特開 2021-90011 可変容量素子、共振器および可変容量素子の使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-90011(P2021-90011A)

(43)【公開日】2021年6月10日

(54)【発明の名称】可変容量素子、共振器および可変容量素子の使用方法

(51)【国際特許分類】

   H01G 7/06 20060101AFI20210514BHJP

   H01G 7/04 20060101ALI20210514BHJP

【ＦＩ】

   H01G7/06

   H01G7/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2019-220572(P2019-220572)

(22)【出願日】2019年12月5日

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】鶴岡 徹

(72)【発明者】

【氏名】寺部 一弥

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高周波に適応する可変容量素子および周波数可変の共振器をコンパクトでかつ簡易な構造で提供する。
【解決手段】可変容量素子１０１は、第１の電極層１１と第２の電極層１３と第１の電極層と第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層１２を有する。イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる単層の膜とする。共振器は、その可変容量素子を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる単層の膜である、可変容量素子。

【請求項2】

第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる第１の誘電体層と、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、Ｌｉ_２Ｍｎ_２Ｏ_４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、リン酸コバルトリチウム（ＬｉＣｏＰＯ_４）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＰＯ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）、リチウム複合酸化物の群より選ばれる１以上からなる第２の誘電体層の二層の膜からなる、可変容量素子。

【請求項3】

前記Ｍｅは、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上である、請求項１または２記載の可変容量素子。

【請求項4】

前記ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）からなる、請求項１または２記載の可変容量素子。

【請求項5】

前記イオン伝導性誘電体層は、窒素を含む、請求項１から４の何れか１記載の可変容量素子。

【請求項6】

前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下である、請求項５記載の可変容量素子。

【請求項7】

前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、２原子％以上１５原子％以下である、請求項５記載の可変容量素子。

【請求項8】

前記イオン伝導性誘電体層は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含む、請求項１から７の何れか１記載の可変容量素子。

【請求項9】

前記イオン伝導性誘電体層は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を含む、請求項１から７の何れか１記載の可変容量素子。

【請求項10】

前記イオン伝導性誘電体層における前記金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下である、請求項８または９記載の可変容量素子。

【請求項11】

第１の電極層および／または第２の電極層は、貴金属材料より選ばれる１以上を含む請求項１から１０の何れか１記載の可変容量素子。

【請求項12】

第１の電極層および／または第２の電極層は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を含む請求項１から１０の何れか１記載の可変容量素子。

【請求項13】

温度調整手段をさらに有する、請求項１から１２の何れか１記載の可変容量素子。

【請求項14】

前記温度調整手段は、ペリチェとヒーターからなる、請求項１３記載の可変容量素子。

【請求項15】

請求項１から１４の何れか１記載の可変容量素子を有する、共振器。

【請求項16】

前記第１の電極層と前記第２の電極層の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された請求項１から１４の何れか１記載の可変容量素子が少なくとも２以上配置された、共振器。

【請求項17】

前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧可変のバイアス電圧を印加する、請求項１から１４の何れか１記載の可変容量素子の使用方法。

【請求項18】

請求項１３または１４記載の可変容量素子の温度を調整して使用する、可変容量素子の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可変容量素子、共振器および可変容量素子の使用方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、移動通信体技術の進化により、無線周波数帯のブロードバンド化が急激に進められている。このブロードバンド化を進める上で欠かせないものは、広範囲の周波数帯域で動作する無線の送受信回路（共振器）であり、そのための容量素子である。

【0003】

従来、この要請に応えるために、各周波数に対応する幾つもの容量素子をあらかじめ選択して共振器に搭載し、使用する周波数帯域に応じて対応する容量素子をその都度切り替えて使用するという方法が採用されていた。しかし、この方法では、多数の容量素子が必要となるために部品点数の増加を招き、その結果、これらを配置するためのスペースが必要となり、機器が大型化するという問題があった。
そこで、この問題を解決するために、使用する広範囲の周波数帯域に対応しうる可変容量素子の開発が求められている。

【0004】

例えば、特許文献１には、誘電体として空乏層を用いる、一般に「バラクタ」と称される可変容量素子が記載されている。具体的には、バラクタは、ｐｎ接合のｐ型半導体とｎ型半導体との界面、またはＭＩＳ構造の絶縁膜と半導体との界面などに形成される空乏層の厚みを電圧によって制御することで静電容量を調節できることが記載されている（段落［０００２］）。さらに、ＭＩＳ構造においてダイヤモンド半導体を使用することによって、高温でも動作する可変容量素子が得られることが記載されている（段落［００１１］）。
しかしながら、バラクタダイオードは、消費電力や損失が大きく、今後の携帯電話の高性能化、高機能化への対応には限界があるという問題点が指摘されている（特許文献３参照）。また、このような空乏層の厚みを電圧によって制御する可変容量素子は、高周波での誘電損失が大きいため、一般に、大きなリーク電流と発熱も問題となり、また、容量可変率も小さく、使用できる周波数も限定的である。

【0005】

また、特許文献２には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術で作製されたアクチュエータを使用した可変容量素子（ＭＥＭＳ可変容量素子）が記載されている。具体的には、ＭＥＭＳ可変容量素子は、例えば、一端が基板主面に接続され、他端が基板主面の上方に保持されたアクチュエータに設けられた可動電極と、可動電極に対向する基板主面上に設けられた固定電極と、を有し、アクチュエータにより可動電極と固定電極との間の距離を変化させることで、これらの電極間の静電容量を変化させるものであることが記載されている。さらに、ＭＥＭＳ可変容量素子を携帯電話等の高周波向けの用途に応用した場合、高いＱ値を実現することが記載されている。
しかしながら、ＲＦ−ＭＥＭＳを用いた可変容量素子は、容量値が小さい、衝撃に弱い、応答速度が遅い、微細な３次元精密加工が必要であるため高価である等の問題があることが指摘されている（特許文献３）。また、このようなＭＥＭＳを用いた可変容量素子は、アクチュエータ部の動作の信頼性やパッケージ技術の難しさ、さらには、製造コストが高いという問題がある。

【0006】

また、特許文献３には、他の可変容量素子として、チタン酸バリウムストロンチウムや、チタン酸ストロンチウム等のペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料を用いることが記載され、具体的には、誘電体材料の誘電率のバイアス電界依存性を利用した薄膜可変容量素子が記載されている。
しかしながら、これらのペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料を用いた可変容量素子は、高周波信号に対する損失が大きいという問題があることが指摘され、そのＱ値も小さいという問題がある。また、このような高周波信号に対する損失特性を改善するために、ペロブスカイト型の高誘電率誘電体材料に添加物を加える試みも行われているが、それにより容量変化率が大きく損なわれてしまうという問題も指摘されている。

【0007】

一方、特許文献４には、固体電解質が、リチウムイオン伝導性固体電解質である、Ｌｉ_αＺｒ_βＭ_γ（ＰＯ_４）_３（但し、ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及び希土類元素から選択される少なくとも１種の金属であり、α、β、γは、１．１＜α≦１．８、０．０３≦γ／β≦０．５、α＞１＋γ）を、５０体積％以上含むことを特徴とするキャパシタが記載され、卑金属を含む電極材料とリチウムイオン伝導性固体電解質材料とを低酸素雰囲気で焼成して製造した場合でも、焼結体密度などの優れた特性を有するキャパシタが得られることが記載されている。
しかしながら、特許文献４には、専ら、焼結体密度、イオン伝導度、及び静電容量に着目したキャパシタ、並びに、電極材料と固体電解質材料と焼成時の雰囲気を規定したキャパシタの製造方法が記載されているにとどまり、広範囲の周波数帯域に対応しうる可変容量素子については記載も示唆もされていない。

【0008】

特許文献５には、第１の電極層、誘電体層内をイオンが移動して静電容量が変化するイオン伝導性誘電体層、および第２の電極層が順次積層された可変容量素子（可変キャパシタ素子）が記載されている。そこでは、イオン伝導性誘電体層として、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化タングステン（ＷＯ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）又はこれらの混晶、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかの高分子、さらにこれらの高分子に銀電解質塩、銅電解質塩、ニッケル電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩のいずれかの金属塩を含ませた高分子電解質、ヨウ化銀（ＡｇＩ）、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）、臭化銅（ＣｕＢｒ）、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）、ヨウ化銀ルビジウム（ＲｂＡｇ４Ｉ５）のいずれかのハロゲン化が例示されている。
しかしながら、特許文献５に記載の可変容量素子は、周波数に対し容量の変化が大きく、高い周波数では十分な容量を得ることが難しいという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１０−１７７２７８号公報

【特許文献2】特開２００９−２８５７９７号公報

【特許文献3】国際公開ＷＯ２００７／１１６４７１号公報

【特許文献4】特開２０１５−２１６２２２号公報

【特許文献5】特開２０１８−２９１５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、上記の背景技術の項で説明した従来の問題点を解消するためになされたものであり、単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し、大きな静電容量変化が得られ、且つ広範囲かつ高周波数帯域に適応する可変容量素子およびその使用方法を提供することを目的とする。
また、その可変容量素子の特性を活かした周波数可変の共振器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる単層の膜である、可変容量素子。
（構成２）
第１の電極層と第２の電極層と前記第１の電極層と前記第２の電極層に挟まれたイオン伝導性誘電体層を有し、
前記イオン伝導性誘電体層は、ＭｅＸ（Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上、Ｘはリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上）からなる第１の誘電体層と、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、Ｌｉ_２Ｍｎ_２Ｏ_４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、リン酸コバルトリチウム（ＬｉＣｏＰＯ_４）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＰＯ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）、リチウム複合酸化物の群より選ばれる１以上からなる第２の誘電体層の二層の膜からなる、可変容量素子。
（構成３）
前記Ｍｅは、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上である、構成１または２記載の可変容量素子。
（構成４）
前記ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）からなる、構成１または２記載の可変容量素子。
（構成５）
前記イオン伝導性誘電体層は、窒素を含む、構成１から４の何れか１記載の可変容量素子。
（構成６）
前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下である、構成５記載の可変容量素子。
（構成７）
前記イオン伝導性誘電体層における前記窒素の含有量は、２原子％以上１５原子％以下である、構成５記載の可変容量素子。
（構成８）
前記イオン伝導性誘電体層は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含む、構成１から７の何れか１記載の可変容量素子。
（構成９）
前記イオン伝導性誘電体層は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を含む、構成１から７の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１０）
前記イオン伝導性誘電体層における前記金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下である、構成８または９記載の可変容量素子。
（構成１１）
第１の電極層および／または第２の電極層は、貴金属材料より選ばれる１以上を含む構成１から１０の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１２）
第１の電極層および／または第２の電極層は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を含む構成１から１０の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１３）
温度調整手段をさらに有する、構成１から１２の何れか１記載の可変容量素子。
（構成１４）
前記温度調整手段は、ペリチェとヒーターからなる、構成１３記載の可変容量素子。
（構成１５）
構成１から１４の何れか１記載の可変容量素子を有する、共振器。
（構成１６）
前記第１の電極層と前記第２の電極層の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された構成１から１４の何れか１記載の可変容量素子が少なくとも２以上配置された、共振器。
（構成１７）
前記第１の電極層と前記第２の電極層の間に電圧可変のバイアス電圧を印加する、構成１から１４の何れか１記載の可変容量素子の使用方法。
（構成１８）
構成１３または１４記載の可変容量素子の温度を調整して使用する、可変容量素子の使用方法。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、単純な素子構造により製造コストを抑え、機器の小型化に貢献し、大きな静電容量変化が得られ、且つ広範囲かつ高周波数帯域に適応する可変容量素子およびその使用方法が提供される。
また、その可変容量素子の特性を活かした周波数可変の共振器が提供される。

【0013】

さらに、本発明によれば、プラスチック基板等の上に形成することにより、フレキシブルな容量素子の作製が可能になるという効果が得られる。このように、本発明を使用することにより、ペーパーディスプレイ、フラットパネルディスプレイの駆動回路への応用も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の可変容量素子の第１の態様の構成例を示す概念図である。

【図2】本発明の可変容量素子の第１の態様の動作原理を示す概念図である。

【図3】本発明の可変容量素子の第２の態様の構成例を示す概念図である。

【図4】本発明の可変容量素子の第２の態様の動作原理を示す概念図である。

【図5】本発明の共振器の電気回路図である。

【図6】本発明の可変容量素子の可変容量特性を示す電気特性図である。

【図7】本発明の可変容量素子の容量特性の環境温度依存性を示す電気特性図である。

【図8】本発明の可変容量素子を並列配置したときの容量特性を示す電気特性図である。

【図9】比較例の可変容量素子の可変容量特性を示す電気特性図である。

【図10】実施例の可変容量素子の可変容量特性を示す電気特性図である。

【図11】実施例の共振器の電気回路図である。

【図12】実施例の共振器の発振動作特性を示す特性図である。

【図13】実施例の共振器の電気特性を示す特性図である。

【図14】実施例の共振器の電気特性を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する本発明の詳細な説明は、代表的な態様、実施形態、及び実施例に基づいてなされることがあるが、これらは例示であり、本発明はそのような態様、実施形態、及び実施例に限定されるものではない。
なお、「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下を示す。

【0016】

（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の可変容量素子の第１の態様（容量可変のキャパシタ）を説明する。その可変容量素子１０１の構造の概要を図１に示す。
本発明の第１の態様は、第１の電極層１１上にイオン伝導性誘電体層１２および第２の電極層１３が順次積層された構造、言い換えれば、イオン伝導性誘電体層１２が第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造で、イオン伝導性誘電体層１２がＭｅＸからなる単層の膜からなる容量素子１０１である。
ここで、Ｍｅは１価および２価の金属より選ばれる１以上であり、Ｘはリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上である。Ｍｅの具体例としては、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上を挙げることができる。この中で、ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）が特に高いイオン伝導性をもつという点から、イオン伝導性誘電体層１２の材料として特に好ましい。高い伝導性を有すると容量素子１０１の周波数特性が向上する。
なお、ＭｅとＸの比率は、可変容量の電気特性を確保する観点から、モル比率で１：２〜４：１が適する。

【0017】

第１の電極層１１は、それに適度な剛性を持たせて基板とすることができる。また基板上(図示なし)に第１の電極層１１が形成されていてもよい。また、第２の電極層１３に適度な剛性を持たせて第２の電極層１３を基板とすることもできるし、基板上(図示なし)に第２の電極層１３が形成されていてもよい。

【0018】

ここで、基板としては、その上に積層される層構成を保持できるものであれば、いかなる材料及び形状のものを用いることができ、例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックからなる任意の形状の基板を使用することができる。また、基板には、これらの材料を複合し、あるいは積層して用いてもよく、例えば、シリコン上に二酸化珪素を形成した積層体を基板として用いてもよい。また、基板がプラスチックからなる場合は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート又はポリイミドなどを用いてもよい。また、基板は柔軟な材料で構成されていてもよく、かかる材料を使用することにより、フレキシブルな容量素子の作製が可能となる。基板を柔軟な材料で構成したり、基板を平坦で且つ薄厚のものとすることにより、本発明の可変容量素子１０１を、ペーパーディスプレイやフラットディスプレイの駆動回路に応用しやすくなるという利点がある。

【0019】

以下、基板を用いた場合で、基板上に第１の電極層１１が形成される場合を説明するが、基板上に形成される電極層が第２の電極層１３である場合は、第１の電極層１１を第２の電極層１３に読み替えればよい。
この場合、基板と第１の電極層１１の間に、絶縁層または密着層(図示なし)を配置してもよい。
絶縁層または密着層としては、基板と第１の電極層１１との間の絶縁性を確保できるもの、あるいは密着性を高めるものであれば、いかなる材料のものも用いることができる。例えば、基板上に、絶縁層または密着層として、任意の酸化物層を形成してもよい。特に、基板がシリコンであって、第１の電極層１１が白金の場合は、基板と第１の電極層１１との間に、絶縁層又は密着層として二酸化珪素を形成することが好ましい。絶縁層又は密着層の形成にあたっては、塗布法、スパッタリング法、真空蒸着法など、任意の既知の方法を適宜使用することができる。

【0020】

第１の電極層１１は、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。

【0021】

第２の電極層１３も、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。
ここで、第２の電極層１３は第１の電極層１１の材料と同じでも異なっていてもよい。

【0022】

第１の電極層１１および第２の電極層１３の材料は、気体の透過性が少ない材料が、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、大気や水分に触れると水和反応による特性劣化等の問題を引き起こしやすくなるので、気体の透過性が少ないことが好ましい。ここで、第１の電極層１１および第２の電極層１３の材料の気体の透過性の問題は、後述のパッシベーション膜などを併用することでも対処することができる。
第１の電極層１１および第２の電極層１３の厚さは、同じであっても異なっていてもよく、電気抵抗、エレクトロマイグレーション等の素子動作時の経時変化耐性、グレインや成膜時の均一性、面内分布、気体透過性などを総合的に鑑みて個別に設定すればよいが、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
なお、イオン伝導性誘電体層１２と接する第１の電極層１１または／および第２の電極層１３にはチタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）などの密着性の高い金属または金属を含有する密着層を形成してもよい。この層が形成されていると、第１の電極層１１または／および第２の電極層１３とイオン伝導性誘電体層１２との剥離が抑制され、使用時の温度環境変化や機械刺激への耐久性が高まる。特に、容量素子１０１を柔軟な材料で構成し、しなやかでフレキシブルな容量素子１０１にするときは、密着層を設けるのが好ましい。密着層はスパッタリング法などで容易に形成することができる。

【0023】

イオン伝導性誘電体層１２は、前述のように、ＭｅＸからなる単層の膜である。
ここで、イオン伝導性誘電体層１２の厚さは、良好な可変容量特性を得る観点から、上限としては１μｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下がより好ましい。下限としては、絶縁耐圧の観点から、５ｎｍ以上が好ましく、１５ｎｍ以上がより好ましい。

【0024】

次に、イオン伝導性誘電体層１２の役割について、イオン伝導性誘電体層１２のＭｅがリチウム（Ｌｉ）で、第１の電極層１１と第２の電極層１３が白金（Ｐｔ）からなる場合を例示として、図２を参照しながら説明する。但し、これは１つの例であって、Ｍｅ、第１の電極層１１および第２の電極層１３は、上述の材料に置き換えても同様である。

【0025】

第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧が印加されていない場合は、Ｌｉイオン（Ｌｉ^＋）はイオン伝導性誘電体層１２内に均一に分布する（図示なし）。

【0026】

第２の電極層側が正になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図２（ａ）に示すように、Ｌｉイオンは、第１の電極層１１に向かって移動し、第１の電極層１１のイオン伝導性誘電体層１２との界面あるいはその近傍に蓄積する。
このとき、２つの効果によって静電容量が変化する。一つは、高ドープされた第１の電極層１１界面付近のイオン伝導性誘電体層１２の誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、第１の電極層１１界面付近に集まったＬｉイオンによってイオン伝導性誘電体層１２の実効的な厚さが薄くなることによるものである。
この２つの効果により、容量素子１０１の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧が高いほど、静電容量Ｃは小さくなる。

【0027】

一方、第２の電極層側が負になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように、Ｌｉイオンは、第２の電極層１３に向かって移動し、第２の電極層１３のイオン伝導性誘電体層１２との界面あるいはその近傍に蓄積する。
このとき、２つの効果によって静電容量が変化する。一つは、高ドープされた第２の電極層１３界面付近のイオン伝導性誘電体層１２の誘電率が変調される効果によるものであり、もう一つは、第２の電極層１３界面付近に集まったＬｉイオンによってイオン伝導性誘電体層１２の実効的な厚さが薄くなることによるものである。
この２つの効果により、容量素子１０１の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧が高いほど、静電容量Ｃは小さくなる。

【0028】

電圧を印加することを止めると、第１の電極層１１または第２の電極層１３の界面あるいはその近傍に蓄積したＬｉイオンは、イオン伝導性誘電体層１２を拡散し、均一化する。したがって、容量素子１０１は、電圧を印加しているときにのみ静電容量が変化する、いわゆる揮発性動作の素子である。

【0029】

上記のことから、容量素子１０１は、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧の向きによらず、その電圧の絶対値が高いほど、言い換えれば電極層間に大きなバイアス電圧をかけるほど、静電容量Ｃが小さくなる単極性の容量特性を有することを１つの特徴としている。

【0030】

また、発明者は、ＭｅＸの単層の膜からなるイオン伝導性誘電体層１２において、Ｍｅが１価および２価の金属より選ばれる１以上であり、Ｘがリン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上である場合には、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する交流電圧に対して、電気容量（キャパシタ）は比較的フラットな周波数特性を有することと、環境温度に対して電気容量が変化することを発見した。
容量素子１０１はフラットな周波数特性を有するため、本発明の第１の態様の可変容量素子１０１は、利便性が高い。
また、本発明の第１の態様の可変容量素子１０１は、温度による容量制御が可能になる。温度による容量制御は、外部から加熱や冷却により容量を制御することが可能な容量素子になるとともに、素子が置かれた環境の温度により容量が変化する温度センサーとしての活用も可能となる。ここで、加熱、冷却する方法としては、ヒーター、ペリチェ素子を用いる方法を挙げることができる。

【0031】

また、イオン伝導性誘電体層１２は、窒素（Ｎ）を含むとイオン電導度が向上して、容量素子１０１の周波数特性が向上する。
イオン伝導性誘電体層１２の窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下が好ましく、２原子％以上１５原子％以下がより好ましい。窒素の含有量がこの範囲にあると、特にイオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度が向上し、高い周波数まで十分な容量が確保される良好な周波数特性が得られる。

【0032】

また、イオン伝導性誘電体層１２は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含むとイオン電導度が向上して電気容量素子１０１の周波数特性が向上する。＋３価から＋５価の価数をとる金属の例としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を挙げることができる。
イオン伝導性誘電体層１２におけるこの金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下が、イオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度を向上させ、高い周波数まで十分な容量が確保される良好な周波数特性を得る上で好ましい。
なお、イオン伝導性誘電体層１２は、窒素と上記金属添加物を両方添加されていることが、相乗効果も加わって、より高いイオン電導度が得られる可能性がある。

【0033】

前述のように、容量素子１０１はパッシベーション膜（図示なし）で覆われていることが好ましい。パッシベーション膜で覆われると、気体や水の透過性が抑制され、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、イオン伝導性誘電体層１２に大気や水分が混入すると水和反応による特性劣化の問題を引き起こしやすくなるが、パッシベーション膜でこの問題を解決することが可能になる。
パッシベーション膜としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、酸化タンタル（ＴａＯ_ｘ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）膜を挙げることができる。その厚さは、特に限定はないが、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍとすればよい。

【0034】

容量素子１０１は、既知の方法により効率良く簡便に作製することができる。
例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックなどからなる基板を準備し、必要に応じて基板上に密着層や絶縁体層を形成し、その上に第１の電極層１１を形成する。あるいは必要な剛性を有する第１の電極層１１を、基板を兼ねて準備する。
密着層や絶縁体層は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法、キャスト法、スピンコート法などの通常の成膜法を用いて形成することができる。
第１の電極層１１は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成できる。
次に、イオン伝導性誘電体層１２を、第１の電極層１１の上に、ＲＦスパッタリング法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ法、またはスピンコート法などで形成する。
その後、第２の電極層１３を、イオン伝導性誘電体層１２の上に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成する。
以上の工程によって、イオン伝導性誘電体層１２が第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造の容量素子１０１が製造される。
なお、第２の電極層１３形成後、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または／およびスピンコート法などでパッシベーション膜を形成してもよい。

【0035】

（実施の形態２）
実施の形態２として、本発明の可変容量素子の第２の態様（容量可変のキャパシタ）を説明する。その可変容量素子１０２の構造の概要を図３に示す。
本発明の第２の態様は、第１の電極層１１上に第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２および第２の電極層１３が順次積層された構造、言い換えれば、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２が、第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造の容量素子１０２である。

【0036】

ここで、第１の誘電体層２１はＭｅＸからなる。
実施の形態１で示した電気容量素子１０１と同様に、Ｍｅは、１価および２価の金属より選ばれる１以上であり、Ｘは、リン酸（ＰＯ_４）、ケイ酸（ＳｉＯ_４）、リン酸およびケイ酸塩ガラス材料の群より選ばれる１以上である。
Ｍｅの具体例としては、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群より選ばれる１以上を挙げることができる。この中で、ＭｅＸは、リン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）が特に高いイオン伝導性をもつという点から、イオン伝導性誘電体層１２の材料として特に好ましい。高い伝導性を有すると容量素子１０２の周波数特性が向上する。
なお、ＭｅとＸの比率は、可変容量の電気特性を確保する観点から、モル比率で１：２〜４：１が適する。

【0037】

第２の誘電体２２は、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）の群から選ばれる１以上の金属を含む電子伝導性の材料からなる。例えば、Ｌｉの場合はコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、Ｌｉ_２Ｍｎ_２Ｏ_４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、リン酸コバルトリチウム（ＬｉＣｏＰＯ_４）、リン酸ニッケルリチウム（ＬｉＮｉＰＯ_４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）、リチウム複合酸化物の群より選ばれる１以上からなる。

【0038】

第１の誘電体２１の厚さは５ｎｍ以上１μｍ以下が好ましく、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下がさらに一層好ましい。
第２の誘電体２２の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下がさらに一層好ましい。
第１の誘電体２１および第２の誘電体２２の厚さが上記の範囲に収まると、誘電体２２は誘電体２１に対してイオンのリザーバー層として働く効果が得られる。

【0039】

実施の形態１と同様に、第１の電極層１１は、それに適度な剛性を持たせて基板とすることができる。また基板上(図示なし)に第１の電極層１１が形成されていてもよい。また、第２の電極層１３に適度な剛性を持たせて第２の電極層１３を基板とすることもできるし、基板上(図示なし)に第２の電極層１３が形成されていてもよい。なお、基板としては、実施の形態１に記載したものを好んで用いることができる。

【0040】

以下、基板を用いた場合で、基板上に第１の電極層１１が形成される場合を説明するが、基板上に形成される電極層が第２の電極層１３である場合は、第１の電極層１１を第２の電極層１３に読み替えればよい。この際、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２も第２の誘電体層２２と第１の誘電体層２１と読み替える。
この場合、基板と第１の電極層１１の間に、絶縁層または密着層(図示なし)を配置してもよい。
絶縁層または密着層としては、実施の形態１と同様に、基板と第１の電極層１１との間の絶縁性を確保できるもの、あるいは密着性を高めるものであれば用いることができる。

【0041】

第１の電極層１１は、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。

【0042】

第２の電極層１３も、導電性の材料であれば用いることができるが、非活性化電極という観点から貴金属材料より選ばれる１以上を含む材料を好んで用いることができる。具体的には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）より選ばれる１以上を挙げることができる。単体の金属でもよいし、これらの金属を含む合金でもよい。また導電性の化合物でもよい。
ここで、第２の電極層１３は第１の電極層１１の材料と同じでも異なっていてもよい。

【0043】

第１の電極層１１および第２の電極層１３の材料は、実施の形態１と同様に、気体の透過性が少ない材料が、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、大気や水分に触れると水和反応による特性劣化等の問題を引き起こしやすくなるので、気体の透過性が少ないことが好ましい。
第１の電極層１１および第２の電極層１３の厚さは、同じであっても異なっていてもよく、電気抵抗、エレクトロマイグレーション等の素子動作時の経時変化耐性、グレインや成膜時の均一性、面内分布、気体透過性などを総合的に鑑みて個別に設定すればよいが、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
なお、第１の誘電体層２１と接する第１の電極層１１、または／および第２の誘電体層２２と接する第２の電極層１３には、チタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）などの密着性の高い金属または金属を含有する密着層を形成してもよい。この層が形成されていると、第１の電極層１１と第１の誘電体層２１、または／および第２の電極層１３と第２の誘電体層２２との剥離が抑制され、使用時の温度環境変化や機械刺激への耐久性が高まる。特に、容量素子１０２を柔軟な材料で構成し、しなやかでフレキシブルな容量素子１０２にするときは、密着層を設けるのが好ましい。密着層はスパッタリング法などで容易に形成することができる。

【0044】

次に、容量素子１０２の動作メカニズムとそこから生み出される特性を、第１の誘電体層２１がリン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）、第２の誘電体層２２がコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、第１の電極層１１と第２の電極層１３が白金（Ｐｔ）からなる場合を例示として、図３を参照しながら説明する。

【0045】

第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧が印加されていない場合は、Ｌｉイオン（Ｌｉ^＋）はイオン伝導性誘電体層１２内に均一に分布する（図示なし）。

【0046】

次に、第１の電極層（１１）側が負になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図４（ａ）に示すように、誘電体層２１内のＬｉイオンは第１の電極層１１に向かって移動する。同時に、誘電体層２２のＬｉが誘電体層２１と２２の界面でＬｉイオンになり、誘電体層２１内を第１の電極層１１に向かって移動する。これらのイオンが第１の電極層１１と誘電体層２１との界面あるいはその近傍に蓄積する。

【0047】

このとき、下記の効果によって静電容量が変化する。誘電層２２から誘電層２１に注入されるＬｉイオンの数は印加電圧が大きくなるほど増加するため、誘電層２１の誘電率の変調や実効的な膜厚の減少も大きくなる。
この効果により、容量素子１０２の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に印加する電圧が高いほど、静電容量Ｃは大きくなる。

【0048】

一方、第１の電極層１１側が正になるように第１の電極層１１と第２の電極層１３の間に電圧を印加すると、図４（ｂ）に示すように、誘電体層２１内のＬｉイオンは第２の電極層１３と誘電体層２２に向かって移動する。こられのイオンの一部は誘電体層２１と２２の界面でＬｉになり誘電体層２２に注入される。
このとき、下記の効果によって静電容量が変化する。誘電体層２２に注入されるＬｉイオンの数は印加電圧が大きくなるほど増加し、その結果、誘電体層２１内のＬｉイオンの数は減少する。このイオン数の減少により、誘電層２１の誘電率の変調や実効的な膜厚の減少も小さくなる。
この効果により、容量素子１０２の静電容量Ｃは、印加電圧の関数として変化し、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧（負電圧）が高いほど、静電容量Ｃは小さくなる。

【0049】

電圧を印加することを止めると、第１の電極層１１または第２の電極層１３の界面あるいはその近傍に蓄積したＬｉイオンは、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２からなるイオン伝導性誘電体層１２を拡散し、均一化する。したがって、容量素子１０２は、電圧を印加しているときにのみ静電容量が変化する、いわゆる揮発性動作の素子である。

【0050】

上記のことから、容量素子１０２は、第１の電極層１１と第２の電極層１２の間に印加する電圧の正負の向きによって、静電容量が変わる双極性の容量特性を有することを１つの特徴としている。

【0051】

また、第１の誘電体層２１および第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２は、窒素（Ｎ）を含むとイオン電導度が向上して、容量素子１０２の周波数特性が向上する。
イオン伝導性誘電体層１２の窒素の含有量は、１原子％以上１５原子％以下が好ましく、２原子％以上１５原子％以下がより好ましい。窒素の含有量がこの範囲にあると、特にイオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度が向上し、良好な周波数特性が得られる。

【0052】

また、イオン伝導性誘電体層１２は、＋３価から＋５価の価数をとる金属より選ばれる１以上の金属添加物を含むとイオン電導度が向上して電気容量素子１０２の周波数特性が向上する。＋３価から＋５価の価数をとる金属の例としては、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）の群から選ばれる１以上の金属添加物を挙げることができる。
イオン伝導性誘電体層１２におけるこの金属添加物の含有量は、１原子％以上１０原子％以下が、イオン伝導性誘電体層１２内のイオン電導度を向上させ、良好な周波数特性を得る上で好ましい。
なお、イオン伝導性誘電体層１２は、窒素と上記金属添加物を両方添加されていることが、相乗効果も加わって高いイオン電導度が得られ、好ましい。

【0053】

容量素子１０２はパッシベーション膜（図示なし）で覆われていることが好ましい。パッシベーション膜で覆われると、気体や水の透過性が抑制され、素子電気特性を安定化する上で好ましい。特に、イオン伝導性誘電体層１２にＬｉが用いられる場合、イオン伝導性誘電体層１２に大気や水分が混入すると水和反応による特性劣化等の問題を引き起こしやすくなるが、パッシベーション膜でこの問題を解決することが可能になる。
パッシベーション膜としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、酸化タンタル（ＴａＯ_ｘ）膜、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）膜を挙げることができる。その厚さは、特に限定はないが、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍとすればよい。

【0054】

容量素子１０２は、既知の方法により効率良く簡便に作製することができる。
例えば、シリコンなどの半導体、酸化物などのガラス、プラスチックなどからなる基板を準備し、必要に応じて基板上に密着層や絶縁体層を形成し、その上に第１の電極層１１を形成する。あるいは必要な剛性を有する第１の電極層１１を、基板を兼ねて準備する。
密着層や絶縁体層は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、蒸着法、キャスト法、スピンコート法などの通常の成膜法を用いることができる。
第１の電極層１１は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成できる。
次に、第１の誘電体層２１を、第１の電極層１１の上に、ＲＦスパッタリング法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＬＤ法、またはスピンコート法などで形成する。
その後、第２の誘電体層２２を、第１の誘電体層２１の上に、ＲＦスパッタリング法、ＡＬＤ法、ＰＬＤ法、またはスピンコート法などで形成する。
しかる後、第２の電極層１３を、第２の誘電体層２２の上に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの方法で形成する。
以上の工程によって、第１の誘電体層２１および第２の誘電体層２２の２層からなるイオン伝導性誘電体層１２が第１の電極層１１と第２の電極層１３に挟まれた構造の容量素子１０２が製造される。
なお、第２の電極層１３形成後、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または／およびスピンコート法などでパッシベーション膜を形成してもよい。

【0055】

（実施の形態３）
実施の形態３として、本発明の可変容量素子を有する共振器について、その共振器１０３の電気回路図である図５を参照しながら説明する。
共振器１０３は、電源（直流電源、バイアス電源）Ｅ、電気抵抗Ｒ_１，Ｒ_２、容量素子（コンデンサー）Ｃ、インバーターＩ、実施の形態１または２に示した可変容量素子Ｃ_Ｖ、および出力端子Ｏからなる。ここで、インバーターＩとしては、例えばシュミットトリガーインバーターを用いることができるが、それに限るものではなく、ＣＯＭＳインバーターやＯＰアンプなど他のインバーターも使用することができる。
バイアス電源（直流電源）Ｅとしては、例えば電圧が１．５Ｖとか３Ｖのようなバッテリーを用いることができ、また可変容量素子Ｃ_ｖをはじめ、各パーツがコンパクトで発熱等も少ないことから、共振器１０３も簡素で非常にコンパクトなものにすることができる。

【0056】

可変容量素子Ｃ_Ｖの容量をバイアス電圧Ｅにより所定の値に調整することにより、共振器１０３を所望の周波数で共振させることができる。
ここで、可変容量素子Ｃ_Ｖとして実施の形態１または２に記載の可変容量素子を用いると、実施の形態１および２に記載の可変容量素子は高い周波数まで容量を可変できるので、高周波対応の共振器として使用できる。

【0057】

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【実施例】

【0058】

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、必ずしも下記の実施例に限定されるものではない。

【0059】

（実施例１）
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層１１として白金（Ｐｔ）、イオン伝導性誘電体層１２としてリン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）からなる単層の膜、および第２の電極層１３として白金を、順次積層した容量素子１０１を作製した。
ここで、第１の電極層１１および第２の電極層１３は、電子線蒸着法により形成し、その厚さは第１の電極層１１、第２の電極層１３ともに５０ｎｍとした。
また、イオン伝導性誘電体層１２は、Ｌｉ_３ＰＯ_４をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、Ｎ_２ガス（０．５Ｐａ）下、１００Ｗとした。イオン伝導性誘電体層１２の厚さは３０ｎｍであり、第２の電極層１３のサイズは５０μｍ×５０μｍである。

【0060】

次に、作製した容量素子１０１の容量−周波数特性を交流インピーダンス法により測定した。

【0061】

図６は、バイアス電圧を１Ｖ刻みで−２Ｖから＋２Ｖまで印加したときの容量−周波数特性であり、同図中の挿入図は、１００Ｈｚでの電気容量（キャパシタ）のバイアス電圧依存性を示す。リン酸リチウムの単層の膜をイオン伝導性誘電体層１２として有する容量素子１０１は、図６から、約１００Ｈｚに変曲点を有する容量−周波数特性を示し、１００Ｈｚより低周波数側では周波数に対して電気容量の変化が小さいフラットな特性を有することがわかる。前述のように、周波数に対してフラットな容量特性は利便性が高い。
容量素子１０１は、バイアス電圧印加により、低周波数側で大きな静電容量変化が得られると共に、より高周波数側での静電容量変化ももたらすことが示されている。
また、バイアス電圧の符号によらず、バイアス電圧の絶対値が大きいほど電気容量が小さくなる単極性の可変容量特性を有することもわかる。

【0062】

図７は、容量素子１０１の容量−周波数特性の環境温度依存性を示す。
具体的には、容量素子１０１をペリチェ素子あるいはヒーターに接して配置し、容量素子１０１の温度を２５℃刻みで−５０℃から７５℃まで変えて、各温度での容量−周波数特性を測定した。ここで、図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、バイアス電圧Ｖ_ＤＣが０Ｖ、２Ｖのときを示す。また、図７（ｂ）には印加されるバイアス電圧が２Ｖのときの０Ｖのときとの容量の比（Ｃ_２Ｖ／Ｃ_０Ｖ）の周波数依存性を環境温度をパラメータにして示した図も挿入図として載せている。
図７から、容量素子１０１は環境温度に依存した可変容量特性を有すること、温度が高いほど電気容量、適応周波数ともは大きくなること、および周波数の高い領域までフラットな周波数特性の領域は高周波数側まで伸びる特性を有することがわかる。また、容量の比Ｃ_２Ｖ／Ｃ_０Ｖは、温度−５０℃では周波数によらず約１であるが、−５０℃より高温になると、周波数の増加に伴い容量の比Ｃ_２Ｖ／Ｃ_０Ｖが小さくなり、極小点を経て、今度は大きくなる変曲点を有する周波数特性を有すること、およびその変曲点は温度の上昇に伴い高周波数側にシフトすることがわかる。

【0063】

図８は、容量素子１０１を複数並列に接続したときの容量−周波数特性を示す。具体的には、容量素子１０１を１，２，４および８並列接合させたときの容量−周波数特性を、それぞれ図８（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）に示す。
図８から、容量素子１０１を複数並列に接続すると接続する個数分に応じて容量が増えることがわかる。この際、周波数特性に有意な差は認められない。したがって、適用に当たっては、必要な容量が得られるような個数分容量素子１０１を並列接続して使用すればよいことがわかる。

【0064】

（比較例１）
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層として白金、イオン伝導性誘電体層としてＴａ_２Ｏ_５からなる単層の膜、および第２の電極層１３として白金を、順次積層した容量素子を比較例として作製した。
ここで、第１の電極層および第２の電極層は、電子線蒸着法により形成し、その厚さは第１の電極層、第２の電極層ともに５０ｎｍとした。
また、イオン伝導性誘電体層１２は、Ｔａ_２Ｏ_５をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、Ａｒガス（０．５Ｐａ）下２００Ｗとした。イオン伝導性誘電体層１２の厚さは１５ｎｍであり、第２の電極層１３のサイズは５０μｍ×５０μｍである。

【0065】

図９は、バイアス電圧を０．２Ｖ刻みで０Ｖから１．０Ｖまで印加したときの容量−周波数特性である。
Ｔａ_２Ｏ_５をイオン伝導性誘電体層として有する容量素子は、図９から、高いバイアス電圧を印加するほど大きな容量が得られるものの、周波数が上がるほど急激に容量は低下し、バイアス電圧０．８Ｖでは１０Ｈｚで、１．０Ｖでは３０Ｈｚで容量はほぼ０になることがわかる。
イオン伝導性誘電体層１２をリン酸リチウムとした実施例１の容量素子は、上述のように、１００Ｈｚで大きな容量が得られており、１ｋＨｚでも容量が認められ、実施例１は良好な周波数特性を有することが認められる。

【0066】

（実施例２）
Ｓｉ上に二酸化珪素を形成したＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上に、第１の電極層１１として白金（Ｐｔ）、第１の誘電体層２１としてリン酸リチウム（Ｌｉ_３ＰＯ_４）からなる単層の膜、第２の誘電体層２２としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）からなる単層の膜、および第２の電極層１３として白金を、順次積層した容量素子１０２を作製した。したがって、容量素子１０２は、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の２層の膜からなるイオン伝導性誘電体層１２を有する。
ここで、第１の電極層１１および第２の電極層１３は、電子線蒸着法により形成し、その厚さは第１の電極層１１、第２の電極層１３ともに５０ｎｍとした。
第１の誘電体層２１は、Ｌｉ_３ＰＯ_４をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、Ｎ_２ガス（０．５Ｐａ）下、１００Ｗとした。
第２の誘電体層２２は、ＬｉＣＯ_２をターゲットとしたＲＦスパッタリング法により形成した。スパッタリングの条件は、ＡｒとＯ_２の混合ガス（０．５Ｐａ）下、７０Ｗとした。
なお、第１の誘電体層２１と第２の誘電体層２２の厚さはそれぞれ３０ｎｍおよび１５ｎｍであり、第２の電極層１３のサイズは５０μｍ×５０μｍである。

【0067】

次に、作製した容量素子１０２の容量−周波数特性を交流インピーダンス法により測定した。
図１０は、バイアス電圧を１Ｖ刻みで−２Ｖから＋２Ｖまで印加したときの容量−周波数特性であり、同図中の挿入図は、１００Ｈｚでの電気容量（キャパシタ）のバイアス電圧依存性を示す。
リン酸リチウムからなる第１の誘電体層２１とコバルト酸リチウムからなる第２の誘電体層２２の２層の膜をイオン伝導性誘電体層１２として有する容量素子１０２は、図１０から、バイアス電圧印加により、低周波数側で大きな静電容量変化が得られると共に、より高周波数側での静電容量変化をすることがわかる。
また、バイアス電圧が値として大きくなるほど、電気容量が大きくなる双極性の可変容量特性を有することもわかる。つまり、負の大きなバイアス電圧をかけるほど電気容量は下がり、正の大きなバイアス電圧をかけるほど電気容量が大きくなることがわかる。

【0068】

（実施例３）
実施例３では、図１１に示すように、実施例１で作製した容量素子Ｃ_Ｖを組み込んだ共振器１０４を用いて、その共振特性を評価した。ここで、共振器１０４は実施の形態３の共振器１０３に準拠している。抵抗Ｒ_１は１ＭΩ、容量素子Ｃは０．０４７μＦとし、可変容量素子Ｃ_Ｖは実施例１で作製した４個の可変容量素子Ｃ_１，・・・Ｃ_４を並列に接続したものとした。

【0069】

バイアス電源Ｅの電圧Ｖ_ｃを１Ｖ刻みで０Ｖから３Ｖまで変化させたときの出力電圧Ｖ_ＯＵＴ、すなわち発振信号特性を図１２に示す。ここで、環境温度は７５℃とした。
図１２から、１０ＫＨｚの発振が確認された。

【0070】

抵抗Ｒ_１を１ＭΩ、３００ｋΩおよび１００ｋΩにしたときの発振周波数のバイアス電圧Ｖ_ｃ依存性を図１３に示す。この測定では、図１２の場合と同様に、可変容量素子Ｃ_ｖは実施例１で作製した４個の可変容量素子を用い、環境温度は７５℃とした。
その結果、発振周波数は可変容量素子Ｃ_ｖに印加するバイアス電圧Ｖ_ｃに依存して変わり、バイアス電圧Ｖ_ｃを上げるほど発振周波数が上がることが確認された。なお、抵抗Ｒ_１が１００ｋΩでバイアス電圧Ｖ_ｃが３Ｖのときに、約５ｋＨｚの発振周波数が得られた。
常温（２５℃）環境での発振特性を、可変容量素子Ｃ_ｖの並列接続数をパラメータにして調べた。その結果を図１４に示す。ここで、抵抗Ｒ_１は１ＭΩとした。
可変容量素子Ｃ_ｖの並列接続数を６個以上に高めると発振周波数のばらつきが抑えられて、発振特性が安定することが確認された。なお、エラーバーは発振周波数揺らぎの範囲を表している。

【産業上の利用可能性】

【0071】

以上詳細に説明したように、本発明は、イオン伝導性誘電体層中のイオン移動により容量変化を起こす容量素子及びそれを使用したキャパシタアレイを提供するものである。低電圧で動作可能な本発明の可変容量素子は携帯電話等の高周波通信機器に搭載される可能性だけでなく、ペーパーディスプレイやフラットパネルディスプレイ回路などの幅広い用途にも使用できる。

【符号の説明】

【0072】

１１：第１の電極層
１２：イオン伝導性誘電体層
１３：第２の電極層
２１：第１の誘電体層
２２：第２の誘電体層
１０１：容量素子（可変容量素子）
１０２：容量素子（可変容量素子）
１０３：共振器回路
１０４：共振器回路
Ｅ：電源（直流電源、バイアス電源）
Ｒ_１：抵抗
Ｒ_２：抵抗
Ｃ：容量素子(コンデンサー)
Ｃ_ｖ：可変容量素子
Ｉ：インバーター
Ｏ：出力端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】