🧩 Ferroelectric Varactors

📘 概要 / Overview

FeVar（強誘電体可変キャパシタ）は、HfO₂系強誘電体の分極反転特性を利用して
電圧印加により容量を可変とする素子です。
従来の固定キャパシタやGaAs Varactorと異なり、CMOSプロセス互換性と不揮発的な調整保持が特徴です。

Ferroelectric varactors (FeVar) exploit the polarization switching of HfO₂-based ferroelectrics to achieve voltage-controlled capacitance tuning, with CMOS compatibility and semi-nonvolatile behavior.

🏗️ 材料・構造と動作原理 / Materials, Structure & Principle

材料 / Materials

HfO₂–ZrO₂ (HZO) 薄膜：主流材料、低温形成可能
ドーピング例: Si, Al, Y など → 安定化強誘電相
電極材料: TiN, W, RuO₂ など CMOS後工程互換

構造 / Device Structure

MIM型キャパシタ（Metal-Insulator-Metal）
- TiN / HZO / TiN サンドイッチ構造
- 厚み：5–15 nm 程度
特徴
- 薄膜化による低電圧動作
- BEOL集積が可能

動作原理 / Operating Principle

印加電圧により分極状態が変化
有効誘電率が変動 → 容量値が変化
一部の分極状態は不揮発保持 → 設定保存が可能

📊 性能指標 / Performance Metrics

指標 / Metric	要求値 (目安)	備考
可変比 / Tuning Ratio	1.5–3×	通常 2×程度で十分
Q値 (2–6 GHz)	>30	スマホFEMで実用レベル
動作電圧	1–3 V	CMOS互換性重視
応答速度	nsオーダー	MEMSより高速
保持特性	>10⁶サイクル	RF再設定用途では十分

📡 応用分野 / Applications

分野 / Field	応用例 / Application	メリット / Benefits
📱 スマートフォン	アンテナチューニング、マルチバンド整合	部品点数削減、小型化
📶 IoT/LPWAN	周囲環境に応じた自動アンテナ補正	低電力・不揮発設定保持
🚗 車載 (V2X, Telematics)	温度変動補償、耐環境性強化	−40〜125℃、AEC-Q準拠
🛰️ 6G/先端通信	再構成可能フィルタ・マッチ回路	動的周波数切替、高周波動作

🔬 研究動向・産業ロードマップ / Research & Roadmap

学術研究
- HfO₂系FeVarの GHz帯特性報告（応答性・Q値）
- FeFETとの複合研究（メモリ＋RF機能融合）
産業動向
- スマホRF FEM：BAW/FBARが主流だが可変性の需要増
- IoT/LPWAN市場：低電力・再構成アンテナ向けに期待
- 車載市場：AEC-Q信頼性要件が参入障壁
ロードマップ
1. 短期 (0–3年): PDK化、大学・研究用途で普及
2. 中期 (3–7年): IoT・車載での実証、評価基板提供
3. 長期 (7–10年): スマホRF FEMで部分実装、6G標準化へ

⚠️ 課題と展望 / Challenges & Outlook

課題 / Challenges

高周波での損失 (Q値改善が必須)
長期信頼性（分極疲労・温度耐性）
プロセスばらつきとBEOL統合の難しさ

展望 / Outlook

不揮発特性を活かした「セルフチューニングRF」への応用
MEMSやGaAs Varactorの置換を狙う差別化要素
教育・研究用教材として「CMOS集積型可変デバイス」を学ぶ基盤

👤 著者・ライセンス / Author & License

項目 / Item	詳細 / Details
著者 / Author	三溝真一（Shinichi Samizo）
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ライセンス / License	再配布・改変自由（教育目的） / Free for educational use 商用利用は別途許可 / Commercial use requires separate permission

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