JPH02119204A - 薄膜型電圧非直線抵抗器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜型電圧非直線抵抗器に関し、特に基板上に
酸化亜鉛を主成分とする薄膜と酸化鉛を主成分とする絶
縁膜を積層することによって得られる対称型の電圧電流
特性を示す薄膜型電圧非直線抵抗器に関する。

〔従来の技術〕

電圧非直線抵抗体（以下バリスタと称する）は通常（１
）式の特性で示される非オーム性の対称型電圧−電流特
性を示すものを言う。

Ｉ／１＝（Ｖ／Ｖｉ　）α　　　　　（１）■は素子を
流れる電流値、■は素子にかかる電圧で％電流がｉアン
ペアの時の電圧Ｖｉを立ち上がシミ圧と称する。通常こ
の値は１ｍＡの時の電圧値を採る。αは非直線係数と称
し、この値の太きいものほど特性的に優れているといえ
る。

一般にバリスタは異常電圧から電気回路を保護する目的
のサージ吸収素子や異常電圧抑制器または電圧安定化素
子として電気回路中に挿入して用いられる。

これまで、酸化亜鉛を主成分とし、これに種々の添加物
例えば、Ｂｉｇ　Ｏ，！　、　ＣｏＯ、ＭｎＯ、ｓｂ、
ｏ３゜Ｃｒ２Ｏ３、Ｎ　ｉｏ　、　Ｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、
８ｉ０１等を微量添加混合し、焼結することによって、
優れた電圧非直線性を示すバリスタが得られることは示
されている。この方法で得られるバリスタはセラミック
焼結体にして初めて得られるもので、酸化亜鉛結晶粒界
の性質を利用している。即ち、焼結時に、ｎ−型半導体
であるＺｎＯ結晶粒の成長や焼結と共に結晶粒の粒界に
、Ｂｉ２Ｏ５の液相を発生させ、そこに種々の添加物を
偏析させることＫよって、酸化亜鉛結晶粒界に電子に対
する電位障壁を形成できる現象を利用している。従って
これまでは、優れた電圧非直線抵抗器はバルク型のセラ
ミック焼結体でしか得られていなかった。

電子機器への応用を考えると薄膜ないしは厚膜にして基
板上に電圧非直線抵抗器を形成することが望まれる。基
板上に薄膜ないしは厚膜にして電圧非直線抵抗器（バリ
スタ）を作製する試みは、従来種々試みられている。し
かしながら厚膜を用いたバリスタも酸化亜鉛結晶粒子と
結晶粒界を利用するためその厚みは結晶粒子径５〜１０
ミクロンの数倍以上が必要である。厚膜の表面に平行電
極を形成する手法でも電極間にはＺｎＯ結晶粒の大きさ
の数倍（５０〜１００ミクロン）の電極間隔を設けるこ
とが必要であシ、小屋化にも限度がある。表面汚染に弱
いという問題もある。

またＢ１１０３の液相は極めて反応性に富みほとんどの
酸化物や金属と反応するため厚膜に形成できても基板と
の界面の変質が激しいという問題もある。さらに配線パ
ターンやデバイスを作製する際のビスマスと配線金属材
料との反応や、１０ミクロン以上の厚みによる段差での
配線切れなどの問題が生ずる。さらに立ち上がシミ圧の
制御が困難で、形状寸法は印刷技術によっているために
１００ミクロン以下にできにくい、また非直線係数も高
々１０程度のものしか得られないという問題があった。

バリスタを薄膜の形で作製する試みは例えば１９７９年
発行のジャーナル・オプ・アプライド・フィジックス誌
第５０巻第５５５頁〜第５５８頁（Ｊｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ａｐｐｌ　ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ、５０．
ｐ、５５５−ｐ、５５８（１９７９））所載のごとく溶
融石英基板上にスパッタ法を用いて亜鉛金属膜を約１０
００オングストローム成膜し、その上にＺｎＯ薄膜とＢ
ｉ！０３薄膜を順次それぞれ約６０００オングストロー
ム程度ｆｆみ重ね、電極としてＡｇをその上に２０００
オングストロームつけることによって、立ち上がシミ圧
が２〜３ボルトの非対称性の電圧非直線素子が得られる
ことが明らかにされている。この素子はＺｎＯ薄膜とＢ
１２ｅ３薄膜の界面を利用するもので、半導体であるＺ
ｎＯと絶縁物であるＨ　＋　ｚ　Ｏｓの界面、いわゆる
半導体−絶縁体の界面現象を利用したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこれらの素子は非対称型の電圧電流特性で
ある。非直線係数が小さい、立ち上がシミ圧の制御がで
きない、厚みを薄くできない、１００ミクロン以下程度
の小型にできにくい、特性の安定性に欠ける、等の問題
点があシ応用範囲は限られていた。対称型の薄膜製バリ
スタが実現できれば超小型のバリスタアレーを安価に提
供できるためきわめて応用範囲は広く実用性は高い。薄
膜型バリスタを作製するにはさきに述べたごと（Ｂｉ２
Ｏ３薄膜をＺｎＯ薄膜で上下はさんだ積層構造にすれば
よいことは容易に推察できる。しかしながらこのような
構造にしてもさきに述べた問題点を解決することはでき
なかった。この原因を考察すると、　Ｂｉ２Ｏ３は８８
０℃と融点が低く、結晶変態を起こしやすく、バリスタ
の動作時に発生する熱の為に変化してしまい、特性の安
定性に欠ける結果しか得られなかったものと考えられる
。

バリスタの特性変化は、立ち上がシミ圧（ＶｌｍＡ）の
約８０％の直流電圧を一定時間印加した後のＶｌｍＡの
変化率Δｖ１ｍＡ／　ＶｌｍＡで評価される。実用上こ
の値は±工０％以内が望まれている。先に述べた構造の
薄膜バリスタでは、この値は±１０％を越えるものしか
なかった。

本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、対象型
で非直線係数が大きく立ち上がシミ圧制御ができ、薄く
、かつ小型にでき、特性の安定性が得られる薄膜型電圧
非直線抵抗器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の薄膜型電圧非直線抵抗器は、絶縁基板と、その
絶縁基板上に形成された下部電極薄膜層と、その下部電
極薄膜層および絶縁基板上の所要部に順次積層して形成
された酸化亜鉛薄膜層、酸化鉛薄膜層および酸化亜鉛薄
膜層よりなシ積層薄膜構造を有し、前記酸化亜鉛薄膜層
中には酸化コバルトがＣｏｏ　Ｋ換算して０．５〜２．
０モル％添加されていることを特徴として構成される。

〔作用〕

薄膜型のバリスタの持つ種々の課題を解決するには、半
導体としてＺｎＯ薄膜の性質やＺｎＯと絶縁体との界面
の制御及び絶縁物層の安定性について、更に用いる電極
材料の安定性にも十分な配慮が必要である。本発明者は
不安定性の大きいＢｉｚＯｓに代わる材料を種々検討し
本発明の構造に到達した。

次に、本発明の要点を更に詳細に図面によって説明する
。第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の一実施例の薄膜
バリスタの構造を示す断面図および平面図である。第１
図（ａ）において、下地となる基板１は表面平坦度の良
好なもので、以後の最高４００度Ｃの酸化雰囲気中での
成膜という工程条件に耐えられるもの、例えばガラスや
アルミナないしはサファイア等であれば特に限定される
ものではない。最初に付ける下部電極膜層２にも同様の
雰囲気条件に耐えるものを必要とする。実施例で述べる
が金、白金、パラジウムあるいはルテニウム金属が適当
であった。この理由の詳細は不明の点もあるが酸化亜鉛
層３と金属材料との仕事関数の差、或は酸化亜鉛層３を
成膜する寸前の金属表面酸化皮膜層の存在の有無等に起
因するものである可能性もある。酸化雰囲気中で安定な
低抵抗性を示す材料であれば良いものと思われる。次に
酸化コバルトをＣｏｏに換算して０．５〜２−０モル％
添加した酸化亜鉛層３は予め同組成となるようにターゲ
ットを準備しスパッタ法で成膜する。ターゲットの作製
には、通常の粉末冶金の手法を用いることができ、粉末
原料を混合・焼成することによって準備すれば良い。酸
化鉛薄膜層４もスパッタ法で成膜すればよい。このとき
酸化亜鉛膜層３および３′の表面近傍から添加物である
Ｃｏｏは酸化鉛膜４中にわずかに混入される条件が適当
であった。即ち酸化亜鉛薄膜層３及び３′と酸化鉛膜層
４との界面近傍の濃度変化を緩やかにすることによって
電気的に良好な特性が得られるものと思われる。このよ
うな現象が期待できる方法であれば特にスパッタ法に限
るものではなく、イオンビームやプラズマを用いる蒸着
法でもよい。或は成膜を終了した後熱処理することでも
構わない。上部電極５は特に特性を悪化させるものでな
ければ何を用いてもよい。

〔実施例〕

基板として溶融石英及びサファイア基板を用いた。下部
電極としてパラジウム、白金を用いる場合には基板との
密着性を考慮して予め５００オングストロームだケＴｉ
をマグネットロンスパッタ法で付けた後パラジウムを３
０００オングストローム同じくスパッタ法で成膜した。

その他のルテニウム（Ｒｕ）金属電極は基板上に直接３
０００オングストロームの厚みに成膜した。

Ｃｏｏとしては純度９９．９％以上の酸化物粉末を同じ
く純度９９．９％以上のＺｎＯ粉末と共に純水を用いて
ボールミル法によシ混合したものを、直径１５センチ厚
み１センチに２トン／ｄの圧力で成形し、１２００℃で
１時間焼結した焼結体を酸化亜鉛薄膜層用のスパッタタ
ーゲットとした。コバルトを含有する酸化亜鉛薄膜層の
作製は基板温度３００度Ｃで高周波マグネトロンスパッ
タ法により５０００オングストロームの厚みに成膜した
。

重化鉛層はＰｂＯ粉末を２ｔｏｎ　／　ｃｒｌｌで押し
固めたものをターゲットとして同様に２０００オングス
トロームの厚みに成膜した。更に再びコバルトを含有す
る酸化亜鉛薄膜層を５０００オングストローム四じ条件
で積層成膜した。最後に金電極を電子線加熱方式の蒸着
法によ、９３０００オングストロームの厚みに成膜した
。

得られた素子の電気特性は、カーブトレーサ及び直流で
の電圧電流特性を測定して評価した。非直線係数は１ｍ
Ａ及びｌＱｍＡの電流値に於ける電圧の測定値■１ｆｆ
ＩＡと■１ｏｒｎＡの値から（１）式にしたがつて算定
した。特性の安定性に付いては立ち上がシミ圧の８０％
の直流電圧を１００時間印加した後の変化率で評価した
。

結果を第２図（ａｌ　、　（ｂ）に非直線係数の酸化コ
バルト添加量依存性を示す。第２図（ａｌ　、　（ｂＪ
から明らかなように本発明になる薄膜バリスタは非直線
性の優れたものである。

また、第１表は立ち上がり電圧（Ｖ１ｒｆ１人）の８０
％の直流電圧を１００時間印加した後のｖｌｍＡの変化
率△■１ｆｆｌＡ／ｖ１ｆｒｌＡを示す。第１表におい
て酸化ビスマスを用いたものの特性を従来例として示す
。非直線係数及びＶｌｒｎ人の変化率は本発明によるも
のが明らかに良好な特性を示している。

以上述べたように本発明になる薄膜バリスタは非直線特
性のみならずその特性の安定性にも優れた実用性の高い
素子であシ、各種の基板上に容易に形成できることから
超小型のバリスタアレーのみなら、ず、液晶表示素子に
要求されるような１０ミクロｙサイズにもフォトリング
２フイーによる微細加工技術を利用することによって容
易に加工でき広範な応用が可能である。

また本発明になる構成の構造を多数回繰シ返して積層成
膜することによって容易に立ち上がシミ圧の高い安定性
に優れた薄膜バリスタが得られることは言うまでもない
。

【図面の簡単な説明】

第１図（１１１（ｂ）は本発明の一実施例の薄膜バリス
タの構造を示す断面図および平面図、第２図（ａ）。 （ｂ）は非直線係数及び立ち上が＃）！圧の添加物との
関係を示す図である。 １・・・絶縁基板、２・・・下部電極薄膜層、３，３′
・・・添加物を含有した酸化亜鉛薄膜層、４・・・酸化
鉛薄膜層、５・・・上部電極薄膜層。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 ０．１ ｔ、Ｏ Ａ梢［Ｉ量（シ（し２名） １０．０ あ（凹 シ殖しう１（ｔ（レラｔ） あυ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 絶縁基板と、該絶縁基板上に形成された下部電極薄膜層
   と、該下部電極薄膜層および絶縁基板上の所要部に順次
   積層して形成された酸化亜鉛薄膜層，酸化鉛薄膜層およ
   び酸化亜鉛層よりなる積層膜と、該積層膜上に形成され
   た上部電極薄膜層よりなる積層薄膜構造を有し、前記酸
   化亜鉛薄膜層中には酸化コバルトがＣｏＯに換算して０
   ．５〜２．０モル％添加されていることを特徴とする薄
   膜型電圧非直線抵抗器。