CN101273461A - 开关元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的开关元件(100)包括：绝缘性衬底(10)，设置在上述绝缘性衬底(10)上的第一电极(20)，设置在上述绝缘性衬底(10)上的第二电极(30)，以及设置在上述第一电极(20)和第二电极(30)之间，在上述第一电极(20)和上述第二电极(30)之间的距离(G)为0nm＜G≤50nm的电极间间隙(40)。
Description
技术领域
本发明涉及使用纳米间隙金属电极的开关元件。
背景技术
现在，伴随着装置小型化和高密度化，希望电气元件更加微细化。以功能性有机分子或纳米微粒为代表的所谓纳米结构的研究取得了惊人的进展。据认为在电气元件中使用纳米结构的特性可以使元件的微细化更加有效，研究机构和企业都在进行研究。例如使用隔着细微间隙的两个电极(下面将这样的电极组称为“纳米间隙电极”)，用功能性有机分子在此间隙上架桥的元件引人注目。例如在Science，289(2000)1172-1175中叙述的元件，就是在使用铂形成的纳米间隙电极的间隙中配置索烃系分子制成的。据说通过在此电极上施加电压，索烃系分子就进行氧化还原反应，能够进行开关的动作。
作为纳米间隙电极，用纳米微粒在此间隙上架桥的元件也是引人注目的。例如在Nature，433(2005)47-50中叙述的元件，就是使用硫化银和铂制成纳米间隙电极，在其间隙中配置银粒子而制成的。据报道，通过在此电极上施加电压，进行电化学反应，使银粒子伸缩就能够在电极之间架桥或者切断，进行开关的动作。
然而，所举例的任何一种元件，在纳米间隙电极之间，都需要特殊的合成分子或复杂的金属复合体系。由于这是利用分子内化学反应或者不同原子间反应的机构，所以对施加电压的方向具有依存性，对作为开关元件的利用有一定的限制。由于是利用化学反应进行开关的动作，所以有元件容易老化的问题。
对于任何一种所举例的开关元件，将纳米间隙电极的间隙制造得足够小也是很难的。对于此课题，作为纳米间隙电极间的间隙很小的纳米间隙电极的制造方法，有在特开2005-79335号公报中叙述的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构极其简单，而且能够稳定地重复进行开关动作，而又没有易失性的开关元件。
本发明的开关元件包括，
绝缘性衬底，
设置在上述绝缘性衬底上的第一电极，
设置在上述绝缘性衬底上的第二电极，以及
设置在上述第一电极和第二电极之间，使上述第一电极和第二电极之间的间隙G为：0nm＜G≤50nm的电极间间隙。
这样的结构能够提供结构极其简单，而且能够稳定地重复开关动作、没有易失性的开关元件。
在本发明中，上述距离G，指的是上述第一电极和上述第二电极之间的电极间间隙中最接近处的电极间距离。
在本发明的开关元件中，上述第一电极和第二电极之间的距离G，可以取0.1nm≤G≤20nm。
在本发明的开关元件中，还可以具有在其内部至少包住上述电极间间隙的封装部件。
在本发明的开关元件中，在上述封装部件内部，压力可以取不大于2×105Pa。
在本发明的开关元件中，上述第一电极的材质可选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的一种。
在本发明的开关元件中，上述第二电极的材质，可选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的一种。
在本发明的开关元件中，上述第一电极和上述第二电极中的至少一个可以取多层结构。
在本发明中，上述第一电极和上述第二电极之间的电阻值，在上述开关元件处于接通的状态下为1kΩ至1MΩ，在上述开关元件处于断路的状态下，可以为1MΩ至100TΩ。
附图说明
图1是示意性地表示涉及本发明实施方式的开关元件100主要部分的断面图。
图2是示意性地表示涉及本发明实施方式的开关元件100主要部分放大的断面图。
图3是示意性地表示涉及本发明实施方式的开关元件100的平面图。
图4是表示在涉及本发明实施方式的开关元件100中设置封装部件，作为开关器件1000的例子的示意图。
图5是示意性地表示在涉及本发明实施方式的开关元件100的制造工序中的第一蒸发沉积工序的断面图。
图6是示意性地表示在涉及本发明实施方式的开关元件100的制造工序中，在电场破断工序中所使用电路的电路图。
图7是表示具有纳米间隙电极的开关元件的电流-电压曲线一个例子的示意图。
图8是表示使具有纳米间隙电极的开关元件动作的电压顺序的一个例子的示意图。
图9是对涉及本发明实施方式的开关元件100的电极间间隙40进行扫描电子显微镜观察结果。
图10是示意性地表示对涉及本发明实施方式的开关元件100进行动作确认和电阻测定的电路的电路图。
图11是表示对涉及本发明实施方式的开关元件100进行电流-电压特性测定结果的图。
图12是表示使涉及本发明实施方式的开关元件100进行重复开关动作的电压顺序的示意图。
图13是使涉及本发明实施方式的开关元件100进行重复开关动作时电阻值的图。
图14是在涉及本发明实施方式的开关元件100中，相对于断路脉冲的电压在断路状态下电阻值的图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明优选实施方式的一个例子。
1.开关元件
图1是示意性地表示本实施方式开关元件100主要部分的断面图。图2是示意性地放大表示开关元件100主要部分的断面图。图3是示意性地表示本实施方式开关元件100主要部分的平面图。图4表示在开关元件100中设置封装部件，作为开关器件1000的例子的示意图。
涉及本实施方式的开关元件100具有绝缘性衬底10、设置在绝缘性衬底10上的第一电极20、设置在绝缘性衬底10上的第二电极30和设置在第一电极20和第二电极30之间，而且在第一电极20和第二电极30之间的距离G为0nm＜G≤50nm的电极间间隙40。
绝缘性衬底10具有作为支持体的功能，使开关元件100的两个电极20和30分隔开。只要具有绝缘性能，对绝缘性衬底10的结构和材质都没有特别的限定。例如，绝缘性衬底10的表面形状可以是平面，也可以具有凹凸。又例如，在Si等的半导体衬底表面上设置氧化膜等，以此作为绝缘性衬底10是可以的，使用绝缘性的衬底本身也是可以的。绝缘性衬底10的材质，玻璃、氧化硅(SiO2)等氧化物、氮化硅(Si3N4)等氮化物都是适用的。其中，从下面所述的与电极20、30的密合性的观点以及从其制造的过程中自由度大的观点出发，作为绝缘性衬底10的材质来说，氧化硅(SiO2)是合适的。
第一电极20设置在绝缘性衬底10上。第一电极20是开关元件100中的一个电极，与下面所述的第二电极30相对，能够进行开关的动作。第一电极20的形状是任意的，但至少希望与如下所述第二电极30相对向部位的横方向尺寸W1(参照图3)在5nm≤W1的范围内。第一电极20的厚度T1(参照图1、图2)是任意的，但希望在形成如下所述的第二电极30以后的状态下，5nm≤T1。在图1和图2中，为了更方便地说明如下所述的工序，第一电极20将第一电极下部22和第一电极上部24合在一起来表示。第一电极20的材质，优选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的至少一种。为了强化与绝缘性衬底10的接合性，可以重叠使用不小于两层的不同金属。例如第一电极20可具有铬和金的堆叠结构。
第二电极30设置在绝缘性衬底10上。第二电极30是开关元件100的另一个电极，与如上所述的第一电极20相对设置，能够进行开关动作。第二电极30的形状是任意的，但至少希望与上述第一电极20相对向部位的第二电极30在横方向上的尺寸W2(参照图3)在5nm≤W2≤W1的范围内。第二电极30的厚度T2是任意的，但基于电极的强度、与支持体的剥离强度等方面考虑，希望5nm≤T2≤T1。第二电极30的材质优选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的一种。为了强化与绝缘性衬底10的接合性，可以重叠使用不小于两层的不同金属。例如，第二电极30可以是铬和金的堆叠结构。
电极间间隙40为第一电极20和第二电极30之间的距离G，设置为0nm＜G≤50nm，例如0.1nm≤G≤20nm(参照图2)。更佳为可取0.1nm≤G≤10nm。电极间间隙40具有体现开关元件100的开关现象的作用。在电极之间最接近的部位，可以在第一电极20和第二电极30相对的区域内形成一处或多处。当其上限值超过50nm时，由于使金属元素移动，从而使开关元件100动作的电场不够，因此是不合适的。当取下限值为0nm时，第一电极20和第二电极30短路。上述下限值通过显微镜测定来决定是很困难的，但可以取产生隧道电流的最小距离。这就是说，该下限值是当元件动作时，电流-电压特性不服从欧姆定律，而能够观察到量子力学中隧道效应的距离的理论值。
封装部件50可设计为至少将上述电极间间隙40包含在内。希望封装部件50封装住包括绝缘性衬底10的整体。封装部件50具有使电极间间隙40与大气不接触的功能。只要具有上述功能，封装部件50的形状和材质都是任意的。封装部件50还具有使开关元件100更稳定地动作的作用。封装部件50的材质，可使用公知的半导体封装材料，也可以根据需要设置由公知的物质构成的气体阻隔层等。整个纳米间隙电极设置在适当的真空室内，在将其作为开关元件使用的情况下，此部件可以省略。
封装部件50的内部，可形成减压的环境，此外也可以充满各种物质。封装部件50的内部，其压力可取不大于2×105Pa。更佳为封装部件50的内部或者设置纳米间隙电极的真空室内，其压力P为10-9Pa＜P＜2×105Pa。另外，封装部件50的内部也可以充满干燥空气、氮气、稀有气体等惰性气体或者甲苯等对电气呈惰性的有机溶剂。
2.开关元件的制造方法
开关元件100的制造方法可具有如下的工序。
这就是说，开关元件100的制造方法包括，(1)准备绝缘性衬底10的工序、(2)形成第一光刻阻抗图案(レジストパタ一ン)工序、(3)第一蒸发沉积(蒸着)工序、(4)第一剥离(リフトオフ)工序、(5)形成第二光刻阻抗图案工序、(6)第二蒸发沉积工序、(7)第二剥离工序、(8)电场破断工序以及(9)封装工序。在此为了便于说明这些工序，将第一电极20看作由第一电极下部22和第一电极上部24构成，付加如图1中所示的符号。
在特开2005-79335号公报中公开了这些工序。作为纳米间隙电极的制造方法，不仅有在上述文件中叙述的方法，也可以由在特开2004-259748号公报或在特开2005-175164号公报中叙述的方法制造。在本实施方式中，是按照在特开2005-79335号公报中叙述的方法制造开关元件100。下面参照图1至图6依次说明这些工序。图5是说明第一蒸发沉积工序的示意图。图6是在电场破断工序中构成电路的示意图。
(1)准备绝缘性衬底10的工序
绝缘性衬底10，可以使用市售的玻璃衬底、附氧化膜Si衬底或其它的表面具有绝缘性的衬底。另外，在使用Si等导电性衬底的情况下，通过热处理、氧化处理、蒸发沉积、溅镀等公知的方法在其表面上设置所需的绝缘膜后，可使用这些作为绝缘性衬底10。
(2)形成第一光刻阻抗图案工序
在准备好的绝缘性衬底10上，使用公知的方法例如光刻法(フオトリソグラフイ一)形成光刻阻抗图案60，以形成第一电极下部22。该光刻阻抗图案60的厚度只要满足其功能，可以是任意的。例如该光刻阻抗图案60的厚度可以为1μm。
(3)第一蒸发沉积工序
第一蒸发沉积工序形成第一电极下部22。此工序可使用一般公知的蒸发沉积装置进行。此时，绝缘性衬底10的被蒸发沉积面要倾斜地配置，使被蒸发沉积面面向着蒸发沉积源。如在图5中所示，被蒸发沉积面和从蒸发沉积源蒸发的粒子飞来的方向之间的夹角为θ1时，使0°＜θ1＜90°(下面将该蒸发沉积方法称为“倾斜蒸发沉积”)。结果如在图5中所示，第一电极下部22，其前端形成为倾斜的形状。此时，第一电极下部22前端的倾斜部分与衬底10表面之间的夹角为θ1’。在此，θ1’可随着光刻阻抗图案60的形状、在衬底10表面上金属的堆积特性和θ1的大小而变化。为了可以在各个条件相同的情况下，较佳重复性地形成该θ1’，可以对相同条件下进行蒸发沉积的结果，以其他测定途径测量出θ1’的大小。
在蒸发沉积时，由于蒸发沉积源和被蒸发沉积面之间的距离越大，则蒸发沉积线的平行性就越高，所以为较佳选择。此距离依存于所使用的蒸发沉积装置，如果大体上离开不小于500mm，就能够进行本实施方式所必需的蒸发沉积。第一蒸发沉积工序将选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的物质蒸发沉积一次或多次。多次的蒸发沉积，例如在蒸发沉积铬以后，再蒸发沉积金，形成两层结构也是可以的。由第一蒸发沉积工序得到的第一电极下部22的厚度，只要在确保导电性的范围内可以是任意的。例如在选择的材质是金的情况下，第一电极下部22的厚度可以取不小于5nm。
(4)第一剥离工序
第一剥离工序用公知的方法进行。此工序使用与所用光刻阻抗图案60的材质相适合的剥离液。由此形成了第一电极下部22，同时除去在光刻阻抗图案60上形成的牺牲电极22a(参照图5)。
(5)形成第二光刻阻抗图案工序
形成第二光刻阻抗图案的方法，使用了公知的方法例如光刻法等。通过此工序，形成了光刻阻抗图案(图中未显示)以形成第二电极30和附带形成第一电极上部24。该光刻阻抗图案的开口部分设置为横切在上述工序中得到的第一电极下部22的前端部分(构成纳米间隙电极中的一个的部分)。该光刻阻抗图案的厚度任意。
(6)第二蒸发沉积工序
通过第二蒸发沉积工序形成第二电极30。伴随着此工序附带形成第一电极上部24(参照图2)。此工序可使用一般公知的蒸发沉积装置进行。此工序是倾斜蒸发沉积。如在图2中所示，当被蒸发沉积面与来自蒸发沉积源中散发的粒子飞来方向之间的夹角为θ2时，如果θ1’＜90°，则0°＜θ2＜θ1’＜90°，而如果90°≤θ1’，则0°＜θ2＜90°。通过此工序形成第二电极30的前端部分，即与第一电极20相对向的部分。伴随着此工序同时形成第一电极上部24。与第一蒸发沉积工序同样，在蒸发沉积时，由于蒸发沉积源与被蒸发沉积面之间的距离越大，蒸发沉积粒子飞行轨迹的平行性越高，所以为较佳选择。此距离依存于使用的装置，但如果离开大约不小于500mm，就能够没有问题地进行蒸发沉积。第二蒸发沉积工序将选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的物质蒸发沉积一次或多次。
在此，形成电极间间隙40的形成，是利用在第二蒸发沉积工序的倾斜蒸发沉积中，形成蒸发沉积粒子的第一电极下部22的影子。因此，通过调节第一电极下部22的厚度，或者调节在第二蒸发沉积工序中倾斜蒸发沉积的角度θ2中的至少一方，就能够得到具有所需电极间距离G的电极间间隙40。因此希望由第二蒸发沉积工序得到的第二电极30的厚度小于第一电极20的厚度。
(7)第二剥离工序
第二剥离工序由公知的方法进行。此工序使用与所用光刻阻抗图案材质相适应的剥离液。由此形成第一电极20和第二电极30，得到纳米间隙电极。
(8)电场破断工序
如上所述得到的纳米间隙电极，有短路的情况。因此根据需要可实施本工序。电场破断工序可使用在文献Appl.Phys.Lett.，75(1999)301中叙述的方法。图6表示在进行电场破断工序时布线的示意图。与短路的电极串连上可变电阻Rv、固定电阻Rc以及电源并施加电压。设置固定电阻Rc，要使通过不小于目的量的电流，但是又不会破坏电极。为了使电极之间破断所需要的电流量为几个mA至几十个mA。调节可变电阻Rv的电阻值使其从初期值(大电阻)开始缓慢地变小，到没有电流流过时为止，如此就能够得到具有所需电极间距离G的纳米间隙电极，即开关元件100。
(9)封装工序
本工序利用公知的气密封装技术。可以利用陶瓷封装、玻璃封装、塑料封装或金属室封装，可以在所需的环境中进行。
3.作用效果
本实施方式的开关元件100，其结构极其简单，能够稳定地重复进行开关的动作。这就是说，本实施方式的开关元件100仅由纳米间隙电极构成，无需其它有机分子或无机粒子，具有极其简单的结构。由于本实施方式的开关元件100不含可老化的物质，可稳定地重复进行开关动作。再有，本实施方式的开关元件100不具有易失性。
4.开关动作
下面说明本实施方式开关元件100动作的一个例子。图7示意性地表示开关元件100的电流-电压曲线的一个例子。图7的横轴与在开关元件100的纳米间隙电极之间施加的电压相对应，纵轴与电流相对应。在图7当中为了说明，附加由A到H以及0的符号。图8示意性地表示在开关元件100的纳米间隙电极之间施加的电压顺序。图8的横轴表示经过的时间，纵轴表示施加的电压。
如在图7中所示，开关元件100的电流-电压曲线，由于相对于0点是点对称的，所以施加在开关元件100上的电压和电流不依存于开关元件100的极性。为此，在以下的说明中，只说明图7的右半边，即电压为正的部分，对电压为负值部分的说明则予以省略。对电压为负值部分的开关动作，适当地对以下说明的极性相反读出即可。在通过图7中B点的、在A点(电阻最小值的电压)和C点之间的区域内，开关元件100显示出伴随施加电压提高电阻值变大的负电阻效应。在此区域内，开关元件100的状态依存于施加的电压而变化。下面称此电压区域为迁移区域。当在此迁移区域内从在元件上施加了电压的状态瞬时变化到电压为0点附近值(在实用上是在A点附近和E点附近之间的值)时(以下称这种电压值瞬时变化到0点附近的操作为“电压的切断”。)，能够得到与切断电压前所施加的电压值相对应的电阻值。决定此时电阻值的迁移状态电压，设定为越靠近A点，元件的电阻值就越小，而设定为电压越高于A点，电阻值就越大(在迁移区域中电阻值对设定电压的依存性在下面的5.实施例中的图14中还要说明。)。此处迁移区域的B点，显示出在切断电压之后得到在电阻值比较小的状态(下面称为“ON状态”)和电阻值比较大的状态(下面称为“OFF状态”)的中间状态的点。因此，迁移区域低电压一端，即在A点附近的电压被称为阈值电压。在此之所以将阈值电压定义为在A点附近的值，是由于随着动作电压或测量环境等不同，作为在迁移区域中得到最小元件电阻的电压的阈值，并不一定与图7的A点相一致，根据情况不同多少有些偏差。
下面说明开关元件100动作方式的例子。首先施加如在图8中的I所示的矩形脉冲，瞬时成为将电压遮断的状态J。施加的矩形脉冲I的电压，相当于在图7中迁移区域内比B点更高电压的位置C处。希望矩形脉冲的宽度不小于1ns。接着使电压在0附近的切断状态位于图8的J区域，相当于图7中的0点附近。此时，当施加图7中作为测量电压表示的微小电压时，电流不沿着图7的曲线D，表示为极小的电流值。也就是说得到OFF的状态。然后，施加如在图8的K所表示的矩形脉冲，成为将电压切断的状态L。矩形脉冲K的施加电压，相当于在图7中迁移区域内从B点起低压侧的、在阈值电压附近的电压。矩形脉冲K的脉冲宽度，希望不小于100ns。在L区域施加微小的电压，当测量此时的电流值时，这次电流沿着图7的曲线D通过。即得到ON的状态。开关的动作，可以通过这样的电压切断前电压施加的过程，任意设定元件的ON和OFF。
在此，在得到ON状态的方法中，在阈值电压附近滞留的时间是很重要的。这就是说，希望在阈值电压附近滞留的时间不小于100ns。如果满足此滞留时间的条件，为了得到ON的状态，可以使用如在图8中N的三角波代替矩形波K。在此，为了使三角波N通过阈值电压附近，具有比阈值更高的电压顶点是必要的。此时在比阈值更高电压区域中滞留的时间，可由图8的三角波N的斜率Q来调节。调节斜率Q，使在阈值电压附近滞留的时间不小于100ns，可得到ON状态。与此相反，当在此三角波滞留的时间非常短时(此时在阈值附近滞留的时间希望不大于100ns)，即施加图8中的三角波M时，元件就处于OFF状态。如此，即使在得到OFF状态的情况下，也可以使用三角波M来代替矩形波I。三角波M顶点的值，与矩形波I的情况一样设定为图7中的C点。在此三角波M中，在阈值附近滞留的时间，也可以由图8中三角波M的P区域的斜率来调节。
再有，开关元件100的驱动方法，也可以利用如上所述矩形波或三角波以外的各种顺序。
5.实施例
绝缘性衬底10使用了覆盖有厚度300nm氧化硅层的硅衬底。第一光刻阻抗图案的厚度为1μm。形成的第一光刻阻抗图案使第一电极下部22在水平方向上的宽度W1为100μm。第一电极下部22，在与绝缘性衬底10接触的部分蒸发沉积厚度2nm的铬，然后蒸发沉积上金，使得总厚度为25nm。第一蒸发沉积工序中倾斜蒸发沉积的角度θ1为75°。第二光刻阻抗图案的厚度为1μm。形成的第二光刻阻抗图案使第二电极30在水平方向上的宽度W2为2μm。第二电极30在与绝缘性衬底10相接触的部分蒸发沉积上厚度2nm的铬，然后蒸发沉积上金，使总厚度为15nm。因此第一电极20的总厚度为大约40nm。在第二蒸发沉积工序中倾斜蒸发沉积时的角度θ2为60°。然后，实施第二剥离工序。在上述状态下的开关元件100，由于包含有第一电极20和第二电极30短路的部分，所以要实施电场破断工序以除去短路的部分。电场破断的条件是附加电压1V，电阻Rc值100Ω，可变电阻Rv从100kΩ向0Ω逐渐降低，慢慢地增大电流。引起破断时的电流量大约为4mA。如上就得到开关元件100。得到的开关元件100设置在真空室内。此时真空室内的压力为10-5Pa左右。
在图9中表示用扫描电子显微镜观察本实施例的开关元件100的结果。扫描电子显微镜使用的是日立制作所制造的S-4300型，在加速电压15kV下摄影。由于使用加热台而增大了扫描速度，分辨能力为大约5nm。图9是第一电极20的一部分(上)、第二电极30的一部分(下)和电极间间隙40的一部分(照片中间横向暗的部分)的照片。如从图9所见到的，在电极间间隙40中观察到多个第一和第二电极接近的部分。向下的粗箭头表示电极接近的部分，在此箭头的左侧画出了两根用于读取的辅助线表示出间隙的宽度。对各个间隙的宽度进行测量，可以看出在观察的区域中第一电极20和第二电极30之间的距离G为大约8nm。可以设想开关元件100的两个电极之间接近的部位也会存在于观察区域以外的地方。在接近部位距离更小的情况下，由于显微镜的分辨能力不够使得不能测量。因此从得到的电阻值可以设想出两个电极之间最近部位的距离。从在元件处于ON状态下两个电极之间的电阻值为大约60kΩ，通过隧道效应计算，可以知道至少不小于0.1nm。
图10是进行元件特性评价电路的示意图。上述评价电路是使用在真空室内的微型探测器，与上述开关元件100连接而形成的。图11是表示用图10中所示的电路测量本实施方式开关元件100的I-V特性结果的图。图11上图的横轴，表示从电路电压减去在固定电阻Rm两端的电压后，在开关元件100上施加的正向电压。图10的纵轴表示在施加各电压时用电流计测量的流经的电流值。在图11中测定I-V特性，是在测量开始时使施加的电压为0V，然后以+0.2V/s的速度扫描，直到+15V，然后以-0.2V/s的速度扫描到-15V，再以+0.2V/s的速度扫描到+15V，重复这样的循环进行的。图11与上述的图7相对应。
在观察图11时，本实施方式的开关元件100的I-V曲线，当施加的电压为+4V和-4V时，电流的绝对值显示出最大值。当电压大于+4V时，电流的绝对值急剧降低，而当电压小于-4V时，电流的绝对值也是急剧降低。利用此现象，如在4.开关动作一段中所述的那样，进行开关动作。这就是说，以电压的绝对值在4V附近作为阈值电压(在图7中相当于A、B、E和F附近)。
图12是本实施例的电压顺序示意图。在本实施例中，用于变成OFF状态的脉冲电压取+10V，用于变成ON状态的三角波为从+9V扫到+3V，在+3V处切断成为三角波。如在图12中所示，最初施加100ms的+10V矩形脉冲I，然后在大约24s的J区域中在+0.2V的测量电压下测量电阻。然后如在图12的区域K中所示，在1s中从+9V扫到+3V然后切断电压。随后在大约24s中，在L区域中在+0.2V的测量电压下测量电阻。以此一连串的测量作为一个循环，进行1000个循环的电阻测量。
在图13中表示出本实施例电阻测量结果的一部分。图13在横轴上表示经过的时间，在纵轴上显示出施加电压+0.2V时的电阻值。如在图13中所示，本实施方式的开关元件100，在重复进行ON、OFF动作的情况下，从试验开始时起，在ON状态和OFF状态下的电阻值几乎没有变化。在进行1000次循环测量以后，与开始试验时相比，在ON状态和OFF状态下的电阻值也几乎没有变化。这就是说，开关元件100的第一电极20和第二电极30之间的电阻值，在ON状态下是10kΩ至200kΩ，而在OFF状态下是100MΩ至10GΩ。
在这里显示出，开关元件100随着从外部输入电压的不同，可自由地采用ON或OFF状态。由于在给予电压脉冲之后，即使不施加电压，元件也能够维持ON状态或OFF状态，可以看出开关元件100是具有不易失性的开关元件。
图14是在横轴上表示使得处于OFF状态的脉冲电压，在纵轴上表示在该脉冲之后开关元件100两端之间电阻值的点分布图。当使用图12进行说明时，图14是最初以施加100ms的矩形脉冲I的电压为横轴，然后以在J区域中测量的电阻为纵轴，重复进行此测定时的图。当观察图14时，可以看出当脉冲电压变得大于+5V附近时，电阻值超过1MΩ，成为OFF状态。当再增大脉冲电压，使其超过+10V附近时，电阻值就超过1GΩ，当脉冲电压超过+13V附近时，电阻值就超过1TΩ。这就是说，可以看出开关元件100是按照使其处于OFF状态的脉冲电压的大小，可以任意设定在OFF时电阻值的开关元件。除此以外，由于在+4V附近能够得到ON状态，所以开关元件100能够任意得到至少四个阶段的电阻状态。这就是说，开关元件在ON状态下是1kΩ至1MΩ，上述开关元件在OFF状态下可以取1MΩ至100TΩ。另外，例如使用纳米间隙电极的开关元件，在ON状态下可以是几个kΩ至100kΩ，在OFF状态下可以是几个100kΩ至几个GΩ。可以看出，如果从这些电阻值的状态中任意选择两个状态，就能够作为能够产生较小电阻值和较大电阻值的元件加以利用。
以上说明，涉及本实施方式的开关元件100是无须使用有机分子、纳米粒子等成分、极其简单的开关元件。另外，开关元件100能够极为稳定地重复进行开关动作。这就是说，本实施方式的开关元件100的结构极其简单，而且能够稳定地重复进行开关动作的非易失性开关元件。
Claims (8)
1、一种开关元件，其特征在于，该开关元件包括，
绝缘性衬底，
设置在上述绝缘性衬底上的第一电极，
设置在上述绝缘性衬底上的第二电极，以及
设置在上述第一电极和第二电极之间，在上述第一电极和上述第二电极之间的距离G为0nm＜G≤50nm的电极间间隙。
2、如权利要求1所述的开关元件，其特征在于，上述电极间间隙，即上述第一电极和上述第二电极之间的距离G为0.1nm≤G≤20nm。
3、如权利要求1所述的开关元件，其特征在于，该开关元件还具有在其内部至少包封住上述电极间间隙的封装部件。
4、如权利要求3所述的开关元件，其特征在于，在上述封装部件的内部，压力不大于2×105Pa。
5、如权利要求1至4中任何一项所述的开关元件，其特征在于，上述第一电极的材质是选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的至少一种。
6、如权利要求1至4中任何一项所述的开关元件，其特征在于，上述第二电极的材质是选自金、银、铂、钯、镍、铝、钴、铬、铑、铜、钨、钽、碳以及它们的合金中的至少一种。
7、如权利要求1至4中任何一项所述的开关元件，其特征在于，上述第一电极和第二电极中至少一个具有多层结构。
8、如权利要求1至4中任何一项所述的开关元件，其特征在于，上述第一电极和上述第二电极之间的电阻值，
在上述开关元件处于ON的状态下为1kΩ至1MΩ，
在上述开关元件处于OFF的状态下为1MΩ至100TΩ。
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