CN102084512B - 开关元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够高密度集成并有助于层压的开关元件，开关元件(100)包括：绝缘衬底(10)；第一电极(30)，设置在绝缘衬底(10)上；第二电极(40)，设置在第一电极(30)上方；以及电极间间隙部分(50)，设置在第一电极(30)与第二电极(40)之间并具有纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在第一电极(30)与第二电极(40)之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象。

Description

开关元件
技术领域
本发明涉及一种使用纳米间隙电极(nanogap electrode)的开关元件。
背景技术
目前，由于装置的小型化和高度密集化，希望将电子元件进一步小型化。作为这种电子元件的实例，一种使用两个电极(纳米间隙电极)的电子元件受到关注，其中两个电极之间有微小间隙且通过功能有机分子桥接微小间隙。例如，已知一种电子元件，其中将套环烷沉积在利用铂形成的纳米间隙电极的间隙上(例如参照非专利文献1)。通过向纳米间隙电极施加电压，套环烷经历氧化还原反应，因此开关操作变得可行。
另一种电子元件也受到关注，这种电子元件中通过纳米粒子桥接纳米间隙电极的间隙。例如，已知一种电子元件，其中利用硫化银和铂形成纳米间隙电极，将银粒子沉积在纳米间隙电极的间隙上(例如参照非专利文献2)。通过向纳米间隙电极施加电压而发生电化学反应，因此银粒子膨胀和收缩。因此，纳米间隙电极被连接和断开，即，开关操作变得可行。
但是，所有上述开关元件都需要将特殊的合成分子或复杂的金属合成物沉积在纳米间隙电极的间隙上。此外，因为将化学反应用于其中的开关操作，所以存在这种开关元件容易损坏的问题。
因此，开发了一种开关元件，这种开关元件通过简单的制造方法(倾斜气相沉积(oblique vapor deposition))由稳定材料(氧化硅和金)制成，能够稳定地重复进行开关操作(例如参照专利文献1)。
非专利文献1：Science，289(2000)1172-1175
非专利文献2：Nature，433(2005)47-50
专利文献1：日本专利申请特开公开号No.2005-79335
发明内容
本发明要解决的技术问题
但是，上述开关元件二维地形成在平坦绝缘衬底上。使用这种开关元件使得难以在装置中进行层压和以更高的密度进行集成。
本发明的目的是提供一种有助于在装置中进行层压和以更高的密度进行集成的开关元件。
解决问题的方法
为了解决上述问题，根据权利要求1的本发明是开关元件，包括：绝缘衬底；绝缘体，设置在所述绝缘衬底的上表面上；第一电极，设置在所述绝缘衬底上；第二电极，设置在所述第一电极上方；电极间间隙部分(between-electrode gap section)，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象；以及密封部件，通过包含所述电极间间隙部分，将所述电极间间隙部分密封为与空气隔离，其中所述第一电极接触所述绝缘体的侧表面，所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述侧表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第一电极与所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第二电极之间。
根据权利要求2的本发明是开关元件，包括：绝缘衬底；第一电极，设置在所述绝缘衬底上；第二电极，设置在所述第一电极上方；以及电极间间隙部分，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象。
根据权利要求3的本发明是根据权利要求2的开关元件，进一步包括：绝缘体，设置在所述绝缘衬底的上表面上，其中所述第一电极接触所述绝缘体的侧表面，所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述侧表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第一电极与所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第二电极之间。
根据权利要求4的本发明是根据权利要求2的开关元件，进一步包括：绝缘体，设置在所述第一电极与所述第二电极之间，其中所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和侧表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的侧表面上设置的所述第一电极与所述第二电极之间。
根据权利要求5的本发明是根据权利要求2的开关元件，进一步包括：绝缘体，设置为覆盖所述第一电极，并包括用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述孔的内表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述孔的所述内表面上设置的所述第一电极与所述第二电极之间。
根据权利要求6的本发明是根据权利要求2至5任一项所述的开关元件，其中所述电极间间隙部分被密封为与空气隔离。
根据权利要求7的本发明是根据权利要求2的开关元件，进一步包括：绝缘体，设置为覆盖所述第一电极，并包括用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中所述第二电极设置为通过覆盖所述孔的入口将所述孔密封为与空气隔离，并且所述第二电极在覆盖所述孔的所述入口的部分处包括第二电极突起，所述第二电极突起向所述第一电极突出，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极与所述第二电极突起之间。
根据权利要求8的本发明是根据权利要求7的开关元件，其中，所述第二电极突起的顶端设置在所述孔的内表面上，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极与所述第二电极突起的所述顶端之间，所述顶端设置在所述孔的所述内表面上。
根据权利要求9的本发明是根据权利要求7的开关元件，其中，所述第二电极突起向所述第一电极突出并包括下表面，所述下表面是凹面，所述第一电极在被所述孔暴露的部分处包括第一电极突起，所述第一电极突起向所述第二电极突出并包括上表面，所述上表面是凹面，所述第一电极突起的端部与所述第二电极突起的端部在垂直方向上相对，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极突起的端部与所述第二电极突起的端部之间。
根据权利要求10的本发明是根据权利要求2的开关元件，其中，所述绝缘衬底包括凹部，所述第一电极设置在所述绝缘衬底的所述凹部中，并在上表面上包括第一电极凹部，所述第二电极设置为通过覆盖在所述第一电极上方来将所述第一电极密封为与空气隔离，并在覆盖所述第一电极上方的部分处包括第二电极凹部，所述第一电极凹部的端部与所述第二电极凹部的端部在垂直方向上相对，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极凹部的端部与所述第二电极凹部的端部之间。
根据权利要求11的本发明是根据权利要求2的开关元件，进一步包括：绝缘体，设置为覆盖所述第一电极，并包括用于将所述绝缘体与所述第一电极分开且用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中所述第一电极在所述上表面上包括第一电极突起，所述第一电极突起向所述第二电极突出，所述第二电极设置为通过覆盖所述孔的入口将所述孔密封为与空气隔离，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极突起的顶端与所述第二电极之间。
本发明的有益效果
根据权利要求1所述的本发明，开关元件包括：绝缘衬底；绝缘体，设置在所述绝缘衬底的上表面上；第一电极，设置在所述绝缘衬底上；第二电极，设置在所述第一电极上方；电极间间隙部分(纳米间隙电极的间隙)，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象。也就是说，将形成电极间间隙部分的第一电极、电极间间隙部分以及形成电极间间隙部分的第二电极在垂直方向上布置，因此能够有助于在装置中进行层压和以更高的密度进行集成。
此外，根据权利要求1所述的本发明，所述第一电极接触所述绝缘体的侧表面，所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述侧表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第一电极与所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第二电极之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件：在绝缘衬底的上表面上形成绝缘体；在绝缘衬底的上表面上以及绝缘体的侧表面和上表面上形成电极(第一电极和第二电极)；以及形成电极间间隙部分。因此能够容易地制造开关元件。
此外，根据权利要求1所述的本发明，所述开关元件包括密封部件，用于通过包含所述电极间间隙部分将所述电极间间隙部分密封为与空气隔离。也就是说，通过密封部件防止了电极间间隙部分与空气和/或水接触，因此开关元件能够更稳定地操作。
根据权利要求2所述的本发明，所述开关元件包括：绝缘衬底；第一电极，设置在所述绝缘衬底上；第二电极，设置在所述第一电极上方；以及电极间间隙部分(纳米间隙电极的间隙)，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象。也就是说，将形成电极间间隙部分的第一电极、电极间间隙部分以及形成电极间间隙部分的第二电极在垂直方向上布置，因此能够有助于在装置中进行层压和以更高的密度进行集成。
根据权利要求3所述的本发明，权利要求2所述的开关元件进一步包括：绝缘体，设置在所述绝缘衬底的上表面上，其中所述第一电极接触所述绝缘体的侧表面，所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述侧表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第一电极与所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第二电极之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件：在绝缘衬底的上表面上形成绝缘体；在绝缘衬底的上表面上以及绝缘体的侧表面和上表面上形成电极(第一电极和第二电极)；以及形成电极间间隙部分。因此，除了通过权利要求2所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够容易地制造开关元件的效果。
根据权利要求4所述的本发明，权利要求2所述的开关元件进一步包括：绝缘体，设置在所述第一电极与所述第二电极之间，其中所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和侧表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的侧表面上设置的所述第一电极与所述第二电极之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件：在绝缘衬底的上表面上形成电极(第一电极)；在电极的上表面形成绝缘体；在绝缘体的侧表面和上表面上形成电极(第一电极和第二电极)；以及形成电极间间隙部分。因此，除了通过权利要求2所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够容易地制造开关元件的效果。
根据权利要求5所述的本发明，权利要求2所述的开关元件进一步包括：绝缘体，设置为覆盖所述第一电极，并包括用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述孔的内表面，以及所述电极间间隙部分设置在所述孔的所述内表面上设置的所述第一电极与所述第二电极之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件：在绝缘衬底的上表面上形成电极(第一电极)；形成绝缘体以覆盖电极；在绝缘体中形成孔，用于暴露第一电极的一部分上表面；以及在绝缘体的上表面上和孔的内表面上形成电极(第一电极和第二电极)。因此，除了通过权利要求2所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够容易地制造开关元件的效果。
根据权利要求6所述的本发明，在权利要求2至5任一项中所述的开关元件中，所述电极间间隙部分被密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分与空气和/或水接触，因此，除了通过权利要求2至5任一项中所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够更稳定地操作开关元件、关于形成电极间间隙部分的第一电极和第二电极的材料可以有多种选择的效果。
根据权利要求7、8、9所述的本发明，在权利要求2所述的开关元件中，第二电极被设置为通过覆盖孔的入口将孔密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分与空气和/或水接触，因此，除了通过权利要求2所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够更稳定地操作开关元件、关于形成电极间间隙部分的第一电极和第二电极的材料可以有多种选择的效果。
根据权利要求7、8、9所述的本发明，权利要求2所述的开关元件进一步包括：绝缘体，设置为覆盖所述第一电极，并包括于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中所述第二电极被设置为覆盖所述孔的入口，并且所述第二电极在覆盖所述孔的所述入口的部分处包括第二电极突起，，所述第二电极突起向所述第一电极突出，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极与所述第二电极突起之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件：在绝缘衬底的上表面上形成第一电极；形成绝缘体以覆盖第一电极；在绝缘体中形成孔，该孔用于暴露第一电极的一部分上表面；以及在绝缘体的上表面上、在孔的入口上以及在孔中形成第二电极。因此，能够容易地制造开关元件。
根据权利要求10所述的本发明，在权利要求2所述的开关元件中，第二电极被设置为通过覆盖第一电极来将第一电极密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分与空气和/或水接触，因此，除了通过权利要求2所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够更稳定地操作开关元件、关于形成电极间间隙部分的第一电极和第二电极的材料可以有多种选择的效果。
此外，根据权利要求10所述的本发明，在权利要求2所述的开关元件中，绝缘衬底包括凹部，第一电极设置在绝缘衬底的凹部中并包括第一电极凹部，第一电极凹部设置在第一电极的上表面上，第二电极被设置为覆盖在第一电极上方并在覆盖第一电极上方的部分处包括第二电极凹部，第一电极凹部的端部与第二电极凹部的端部在垂直方向上相对，电极间间隙部分设置在第一电极凹部的端部与第二电极凹部的端部之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件：在绝缘衬底的凹部中形成第一电极；以及形成第二电极以覆盖第一电极。此外，不需要绝缘体。因此，能够容易地制造开关元件。
根据权利要求11所述的本发明，权利要求2所述的开关元件进一步包括：绝缘体，设置为覆盖所述第一电极，并包括用于将所述绝缘体与所述第一电极分开且用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中所述第一电极在所述上表面上包括第一电极突起，所述第一电极突起向所述第二电极突出，所述第二电极设置为通过覆盖所述孔的入口将所述孔密封为与空气隔离，以及所述电极间间隙部分设置在所述第一电极突起的顶端与所述第二电极之间。也就是说，防止了电极间间隙部分与空气和/或水接触，因此，除了通过权利要求2所述的本发明获得的效果之外，还能获得能够更稳定地操作开关元件、关于形成电极间间隙部分的第一电极和第二电极的材料可以有多种选择的效果。
附图说明
图1为示意性示出根据本发明实施例的开关元件的主要部分的剖视图；
图2为示出开关装置的实例的示意图，通过向图1的开关元件提供密封部件形成该开关装置；
图3为示意性示出图1的开关元件的制造工艺中的气相沉积工艺的剖视图；
图4示出在开关元件的纳米间隙电极之间施加的电压与在纳米间隙电极之间流过的电流之间的关系；
图5A示出经过时间与在开关元件的纳米间隙电极之间施加的电压之间的关系；
图5B示出经过时间与在纳米间隙电极之间流过的电流之间的关系；
图6示出在纳米间隙电极之间施加电压的情况下电流-电压特性的测量结果；
图7为示意性示出根据第一变型的开关元件的主要部分的剖视图；
图8为示意性示出根据第二变型的开关元件的主要部分的剖视图；
图9为示意性示出根据第三变型的开关元件的主要部分的剖视图；
图10为示意性示出根据第四变型的开关元件的主要部分的剖视图；
图11为示意性示出根据第五变型的开关元件的主要部分的剖视图；
图12为示意性示出根据第六变型的开关元件的主要部分的剖视图；以及
图13为示意性示出根据第七变型的开关元件的主要部分的剖视图。
附图标记说明
10，10F    绝缘衬底
11F  凹部
20，20B，20C，20D，20E，20G  绝缘体
21，21B  侧表面
22C，22D，22E，22G    孔
23C，23D    内表面
30，30B，30C，30D，30E，30F，30G  第一电极
31E，31G  第一电极突起
32E  第一电极突起的端部
33F  第一电极凹部
34F  第一电极凹部的端部
40，40B，40C，40D，40E，40F，40G  第二电极
41D，41E  第二电极突起
42E  第二电极突起的端部
43F  第二电极凹部
44F  第二电极凹部的端部
50电极间间隙部分
60密封部件
100，100A，100B，100C，100D，100E，100F，100G开关元件
具体实施方式
下面通过利用附图详细描述本发明的实施例。但是，本发明的范围并不限于附图。
图1为适应性示出根据本发明实施例的开关元件100的主要部分的剖视图。图2为示出开关装置1000的示意图，通过向图1的开关元件100提供密封部件60形成开关装置1000。
如图1所示，根据本发明实施例的开关元件100例如包括：绝缘衬底10；绝缘体20，设置在绝缘衬底10的上表面上；第一电极30，设置在绝缘衬底10的上表面上；第二电极40，设置在第一电极30上方；以及电极间间隙部分50，设置在第一电极30与第二电极40之间。
具体地，例如，绝缘体20接触绝缘衬底10的上表面，第一电极30接触绝缘衬底10的上表面以及绝缘体20的侧表面21的下侧，第二电极40接触绝缘体20的上表面以及绝缘体20的侧表面21的上侧，电极间间隙部分50设置在绝缘体20的侧表面21的下侧设置的第一电极30与绝缘体20的侧表面21的上侧设置的第二电极40之间。
例如，绝缘衬底10形成支撑，开关元件100的电极(第一电极30)设置在其上。
绝缘衬底10的结构和材料没有特别限制。具体地，就其形状而言，绝缘衬底10的表面可以是平坦的或不平坦的。绝缘衬底10可以是半导体衬底，例如在其表面上有设置氧化物膜或其它膜的Si半导体衬底，也可以是本身具有绝缘特性的衬底。就绝缘衬底10的材料而言，例如，优选玻璃、氧化物(例如二氧化硅(SiO2))、氮化物(例如氮化硅(Si3N4))或其它材料，其中最优选SiO2，因为它与第一电极30的粘附性高并且在制造过程中自由度高。
例如，绝缘体20形成支撑，开关元件100的两个电极(第一电极30和第二电极40)相互分离地设置在其上。
绝缘体20的结构和材料没有特别限制。具体地，例如就其形状而言，绝缘体20的表面可以是平坦的或不平坦的，只要将绝缘体20设置在绝缘衬底10的上表面上。可通过在绝缘衬底10的一部分上设置氧化物膜或其它膜来形成绝缘体20，或者通过在整个绝缘衬底10上设置氧化物膜或其它膜然后将所设置的一部分氧化物膜或其它膜去除来形成绝缘体20。就绝缘体20的材料而言，例如，优选玻璃、氧化物(例如SiO2)、氮化物(Si3N4)或其它材料，其中最优选SiO2，因为它与第一电极30、第二电极40的粘附性高并且在制造过程中自由度高。
第一电极30例如用于通过第二电极40进行开关电极100的开关操作，第一电极30与第二电极40形成配对。
第一电极30的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要将第一电极30设置在绝缘衬底10上并接触绝缘体20的侧表面21。
第一电极30的材料没有特别限制。例如，其材料优选为金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及由它们制成的合金的至少其中之一。例如，可将由相互不同的金属制成的两层或更多层用于第一电极30，将这些层进行层压，以提高与绝缘衬底10以及绝缘体20的粘附性，。具体地，第一电极30可具有层压(多层)结构，即，例如可在其中层压铬层和金层。
第二电极40例如允许开关电极100通过第一电极30进行开关操作，第二电极40与第一电极30形成配对。
第二电极40的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要将第二电极40设置在第一电极30上方并接触绝缘体20的侧表面21的上表面。
第二电极40的材料没有特别限制。例如，其材料优选为金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及由它们制成的合金的至少其中之一。可将由相互不同的金属制成的两层或更多层用于第二电极40，将这些层进行层压，以提高与绝缘体20的粘附性。具体地，例如，第二电极40可具有层压(多层)结构，即，可在其中层压铬层和金层。
例如，电极间间隙部分50具有纳米量级的间隙，用于通过在第一电极30与第二电极40之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象。电极间间隙部分50具有引起开关元件100的开关现象的功能。
就电极间间隙部分50具有的间隙的宽度而言，即就第一电极30与第二电极40之间(纳米间隙电极之间)的距离(间隙)G而言，例如优选0nm＜G≤13nm，更优选0.8nm＜G＜2.2nm。
距离G的上限为13nm的原因例如是，在利用倾斜气相沉积形成第一电极30和第二电极40从而形成电极间间隙部分的情况下，如果间隙大于13nm，就不能引起开关现象。
另一方面，关于距离G的下限，如果距离G为0nm，则第一电极30和第二电极40短路。但是，根据显示第一实例中电流-电压特性测量结果的曲线图(例如图6)，看到曲线在0V左右变化。因此，显然间隙大于0nm。难以通过显微镜的测量来确定距离G的下限。但是，可以认为距离G的下限是能够产生穿隧电流的最短距离。即，距离G的下限是距离的一个理论值，在这个理论值下，当开关元件100工作时，电流-电压特性不遵守欧姆定律，结果是，观察到量子力学穿隧效应。
通过将电阻值代入穿隧电流的理论方程，得到0.8nm＜G＜2.2nm作为间隙的计算结果。
就电极间间隙部分50的直流电阻(第一电极30与第二电极40之间的电阻)而言，例如优选大于1kΩ，小于10TΩ，更优选大于10kΩ。
电阻的上限为10TΩ的原因是，如果电阻为10TΩ或大于10TΩ，就不能引起开关元件100的开关现象。
另一方面，电阻的下限为1kΩ的原因是，电阻尚未降到1kΩ或1kΩ以下。
就开关而言，在开关元件100的断开(OFF)状态下电阻越高，开关越好。因此，优选电阻上限尽可能高。另一方面，如果在开关元件100的导通(ON)状态下电阻为1kΩ，则容易流动毫安量级的电流。因此，另一元件可能会损坏。因此，就电阻的下限而言，更优选在10kΩ左右。
在第一电极30与第二电极40相互相对的区域，例如可形成一个或多个第一电极30与第二电极40相互最靠近的最靠近部分(电极间间隙部分50)。
此外，例如可在第一电极30与第二电极40之间形成由第一电极30、第二电极40的材料或其它材料制成的岛形部分(中州部分(holm part))。例如，只要电极间间隙部分在第一电极30与岛形部分之间以及第二电极40与岛形部分之间形成指定间隙(电极间间隙部分50)，就可以形成岛形部分，因此第一电极30与第二电极40不会短路。
开关元件100例如通过被密封部件60所包含(密封)来形成开关装置1000，如图2所示。
引导线L1和引导线L2分别连接到第一电极30和第二电极40。引导线L1和引导线L2延伸到密封部件60外部(参照图2)。
密封部件60例如用于将电极间间隙部分50密封为与空气隔离，因此开关元件100操作更稳定。例如将密封部件60设置为至少包含电极间间隙部分50，并且优选将密封部件60设置为将包括绝缘衬底10的整个开关元件100密封为与空气隔离。
密封部件60的形状和材料可以适当地变化，只要密封部件60具有将电极间间隙部分50密封为与空气隔离的功能。就密封部件60的材料而言，例如可使用公知的半导体密封材料，如果需要的话，可以设置由公知物质或其它物质组成的空气阻挡层。
当第一电极30和第二电极40(纳米间隙电极)例如全部沉积在适当的真空室(未示出)中并用作开关元件时，不需要密封部件60。
开关装置1000通过密封部件60形成的内部部分例如可以是压力减小的环境，或者可以填充各种物质。就内部部分的压力P而言，例如优选10-6Pa＜P＜2×105Pa，更优选102Pa＜P＜105Pa。
关于压力P的上限，已经确定开关元件100的工作压力高达105Pa。但是，难以在高于105Pa的压力下处理开关元件100。因此，更优选将2×105Pa作为压力P的上限，通过考虑到空气泄漏等因素将压力调高来获得2×105Pa的压力。
另一方面，关于压力P的下限，已经确定开关元件100的工作压力低达10-6Pa。但是，难以在低于10-6Pa的压力下处理开关元件100。因此，更优选将102Pa作为压力P的下限，通过工业上易用的真空***能达到102Pa的压力。
内部部分例如可以填充惰性气体(例如干空气、氮)，或稀有气体(例如氩)，或电惰性有机溶剂(例如甲苯)。
下面将描述开关元件100的制造方法。
例如如下文所述来制造开关元件100：
(a)在绝缘衬底10的上表面上形成绝缘体20；
(b)在绝缘衬底10的上表面上以及绝缘体20的侧表面和上表面上形成电极图案P；以及
(c)根据电极图案P形成第一电极30和第二电极40，从而形成电极间间隙部分50。
具体地，通过进行以下工艺来制造开关元件100。
(1)绝缘衬底10制备工艺
(2)绝缘体20沉积工艺
(3)第一抗蚀剂图案形成工艺
(4)绝缘体20蚀刻工艺
(5)抗蚀剂图案脱离工艺(resist pattern release process)
(6)第二抗蚀剂图案形成工艺
(7)气相沉积工艺
(8)举离工艺(1iftoff process)
(9)电场破坏工艺(electric field break process)
(10)密封工艺
(1)绝缘衬底10制备工艺
对于绝缘衬底10，例如使用带氧化物膜的Si衬底、具有被绝缘的表面的衬底或其它衬底。具体地，例如在使用导电性衬底(例如Si衬底)时，通过公知方法(例如热处理、氧化处理、气相沉积或溅射)在Si衬底的表面上设置期望的绝缘膜，从而能将带绝缘膜的导电性衬底用作绝缘衬底10。此外，例如可将诸如玻璃这样的绝缘衬底用作绝缘衬底10。
(2)绝缘体20沉积工艺
例如，通过使用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)或其它工艺进行绝缘体20沉积工艺。在绝缘衬底10的整个上表面上方形成绝缘体20。
可以适当地改变绝缘体20的厚度。例如，当在第一电极30与第二电极40之间施加10V的电压时，优选厚度为15nm以上。
(3)第一抗蚀剂图案形成工艺
例如，通过使用光刻工艺或其它工艺进行第一抗蚀剂图案形成工艺，从而形成用于蚀刻一部分绝缘体20的第一抗蚀剂图案(未示出)。
可以适当地改变第一抗蚀剂图案的厚度。具体地，其厚度例如为0.7μm。
(4)绝缘体20蚀刻工艺
例如，通过使用适合于绝缘体20的材料的气体进行绝缘体20的蚀刻工艺。进行绝缘体20蚀刻工艺的结果是，在第一抗蚀剂图案形成工艺中形成的第一抗蚀剂图案不存在的部分处暴露绝缘衬底10(因为与该部分相对应的绝缘体20被去除)，而在第一抗蚀剂图案形成工艺中形成的第一抗蚀剂图案存在的部分处保留绝缘体20。
(5)抗蚀剂图案脱离工艺
例如，通过使用带有脱离剂的液体进行抗蚀剂图案脱离工艺，脱离剂适合于第一抗蚀剂图案形成工艺中形成的第一抗蚀剂图案的材料。进行抗蚀剂图案脱离工艺的结果是，保留的绝缘体20暴露，从而形成绝缘体图案(未示出)。
(6)第二抗蚀剂图案形成工艺
例如，通过使用光刻工艺或其它工艺，进行第二抗蚀剂图案的形成工艺，从而形成了用于形成第一电极30和第二电极40的第二抗蚀剂图案(未示出)。
(7)气相沉积工艺
例如，通过使用指定的气相沉积装置进行气相沉积工艺，从而沉积电极图案P，(通过电极图案P形成第一电极30和第二电极40)(参见图3)。
例如，通过倾斜气相沉积进行气相沉积工艺。即，以从气源蒸发的气体粒子的飞来方向相对绝缘体20的侧表面21、绝缘衬底10和绝缘体20的对应上表面的至少其中之一倾斜的方式，沉积绝缘衬底10。具体地，例如图3所示，以θ1和θ2满足0°＜θ1＜θ2＜180°的方式沉积绝缘衬底10。这里，θ1表示绝缘衬底10的上表面与绝缘体20的侧表面21形成的角度，θ2表示绝缘衬底10的上表面与从气源蒸发的气体粒子的飞来方向形成的角度。结果是，电极图案P沉积在绝缘衬底10的上表面上以及绝缘体20的侧表面21和上表面上。
通过将选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及由它们制成的合金的至少一种物质沉积一次或多次，进行气相沉积工艺。
可以适当地改变沉积的电极图案P的厚度。例如，关于沉积的电极图案P，优选电极图案P沉积在绝缘体20的侧表面21上的部分的厚度为10nm或10nm以下，从而容易进行后面的电场破坏工艺。
(8)举离工艺
例如，通过使用带有脱离剂的液体进行举离工艺，脱离剂适合于第二抗蚀剂图案形成工艺中形成的第二抗蚀剂图案的材料。进行举离工艺的结果是，形成电极图案P(后面通过电极图案P形成第一电极30和第二电极40)。
(9)电场破坏工艺
如图3所示，必须进行电场破坏工艺，因为当举离工艺结束的时候纳米间隙电极短路。也就是说，在电场破坏工艺中，通过破坏电极图案P，相互分离地形成第一电极30和第二电极40。结果是，形成电极间间隙部分50。
在电场破坏工艺中，例如将可变电阻器、固定电阻器以及电源(都未示出)串联连接到短路的纳米间隙电极(电极图案P)并施加电压。然后，以可变电阻器的电阻从默认值(高电阻)开始逐渐变小的方式调节可变电阻器的电阻值。当电流停止流动的时候，停止施加电压。结果是，形成第一电极30和第二电极40，因此可获得具有期望的电极之间距离G的纳米间隙电极。
(10)密封工艺
例如，通过使用指定的密闭密封技术进行密封工艺。具体地，通过陶瓷密封、玻璃密封、塑料密封或使用金属帽的密封进行密封工艺。
可以在指定环境中进行密封工艺。
开关元件100的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100的制造方法并不限于上述制造方法。
下面，参照图4和图5描述开关元件100的开关操作。
图4示意性示出在将施加给处于断开状态的开关元件100的电极间间隙部分50(纳米间隙电极之间)的电压从0V开始升高的情况下电流-电压曲线(图4中的虚线所绘出的曲线)的实例，并示出在将施加给处于导通状态的开关元件100的电极间间隙部分50(纳米间隙电极之间)的电压从0V开始升高的情况下电流-电压曲线(图4中的点划线所绘出的曲线)的实例。在图4中，横坐标对应于纳米间隙电极之间施加的电压，纵坐标对应于纳米间隙电极之间流动的电流。在图4中，给出字母数字“A”、“B”和“0”用于说明。
图4示出处于电压为正的情况的曲线。实际上，这些曲线关于0点对称。也就是说，纳米间隙电极之间施加的电压、纳米间隙电极之间流动的电流与纳米间隙电极的极性无关。下面不再说明电压为负的情况。
首先，参照图4，就施加给纳米间隙电极的电压与纳米间隙电极之间流动的电流之间的关系，来描述开关元件100处于导通状态的情况和开关元件100处于断开状态的情况之间的差别。
如图4所示，在开关元件100处于断开状态的情况下，当在纳米间隙电极之间施加点A与点B之间的电压时，电流在纳米间隙电极之间流动。
另一方面，在开关元件100处于导通状态的情况下，不仅当在纳米间隙电极之间施加点A与点B之间的电压时，而且当在纳米间隙电极之间施加小于点A的电压时，电流在纳米间隙电极之间流动。
下面，参照图5A和图5B描述开关元件100的开关操作。
图5A示意性示出经过时间与纳米间隙电极之间施加的电压之间的关系，图5B示意性示出经过时间与纳米间隙电极之间流过的电流之间的关系。
如图5A和图5B所示，首先，在纳米间隙电极之间施加方波脉冲I的导通电压，之后在纳米间隙电极之间施加读取电压R1(如图5A所示)。然后，在纳米间隙电极之间流动大电流，因此开关元件100的状态变为导通状态(如图5B所示)。
接着，在纳米间隙电极之间施加方波脉冲J的断开电压，之后在纳米间隙电极之间施加读取电压R2(如图5A所示)。然后，电流不在纳米间隙电极之间流动，因此开关元件100的状态变为断开状态(如图5B所示)。
之后，以与上述方式相同的方式在纳米间隙电极之间施加导通电压K、断开电压L等电压。然后，开关元件100重复进行开关操作，从而以与上述方式相同的方式处于导通状态和处于断开状态。因此省略其描述。
下面，通过给出第一实例详细描述本发明。但是，本发明的范围并不限于此。
[第一实例]
下面描述根据第一实例的开关元件100的制造方法。
(1)绝缘衬底10制备工艺
将p型硅衬底用作衬底。在p型硅衬底的表面上沉积100nm厚的氧化硅层。将表面上沉积有氧化硅层的p型硅衬底用作绝缘衬底10。
(2)绝缘体20沉积工艺
接着，通过PECVD工艺在绝缘衬底10上沉积200nm厚的氧化硅层，以用作绝缘体20。
(3)第一抗蚀剂图案形成工艺
然后，形成0.7μm厚的第一抗蚀剂图案。
(4)绝缘体20蚀刻工艺
接着，通过使用RIE(反应离子蚀刻)进行蚀刻将一部分绝缘体20去除，从而暴露一部分绝缘衬底10，该部分对应于绝缘体20的去除部分。
(5)抗蚀剂图案脱离工艺
然后，将第一抗蚀剂图案脱离，从而暴露保留的绝缘体20。
(6)第二抗蚀剂图案形成工艺
接着，形成320nm厚的第二抗蚀剂图案。
(7)气相沉积工艺
然后，将θ2设定为90度，θ2是绝缘衬底10的上表面与从气源蒸发的气体粒子的飞来方向形成的角度。通过沉积铬、之后沉积金，在绝缘衬底10的上表面处沉积总厚度为20nm的电极图案P，绝缘衬底10处的铬层为1nm厚。绝缘体20的侧表面21处电极图案P总厚度大约为5nm。
(8)举离工艺
接着，将第二抗蚀剂图案举离。
(9)电场破坏工艺
然后，进行电场破坏工艺。通过破坏电极图案P形成第一电极30和第二电极40，从而形成电极间间隙部分50。具体地，作为破坏电场的条件，将施加的电压从0V开始逐渐升高，从而逐渐增加电流量。当电场被破坏后，电流量为1mA或1mA以下。
将如上所述制造的开关元件100置于真空腔中。真空腔中的压力例如在1Pa范围内。
下面，参照图6描述在第一电极30与第二电极40之间施加连续变化的电压的情况下，纳米间隙电极的间隙中的电流-电压(I-V)特性。
图6示出在第一电极30与第二电极40之间施加电压的情况下，纳米间隙电极的间隙中I-V特性的测量结果。横坐标用于表示纳米间隙电极之间施加的电压，纵坐标用于表示纳米间隙电极之间流动的电流。
首先，在测量开始时将处于断开状态的开关元件100的纳米间隙电极之间施加的电压设定为0V。然后，以-0.2V/s的速度连续施加电压直到达到-20V，然后，以0.2V/s的速度连续施加电压直到达到20V。
具体地，例如，当用图6中的字母数字“A”到“E”和“0”进行说明时，电流和电压从点0到点A到点B到点C到点D到点E变化。
当电压从点0变到点B时，电流的电流值只在大约0A到大约-5×10-5A之间变化，因为测量从开关元件100处于断开状态时开始。因此，没有大电流流动。
通过将电压从点B变到点C，电流值达到大约-1.5×10-4A，并清楚地观察到电流峰值(即，开关元件100变为导通状态)。
通过将电压从点C变到点D，电流值达到1.5×104A或1.5×104A以上，并观察到电流峰值，该电流峰值与电压从点B变到点C时观察到的电流峰值的级数相同。
通过将电压从点D变到点E，电流值变为大约0A。
图6没有示出之后的电流-电压特性。但是，当电压从点0变到点B(即，开关元件100变为断开状态)时，没有大电流流动，尽管之后重复进行相同条件下的测量。因此，确认当条件相同时开关元件100重复进行开关操作，因此之后导通状态和断开状态也重复变化。
如上所述，根据本发明实施例的开关元件100包括：绝缘衬底10；绝缘体20，设置在所述绝缘衬底10的上表面上；第一电极30，设置在所述绝缘衬底10上；第二电极40，设置在所述第一电极30上方；电极间间隙部分50(纳米间隙电极的间隙)，设置在所述第一电极30与所述第二电极40之间并包括纳米量级的间隙，用于通过在所述第一电极30与所述第二电极40之间施加指定电压，引起电阻器的开关现象。也就是说，将形成电极间间隙部分50的第一电极30、电极间间隙部分50以及形成电极间间隙部分50的第二电极40在垂直方向上布置，因此能够有助于在装置中进行层压和以更高的密度进行集成。
开关元件100只包括绝缘衬底10、绝缘体20、第一电极30、第二电极40和电极间间隙部分50。因此，不需要有机分子和/或非有机粒子，因此可制造结构更简单的开关元件100。
开关元件100不包括损坏的物质，因此能稳定地重复进行开关操作。
开关元件100具有非易失性，因此，即使当开关操作开始后不是从外部供电，也能保持开关元件100的操作状态。
此外，在根据本发明实施例的开关元件100中，所述第一电极30接触所述绝缘体20的侧表面21，所述第二电极40接触所述绝缘体20的上表面和所述绝缘体20的侧表面21，以及所述电极间间隙部分50设置在所述绝缘体20的所述侧表面21上设置的所述第一电极30与所述绝缘体20的所述侧表面21上设置的所述第二电极40之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件100：在绝缘衬底10的上表面上形成绝缘体20；在绝缘衬底10的上表面以及绝缘体20的侧表面21和上表面上形成电极(第一电极30和第二电极40)；以及形成电极间间隙部分50。因此能够容易地制造开关元件100。
此外，根据本发明实施例的开关元件100进一步包括用于通过包含电极间间隙部分50而将所述电极间间隙部分50密封为与空气隔离的密封部件60。也就是说，通过密封部件60防止了电极间间隙部分50与空气和/或水接触，因此能够更合适地操作开关元件100。
具体地，通过形成内部部分，能防止电极间间隙部分50(纳米间隙电极的间隙)与空气和/或水接触，内部部分通过密封部件60、压力减小的环境形成，或者通过用各种物质，例如惰性气体(例如干空气、氮)、或稀有气体(例如氩)、或电惰性有机溶剂(例如甲苯)填充内部部分形成。因此，开关操作可以更稳定。
本发明并不限于上述实施例，因此在不脱离本发明范围的界限内可进行各种变型和设计变化。
开关元件100的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要开关元件100包括：绝缘衬底10；第一电极30，设置在所述绝缘衬底10上；第二电极40，设置在所述第一电极30上方；电极间间隙部分50，设置在所述第一电极30与所述第二电极40之间并包括纳米量级的间隙，用于通过在所述第一电极30与所述第二电极40之间施加指定电压，引起电阻器的开关现象，也就是说，只要将第一电极30的形成电极间间隙部分50的部分、第二电极40的形成电极间间隙部分50的部分、以及电极间间隙部分50在垂直方向上设置。
具体地，开关元件100可以是根据下面所述第一变型至第七变型以及其它变型中任一个的开关元件。
[第一变型]
根据第一变型的开关元件100A例如包括：绝缘衬底10、绝缘体20、第一电极30、第二电极40、电极间间隙部分50、以及密封绝缘体60A，如图7所示。
为了使开关元件100A更稳定地操作，密封绝缘体60A例如用于将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。
具体地，例如以将电极间间隙部分50覆盖，但是保持电极间间隙部分50的间隙不被填充的方式设置密封绝缘体60A。
密封绝缘体60A的结构和材料没有特别限制。具体地，例如密封绝缘体60A的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要以将电极间间隙部分50覆盖，但是保持电极间间隙部分50的间隙不被填充的方式设置密封绝缘体60A。就密封绝缘体60A的材料而言，例如，优选玻璃、氧化物(例如二氧化硅(SiO2))、氮化物(例如氮化硅(Si3N4))或其它材料，其中最优选SiO2，因为它与第一电极30、第二电极40的粘附性高并且在制造过程中自由度高。
例如如下文所述来制造根据第一变型的开关元件100A：
(a)在绝缘衬底10的上表面上形成绝缘体20；
(b)在绝缘衬底10的上表面上以及绝缘体20的侧表面21和上表面上形成电极图案P；
(c)根据电极图案P形成第一电极30和第二电极40，从而形成电极间间隙部分50；
(d)在朝向绝缘体20的侧面21的位置处形成用于保持电极间间隙部分50的间隙不被填充的间隙形成部件；
(e)在第一电极30的上表面上、间隙形成部件的表面上、以及第二电极40的上表面上形成密封绝缘体60A；以及
(f)将间隙形成部件热解。
就间隙形成部件而言，例如优选容易热解的物质，例如有机物质。
开关元件100A的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100A的制造方法并不限于上述制造方法。
在根据第一变型的开关元件100A中，通过密封绝缘体60A将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。因此，不必像例如根据上述实施例的开关元件100一样被密封部件60包含或者被置于真空腔(未示出)中，就可以将开关元件100A用作开关元件。
根据第一变型的开关元件100A像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，在根据第一变型的开关元件100A中，通过密封绝缘体60A将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分50与空气和/或水接触，因此，开关元件100A能够更稳定地操作，并且关于形成电极间间隙部分50的第一电极30和第二电极40的材料可以有多种选择。
[第二变型]
根据第二变型的开关元件100B例如包括：绝缘衬底10、绝缘体20B、第一电极30B、第二电极40B、电极间间隙部分50，如图8所示。
具体地，绝缘体20B设置在第一电极30B与第二电极40B之间；第一电极30B接触绝缘衬底10的上表面、绝缘体20B的侧表面21B的下侧以及绝缘体20B的下表面；第二电极40B接触绝缘体20B的上表面以及绝缘体20B的侧表面21B的上侧；电极间间隙部分50设置在绝缘体20B的侧表面21B的下侧设置的第一电极30B与绝缘体20B的侧表面21B的上侧设置的第二电极40B之间。
绝缘体20B、第一电极30B以及第二电极40B的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要绝缘体20B设置在第一电极30B与第二电极40B之间，并且第二电极40B接触绝缘体20B的上表面和侧表面21B。
例如如下文所述来制造根据第二变型的开关元件100B：
(a)在绝缘衬底10的上表面上形成第一电极图案；
(b)在第一电极图案的上表面上形成绝缘体20B；
(c)在绝缘体20B的上表面和侧表面21B上形成第二电极图案，第二电极图案在绝缘体20B的侧表面21B的下端处接触第一电极图案；以及
(d)通过第一电极图案和第二电极图案形成第一电极30B和第二电极40B，从而形成电极间间隙部分50。
开关元件100B的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100B的制造方法并不限于上述制造方法。
将根据第二变型的开关元件100B用作开关元件时，优选像根据上述实施例的开关元件100一样，例如通过使密封部件60包含开关元件100B或者通过将开关元件100B置于真空腔(未示出)中，将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。
根据第二变型的开关元件100B像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，根据第二变型的开关元件100B包括设置在第一电极30B与第二电极40B之间的绝缘体20B，其中，第二电极40B接触绝缘体20B的上表面和侧表面21B，电极间间隙部分50设置在第一电极30B与绝缘体20B的侧表面21B上设置的第二电极40B之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件100B：在绝缘衬底10的上表面上形成电极(第一电极30B)；在电极的上表面上形成绝缘体20B；在绝缘体20B的侧表面21B和上表面上形成电极(第一电极30B和第二电极40B)；以及形成电极间间隙部分50。因此，容易制造开关元件100B。
[第三变型]
根据第三变型的开关元件100C例如包括：绝缘衬底10、绝缘体20C、第一电极30C、第二电极40C、电极间间隙部分50，如图9所示。
具体地，例如绝缘体20C设置为接触绝缘衬底10的上表面和覆盖第一电极30C，并包括用于暴露第一电极30C的一部分上表面的孔22C。第一电极30C从侧表面到上表面的端部被绝缘体20C覆盖，并且第一电极30C接触绝缘衬底10的上表面以及孔22C的内表面23C的下侧。第二电极40C接触绝缘体20C的上表面以及孔22C的内表面23C的上侧。电极间间隙部分50设置在孔22C的内表面23C的下侧设置的第一电极30C与孔22C的内表面23C的上侧设置的第二电极40C之间。
绝缘体20C、第一电极30C和第二电极40C的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要绝缘体20C设置为覆盖第一电极30C，并包括用于暴露第一电极30C的一部分上表面的孔22C，第二电极40C接触绝缘体20C的上表面以及孔22C的内表面23C。
例如如下文所述来制造根据第三变型的开关元件100C：
(a)在绝缘衬底10的上表面上形成第一电极图案；
(b)形成绝缘体20C以覆盖第一电极图案；
(c)在绝缘体20C中形成孔22C，孔22C用于暴露第一电极图案的一部分上表面；
(d)在绝缘体20C的上表面和孔22C的内表面23C上形成第二电极图案，第二电极图案在孔22C的内表面23C的下端处接触第一电极图案；以及
(e)通过第一电极图案和第二电极图案形成第一电极30C和第二电极40C，从而形成电极间间隙部分50。
开关元件100C的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100C的制造方法并不限于上述制造方法。
将根据第三变型的开关元件100C用作开关元件时，优选像根据上述实施例的开关元件100一样，例如通过使密封部件60包含开关元件100C或者通过将开关元件100C置于真空腔(未示出)中，将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。
根据第三变型的开关元件100C像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，根据第三变型的开关元件100C包括设置为覆盖第一电极30C的绝缘体20C，其中，所述绝缘体20C包括孔22C，用于暴露第一电极30C的一部分上表面；第二电极40C接触绝缘体20C的上表面以及孔22C的内表面23C；电极间间隙部分50设置在第一电极30C与孔22C的内表面23C上设置的第二电极40C之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件100C：在绝缘衬底10的上表面上形成电极(第一电极30C)；形成绝缘体20C以覆盖电极；在绝缘体20C中形成孔22C，孔22C用于暴露电极的一部分上表面；在绝缘体20C的上表面和孔22C的内表面23C上形成电极(第一电极30C和第二电极40C)；以及形成电极间间隙部分50。因此，容易制造开关元件100C。
[第四变型]
根据第四变型的开关元件100D例如包括：绝缘衬底10、绝缘体20D、第一电极30D、第二电极40D、电极间间隙部分50，如图10所示。
具体地，例如绝缘体20D设置为接触绝缘衬底10的上表面和覆盖第一电极30D，并包括用于暴露第一电极30D的一部分上表面的孔22D。第一电极30D从侧表面到上表面的端部被绝缘体20D覆盖，并且第一电极30D接触绝缘衬底10的上表面。第二电极40D设置为接触绝缘体20D的上表面，并通过覆盖孔22D的入口将孔22D密封为与空气隔离，并且第二电极40D在覆盖孔22D的入口的部分处包括第二电极突起41D，第二电极突起41D向第一电极30D突出。第二电极突起41D的顶端设置在孔22D的内表面23D上。电极间间隙部分50设置在第一电极30D与第二电极突起41D的顶端之间，所述顶端设置在孔22D的内表面23D上。
绝缘体20D、第一电极30D和第二电极40D的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要绝缘体20D设置为覆盖第一电极30D，并包括用于暴露第一电极30D的一部分上表面的孔22D；第二电极40D设置为通过覆盖孔22D的入口将孔22D密封为与空气隔离，并且第二电极40D在覆盖孔22D的入口的部分包括第二电极突起41D，第二电极突起41D向第一电极30D突出。
具体地，例如第二电极突起41D的顶端可设置在除了位于孔22D的内表面23D上之外的地方。此外，可以有一个以上的第二电极突起41D。
例如如下文所述来制造根据第四变型的开关元件100D：
(a)在绝缘衬底10的上表面上形成第一电极30D；
(b)形成绝缘体20D以覆盖第一电极30D；
(c)在绝缘体20D中形成孔22D，孔22D用于暴露第一电极30D的一部分上表面；以及
(d)通过倾斜气相沉积工艺在绝缘体20D的上表面上、孔22D的入口上以及在孔22D中形成第二电极40D，从而形成电极间间隙部分50。
开关元件100D的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100D的制造方法并不限于上述制造方法。
在根据第四变型的开关元件100D中，通过第二电极40D将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。因此，不必像例如根据上述实施例的开关元件100一样被密封部件60包含或者被置于真空腔(未示出)中，就可以将开关元件100D用作开关元件。
根据第四变型的开关元件100D像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，在根据第四变型的开关元件100D中，将第二电极40D设置为通过覆盖孔22D的入口将孔22D密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分50与空气和/或水接触。因此，开关元件100D能更稳定地操作，并且关于形成电极间间隙部分50的第一电极30D和第二电极40D的材料可以有多种选择。
此外，根据第四变型的开关元件100D包括绝缘体20D，绝缘体20D设置为覆盖第一电极30D并包括用于暴露第一电极30D的一部分上表面的孔22D，其中第二电极40D设置为覆盖孔22D的入口，并且第二电极40D在覆盖孔22D的入口的部分处包括向第一电极30D突出的第二电极突起41D；第二电极突起41D的顶端设置在孔22D的内表面23D上；电极间间隙部分50设置在第一电极30D与第二电极突起41D的顶端之间，所述顶端设置在孔22D的内表面23D上。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件100D：在绝缘衬底10的上表面上形成第一电极30D；形成绝缘体20D以覆盖第一电极30D；在绝缘体20D中形成孔22D，孔22D用于暴露第一电极30D的一部分上表面；以及在绝缘体20D的上表面上、在孔22D的入口上以及在孔22D中形成第二电极40D。因此，能够容易地制造开关元件100D。
[第五变型]
根据第五变型的开关元件100E例如包括：绝缘衬底10、绝缘体20E、第一电极30E、第二电极40E、电极间间隙部分50，如图11所示。
具体地，例如绝缘体20E设置为接触绝缘衬底10的上表面和覆盖第一电极30E，并包括用于暴露第一电极30E的一部分上表面的孔22E。第一电极30E从侧表面到上表面的端部被绝缘体20E覆盖，并且第一电极30E接触绝缘衬底10的上表面，第一电极30E在被孔22E暴露的部分处包括第一电极突起31E，第一电极突起31E向第二电极40E突出，第一电极突起31E的上表面是凹面。第二电极40E设置为接触绝缘体20E的上表面并通过覆盖孔22E的入口将孔22E密封为与空气隔离，并且第二电极40D在覆盖孔22E的入口的部分处包括第二电极突起41E，第二电极突起41E向第一电极30E突出，第二电极突起41E的下表面是凹面。第一电极突起31E的两个端部32E和第二电极突起41E的两个端部42E以端部32E与端部42E在垂直方向上分别相对的方式设置在孔22E的侧表面23E上。电极间间隙部分50分别设置在第一电极突起31E的端部32E与第二电极突起41E的端部42E之间，端部32E和端部42E设置在孔22E的各个内表面23E上。
绝缘体20E、第一电极30E和第二电极40E的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要绝缘体20E设置为覆盖第一电极30E，并包括用于暴露第一电极30E的一部分上表面的孔22E；第一电极30E在被孔22E暴露的部分处包括第一电极突起31E，第一电极突起31E向第二电极40E突出，第一电极突起31E的上表面是凹面；第二电极40E设置为通过覆盖孔22E的入口将孔22E密封为与空气隔离，并且第二电极40D在覆盖孔22E的入口的部分处包括第二电极突起41E，第二电极突起41E向第一电极30E突出，第二电极突起41E的下表面是凹面；第一电极突起31E的端部32E与第二电极突起41E的端部42E设置为在垂直方向上分别相对。
具体地，例如第一电极突起31E的端部32E和第二电极突起41E的端部42E可设置在除了位于孔22E的内表面23E上之外的地方。此外，在第一电极突起31E的上表面可以设置一个以上的凹面部分，在第二电极突起41E的下表面可以设置一个以上的凹面部分。
例如如下文所述来制造根据第五变型的开关元件100E：
(a)在绝缘衬底10的上表面上形成第一电极30E；
(b)形成绝缘体20E以覆盖第一电极30E；
(c)在绝缘体20E中形成用于暴露第一电极30E的一部分上表面(第一电极突起31E的上表面)的孔22E；
(d)在第一电极突起31E的上表面上形成用于形成电极间间隙部分50的间隙形成部件电极间间隙部分；
(e)在绝缘体20E的上表面上、孔22E的入口上以及孔22E中(在间隙形成部件的上表面)形成第二电极40E；以及
(f)将间隙形成部件热解，从而形成电极间间隙部分50。
就间隙形成部件而言，例如优选容易热解的物质，例如有机物质。
开关元件100E的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100E的制造方法并不限于上述制造方法。
在根据第五变型的开关元件100E中，通过第二电极40E将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。因此，不必像例如根据上述实施例的开关元件100一样被密封部件60包含或者被置于真空腔(未示出)中，就可以将开关元件100E用作开关元件。
根据第五变型的开关元件100E像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，在根据第五变型的开关元件100E中，将第二电极40E设置为通过覆盖孔22D的入口将孔22D密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分50与空气和/或水接触。因此，开关元件100E能更稳定地操作，并且关于形成电极间间隙部分50的第一电极30E和第二电极40E的材料可以有多种选择。
此外，根据第五变型的开关元件100E包括：绝缘体20E，绝缘体20E设置为覆盖第一电极30E并包括用于暴露第一电极30E的一部分上表面的孔22E，其中第二电极40E设置为覆盖孔22E的入口，并且第二电极40E在覆盖孔22E的入口的部分处包括向第一电极30E突出的第二电极突起41E，第二电极突起41E的下表面是凹面；第一电极30E在被孔22E暴露的部分处包括向第二电极40E突出的第一电极突起31E，第一电极突起31E的上表面是凹面；第一电极突起31E的端部32E与第二电极突起41E的端部42E设置为在垂直方向上分别相对；电极间间隙部分50分别设置在第一电极突起31E的端部32E与第二电极突起41E的端部42E之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件100E：在绝缘衬底10的上表面上形成第一电极30E；形成绝缘体20E以覆盖第一电极30E；在绝缘体20E中形成孔22E，孔22E用于暴露第一电极30E的一部分上表面；以及在绝缘体20E的上表面上、在孔22E的入口上以及在孔22E中形成第二电极40E。因此，能够容易地制造开关元件100E。
[第六变型1
根据第六变型的开关元件100F例如包括：绝缘衬底10F、绝缘体20F、第一电极30F、第二电极40F以及四个电极间间隙部分50。
具体地，绝缘衬底10F在上表面上包括凹部11F。第一电极30F设置在绝缘衬底10F的凹部11F中，并在上表面上包括三个第一电极凹部33F。第二电极40F设置为通过覆盖在第一电极30F上方将第一电极30F密封为与空气隔离并接触绝缘衬底10F的上表面，并且第二电极40F在覆盖第一电极30F上方的部分处包括三个第二电极凹部43F。第一电极凹部33F的四个端部34F与第二电极40F的四个端部44F在垂直方向上分别相对。电极间间隙部分50分别设置在第一电极凹部33F的端部34F与第二电极40F的端部44F之间。
绝缘衬底10F、第一电极30F和第二电极40F的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要绝缘衬底10F包括凹部11F；第一电极30F设置在绝缘衬底10F的凹部11F中，并在上表面上包括第一电极凹部33F；第二电极40F设置为通过覆盖在第一电极30F上方将第一电极30F密封为与空气隔离，并且第二电极40F在覆盖第一电极30F上方的部分处包括第二电极凹部43F；第一电极凹部33F的端部34F与第二电极凹部43F的端部44F被设置为在垂直方向上分别相对。
具体地，可以有一个或以上的第一电极凹部33F和一个或以上的第二电极凹部43F。
例如如下文所述来制造根据第六变型的开关元件100F：
(a)在绝缘衬底10F的凹部11F中形成第一电极30F；
(b)在第一电极30F的上表面(第一电极凹部33F的上表面)上形成用于形成电极间间隙部分50的间隙形成部件电极间间隙部分；
(c)在绝缘衬底10F的上表面和间隙形成部件的上表面上形成第二电极40F；以及
(d)将间隙形成部件热解，从而形成电极间间隙部分50。
就间隙形成部件而言，例如优选容易热解的物质，例如有机物质。
开关元件100F的上述制造方法是一个示例，因此开关元件100F的制造方法并不限于上述制造方法。
在根据第六变型的开关元件100F中，通过第二电极40F将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。因此，不必像例如根据上述实施例的开关元件100一样被密封部件60包含或者被置于真空腔(未示出)中，就可以将开关元件100F用作开关元件。
根据第六变型的开关元件100F像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，在根据第六变型的开关元件100F中，将第二电极40F设置为通过覆盖在第一电极30F上方将第一电极30F密封为与空气隔离。也就是说，防止了电极间间隙部分50与空气和/或水接触。因此，开关元件100F能更稳定地操作，并且关于形成电极间间隙部分50的第一电极30F和第二电极40F的材料可以有多种选择。
此外，在根据第六变型的开关元件100F中，绝缘衬底10F包括凹部11F；第一电极30F设置在绝缘衬底10F的凹部11F中，并在上表面上包括第一电极凹部33F；第二电极40F设置为覆盖在第一电极30F上方，并且在覆盖第一电极30F上方的部分处包括第二电极凹部43F；第一电极凹部33F的端部34F与第二电极40F的端部44F被设置为在垂直方向上分别相对；电极间间隙部分50分别设置在第一电极凹部33F的端部34F与第二电极凹部43F的端部44F之间。也就是说，仅通过进行以下步骤来制造开关元件100F：在绝缘衬底10F的凹部11F中形成第一电极30F；形成第二电极以覆盖在第一电极30F上方。此外，不需要任何绝缘体20、20A、20B、20C、20D、20E和20G。因此，能够容易地制造开关元件100F。
[第七变型]
根据第七变型的开关元件100G例如包括：绝缘衬底10、绝缘体20G、第一电极30G、第二电极40G以及四个电极间间隙部分50，如图13所示。
具体地，例如绝缘体20G设置为覆盖第一电极30G，并包括用于将绝缘体20G与第一电极30G分开且用于暴露第一电极30G的一部分上表面的孔22G。第一电极30G接触绝缘衬底10的上表面，并在上表面上包括第一电极突起31G，第一电极突起31G向第二电极40G突出。第二电极40G设置为接触绝缘体20G的上表面，并通过覆盖孔22G的入口将孔22G密封为与空气隔离。电极间间隙部分50设置在第一电极突起31G的顶端与第二电极40G覆盖孔22G的入口的部分之间。
绝缘体20G、第一电极30G和第二电极40G的形状没有特别限制，且可以适当地变化，只要绝缘体20G设置为覆盖第一电极30G，并包括用于将绝缘体20G与第一电极30G分开且用于暴露第一电极30G的一部分上表面的孔22G；第一电极30G在上表面上包括第一电极突起31G，第一电极突起31G向第二电极40G突出；第二电极40G设置为通过覆盖孔22G的入口将孔22G密封为与空气隔离。
具体地，可以有一个以上的第一电极突起31G。
此外，为了使得容易向第一电极30G施加电压，例如可增加导电膜或其它部件，从而能够容易地在第一电极30G与开关元件100G外部之间进行电连接。具体地，可增加导电膜或其它部件，例如为从第一电极30G到开关元件100G外部沉积的导电膜或其他部件，以及在到开关元件100G外部的路径上在绝缘衬底10与绝缘体20G之间沉积的导电膜或其它部件。
在根据第七变型的开关元件100G中，通过第二电极40G将电极间间隙部分50密封为与空气隔离。因此，不必像例如根据上述实施例的开关元件100一样被密封部件60包含或者被置于真空腔(未示出)中，就可以将开关元件100G用作开关元件。
根据第七变型的开关元件100G像根据上述实施例的开关元件100一样，能稳定地重复进行开关操作。
如上所述，根据第七变型的开关元件100G包括：绝缘体20G，设置为覆盖第一电极30G，并包括用于将绝缘体20G与第一电极30G分开且并用于暴露第一电极30G的一部分上表面的孔22G，其中，第一电极30G在上表面上包括第一电极突起31G，第一电极突起31G向第二电极40G突出；第二电极40G设置为通过覆盖孔22G的入口将孔22G密封为与空气隔离；电极间间隙部分50设置在第一电极突起31G的顶端与第二电极40G之间。也就是说，防止了电极间间隙部分50与空气和/或水接触。因此，开关元件100G能够更稳定地操作，并且关于形成电极间间隙部分50的第一电极30G和第二电极40G的材料可以有多种选择。
在实施例以及第一变型至第七变型中，为了说明方便起见，将绝缘衬底10和绝缘衬底10F的设置第一电极30、30A至30G以及第二电极40、40A至40G的侧边当做上侧。但是，这并非限制。只要被设置在绝缘衬底10和绝缘衬底10F的侧边，第一电极30、30A至30G以及第二电极40、40A至40G可以设置在绝缘衬底10和绝缘衬底10F的下侧。
上述实施例以及第一变型至第七变型都是示例，因此开关元件100、100A至100G的结构、其剖面的形状等等都不受上述实施例和变型的限制。

Claims (11)

1.一种开关元件，包括：
绝缘衬底；
绝缘体，设置在所述绝缘衬底的上表面上；
第一电极，设置在所述绝缘衬底上；
第二电极，设置在所述第一电极上方；
电极间间隙部分，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象，其中所述开关现象是指在高电阻状态与低电阻状态之间进行切换，当施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电压持续改变时，会出现由高电阻状态切换为低电阻状态从而在所述第一电极与所述第二电极之间流过的电流得以增大的区域，以及随着该电压的增加在所述第一电极与所述第二电极之间流过的电流反而减小的区域；以及
密封部件，用于通过包含所述电极间间隙部分将所述电极间间隙部分密封为与空气隔离，其中
所述第一电极接触所述绝缘体的侧表面，
所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述侧表面，以及
所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第一电极与所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第二电极之间。
2.一种开关元件，包括：
绝缘衬底；
绝缘体，设置在所述绝缘衬底的上表面上；
第一电极，设置在所述绝缘衬底上；
第二电极，设置在所述第一电极上方；以及
电极间间隙部分，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象，其中所述开关现象是指在高电阻状态与低电阻状态之间进行切换，当施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电压持续改变时，会出现由高电阻状态切换为低电阻状态从而在所述第一电极与所述第二电极之间流过的电流得以增大的区域，以及随着该电压的增加在所述第一电极与所述第二电极之间流过的电流反而减小的区域，其中
所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和侧表面。
3.如权利要求2所述的开关元件，其中
所述第一电极接触所述绝缘体的侧表面，以及
所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第一电极与所述绝缘体的所述侧表面上设置的所述第二电极之间。
4.如权利要求2所述的开关元件，其中
所述绝缘体被设置在所述第一电极与所述第二电极之间，以及
所述电极间间隙部分设置在所述绝缘体的侧表面上设置的所述第一电极与所述第二电极之间。
5.如权利要求2所述的开关元件，其中
所述绝缘体被设置为覆盖所述第一电极，并包括用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，其中
所述第二电极接触所述绝缘体的上表面和所述孔的内表面，以及
所述电极间间隙部分设置在所述孔的所述内表面上设置的所述第一电极与所述第二电极之间。
6.如权利要求2至5任一项所述的开关元件，其中，所述电极间间隙部分被密封为与空气隔离。
7.如权利要求2所述的开关元件，其中
所述绝缘体被设置为覆盖所述第一电极，并包括用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，
所述第二电极设置为通过覆盖所述孔的入口将所述孔密封为与空气隔离，并且所述第二电极在覆盖所述孔的所述入口的部分处包括第二电极突起，所述第二电极突起向所述第一电极突出，以及
所述电极间间隙部分设置在所述第一电极与所述第二电极突起之间。
8.如权利要求7所述的开关元件，其中
所述第二电极突起的顶端设置在所述孔的内表面上，以及
所述电极间间隙部分设置在所述第一电极与所述第二电极突起的所述顶端之间，所述顶端设置在所述孔的所述内表面上。
9.如权利要求7所述的开关元件，其中
所述第二电极突起向所述第一电极突出并包括下表面，所述下表面是凹面，
所述第一电极在被所述孔暴露的部分处包括第一电极突起，所述第一电极突起向所述第二电极突出并包括上表面，所述上表面是凹面，
所述第一电极突起的端部与所述第二电极突起的端部在垂直方向上相对，以及
所述电极间间隙部分设置在所述第一电极突起的端部与所述第二电极突起的端部之间。
10.一种开关元件，包括：
绝缘衬底；
第一电极，设置在所述绝缘衬底上；
第二电极，设置在所述第一电极上方；
电极间间隙部分，设置在所述第一电极与所述第二电极之间并包括纳米量级的间隙，该纳米量级的间隙用于通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加指定电压来引起电阻器的开关现象，其中所述开关现象是指在高电阻状态与低电阻状态之间进行切换，当施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电压持续改变时，会出现由高电阻状态切换为低电阻状态从而在所述第一电极与所述第二电极之间流过的电流得以增大的区域，以及随着该电压的增加在所述第一电极与所述第二电极之间流过的电流反而减小的区域，其中
所述绝缘衬底包括凹部，
所述第一电极设置在所述绝缘衬底的所述凹部中，并在上表面上包括第一电极凹部，
所述第二电极设置为通过覆盖在所述第一电极上方来将所述第一电极密封为与空气隔离，并在覆盖所述第一电极上方的部分处包括第二电极凹部，
所述第一电极凹部的端部与所述第二电极凹部的端部在垂直方向上相对，以及
所述电极间间隙部分设置在所述第一电极凹部的端部与所述第二电极凹部的端部之间。
11.如权利要求2所述的开关元件，其中
所述绝缘体被设置为覆盖所述第一电极，并包括用于将所述绝缘体与所述第一电极分开且用于暴露所述第一电极的一部分上表面的孔，
所述第一电极在所述上表面上包括第一电极突起，所述第一电极突起向所述第二电极突出，
所述第二电极设置为通过覆盖所述孔的入口将所述孔密封为与空气隔离，以及
所述电极间间隙部分设置在所述第一电极突起的顶端与所述第二电极之间。
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