誘電体

誘電体とその特性

誘電体（英: dielectric）は、導電性よりも誘電性が優れている物質を指します。これらの物質は、広いバンドギャップを持ち、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体として機能します。一般的に、プラスチック、セラミックス、雲母（マイカ）、油などが誘電体に該当します。これらは、電子機器の絶縁材料やコンデンサの電極間の挿入材料、半導体素子のゲート絶縁膜として幅広く使用されています。

また、高誘電率を持つ誘電体は、光学材料としても非常に重要であり、光ファイバー、レンズの光学コーティング、非線形光学素子などに利用されています。

誘電分極と誘電分散

誘電体の特性に関する重要な概念として、「誘電分極」と「誘電分散」があります。誘電率は電界の周波数に依存することから、これを誘電分散と呼びます。誘電分散には、空間電荷分極と配向分極が緩和型として、イオン分極と電子分極が共鳴型として示されます。

誘電緩和の概要

誘電緩和とは、誘電率の瞬時的な遅れを指し、これは通常、誘電媒質内の分子分極の遅れによって発生します。例えば、コンデンサ内部や二つの大きな導体表面間の変動電場が誘電緩和を引き起こします。この緩和現象は、外部からの振動電場に対する誘電媒質の応答と考えることができます。一般的に、誘電緩和は線形応答の遅れとして現れ、期待される平衡誘電率に基づいて測定されます。

デバイ緩和とそのモデル

デバイ緩和とは、外部電場が作用した際の理想的な相互作用のない双極子集団の誘電緩和応答を示します。この応答は複素誘電率として表現され、以下の式で示されます。

$$
egin{aligned}
ilde{
ho}(
u) =
ho_{ ext{∞}} + \frac{ riangle
ho}{1 + i
u au} \end{aligned}
$$

ここで、ε∞は高周波時の誘電率、Δεは静的な低周波誘電率と高周波誘電率の差を表します。また、τは媒質の緩和時間を示します。このモデルは1913年に物理学者ピーター・デバイによって導出されました。

誘電体の分類

誘電体は、基本的な常誘電体、圧電体、焦電体、強誘電体の4つに分類され、それぞれ異なる特性を持ちます。

• - 常誘電体: 強誘電体以外の誘電体を指し、一般的な誘電特性を示します。
• - 圧電体: 外から力が加わることで分極や電圧が発生する誘電体で、逆に電圧をかけることで応力や変形が発生します。この特性はソナーなどに利用されています。
• - 焦電体: 外部の電界がなくても自発的な分極を持つ誘電体で、微小な温度変化に応じて誘電分極を生じます。赤外線センサなどに応用されています。
• - 強誘電体: 焦電体の中でも、外部の電界によって分極の方向を反転できるものを指します。この性質により、不揮発性メモリであるFeRAMなどに使われます。

高誘電率材料と低誘電率材料

半導体の微細化が進む中で、トランジスタのゲート絶縁膜を薄膜化して静電容量を高める必要性が増してきています。しかし、量子力学的なトンネル効果がリーク電流を引き起こし、デバイスの信頼性を低下させています。このため、従来の低誘電率材料（SiO2系）から高誘電率の絶縁膜（High-κ絶縁膜）に切り替える必要性が高まっています。そのための有望な材料としてHfO2系が挙げられます。

同様に、半導体の微細化により発生する寄生容量の問題を解決するため、層間絶縁膜は低誘電率材料（Low-κ絶縁膜）を用いることが望まれています。この場合、有望な材料としてSiOFやSiOC、有機ポリマー系の材料が注目されています。

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