DE112005001526T5 - Schaltbare Speicherdiode - eine neue Speichereinrichtung - Google Patents

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Juri H. Brookline Krieger
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Abstract

Speicherzelle (100) mit:
einer aktiven Schicht (102) mit einem Zustand, der auf der Grundlage des Wanderns von Ionen und/oder Elektronen und/oder Löchern veränderbar ist, wenn eine Beaufschlagung mit einem externen elektrischen Feld und/oder einer Lichtstrahlung erfolgt, wobei der Zustand einen Informationsinhalt angibt; und
einer passiven Schicht (104), die das Zuführen von Ladung zu der aktiven Schicht (102) ermöglicht, wobei die passive Schicht (104) und die aktive Schicht (102) einen PN-Übergang (106) als Teil einer in der Speicherzelle (100) integrierten Diode bilden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Speicherzellen und betrifft insbesondere eine Speicherzelle mit einer integrierten Diode.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Einführung und die vermehrte Verwendung von tragbaren Computern und elektronischen Geräten hat die Nachfrage nach Speicherzellen stark erhöht. Digitalkameras, digitale Audioabspielgeräte, persönliche digitale Assistenten und dergleichen führen im Allgemeinen zu einem Bestreben, Speicherzellen mit großer Kapazität einzusetzen (beispielsweise Flash-Speicher, intelligente Medien, kompakte Flash-Speicher oder dergleichen). Speicherzellen können typischerweise in diversen Arten von Speichereinrichtungen eingesetzt werden. Speichereinrichtungen umfassen Langzeitspeichermedien, etwa beispielsweise Festplatten, Kompaktdisketten-Laufwerke und entsprechende Medien, digitale Videodisketten- (DVD) Laufwerke und dergleichen. Die Langzeitspeichermedien speichern typischerweise große Mengen an Information bei geringen Kosten, sind aber langsamer als andere Arten von Speichereinrichtungen. Zu Speichereinrichtungen gehören auch Speichergeräte, die häufig aber nicht immer Kurzzeitspeichermedien sind.
  • Ferner können auch Speicherzellen im Allgemeinen in flüchtige und nicht-flüchtige Typen eingeteilt werden. Flüchtige Speicherzellen verlieren im Allgemeinen ihre Information, wenn die Versorgungsspannung abgeschaltet wird, und erfordern typischerweise periodische Auffrischungszyklen, um ihre Information zu behalten. Zu flüchtigen Speicherzellen gehören beispielsweise Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), DRAM, SRAM und dergleichen. Nicht-flüchtige Speicherzellen behalten ihre Information, unabhängig davon, ob die Versorgungsspannung für die Geräte aufrecht erhalten wird. Zu Beispielen von nicht-flüchtigen Speicherzellen gehören: ROM, programmierbare Nur-Lese-Speicher (PROM), löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher (EPROM), elektrische löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher (EEPROM), Flash-EEPROM, und dergleichen. Flüchtige Speicherzellen bieten im Allgemeinen eine höhere Betriebsgeschwindigkeiten bei geringen Kosten im Vergleich zu nicht flüchtigen Speicherzellen. Nichtsdestotrotz müssen zum Bewahren der Information die gespeicherten Daten typischerweise aufgefrischt werden; d. h. jeder Kondensator muss periodisch geladen oder entladen werden, um den geladenen oder entladenen Zustand des Kondensators beizubehalten. Die maximale Zeit, die zwischen Auffrischoperationen zulässig ist, hängt von der Ladungsspeicherkapazität der Kondensatoren ab, die die Speicherzellen in dem Array bilden. Die Hersteller von Speicherbauelementen spezifizieren typischerweise eine Auffrischzeit, die die Datenintegrität in den Speicherzellen gewährleistet. Es kann auf jede Speicherzelle in einer Speichereinrichtung zugegriffen oder diese kann entsprechend der Information „gelesen", „beschrieben" und „gelöscht" werden. Die Speicherzellen bewahren Information entsprechend einem „Aus-" oder einem „Ein" Zustand (beispielsweise auf zwei Zustände beschränkt), die auch als „0" oder „1" bezeichnet werden. Typischerweise wird eine Speichereinrichtung mittels Adresse angesprochen bzw. adressiert, um eine spezifizierte Anzahl an Bytes (beispielsweise 8 Speicherzellen pro Byte) abzurufen. Für flüchtige Speicherbauelemente müssen die Speicherzellen periodisch „aufgefrischt" werden, um ihren Zustand beizubehalten. Derartige Speichereinrichtungen werden für gewöhnlich aus Halbleiterbauelementen hergestellt, die diese diversen Funktionen ausführen und in der Lage sind, die beiden Zustände umzuschalten und diese zu bewahren. Die Bauelemente werden häufig in einer anorganischen Festkörpertechnologie aufgebaut, etwa in Form kristalliner Siliziumbauelemente. Ein häufiges Halbleiterbauelement, das in Speichereinrichtungen eingesetzt wird, ist der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
  • Auf Grund der zunehmenden Nachfrage für Informationsspeicherung streben die Hersteller und Entwickler von Speicherbauelementen ständig danach, die Geschwindigkeit und die Kapazität von Speicherbauelementen (beispielsweise die Schreib/Lese-Geschwindigkeit zu erhöhen) zu verbessern. Um gleichzeitig hohe Speicherdichten zu erreichen, streben die Hersteller typischerweise danach, die Abmessungen der Halbleiterbauelemente zu reduzieren (beispielsweise in den Bereich unter 1 μm). Nichtsdestotrotz werden durch die Herstellung diverser Transistorsteuereinrichtungen, die typischerweise zum Programmieren von Speicherzellenarray erforderlich sind, die Kosten erhöht und die Effizienz des Schaltungsaufbaus verringert.
    •
  • Es besteht daher ein Bedarf, die zuvor genannten Nachteile, die mit konventionellen Bauelementen verknüpft sind, zu überwinden.
  • Überblick über die Erfindung
  • Das Folgende ergibt eine vereinfachte Übersicht über die Erfindung, um ein grundlegendes Verständnis eines oder mehrerer Aspekte der Erfindung zu bieten. Dieser Überblick ist kein erschöpfender Überblick über die Erfindung. Es ist weder beabsichtigt, entscheidende oder wesentliche Elemente der Erfindung anzugeben, noch den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzugrenzen. Der einzige Zweck dieses Überblicks besteht darin, einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als Einleitung für die detailliertere Beschreibung, die nachfolgend angegeben ist, zu präsentieren.
  • Die vorliegende Erfindung stellt Systeme und Verfahren bereit, um Diodenelemente in integrierter Weise in einem Speicher herzustellen, wobei in einem Diodenelemente eine aktive Schicht (beispielsweise eine Polymerschicht) und eine passive Schicht (beispielsweise eine superionische dünne Schicht) mit asymmetrischen p/n-Eigenschaften eingesetzt wird, um eine Diodenfunktion zu schaffen. Derartige Diodenkomponenten können den Leistungsverbrauch für Speicherzellenarrays verringern und können gleichzeitig für eine Trennung von Speicherzellen untereinander sorgen, um damit ein individuelles Programmieren einer Speicherzelle als Teil des Arrays zu ermöglichen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Anordnung aus aktiver und passiver Schicht eine Komponente mit zwei Anschlüssen bilden, die Eigenschaften eines schaltbaren „Ein"- oder Diodenelements in Vorwärtsrichtung mit elektrisch trennenden Eigenschaften zeigt, wobei dieses gleichzeitig in einer Speicherzelle integriert sein kann. Die aktive Schicht kann aufweisen: ein organisches Material (beispielsweise ein konjugiertes Polymer und entsprechende chemische Verbindungen mit n- oder p-Eigenschaften), ein nicht-organisches Material, halbleitendes Material und diverse Einschlussverbindungen (beispielsweise TiSe2). Die passive und die aktive Schicht können zwischen ohmschen Kontaktebenen eingeschlossen sein. Des weiteren kann die aktive Schicht dotiert sein, um damit die gewünschten Widerstandseigenschaften zu erreichen und um typischerweise eine genaue Einstellung von erforderlichen Schwellwerteigenschaften zu ermöglichen, die mit dem Diodenelement verknüpft sind. Das Verwenden der Diodenelemente der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl an transistorartigen Spannungssteuerungselementen verringern. Ferner kann eine effiziente Anordnung einer Polymerspeicherzelle auf einer Scheibenoberfläche erreicht werden, so dass der Anteil an Chipfläche, der für die Schaltungsgestaltung verfügbar ist, erhöht wird.
  • In einem anschaulichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Diodenkomponente als ein Teil eines Arrays für Speicherzellen eingesetzt. Die aktive Schicht kann eine Polymerschicht sein, und die passive Schicht eine dünne Schicht aus einem superionischen Material hergestellt sein, das das Abgeben und Aufnehmen von Ionen ermöglicht, und/oder die Wanderung von Elektronen und Löchern ermöglicht. Die aktive und die passive Schicht können zwischen ohmschen Kontakten eingeschlossen sein (beispielsweise mit linearer Spannungs-Strom-Beziehung), die zusätzlich Ionen für die passive Schicht bereitstellen können. Es können dann Zustandsänderungsspannungen an eine einzelne Speicherzelle als Teil des Arrays zum Programmieren der Zelle in einen gewünschten Zustand angelegt werden. Die Dicke und die Zusammensetzung des Diodenelements kann die erforderliche Schwellwertspannung festlegen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Diodenkomponente das Herstellen passiver Arrays aus Speicherzellen – wobei eine Anzahl an Transistoren, die für die Speicherzellen erforderlich ist, deutlich reduziert ist – in dem das Programmieren einzelner Speicherzellen ermöglicht wird. Folglich kann die Größe des Arrays, in der die Diodenkomponente der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist, deutlich kompakter gestaltet werden. In gleicher Weise kann die Leistungsaufnahme für ein derartiges Array deutlich verringert werden.
  • Um die vorhergehenden und dazugehörigen Ziele zu erreichen, enthält die Erfindung die nachfolgend vollständig beschriebenen Merkmale. Die folgende Beschreibung und die angefügten Zeichnungen zeigen detailliert gewisse anschauliche Aspekte der Erfindung. Jedoch sind diese Aspekte nur eine Angabe von einigen der diversen Arten, in der die Prinzipien der Erfindung eingesetzt werden können. Andere Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn diese im Zusammenhang mit den Zeichnungen studiert wird.
  • Um das Studieren der Zeichnungen zu erleichtern, sind einige Zeichnungen nicht maßstabsgemäß zueinander oder innerhalb einer einzelnen Figur dargestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Diodenelement, das in einer Speicherzelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung integriert ist.
  • 2 ist eine Ansicht eines Speicherarrays, in welchem integrierte Dioden gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet sind.
  • 3 zeigt ein schematisches Speicherzellenarray mit integrierten Dioden gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine Ansicht einer speziellen Speicherzelle mit einer darin integrierten schaltbaren Diode in einem Aus-Zustand.
  • 5 zeigt einen beispielhaften Strom-Spannungs-Graphen 500 für eine in der Speicherzelle integrierten Diode während des „Ein"- und „Aus"-Zustands.
  • 6a bis 6d zeigen eine Konzentration von Ionen in den diversen Betriebsphasen für die schaltbare Diode in dem in 4 gezeigten Speicherbauelement.
  • 7 zeigt eine Speicherzelle mit einer darin integrierten schaltbaren Diode in einem Aus-Zustand, wobei ein Schottky-Kontakt verwendet ist.
  • 8a bis 8d zeigen die Konzentration an Ionen während der diversen Betriebsphasen für die schaltbare Diode mit dem in 7 gezeigten Schottky-Kontakt.
  • 9a bis 9c zeigen ein schematisches Programmiersystem für diverse Konfigurationen einer Speicherzelle mit einer darin integrierten Diode.
  • 10 ist eine Ansicht eines Speicherbauelements mit integrierten Dioden als Teil von Speicherzellen, wobei diverse Elektrodenleitungen in gekreuzter Form gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind.
  • 11 zeigt ein Flussdiagramm für den Verfahrensablauf gemäß der vorliegenden Erfindung.
    •
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Es wird nunmehr die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen durchwegs gleiche Elemente bezeichnen. In der folgenden Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung diverse spezielle Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu bieten. Es ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen und Bauelemente in einer Blockansicht gezeigt, um das Beschreiben der Erfindung zu erleichtern.
  • Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Ableitung bzw. Folgerung" im Allgemeinen den Vorgang der Schlussfolgerung über oder das Folgern aus Zuständen des Systems, der Umgebung und/oder eines Anwenders aus dem Satz aus Beobachtungen, wie sie durch Ereignisse und/oder Daten festgehalten werden. Die Folgerung kann eingesetzt werden, um einen speziellen Kontext oder eine Aktion zu erkennen, oder kann beispielsweise eine Wahrscheinlichkeitsverteilung bezüglich Zuständen erzeugen. Die Folgerung kann wahrscheinlichkeitsverteilt sein – d. h., die Berechnung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung bezüglich interessierender Zustände auf der Grundlage einer Betrachtung von Daten und Ereignissen. Das Folgern kann auch Techniken betreffen, die zum Zusammensetzen von Ereignissen auf höherer Ebene aus einem Satz an Ereignissen und/oder Daten eingesetzt werden. Ein derartiges Folgern führt zum Erzeugen neuer Ereignisse oder Aktionen aus dem Satz an beobachteten Ereignissen und/oder darin gespeicherten Ereignisdaten, unabhängig davon, ob die Ereignisse zeitlich nahe liegen und unabhängig davon, ob die Ereignisse und Daten von einem oder mehreren Ereignis- und Datenquellen stammen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt Systeme und Verfahren zur Herstellung eines Diodenelements bereit (beispielsweise eine Diodenkomponente mit zwei Anschlüssen), indem eine aktive Schicht und eine passive Schicht verwendet werden, wobei die passive Schicht und die aktive Schicht entgegengesetzte P/N-Eigenschaften aufweisen, um einen Diodenübergang zu erzeugen. Zunächst ist in 1 eine Ansicht eines Diodenelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Diodenelement 100 enthält eine aktive Schicht 102 und eine passive Schicht 104 (beispielsweise eine superionische dünne Schicht), die von zwei ohmschen Kontaktebenen in geschichteter Weise eingeschlossen sind, die beispielsweise in Form zweier äußerer Elektrodenverbindungen vorgesehen sind. Die aktive Schicht und die passive Schicht besitzen entgegengesetzte P/N-Funktionen und erzeugen einen Diodenübergang 106. Ein derartiger diodenartiger Übergang kann auch zwischen der aktiven Schicht 102 und der passiven Schicht 104 beispielsweise auf Grund eines Unterschiedes in der Austrittsarbeit zwischen den Materialien der beiden Schichten und/oder auf Grund eines Ladungsaustausches zwischen den beiden Schichten 102 und 104 hervorgerufen werden. Die aktive Schicht 102 kann einen Impedanzzustand (beispielsweise von einem hohen Widerstand zu einem geringen Widerstand) ändern, wenn die Schicht der Einwirkung einer Spannung oder eines Stromes ausgesetzt wird. Eine derartige aktive Schicht kann aus organischen, nicht organischen und Einschlussverbindungen (beispielsweise TiSe2) aufgebaut sein. Des weiteren kann ein aktives Molekül oder eine Molekülgruppe, die die aktive Schicht bildet, so gestaltet sein, dass diese eine Eigenschaft ändert, wenn sie einem elektrischen Feld und/oder einer Lichtstrahlung ausgesetzt wird (beispielsweise eine ionisierbare Gruppe); etwa: eine Stickstoffgruppe, eine Aminogruppe, Zyklopentadienyl, Dithiolan, Metilzyklopentadienyl, Fulvaenediyl, Indenyl, Fluorenyl, Zyklobis(Paraquart-p-Phenylen), Bipyridinium, Phenothianzin, Diazyprenium, Benzonitril, Benzonat, Benzamid, Karbazol, Dibenzothiophen, Nitrobenzen, Aminobenzensulfonat, Amonobenzonat und molekulare Einheiten mit redoxaktiven Metallen; Metallozenkomplexen (Fe, V, Cr, Co, Ni und dergleichen), Polypyridinmetallkomplexen (Ru, Os und dergleichen).
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die aktive Schicht 102 Polymere enthalten, etwa Polyanilin, Polythiophen, Polypyrrol, Polysilan, Polystyren, Polyfuran, Polyindol, Polyazulen, Polyphenylen, Polypyridine, Polybipyridin, Polythalozyanin, Polysexithiofen, Poly(Siliconoxotemiporphyranzin), Poly(Germaniumoxohemiporphyrazin), Poly(Ethylendioxythiophen) und zugehörige Derivate mit aktiver Molekulargruppe. Zu beachten ist, dass andere geeignete und damit in Beziehung stehende chemische Verbindungen ebenso eingesetzt werden können, zu denen gehören: aromatische Kohlenwasserstoffe; organische Moleküle mit Donator- und Akzeptoreigenschaften (n-Ethylcarbazol, Tetrathiotetrazen, Tetrathiofulvalen, Tetrazyanoquinodimethan, Tetrazyanoethylen, Chloranol, Dinitri-n-Phenyl, usw.); metallooganische Komplexe (Bisphenylglyoxim, Bisorthophenylendiimin, Tetraaza-Tetramethylannulen usw.); Porphyrin, Phthalolzyanin, Hexadekafluorophthalozyanin und ihre Abkömmlinge mit aktiver molekularer Gruppe, solange eine entgegengesetzte P/N-Funktion zwischen der aktiven Schicht 102 und der passiven Schicht 104 beibehalten wird, um den diodischen Übergang 106 zu schaffen.
  • In einem zugehörigen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die aktive Schicht umfassen: Polymerpolyphenilazetylen+Moleküle von Chloranil oder Tetrazyano-Quino- Dimethan oder Dichlordizyanoquinon (die aus einer Lösung durch Aufschleudern aufgebracht werden können); Kupferphthalozyanin (das durch thermische Abscheideverfahren bis ungefähr 30 Angstrom bis 1000 Angstrom aufgebracht werden kann); Kupferhexedekaflurophthalozyanin, amorpher Kohlenstoff oder Palladium (die auf der oberen Fläche der aktiven Schicht durch Magnet-Co-Sputter-Verfahren aufgebracht werden können); und Polysilane mit n-Carbazolypropyl-Gruppe; Polymerpolytiophen mit Zyklopentadienyl-Gruppen (die aus einer Lösung durch Aufschleudern aufgebracht werden können); Polysilane mit n-Carbazylopentadienyl-Gruppe; Polysilane mit Zyklopentaldienyl-Gruppen; Polysilane mit Amino-Gruppen; Polythiophen mit Alkylamion-Gruppen; Polythiophen mit Zyklopentadienylalkyl-Gruppen; Zusammensetzungen mit Polydiphenilazethylen mit Carbzolyl-Gruppen und Dinitro-n-Phenyl (DNP); Polyethylendioxyldioxythiophen und poröse Ferroelektrika (Polyvinylinfluorid) mit LiCF3So3-Salz, Polydiphenilazetylen mit Cabazolylgruppen Dinito-n-Phenyl (DNP); Polyethylenedixythiophen und Salz aus Natriumhexyzyanoferrat. Solang eine entgegengesetzte P/N-Funktion zwischen der aktiven Schicht 102 und der passiven Schicht 104 bewahrt bleibt, kann der diodische Übergang 106 der vorliegenden Erfindung geschaffen werden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, kann die aktive Schicht 102 über der passiven Schicht 104 gebildet werden, um damit eine Diodengrenzfläche dazwischen herzustellen. Die aktive Schicht 102 kann durch eine Vielzahl von geeigneten Verfahren gebildet werden. Eine derartige Technik beinhaltet das Aufwachsen der aktiven Schicht 102 in Form einer organischen Schicht aus der passiven Schicht 104. Eine weitere Technik kann das Aufschleudern sein, das das Abscheiden einer Mischung des Materials und eines Lösungsmittels beinhaltet und anschließend das Entfernen des Lösungsmittels von dem darunter liegenden Substrat oder der Elektrode. Es können auch chemische Dampfabscheide-(CVD) Verfahren eingesetzt werden. Typischerweise umfasst das CVD eine chemische Dampfabscheidung mit geringem Druck (LPCVD), eine plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) und eine chemische Dampfabscheidung mit hoher Dichte (HDCVD).
  • In einem zugehörigen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die aktive Schicht 102 auch aus einem konjugierten organischen Material aufgebaut sein, etwa einem kleinen organischen Molekül und einem konjugierten Polymer. Wenn die organische Schicht ein Polymer ist, kann sich ein Polymergrundgerüst des konjugierten organischen Polymers der Länge nach zwischen den ohmschen Kontaktebenen 101 und 105 erstrecken (beispielsweise im Wesentlichen senkrecht zu den inneren einander zugewandten Oberflächen der ohmschen Kontaktebenen). Das konjugierte organische Molekül kann linear oder verzweigt sein, so dass das Grundgerüst seine konjugierte Natur beibehält. Derartige konjugierte Moleküle sind dadurch gekennzeichnet, dass sie überlappende π-Orbitale aufweisen und dass diese zwei oder mehrere resonante Strukturen einnehmen können. Die konjugierte Natur der konjugierten organischen Materialien ermöglicht die Steuerung von Eigenschaften, die mit der Diode verknüpft sind.
  • In diesem Zusammenhang besitzt das konjugierte organische Material der aktiven Schicht 102 die Fähigkeit, Ladungen zu spenden oder aufzunehmen (Löcher und/oder Elektronen). Im Allgemeinen besitzt das konjugierte organische Molekül mindestens zwei relativ stabile Oxidations-Reduktions-Zustände. Die beiden relativ stabilen Zustände ermöglichen es dem konjugierten organischen Polymer, Ladungen aufzunehmen und abzugeben, wenn mit der entgegengesetzt geladenen passiven Schicht eine Wechselwirkung stattfindet. Wenn CVD-Verfahren eingesetzt werden, ist es im Allgemeinen nicht notwendig, ein oder mehrere Enden des organischen Moleküls zu funktionalisieren, um es an der passiven Schicht 104 anzuheften. Manchmal können derartige organische Moleküle eine chemische Verbindung aufweisen, die zwischen dem konjugierten organischen Polymer der aktiven Schicht 102 und der passiven Schicht 104 gebildet ist.
  • In einem speziellen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das organische Material, das als Teil der aktiven Schicht verwendet wird, zyklisch oder azyklisch. In einigen Fällen, etwa bei organischen Polymeren, kann sich das organische Material selbst während der Herstellung oder der Abscheidung anordnen. Zu Beispielen konjugierter organischer Polymere gehören eines oder mehrere der folgenden Materialien: Polyazytylen (Zis oder Trans); Polyphenylazytelen (Zis oder Trans); Polydiphenylazetylen; Polyanilin; Poly (p-Phenylenvinylen); Polythiophene; Polyporphyrine; porphyrische Makrozyklen, thiolderivarisierte Polyporphyrine; Poly(p-Phenylene); Poly(imide); Polymethozene, etwa Polyerrozene, Polyphthalazyanine; Polyvinylene; Polystirole; und dergleichen. Des weiteren können die Eigenschaften des organischen Materials durch Dotieren mit einem geeigneten Dotierstoff modifiziert werden.
  • Die organische Schicht, die in einem beispielhaften Aspekt die aktive Schicht 102 bilden kann, besitzt eine geeignete Dicke, die von der ausgewählten Implementierung der herzustellenden Diode abhängt. Einige geeignete beispielhafte Bereiche an Dicken für die organische Polymerschicht, die teilweise die aktive Schicht 102 bilden kann, liegen bei ungefähr 0,001 μm oder mehr und ungefähr 5 μm oder weniger, bei ungefähr 0,01 μm oder mehr und ungefähr 2,5 μm oder weniger, und bei ungefähr einer Dicke von ungefähr 0,05 μm oder mehr und ungefähr 1 μm oder weniger. In ähnlicher Weise besitzt die passive Schicht 104 eine geeignete Dicke, die entsprechend der jeweiligen Implementierung der herzustellenden Diode variieren kann. Einige Beispiele von geeigneten Dicken für die passive Schicht 104 sind: eine Dicke von ungefähr 2 Angstrom oder mehr und ungefähr 0,1 μm oder weniger, eine Dicke von ungefähr 10 Angstrom oder mehr und ungefähr 0,01 μm oder weniger, und eine Dicke von ungefähr 50 Angstrom oder mehr und ungefähr 0,005 μm oder weniger.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die passive Schicht auf der ohmschen Kontaktschicht 105 mittels thermischer Vakuumverdampfung, Sputterabscheidung oder plasmaunterstützter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) unter Anwendung eines metallorganischen-(MO) Vorstufenmaterials abgeschieden. Der Abscheideprozess kann überwacht und gesteuert werden, um damit u. a. das Abscheiden der die Leitfähigkeit vermittelnden Verbindung mit einer gewünschten Dicke zu ermöglichen.
  • Ferner ermöglicht die passive Schicht 104 das Einführen von Ladungsträger (beispielsweise Elektronen oder Löcher) und/oder von Metallionen in die aktive Schicht 102 und erhöht die Konzentration der Ladungsträger und/oder Metallionen in der aktiven Schicht 102, die die Leitfähigkeit der aktiven Schicht 102 modifizieren können.
  • Die passive Schicht 104 enthält mindestens eine die Leitfähigkeit hervorrufende Verbindung, die die Fähigkeit hat, Ladungsträger abzugeben und aufzunehmen (Löcher und/oder Elektronen). Im Allgemeinen besitzt die die Leitfähigkeit vermittelnde Verbindung mindestens zwei relativ stabile Oxidations-Reduktionszustände, die es der Leitfähigkeit vermittelnden Verbindung ermöglichen, Ladungsträger abzugeben und aufzunehmen. Die passive Schicht 104 sollte auch ausgebildet sein, Ionen abzugeben und abzunehmen. Zu Beispielen anderer die Leitfähigkeit ermöglichender Verbindungen, die für die passive Schicht 104 verwendet werden können, gehören eine oder mehrere der folgenden Materialien: Wolframoxid (WO3), Molybdenoxid (MoO3), Titanselenid (TiSe2), und dergleichen.
  • Die passive Schicht 104 kann in einigen Fällen als ein Katalysator dienen, wenn die aktive Schicht 102 gebildet wird. In diesem Zusammenhang kann ein Grundgerüst eines konjugierten organischen Moleküls sich anfänglich benachbart zu der passiven Schicht 104 bilden und von dieser aus wachsen oder sich anordnen, was im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der passiven Schicht erfolgt. Als Folge davon können die Grundgerüste der konjugierten organischen Moleküle in einer Richtung selbstausrichtend sein, die die beiden ohmschen Kontaktebenen (beispielsweise Elektronen) schneidet. Die passive Schicht 104 kann durch einen Abscheideprozess (beispielsweise thermische Abscheidung), PVD, nicht-selektive CVD, und dergleichen) oder durch eine vollständige Sulfidizierung einer zuvor abgeschiedenen dünnen Cu-Schicht gebildet werden.
  • 2 ist eine Draufsicht eines Halbleiterbauelementarrays 200, das Diodenelemente gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält. Ein derartiges Array ist im Allgemeinen auf einer Scheibe auf Siliziumbasis hergestellt, und enthält mehrere Spalten 202, die als Bitleitungen bezeichnet werden, und mehrere Reihen bzw. Zeilen 204, die als Wortleitungen bezeichnet sind. Derartige Bitleitungen und Wortleitungen können mit oberen und unteren Metallschichten von Speicherkomponenten verbunden sein. Der Schnittpunkt einer Bitleitung und einer Wortleitung bildet die Adresse einer speziellen Speicherzelle. Es können Daten in den Speicherzellen (beispielsweise als 0 oder 1) gespeichert werden, indem Signale ausgewählt und zu geeigneten Spalten und Zeilen in dem Array gesendet werden (beispielsweise über ein Spaltenadressabtastsignal CAS 206 und ein Zeilenadressabtastsignal RAS 208). Das Diodenelement der vorliegenden Erfindung umgeht Erfordernisse im Hinblick auf das Verwenden von Transistor/Kondensator-Paaren, wenn Speicherzellen in einem derartigen Array zu programmieren sind. Wenn beispielsweise eine Speicherzelle 214 für die Programmierung ausgewählt ist, werden die geeigneten Bitleitung 208 und Wortleitung 210, die sich bei der Speicherzelle 214 schneiden, mit einem geeigneten Spannungspegel beaufschlagt, der für die gewünschte Funktion eftorderlich ist (beispielsweise Lesen, Schreiben, Löschen). Obwohl andere Speicherzellen entlang der Bitleitung 208 und der Wortleitung 210 vorhanden sind, wechselt lediglich die Zelle 214 an der Schnittstelle der entsprechenden Bitleitung 208 und der Wortleitung 210 tatsächlich in den entsprechenden Zustand. Beispielsweise kann es die Kombination der zwei Spannungspegeländerungen sein, die den Zustand der Speicherzelle 214 ändert. Der Bitleitungsspannungspegel alleine und der Wortleitungsspannungspegel alleine sind nicht ausreichend, um die anderen Bauelemente, die mit diesen Leitungen verbunden sind, zu programmieren. Folglich kann nur das Bauelement 214, das mit beiden Leitungen verbunden ist, die Schwellwertspannungspegel überschreiten, die durch das in einer Speicherzelle der vorliegenden Erfindung integrierte Diodenelement festgelegt sind. Somit können die Diodenelemente der anderen Bitleitungen und Wortleitungen so eingestellt sein, dass Speicherzellen typischerweise während dieser Prozesse ungestört bleiben. Ein derartiges Einbetten des Diodenelements in die Speicherzelle macht eine Reihe von transistorartigen Spannungssteuerungselementen als Teil des Programmierens von Speicherzellen in einem Array unnötig, beispielsweise wird die Anzahl der diskreten oder externen Dioden verringert, die eine unterschiedliche Schichtenführung erfordern können. Folglich kann eine in ein Speicherelement integrierte Diode hergestellt werden, wodurch eine effiziente Anordnung von Speicherzellen auf einer Scheibenoberfläche ermöglicht wird, während der Anteil der für die Schaltungsanordnung verfügbaren Chipfläche vergrößert wird.
  • 3 zeigt ein weiteres schematisches Diagramm eines Speicherarrays gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Ein Array 300 ist mit Diodenkomponenten dargestellt, die in zu programmierenden Speicherzellen integriert sind (beispielsweise eine Diode 312 ist in ihrer Speicherzelle integriert). Mehrere Spannungsquellen (beispielsweise 318, 320) können auf diversen Bitleitungen (beispielsweise 304) und Wortleitungen (beispielsweise 308) angewendet werden, um einen Zustand bestimmter Speicherzellen zu ändern. Eine Steuerungskomponente 330 kann derartige Spannungsquellen regeln und gewünschte Speicherzellen mit einem bestimmten Wert programmieren (beispielsweise eine Speicherzelle mit ihrer integrierten Diode 312 programmieren), während der Einsatz von transistorartigen Elementen umgangen wird. Die Steuerungskomponente kann ferner eine Komponente mit künstlicher Intelligenz 340 zum Programmieren von Speicherzellen aufweisen. Beispielsweise kann das Programmieren mittels eines automatischen Klassifizierungssystems und Klassifizierungsprozesses ermöglicht werden. Eine derartige Klassifizierung kann eine wahrscheinlichkeitsbasierte und/oder statistische Analyse anwenden (die beispielsweise in Kostennutzenanalyse unterteilt ist), um eine Aktion vorherzusagen oder zu folgern, die automatisch durchgeführt werden soll. Beispielsweise kann eine Klassifizierungseinrichtung mit unterstützender Vektormaschine (SVM) eingesetzt werden. Eine Klassifizierungseinheit ist typischerweise eine Funktion, die einen Eingangsattributsvektor x = (x1, x2, x3, x4, xn) einer Konfidenz zuordnet, dass der Eingang zu einer Klasse gehört, d. h. f(x) = Konfidenz(Klasse). Andere Klassifizierungslösungen beinhalten Bayes-Netzwerke, Entscheidungsraumstrukturen und Wahrscheinlichkeitsklassifizierungsmodelle, die unterschiedliche Muster an Unabhängigkeit bieten. Eine Klassifizierung im hierin verwendeten Sinne beinhaltet auch eine statistische Regression, die zum Entwickeln von Modellen für Prioritäten eingesetzt werden kann.
  • Zu beachten ist, dass die vorliegende Erfindung Klassifizierungseinheiten einsetzen kann, die explizit trainiert sind (beispielsweise mittels generischer Übungsdaten) sowie implizit trainiert sind (beispielsweise durch Beobachten des Systemverhaltens, Erhalten von Informationen von außen), so dass der bzw. die Klassifizierungseinheiten verwendet werden, um in automatischer Weise gemäß einem vorbestimmten Kriterium zu bestimmen, welche Gebiete zu wählen sind. Beispielsweise ist im Hinblick auf SVM zu beachten, dass andere Klassifizierungsmodelle ebenso eingesetzt werden können, etwa naive Bayesansätze, ein Bayesnetz, Entscheidungsraumstrukturen und andere lernfähige Modelle, wobei SVM über Lern- oder Trainingsphasen innerhalb eines Klassifizierungsaufbau- und Merkmalsauswahlmodul konfiguriert werden.
  • Die folgende Erläuterung betrifft eine typische Funktionsweise eines Diodenelements, das eine nützliche Erläuterung bieten kann, um diverse Aspekte der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Eine Diode ist typischerweise ein Bauteil mit zwei Gebieten, die durch einen Übergang getrennt sind. Es ermöglicht den Durchgang von Strom oder es verhindert diesen Durchgang. Ob Strom durchgelassen wird, ist durch den Spannungspegel und die Polarität bestimmt, was auch als Vorspannung bezeichnet wird. Wenn die Polarität der angelegten Spannung mit der Polarität des Diodengebiets an dem Übergang übereinstimmt, wird die Diode im Allgemeinen als in Durchlassrichtung vorgespannt betrachtet, wodurch ein Stromfluss möglich ist. Wenn die Polaritäten entgegengesetzt sind, wird die Diode als in Sperrrichtung vorgespannt betrachtet, wodurch ein Stromfluss verhindert wird. Ein Stromfluss in der in Sperrrichtung vorgespannten Diode kann erreicht werden, indem die angelegte Spannung auf einen Pegel erhöht wird, der einen Durchbruch in dem Übergang erzwingt. Der Stromfluss kann wieder beendet werden, wenn der angelegte Spannungspegel auf den Pegel reduziert wird, der erforderlich war, um den Durchbruch zu bewirken.
  • Im Allgemeinen ist die Abhängigkeit zwischen dem Strom und der Spannung unter Anwendung der idealen Diodengleichung gegeben durch:
    Figure 00140001
    wobei ID der Strom durch die Diode und VD die über die Diode abfallende Spannung ist. Ferner ist IS der Sättigungsstrom in Rückwärtsrichtung (der Strom, der durch die Diode fließt, wenn diese in Sperrrichtung vorgespannt ist – VD ist negativ), q ist die Elektronenladung (1,602 × 10–19C), k ist die Boltzmann-Konstante (1,38 × 10–23 J/°K), T ist die Temperatur am Übergang in Kelvin und n ist der Emissionskoeffizient.
  • Obwohl eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode idealerweise nicht leitend ist, fließt dennoch ein geringer Strom durch den Halbleiterübergang, bei angelegter Spannung auf Grund des Vorhandenseins von Minoriätsladungsträger. Der gesamte Sperrstrom kann näherungsweise ausgedrückt werden durch:
    Figure 00140002
    wobei DP der Löcherdiffusionskoeffizient, τp und τn die effektiven Lebensdauerkonstanten der Löcher und der Elektronen in einem Verarmungsgebiet sind. Der Sperrstrom ist die Summe der Diffusionskomponente in dem neutralen Gebiet und der Stromerzeugung in dem Verarmungsgebiet. Der Diffusionsstrom findet auf Grund des Konzentrationsunterschiedes an Ladungen über das Material hinweg statt. Der zweite Term stammt von der Emission an Ladungen über tiefe Niveaus, die in der Energiebandlücke vorhanden sind. Ferner ist W die Breite des Verarmungsgebiets, ni ist die intrinsische Dichte und ND ist die Donatordichte.
  • Die Austrittsarbeitsfunktionen der beiden Materialien, die zum Bilden eines Diodenübergangs verwendet werden, bestimmen die Potentialbarriere, die an dem Übergang entsteht. Die Austrittsarbeit ist definiert als die Energiedifferenz zwischen dem Vakuumniveau und dem Ferne-Niveau EF. Als Beispiel nehme man an, dass eine Metallschicht und eine n-Halbleiterschicht verwendet werden, um die diodische Schicht der vorliegenden Erfindung zu bilden. Daher wird die Austrittsarbeit der Metallschicht als qΦm und die der Halbleiterschicht wird mit q(χ + Vn) bezeichnet, wobei χ die Elektronenaffinität des Halbleiters ist, und die Energiedifferenz zwischen der Unterseite des Leitungsbandes Ec und des Vakuumniveaus bezeichnet. Ferner ist qVn die Differenz zwischen Ec und dem Fermi-Niveau.
  • Wenn beispielsweise ein Metall und eine Halbleiterschicht in Kontakt kommen, kann eine Ladung von dem Halbleiter in das Metall fließen. Typischerweise ist der Halbleiter ein n-Halbleiter, so dass seine Austrittsarbeit kleiner ist als die Austrittsarbeit des Metalls. Wenn der Abstand zwischen den beiden Schichten kleiner wird, wird eine zunehmende negative Ladung an der Metalloberfläche aufgebaut. Gleichzeitig ergibt sich eine gleich große entgegengesetzte Ladung in dem Halbleiter. Wenn der Abstand zwischen den Schichten vergleichbar ist mit einem interatomaren Abstand, wird die Lücke für Elektronen durchlässig. Der begrenzende Wert für die Barrierenhöhe qΦBn ist gegeben durch: qϕBn = q(ϕm – χ).
  • Die Barrierenhöhe ist dann die Differenz zwischen der Metallaustrittsarbeit und der Elektronenaffinität des Halbleiters. Zu beachten ist, dass die zuvor erläuterten Formeln ein grundlegendes Verständnis für diverse Eigenschaften einer diodischen Schicht bieten. Der Fachmann erkennt, dass die vorhergehende Erläuterung ein grundlegendes Verständnis diodischer Eigenschaften vermittelt.
  • In 4 ist eine Ansicht gezeigt, die eine spezielle Speicherzelle mit einer darin integrierten schaltbaren Diode in einem Aus-Zustand zeigt. Der Aus-Zustand repräsentiert einen Zustand, in welchem der Widerstand des Bauelements hoch ist, und wobei typischerweise keine Ladungsträger für einen Ladungsträgeraustausch zwischen der aktiven Schicht und der passiven Schicht verfügbar sind. Eine derartige beispielhafte Speicherzelle enthält eine superionische (passive) Schicht, die N– Eigenschaften besitzt, und eine aktive Schicht mit P-Eigenschaften, wie dies zuvor erläutert ist. Zu beachten ist, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und dass andere Anordnungen (beispielsweise eine passive Schicht mit P-Eigenschaften und eine aktive Schicht mit N-Eigenschaften) ebenso durch die vorliegende Erfindung abgedeckt sind. Die aktive Schicht kann eine leicht dotierte Schicht sein, die mittels eines geeigneten Dotierverfahrens dotiert ist (beispielsweise arsendotiert, phosphordotiert und dergleichen). Ferner sind ohmsche Kontakte, die typischerweise eine gute elektrische Verbindung vermitteln, ebenso als Teil der Elektrodenverbindungen vorgesehen. Eine derartige Anordnung liefert einen PN-Übergang, der als Teil eines schaltbaren Speicherbauelements integriert ist.
  • 5 zeigt einen beispielhaften Strom-Spannugs-Graphen 500 für eine in der Speicherzelle integrierte Diode bei einem „Ein"- und „Aus"-Zustand. Wie dargestellt erfordert ein beliebiger Strom eine höhere Spannung für einen „Aus"-Zustand im Vergleich zu einem „Ein"-Zustand. Der „Ein"- und „Aus"-Zustand können unterschieden werden, indem ein Strom ausgewählt wird und indem eine entsprechende Spannung gemessen wird oder umgekehrt. Folglich ermöglicht das Verwenden der erfindungsgemäßen Diode ein Blockieren des Stromes in der negativen Spannungsrichtung – bei Fehlen einer in der Speicherzelle integrierten Diode zeigt die Speicherzelle einen I-V-Graphen, der in Bezug zum Ursprung symmetrisch ist (nicht gezeigt). Eine derartige Blockierwirkung in einem Wartezustand oder neutralen Zustand einer Speicherbauelements reduziert die Leistungsaufnahme und kann ferner ein Programmieren einer gewünschten Speicherzelle als Teil eines Arrays ermöglichen, wie dies nachfolgend erläutert ist.
  • Wie gezeigt, gibt die Ableitung der Linie 501 typischerweise den strombegrenzenden Widerstand der Schaltung wieder (beispielsweise wird ein Lastverlauf wiedergegeben, der durch eine Kombination der angelegten Spannung und eines Widerstands in Reihe mit der Speicherkomponente variiert werden kann). Ein derartiger Verlauf gibt typischerweise den Übergangszustand wieder, wenn das Bauelement geschaltet wird.
  • Wenn die Spannung in der Richtung des Pfeils 502 erhöht wird, wobei dem „Aus"-Zustand (durchgezogene Kurve) so gefolgt wird, dass ein Schreibspannungsschwellwert (Vwrite) erreicht wird, geht die Speicherzelle mit der integrierten Diode dann von dem „Aus"-Zustand mit geringem Widerstand in einen „Ein"-Zustand mit hohem Widerstand über. Anschließend führt eine Reduzierung der Spannung in Richtung des Pfeils 503 zu negativen Spannungswerten, woran sich eine Strecke des Ein-Zustands (gestrichelte Kurve) anschließt, der die Diodeneigenschaften repräsentiert und den Sperrleckstrom angibt. Danach kann ein Löschspannungsschwellwert (Verase) erhalten werden, der dann das Bauelement von einem „Ein"-Zustand in einen „Aus"-Zustand umschaltet, wie dies durch den Pfeil 504 gezeigt ist. Wenn nichtsdestotrotz vor dem Erreichen einer derartigen Löschschwellwertspannung die Spannung umgekehrt wird, verläuft die I-V-Kennlinie zurück zu dem „Ein"-Zustand in einer Richtung entgegensetzt zum Pfeil 503. Wenn ferner die Löschschwellwertspannung in der negativen Spannungsrichtung überschritten wird, wird eine Spannungsumkehrung typischerweise dem Verlauf der „Aus"-Zustandskurve folgen und die entsprechende Schwellwertschreibspannung wird erhöht. Eine Leseschwellwertspannung kann an einer beliebigen Stelle zwischen Verase und Vwrite angeordnet werden, und kann typischerweise so eingestellt werden, dass eine geringe Leistungsaufnahme für einen Lesevorgang erforderlich ist. Im Allgemeinen kann die Schreibspannung zwischen 1 bis 10 Volt liegen und die Löschspannung zwischen –0,5 bis –5 Volt in Abhängigkeit von der Herstellung der Polymerspeicherzelle und den Programmierverfahren liegen. Es ist anzumerken, dass abhängig von dem Lastwiderstand und der Art der Strombegrenzung eine Schar aus Kurven (nicht gezeigt) erhalten werden kann, die durch die vorbestimmten Punkte auf der Kurve 501 verlaufen, um damit andere Ein-Zustände mit unterschiedlichen Widerständen zu definieren, so dass ein Mehrfachbitbetrieb des Bauelements ermöglicht wird. Somit können mehrere Ein-Zustände für eine Speicherzelle definiert werden.
  • 6a bis 6d zeigen die Konzentration von Ionen in den diversen Betriebsphasen für die schaltbare Diode in dem Speicher, der in 4 gezeigt sind. 6a zeigt eine Konzentration von Ionen in einem Aus-Zustand nach einem Initialisierungsprozess, der eine begrenzte Menge an Ionen in der aktiven Schicht erzeugen kann. Nachfolgend wird das Bauelement in einen Ein-Zustand bei 6b gebracht, wobei eine Verteilung der Ionen auf Grundlage einer Graustufendarstellung angegeben ist. An der Grenzfläche 620 des superionischen Materials 611 und des aktiven Materials 612 besteht eine hohe Konzentration aus Ionen, die allmählich kleiner wird, wenn zur Richtung des Pfeils 626 in Richtung der Elektrode 630 weitergegangen wird. Ein derartiger Ionenkonzentrationsgradient sorgt für die Leitfähigkeit des Bauelements. Wenn nachfolgend bei 6c die Polarität umgekehrt wird, um damit eine Löschschwellwertspannung zu erhalten, wird ein Verarmungsgebiet bei 625 erzeugt, und die hohe Konzentration der Ionen verschiebt sich weiter nach rechts bei 627 (das dunkle Band bewegt sich weiter nach rechts). Auf diese Weise wird ein hoher Widerstand erreicht, allerdings nicht auf Grund eines Mangels an Ionen, sondern auf Grund eines Verarmungsgebiets, das bei 625 erzeugt wird. Allmählich oder beim Anlegen einer höheren Spannung verlässt die hohe Konzentration an Ionen die aktive Schicht. Wie beispielsweise in 6d gezeigt ist, kann eine hohe Spannung ein hartes Löschen der in dem Speicherbauelement integrierten schaltbaren Diode hervorrufen, um damit einen hohen Widerstand darin zu erzeugen.
  • 7 zeigt eine Speicherzelle mit einer darin integrierten schaltbaren Diode in einem Aus-Zustand, wobei ein Schottky-Kontakt eingesetzt ist. Typischerweise können dadurch geeignete Diodenübergänge geschaffen werden, wenn Halbleitematerial (beispielsweise intrinsisches oder leicht dotiertes Material) verwendet wird. Beispielsweise kann ein derartiger Schottky-Kontakt für eine verbesserte Gestaltungsflexibilität sorgen, wobei diverse Materialien eingesetzt werden können, um gewünschte Eigenschaften speziell einzustellen, beispielsweise das Erhalten gewünschter elektrischer Eigenschaften, Austrittsarbeitsfunktionen, Barrieren, und dergleichen, wenn eine aktive Schicht mit intrinsischem oder leicht dotierten Halbleitermaterial verwendet wird.
  • Das Funktionsverhalten für die schaltbare Schottky-Diode ist in den 8a bis 8d gezeigt, wobei die Ionenkonzentration in den diversen Betriebsphasen in einer Graustufendarstellung gezeigt sind. Das Zuführen und der Austausch von Ionen findet hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen dem Schottky-Kontakt (Elektrode 830) und der aktiven Schicht 812 statt. 8a zeigt eine Ionenkonzentration in einem Aus-Zustand nach einem Initialisierungsprozess, der eine begrenzte Menge an Ionen in der aktiven Schicht erzeugen kann. Nachfolgend wird das Bauelement in einem Ein-Zustand bei 8b gebracht, wobei eine Ionenverteilung auf der Grundlage einer Graustufendarstellung gezeigt ist. An der Grenzfläche 820 des superionischen Materials 811 und des passiven Materials 812 besteht eine hohe Konzentration aus Ionen, die allmählich kleiner wird, wenn in Richtung des Pfeils 826 zur Elektrode 830 hin vorangeschritten wird. Ein derartiger Ionenkonzentrationsgradient sorgt für die Leitfähigkeit in dem Bauelement. Wenn nachfolgend bei 8c die Polarität umgekehrt wird, um eine Löschschwellwertspannung zu erhalten, wird ein Verarmungsgebiet bei 825 benachbart zu dem Schottky-Kontakt gebildet und die hohe Konzentration aus Ionen bewegt sich weiter nach links bei 827 (das dunkle Band verschiebt sich weiter nach links). Allmählich oder beim Anlegen einer höheren Spannung verlässt die Ionenkonzentration die aktive Schicht. Wie beispielsweise in 8d gezeigt ist, kann eine hohe Spannung ein hartes Löschen der in der Speichereinrichtung integrierten schaltbaren Diode hervorrufen, um damit einen hohen Widerstand zu erzeugen.
  • 9a bis 9c zeigen ein schematisches Programmiersystem für diverse Konfigurationen einer Speicherzelle 911 als Teil eines Arrays (nicht gezeigt) mit einer darin integrierten Diode 914 mit einem Steuerungsmikroprozessorsystem 820. Das Steuerungssystem 920 kann ein Teil eines geeignet programmierten geeigneten Computers eines Netzwerkes sein und kann eingerichtet werden, indem eine Vielzahl getrennter bestimmter programmierbarer integrierter oder anderer Logikbausteine eingesetzt wird. Andere Informationsanzeigeeinrichtungen (beispielsweise Monitore, Anzeigegeräte, und dergleichen) sowie Anwendereingabegeräte können funktionsmäßig mit dem Eingang/Ausgang eines derartigen Prozessors verbunden sein. Das Steuerungssystem 920 kann aktiv einen Programmzustand der Speicherzelle 911 verfolgen und steuern. Beispielsweise kann das Mikroprozessorsystem 924 ein Programmiersignal bereitstellen, beispielsweise eine an das Speicherelement 911 angelegte Spannung, und kann einen sich daraus ergebenden elektrischen Stromfluss, der durch die Speichereinrichtung fließt, detektieren. Wenn ein derartiger Strom mit einem vorbestimmten Wert erkannt wird, der einen speziellen Widerstand des Speicherelements 911 repräsentiert, kann die Spannung abgekoppelt und die Programmierung kann beendet werden. Dies kann bewerkstelligt werden, indem der Strom mittels eines Komparators 924 mit Referenzwerten verglichen wird. Folglich kann die Speicherzelle 911 in einen vorbestimmten Zustand programmiert werden. Typischerweise umschließen bei einer derartigen Speicherzelle eine obere und eine untere Elektrode 912, 918) diverse andere aktive und passive Schichten, die ferner auch ein lichtemittierendes Material enthalten können, etwa eine lichtemittierende Struktur, einen Photowiderstand oder Photosensoren. Die Elektroden (beispielsweise 912, 918) können aus einem leitenden Material aufgebaut sein, etwa Aluminium, Chrom, Kupfer, Germanium, Gold, Magnesium, Mangan, Indium, Eisen, Nickel, Palladium, Platin, Silber, Titan, Zink, Legierungen davon, Indiumzinnoxid, Polysilizium, dotiertes amorphes Silizium, Metallsilizide, und dergleichen. Beispielhafte Legierungen, die für das leitende Material verwendet werden können beinhalten Hastelloy, Kovar, Invar, Monel, Inconel, Messing, rostfreier Stahl, Mangesiumsilberlegierungen und diverse andere Legierungen. Wie gezeigt kann die Diode 914 an einer beliebigen Position zwischen den Elektroden 912 und 918 gebildet werden.
  • Die Dicke der Elektroden kann abhängig von der Implementierung und des aufzubauenden Speicherbauelements unterschiedlich sein. Jedoch reichen anschauliche Dickenbereiche von ungefähr 0,01 μm und mehr bis ungefähr 10 μm und weniger, ungefähr 0,05 μm oder mehr bis ungefähr 5 μm oder weniger und/oder ungefähr 0,1 μm und mehr bis ungefähr 1 μm und weniger. Die Elektroden können in abwechselnder Weise zwischen den diversen Schichten aus beispielsweise Halbleiterschichten, Polymerschichten und passiven Schicht angeordnet werden.
  • 10 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Speicherbauelements 1000 mit mehreren Speicherzellen mit integrierten Dioden, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind. Das Speicherbauelement 1000 enthält mehrere Elektroden 1002, mehrere zweite Elektroden 1004, wobei die Speicherzellenanordnungen 1006, in denen passives und aktives Material mit integrierten Dioden, wie dies zuvor dargelegt sind, dazwischen hergestellt sind. Die mehreren Elektroden 1002 und 1004 sind im Wesentlichen in einer senkrechten Orientierung gezeigt, obwohl andere Orientierungen möglich sind. Diese mikroelektronische Speichereinrichtung ist in der Lage, eine große Anzahl an Speicherzellen zu enthalten und gleichzeitig das Erzeugen eines passiven Arrays zu ermöglichen, wobei Speicherzellen voneinander isoliert werden und individuell programmiert werden können.
  • Derartige Speicherzellen mit integrierten Dioden können typischerweise in einem beliebigen Bauelement eingesetzt werden, das einen Speicher erfordert. Beispielsweise sind die Speichereinrichtungen mit integrierten Dioden in Computern, Geräten, Industriekomponenten, tragbaren Geräten, Telekommunikationsanlagen, medizinischen Anlagen, Forschungs- und Entwicklungsanlagen, Transporteinrichtungen, Radar/Satelliten-Einrichtungen, und dergleichen verwendbar. Tragbare Einrichtungen und insbesondere tragbare elektronische Geräte, werden im Hinblick auf den mobilen Einsatz auf Grund der geringen Größe und des leichten Gewichts der Speichereinrichtungen weiterhin verbessert. Zu Beispielen von tragbaren Geräten gehören Mobilfunktelefone und andere Zwei-Wege-Videokommunikationseinrichtungen, persönliche Datenassistenten, Palm-Pilotgeräte, Anrufbenachrichtigungsgeräte, Notebook-Computer, Fernsteuerungen, Aufzeichnungsgeräte (Video und Audio), Radios, kleine Fernseh- und Internetanzeigegeräte, Kameras und dergleichen.
  • 11 zeigt einen Verfahrensablauf gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Obwohl das beispielhafte Verfahren hierin als eine Reihe von Blöcken dargestellt und beschrieben ist, die für diverse Ereignisse und/oder Aktionen repräsentativ sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Reihenfolge derartiger Funktionsblöcke beschränkt. Beispielsweise können einige Aktivitäten oder Ereignisse in einer unterschiedlichen Reihenfolge stattfinden und/oder können gleichzeitig mit anderen Aktionen oder Ereignissen stattfinden, unabhängig von der hierin dargestellten Reihenfolge, wobei dies im Bereich der vorliegenden Erfindung liegt. Ferner sind nicht alle dargestellten Blöcke, Ereignisse oder Aktionen erforderlich, um einen Verfahrensablauf gemäß der vorliegenden Erfindung einzurichten. Ferner ist zu beachten, dass das anschauliche Verfahren und andere Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit Abscheide- und Ätzverfahren für die IC-Fertigung und/oder einem Damaszener-Füll- und Polierverfahren eingerichtet werden können, sowie in Verbindung mit anderen Systemen und Vorrichtungen, die hierin nicht beschrieben und dargestellt sind.
  • Zunächst wird bei 1102 eine Steuerungskomponentenschaltung, wie sie zuvor detailliert beschrieben ist, auf einer Scheibenoberfläche abgeschieden. Eine derartige Steuerungskomponente kann das Programmieren diverser Speicherzellen ermöglichen, die als Teil eines Arrays aus Speicherzellen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Anschließend wird bei 1104 eine untere ohmsche Kontaktschicht abgeschieden, beispielsweise als Teil einer Verbindungsleitung, wie sie zuvor detailliert beschrieben ist, die als eine untere Elektrode für Speicherzellen als Teil des Arrays dient. Als nächstes werden bei 1106 diverse Schichten aus passiven Medien, aktiven Medien, mit asymmetrischen PN-Eigenschaften abgeschieden, um einen Diodenübergang integriert in der Speicherzelle zu bilden. Bei 1108 wird über einer derartigen gestapelten Schicht eine obere ohmsche Kontaktschicht abgeschieden, beispielsweise als Teil einer Verbindungsleitung, um eine derartige Speicherzelle mit anderen Teilen einer Speicherzellenarrayschaltung zu verbinden.
  • Obwohl die Erfindung in Bezug auf gewisse anschauliche Aspekte hierin gezeigt und beschrieben ist, sollte beachtet werden, das äquivalente Änderungen und Modifizierungen für den Fachmann ersichtlich werden, wenn dieser diese Offenbarung und die angefügten Zeichnungen liest und studiert. Insbesondere im Hinblick auf die diversen Funktionen, die von den beschriebenen Komponenten (Anordnungen, Bauelementen, Schaltungen, Systeme, etc.) ausgeführt werden, im Hinblick auf die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf „Einrichtungen"), die zum Beschreiben derartiger Komponenten verwendet werden, ist beabsichtigt, dass diese sich auf eine beliebige Komponente beziehen, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (beispielsweise einer Komponente, die funktionell äquivalent ist), obwohl diese in ihrem Aufbau nicht zu der offenbarten Struktur äquivalent ist, die die Funktion in dem hierin dargestellten beispielhaften Aspekten der Erfindung ausführt. In dieser Hinsicht ist ferner festzustellen, dass die Erfindung ein System sowie ein computerlesbares Medium mit von einem Computer ausführbaren Anweisungen umfasst, um die Aktionen und/oder Ereignisse der diversen Verfahren der Erfindung auszuführen. Ferner sollen in dem Umfang, wie die Begriffe „enthält", „einschließlich", „besitzt", „mit" und Variationen davon in der detaillierten Beschreibung oder den Patentansprüchen verwendet sind, diese Begriffe in einem einschließenden Sinne ähnlich zu dem Begriff „mit bzw. umfassen" verstanden werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung sind auf dem Gebiet der Halbleiterverarbeitung und Herstellung anwendbar. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um zentrale Recheneinheiten und Speichereinrichtungen mit nicht-flüchtigen Speicherbauelementen herzustellen.
  • Zusammenfassung
  • Es werden Systeme und Verfahrensabläufe zur Herstellung einer in einer Speicherzelle (100) integrierten Diodenkomponente angegeben, um das Programmieren von Arrays aus Speicherzellen (300), das dadurch aufgebaut ist, zu ermöglichen. Eine derartige Diodenkomponente kann ein Teil eines PN-Übergangs (106) einer Speicherzelle (100) mit einer passiven Schicht (104) und einer aktiven Schicht (102) mit asymmetrischen halbleitenden Eigenschaften sein. Eine derartige Anordnung reduziert die Anzahl an transistorartigen Spannungssteuerungskomponenten und verringert die damit verknüpfte Leistungsaufnahme, wobei gleichzeitig ein individuelles Programmieren von Speicherzellen (100) als Teil eines passiven Arrays möglich ist. Ferner bietet das System eine effiziente Anordnung von Speicherzellen auf einer Scheibenoberfläche, so dass der Anteil an für den Schaltungsaufbau verfügbarer Chipfläche vergrößert wird.

Claims (10)

  1. Speicherzelle (100) mit: einer aktiven Schicht (102) mit einem Zustand, der auf der Grundlage des Wanderns von Ionen und/oder Elektronen und/oder Löchern veränderbar ist, wenn eine Beaufschlagung mit einem externen elektrischen Feld und/oder einer Lichtstrahlung erfolgt, wobei der Zustand einen Informationsinhalt angibt; und einer passiven Schicht (104), die das Zuführen von Ladung zu der aktiven Schicht (102) ermöglicht, wobei die passive Schicht (104) und die aktive Schicht (102) einen PN-Übergang (106) als Teil einer in der Speicherzelle (100) integrierten Diode bilden.
  2. Speicherzelle (100) nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht (102) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: ein organisches Material, ein nicht-organisches Material, ein halbleitendes Material, Einschlussverbindungen.
  3. Speicherzelle (100) nach Anspruch 2, wobei die aktive Schicht (102) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Polyanilin, Polythiophen, Polypyrrol, Polysilan, Polystyren, Polyfuran, Polyindol, Polyazulen, Polyphenylen, Polypyridin, Polybipyridin, Polyphthalazyanin, Polysexithiophen, Poly(Siliziumoxohemiprophyrazin), Poly(Germaniumoxihemoporphyrazin), Poly(Ethylendioxythiophen).
  4. Speicherzelle (100) nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht (102) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Kohlenwasserstoffe; organische Moleküle mit Donator- und Akzeptoreigenschaften, metall-organische Komplexe; Porphyrin, Phthalozyanin, Hexadecafluropthalozyanin.
  5. Speicherzelle (100) nach Anspruch 2, wobei die aktive Schicht (102) ein organisches Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe: Polyazetylen, Polyphenylazetylen, Polydiphenylazetylen, Polyanilin, Poly(p-phenylenvinylen), Polythiophen, Polyporphyrine, polyphyrinische Makrozyklen, thiolderivarisierte Polyporphyrine, Polymetallozene, Polyferrozene, Polyphthalozyanine, Polyvinylene, Polystyrole.
  6. Speicherzelle (100) nach Anspruch 2, wobei die aktive Schicht (102) Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe mit elektrischem Dipolelement: polymerferrroelektrische Cluster, nicht-organische Ferroelektrika, Salze, Alkalimaterialien, Säuren und Wassermoleküle.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Speichereinrichtung (911), die auf der Grundlage eines Elektronen-Löcher-Transports durch eine passive Schicht (104) und eine aktive Schicht (102) arbeitet, mit: Bilden einer ersten Elektrode (918) auf einem Substrat; Bilden der passiven Schicht (104, 916) auf der ersten Elektrode (918); Bilden der aktiven Schicht (102) auf der passiven Schicht (104, 916) derart, dass dazwischen ein PN-Übergang (106) gebildet wird; und Bilden einer zweiten Elektrode (912) auf der aktiven Schicht (102).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Bilden der aktiven Schicht (102) mittels eines chemischen Dampfabscheideprozesses.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Anlegen einer Spannung an die aktive Schicht (102), um einen Impedanzzustand der Speichereinrichtung (911) festzulegen, wobei der Impedanzzustand einen Informationsinhalt repräsentiert.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst: Vergleichen eines Stromes, der durch die Speichereinrichtung (911) fließt, mit einem vorbestimmten Wert.
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