JP2015099861A - Storage device and method for reading out data - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、記憶装置及びデータ読み出し方法に関する。 The present invention relates to a storage device and a data reading method.
従来、半導体メモリーの構成材料として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)に代表される酸化物強誘電体を具備した強誘電体キャパシターが知られている。強誘電体キャパシターでは、所定の外部電場を印加することで分極方向を可逆的に変化/保持させることが可能であり、この分極方向に基づいてデータを1/0判定することができる。このような原理を利用した記憶装置として、例えば不揮発性の記憶装置が知られている。 Conventionally, a ferroelectric capacitor having an oxide ferroelectric represented by lead zirconate titanate (PZT) is known as a constituent material of a semiconductor memory. In a ferroelectric capacitor, the polarization direction can be reversibly changed / maintained by applying a predetermined external electric field, and data can be determined 1/0 based on this polarization direction. As a storage device using such a principle, for example, a nonvolatile storage device is known.
この種の記憶装置としては、各セルに1つのトランジスター及び1つの強誘電体キャパシターを配置して1ビットのデータを記録する1T1C型や、各セルに2つのトランジスター及び2つの強誘電体キャパシターを配置して1ビットのデータを記録する2T2C型のものが知られている。 This type of storage device includes a 1T1C type in which one transistor and one ferroelectric capacitor are arranged in each cell and 1-bit data is recorded, and two transistors and two ferroelectric capacitors are provided in each cell. A 2T2C type that records 1-bit data is known.
また、基本的に1個の強誘電体キャパシターだけでメモリーセルを構成した記憶装置も提案されている(特許文献1参照)。この装置では、強誘電体キャパシターに分極反転が起こる電界を印加し、そのときの電位変化の大小によって分極方向を判定するようになっている。 In addition, a storage device in which a memory cell is basically constituted by only one ferroelectric capacitor has been proposed (see Patent Document 1). In this apparatus, an electric field that causes polarization inversion is applied to a ferroelectric capacitor, and the polarization direction is determined based on the magnitude of potential change at that time.
しかしながら、特許文献1の記憶装置では、強誘電体キャパシターに分極反転が起こる電界が印加されることで元データがいったん破壊され、このような破壊を伴わなければデータを読み出すことができなかった。また、元データを破壊した後、強誘電体キャパシターに分極反転が起こる電界を再び印加し、破壊した元データを書き込まなければならなかった。これらのために分極反転が過度に繰り返され、長期使用による記憶装置の信頼性が低下するという問題があった。
なお、このような問題は特許文献1の記憶装置だけではなく、いわゆる破壊読み出しが必要となる記憶装置においても同様に存在する。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、非破壊読み出しが可能であり、長期に亘り高い信頼性を維持できる記憶装置及びデータ読み出し方法を提供することを目的とする。
However, in the memory device of
Such a problem exists not only in the storage device of
The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a storage device and a data reading method capable of nondestructive reading and maintaining high reliability over a long period of time.
上記課題を解決する本発明の態様は、第1電極、強誘電体層及び第2電極が積層された強誘電体キャパシターを具備する記憶装置において、前記第2電極が透明電極であり、前記強誘電体層と前記第1電極又は前記第2電極との間でpn接合が形成されていることを特徴とする記憶装置にある。
かかる態様では、強誘電体層と第1電極又は第2電極との間でpn接合が形成されているため、強誘電体キャパシターが、強誘電体特性及びpn接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層の誘起双極子の分極方向を変化させることでpn接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。従って、光照射によって得られる光起電流を検出し、この光起電流に基づいて分極方向を判定でき、分極反転を伴わない非破壊読み出しが可能となる。さらに、分極反転を伴わない非破壊読み出しのため、元データを再び保持させる再書き込みも省略可能となる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できるようになる。
According to an aspect of the present invention for solving the above problem, in a memory device including a ferroelectric capacitor in which a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode are stacked, the second electrode is a transparent electrode, In the memory device, a pn junction is formed between the dielectric layer and the first electrode or the second electrode.
In this aspect, since the pn junction is formed between the ferroelectric layer and the first electrode or the second electrode, the ferroelectric capacitor has both ferroelectric characteristics and pn junction diode characteristics, It is possible to change the pn junction diode characteristics by changing the polarization direction of the induced dipole of the ferroelectric layer. Therefore, the photocurrent obtained by light irradiation can be detected, the polarization direction can be determined based on this photocurrent, and nondestructive readout without polarization reversal is possible. Furthermore, since non-destructive reading is not accompanied by polarization inversion, rewriting to hold the original data again can be omitted. Therefore, high reliability can be maintained over a long period of time.
ここで、前記記憶装置は、前記強誘電体キャパシターと、前記強誘電体キャパシターに電気的に接続されるワード線及びビット線と、を有する複数のメモリーセルを具備し、複数の前記メモリーセルの少なくとも1つは、配置される前記強誘電体キャパシターの数が1つであることが好ましい。これによれば、複数のメモリーセルのすべてに複数の強誘電体キャパシターが配置される型のものと比較して、小型化が容易となる。よって、長期に亘り高い信頼性を維持でき、メモリーセルを高密度に集積しやすい記憶装置を提供できるようになる。 Here, the memory device includes a plurality of memory cells having the ferroelectric capacitor and a word line and a bit line electrically connected to the ferroelectric capacitor, and the memory device includes a plurality of memory cells. It is preferable that at least one of the ferroelectric capacitors disposed is one. This facilitates downsizing as compared with a type in which a plurality of ferroelectric capacitors are arranged in all the plurality of memory cells. Therefore, it is possible to provide a storage device that can maintain high reliability for a long time and can easily integrate memory cells at high density.
また、前記pn接合に光を照射可能な光照射手段を更に具備することが好ましい。これによれば、確実に光起電流を発生させることができるため、記憶装置の信頼性を向上させることができるようになる。 Moreover, it is preferable that the pn junction further includes a light irradiation means capable of irradiating light. According to this, since the photovoltaic current can be reliably generated, the reliability of the storage device can be improved.
また、前記光照射手段は、有機エレクトロルミネッセンス材料から構成された発光素子であることが好ましい。これによれば、例えば発光素子を薄膜状に形成することで記憶装置の大型化を抑制できる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持でき、小型化に有利な記憶装置を提供できるようになる。 Moreover, it is preferable that the said light irradiation means is a light emitting element comprised from the organic electroluminescent material. According to this, the increase in the size of the memory device can be suppressed by forming the light emitting element in a thin film shape, for example. Therefore, high reliability can be maintained over a long period of time, and a storage device that is advantageous for downsizing can be provided.
また、分極用電圧の印加により前記強誘電体層の前記誘起双極子を所定方向に分極させる書き込み回路を具備することが好ましい。これによれば、長期に亘り高い信頼性を維持できる記憶装置であって、製造出荷段階で書き込まれたデータを書き換え可能な不揮発性RAMを提供できるようになる。 It is preferable that a writing circuit is provided that polarizes the induced dipole of the ferroelectric layer in a predetermined direction by applying a polarization voltage. According to this, it is possible to provide a non-volatile RAM that is a storage device that can maintain high reliability over a long period of time and that can rewrite data written at the manufacturing and shipping stage.
また、前記pn接合への光照射により得られる光起電流を検出する回路を具備することが好ましい。これによれば、光起電流の検出が容易になり、記憶装置の信頼性を維持しやすくなる。 Moreover, it is preferable to provide a circuit for detecting a photocurrent obtained by light irradiation to the pn junction. According to this, the detection of the photovoltaic current is facilitated, and the reliability of the storage device can be easily maintained.
また、前記回路は、検出された前記光起電流を所定の閾値と比較して前記強誘電体層の分極方向を判定することが好ましい。これによれば、強誘電体層の分極方向の判定が容易になり、記憶装置の信頼性を維持しやすくなる。 The circuit preferably determines the polarization direction of the ferroelectric layer by comparing the detected photocurrent with a predetermined threshold. According to this, it becomes easy to determine the polarization direction of the ferroelectric layer, and it becomes easy to maintain the reliability of the memory device.
また、前記強誘電体層がp型半導体であることが好ましい。これによれば、第2電極をn型半導体として構成し、pn接合を形成することができる。よって、例えば第2電極としてn型半導体である酸化インジウムスズを主成分とする透明電極(ITO)を用い、長期に亘り高い信頼性を維持できる記憶装置を提供できるようになる。 The ferroelectric layer is preferably a p-type semiconductor. According to this, the second electrode can be configured as an n-type semiconductor, and a pn junction can be formed. Therefore, for example, a transparent electrode (ITO) whose main component is indium tin oxide, which is an n-type semiconductor, is used as the second electrode, and a storage device capable of maintaining high reliability over a long period can be provided.
前記強誘電体層がビスマス(Bi)及び鉄(Fe)を含むことが好ましい。これによれば、強誘電体層を、例えばビスマス(Bi)及び鉄(Fe)を含有するペロブスカイト構造の複合酸化物として構成することができる。よって、長期に亘り高い信頼性を維持できる上、鉛を含まない強誘電体層を用いて環境への負荷を低減できる記憶装置を提供できるようになる。 The ferroelectric layer preferably contains bismuth (Bi) and iron (Fe). According to this, the ferroelectric layer can be configured as a composite oxide having a perovskite structure containing, for example, bismuth (Bi) and iron (Fe). Therefore, it is possible to provide a storage device that can maintain high reliability over a long period of time and can reduce the environmental load using a ferroelectric layer that does not contain lead.
また、前記強誘電体層が、ランタン(La)、マンガン(Mn)及びチタン(Ti)からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。これによれば、リーム電流を低減させ、記憶装置の信頼性を向上させることができる。 The ferroelectric layer preferably contains at least one selected from the group consisting of lanthanum (La), manganese (Mn), and titanium (Ti). According to this, the ream current can be reduced and the reliability of the storage device can be improved.
上記課題を解決する本発明の他の態様は、第1電極、強誘電体層及び第2電極が積層された強誘電体キャパシターを具備する記憶装置のデータ読み出し方法において、前記記憶装置として、前記第2電極が透明電極であり、前記強誘電体層と前記第1電極又は前記第2電極との間でpn接合が形成されたものを用い、前記pn接合に光を照射して光起電流を発生させる工程と、発生した前記光起電流を検出する工程と、を有することを特徴とするデータ読み出し方法にある。
かかる態様では、強誘電体層と第1電極又は第2電極との間でpn接合が形成された記憶装置を用いるため、強誘電体キャパシターが、強誘電体特性及びpn接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層の誘起双極子の分極方向を変化させることでpn接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。従って、光照射によって得られる光起電流を検出し、この光起電流に基づいて分極方向を判定でき、分極反転を伴わない非破壊読み出しが可能となる。さらに、分極反転を伴わない非破壊読み出しのため、元データを再び保持させる再書き込みも省略可能である。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できるようになる。
According to another aspect of the present invention for solving the above problem, in the data read method of a memory device including a ferroelectric capacitor in which a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode are stacked, A second electrode is a transparent electrode, and a pn junction is formed between the ferroelectric layer and the first electrode or the second electrode, and a photocurrent is generated by irradiating the pn junction with light. And a step of detecting the generated photovoltaic current. A data reading method comprising:
In this embodiment, since the memory device in which the pn junction is formed between the ferroelectric layer and the first electrode or the second electrode is used, the ferroelectric capacitor has both the ferroelectric characteristics and the pn junction diode characteristics. Thus, the pn junction diode characteristics can be changed by changing the polarization direction of the induced dipole of the ferroelectric layer. Therefore, the photocurrent obtained by light irradiation can be detected, the polarization direction can be determined based on this photocurrent, and nondestructive readout without polarization reversal is possible. Furthermore, since non-destructive reading is not accompanied by polarization inversion, rewriting to hold the original data again can be omitted. Therefore, high reliability can be maintained over a long period of time.
また、前記光起電流を検出し、検出された前記光起電流を所定の閾値と比較して前記強誘電体層の分極方向を判定する工程を有することが好ましい。これによれば、強誘電体層の分極方向の判定が容易になり、記憶装置の信頼性を維持しやすくなる。 Preferably, the method further includes a step of detecting the photocurrent and comparing the detected photocurrent with a predetermined threshold value to determine a polarization direction of the ferroelectric layer. According to this, it becomes easy to determine the polarization direction of the ferroelectric layer, and it becomes easy to maintain the reliability of the memory device.
(実施形態1)
図1(a)〜(b)は、本発明の実施形態1に係る記憶装置の概略構成を示す図である。
(Embodiment 1)
1A and 1B are diagrams showing a schematic configuration of a storage device according to
図示するように、本実施形態の記憶装置10は、トランジスター素子11と、強誘電体キャパシター12と、を具備して構成されている。
このうち強誘電体キャパシター12は、第1電極13、強誘電体層14及び第2電極15が積層され、第2電極15が透明電極であり、強誘電体層14と第2電極15との間でpn接合16が形成されたものである。これによれば、強誘電体キャパシター12が、強誘電体特性及びpn接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層14の誘起双極子の分極(単に「強誘電体層の分極」と略記することがある。)の方向を変化させることでそのpn接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。
As shown in the figure, the
Among these, the
トランジスター素子11は、ゲート11aがゲート線GLを介してワード線WLに接続され、ソース11bがビット線BLに接続され、ドレイン11cが強誘電体キャパシター12を介してプレート線PLに接続されている。接続の態様は前記の例に制限されず、ドレイン11cが強誘電体キャパシター12を介してグランドに接続されていてもよい。
In the
図中、トランジスター素子11と、強誘電体キャパシター12と、上記のワード線WL及びビット線BLと、を含む複数のメモリーセル20が、縦方向及び横方向に連続するマトリクス状に配置されているが、回路設計の都合により縦方向のみ又は横方向のみに連続して配置してもよい。
In the figure, a plurality of
本実施形態では、複数のメモリーセル20の少なくとも1つは、配置される強誘電体キャパシター12の数が1つである態様が採用されている。これによれば、例えば複数のメモリーセルのすべてに複数の強誘電体キャパシターが配置される型のものと比較して、メモリーセル20の小型化が容易となり高密度に集積させやすくなる。
In the present embodiment, at least one of the plurality of
尚、複数のメモリーセル20の実質的にすべてについて、配置される強誘電体キャパシター12の数が1つである態様を採用してもよい。これによれば、メモリーセル20の小型化がより容易となる。ここでの「実質的にすべて」は、回路設定の都合等、強誘電体キャパシター12を複数配置するのが好ましいメモリーセルがある場合には、そのようなメモリーセルを除くすべてである。
It should be noted that a mode in which the number of the
トランジスター素子11は省略することが可能である。すなわち本実施形態では、図1(b)に示すように、複数の強誘電体キャパシター12と、複数のワード線WL1〜WLnと、複数のメインビット線MBL1〜MBLnと、このメインビット線MBL1〜MBLnからそれぞれ分岐する複数のサブビット線SBL1〜SBLnと、を具備することができる。
The
図1(b)中、複数のメモリーセル20のうち、セル選択機能を発揮可能な一部のメモリーセルにセル選択用のトランジスター素子11が配置されており、ゲート11aがゲート線GLを介して複数のワード線WL1〜WLnに接続され、ソース11bがサブビット線SBL1〜SBLnをそれぞれ接続され、ドレイン11cが強誘電体キャパシター12を介して複数のワード線WL1〜WLnにそれぞれ接続されているが、接続の態様は前記の例に制限されない。
In FIG. 1B, among the plurality of
図1(b)に示す態様によれば、基本的に1個の強誘電体キャパシター12だけで構成可能なメモリーセル20を具備する1C型の記憶装置10Bを実現でき、小型化がさらに容易となる。
ただし、トランジスター素子11を具備すれば、トランジスター素子11及びワード線WLによって、必要に応じてメモリーセル20を選択できるようになる。
According to the embodiment shown in FIG. 1B, it is possible to realize the 1C
However, if the
強誘電体キャパシター12の態様は前記の例に制限されず、各メモリーセルに2つのトランジスター素子及び2つの強誘電体キャパシターを配置する2T2C型を採用することも可能である。大容量化の観点からは複数のメモリーセル20を集積させるのが好ましいが、メモリーセル20は複数でなくてもよい。
The form of the
このような記憶装置10では、例えば製造出荷段階において、トランジスター素子11及びワード線WLによってメモリーセル20が選択され、ビット線BL及びプレート線PLの間に分極用電圧が印加される。これにより、強誘電体キャパシター12の強誘電体層14が所定方向に分極させられてデータが書き込まれる。書き込まれたデータは、強誘電体層14の分極方向に基づいて必要に応じて読み出される。
In such a
ここで、本実施形態の記憶装置10は、上記の強誘電体キャパシター12を具備するため、光照射によって得られる光起電流を検出し、この光起電流に基づいて分極方向を判定できるようになるため、分極反転を伴わない非破壊読み出しが可能となる。
さらに、記憶装置10は、分極反転を伴わない非破壊読み出しのため、元データを再び保持させる再書き込みも省略可能となっている。
Here, since the
Furthermore, since the
以下、本実施形態の記憶装置10に搭載される強誘電体キャパシター12の概略構成につき、図2(a)〜(b)を用いて詳述する。
図示するように、本実施形態の強誘電体キャパシター12は、第1電極13、強誘電体層14及び第2電極15がこの順で基板17上に積層されたものである。基板17としては、例えばシリコン(Si)基板やガラス基板を用いることができるが前記の例に制限されない。ここでは図示が省略されているものの、基板17及び第1電極13の間に絶縁層や密着層が設けられても構わない。第1電極13、強誘電体層14又は第2電極15等が基板17を兼ねるように構成される場合には基板17を省略してもよい。
Hereinafter, a schematic configuration of the
As shown in the figure, the
第1電極13は導電性を有する材料であればよく、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、金(Au)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、チタン(Ti)、ステンレス鋼等の金属元素や導電性ポリマー等を用いて構成することができる。複数の金属層や金属酸化物層を積層して第1電極13を構成してもよい。
The
第2電極15は透明電極として構成されており、照射される光が透過可能となっている。このような第2電極15としては、強誘電体層14の材料等に応じて変わってくるが、例えばスズを数%程度添加した酸化インジウム(In2O3)を主成分とする透明電極(ITO)を用いて構成することができる。この透明電極(ITO)は、n型半導体として機能することが知られている。
The
第2電極15は光学的に完全に透明である必要はなく、実質的に透明であればよい。例えば第2電極15は、入射光が第2電極15を透過してpn接合16に達する程度の透過率を有するものであればよい。
The
第2電極15は、膜厚が厚くなるとキャリア濃度が上昇するため導電性が向上する一方、pn接合16に達するまでの光の透過距離が長くなるため透過率が低下しやすくなる。このため第2電極15の膜厚は、用途や強度等を踏まえ、導電性や透過率等を考慮して適宜選択することが好ましい。
As the film thickness increases, the conductivity of the
強誘電体層14は、分極用電圧を印加することで誘起双極子が自発的に分極する強誘電体特性を有するものである。このため、例えば製造出荷段階や書き換え時に分極用電圧を印加することで、所定の1/0判定結果が得られるような分極方向を保持できるようになる。
The
強誘電体層14は例えばp型半導体として構成することができる。これによれば、n型半導体として機能する透明電極(ITO)により構成された第2電極15との間でpn接合16を形成できる。この場合、効率的な光電変換の観点からは、第2電極15側に+(プラス)の電荷が誘起される方向に強誘電体層14を分極させることができる。
The
尚、強誘電体層14はn型半導体として構成することもでき、この場合、第2電極15はp型半導体として構成されることとなる。このとき、効率的な光電変換の観点からは、第2電極15側に−(マイナス)の電荷が誘起される方向に強誘電体層14を分極させることができる。
The
また、強誘電体層14は、ビスマス(Bi)及び鉄(Fe)を含むように構成することができる。これによれば、Bi及びFeを含有するペロブスカイト構造の複合酸化物として強誘電体層14を構成することができる。すなわち、強誘電体層14は、代表的には鉄酸ビスマス系のペロブスカイト構造の複合酸化物として構成することができる。このような複合酸化物は、環境への負荷が懸念される鉛を含まないため、環境への負荷を低減できる記憶装置10を実現できるようになる。
Further, the
かかるペロブスカイト構造の複合酸化物は、Aサイトには酸素が12配位しており、また、Bサイトには酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている。AサイトのBi、BサイトのFeの一部を各種元素で置換したものを用いてもよい。 In such a complex oxide having a perovskite structure, oxygen is 12-coordinated at the A site, and oxygen is 6-coordinated at the B site to form an octahedron. A material obtained by substituting Bi at the A site and part of Fe at the B site with various elements may be used.
例えば、強誘電体層14は、ランタン(La)、マンガン(Mn)及びチタン(Ti)からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。これによれば、例えば非鉛系の材料においてリーク電流を低減させ、記憶装置の信頼性を向上させることができる。また、強誘電体層14を構成する材料の自由度も増加させることができる。
For example, the
具体的には、AサイトのBiを置換する元素としてはLaが挙げられ、BサイトのFeを置換する元素としてはMnが挙げられる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン(BLFM)と称され、以下の組成式(1)で表される。 Specifically, La is an element that substitutes Bi at the A site, and Mn is an element that substitutes Fe at the B site. Such a complex oxide is called bismuth lanthanum iron manganate (BLFM) and is represented by the following composition formula (1).
[式1]
(Bi1-x,Lax)(Fe1-y,Mny)O3 (1)
(式中、x及びyは、いずれも0より大きく1より小さい値をとる。)
また、BLFMの強誘電体層14のBサイトのFeを、Tiで置換するようにしてもよい。このような複合酸化物は、以下の組成式(2)で表される。
[Formula 1]
(Bi 1-x, La x ) (Fe 1-y, Mn y) O 3 (1)
(In the formula, x and y are both larger than 0 and smaller than 1.)
Further, Fe at the B site of the
[式2]
(Bi1-x,Lax)(Fe1-y-z,Mny,Tiz)O3 (2)
(式中、x、y及びzは、いずれも0より大きく1より小さい値をとる。)
ただし、強誘電体層14の組成は前記の例に制限されず、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。
[Formula 2]
(Bi 1-x, La x ) (Fe 1-y-z, Mn y, Ti z) O 3 (2)
(In the formula, x, y, and z are all larger than 0 and smaller than 1.)
However, the composition of the
強誘電体層14のAサイトのBiをサマリウム(Sm)、セリウム(Ce)等で置換するようにしてもよく、BサイトのFeをアルミニウム(Al)、コバルト(Co)等で置換するようにしてもよい。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。
Bi at the A site of the
すなわち、強誘電体層14としては、鉄酸ビスマス(BiFeO3)、鉄酸アルミニウム酸ビスマス(Bi(Fe,Al)O3)、鉄酸マンガン酸ビスマス(Bi(Fe,Mn)O3)、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン((Bi,La)(Fe,Mn)O3)、鉄酸コバルト酸ビスマス(Bi(Fe,Co)O3)、鉄酸ビスマスセリウム((Bi,Ce)FeO3)、鉄酸マンガン酸ビスマスセリウム((Bi,Ce)(Fe,Mn)O3)、鉄酸ビスマスランタンセリウム((Bi,La,Ce)FeO3)、鉄酸マンガン酸ビスマスランタンセリウム((Bi,La,Ce)(Fe,Mn)O3)、鉄酸ビスマスサマリウム((Bi,Sm)FeO3)、鉄酸クロム酸ビスマス(Bi(Cr,Fe)O3)等を例示することができる。
That is, as the
以上説明した第1電極13、強誘電体層14及び第2電極15からなる強誘電体キャパシター12へのデータの書き込みは、例えば第1電極13及び第2電極15に電気的に接続可能な書き込み回路21を用いて行うことができる。
Data writing to the
図2(a)に示すように、書き込み回路21は、例えば電圧印加手段22と、電圧印加手段22及び強誘電体キャパシター12の間に設けられるスイッチング素子23と、これら電圧印加手段22やスイッチング素子23に制御信号を送信する制御手段24と、を具備して構成することができる。
As shown in FIG. 2A, the writing
電圧印加手段22は分極用電圧を生成する部分であり、公知の電源装置を用いることができる。電圧印加手段22は、配線25によりスイッチング素子23を介して第1電極13及び第2電極15に電気的に接続可能となっている。スイッチング素子23は電界効果トランジスタ(TFT)等を用いることができるが、省略しても構わない。
The
制御手段24は、公知のマイクロコンピューターを中心に構成されており、電圧印加手段22やスイッチング素子23に制御信号を送信し、分極用電圧の電圧値や印加時間を制御するように構成されている。
The
このような書き込み回路21を具備して強誘電体キャパシター12Aを構成することで、製造出荷段階で書き込まれたデータを書き換え可能な不揮発性RAM(Random Access Memory)を提供できるようになる。
By providing such a
ただし、書き込みが製造出荷段階においてのみ行われる場合、すなわち、製造出荷後のデータの書き換えを予定していない場合、書き込み回路21は、その製造出荷段階において第1電極13及び第2電極15に一時的に接続可能であればよい。
However, when writing is performed only at the manufacturing and shipping stage, that is, when rewriting of data after manufacturing and shipping is not scheduled, the writing
従って、図2(b)に示すように、書き込み回路21を省略して強誘電体キャパシター12Bを構成することもできる。このような強誘電体キャパシター12Bによれば、製造出荷段階で書き込まれたデータの読み出し専用となる不揮発性ROM(Read Only Memory)を提供できるようになる。
Therefore, as shown in FIG. 2B, the
次に、図3〜図4を用い、強誘電体キャパシター12に関する動作や機能を説明する。図3〜図4は、強誘電体キャパシター12のpn接合16近傍を示す拡大図である。
図3に示すように、一般にp型半導体及びn型半導体を接合してpn接合16を形成した場合、p型半導体を正としn型半導体を負とする内部電界によって、p型半導体の正孔がn型半導体側に移動し、n型半導体の電子がp型半導体側に移動する。その結果、pn接合16近傍に、キャリア(正孔や電子)がほとんど存在しない所定幅Aの空乏層30が形成される。
Next, operations and functions related to the
As shown in FIG. 3, in general, when a
空乏層30は、強誘電体キャパシター12のpn接合ダイオード特性に影響を与える部分である。空乏層30が拡大するとその静電容量が小さくなって、光の照度に対して直線性の高い電気出力が得られるようになり、強誘電体キャパシター12を高感度なものとする上で有利となる。
The
ここで、図4(a)に示す本実施形態の強誘電体キャパシター12では、強誘電体層14に対して、p型半導体である強誘電体層14側に−(マイナス)の電荷、n型半導体である第2電極15側に+(プラス)の電荷が誘起される方向に分極処理を施すことができる。これによれば、pn接合16近傍に下向き(第2電極15側から強誘電体層14側への向き)の電場がかかったような状態となり、拡大した空乏層30が得られるようになる(図4(a)に示す幅B>図3に示す幅A)。
Here, in the
尚、図4(b)に示すように、p型半導体である強誘電体層14側に+(プラス)、n型半導体である第2電極15側に−(マイナス)の電荷が誘起される方向に分極処理を施すこともできる。これによれば、pn接合16近傍に上向き(強誘電体層14側から第2電極15側への向き)の電場がかかったような状態となり、縮小した空乏層30が得られるようになる(図4(b)に示す幅C<図3に示す幅A)。
As shown in FIG. 4B, + (plus) charge is induced on the
このような強誘電体キャパシター12では、n型半導体である第2電極15を透過した光がpn接合16に達すると、光が強誘電体層14や第2電極15で吸収されてキャリアが生成される。生成されたキャリアは、強誘電体層14や第2電極15によって形成される内部電界によって、電子が第2電極15側へ、正孔が強誘電体層14側へと移動する。これにより、光起電流Ihνが生じる。
In such a
光起電流Ihνを検出するには、配線26により、例えば電流検出装置27と第1電極13及び第2電極15とをそれぞれ接続すればよい。電流検出装置27は公知のものを用いることができる。
In order to detect the photocurrent I hν , for example, the
光起電流Ihνは、図4(a)の態様では、幅Bに拡大された空乏層30のため高感度で検出され、図4(b)の態様では、幅Cに縮小された空乏層30のため低感度で検出される。このように、強誘電体キャパシター12によれば、強誘電体特性及びpn接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層14の誘起双極子の分極方向を変化させることでpn接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。
In the embodiment of FIG. 4A, the photocurrent I hν is detected with high sensitivity due to the
つまり、検出される光起電流Ihνの大小が、強誘電体層14の分極方向によって異なってくることとなる。従って、光照射によって得られる光起電流を検出し、この光起電流に基づいて、幅Bに拡大した空乏層30のため光起電流Ihνが高感度で検出され、幅Cに縮小した空乏層30のため光起電流Ihνが低感度で検出される。
That is, the magnitude of the detected photocurrent I hν varies depending on the polarization direction of the
よって、光照射によって得られる光起電流を検出し、分極反転を伴わない非破壊読み出しが可能となる。さらに、分極反転を伴わない非破壊読み出しのため、元データを再び保持させる再書き込みも省略可能となる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できるようになる。 Therefore, it is possible to detect the photocurrent obtained by light irradiation and perform nondestructive reading without polarization inversion. Furthermore, since non-destructive reading is not accompanied by polarization inversion, rewriting to hold the original data again can be omitted. Therefore, high reliability can be maintained over a long period of time.
さらに分極方向の判定は、例えば図4(a)〜(b)に示す回路28を用いて行うことができる。回路28は、pn接合16への光の照射によって得られる光起電流を検出するものである。このような回路28によれば、判定に用いる光起電流を容易に検出しできるようになる。そして、回路28は、検出された光起電流を所定の閾値と比較することにより強誘電体層14の分極方向を判定することが好ましい。これによれば、分極方向を容易に判定できるようになる。
Further, the polarization direction can be determined using, for example, the
具体的に、回路28は、光起電流Ihνを検出する電流検出装置27と、電流検出装置27に制御信号を送信する制御手段24と、を具備して構成することができる。電流検出装置27及び制御手段24は別体とされていてもよく、一体的に構成されていてもよい。
Specifically, the
制御手段24も基本的には上記のものを用いることができる。ここでの制御手段24は、電流検出装置27によって検出された光起電流Ihνに関する情報を受け取り、光起電流Ihνを閾値と比較して、強誘電体層14の分極方向を判定する機能を有している。
As the control means 24, the above-mentioned one can be basically used. The control means 24 here receives information relating to the photocurrent I hν detected by the
一例として、制御手段24は、検出された光起電流Ihνが閾値より大きい場合には、高感度に光起電流Ihνを検出できている、すなわち、幅Bに拡大した空乏層30が得られているとして、図4(a)に示すような、p型半導体である強誘電体層14側に−(マイナス)の電荷が誘起される分極方向であると判定する。
As an example, the
一方、検出された光起電流Ihνが閾値以下の場合には、低感度にしか光起電流Ihνを検出できていない、すなわち、幅Cに縮小した空乏層30が得られているとして、図4(b)に示すような、p型半導体である強誘電体層14側に+(プラス)の電荷が誘起される分極方向であると判定する。
On the other hand, when the detected photocurrent I hν is equal to or lower than the threshold value, the photocurrent I hν can be detected only with low sensitivity, that is, the
このような分極方向の判定結果は、第2電極15がn型半導体として構成される場合の例であり、第2電極15がp型半導体として構成される場合には、前記の判定結果とは逆の判定結果が得られることとなる。
Such a determination result of the polarization direction is an example in the case where the
閾値は予め実験等により求めることが可能である。閾値として、高感度で検出され得る光起電流Ihνの最低値よりも小さく、低感度で検出され得る光起電流Ihνの最大値よりも大きい範囲内の値を選択すれば、誤判定が確実に防止されるようになる。 The threshold value can be obtained in advance by experiments or the like. If a value smaller than the minimum value of the photocurrent I hν that can be detected with high sensitivity and a value within a range that is larger than the maximum value of the photocurrent I hν that can be detected with low sensitivity is selected as the threshold value, an erroneous determination is made. It will surely be prevented.
閾値は固定値とすることができ、これによれば演算負荷を抑えることができるが、各種検出値を用いて、読み出しのたびに閾値を決定するようにしてもよい。
閾値との比較に用いられる値は、電流検出装置27によって検出される光起電流の電流値に制限されず、光起電流の電流値に相関する値であればよい。各種検出値を用い、電流検出装置27によって検出される光起電流の電流値を補正してもよい。
The threshold value can be a fixed value, and according to this, the calculation load can be suppressed. However, the threshold value may be determined for each reading using various detection values.
The value used for the comparison with the threshold value is not limited to the current value of the photovoltaic current detected by the
光起電流及び閾値が等しい場合の扱いについては、予め試験等により好ましい態様を定めておくことが可能であり、光起電流より閾値が大きいほうに含める態様にしてもよく、光起電流より閾値が小さいほうに含める態様にしてもよい。
ここで、記憶装置10は、pn接合16に光を照射可能な光照射手段を具備することが好ましい。これによれば、確実に光起電流を発生させることができる。
As for the handling when the photocurrent and the threshold value are equal, it is possible to predetermine a preferable mode by a test or the like, and it may be included in the case where the threshold value is larger than the photocurrent. May be included in the smaller one.
Here, the
光照射手段としては、有機エレクトロルミネッセンス材料から構成された発光素子31であることが好ましい。このような発光素子31は、有機化合物中に注入された電子及び正孔の再結合によって生じ励起電子によって発光する機能を有し、例えば薄膜状に形成できるものである。これによれば、発光材料等を調整して光の量や種類を調節でき、また、光照射手段を具備することによる装置の大型化を抑制しやすくなる。
The light irradiation means is preferably a
発光素子31は、図5に示すように、透明電極である第2電極15上に層状に形成することができる。これによれば、第2電極15を介して発光による光をpn接合16に到達させやすくなる。
As shown in FIG. 5, the
可能であれば、第2電極の構成材料に有機エレクトロルミネッセンス材料を添加し、第2電極に発光機能を付与してもよい。これによれば、発光による光をpn接合16に確実に到達させることができる。
If possible, an organic electroluminescent material may be added to the constituent material of the second electrode to impart a light emitting function to the second electrode. According to this, light by light emission can surely reach the
発光素子31への配線は図示が省略されているが、配線の接続や発光素子の積層の態様についても前記の例に制限されない。発光素子31はメモリーセル20のパッケージの内壁に形成してもよい。パッケージを透明部材とし、太陽光や室内の光がpn接合16に導く態様が確保されていれば、光照射手段は省略可能である。
Although the wiring to the
例えばパッケージを透明部材とする場合や、他の構成部材まで含めて全体的に発光素子31による光を照射する場合、電気的な接続が確保されていれば何れの強誘電体キャパシター12も光起電流を発生可能となり得るが、所定の強誘電体キャパシター12にのみ光起電流が発生するように、トランジスター素子11及びワード線WLによって光起電流を発生させるメモリーセルを選択するようにしてもよい。そのほか、パッケージ内部に所定の隔壁を設けたり、パッケージを覆うカバー部材等を用いたりしてもよい。
For example, when the package is a transparent member, or when the light from the
次に、以上説明した本実施形態の記憶装置10によるデータ読み出し方法について、図6〜7を用いて詳述する。
このうち図6(a)〜(b)は、本実施形態の記憶装置10であって、特にデータの書き換えが可能なRAMに関するデータ読み出し方法を模式的に示した図である。図6(a)は本実施形態の例を示し、(b)は従来例を示す。
Next, a data reading method by the
Among these, FIGS. 6A to 6B are diagrams schematically showing a data reading method relating to the
図6(a)〜(b)ともに、例えば製造出荷段階において、複数のメモリーセル20a〜20eのうち、メモリーセル20b,20dに1データが書き込まれ、メモリーセル20a,20c,20eが0データとなっている場合を例にとり説明する。
6A and 6B, for example, in the manufacturing and shipping stage, one data is written into the
図6(b)に示す従来例では、読み出し工程において、工程p1でメモリーセル20a〜20eに分極反転が起こる電界を印加し、その電位変化の大小によって工程p2で分極方向を判定して、その後の工程p3で再書き込みを行っていた。
In the conventional example shown in FIG. 6B, in the reading process, an electric field that causes polarization inversion is applied to the
これに対し、図6(a)に示す本実施形態の例では、PN接合16に光を照射して光起電流を発生させる工程P1と、発生した光起電流を検出する工程P2と、を有している。工程P2は、検出された光起電流を所定の閾値と比較して強誘電体層14の分極方向を判定する工程を有することが好ましい。
On the other hand, in the example of this embodiment shown in FIG. 6A, a process P1 for generating a photocurrent by irradiating light to the
工程P1では、メモリーセル20a〜20eに個別的に光を照射してもよく、パッケージ内の他の構成部材まで含めて全体的に光を照射するようにしてもよい。全体的に光を照射する場合、トランジスター素子11を具備することで、光起電流を発生させるメモリーセル20a〜20dをトランジスター素子11及びワード線WLで選択することが可能となる。
In the process P1, the
ここで、工程P2では、メモリーセル20b,20dと、それ以外のメモリーセル20a,20c,20eとでは、検出される光起電流の大きさが異なってくる。
例えば、メモリーセル20b,20dの強誘電体層が、n型半導体である第2電極15側に+(プラス)の電荷を誘起する方向に分極しており、メモリーセル20a,20c,20eの強誘電体層が、n型半導体である第2電極15側にー(マイナス)の電荷を誘起する方向に分極しているとする。
Here, in the process P2, the magnitude of the detected photocurrent is different between the
For example, the ferroelectric layers of the
そうすると、メモリーセル20b,20dでは高感度検出が実現され、検出される光起電流は比較的大きくなる。一方、メモリーセル20a,20c,20eでは低感度検出となり、検出される光起電流は比較的小さくなる。
Then, high sensitivity detection is realized in the
このような光起電流と閾値との大小関係に基づいて、強誘電体層14の分極方向が判定される。たとえば、メモリーセル20b,20dにおいて検出される光起電流が閾値より大きい場合には1データが判定され、メモリーセル20a,20c,20eにおいて検出される光起電流が閾値以下である場合には0データが判定される。
Based on the magnitude relationship between the photocurrent and the threshold value, the polarization direction of the
このように、本実施形態のデータ読み出し方法によれば、強誘電体層14の分極方向を判定する上で分極の反転を伴わない非破壊読み出しが可能となっている。そして、分極の反転を伴わない非破壊読み出しが可能であるため、再書き込み工程を省略できる。
Thus, according to the data reading method of this embodiment, nondestructive reading without polarization inversion is possible in determining the polarization direction of the
その後、読み出しが繰り返され、必要に応じて書き込みや書き換えが行われるが、何れの読み出し工程においても、本実施形態では上記の工程P1〜P2が実施されることで、分極反転を伴わない非破壊読み出しが可能となり、再書き込みを省略できる。 Thereafter, reading is repeated, and writing and rewriting are performed as necessary. In any reading process, in the present embodiment, the above steps P1 to P2 are performed, so that non-destructive operation without polarization inversion is performed. Reading is possible, and rewriting can be omitted.
このような本実施形態のデータ読み出し方法によれば、従来例よりも読み出し工程における分極反転の機会を抑えることができるため、製造出荷段階の後にデータの書き換えを可能な不揮発性のRAMであって、非破壊読み出しが可能であり、長期に亘り高い信頼性を維持できる記憶装置10を提供できるようになる。
According to the data reading method of the present embodiment, since the chance of polarization inversion in the reading process can be suppressed as compared with the conventional example, the nonvolatile RAM can rewrite data after the manufacturing and shipping stage. Therefore, it is possible to provide the
そして、本実施形態では、従来例のような分極反転が起こる電界を印加せずに読み出し工程を実施することができ、省電力化に有利となる。太陽光を光源とする場合には、メモリーセルを選択する場合に印加され得る微小電流を除けば、実質的に無電源でデータを読み出すことが可能となる。 In this embodiment, the reading step can be performed without applying an electric field that causes polarization inversion as in the conventional example, which is advantageous for power saving. When sunlight is used as a light source, it is possible to read data with substantially no power source except for a minute current that can be applied when a memory cell is selected.
さらに、本実施形態では、読み出し工程における再書き込みが省略されることで、再書き込み動作時に要する制御負荷を少なくでき、また高速応答にも有利となる。
その上、光照射によって光起電流を発生させる機構を利用しているので、分極方向を判定するための待機電力を少なくでき、また回路設計性も向上させることができる。
Furthermore, in this embodiment, since rewriting in the reading process is omitted, the control load required during the rewriting operation can be reduced, and it is advantageous for high-speed response.
In addition, since a mechanism for generating a photovoltaic current by light irradiation is used, standby power for determining the polarization direction can be reduced, and circuit design can be improved.
また、図7(a)〜(b)は、本実施形態の記憶装置10であって、特にデータの読み出し専用となるROMに関するデータ読み出し方法を模式的に示した図である。図7(a)は本実施形態の例を示し、(b)は従来例を示す。
FIGS. 7A to 7B are diagrams schematically showing a data reading method related to the ROM which is the
図7(b)に示す従来例でも、上記の図6(b)と同様に、工程p1でメモリーセル20a〜20eに分極反転が起こる電界を印加し、その電位変化の大小によって工程p2で分極方向を判定して、その後の工程p3で再書き込みを行っていた。
そして、再書き込みを行うため、読み出し専用のROMであっても書き込み用の回路を具備することが必須であった。
Also in the conventional example shown in FIG. 7B, as in FIG. 6B, an electric field that causes polarization inversion is applied to the
In order to perform rewriting, it is indispensable to provide a writing circuit even for a read-only ROM.
これに対し、図7(a)に示す本実施形態では、PN接合16に光を照射して光起電流を発生させる工程P1と、発生した光起電流を検出し、検出された光起電流を所定の閾値と比較して強誘電体層14の分極方向を判定する工程P2と、を有している。
On the other hand, in the present embodiment shown in FIG. 7A, the process P1 of generating light by irradiating light to the
これによれば、図6(a)に示す本実施形態と同様に、長期に亘り高信頼性を維持することができる。また、省電力化にも有利となり、回路設計性も向上して、制御負荷の低減や高速応答にも有利となる。 According to this, as in the present embodiment shown in FIG. 6A, high reliability can be maintained over a long period of time. In addition, it is advantageous for power saving, circuit design is improved, and it is advantageous for reduction of control load and high-speed response.
特に、図7(a)に示すROMの態様では、従来例では必須であった書き込み用の回路すら省略して構成することが可能となる。よって、小型化や回路設計性の観点でさらに有利であり、また、製造段階に書き込まれたデータを改変し難いセキュリティレベルの高い記憶装置を提供することも可能となる。 In particular, in the ROM mode shown in FIG. 7A, it is possible to omit the writing circuit, which was essential in the conventional example. Therefore, it is further advantageous from the viewpoint of miniaturization and circuit design, and it is also possible to provide a storage device with a high security level that is difficult to alter data written in the manufacturing stage.
次に、本実施形態の記憶装置10の製造方法の一例について、図8(a)〜(d)を参照して説明する。図8(a)〜(d)は、特に、記憶装置10に搭載される強誘電体キャパシター12の製造例を示す断面図である。
Next, an example of a method for manufacturing the
図8(a)に示すように、シリコン(Si)基板17の表面に、絶縁層32として機能する二酸化シリコン(SiO2)膜を熱酸化等で形成し、この二酸化シリコン膜上に、酸化チタン等からなる密着層33を、スパッタリング法や熱酸化等で形成する。そして、この密着層33の上に、白金、イリジウム、酸化イリジウム又はこれらの積層構造等からなる第1電極13を、スパッタリング法や蒸着法等により全面に形成する。尚、絶縁層32や密着層33は省略されても構わない。
As shown in FIG. 8A, a silicon dioxide (SiO 2 ) film functioning as an insulating
次に、図8(b)に示すように、形成した第1電極13上に所定形状のレジスト(図示なし)をマスクとして、絶縁層32、密着層33及び第1電極13を同時にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 8B, the insulating
次いで、第1電極13上に強誘電体層14を積層する。強誘電体層14の製造方法は特に限定されないが、例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる強誘電体の膜を得るMOD(Metal−Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用い、製造することができる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法(PLD法)、CVD法、エアロゾル・デポジション法など、液相法でも固相法でも、強誘電体層14を製造することが可能である。
Next, the
具体的には、強誘電体層14を形成するための前駆体溶液を、スピンコート法などを用いて第1電極13上に塗布して前駆体膜を形成し(塗布工程)、この前駆体膜を所定温度(例えば150〜200℃)に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。次に、乾燥した前駆体膜を所定温度(例えば、350〜450℃)に加熱して一定時間保持することにより脱脂して(脱脂工程)、その後に前駆体膜を所定温度(例えば600〜850℃)に加熱し、例えば1〜10分間保持することによって結晶化させる(焼成工程)。これにより、図8(c)に示すように、第1電極13上に、例えばBi及びFeを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる強誘電体層14を形成する。
Specifically, a precursor solution for forming the
次いで、図8(d)に示すように、形成した強誘電体層14上に、酸化インジウムスズ等からなる透明電極(ITO)としての第2電極15をスパッタリング法等で形成し、必要に応じて強誘電体層14及び第2電極15を同時にパターニングして、第1電極13、強誘電体層14及び第2電極15が積層された強誘電体キャパシター12を形成する。また、基板17を所定の厚さに薄くしたり、不要部分をダイシング等によって切断したりしてもよい。必要に応じて、所定温度(例えば600〜850℃)でアニールを行うこともできる。これにより、強誘電体層14と第1電極13や第2電極15との良好な界面を形成でき、かつ、強誘電体層14の結晶性を改善することができる。
Next, as shown in FIG. 8D, a
その後、製造された強誘電体キャパシター12やワード線WL及びビット線BL、必要に応じてトランジスター素子11等を組み合わせてパッケージすれば、本実施形態の記憶装置10を製造することができる。
After that, if the manufactured
(実施形態2)
図9は、本発明の実施形態2に係る記憶装置の概略構成を示す図である。
図示するように、本実施形態の記憶装置に搭載される強誘電体キャパシター42は、第1電極43、強誘電体層44及び第2電極45が積層されてなり、第2電極45が透明電極であって、強誘電体層44と第1電極43との間でpn接合46が形成されているものである。
第1電極43、強誘電体層44及び第2電極45はこの順で基板17上に積層されている。基板17の種類は制限されず、省略することも可能である。
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a storage device according to
As shown in the figure, the
The
第1電極43は、例えば所定の第5族元素をドナーとして微量に添加し、n型半導体としての機能を有するように構成することができる。これによれば、強誘電体層44をp型半導体として構成し、第1電極43と強誘電体層44との間にpn接合46を形成できるようになる。
The
ただし、第1電極43は、例えば所定の第3族元素をアクセプタとして微量に添加し、p型半導体としての機能を有するように構成することも可能である。これによれば、強誘電体層44をn型半導体として構成し、第1電極43と強誘電体層44との間にpn接合46を形成できるようになる。
However, the
本実施形態の第2電極45は、実施形態1と同様に透明電極として構成することができるが、必ずしもn型半導体やp型半導体としての機能を具備する必要性はない。
ここで、強誘電体層44は、強誘電体特性を有し、かつ透明性を有する材料を用いて構成されている。これによれば、第2電極45を透過した光が強誘電体層44をさらに透過して、強誘電体層44と第1電極43との間に形成されるpn接合46に達するようになる。
The
Here, the
ここでの透明性を有する強誘電体材料としては、上記組成式(1)や組成式(2)、及びこれらの複合酸化物、例えば、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3;PZT)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)、チタン酸ビスマスナトリウム((Bi,Na)TiO3;BNT)、チタン酸ビスマスカリウム((Bi,K)TiO3;BKT)が挙げられる。 As the ferroelectric material having transparency here, the above composition formula (1) and composition formula (2), and composite oxides thereof such as lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate ( Pb (Zr, Ti) O 3 ; PZT), potassium niobate (KNbO 3 ), sodium niobate (NaNbO 3 ), bismuth sodium titanate ((Bi, Na) TiO 3 ; BNT), bismuth potassium titanate (( Bi, K) TiO 3 ; BKT).
強誘電体層44がp型半導体として構成される場合、効率的な光電変換の観点からは、n型半導体である第1電極43側に−(マイナス)の電荷、p型半導体である強誘電体層44側に+(プラス)の電荷が誘起される方向に、分極処理を施すことができる。
When the
尚、強誘電体層44がn型半導体として構成される場合、効率的な光電変換の観点からは、p型半導体である第1電極43側に+(プラス)の電荷、p型半導体である強誘電体層44側に−(マイナス)の電荷が誘起される方向に、分極処理を施すことができる。
In the case where the
図示は省略されているものの、本実施形態の強誘電体キャパシター42においても、書き込み回路21や回路28を具備することができる。また、第2電極45上に発光素子31を積層したり、第1電極43や第2電極45に発光機能を具備させたり、発光素子31をパッケージ内の所定箇所に形成したりすることもできる。
Although not shown, the
以上説明した記憶装置においても、強誘電体層44と第1電極43との間でpn接合46が形成されているため、強誘電体キャパシター42が、強誘電体特性及びpn接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層44の分極方向を変化させることでpn接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。
Also in the memory device described above, since the
従って、光照射によって得られる光起電流を検出し、この光起電流に基づいて分極方向を判定でき、分極反転を伴わない非破壊読み出しが可能となる。さらに、分極反転を伴わない非破壊読み出しのため、元データを再び保持させる再書き込みも省略可能となる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できるようになる。 Therefore, the photocurrent obtained by light irradiation can be detected, the polarization direction can be determined based on this photocurrent, and nondestructive readout without polarization reversal is possible. Furthermore, since non-destructive reading is not accompanied by polarization inversion, rewriting to hold the original data again can be omitted. Therefore, high reliability can be maintained over a long period of time.
(実施例)
<溶液調製>
強誘電体層14を形成するためのBLFMT前駆体溶液を下記の手順で調製した。まず、ビーカーにプロピオン酸を測り取り、それに酢酸ビスマス、酢酸ランタン、酢酸鉄、酢酸マンガン、及びテトライソプロポキシチタンをモル比80:20:96:1:3で混合した。次に、ホットプレート上にて140℃で1時間加熱攪拌した後、プロピオン酸で0.3mol/Lに調節することでBLFMT前駆体溶液を調製した。
(Example)
<Solution preparation>
A BLFMT precursor solution for forming the
<記憶装置作製>
6inchシリコン(Si)基板17の表面に、絶縁層32としての二酸化シリコン膜を熱酸化により形成し、この二酸化シリコン膜上に、窒化アルミニウムチタン、イリジウム、酸化イリジウム及び白金を積層することで第1電極13を形成した。
<Production of storage device>
A silicon dioxide film as an insulating
第1電極13上に、上記のBLFMT前駆体溶液をスピンコート法にて1500rpmで塗布した。次に、ホットプレート上で2分間180℃加熱した後に3分間350℃で加熱した。この塗布〜加熱工程を4回繰り返した後に、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を使用し、窒素下、5分間650℃で加熱した。この一連の工程を2回繰り返すことで、強誘電体層14を形成した。
On the
強誘電体層14上に、メタルスルーマスクを使用し、スパッター法にて酸化インジウムスズ(ITO)からなる第2電極15を形成した。以上のように、強誘電体キャパシター12を作製した。
作製した強誘電体キャパシター12を具備して、常法により実施例1の記憶装置10を作製した。
A
The manufactured
(比較例)
第2電極を白金とした以外は実施例1と同様の手法にて、比較例1の記憶装置を作製した。
<pn接合ダイオード特性>
実施例1及び比較例1の記憶装置に搭載される強誘電体キャパシターについて、ヒューレットパッカード社製「4140B」を用い、大気下(湿度40〜50%)にて外界光を遮蔽した状態で、電流密度J(μA/cm2)と電圧E(V)との関係(J−E Curve)を求めた。
(Comparative example)
A memory device of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the second electrode was platinum.
<PN junction diode characteristics>
About the ferroelectric capacitor mounted in the storage device of Example 1 and Comparative Example 1, “4140B” manufactured by Hewlett-Packard Company was used, and the current was shielded from the ambient light in the atmosphere (
図10にJ−E Curveを示す。点線で表される比較例1では、電流密度Jが電圧Eに正比例するオーミック接合の特性が観測されたのに対し、実線で表される実施例1では、一方向、例えば負の電圧方向においてのみ電流が流れやすいpn接合に特有のダイオードに特徴的な特性が観測された。そして、図10に示されるダイオード特性より、実施例1では、強誘電体層14がp型半導体であり、第2電極45すなわち透明電極(ITO)がn型半導体であることが明らかとなった。
FIG. 10 shows J-E Curve. In Comparative Example 1 represented by the dotted line, the characteristics of the ohmic junction in which the current density J is directly proportional to the voltage E was observed, whereas in Example 1 represented by the solid line, in one direction, for example, in the negative voltage direction. A characteristic characteristic of a diode peculiar to a pn junction in which only a current easily flows was observed. From the diode characteristics shown in FIG. 10, it was found that in Example 1, the
また、実施例1に搭載される強誘電体キャパシター12は、第2電極15を除いて比較例1に搭載される強誘電体キャパシターと同様に作製したことから、実施例1で観測されるpn接合ダイオード特性は、n型半導体である第2電極15に起因していることが分かった。
Further, since the
<P−E loop測定>
実施例1及び比較例1の記憶装置に搭載される強誘電体キャパシターについて、東陽テクニカ社製「FCE−1A」を用い、φ=500μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzの三角波形を印加して、分極量P(μC/cm2)と電圧E(V)の関係(P−E loop)を求めた。
<P-E loop measurement>
About the ferroelectric capacitor mounted in the memory | storage device of Example 1 and the comparative example 1, using the electrode pattern of (phi) = 500micrometer using "FCE-1A" by the Toyo technica company, the triangular waveform of frequency 1kHz at room temperature By applying, the relationship (P-E loop) between the polarization amount P (μC / cm 2 ) and the voltage E (V) was obtained.
図11にP−E loopを示す。点線で表される比較例1及び実線で表される実施例1の両者とも、強誘電体に特徴的な履歴曲線(ヒステリシス)を示したことから、いずれも強誘電体であり、例えば分極用電圧を印加することで生じる分極を保持できることが明らかとなった。 FIG. 11 shows the P-E loop. Since both Comparative Example 1 represented by the dotted line and Example 1 represented by the solid line showed a hysteresis curve (hysteresis) characteristic of the ferroelectric, both are ferroelectrics, for example for polarization. It became clear that polarization caused by applying a voltage can be maintained.
ただし、点線で表される比較例1では左右対称なヒステリシスが観測されたのに対し、実線で表される実施例1では左右非対称なヒステリシスが観測された。これは、実施例1は、上記のようにpn接合ダイオード特性を有するため、正電圧領域及び負電圧領域で電気的特性が異なるからである。この結果から、実施例1では、強誘電体層14が強誘電体特性及びpn接合ダイオード特性を両立していることが明らかとなった。
However, in Comparative Example 1 represented by the dotted line, a symmetrical hysteresis was observed, whereas in Example 1 represented by the solid line, a laterally asymmetric hysteresis was observed. This is because Example 1 has pn junction diode characteristics as described above, and thus has different electrical characteristics in the positive voltage region and the negative voltage region. From this result, in Example 1, it was clarified that the
<光電変換特性>
実施例1に搭載される強誘電体キャパシター12について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」及びKeithley社製6514型エレクトロメーターを使用し、そのpn接合ダイオード特性、特に光電変換特性を評価した。具体的には、FCE−1Aを使用し、φ=500μmの電極パターンに室温で周波数1kHzの+20V又は−20Vのユニポーラ三角波形を印加することで強誘電体層14の分極処理を行った。次に、ピコアンペアメーターを使用し、2mVの電位(不可避な回路電位)下で蛍光灯の点灯及び消灯を繰り返しながら光起電流を測定した。
<Photoelectric conversion characteristics>
Regarding the
かかる測定は、p型半導体である強誘電体層14側に−(マイナス)の電荷、n型半導体側である第2電極15側に+(プラス)の電荷が誘起される下方向に該強誘電体層14を分極させたときと、p型半導体である強誘電体層14側に+(プラス)の電荷、n型半導体側である第2電極15側に−(マイナス)の電荷が誘起される上方向に該強誘電体層14に分極させたときと、の両者について行った。
Such measurement is performed in a downward direction in which a negative charge is induced on the
図12に光電変換特性を示す。図示するように、実施例1では光起電流密度が観測された。これにより、照射された蛍光灯の光が、可視光領域で透明である第2電極15を透過して空乏層30に到達し、内部光電効果が発現したことが分かった。
FIG. 12 shows the photoelectric conversion characteristics. As shown in the figure, the photovoltaic current density was observed in Example 1. Thereby, it was found that the light of the irradiated fluorescent lamp transmitted through the
また、一点鎖線で表されるように、強誘電体層14を上方向に分極させたときに得られる光起電流は、−30nA/cm2であった。一方、実線で表されるように、強誘電体層14を下方向に分極させたときに得られる光起電流は、−133nA/cm2、すなわち一点鎖線で表される測定結果と比べ、その絶対値が約4.4倍と高い値を示した。
Further, as represented by the alternate long and short dash line, the photocurrent obtained when the
これにより、強誘電体層14を下方向又は上方向に分極させることで、空乏層30領域が拡大又は縮小し、検出される光起電流に差異が生じるため、この光起電流に基づいて分極方向を判定できることが分かった。
As a result, by depolarizing the
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
本実施形態の記憶装置10に搭載される強誘電体キャパシター12の強誘電体層14は、種々の光学素子に好適に用いることができる。例えば強誘電体層14がp型半導体として構成される場合、この強誘電体層14の分極方向によって、強誘電体層14との間でpn接合16を形成する第2電極(n型半導体)15等のキャリア濃度を制御することができる。その結果、強誘電体層14の強誘電体特性に応じて光学特性を変化させることができるようになる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the fundamental structure is not limited to what was mentioned above.
The
好適に用いることができる光学素子としては、光スイッチ、波長変換器、光導波路、屈折率制御素子、電子シャッター機構、ハーフミラー、周波数制御フィルター(ローパスフィルター、ハイパスフィルター)、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、光干渉フィルター、光干渉計、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター及び光−熱変換フィルター等が挙げられる。 Optical elements that can be suitably used include optical switches, wavelength converters, optical waveguides, refractive index control elements, electronic shutter mechanisms, half mirrors, frequency control filters (low-pass filters, high-pass filters), and harmful rays such as infrared rays. Examples thereof include a blocking filter, an optical interference filter, an optical interferometer, an optical filter using a photonic crystal effect by quantum dot formation, and a light-heat conversion filter.
また、本実施形態の記憶装置10に搭載される強誘電体キャパシター12は、強誘電体素子として好適に用いることもできる。好適に用いることができる強誘電体素子としては、強誘電体トランジスター(FeFET)、強誘電体演算回路(FeLogic)及び強誘電体キャパシター等が挙げられる。
Further, the
また、本実施形態の記憶装置10に搭載される強誘電体キャパシター12は、良好な圧電特性を示すことから、圧電素子にも好適に用いることが出来る。好適に用いることができる圧電素子としては、液体噴射装置、超音波モーター、超音波発信器、超音波検出器、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、加速度センサー、圧力センサー、圧電スピーカー、圧電ポンプ及び圧力−電気変換機器が挙げられる。
In addition, the
さらに、本実施形態の記憶装置10に搭載される強誘電体キャパシター12は、良好な焦電特性を示すことから、焦電素子に好適に用いることができる。好適に用いることが出来る焦電素子としては、温度検出器、生体検出器、赤外線検出器、テラヘルツ検出器及び熱−電気変換器等が挙げられる。
Furthermore, since the
10,10B 記憶装置、 11 トランジスター素子、 12,12A,12B,42 強誘電体キャパシター、 13,43 第1電極、 14,44 強誘電体層、 15,45 第2電極、 16 pn接合、 17 基板、 20 メモリーセル、 21 分極処理回路(書き込み回路)、 22 電圧印加手段、 23 スイッチング素子、 24 制御手段、 25,26 配線、 27 電流検出装置、 28 回路、 30 空乏層、 31 発光素子、 32 絶縁層、 33 密着層 10, 10B memory device, 11 transistor element, 12, 12A, 12B, 42 ferroelectric capacitor, 13, 43 first electrode, 14, 44 ferroelectric layer, 15, 45 second electrode, 16 pn junction, 17 substrate , 20 memory cells, 21 polarization processing circuit (write circuit), 22 voltage application means, 23 switching element, 24 control means, 25, 26 wiring, 27 current detection device, 28 circuit, 30 depletion layer, 31 light emitting element, 32 insulation Layer, 33 adhesion layer
Claims (12)
前記第2電極が透明電極であり、前記強誘電体層と前記第1電極又は前記第2電極との間でpn接合が形成されていることを特徴とする記憶装置。 In a memory device including a ferroelectric capacitor in which a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode are stacked,
The memory device, wherein the second electrode is a transparent electrode, and a pn junction is formed between the ferroelectric layer and the first electrode or the second electrode.
複数の前記メモリーセルの少なくとも1つは、配置される前記強誘電体キャパシターの数が1つであることを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。 The memory device includes a plurality of memory cells having the ferroelectric capacitor, and word lines and bit lines electrically connected to the ferroelectric capacitor,
The memory device according to claim 1, wherein at least one of the plurality of memory cells has one ferroelectric capacitor arranged.
前記記憶装置として、前記第2電極が透明電極であり、前記強誘電体層と前記第1電極又は前記第2電極との間でpn接合が形成されたものを用い、
前記pn接合に光を照射して光起電流を発生させる工程と、
発生した前記光起電流を検出する工程と、
を有することを特徴とするデータ読み出し方法。 In a data reading method of a memory device including a ferroelectric capacitor in which a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode are stacked,
As the storage device, the second electrode is a transparent electrode, and a pn junction is formed between the ferroelectric layer and the first electrode or the second electrode.
Irradiating the pn junction with light to generate a photovoltaic current;
Detecting the generated photovoltaic current;
A data reading method comprising:
Priority Applications (1)
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JP2013239318A JP2015099861A (en) | 2013-11-19 | 2013-11-19 | Storage device and method for reading out data |
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CN113990974A (en) * | 2020-07-10 | 2022-01-28 | 中国科学院物理研究所 | All-ferroelectric semiconductor PN junction thin film device and preparation method thereof |
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2013
- 2013-11-19 JP JP2013239318A patent/JP2015099861A/en active Pending
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CN113990974A (en) * | 2020-07-10 | 2022-01-28 | 中国科学院物理研究所 | All-ferroelectric semiconductor PN junction thin film device and preparation method thereof |
CN113990974B (en) * | 2020-07-10 | 2023-11-14 | 中国科学院物理研究所 | Full ferroelectric semiconductor PN junction thin film device and preparation method thereof |
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