<Desc/Clms Page number 1>
Tunnel schakelelement met verschillende blijvende schakeltoestanden
EMI1.1
De uitvinding heeft betrekking op een schakelelement voorzien van twee elektrodes in de vorm van praktisch evenwijdige platen met daartussen een isolerend dielectricum, dat een barrière met een barrièrehoogte voor elektronen vormt, waarbij het dielectricum een zodanige dikte heeft, dat elektronen door de barrière van de ene naar de andere elektrode kunnen tunnelen. De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement.
Een dergelijke element is bekend uit : of semiconductor devices, chapter 9 Tunnel devices. Het schakelelement is ook bekend als MIM ("metalinsulator-metal") of MIS ("metal-insulator-semiconductor") diode, waarbij onder "metal" goed geleidend materiaal wordt verstaan. Dergelijke schakelelementen zijn zeer geschikt voor gebruik bij hoge frequenties.
Het bekende, beschreven schakelelement heeft als bezwaar, dat het schakelelement geen geheugen heeft. In veel toepassingen is het gewenst dat het schakelelement een bepaalde schakeltoestand als open/dicht vasthoudt.
Met de uitvinding wordt onder meer beoogd, genoemd bezwaar te ondervangen.
Daartoe heeft de inrichting, volgens de uitvinding, als kenmerk, dat het diëlectrieum een ferroelektrisch materiaal omvat met een remanente polarisatie, die de barrierehoogte beinvloedt.
Hierdoor is bereikt, dat het schakelelement afhankelijk van de remanente polarisatie van het diëlectrieum verschillende schakeltoestanden heeft. De grootte en de richting van de polarisatie beinvloeden de barrièrehoogte of met andere woorden, de vorm van de barrière wordt gewijzigd door de remanente polarisatie van het ferroëlektrische dielectricum. Bij een bepaalde spanning op de elektrodes kunnen dan afhankelijk
<Desc/Clms Page number 2>
van de barrièrehoogte meer of minder electronen door het diëlectrieum tunnelen en kan er dus meer of minder tunnelstroom door het schakelelement lopen. Het schakelelement kent dus verschillende schakeltoestanden.
Het ferroelektrische diëleetrieum kan van een polarisatietoestand in een andere geschakeld worden door over het dielectricum een zodanige spanning te zetten, dat in het diëlectricum een elektrisch schakelveld van het ferroelektrische materiaal bereikt wordt. De schakeltoestand wordt vastgehouden totdat de polarisatietoestand van het dielectricum verandert.
De dikte van het dielectricum kan relatief groot zijn indien zieh in het diëlectrieum zogenaamde "traps" bevinden, via welke electronen door het diëlectricum kunnen tunnelen ("trap assisted tunneling"). Een dergelijk dielectricum is echter lastig te fabriceren. Bij voorkeur wordt de dikte van het diëleetrieum kleiner dan 100 A genomen. Het tunnelen van elektronen door het diëlectrieum is dan bij relatief lage spanningen zonder hulp van "traps" mogelijk.
De remanente polarisatie in een ferroelektrisch materiaal kan verschillende groottes in verschillende richtingen hebben afhankelijk van de struktuur van het diëlectrieum. De grootte en de richting van de remanente polarisatie versterken of verzwakken de invloed van een tussen de elektrodes aan te leggen elektrisch veld en beinvloeden zo de barrièrehoogte en de tunnelstroom. Bij voorkeur is de richting van een grootste component van de remanente polarisatie praktisch loodrecht op de platen.
Wanneer nu over de elektrodes een spanning gezet wordt, dan is de richting van deze grootste component van de remanente polarisatie parallel of antiparallel aan het elektrische veld tussen de elektrodes. Het effect van de polarisatie op de hoogte en de breedte van de barrière is dan het grootst. Een dergelijk materiaal wordt verkregen als het ferroelektrische diëlectrieum epitaxiaal is aangebracht op een elektrode van een metallisch geleidend oxyde. De groeirichting van het ferroelektrische diëlectrieum wordt dan zo gekozen, dat een voorkeurspolarisatie as van het ferroelektrische materiaal, die aangeeft hoe de grootste component van de remanente polarisatie staat, praktisch loodrecht op de platen staat.
Het diëlectrieum heeft dan een zodanige structuur dat de remanente polarisatie qua grootte maximaal is, terwijl de richting van de polarisatie evenwijdig is aan het aan te leggen elektrische veld tussen de elektrodes. De metallisch geleidende oxydelagen omvatten bijvoorbeeld bekende materialen als lanthaanstrontiumcobaltoxyde, strontiumruthenaat, strontiumvanadaat of indium gedoopt tinoxyde. De elektrode van metallisch geleidend oxyde en het ferroelektrische dielectricum worden
<Desc/Clms Page number 3>
m. b. v. standaard technieken als gepulste laser depositie (PLD), "sputtering", "molecular beam epitaxy" (MBE) of"metal organic chemical vapour deposition" (MOCVD) aangebracht. De materialen kunnen op een niet-kristallijne ondergrond worden aangebracht.
Bij voorkeur echter is de metallisch geleidende elektrode aangebracht op een monokristallijn substraat. De monokristallijne substraten hebben bij voorkeur een redelijke roosterpassing (+-10%) t. o. v. de gebruikte geleidende oxyden en het ferroelektrische dielectricum. Het is dan relatief eenvoudig epitaxiaal een ferroelektrisch diëlectrieum aan te brengen. Als monokristallijn substraat kan bijvoorbeeld strontiumtitanaat, magnesiumoxyde, magnesiumaluminiumoxyde of lithiumniobaat gebruikt worden.
Maar ook substraten van silicium of galliumarseen kunnen met geschikte bufferlagen als bijvoorbeeld Pr6011 of CeO gebruikt worden.
In een verdere uitvoeringsvorm omvat het dielectricum twee of meer ferroëlektrische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Het diëlectrieum kan bijvoorbeeld in de vorm van twee lagen met verschillende ferroelektrische eigenschappen op een eerste elektrode zijn aangegroeid.
Op deze lagen is dan een tweede elektrode aangebracht.
In een verdere uitvoeringsvorm omvat het schakelelement een elektrode, waarop een ferroelektrisch dielectricum met elektrode meer dan één keer is aangebracht, zodat het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen omvat. Het schakelelement heeft dan een struktuur volgens M (FM) n, waarbij M een elektrode voorstelt, F een ferroëlektrisch diëlectrieum en de index n aangeeft dat de combinatie (FM), die het ferroelektrische dielectricum F en de elektrode M omvat, n keer herhaald wordt, zodat een serieschakeling van elementen MFM ontstaat. Hierbij hoeft het diëlectrieum niet steeds dezelfde dikte te hebben.
Aangezien het dielectricum om een tunnelstroom mogelijk te maken relatief dun is, kan soms in een diëlectricum tussen twee elektrodes door zogenaamde"pinholes"een kortsluiting tussen de elektrodes optreden. Bij een enkel diëlectrieum betekent kortsluiting tussen de elektrodes uitval van het schakel- element. In het schakelelement volgens deze uitvoeringsvorm is het optreden van "pinholes"in een enkel diëlectricum niet meer fataal voor het schakelelement. De betrouwbaarheid van het schakelelement neemt dus toe.
Wanneer het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen omvat en meer dan twee verschillende schakeltoestanden zijn gewenst dan omvatten de
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
dielectrica volgens de uitvinding verschillende ferroëlektrische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Een schakelelement omvat dan bijvoorbeeld een struktuur als MFMF'M of M F en F'ferroelektrische materialen zijn, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen.
Afhankelijk van de grootte en de richting van de remanente polarisaties van de ferroelektrische dielectric F en F'wordt de tunnelstroom groter of kleiner. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Een dergelijk schakelelement heeft een hoge betrouwbaarheid. De aanwezigheid van een elektrode tussen twee dielectrica voorkomt bovendien koppeling van dielectrische domeinen in de beide ferroelektrische materialen.
De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement, dat een schakelelement volgens de uitvinding omvat. Bekende geheugenelementen omvatten capaciteiten, waarbij de grootte van lading op de capaciteiten een maat voor de informatie is. De uitlezing van bekende geheugenelementen is lastig. Bij uitlezing wordt een bepaalde spanning op een capaciteit gezet, waarna de lading, die naar de capaciteit stroomt gemeten wordt. De grootte van deze lading is een maat voor de lading, die op de capaciteit aanwezig was. Na uitlezen is de oorspronkelijk aanwezige informatie verdwenen, zodat deze informatie weer op de capaciteit ingeschreven moet worden. Bij een geheugenelement volgens de uitvinding wordt bij het uitlezen een spanning over het geheugenelement aangelegd, waarna de stroom door het element gemeten wordt. Het meten van een stroom is veel eenvoudiger dan het meten van lading.
De informatie in het geheugenelement wordt door het uitlezen niet beïnvloed. De uitleesprocedure voor een geheugenelement volgens de uitvinding is dus veel eenvoudiger dan de procedure bij een bekend geheugenelement.
De uitvinding wordt in het navolgende, bij wijze van voorbeeld, nader toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld met de bijbehorende schematische tekening. Hierin tonen Fig. l. een schakelelement volgens de uitvinding, Fig. 2. een stroom-spannings karakteristiek van een bekend tunnel 0
<Desc/Clms Page number 5>
(FMF'M) n, waarbijschakelelement,
Fig. 3. een stroom-spannings karakteristiek van een schakelelement volgens de uitvinding,
Fig. 4. schrijf-lees cycli voor een geheugenelement volgens de uitvinding,
Fig. 5. een schakelelement volgens de uitvinding, waarbij het dielectricum twee ferroelektrische materialen met verschillende elektrische schakelvelden omvat,
Fig. 6. een schakelelement volgens de uitvinding, waarbij het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen omvat,
De figuren zijn zuiver schematisch en niet op schaal getekend.
Overeenkomstige delen zijn in de figuren in het algemeen met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.
Figuur 1 toont een schakelelement voorzien van twee elektrodes 1, 2 in de vorm van praktisch evenwijdige platen met daartussen een isolerend diëlectricum 3, dat een barriere met een barrièrehoogte voor elektronen vormt, waarbij het diëlectrieum 3 een zodanige dikte heeft, dat elektronen door de barrière van de ene naar de andere elektrode kunnen tunnelen. De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement.
Een dergelijke element is bekend als een zogenaamd "tunnel device", ofwel MIM ("metal-insulator-metal") of MIS ("metal-insulator-semiconductor") diode.
Onder "metal" wordt dan een goed geleidend materiaal verstaan. Omdat in tunnel devices elektronen het ladingstransport verzorgen zijn dergelijke schakelelementen snel, zodat dergelijke schakelelementen zeer geschikt zijn voor gebruik bij hoge frequenties.
Figuur 2 laat een stroom-spanningskarakteristiek van een MIM diode zien, waarbij de stroom I door het schakelelement als functie van de spanning V over de elektrodes 1, 2 is weergegeven. Bij twee identieke elektrodes is de stroom-spanningskarakteristiek symmetrisch rond nul volt.
Het bekende schakelelement heeft geen geheugen. In veel toepassingen is het gewenst dat het schakelelement een bepaalde schakeltoestand als open/dicht vasthoudt. Dat wil zeggen dat bij een bepaalde spanning over de elektrodes 1, 2 meer dan één waarde van de stroom door het schakelelement mogelijk is afhankelijk van de schakeltoestand van het schakelelement.
Volgens de uitvinding omvat het dielectricum 3 een ferroelektrisch
<Desc/Clms Page number 6>
materiaal met een remanente polarisatie, die de barrièrehoogte beinvloedt. Het schakelelement heeft dan afhankelijk van de remanente polarisatie van het diëlectrieum verschillende schakeltoestanden. De grootte en de richting van de polarisatie versterken of verzwakken de invloed van een tussen de elektrodes aan te leggen elektrisch veld en beinvloeden zo de barrière en de tunnelstroom. Zo kan de polarisatie van het dielectricum parallel of antiparallel staan aan een tussen de elektrodes aan te leggen elektrisch veld.
Bij een bepaalde spanning op de elektrodes kan dus meer of minder tunnelstroom door het schakelelement lopen afhankelijk van het feit of de remanente polarisatie van het ferroëlektrische diëlectrieum parallel of antiparallel aan het elektrische veld in het dielectricum 3 staat. Het schakelelement kent dan twee verschillende schakeltoestanden.
Het ferroelektrische diëlectrieum kan van een polarisatietoestand in een andere geschakeld worden door over het dielectricum een zodanige spanning te zetten, dat in het dielectricum een elektrisch schakelveld van het ferroelektrische materiaal overschreden wordt. Omdat de schakeltoestand bepaald wordt door de remanente polarisatie van het diëlectrieum wordt deze schakeltoestand vastgehouden totdat de polarisatietoestand van het dielectricum verandert. Figuur 3 toont een stroom-spanningskarakteristiek van een schakelelement volgens de uitvinding met twee identieke elektrodes. Deze stroomspanningskarakteristiek is opgebouwd uit twee curves 5, 6, die corresponderen met verschillende richtingen van de remanente polarisatie.
Wanneer op het schakelelement geen spanning V staat dan vloeit er geen stroom I door het element (punt 0 in figuur 3). Wanneer de spanning V over het dielectricum 3 toeneemt en de remanente polarisatie werkt de invloed van het elektrische veld tegen (de polarisatie staat dan antiparallel aan het aangelegde elektrische veld) dan neemt de stroom toe volgens curve 5. Bij punt 8 op curve 5 wordt in het ferroëlek- trische dielectricum het schakelveld voor het omschakelen van de polarisatie bereikt. De remanente polarisatie in het ferroelektrische diëleetrieum verandert dan van antiparallel naar parallel aan het elektrische veld. De stroom door het schakelelement neemt dan toe tot punt 9 op curve 6 bereikt wordt.
Indien de spanning verder opgevoerd wordt zal de stroom toenemen volgens curve 6, totdat het dielectricum bezwijkt. Wanneer na het bereiken van punt 9 de spanning afneemt dan volgt de stroom volgens curve 6. Wanneer punt 10 op curve 6 bereikt wordt dan is het elektrische veld zo groot, dat de polarisatie van het dielectricum weer van richting omschakelt. De stroom neemt dan af tot de waarde behorend bij punt 11 op curve 5 bereikt wordt. Indien de spanning verder
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
afneemt zal de stroom afnemen volgens curve 5, totdat het diëlectrieum bezwijkt.
Wanneer na het bereiken van punt 11 de spanning toeneemt dan volgt de stroom volgens curve 5.
In de praktijk wordt het schakelelement geschakeld door een spanningspuls over het diëlectrieum te zetten, die zodanig groot is dat de remanente polarisatie van het diëlectrieum verandert. Het schakelelement wordt dan uitgelezen bij spanningen lager dan de spanning behorend bij het schakelveld van de remanente polarisatie.
Figuur 4 toont schrijf-lees cycli van het schakelelement. Hierbij staat op de horizontale as de tijd t, terwijl verticaal de stroom I door het schakelelement is uitgezet. Op tijdstip t=0 wordt op de elektrodes een zodanig grote positieve spanningspuls gezet, dat het schakelveld van het dielectricum 3 overschreden wordt, zodat de richting van de polarisatie parallel aan het elektrische veld staat voor positieve spanningen over de elektrodes (curve 6 figuur 3). Dan wordt voor het uitlezen van de schakeltoestand van het schakelelement op de elektrodes 1, 2 een blokgolfspanning met een amplitude tussen 0 en +Vt Volt gezet (zie figuur 3). Er loopt dan een relatief grote stroom door het schakelelelement. Het schakelelement staat dicht.
Op tijdstip t=t. wordt op de elektrodes een zodanig grote negatieve spanningspuls gezet, dat het schakelveld van het dielectricum 3 overschreden wordt, zodat de richting van de polarisatie antiparallel aan het elektrische veld staat voor positieve spanningen over de elektrodes (curve 5 figuur 3). Dan wordt voor het uitlezen van de schakeltoestand van het schakelelement op de elektrodes 1, 2 een blokgolfspanning met een amplitude tussen 0 en +Vt gezet (zie figuur 3). Er loopt dan een relatief kleine stroom I door het schakelelement. Het schakelelement staat open.
De dikte van het diëlectrieum kan relatief groot zijn indien zieh in het diëlectricum zogenaamde via welke electronen door het diëlectrieum kunnen tunnelen ("trap assisted tunneling"). Een dergelijk diëlectricum is echter lastig te fabriceren. Bij voorkeur wordt de dikte van het dielectricum 3 kleiner dan 100 A genomen. Het tunnelen van elektronen door het diëleetrieum 3 is dan bij relatief lage spanningen mogelijk zonder gebruik van De grootte en de richting van de remanente polarisatie versterken of verzwakken de invloed van een tussen de elektrodes 1, 2 aan te leggen elektrisch veld en beinvloeden zo de barriere en de tunnelstroom. In een uitvoeringsvorm wordt een schakelelement gebruikt, waarbij de twee elektrodes l, 2 de vorm van twee vlakke
<Desc/Clms Page number 8>
evenwijdige platen hebben.
Volgens de uitvinding is de richting 4 van de grootste component van de remanente polarisatie praktisch loodrecht op deze platen. De richting 4 van de remanente polarisatie is dan parallel of antiparallel aan het elektrische veld.
Het effect van de polarisatie op de grootte van de barrière is dan het grootst.
Een extra voordeel wordt verkregen als het ferroelektrische diëlectrieum 3 epitaxiaal is aangebracht op een elektrode 1 van een metallisch geleidend oxyde. Het dielectricum 3 heeft dan een zodanige structuur dat de remanente polarisatie qua grootte maximaal is, terwijl de richting 4 van de polarisatie evenwijdig is aan het aan te leggen elektrische veld tussen de elektrodes 1, 2. De metallisch geleidende oxydelagen omvatten bijvoorbeeld materialen als lanthaanstrontiumcobaltoxyde, strontiumruthenaat, strontiumvanadaat of indium gedoopt tinoxyde. De elektrode 1 van metallisch geleidend oxyde en het ferroelektrische dielectricum 3 worden m. b. v. standaard technieken als gepulste laser depositie (PLD), "sputtering", "molecular beam epitaxy" (MBE) of "metal organic chemical vapour deposition" (MOCVD) aangebracht.
De materialen kunnen op een niet-kristallijne ondergrond 15 worden aangebracht. Bij voorkeur echter is de metallisch geleidende elektrode 1 aangebracht op een monokristallijn substraat 15. Een dergelijk monokristallijn substraat heeft bij voorkeur een redelijke passing (+-10%) t. o. v. de gebruikte geleidende oxyden van de elektrode 1 en het ferroelektrische dielectricum 3. Het is dan relatief eenvoudig een epitaxiaal ferroëlektrisch diëlectrieum 3 aan te brengen. Als monokristallijn substraat 15 kan bijvoorbeeld strontiumtitanaat, magnesiumoxyde, magnesiumaluminiumoxyde of lithiumniobaat gebruikt worden. Maar ook substraten van silicium of galliumarseen kunnen met geschikte bufferlagen als bijvoorbeeld Pr6011 of Ce02 gebruikt worden.
Een uitvoeringsvorm van het schakelelement wordt als volgt vervaardigd.
Als substraat 15 wordt een éénkristallijn strontiumtitanaat kristal gebruikt. Een dergelijk kristal heeft een redelijke passing (1. 5%) t. o. v. het als elektrode 1 gebruikt strontiumruthenaat. Het strontiumruthenaat wordt m. b. v. PLD aangebracht bij 650 C onder 0. 2 mbar zuurstofatmosfeer. Als ferroelektrisch dielectricum 3 wordt een laag loodzirkoontitanaat (PZT) van 80 aangebracht op dezelfde wijze als het strontiumruthenaat van de elektrode l is aangebracht. Een typische samenstelling van lood-zirkoon-titanaat verkregen met hiervoorgenoemd proces is PbZro. osTioOg. De laag 3 heeft dan een epitaxiale structuur. De remanente polarisatie is circa 75 p.
C/em2. Op de laag loodzirkoontitanaat 3 wordt analoog aan elektrode 1 een tweede laag strontiumruthenaat aange-
<Desc/Clms Page number 9>
bracht als tweede elektrode 2. De elektrode 2 en het dielectricum 3 worden dan in patroon gebracht m. b. v. een standaard lithografieproces en door etsen m. b. v. reactive ion etching of m. b. v. Ar"ion etching". De struktuur wordt doorgeëtst tot in de electrode 1.
Er is dan een schakelelement volgens figuur 1 ontstaan met strontiumruhtenaat elektrodes 1, 2 en een 80 A dik loodzirkoontitanaat diëlectrieum 3. Bij een dergelijk element liggen de schakelpunten 8,10 uit figuur 3 bij circa 0. 1 Volt.
In een verdere uitvoeringsvorm omvat het diëlectrieum 3 meerdere ferroelektrische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Figuur 5 toont een schakelelement, waarbij het dielectricum 3 in de vorm van twee lagen 3,6 met verschillende ferroelektrische eigenschappen op een eerste elektrode is aangegroeid. Op dit diëlectrieum 3,6 is een tweede elektrode 2 aangebracht. Als voorbeeld wordt wederom een strontiumtitanaat substraat 15 genomen met een eerste elektrode 1 van strontiumruthenaat. Op deze elektrode 1 wordt een loodzirkoontitanaat laag 3 van 50 A aangebracht analoog aan de werkwijze in het eerste uitvoeringsvoorbeeld.
Op deze laag 3 wordt op de in uitvoeringsvoorbeeld 1 beschreven wijze een tweede ferroelektrische laag 6 van loodzirkoontitanaat aangebracht, waarbij op bekende wijze de samenstelling zodanig gekozen wordt dat in deze laag een ander schakelveld en remanente polarisatie gerealiseerd wordt dan in de loodzirkoontitanaat laag 3. Diëlectrieum 3 heeft een schakelveld van 100 kV/cm en een remanente polari- satie van 75 juC/cm. Dielectricum 6 heeft een schakelveld van 30 kV/cm en een remanente polarisatie van 25 C/cnr'. Een dergelijk schakelelement heeft vier schakeltoestanden afhankelijk van de richting van de remanente polarisatie van de dielectric.
Wanneer we de richting 4 van de polarisatie met- > of < -aanduiden voor een polarisatie gericht resp. van elektrode 1 naar 2 of omgekeerd dan zijn de vier schakel- toestanden : no. 1: diëlectricum 3- > diëlectricum 6- > ; no. 2: diëlectricum 3- >
EMI9.1
dielectricum 6 < - no. 3 3 < -dielectricum 3 ; < -diëlectricum 6 < -. Bij gelijke grootte van de remanente polarisatie zijn er slechts drie schakeltoestanden, schakeltoestand no. 2 en 3 zijn dan identiek. Het schakelelement kan ook meer dan twee verschillende ferroelektrische dielectrics omvatten. Het schakelelement krijgt dan evenredig meer schakeltoestanden.
Figuur 6 toont een verdere uitvoeringsvorm, waarbij het schakelelement
<Desc/Clms Page number 10>
een elektrode 1 omvat, waarop een ferroelektrisch dielectricum 3 met elektrode 2 meer dan één keer is aangebracht, zodat het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen 20 omvat. Het schakelelement heeft dan een struktuur volgens M (FM) n, waarbij M een elektrode 1, 2 voorstelt, F een ferroelektrisch dièlectrieum 3 en de index n aangeeft dat de combinatie 20 (FM), die het ferroelektrische dielectricum F en de
EMI10.1
elektrode M omvat, n keer herhaald wordt.
Aangezien het dièlectrieum 3 om een tunnelstroom mogelijk te maken relatief dun is, kan soms in een dielectricum 3 tussen twee elektrodes 1, 2 of 2,2 door zogenaamde"pinholes"een kortsluiting tussen de elektrodes optreden. Bij een enkel dielectricum 3 betekent kortsluiting tussen de elektrodes uitval van het schakelelement. In het schakelelement volgens deze uitvoeringsvorm is het optreden van"pinholes"in een enkel dielectricum 3 niet meer fataal voor het schakelelement. De betrouwbaarheid van het schakelelement neemt dus toe. Als extra voordeel wordt de schakelspanning van het element n keer hoger dan de schakelspanning van een schakelelement met een element 20. Het schakelelement kan zo aangepast worden aan een gewenste schakelspanning.
Wanneer meer dan twee verschillende schakeltoestanden gewenst zijn dan omvatten de dielectrica 3 van de uitvoeringsvorm van figuur 6 verschillende ferroëlek- trische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Een schakelelement omvat dan bijvoorbeeld een struktuur als MFMF'M of M (FMF'M)", waarbij F en F'ferroelektrische materialen zijn, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen.
Afhankelijk van de grootte en de richting van de remanente polarisaties van de ferroelektrische dielectric F en F'wordt de tunnelstroom groter of kleiner, zodat het schakelelement meer dan twee schakeltoestanden heeft. De ferroelektrische dielectrics als beschreven bij het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 5 kunnen ook bij dit uitvoeringsvoorbeeld gebruikt worden.
De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement, dat een schakelelement volgens de uitvinding omvat. Bekende geheugenelementen omvatten vele capaciteiten, waarbij de grootte van lading op de capaciteiten een maat voor de informatie is. De uitlezing van bekende geheugenelementen is lastig. Bij uitlezing wordt een bepaalde spanning op een capaciteit gezet, waarna de lading, die naar de capaciteit stroomt gemeten wordt. De grootte van deze lading is een maat voor de lading, die op
<Desc/Clms Page number 11>
de capaciteit aanwezig was. Na uitlezen is de oorspronkelijk aanwezige informatie verdwenen, zodat de oorspronkelijk aanwezige informatie weer op de capaciteiten ingeschreven moet worden. Bij een geheugenelement volgens de uitvinding wordt bij het uitlezen een spanning op het geheugenelement gezet, waarna de stroom door het element gemeten wordt (zie figuur 4).
Het meten van een stroom is veel eenvoudiger dan het meten van lading. De informatie in het geheugenelement wordt door het uitlezen niet beinvloed. De uitleesprocedure voor een geheugenelement volgens de uitvinding is dus veel eenvoudiger, dan de procedure bij een bekend geheugenelement.
In de praktijk wordt het geheugenelement van de ene geheugentoestand in een andere geschakeld door een spanningspuls over het diëlectricum te zetten, die zodanig groot is dat de remanente polarisatie van het diëleetrieum, of indien meerdere dielectric aanwezig zijn, één van de dielectrica, verandert. Het geheugenelement wordt dan uitgelezen door de stroom door het schakelelement te meten bij spanningen lager dan de spanning behorend bij een schakelveld van de remanente polarisatie van het dielectricum 3.
De uitvinding is niet beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvoorbeelden. Zo kunnen i. p. v. een enkel schakelelement vele schakelelementen op het substraat 15 aanwezig zijn, terwijl naast de schakelelementen ook andere elementen als transistoren, weerstanden of condensatoren aanwezig kunnen zijn. Of met andere woorden het schakelelement kan een onderdeel uitmaken van een geintegreerde schakeling.
In de uitvoeringsvoorbeelden zijn symmetrische schakelelementen beschreven. Er kan echter voor elektrode 1 en elektrode 2 een verschillend materiaal genomen worden, bijvoorbeeld voor elektrode 1 een geleidend oxyde en voor elektrode 2 een metaal of een halfgeleidend materiaal. De stroom-spanningskarakteristiek voor een dergelijk schakelelement is asymmetrisch.
Het ferroelektrische diëlectricum kan gecombineerd worden met niet ferroëlektrische materialen. Zo kan het dielectricum 3 een dunne laag ferroelektrisch materiaal omvatten met daarnaast een dunne isolerende of halfgeleidende laag. Hierbij kan het spanningsniveau, waarop geschakeld wordt beinvloed worden, of het effect van het schakelen, de grootte van de stroom door het schakelelement, kan beïnvloed worden. Ook is het mogelijk het ferroelektrische diëlectrieum te combineren met een antiferroëlektriseh dielectricum. Op die wijze is het mogelijk extra schakeltoestanden
<Desc/Clms Page number 12>
van het schakelelement te realiseren.
Het schakelelement kan ook als een onderdeel van een tunneltransistor gebruikt worden.
Daartoe wordt bijvoorbeeld een schakelelement volgens de uitvinding, voorgesteld door MFM (met M : elektrode l, F : ferroëlektriseh diëlectrieum, M : elektrode 2) gecombineerd met een MIM (met I : isolerend diëlectrieum) tot een tunneltransistor, voorgesteld door MiFMIMg, waarbij op een schakelelement volgens de uitvinding een extra dielectricum en een derde elektrode is aangebracht. Elektrode 2 (M) van het schakelelement volgens de uitvinding is dan ook een elektrode van de MIM. Er ontstaat dan een tunneltransistor, waarbij de emitteraansluiting gevormd wordt door Ml, elektrode 1 van de MFM, de basisaansluiting door M2, elektrode 2 van de MFM, die ook een elektrode van de MIM vormt en de collectoraansluiting door M3, de verdere elektrode van de MIM.
Ook is het mogelijk het schakelelement volgens de uitvinding te combineren met halfgeleidende p of n-type gebieden. Er ontstaat dan een struktuur volgens MFPNM, met P en N resp. een p- en n-type geleidend halfgeleidermateriaal. In dit geval functioneert elektrode 1 als emitteraansluiting, het p-type gebied als basisgebied en het n-type gebied als collectorgebied. Bovengenoemde tunneltransistoren hebben een
EMI12.1
geheugenfunctie, ze kunnen bepaalde schakeltoestanden vasthouden.
ZD