4 和 YFe2O4。接著，圖4示出了電容如何隨進(jìn)一步施加于圖1所示可變電容元件100的寫入電 壓V而變化。圖4中的電容Capl為類似于圖2所示的測(cè)量值，且示出了可變電容元件100 的電容如何隨從OV增大到IlOV的寫入電壓V而變化。圖4中的電容Cap2示出了可變電容元件100的電容如何隨從IlOV降低到-110V 的寫入電壓V而變化。圖4中的電容Cap3示出了可變電容元件100的電容如何隨從-110V再次增大到 IlOV的寫入電壓V而變化。
圖4中的電容Cap4示出了可變電容元件100的電容如何隨增大到約40V且隨后 降低到-110V的寫入電壓V而變化，其中在測(cè)量開始之前將可變電容元件100加熱到等于
或高于居里溫度的溫度。在施加寫入電壓V且隨后將該電壓設(shè)置為OV之后，對(duì)所有上文所描述的電容 Capl、Cap2、Cap3 和 Cap4 進(jìn)行一次測(cè)量。由圖4所示的電容Cap2可見，在寫入電壓V從1IOV降低到OV的過(guò)程中，電容Cap2 近似恒定。當(dāng)寫入電壓V從OV開始降低時(shí)，電容Cap2開始緩慢增大。隨后，在-20V的寫入 電壓V下，電容Cap2開始降低。導(dǎo)致電容Cap2降低的寫入電壓V被稱為去極化電壓。當(dāng) 寫入電壓V為去極化電壓時(shí)，鐵電材料層103中的極化率降低，導(dǎo)致可變電容元件100的電 容降低。隨后，當(dāng)寫入電壓V為去極化電壓時(shí)，施加小于先前所施加的寫入電壓V的寫入電 壓V使得能夠重寫以降低電容Cap2。在本示例性實(shí)施例中，如圖4所示，在-32. 5V的寫入電壓V下，電容Cap2處于其最 小值；隨后，進(jìn)一步降低寫入電壓V導(dǎo)致電容Cap2開始再次增大。在施加使電容Cap2開始 再次增大的寫入電壓V之后，施加比先前所施加的寫入電壓V小的寫入電壓V使得能夠重 寫以增大電容Cap2。隨后，在寫入電壓V達(dá)到-60V之后，電容Cap2近似恒定。電容Cap2 的此變化對(duì)應(yīng)于圖3所示的磁滯曲線中的曲線b。電容Cap2處于其最小值處的-32. 5V的 寫入電壓V對(duì)應(yīng)于圖3所示的磁滯曲線中的負(fù)矯頑電場(chǎng)Ec。在矯頑電場(chǎng)Ec中，電偶極矩之 和處于其最小值，且電容Cap2處于其最小值。此外，-60V的寫入電壓V對(duì)應(yīng)于可變電容元 件100的負(fù)飽和電場(chǎng)Ep。隨后，當(dāng)施加對(duì)應(yīng)于飽和電場(chǎng)Ep的寫入電壓V時(shí)，可變電容元件 100的鐵電材料層103中的電偶極矩之和處于其最大值，且電容Cap2處于其最大值。接下來(lái)，由圖3所示的電容Cap3可見，當(dāng)寫入電壓V從-IlOV增大時(shí)，電容Cap3近 似恒定，直到寫入電壓V到達(dá)0V，隨后開始緩慢增大，隨后在20V處開始降低。這意味著，在 20V處，寫入電壓V變成去極化電壓，且電容Cap3開始降低。當(dāng)寫入電壓V為去極化電壓 時(shí)，施加比先前所施加的寫入電壓V大的寫入電壓V使得能夠?qū)懭胍越档碗娙軨ap3。在大 約32. 5V的寫入電壓V下，電容Cap3處于其最小值。隨后，增大寫入電壓V導(dǎo)致電容Cap3 開始再次增大。在施加使電容Cap3開始再次增大的寫入電壓V之后，施加比先前所施加的 寫入電壓V大的寫入電壓V使得能夠?qū)懭胍栽龃箅娙軨ap3。隨后，在寫入電壓V達(dá)到60V 之后，電容Cap3近似恒定。電容Cap3的此變化對(duì)應(yīng)于圖3所示的磁滯曲線中的曲線C。使 可變電容元件100的電容Cap3處于其最小值的32. 5V的寫入電壓V對(duì)應(yīng)于圖3所示的磁 滯曲線中的正矯頑電場(chǎng)Ec。這樣，由于在電極101和102之間產(chǎn)生的電場(chǎng)E導(dǎo)致的極化P，圖1所示的包括鐵 電材料層103的可變電容元件100的電容如圖4中的電容Capl至Cap3所示而變化。另外，由電容Capl至Cap3可見，根據(jù)本示例性實(shí)施例中的調(diào)節(jié)可變電容元件的方 法，施加適當(dāng)?shù)膶懭腚妷篤能夠增大或減小該電容。此外，通過(guò)在極化之后施加寫入電壓V 從而通過(guò)將可變電容元件100加熱到等于或高于居里溫度的溫度以最小化電容來(lái)最小化 鐵電材料層103中的電偶極矩之和而增大的電容Capl的梯度，大于通過(guò)施加寫入電壓V進(jìn) 行極化從而最小化化鐵電材料層103中的電偶極矩之和以最小化該電容并進(jìn)一步施加寫 入電壓V而增大的電容Cap3的梯度。因此，根據(jù)本示例性實(shí)施例的調(diào)節(jié)可變電容元件的方 法，最初通過(guò)加熱來(lái)極化可變電容元件以最小化電容且隨后寫入電容通過(guò)寫入電壓V提供隨寫入電壓V的電容的平緩變化梯度。這允許更精細(xì)地調(diào)節(jié)電容。此外，由圖4中的電容Cap4可見，在將寫入電壓V僅增大到40V且隨后降低寫入 電壓V的情況下，電容Cap4的最小值大于電容Cap2的最小值。電容Cap4為不將寫入電壓 V增大到可變電容元件100的飽和電場(chǎng)Ep的一個(gè)示例，而電容Cap2為將寫入電壓V增大到 飽和電場(chǎng)Ec的一個(gè)示例。在電容Cap2與電容Cap4的最小值的比較中，作為將寫入電壓V 增大到飽和電場(chǎng)Ep且隨后降低寫入電壓V的結(jié)果的電容Cap2的最小值(由"Q2"表示) 小于作為不將寫入電壓V增大到飽和電場(chǎng)Ep的結(jié)果的電容Cap4的最小值(由"Q3"表 示)°電容Capl和Cap4的測(cè)量起始點(diǎn)，S卩，當(dāng)寫入電壓V為OV時(shí)由〃 Ql"所表示的電 容為當(dāng)通過(guò)加熱到等于或高于居里溫度的溫度而對(duì)可變電容元件100進(jìn)行極化時(shí)的電容。 在由"Ql"表示的電容和由"Q2"表示的通過(guò)施加寫入電壓V對(duì)可變電容元件100進(jìn)行 極化而最小化的電容的比較中，由"Q2"表示的通過(guò)施加寫入電壓V而最小化的電容較 小。因此，根據(jù)本示例性實(shí)施例的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，與通過(guò)加熱到等于或高于居里 溫度的溫度來(lái)極化可變電容元件以最小化電偶極矩之和相比，通過(guò)施加寫入電壓V來(lái)極化 可變電容元件以最小化電偶極矩之和能夠更有效地降低電容。圖5示出了電容的測(cè)量結(jié)果。此測(cè)量通過(guò)如下方式執(zhí)行首先，極化可變電容元件 100以通過(guò)將可變電容元件100加熱到等于或高于居里溫度的溫度來(lái)將電偶極矩之和設(shè)置 為零；隨后，初始施加+110V、-110V、-50V、-40V、-30V或-20V的寫入電壓；隨后，從各個(gè)初 始施加的電壓降低或增大寫入電壓V并測(cè)量電容。在圖5中，橫軸表示寫入電場(chǎng)，縱軸表示 電容。在圖5中的電容Cap+1 IOV為初始施加1IOV的寫入電壓V且隨后降低該寫入電壓 V時(shí)可變電容元件100的電容。圖5中的電容Cap-I IOV為在初始施加-110V的寫入電壓V且隨后增大該寫入電 壓V時(shí)可變電容元件100的電容。圖5中的電容Cap_50V為在初始施加-50V的寫入電壓V且隨后增大該寫入電壓 V時(shí)可變電容元件100的電容。圖5中的電容Cap_40V為在初始施加-40V的寫入電壓V且隨后增大該寫入電壓 V時(shí)可變電容元件100的電容。圖5中的電容Cap_30V為在初始施加-30V的寫入電壓V且隨后增大該寫入電壓 V時(shí)可變電容元件100的電容。圖5中的電容Cap_20V為在初始施加-20V的寫入電壓V且隨后增大該寫入電壓 V時(shí)可變電容元件100的電容。由圖5可見，在初始施加-110V的寫入電壓V的情況下從電容的最小值到最大值 的變化量△(大于在初始施加任何絕對(duì)值小于IlOV的寫入電壓V的情況下的變化量AC。這意味著，當(dāng)寫入電壓V為去極化電壓時(shí)，在通過(guò)向可變電容元件100施加飽和電 場(chǎng)Ep且隨后施加寫入電壓V而初始導(dǎo)致電容飽和的情況下的電容小于在施加初始不導(dǎo)致 電容飽和的寫入電壓V的情況下的電容。因此，初始導(dǎo)致電容飽和允許電容在更大范圍的 變化量AC內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如上文所述，依照根據(jù)本示例性實(shí)施例的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，向具有鐵電
11材料層的可變電容元件施加期望的寫入電壓可增大或減小可變電容元件的電容。在將可變電容元件初始加熱到等于或高于居里溫度的溫度以最小化電偶極矩之 和的情況下，當(dāng)施加寫入電壓以增大電容時(shí)，電容隨寫入電壓的變化梯度能夠更大。這允許 在向可變電容元件施加寫入電壓以寫入期望的電容的過(guò)程中更精細(xì)地調(diào)節(jié)電容。此外，在施加寫入電壓以降低電容時(shí)，初始施加飽和電場(chǎng)Ep以最大化電偶極矩之 和使得電容的最小值更小。這允許從電容的最小值到最大值的變化量△(更大，從而擴(kuò)大 了可變電容元件的電容的可調(diào)范圍。在具有鐵電材料層的可變電容元件中，通過(guò)施加寫入電壓而寫入的電容主要與鐵 電材料層的極化狀態(tài)有關(guān)。然而，僅測(cè)量電容不足以確定極化狀態(tài)。換句話說(shuō)，由圖4所示 的電容Capl至Cap3的變化可見，具有鐵電材料層103的可變電容元件100的電容的變化取 決于可變電容元件100所處的圖3所示的磁滯曲線中的曲線a、b和c的狀態(tài)。這意味著， 即使在施加相同的寫入電壓V時(shí)，由于極化狀態(tài)的不同，將被寫入的電容也不同。因此，對(duì)于具有鐵電材料層的可變電容元件，初始化極化狀態(tài)以最大化或最小化 電偶極矩之和使得能夠識(shí)別出寫入的電容如何隨寫入電壓V變化。用于寫入期望的電容的寫入電壓取決于溫度、時(shí)間和電壓之間的關(guān)系。例如，通 常，在高溫下(接近居里溫度)，能夠以相對(duì)較低的電壓和較短的寫入時(shí)間來(lái)寫入期望的 電容。順便提及，該具有可寫電容的可變電容元件需要在不會(huì)導(dǎo)致電容變化的控制電壓下 使用。當(dāng)在相同溫度下和相同施加時(shí)間內(nèi)施加寫入電壓V的條件下，當(dāng)控制電壓與寫入電 壓具有相同的極性時(shí)，可施加的控制電壓小于寫入電壓，更優(yōu)選地，等于或小于[寫入電 壓]-[容限電壓]。當(dāng)控制電壓具有寫入電壓相反的極性時(shí)，可施加的控制電壓等于或小于 去極化電壓。在于不同的溫度下施加寫入電壓V的條件下，當(dāng)控制電壓具有與寫入電壓相 同的極性時(shí)，可施加的控制電壓小于該溫度下的矯頑電壓。當(dāng)控制電壓具有與寫入電壓相 反的極性時(shí)，可施加的控制電壓小于該溫度下的去極化電壓。在這樣的控制電壓下，不發(fā)生 寫入。為了防止由于噪聲導(dǎo)致的不希望的寫入，希望基于可變電容元件可應(yīng)用的溫度范 圍將向可變電容元件寫入電容時(shí)的溫度設(shè)置成較高溫度。另外，考慮到在極短的時(shí)間長(zhǎng)度 (例如，毫秒級(jí))內(nèi)施加諸如AC信號(hào)或靜電噪聲等高電壓，希望在特定的時(shí)間長(zhǎng)度(例如， 一秒或更長(zhǎng))內(nèi)向可變電容元件施加寫入電壓。這能夠防止電容由于這種不希望的寫入電 壓而非要施加于可變電容元件的寫入電壓而被重寫。[根據(jù)第一實(shí)施例的可變電容元件]接下來(lái)，將參照?qǐng)D6至圖13來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的可變電容元件。通過(guò)串聯(lián)連接圖1中的可變電容元件100來(lái)配置本示例性實(shí)施例中的可變電容元 件。在下文描述的此示例性實(shí)施例中，為了描述目的，圖1所示的電容元件100被稱為單元 可變電容元件，而多個(gè)串聯(lián)連接的單元可變電容元件被稱為可變電容元件。圖6示出了其中將可變電容元件1與寫入電壓源2連接的電路，可變電容元件1 是通過(guò)串聯(lián)連接可重寫單元可變電容元件Ic至4c來(lái)配置的，可重寫單元可變電容元件的 每個(gè)具有如圖2至圖5所示的特性。在本示例性實(shí)施例中，可變電容元件1由串聯(lián)連接的 單元可變電容元件Ic至4c組成。單元可變電容元件Ic至4c中的每個(gè)包括一對(duì)電極，其 間具有鐵電材料層。在未極化狀態(tài)下，四個(gè)單元可變電容元件Ic至4c具有相同的極間距離d且分別具有不同的電容Cl、C2、C3和C4。這些電容之間的數(shù)值關(guān)系為Cl < C2 < C3 < C4。寫入電壓V和電場(chǎng)E的關(guān)系為Ed = V。因此，在相同的極間距離d下，在單元可變 電容元件Ic至4c中的每個(gè)中產(chǎn)生與寫入電壓V成比例的電場(chǎng)E。由于單元可變電容元件 Ic至4c串聯(lián)連接，根據(jù)電容C1、C2、C3和C4劃分寫入電壓V。例如，施加到單元可變電容 元件Ic的寫入電壓Vl可表示為[Eq. 1]
權(quán)利要求
一種可變電容元件，其特征在于多個(gè)單元可變電容元件被串聯(lián)或并聯(lián)連接，所述單元可變電容元件中的每個(gè)包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變電容元件，其特征在于 并聯(lián)連接的所述單元可變電容元件的極間距離彼此不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可變電容元件，其特征在于當(dāng)所述單元可變電容元件中的每個(gè)的所述鐵電材料層的電偶極矩之和被最小化時(shí)，并 聯(lián)連接的所述單元可變電容元件的電容彼此相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變電容元件，其特征在于當(dāng)所述單元可變電容元件中的每個(gè)的所述鐵電材料層的電偶極矩之和被最小化時(shí)，串 聯(lián)連接的所述單元可變電容元件的電容彼此不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變電容元件，其特征在于串聯(lián)連接的所述單元可變電容元件的極間距離彼此相同。
6.一種可變電容元件，其特征在于包括至少三個(gè)或更多個(gè)堆疊的面內(nèi)電極，其間有鐵電材料層；在位于所述堆疊的面內(nèi)電極的底部的面內(nèi)電極上形成的第一外部電極；以及在位于所述堆疊的面內(nèi)電極的頂部的面內(nèi)電極上形成的第二外部電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可變電容元件，其特征在于在所述堆疊的面內(nèi)電極中，相鄰的面內(nèi)電極之間的極間距離彼此相同，而所述鐵電材 料層的夾在所述相鄰的面內(nèi)電極間的面積彼此不同。
8.—種可變電容元件，其特征在于包括至少三個(gè)或更多個(gè)堆疊的面內(nèi)電極，其間有鐵電材料層；在所述堆疊的面內(nèi)電極的奇數(shù)編號(hào)位置處堆疊的所述面內(nèi)電極上形成的第一外部電 極；以及在所述堆疊的面內(nèi)電極的偶數(shù)編號(hào)位置處堆疊的所述面內(nèi)電極上形成的第二外部電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可變電容元件，其特征在于在所述堆疊的面內(nèi)電極中，相鄰的面內(nèi)電極間的極間距離彼此不同，并且所述鐵電材 料層的夾在相鄰的面內(nèi)電極間的面積彼此不同。
10.一種調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，所述可變電容元件包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電 材料層，所述方法的特征在于包括步驟最大化或最小化所述鐵電材料層的電偶極矩之和；以及通過(guò)在所述可變電容元件的電極之間施加預(yù)定的寫入電壓來(lái)向所述可變電容元件寫 入期望的電容，其中所述可變電容元件的鐵電材料層的電偶極矩之和已被最大化或最小 化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，其特征在于還包括步驟在施加所述預(yù)定的寫入電壓以寫入所述電容之后，通過(guò)施加與先前的寫入電壓不同的 電壓來(lái)進(jìn)一步重寫所述電容。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，其特征在于通過(guò)將所述鐵電材料層加熱到等于或高于居里溫度的溫度來(lái)執(zhí)行所述最小化所述鐵 電材料層的電偶極矩之和的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，其特征在于通過(guò)在所述可變電容元件的端子之間施加對(duì)應(yīng)于所述可變電容元件的飽和電場(chǎng)的寫 入電壓來(lái)執(zhí)行所述最大化所述鐵電材料層的電偶極矩之和的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的調(diào)節(jié)可變電容元件的方法，其特征在于通過(guò)在所述可變電容元件的端子之間施加對(duì)應(yīng)于所述可變電容元件的飽和電場(chǎng)的寫 入電壓，并且隨后施加作為具有相反極性的矯頑電壓的寫入電壓來(lái)執(zhí)行所述最小化所述鐵 電材料層的電偶極矩之和的步驟。
15.一種可變電容裝置，其特征在于包括可變電容元件，包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層；以及電容元件，用于消除所述可變電容元件的兩側(cè)上的dc電壓，并且其與所述可變電容元 件串聯(lián)連接。
16.一種可變電容裝置，其特征在于包括可變電容元件，其中多個(gè)單元可變電容元件被串聯(lián)或并聯(lián)連接，所述單元可變電容元 件中的每個(gè)包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層；以及電容元件，用于消除所述可變電容元件的兩側(cè)上的dc電壓，并且其與所述可變電容元 件串聯(lián)連接。
17.一種電子設(shè)備，其特征在于包括可變電容裝置，包括可變電容元件，包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層；以及，電 容元件，用于消除所述可變電容元件的兩側(cè)上的dc電壓且與所述可變電容元件串聯(lián)連接。
18.一種電子設(shè)備，其特征在于包括可變電容裝置，包括可變電容元件，包括多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)連接的單元可變電容元件， 其中所述單元可變電容元件中的每個(gè)包括一對(duì)電極，其間形成有鐵電材料層；以及，電容元 件，用于消除所述可變電容元件的兩側(cè)上的dc電壓且與所述可變電容元件串聯(lián)連接。
全文摘要
一種可變電容元件，其電容值能夠被自由地設(shè)置成對(duì)應(yīng)于寫入電壓的期望值，并且一旦被設(shè)置，在去除寫入電壓后仍能被保持。本發(fā)明還提供調(diào)節(jié)可變電容元件的方法、可變電容裝置和電子設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，可變電容元件(100)包括一對(duì)電極(101、102)，其間形成有鐵電材料層(103)。通過(guò)以下步驟調(diào)節(jié)該可變電容元件最大化或最小化鐵電材料層(103)的電偶極矩之和；以及，通過(guò)在可變電容元件(100)的電極(101、102)之間施加期望的寫入電壓(V)來(lái)向可變電容元件(100)寫入期望的電容，其中該可變電容元件(100)的鐵電材料層(103)的電偶極矩之和已被最大化或最小化。
文檔編號(hào)H01G7/06GK101946296SQ20098010583
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者橫田敏昭, 渡邊誠(chéng), 管野正喜, 羽生和隆 申請(qǐng)人:索尼公司