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)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013239318A JP2015099861A (en) | 2013-11-19 | 2013-11-19 | Storage device and method for reading out data |
Applications Claiming Priority (1)
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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 |
-
2013
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Cited By (2)
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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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