CN101548403A - 电动开关 - Google Patents

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Abstract

一种电动开关(100’、200’)包括第一电极(102)、第二电极(104)及设置在它们之间的活性区(306)。所述活性区包括：至少一个主活性区(308、308’)，包括能够被掺杂或不掺杂以改变其电导率的至少一种材料；和次活性区(310)，包括用于为主活性区(一个或多个)提供作为掺杂剂的离子种类的源/宿的至少一种材料。还提供了操作该开关的方法。

Description

电动开关
政府利益声明
根据国防高级研究计划署授予的协议号HR0011-0503-0001在政府支持下完成了本发明。该政府对本发明拥有特定权利。
技术领域
本发明涉及电子开关，并且尤其涉及电动开关。
背景技术
在过去十年中，制造基于分子或分子级(scale)部件的电子电路的前景引起了许多研究者的兴趣。通过制作能够使其本身至少部分地组装到有用电路中的特制器件，分子电子学的潜能已给电子工业带来了合成化学的能力。这一预期引起了对分子的电子特性的大量研究以及对存储器与逻辑电路的某些原理循证的论证。
先前已经报导了对纳米级交叉线器件中的开关的研究，其可以被可逆地开关并且具有104的通-断电导比。这些器件已被用来构造交叉(crossbar)电路并且为超高密度非易失性存储器的制作提供了一条有希望的途径。能够用于制作锁存器的串联连接的交叉线开关已经得到了论证；这样的锁存器是一种用于逻辑电路以及用于逻辑和存储器之间的通信的重要部件。已经描述了新的逻辑系列，其能够完全由交叉开关阵列构造或者被构造为由开关和晶体管组成的混合结构。这些新的逻辑系列具有如下潜能：极大地提高CMOS电路的计算效率，从而能够实现数量级的性能改善而不必缩小晶体管；或者甚至对于某些应用如果需要的话可以代替CMOS。然而，期望的是改善目前制作的器件的性能，尤其是改善它们的可循环性(cyclability)。
发明内容
一种电动开关包括第一电极、第二电极以及设置在它们之间的活性区(active region)。该活性区可以包括：至少一个主活性区，其包括至少一种材料，用于输送和宿存(host)用作掺杂剂的离子以控制电子经过开关的流动；以及次活性区，其包括至少一种用于为一个(或多个)主活性区提供离子掺杂剂源的材料。还提供了操作该开关的方法。
附图说明
图1A是连接两个不同交叉线的固态开关的示例的透视图；
图1B是与图1A类似的视图，示出了图1A的开关的阵列，也称为交叉开关；
图2是连接两段线的固态开关的示例的透视图；
图3A是基于图2的分段线配置的示例性电动开关的结构的示意表示的透视图；
图3B是基于图1A的交叉线配置的示例性电动开关的结构的示意表示的透视图；
图4是基于图3A的分段线配置的用于把示例性开关驱动(或切换(toggling))到接通(ON)状态的开始过程的示意表示的透视图；
图5是用于把开关驱动(或切换)到关断(OFF)状态的开始过程的示意表示的透视图；
图6A-6C是处于关断状态的示例性开关的示意图，其中图6A是开关的视图，图6B是开关的状态的等效电路图，而图6C是与开关相关联的能带图；
图7A-7C是处于中间状态的示例性开关的示意图，其中图7A是开关的视图，图7B是开关的状态的等效电路图，而图7C是与开关相关联的能带图；
图8A-8C是处于接通状态的示例性开关的示意图，其中图8A是开关的视图，图8B是开关的状态的等效电路图，而图8C是与开关相关联的能带图；以及
图9A-9C是开关的另一个实施例的示意图，其描绘了掺杂剂的移动。
具体实施方式
这些图仅出于图解说明的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员根据以下讨论将容易意识到在不偏离本文所描述的发明原理的情况下可以采用本文所说明的结构和方法的其它实施例。
定义
如本文所使用的，如应用于“结”的术语“自对准”意指无论两条线在哪里彼此交叉，都产生在两条线之间形成开关和/或其它电连接的结，因为正是这种交叉作用才产生该结，其中任一条线可以被涂覆或功能化。
如本文所用的术语“自组装”指的是一种由于系统部件的同一性(identity)而自然采取某种几何图案的系统；该系统通过采取这种配置至少达到其能量上的局部极小值。
术语“可单配置(singly configurable)”意指开关经由不可逆过程(比如氧化或还原反应)而只能使其状态改变一次；这样的开关例如能够成为可编程只读存储器(PROM)的基础。
术语“可重新配置”意指开关经由可逆过程(比如氧化或还原)而能够使其状态改变多次；换言之，该开关能够被接通和关断多次，比如随机存取存储器(RAM)中的存储位。
术语“可配置”意指“可单配置”或“可重新配置”。
微米级尺寸指的是大小在1微米到几微米范围的尺寸。
亚微米级尺寸指的是范围从1微米向下变化到0.04微米的尺寸。
纳米级尺寸指的是范围从0.1纳米到50纳米(0.05微米)的尺寸。
微米级和亚微米级的线指的是宽度或直径的尺寸为0.04-10微米、高度能够从几纳米变化到微米以及长度为若干微米以及更长的棒或带状导体或半导体。
交叉开关是开关阵列，其能够把一组平行线中的每条线连接到与第一组相交的第二组平行线的每个成员(通常这两组线彼此垂直，但这不是必要条件)。
如本文所用的，器件的功能尺寸是按纳米测量的(一般小于50nm)，但横向尺寸可以是纳米、亚微米或微米。
关于纳米线结的背景
图1A示出了连接两个不同交叉线102、104的固态开关100的示例。开关结106可以用来连接这两个不同线102、104。开关结106可以包括至少一种材料106a，具体为可切换分子(即，具有在两个不同状态中能量相对稳定的可切换片段或部分的分子)；这种分子的示例在分子电子(分子电子学(moletronic))切换的领域中现在是众所周知的。一条或两条线102、104可以是金属或半导体。在许多情况下，两条线都是金属，具体为铂，并且在分子106a上形成薄钛层106b，然后在钛层上形成顶部铂线(platinum top wire)104。
图1B示出了采用图1A所示的多个固态开关100的交叉开关阵列110。如图1B所示，第一层112近似平行线102被第二层114近似平行线104重叠。第二层114在取向上与第一层112的这些线大致垂直，不过这些层之间的取向角可以变化。这两层线形成晶格或交叉开关，第二层114的每条线104叠加在第一层112的所有线102上并且在代表两条线之间的最紧密接触的线交点处与第一层的每条线紧密接触。所示的开关结106被设置在线102、104之间。(示出了三个这样的开关结，以便不会弄乱此图；要明白开关结106形成在线102与线104的每个交点处。)这样的交叉开关可以由微米、亚微米或纳米级的线制成，这取决于应用。
虽然图中各个线示为具有方形或矩形横截面，但是这些线还能够具有圆形、椭圆形或更复杂的横截面。这些线还可以具有许多不同的宽度或直径以及纵横比或偏心率。术语“纳米线交叉开关”可以指代除了纳米线之外还具有一层或多层亚微米级线、微米级线或更大尺寸的线的交叉开关。
图2是连接两段纳米线的固态开关的示例。这里，两段102、104纳米线由切换结106连接，该切换结106包括切换层106a和薄钛层106b，两者如上所述。
众所周知，这样的开关可以被用作存储器(例如1或0的信息位的存储装置)的基础、用作交叉点存储器中的闭合或打开开关以用于类似现场可编程门阵列的逻辑电路中的配置位、或者用作布线逻辑可编程逻辑阵列的基础。这些开关还可用于各种各样的其它应用中。
电动开关
依据本文的教导，提供了一种改进的电动开关，其可以在微米或纳米级进行制造并且用作各种各样的电子电路中的部件。该开关可以用来连接两条不同线，比如一对如图1A-1B所示的交叉线，这两条不同线可以是较大交叉开关阵列中的两条线；或者该开关可以用在线内以便允许或阻断电流沿该线的流动，比如图2所示。
改进的开关能够用作如上所描述的存储器、开关以及逻辑电路与功能的基础。
这些开关可以具有以下特性：
(1)该开关的主活性层或区包括薄膜材料，该材料电子上是半导电的或者是标称地(nominally)电绝缘的但也是弱离子导体。主活性材料能够输送和宿存用作掺杂剂的离子以控制电子经过该开关的流动。基本的操作模式是在开关上施加足够大的电场(漂移场，其可以超过用于使得离子能够在主材料中运动的某个阈值)以使得离子种类(species)经由离子运输而被输送到主材料中或从主材料中输送出。所述离子种类是从那些用作主材料的电掺杂剂的离子中具体选择的，从而使材料的电导率从低电导率(即未掺杂的半导体或绝缘体—开关-关断配置)变化到高电导率(被掺杂以提供较高电导率—开关-接通配置)或者从高电导率变化到低电导率(开关-接通到开关-关断)。而且，主材料和掺杂剂种类被选择为使得离子漂移进主材料中或从主材料中漂移出来是可能的但不是太容易的，从而确保该开关保持在其被设置成的任何状态达相当长的时间，也许在常温下保持很多年。这就保证了该开关是非易失性的，也就是说在去除了漂移场之后该开关保持其状态。该开关是二端器件—对开关施加高偏压会导致电子电流和离子电流两者的流动，而在低偏压下离子电流的流动是可忽略的，这就允许开关保持其电阻状态。
(2)次活性层或区包括作为主材料的掺杂剂源的薄膜材料。这些掺杂剂可以是比如氢的杂质原子或其它一些阳离子种类，比如碱金属或过渡金属，其用作主材料的电子施主；或者这些掺杂剂可以是阴离子空位，其在主材料中是带电的因此也是晶格的施主。还可能把阴离子种类驱赶到主宿主材料中，该主宿主材料将变成电子受主(或空穴施主)。
(3)主活性材料可以是薄膜(厚度一般小于50nm)，并且在很多情况下是纳米晶体的、纳米多孔的或无定形的。掺杂剂种类在这样的纳米结构材料中的迁移率比在块状晶体材料中的迁移率高很多，原因在于通过晶粒边界、孔或通过无定形材料中的局部结构缺陷可能发生扩散。此外，因为该膜如此薄，所以把足够多的掺杂剂漂移到膜的局部区内或从该局部区中漂移出来以实质改变其电导率所需的时间量相对较快(例如，扩散过程所需的时间t随所覆盖距离的平方而变化，因此扩散一纳米所需的时间是扩散一微米所需的时间的百万分之一)。
(4)切换材料(主活性材料和次活性材料)在每一侧由金属电极或线接触，或者在一侧由半导体接触而在另一侧由金属接触。金属到切换材料的接触耗尽了半导体的自由电荷载流子，因此实际上该材料具有净电荷，该电荷取决于掺杂剂的特性—在施主的情况下为正而在受主的情况下为负。金属-半导体接触区电学上类似于肖特基(Schottky)势垒。金属-半导体肖特基势垒的传统描述由以下事实进行修正：这些材料是在纳米级结构化的，因此结构属性和电学属性在大距离上不是平均的，而半导体-金属接触的理论是在大距离上开发的。
(5)电子经过主活性材料的传导是经由电子的量子力学隧道效应。当半导电材料实质上是本征的时，隧穿势垒高且宽，因而经过开关的电导率很低(关断状态)。当向半导体注入了相当大数量的掺杂剂种类时，带电种类的电势降低了隧穿势垒的宽度以及也许高度。这导致开关电导率的增加(接通状态)。
(6)如果连接开关与金属或半导体电极的界面之一是非共价键合的，则大大提高了带电种类扩散到主材料中和从主材料中扩散出来的能力。这样的界面可能由材料中的空隙造成或者其可能是含有分子材料的界面所致，所述分子材料不会与电极、主开关材料或这两者形成共价键。这种非共价键合的界面降低了用于使主材料中的离子种类漂移所需的原子重新排列的活化能。这种界面实质上是极薄的绝缘体，并且对该开关的总串联电阻增加很少。
如上所提及的，主活性材料具有用于实践本发明的某些属性。这些材料属性之一是其为弱离子导体。弱离子导体的定义是基于设计开关所针对的应用的。晶格中种类的迁移率和扩散常数经由“爱因斯坦关系”彼此成正比。因而，如果晶格中电离种类的迁移率很高，则扩散常数也很高。一般而言，期望的是切换器件在特定状态(接通或关断)停留一段时间量，该时间量可以从一秒钟的一部分变化到数年，这取决于应用。因而，在实施例中，这种器件的扩散常数足够低以确保期望的稳定水平，从而避免经由电离种类扩散而使器件不注意地从接通变成关断或者从关断变成接通，而不是通过用电压脉冲有意设定开关的状态。因此，“弱离子导体”是一种其中离子迁移率以及因而扩散常数足够小以确保器件的接通或关断状态在期望的条件下稳定必要长的时间(例如，器件不会由于掺杂剂的扩散而改变状态)的导体。“强离子导体”的电离种类迁移率较大，因而对于扩散是不稳定的。
图3A示出了本发明的开关200’的实施例的结构，其采用图2的一列式(in-line)配置。图3B示出了本发明的开关100’的另一个实施例的结构，其采用图1A的交叉点配置。
图3A-3B是示例性电动开关的结构的图示。该开关的活性区306具有两个主要部分：主活性层或区306，其是一种既是电学上半导电又是弱离子导体层的材料，该层能够用如填隙(interstitial)、空位或杂质的电子施主进行掺杂；以及次层或区310，其用作掺杂种类的源和宿(sink)。可替换地，主活性区308的材料可以既是标称地电绝缘的又是弱离子导体。如下文所讨论的，活性区306可以任选地包括作为非共价键合的界面的分子层106a；该分子层可以包括可能是可切换的或可能是不可切换的分子。
在图3A所描绘的开关200’的实施例中，这两个电极102、104都是铂(Pt)金属，半导电离子导体308是TiO2，掺杂剂源310是TiO2-x，并且任选的非共价界面包括电极102和主切换材料308之间的薄分子层106a。化学式TiO2-x指示在晶体结构中二氧化钛的氧原子稍微不足；缺失氧(O)原子所处的部位将是带正电的空位。在这种情况下掺杂剂种类是氧空位。这种开关的另一个实施例在图3B中被示为开关100’，其具有与图3A相同的活性区开关结构306。
通过分别增加或减少半导体层308中施主掺杂剂部位的数量来接通(即增加导电率，图4)或关断(减少导电率，图5)经由施主注入或排出进行操作的开关。这些施主部位可以是半导体的主晶格(hostlattice)中的填隙阳离子种类、主晶格中的阴离子空位、比如H的填隙杂质、或者其它作为半导体的电子施主的填隙或替代杂质。由于半导体层308的厚度小于中度(moderately)高掺杂的半导体中的载流子的耗尽宽度(例如，大约100nm的厚度)，所以这意味着薄半导体被完全耗尽了自由载流子，原因在于该薄半导体在至少一侧上与金属紧密接触。这些电子仅仅驻留在半导体308的每一侧的金属接触102、104内。例如，每cm31018个掺杂剂原子的掺杂浓度(这是“中度高的”)对应于30nm的耗尽层厚度。1021cm-3的掺杂浓度(这是很高的掺杂，但对于许多氧化物而言完全可能)对应于3nm的耗尽厚度。
图4是用于把开关驱动(或切换)到接通状态的开始过程的示意图。在这种情况下，通过在该结上施加正偏压420，带正电的施主(比如TiO2中的氧空位)被从源/宿材料310驱赶到半导体材料308中，其中所述正偏压超过用于使电离种类漂移的阈值场。由于半导体层308被彻底地耗尽了电荷载流子，所以这意味着半导体层308获得了净正电荷。通过驻留在金属层102、104中的电子维持了净电荷中性。对于上面讨论的示例，用化学计量的(stoichiometric)TiO2制作的层308形成开关的初始态(关断状态)。金属接触和主半导体之间的电势差对Pt电极之间的电流形成了隧穿势垒。TiO2-x层310含有相对较高浓度的空位，因此是相当好的导体。在给电极104施加正电压后，电极104变成电化学电池的阳极。氧空位被驱赶出TiO2-x层310(其被氧化)并进入TiO2层308(其被还原)，如箭头422所示。对TiO2-x层310的电导率的影响相对较小，原因在于少数空位被推出这个区，但TiO2层308的电导率急剧地增加(开关接通)，原因在于TiO2层308从没有空位的状态变化到有一些空位的状态。
在关断状态中，薄半导体层308实质上是本征的-例如，在晶格中存在很少的掺杂剂。在这种情况下，在半导体308的两侧实质上都存在肖特基势垒，并且半导体能带相对于金属费米(Fermi)能级的对准大约是中间带隙(mid-gap)，这取决于各种物理及化学问题。对于比如TiO2-x的氧化物半导体(其也是弱离子导体)，器件的这个关断状态是“全氧化”状态，例如材料的化学计算尽可能地接近TiO2并且存在很少杂质或缺陷掺杂的一种状态。对于具有适当宽的带隙的半导体，对于电流的流动存在大的隧道势垒，这使得关断开关的电导率很低。
图5是用于把开关驱动(或切换)到关断状态的开始过程的示意图。通过在该结上施加负偏压420，带正电的施主被从半导体材料308驱赶到源/宿材料310中，其中所述负偏压420超过用于使电离种类(其可能是空位)漂移的阈值场。半导体层308失去其净正电荷并且再次变成中性。对于上面讨论的示例，略微偏离化学计量的TiO2-δ形成开关的传导接通状态，原因在于该层中的净正电荷使得对于电流在电极102、104之间流动的隧穿势垒变窄且降低。TiO2-x层310含有相对较高浓度的空位，因此仍是相当好的导体。在给电极104施加负电压后，电极104变成电化学电池的阴极。氧空位被驱赶出TiO2-δ层308(其被再次氧化为TiO2)并回到TiO2-x掺杂剂源层310(其被还原)，如箭头424所示。对TiO2-x层310的电导率的影响相对较小，但TiO2层308的电导率急剧地降低(开关关断)。
无需同意(without subscribing to)任何特定的理论，经过主材料的传导似乎是经由电子的量子力学隧道效应的。当半导体材料实质上是本征的时，隧穿势垒会很高，因而经过开关的电导率很低(关断状态)。当向半导体注入了相当大数量的掺杂剂种类时，带电种类的电势会降低隧穿势垒。这会增加开关的电导率(接通状态)。
图6A-6C、图7A-7C和图8A-8C是处于不同开关状态的开关200’的示意图。在每组图中，“A”图是开关200’的真实空间图或图示，“B”图描绘了等效的电路图，而“C”图是能带图。
在这个实施例中，开关的示例性厚度τ是2nm而TiO2/TiO2-x层308、310的示例性总宽度w0是3nm。
在图6A中，例如切换材料308、310可以是夹在两个Pt电极102、104之间的锐钛矿(二氧化钛的多型体)纳米晶体。为了该讨论的目的，假设这个纳米晶体的尺度为1.9nm×1.9nm×2.9nm并且含有总计75个锐钛矿单位晶胞或900个原子，这表明其对于要开发的能带结构是很小的但对于量子化学计算是很大的。在此阶段，可以利用能带方法来勾画系统的电子状态的定性图，但不应当把这太当真。在这种纳米晶体中单一杂质原子或空位会产生1020cm-3的掺杂密度，并且可以假设该纳米晶体可以含有多至2％的氧空位(例如～12)。金属-半导体接触区电学上类似于由纳米级的系统所修正的肖特基势垒，因此电学属性在大距离上不会进行平均，而半导体-金属接触的理论是在大距离上开发的。
与非共价区106a相邻的TiO2区308是化学计量的因而是高电阻性的，如大隧穿势垒所指示的。与第二电极104相邻的TiO2-x区310是高度缺少氧的，因而这个区是高导电的。在图6C的顶部的能带图中，界面601、603两者都是肖特基势垒。左边是金属-绝缘体-半导体界面601而右边是金属和高施主掺杂的半导体之间的界面603，该高施主掺杂的半导体的带隙已从化学计量TiO2的值下降了一点。
在图6C的图示的左手侧的Pt-TiO2界面601表示金属电极102和半导体308之间的非共价键合的界面，其由介入分子层106a调解(mediated)。所描绘的大致能带图示表明在这个界面601处存在势垒。该膜的这个区被设计并制作成是化学计量TiO2。锐钛矿的电子亲合势被估计为大约4.0eV，Pt的功函数为5.64eV，因此在这个界面601处能够估计1.6eV的势垒高度。Pt费米能级应当在锐钛矿的中间带隙区附近，锐钛矿的大块(bulk)带隙为3.2eV，不过其对于纳米晶体而言可能由于量子约束而更宽。即使对于1021cm-3的掺杂水平，锐钛矿中的耗尽长度为～3nm，因此纳米晶体被完全耗尽并且因而带正电。这些电子位于Pt接触的窄区中。
在图6A的图示的右手侧存在与该纳米晶体的第二Pt接触104。在实施例中，该系统被设计并制作为使得二氧化钛的这个区具有相当大浓度的氧空位。因而，在图6A中从左向右移动时，TiO2-x中的x值从零变到高至0.04的值。这是足够高浓度的氧空位以产生大量的施主态，所述施主态显著加宽了导带边缘附近的态密度并且因而有效地使带隙变窄。这在图6C的能带图中示为这个界面603处的势垒与左手侧相比下降了，这是通过由于极高浓度的带正电施主态引起的带隙的变窄以及显著的能带弯曲而造成的。
在图6C所示的所制成(as-fabricated)状态中，由锐钛矿纳米晶体所表示的势垒601很大并且因而这个状态开关的电导率很低；这是开关-关断状态。如果左手Pt电极102接地并且对右手电极104施加正电势(右手电极104变成纳米级电化学电池的阳极)，则将迫使带正电的氧空位向接地电极(其为阴极)漂移。已经在阳极附近存在大浓度空位的事实意味着为了接通开关不必产生空位。纳米晶体锐钛矿中氧空位的形成焓比空位跳跃的活化能大得多，因此具有其中在开关的阳极附近有预先存在的氧空位(或其它适当的带正电掺杂剂)的结构消除了在对开关进行预处理以形成电空位期间会出现的大量能量消耗。
在表示接通开关的初始阶段的图7A-7C中，使氧空位远离阳极意味着TiO2-x被氧化，即x值减小了微量ε。由于阳极104附近的空位浓度初始较大，所以这种微小氧化对区310的电导率的影响很小。另一方面，阴极附近的初始化学计量或氧化材料被还原，例如化学计量现在为TiO2-ε。这对纳米晶体的中部的能带的影响相当大，如图7C所示。经过纳米晶体的电子隧穿的总有效势垒宽度被降低，且电导率增大。
如果该偏压被增大或施加更长时间，则更多的氧空位会漂移到左边并且使隧穿势垒变窄得甚至更多，如图8A-8C所示。开关现在完全处于接通状态，更多空位现在处于308中，这样该区的化学计量被标记为TiO2-δ。反转右手电极104上的电压极性会使阳极和阴极的意义(sense)颠倒并且使得氧空位漂移回右手侧，恢复图6A-6C的状态并且如果这个反极性的偏压被施加足够长的时间，使开关回到关断。
无需同意任何特定理论，器件的非共价区106a中的分子似乎仅充当被动的角色。它们在第一Pt电极102和纳米晶体308之间形成薄绝缘区，这能够辅助肖特基势垒的形成。纳米晶体的这个界面601与Pt电极不是共价键合的事实可能使得氧空位更容易朝这个界面漂移，原因在于实质上存在一个可容纳晶格畸变的内部自由表面。最后，尽管这里介绍的晶体308、310被认为是纳米晶体，但是分子106a的主要作用可能是确保主活性材料(例如二氧化钛)308实际上是无定形的。
如图6B、7B和8B所示，等效电路仅仅是两个串联电阻器：一个电阻器Rs，其表示不随时间变化的开关的接线和任何部件的串联电阻；以及随时间变化的可变电阻器Rv(t)，所述变化取决于所施加的电压和流经其的电流。假设欧姆定律适用(而不是事实上存在的隧穿电阻，隧穿电阻使数学急剧复杂化)，
V(t)＝I(t)[RS+RV(t)].        1.
该可变电阻与纳米晶体中存在的计量化学TiO2 308的宽度w(t)成比例，
RV(t)＝ρw(t)/A，
                        2.
其中空位的漂移前(drift front)之后的材料视为具有基本为零的电阻，ρ是未掺杂二氧化钛的电阻率，而A是与电流流动的方向正交的纳米晶体的面积。对于其中开关处于关断并且施加偏压以将其接通的初始条件，未掺杂二氧化钛的宽度变化率刚好是在未掺杂宽度上施加的电场中的空位漂移率，
dw dt = - μ V E ( t ) = - μ V ρI ( t ) / A , - - - 3 .
其中μv是二氧化钛中氧空位的迁移率，E(t)是未掺杂材料上的电场，其正好是电压降ρw(t)I(t)/A除以宽度w(t)，出现负号是因为未掺杂区的宽度在减小。对方程3积分，这就变为：
w ( t ) = w 0 - μ V ρ A ∫ 0 t I ( t ) dt , - - - 4 .
其中w0是未掺杂二氧化钛在t＝0处的宽度，w(t)被定义为使其不能为负。关于V和I的整个方程变为：
V ( t ) = I ( t ) [ R S + R 0 W 0 ( w 0 - μ V ρ A ∫ 0 t I ( t ) dt ) ] . - - - 5 .
因而，上面所做的假设产生相当复杂的数学表达式，其中开关在时间t的电压涉及对电流和/或电压在时间上的积分，这就给开关引入了路径相关性。方程5说明了针对开关操作的更宽种类的描述性方程，并且本发明包括由其它方程所描述的离子漂移切换机制。例如，如果空间电荷对于离子漂移而言很重要，则在方程5中对电流的功能相关性从对电流一次方(I)的积分变化到对二次方(I2)的积分。针对这种系统的最高效电路模型可能需要忆阻器(memristor)。如在从图6B变到图7B到图8B的等效电路的序列中所看到的，开关在闭合，因此w(t)以及因而Rv(t)随时间变得更小；也就是说，电阻下降以接通开关。
图6C示出了两侧具有金属接触102、104的开关的关断状态的能带图示。因为在半导电区308中基本上没有掺杂，所以在两个金属-半导体结处存在相对较高的势垒。注意，切换开关不是严格的二进制操作-开关的电导能够在大范围上进行变化，这取决于向主材料内注入多少掺杂剂种类或者在主材料内产生多少掺杂剂种类。通过在该结上施加偏压来移动施主种类(可替代地，它们能够用化学方法来形成，例如通过用金属还原TiO2来形成TiO2-x或通过与分子氧反应来去除)。因而，在半导体层中没有自由载流子，因此它获得了净正电荷。这个正电荷的总体效果是使半导体的能带相对于金属费米能级向下弯曲(图7C)，这进而降低了该结的隧道势垒并且因而增大了电导率。这些掺杂剂的产生或注入通过具有与半导体308相邻的适当源层310而得以大大增强。该材料310可以是例如离子导体，其能够作为半导体308的原子的源或宿(例如，用以使得在氧化物半导体层中能够形成氧空位的不同掺杂剂种类或O原子宿)。
图7C示出了在向半导体308注入更多的掺杂剂部位以形成TiO2-ε之后该系统的能带。半导体能带由于耗尽半导体内正电荷的增加而进一步向下弯曲，进一步降低了隧穿势垒并且增大了电导率。在TiO2-x的情况下，晶格中的氧(O)空位部位产生了很靠近导带的态，因此在足够高的掺杂水平的情况下，纳米晶体的导带会被下拉到金属接触的费米能级。在此阶段，每个金属结处的隧道势垒正变得更薄，该系统的电导率正在增大。这是接通开关的初始阶段。
在图8C中，甚至更多的掺杂剂施主被注入到半导体308内，从而形成TiO2-δ。半导体导带由于耗尽半导体内正电荷的增加而进一步向下弯曲，从而降低了隧道势垒的宽度和高度并且增大了该层的电导率。这是该系统的开关-完全接通状态。
只要半导体膜308的掺杂水平不会大得使电阻下降到基本为零，就可能通过使施加到开关的电压极性反向而使施主掺杂剂离子的漂移反向并且从半导体排出施主掺杂剂离子。
半导体层308的掺杂是电压(超过离子漂移的任何能量势垒)和时间(使系统保持电压越长，积累的掺杂剂越多)两者的函数，或者是电流的积分。
在上面的描述中，这些开关被设计并制作成具有特定的通/断极性。通过向具有过多的带正电掺杂剂种类的电极施加正偏压来接通开关，并且通过向该相同电极施加负偏压来关断该开关。然而，还可能设计和制作具有可配置极性的开关，例如用以在制作了含有开关的电路之后执行的电子配置过程期间确定开关的通/断极性。这个配置步骤还称为现场编程。这可以通过产生一种与两个金属电极邻接的材料没有掺杂的结构来完成，并且该材料在中部具有过多的掺杂剂。因而，在电路的初始编程阶段期间，用于吸引带正电掺杂剂的负偏压可以被施加到人们期望其对于所施加的正偏压为接通电极的那些电极上，相反地用于排斥带正电掺杂剂的正电压可以被施加到人们期望其对于所施加的负偏压为关断电极的那些电极。以此方式，可以配置开关阵列从而使得开关的上电极的通/断极性交替。例如，如果要制造锁存器阵列，则这种特定配置尤其有用。还可以通过对接通电极施加正偏压的时间足够长以使得所有掺杂剂都漂移到开关的相对电极，而反转本申请中公开的任何开关的通/断极性。
图9A-9C描绘了上面描述的可配置通/断极性开关，其中掺杂剂源层310夹在两个主活性层308、308’之间。在这个实施例中，开关的厚度由K表示而TiO2/TiO2-x/TiO2层308、310、308’的总宽度由L表示。
在图9A中，通过施加适当的偏压以设定开关的通/断极性，使得最初位于掺杂剂源层310中的电离掺杂剂移动到两个主活性层308、308’中的任一层。
对(图9A中所示开关的)电极104施加正偏压使得带正电掺杂剂(在TiO2/TiO2-x系统的情况下为氧空位)漂移到左边。这将设定开关的通/断极性以使得后续施加到电极104的负偏压会接通开关而施加到电极104的正电压会关断开关。图9B描绘了所得到的结构。
相反地，对(图9A中所示开关的)电极104施加负偏压使得带正电掺杂剂(在TiO2/TiO2-x系统的情况下为氧空位)漂移到右边。这将设定开关的通/断极性以使得后续施加到电极104的正偏压会接通开关而施加到电极104的负电压会关断开关。图9C描绘了所得到的结构。因此，图9B和9C表示具有相反通/断极性的开关。
制作电动开关
此处所公开的开关可以利用各种各样的材料沉积和处理技术来制作。首先，利用常规技术(比如光刻或电子束光刻)，或者通过更先进的技术(比如压印光刻)，来制作初始线102(金属或半导体)。例如，这可以是如图1所示的交叉线对100的底部线102，或者它可以是在通孔中产生的线102以产生与图2所示电路的平面正交的连接200。
在这里描述的方案中，待制作的开关的下一部件是非共价界面材料106a，并且在需要更大的机械强度的情况下可以被省略，代价是在更高的施加电压下切换更慢。如上所提到的，这是开关200’(或开关100’)的任选部件。在这种情况下，沉积某种惰性材料的层106a。这可以是由兰慕尔-布罗吉(Langmuir-Blodgett，LB)工艺形成的单分子层或者其可以是自组装单分子层(Self-Assembled Monolayer，SAM)。一般而言，这个分子层106a可以与开关的底部电极102和主活性材料308形成仅微弱的范德瓦尔斯型键。可替换地，该层106a可以是沉积到冷却衬底上的薄层冰。形成此冰的材料可以是比如氩(Ar)的惰性气体或者其可以是诸如二氧化碳(CO2)之类的种类。在这种情况下，该冰是防止底部电极和开关材料之间的强化学键合的牺牲层，并且通过稍后在处理序列中加热样品以使冰升华而从系统中消失。本领域技术人员能够容易地构思其它用于在电极102和开关306之间形成弱键合界面的方式。
接着，沉积主活性层308的材料。这能够通过各种各样的常规物理及化学技术来完成，所述常规物理及化学技术包括来自克努森容池(Knudsen cell)的蒸发、来自坩锅的电子束蒸发、来自靶材的溅射或者来自反应性前体(reactive precursor)的不同形式的化学汽相或射束生长。膜的厚度可以在1到30纳米(nm)的范围，并且其可以被生长成无掺杂剂。在这种情况下，所生成的结构是开关-关断。根据膜308的厚度，其可以是纳米晶体的、纳米多孔的或无定形的以便提高离子能够在材料中漂移的速度，从而通过离子注入来实现掺杂或者通过从308排出离子来实现不掺杂。适当的生长条件(比如沉积速度和衬底温度)可以被选择以获得对于这种初始绝缘或低电导率膜308所期望的化学组分和局部原子结构。
下一层是用于主切换材料308的掺杂剂源层或次活性层310，该层也可以通过上面提到的任一种技术来沉积。选择这种材料以为主活性材料提供适当的掺杂种类。这个次材料310被选择成与主材料308化学兼容，例如这两种材料不应当彼此发生化学不可逆反应而形成第三种材料。如果制作稍后配置的开关，则将另一层主材料308’沉积在次材料310上。
如上所提到的，一对能够被用作主活性切换层308和次活性切换层310的材料的一个示例分别是TiO2和TiO2-x。TiO2是具有大约3.2eV带隙的半导体。它也是弱离子导体。TiO2的薄膜将产生用以产生开关-关断配置而所需的隧道势垒，而TiO2-x形成理想的氧空位源以掺杂TiO2并使其导电。如果期望制作可配置的通/断极性开关，则可以沉积主活性材料TiO2的第二膜308’。
最后，在开关的次活性层310或第二主活性层308’之上以与产生第一线102类似的方式制作第二金属电极104。如果该系统是交叉线器件100’，则使用蚀刻工艺来去除所沉积的不在顶部线之下的切换材料以便隔离该器件。如果需要，可以在沉积底部线组之后或者在第二线组之后增加平面化工艺以在开关上提供平坦的表面。
关于制作开关器件的一个问题是仔细控制材料中的掺杂剂浓度，不管该掺杂剂在晶格中是存在不同类型的原子还是缺少特定原子(例如，空位)。掺杂剂种类可以被引入到生长介质内或者一种成分的量可以被减少以便引起空位。另一种方案是生成高质量纯净的主材料层、然后在主材料上直接沉积仔细确定的量的种类。这可以是掺杂剂种类，该掺杂剂种类然后将扩散到主材料内；或者它可以是反应性材料，该反应性材料将与主材料的成分之一进行化学反应以在主晶格中引起空位。这种方案的示例是在高质量纯净的二氧化钛层上沉积少量的铝。该铝与二氧化钛的氧部分反应以形成一些氧化铝并在二氧化钛中留下空位。这是一种与“delta掺杂”类似的工艺，目前在半导体工业中实行delta掺杂以提供很薄层的极高掺杂的半导体材料。
用于切换的材料组合
存在各种各样的材料，其展现出期望的属性组合：电学上半导电的或绝缘的“弱”离子导体以使掺杂剂种类能够通过漂移注入到开关的活性区中并且从中排出。一般而言，优良的切换材料是复合半导电氧化物和氮化物，但半导电硫化物、磷化物、氯化物、硒化物、砷化物和溴化物也提供切换。一般而言，任何也是关于能够电掺杂该半导体的种类的弱离子导体的半导电材料将适合实践本发明以及其各个实施例。换言之，可能的开关化合物(switch compound)是对键合有很大离子贡献的半导电化合物。良好的组合是与相同和相关母体材料的次源/宿组合的未被掺杂且按化学计量的(因而是良好的绝缘体)主活性材料，所述母体材料要么含有大浓度的阴离子空位要么含有其他能够在应用所施加的偏压下而漂移到主材料内的掺杂剂种类。构思是源/宿系统310是高导电的，因而改变掺杂浓度对这个次材料的电导率的影响相对较小，但由于主材料308实质上是本征的，那么甚至少量的掺杂剂也会对该材料的电导率有很大影响。
在实践本发明中所采用的切换化合物通常是过渡金属和稀土金属的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物、砷化物、氯化物和溴化物，其中碱土金属往往存在于化合物中。此外，存在彼此相似的化合物(like compounds with each other)的各种合金，如果它们是彼此可互溶的，则其可以具有各种各样的组成。于是存在混合的化合物，其中存在两种、三种或更多不同的与一定数量的负电性元素组合的金属原子。这些掺杂剂可以是被掺杂到主材料内的不同价的元素或阴离子空位。
涉及元素Ti、Zr和Hf的材料对于能够与Si集成电路技术兼容的开关而言尤具吸引力，由于所有这三种金属的主氧化态是+4，与Si相同，因此这些元素不会产生Si的无意掺杂。这些化合物还分别称为氧化钛、氧化锆和二氧化铪，并且还可称为每种的不同多型体特有的其他名称。
另一个实施例包括这三种氧化物成对或同时存在所有三种的合金(例如TixZryHfzO2，其中x+y+z＝1)。相关的化合物组包括钛酸盐、锆酸盐和铪酸盐，其由特定示例SrTiO3代表，其中Sr是二价元素锶。存在各种各样的这种化合物，其中可以用Ca、Ba和其他二价元素(例如，Mg、Zn、Cd)代替Sr，并且用Zr和Hf代替Ti。这些化合物可以被表示为ABO3化合物并且具有钙钛矿结构，其中A是至少一种二价元素而B是Ti、Zr和Hf中之一。
也可能利用这些不同化合物的合金，比如CaaSrbBacTixZryHfzO3，其中a+b+c＝1且x+y+z＝1。还存在各种各样的具有不同化合价的过渡金属和稀土金属的其他氧化物，其既可以单独地使用也可以用作更复杂的化合物。在每种情况下，电离掺杂剂种类可以是被掺杂到主材料内的异价(aliovalent)(例如不同化合价)的元素或氧空位。
化合物的又一个实施例包括具有某种离子键合特征的过渡金属的硫化物和硒化物，实质上是上面提及的氧化物的S相似物和Se相似物。
化合物的再一个实施例包括半导电的氮化物，比如AlN、GaN、ScN、YN、LaN、稀土氮化物以及这些化合物的合金和更复杂的混合金属氮化物。
化合物的又一个实施例包括各种过渡金属和稀土金属(例如，Sc、Y、La等)的磷化物和砷化物。
化合物的另一个实施例包括半导电的卤化物，比如CuCl、CuBr和AgCl。
在所有情况下，阴离子空位或异价元素可以被用作上面化合物中的移动掺杂剂种类。
也可以由从上面示例中选择的不同材料或化合物的子层制作主活性层或次活性层。
在实践不同实施例中采用的掺杂剂是从由以下组成的组中选择的：氢、碱(alkali)、碱土阳离子、过渡金属阳离子、稀土阳离子、氧阴离子或空位、硫族元素化物阴离子或空位、氮阴离子或空位、磷族元素化物阴离子或空位、或者卤化物阴离子或空位。
下表中阐述了主材料308和次材料310的组合以及对每个组合所采用的掺杂剂种类的具体示例。基于本文的教导，本领域技术人员显然能够开发出提供所教导的益处的主材料和次材料的其他组合。
表.兼容性主材料和次材料以及掺杂剂种类的示例列表
 
主材料 次材料 掺杂剂种类
TiO2 TiO2-x 氧空位
ZrO2 ZtO2-x 氧空位
HfO2 HfO2-x 氧空位
SrTiO3 SrTiO3-x 氧空位
GaN GaN1-x 氮空位
CuCl CuCl1-x 氯空位
GaN GaN:S 二价硫离子
其他考虑因素
如上所讨论的，开关的电导能够在大范围内进行变化。下面描述的实施例是针对如下事实：本文描述的开关实际上是连续的-例如从关断态到接通态再回到关断态，开关的电阻连续地但变化有点急剧。在开关等效电路的示意图(图6B、7B、8B)中明显示出了这种情况，所述开关等效电路示出了与固定电阻器串联的可变电阻器。
可变或模拟开关在电子电路中存在许多应用。
在一个实施例中，电子可设定的可变电阻器能够被用作微调电阻器以调整电路的阻抗。在所有电子电路中存在一定量的可变性，这意味着所制作的电路就其操作速度和信号传播经过电路的延迟时间而言将具有略微不同的操作参数。过去，这个问题是通过在电路板中安装机械可调“调谐电位器((trim pot)”而得以解决。要求专家工程师对电路进行测试和调谐以便优化其属性-这是通过利用示波器检查电路板上的不同测试点处的电子信号，然后使用螺丝刀调整该调谐电位器，换句话说改变可变电阻器的电阻以使得电路的阻抗达到其最优性能而完成的。这在首次测试电路以确保其工作正常时是需要的，并且随着时间变化，电路中的各种元件可能变化，因此需要专家人员现场重新测试和重新调谐电路。随着电路的集成度变得更高，这种调谐要求就变得不大必要，因为提高了集成电路元件的可重复性。而且，在集成电路上没有位置用于放置调谐电位器，因此对于大多数集成电路不能被调谐。随着特征尺寸变得更小，部件属性的可变性必然在增加，正因为单原子决定了特征尺寸的不确定性的下限。因而，未来几代的电路将需要具有能够调谐和优化电路的调谐电位器。事实上，随着器件可变性变得更大，很可能如果电路不能被调谐则电路将根本不工作。因而，我们会在集成电路以及反馈电路内的不同位置使用开关以使电路不仅能够在其被首次接通时被调谐而且还能够在操作期间连续优化电路的性能。因而，具有这种开关和反馈元件的电路应当可以随时间而连续改进。当电路中的特定部件失效时，电路会用开关来重新配置和重新优化其自己。因而，这种电路应当具有随年限而适度退化的能力，而不是当单个部件失效时就突然停止运转。
在另一个实施例中，除了电路需要被调谐之外，还期望改变某些电路的操作特性以匹配用于进行各种测量的特定信号输入。例如，许多换能器或测量系统当存在“桥接电路”时执行得最好，其中调节可变电阻器的电阻以便平衡差分电路来进行很精确的测量。一个示例是为热电偶测量精确的电压差，但是存在用于测量的桥接电路的许多其他示例。
在又一个实施例中，模拟开关的应用是在学习电路或神经网络中。在这些电路中，训练过程用来教导电路如何对特定输入做出响应。这是通过比较部件的属性和预期属性以及响应于输入值利用反馈方法来重新设定部件值而完成的。当今，大多数神经网络是用常规的集成电路和处理单元以软件实施的-具有可调模拟开关的以硬件实施的真实神经网络将高效得多。
在再一个实施例中，其他模拟电路以及混合的模拟与数字电路能够通过具有连续可调节的电阻而得以改进，该电阻是非易失性的-例如，电阻器的基准值在初始化阶段期间进行设定，并且在这之后在操作期间调整电阻以便响应电路的操作条件。这可以例如用来对电路的基本操作特性随温度的变化或电源电压的波动或者其他变化环境条件的变化进行补偿。
为了解释起见，前面描述用特定术语来提供对该发明的彻底理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是为了实践该发明不需要特定细节。本发明的特定实施例的前面描述是为说明和描述的目的而给出的。它们不意图是穷尽的或把发明限制为所公开的精确形式。显然，鉴于上面的教导许多修改和变更是可能的。这些实施例被示出并描述以便最好地解释本发明的原理以及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够最好地利用本发明和带有各种修改的各种实施例，这些修改适合于所考虑的特定用途。意图是本发明的范围由所附权利要求书和其等同物限定。

Claims (13)

1.一种电动开关(100’、200’)，包括：
第一电极(102)；
第二电极(104)；以及
设置在它们之间的活性区(306)，所述活性区包括：
至少一个主活性区(308、308’)，其包括用于输送和宿存用作掺杂剂的离子以控制电子经过该开关的流动的至少一种材料，以及
次活性区(310)，其包括用于为所述至少一个主活性区提供离子掺杂剂的源/宿的至少一种材料。
2.如权利要求1所述的开关，该开关是交叉开关或垂直连接中的一部分。
3.如权利要求1所述的开关，其中两个电极都是金属或者所述电极之一是金属而所述电极的另一个是半导体。
4.如权利要求1所述的开关，其中用于所述至少一个主活性区的所述至少一种材料是电学上半导电的或是标称地电绝缘的并且也是弱离子导体。
5.如权利要求4所述的开关，其中用于所述至少一种主活性材料的所述至少一种材料是膜，该膜的电导率能够作为离子种类的函数从相对低的电导率可逆地变化到相对高的电导率，所述离子种类经由离子输送或漂移而被注入到用于所述至少一个主活性区的所述至少一种材料内或从用于所述至少一个主活性区的所述至少一种材料中排出。
6.如权利要求1所述的开关，其中所述次活性区的所述离子掺杂剂从那些作为用于所述至少一个主活性区的所述至少一种材料的电掺杂剂中选择，并且由此将所述至少一个主活性区的电导率从相对低的电导率变化到相对高的电导率或者从相对高的电导率变化到相对低的电导率。
7.如权利要求1所述的开关，其中用于所述至少一个主活性区的所述至少一种材料和用于所述次活性区的至少一种材料是从由以下组成的组中选择的：(1)过渡金属、稀土金属和碱土金属的氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物、砷化物、氯化物和溴化物；(2)来自列表(1)的彼此相似的化合物的合金；以及(3)混合的化合物，其中存在与至少一种负电性元素组合的至少两种不同的金属原子。
8.如权利要求1所述的开关，还包括在所述第一电极和所述主活性区之间设置的非共价界面(106a)。
9.如权利要求1所述的开关，其中所述主活性区的厚度小于中度高掺杂的半导体中的载流子的耗尽宽度。
10.一种反转权利要求1所述的电动开关的通/断极性的方法，所述方法包括对以下步骤中的至少一个执行至少一次：
如果所述开关的所述通/断极性使得给所述第二电极外加正偏压就接通所述开关，则对所述第二电极施加正偏压达足够长的时间以使得所有正掺杂剂漂移到所述第一电极，在这种情况下所述开关的所述通/断极性被反转并且当对所述第二电极施加负偏压时它将接通；
如果所述开关的所述通/断极性使得给所述第二电极外加负偏压就接通所述开关，则对所述第二电极施加负偏压达足够长的时间以使得所有正掺杂剂漂移到所述第二电极，在这种情况下所述开关的所述通/断极性被反转并且当对所述第二电极施加正偏压时它将接通。
11.如权利要求1所述的电动开关，其具有可配置的通/断极性，所述活性区包括：
第一主活性区(308)和第二主活性区(308’)，每个主活性区都包括用于输送和宿存用作掺杂剂的离子以控制电子经过该开关的流动的至少一种材料，以及
所述次活性区，其被设置在所述第一主活性区和所述第二主活性区之间并且包括用于为所述主活性区提供离子掺杂剂的源/宿的至少一种材料，
能够通过初始使所述掺杂剂朝所述第一电极或所述第二电极中的任一个漂移以设定所述开关的初始通/断极性而将所述开关配置成给定状态。
12.一种用于在权利要求11所述的电动开关中的两个不同状态之间进行可逆切换的方法，所述方法包括：
提供用于初始使所述掺杂剂朝所述第一电极或所述第二电极中的任一个漂移的电压源(420)，以及
对以下步骤中的至少一个执行至少一次：
或者：
对所述第二电极外加正电压达足够长的时间以使得正离子掺杂剂从所述次活性区注入到所述第一电极附近的所述主活性区内，从而在所述开关的操作期间，当所述第二电极被负向偏置时将所述第二电极的通/断极性限定为接通状态，或者当所述第二电极被正向偏置时将所述第二电极的通/断极性限定为关断状态；
或者：
对所述第二电极外加负电压达足够长的时间以使得正离子掺杂剂从所述次活性区注入到所述第二电极附近的所述主活性区内，从而在开关的操作期间，当所述第二电极被正向偏置时将所述第二电极的通/断极性限定为接通状态，或者当所述第二电极被负向偏置时将所述第二电极的通/断极性限定为关断状态。
13.如权利要求1所述的电动开关，其具有能够被改变的电导，包括：
所述开关具有能够在一范围内被改变的电导，所述范围的程度取决于多少离子掺杂剂被注入到所述至少一个主活性区内或在所述至少一个主活性区中产生多少离子掺杂剂。
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Granted publication date: 20130227