CN117878101A - 用于非二值逻辑的铁电纳米颗粒电容器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于非二值逻辑的铁电纳米颗粒电容器。一种铁电纳米颗粒电容器器件包括一对彼此电绝缘的传导元件以及布置在所述对中的所述传导元件之间的铁电纳米颗粒。所述铁电纳米颗粒适于提供具有不同总铁电极化的至少三种极化状态。

Description

用于非二值逻辑的铁电纳米颗粒电容器
技术领域
本公开涉及一种铁电纳米颗粒电容器器件，特别是具有有限数量的铁电纳米颗粒，以提供可以单独寻址的离散剩余(remanent)铁电极化状态。特别地，每个纳米颗粒可以处于单畴铁电状态(monodomain ferroelectric state)。本公开还涉及一种用于设置铁电纳米颗粒的极化状态的方法。
背景技术
计算机行业致力于器件的持续小型化，以减少存储或切换一条信息(如逻辑位)所需的能量。为此，现有的计算电路采用标准二值逻辑来存储和处理信息。这些电路正达到其原子尺寸微型化和每位处理能量耗散的基本兰道尔原理所设定的基本极限。
发明内容
鉴于上述技术问题，需要一种多值逻辑器件。
在本公开的上下文中，术语多值逻辑器件可以指提供至少三种状态的器件，比如至少三种可切换和/或可单独寻址的逻辑状态或者至少三种可切换和/或可单独寻址的极化状态。换句话说，多值逻辑器件可以被认为是非二值逻辑器件。因此，多值逻辑器件不同于提供两种状态(即，可切换和/或可单独寻址的两种逻辑状态或极化状态)的二值逻辑器件。
采用多值逻辑器件可以减少能量损失并允许器件具有前所未有的高信息密度，从而克服传统器件的二值限制。探索多值逻辑对于实现非冯诺依曼计算至关重要。
尽管对能够实现可切换多值逻辑的系统进行了积极的研究，但多值逻辑器件的实际可行的物理实施方式之前仍然是一项未解决的艰巨任务。
当前在固态驱动器和闪速存储器中使用的伪多级逻辑单元的现有实施方式实际上包括单个二值(即，位)逻辑器件的组合。因此，它们需要位写入的模拟方法，这可能由于信息的随机丢失而导致逻辑单元的不稳定行为。
在本公开的第一方面，一种铁电(ferroelectric)纳米颗粒电容器器件包括一对彼此电绝缘的传导元件以及布置在所述对中的所述传导元件之间的铁电纳米颗粒。所述铁电纳米颗粒适于提供具有不同总铁电极化的至少三种极化状态。
因此，根据第一方面的铁电纳米颗粒电容器器件分别提供多值逻辑器件或多值逻辑的实施方式。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以适于选择性地将所述铁电纳米颗粒设置为所述至少三种极化状态中的任一种。例如，所述铁电纳米颗粒电容器器件可以适于在所述对中的一个传导元件处接收预选择的电压或预选择的电荷，以选择性地将所述铁电纳米颗粒设置为所述至少三种极化状态中的任一种，特别地其中所述对中的另一个传导元件适于携带恒定电荷。换句话说，所述铁电纳米颗粒的极化状态可以单独寻址。寻址极化状态可以是指将所述铁电纳米颗粒设置为相应的极化状态。
因此，所述铁电纳米颗粒电容器器件构成多值逻辑器件，其中每种极化状态用作多值逻辑的状态(例如，作为存储器级)，并且通过施加电荷进行的切换分别表示状态之间或存储器级之间的转换。
所述铁电纳米颗粒可以适于提供具有不同总铁电极化的至多64种离散极化状态、特别是具有不同总铁电极化的至多32种离散极化状态、特别是具有不同总铁电极化的至多16种离散极化状态、特别是具有不同总铁电极化的至多8种离散极化状态、特别是具有不同总铁电极化的至多4种离散极化状态。
为了单独寻址任何极化状态或在任何一对极化状态之间切换，所述铁电纳米颗粒电容器器件可以提供相应的路由，其中所述路由是明确定义的并且分别特定于要寻址的极化状态或特定于要在其间切换的极化状态对。在本公开的上下文中，术语路由可以是指要施加到所述传导元件中的至少一个的电荷、或要顺序施加到所述传导元件中的至少一个的电荷(即，不同的，如在总值和/或符号上不同)。
所述至少三种极化状态可以是至少三种剩余(remanent)极化状态。换句话说，所述铁电纳米颗粒可以适于保持所述至少三种极化状态中的任一种和/或保持所述至少三种极化状态中所设置的一种，特别是当没有电荷或电压施加到所述传导元件时。
这可以允许实施多值逻辑的存储器级。
所述极化状态可以是指所述铁电纳米颗粒的总极化状态，或者换句话说，是指所述铁电纳米颗粒整体的极化状态；例如与所述铁电纳米颗粒中的单个铁电纳米颗粒的单独极化状态相反。
(多个)极化状态可以是指(多个)铁电极化状态。
所述极化状态可以是离散极化状态。例如，所述至少三种极化状态可以是至少三种离散极化状态。
所述铁电纳米颗粒可以适于提供相应的单独极化状态、特别是离散的单独极化状态、如相应的单独向上极化和相应的单独向下极化状态。
(多个)单独极化状态可以是指(多个)单独铁电极化状态。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以适于切换所述铁电纳米颗粒中的单个铁电纳米颗粒的单独极化状态。所述铁电纳米颗粒电容器器件可以适于在切换所述单个铁电纳米颗粒的所述单独极化状态的同时保持剩余铁电纳米颗粒的单独极化状态。
所述铁电纳米颗粒可以具有相同的材料组成。
这可以便于所述器件的经济制造。
所述传导元件可以是指导电元件。
所述传导元件可以是传导层和/或传导板。
所述铁电纳米颗粒中的(特别是每个)铁电纳米颗粒可以被布置在所述传导元件的第一区段之间。换句话说，所述传导元件的所述第一区段可以对应于所述铁电纳米颗粒在所述传导元件上的投影。所述铁电纳米颗粒(或相应的铁电纳米颗粒)和所述传导元件的(相应的)第一区段可以限定铁电电容器(或相应的铁电电容器)。
在所述对中的所述传导元件之间可以布置至多10个铁电纳米颗粒、或至多5个铁电纳米颗粒、或至多3个铁电纳米颗粒、或确切地3个铁电纳米颗粒、或确切地2个铁电纳米颗粒。
相应有限数量的纳米颗粒可以提高极化状态之间切换的可靠性。
夹着所述铁电纳米颗粒之一的所述传导元件的区段可以限定相应的铁电电容器。换句话说，所述铁电纳米颗粒和夹着所述铁电纳米颗粒的所述传导元件的区段可以限定铁电电容器。
所述对中的所述传导元件可以包括彼此面对的相应表面，并且所述相应表面的相应表面积可以各自超过所述铁电纳米颗粒的总表面投影面积。
换句话说，所述传导元件可以包括相应的多余部分，在所述多余部分之间没有铁电纳米颗粒。
在对应的实施例中，超过所述铁电纳米颗粒的总表面投影面积的所述传导元件的表面积(或分别为在它们之间没有铁电纳米颗粒的相应表面的区段；或分别为所述传导元件的多余部分)可以限定介电电容器或介电电容器的电容。所述介电电容器可以适于提供介电电容。在它们之间没有铁电纳米颗粒的相应表面的区段可以是指相应表面的区段，其中铁电纳米颗粒填充相应表面之间的距离的小于50％、特别是小于40％、特别是小于30％、特别是小于20％、或特别是小于10％。
所述介电电容器可以与所述铁电电容器电并联和/或串联布置。所述介电电容器和所述铁电电容器(或分别为所述介电电容器的电容和所述铁电电容器的电容)可以适于一起限定所述至少三种极化状态之间的路由和/或限定多种剩余极化状态。
所述铁电纳米颗粒的总表面投影面积可以对应于所述铁电纳米颗粒在相应表面之一上的投影面积。
所述对中的所述传导元件的相应表面可以是连续的、例如具有圆形、或椭圆形、或矩形、或多边形、或圆角多边形形状。
所述铁电纳米颗粒可以被布置在相应表面之间。
相应表面可以包括和/或限定平行于相应表面的侧向方向。换句话说，相应表面可以侧向延伸。
相应表面积中的每一个可以超过所述铁电纳米颗粒的总表面投影面积至少5％、或至少10％、或至少30％、或至少50％、或为其至少两倍。
所述铁电纳米颗粒可以彼此间隔开和/或介电隔离材料可以被布置在所述铁电纳米颗粒之间。
对应的实施例可以确保离散的极化状态和/或离散的单独极化状态。
在对应的实施例中，所述介电隔离材料可以被包括在所述介电电容器中和/或提供所述介电电容器的电介质。
所述介电隔离材料的至少某一区段可以被布置在所述传导元件的第二区段之间。换句话说，所述传导元件的第二区段可以对应于所述介电隔离材料的所述至少某一区段在所述传导元件上的投影。所述介电隔离材料的所述至少某一区段和所述传导元件的第二区段可以(即，根据替代定义)限定所述介电电容器。
所述介电隔离材料可以适于分离所述传导元件和/或使所述传导元件彼此电绝缘。
所述介电隔离材料可以包围所述铁电纳米颗粒中的至少一个或包围所述铁电纳米颗粒、特别是侧向地(即，沿着侧向方向)进行包围。
所述对中的所述传导元件可以包括相应的表面。相应的表面可以间隔开一定距离。所述铁电纳米颗粒可以沿着至少60％的所述距离延伸、或沿着至少75％的所述距离延伸、或沿着至少90％的所述距离延伸、或沿着整个距离延伸。可替代地或另外地，相应的表面可以通过参考线连接，并且所述铁电纳米颗粒可以沿着所述参考线延伸。所述距离可以对应于所述参考线的长度。
所述铁电纳米颗粒可以侧向地(即，沿着侧向方向)彼此间隔开。
所述铁电纳米颗粒中的第一铁电纳米颗粒可以具有第一尺寸。所述铁电纳米颗粒中的第二铁电纳米颗粒可以具有第二尺寸。所述第一尺寸可以比所述第二尺寸大、特别是大至少10％、或至少30％、或至少50％、或至少二倍。
所述第一尺寸(或相应的所述第二尺寸)可以是指所述第一铁电纳米颗粒(或相应的第二铁电纳米颗粒)的最大延伸。换句话说，所述第一尺寸(或相应的第二尺寸)可以是指所述第一铁电纳米颗粒(或相应的第二铁电纳米颗粒)沿其具有最大尺寸的方向的尺寸。
可替代地，所述第一尺寸(或相应的第二尺寸)可以是指所述第一铁电纳米颗粒(或相应的第二铁电纳米颗粒)的体积。
所述第一(和/或第二)铁电纳米颗粒可以被布置在所述传导元件的第一(和/或第二)第一区段之间。换句话说，所述传导元件的第一(和/或第二)第一区段可以对应于所述第一(和/或第二)铁电纳米颗粒在所述传导元件上的投影。所述第一(和/或第二)铁电纳米颗粒和所述传导元件的第一(和/或第二)第一区段可以限定第一(和/或第二)铁电电容器。所述第一(和/或第二)铁电电容器可以适于提供相应的电容。
根据实施例，所述铁电纳米颗粒沿任何方向的相应尺寸不超过100nm、特别是不超过50nm、或不超过30nm、或不超过20nm、或不超过10nm、或不超过5nm。在本公开的上下文中，尺寸为至多20nm的铁电纳米颗粒也可以称为铁电纳米点(nanodots)。
所述铁电纳米颗粒的相应尺寸可能有利于确保所述铁电纳米颗粒的单畴铁电状态。特别地，限定所述铁电纳米颗粒的尺寸可以引起相应纳米颗粒的受控矫顽场(coercivefield)，并且因此控制所述尺寸可提供对寻址或在极化状态之间切换的路由的控制。例如，这是使用铁电纳米颗粒而不使用铁电膜的优点，在所述铁电膜中，铁电畴随机形成，而对其尺寸分布没有很好的控制。对于所述铁电纳米颗粒，可以实现窄的尺寸公差或窄的尺寸分布。
相应的尺寸可以对应于所述铁电纳米颗粒的最大延伸或沿其具有最大尺寸的方向的尺寸，如以上在第一尺寸和第二尺寸的上下文中所述。
所述铁电纳米颗粒沿任何方向的相应最小尺寸可以不小于4nm、或不小于3nm、或不小于2nm、或不小于1nm。
所述铁电纳米颗粒可以包括相应的单畴铁电状态。
所述至少三种极化状态可以对应于所述铁电纳米颗粒的相应单畴铁电状态的组合。
所述铁电纳米颗粒的相应单畴铁电状态可以是剩余的和/或离散的极化状态。
所述对中的第一传导元件可以适于携带恒定电荷和/或可以是电绝缘和/或电浮动的。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以进一步包括电荷控制器件，所述电荷控制器件适于控制和/或改变所述对中的第二传导元件上的电荷。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以进一步包括晶体管，其中所述晶体管的沟道形成所述第一传导元件或所述第二传导元件。
所述电荷控制器件可以包括与所述一对传导元件电绝缘的附加传导元件。所述电荷控制器件可以适于在所述附加传导元件与所述第二传导元件之间施加电压。
所述附加传导元件和所述第二传导元件可以被布置在所述第一传导元件的相对侧。
所述附加传导元件可以通过介电间隔物与所述第一传导元件分离。
所述介电间隔物可以形成所述晶体管的栅极电介质。
所述传导元件和/或所述附加传导元件可以包括金属材料或半导体材料或者可以由金属材料或半导体材料构成。
所述至少三种极化状态可以与相应的电压电平相关联。
相应的电压电平可以是指所述第一传导元件和/或所述第二传导元件的电压电平，或者是指所述第一传导元件与所述第二传导元件之间的电压差。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以进一步包括适于确定所述第一传导元件的电压和/或所述第二传导元件的电压或所述第一传导元件与所述第二传导元件之间的电压差的电压读出元件，以便识别与所述至少三种极化状态相关联的相应电压电平。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以进一步包括温度控制元件，所述温度控制元件适于控制和/或改变所述铁电纳米颗粒的温度。可替代地或另外地，所述铁电纳米颗粒电容器器件可以包括力控制元件，所述力控制元件适于控制和/或改变被施加到所述铁电纳米颗粒的机械力。
所述温度控制元件和/或所述力控制元件可以允许对用于寻址和/或切换极化状态的路由进行后调整。例如，所述温度控制元件和/或所述力控制元件可以允许寻址极化状态、如净极化为零的极化状态，该极化状态可能不能通过例如在环境温度下或在力控制元件未施加力的情况下向至少一个传导元件施加电荷或电压来寻址。
第二方面涉及上述铁电纳米颗粒电容器器件作为多逻辑级数据存储器件的用途。
第三方面涉及一种用于操作铁电纳米颗粒电容器器件的方法。所述铁电纳米颗粒电容器器件包括一对彼此电绝缘的传导元件以及被布置在所述对中的所述传导元件之间的铁电纳米颗粒。所述铁电纳米颗粒适于提供具有不同总铁电极化的至少三种极化状态，所述至少三种极化状态包括最小铁电极化状态、最大铁电极化状态和至少一种中间铁电极化状态。所述方法包括选择中间铁电极化状态；根据所选择的中间铁电极化状态选择第一电压或电荷；以及将所述第一电压或电荷施加到所述对中的传导元件以将所述铁电纳米颗粒设置为所选择的中间铁电极化状态。
所述方法可以实施多值逻辑。
所述方法可以进一步包括将所述对中的另一个传导元件(即，第一传导元件)保持在恒定电荷。
优选地，所述第一电压或电荷是指电荷。换句话说，所述方法可以指根据所选择的中间铁电极化状态来选择第一电荷；以及施加所述第一电荷。
所述选择所述中间铁电极化状态可以指选择所述至少一种中间铁电极化状态中的中间铁电极化状态。
所述最大铁电极化状态可以提供所述至少三种极化状态的最大铁电极化。换句话说，所述至少三种极化状态中没有一种极化状态可以具有大于所述最大铁电极化状态的铁电极化。
所述最小铁电极化状态可以提供所述至少三种极化状态的最小铁电极化。换句话说，所述至少三种极化状态中没有一种极化状态可以具有小于所述最大铁电极化状态的铁电极化。
所述中间铁电极化状态的铁电极化可以大于所述最小铁电极化并且小于所述最大铁电极化。
在本公开的上下文中，铁电极化的量值可以由沿着参考轴的相应铁电极化的分量来确定。换句话说，负(例如，相对于参考轴)铁电极化可以被认为小于零的铁电极化。所述参考轴可以与所述传导元件和所述铁电纳米颗粒中的至少一个相交。
被施加所述第一电压或电荷的所述对中的所述传导元件可以对应于以上在所述铁电纳米颗粒电容器器件的上下文中描述的所述对中的所述第二传导元件。所述方法的另一个传导元件可以对应于以上在所述铁电纳米颗粒电容器器件的上下文中描述的所述对中的所述第一传导元件。
所述铁电纳米颗粒电容器器件可以进一步包括与所述一对传导元件电绝缘的附加传导元件。所述将所述第一电压或电荷施加到所述对中的所述传导元件(即，施加到所述第二传导元件)可以包括在所述附加传导元件与所述对中的所述传导元件(即，所述第二传导元件)之间施加电压。所述附加传导元件可以被包括在所述铁电纳米颗粒电容器器件的电荷控制器件中。
所述方法可以进一步包括在施加所述第一电压或电荷以将所述铁电纳米颗粒设置为所选择的中间铁电极化状态之前：提供处于所述至少三种极化状态中的第一极化状态的铁电纳米颗粒；根据所选择的中间铁电极化状态和/或根据所述第一极化状态来选择第二电压或电荷；以及将所述第二电压或电荷施加到所述对中的所述传导元件以将所述铁电纳米颗粒设置为从所述第一极化状态进入所述至少三种极化状态中的第二极化状态。所述第一极化状态可以不同于所选择的中间铁电极化状态。所述第二极化状态可以不同于所述第一极化状态和所选择的中间铁电极化状态两者。
就它们相应的绝对值而言，所述第二电压或电荷可以超过所述第一电压或电荷。
所述第二电压或电荷的符号可以与所述第一电压或电荷的符号相反。
所述方法可以进一步包括在施加所述第二电压或电荷以将所述铁电纳米颗粒设置为所选择的中间铁电极化状态之前：提供处于所述至少三种极化状态中的第三极化状态的铁电纳米颗粒；根据所选择的中间铁电极化状态和/或根据所述第一极化状态来选择第三电压或电荷；以及将所述第三电压或电荷施加到所述对中的所述传导元件以将所述铁电纳米颗粒设置为从所述第一极化状态进入所述至少三种极化状态中的第三极化状态。所述第三极化状态可以不同于所述第一极化状态、所述第二极化状态以及不同于所选择的中间铁电极化状态。
就它们相应的绝对值而言，所述第三电压或电荷可以超过所述第二电压或电荷。
所述第三电压或电荷的符号可以与所述第二电压或电荷的符号相反。
所选择的中间铁电极化状态可以是剩余状态。可替代地或另外地，所述方法可以包括降低被施加到所述传导元件的电压或电荷，并且由此保持所设置的中间铁电极化状态；特别是，将所述电压降低至少30％、至少以2为系数降低、至少以3为系数降低、至少以5为系数降低、至少以10为系数降低、或至少以100为系数降低。
所述方法可以进一步包括加热所述铁电纳米颗粒和/或向所述铁电纳米颗粒施加机械力，以便改变它们的极化状态和/或改变所选择的中间铁电极化状态与所施加的电压或电荷之间的关系。
所述方法可以包括加热所述铁电纳米颗粒以将其极化状态改变为铁电极化为零的极化状态。
所述方法可以进一步包括基于至少一个传导元件的电压来检测所述铁电纳米颗粒的当前极化状态。
所述方法可以包括基于至少一个传导元件的电压变化来检测所述铁电纳米颗粒的当前极化状态，如通过对至少一个传导元件的电压的跳变进行计数。
所述第一极化状态和/或所述第二极化状态可以是剩余状态。
附图说明
从根据附图对示例性实施例的描述中，本公开的技术以及与这些技术相关联的优点将变得最为清楚，在附图中：
图1图示了根据第一实施例的铁电纳米颗粒电容器器件；
图2a图示了传导元件之间的铁电纳米颗粒的各种单独极化状态的静电能，以及它们之间的切换；
图2b图示了电荷-电压滞后回线，其展示了图2a的铁电纳米颗粒的单独极化状态之间的切换；
图3图示了连接到电荷控制器件的图1的铁电纳米颗粒电容器器件的等效电路；
图4a图示了根据对应于图1的实施例的铁电纳米颗粒电容器器件的极化状态的静电能，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图4b图示了与根据图4a的实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图5a图示了根据对应于图1的其他实施例的铁电纳米颗粒电容器器件的极化状态的静电能，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图5b图示了与根据图5a的实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图6a图示了根据对应于图1的另一个实施例的铁电纳米颗粒电容器器件的极化状态的静电能，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图6b图示了与根据图6a的实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图7a图示了根据实施例的具有温度控制元件和力控制元件的铁电纳米颗粒电容器器件；
图7b图示了图7a的铁电纳米颗粒电容器器件的等效电路；
图8a图示了根据实施例的铁电纳米颗粒电容器器件，其中晶体管的沟道形成铁电纳米颗粒电容器器件的传导元件；
图8b图示了图8a的铁电纳米颗粒电容器器件的等效电路；
图9a图示了根据另一个实施例的铁电纳米颗粒电容器器件，其中铁电纳米颗粒提供四种极化状态；
图9b图示了图9a的铁电纳米颗粒的四种极化状态；
图9c图示了根据其他实施例的铁电纳米颗粒电容器器件，其中铁电纳米颗粒提供四种极化状态；
图9d图示了图9c的铁电纳米颗粒的四种极化状态；
图10a图示了与根据对应于图9a或图9c的实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换极化状态的路由；
图10b图示了与根据对应于图9a或图9c的其他实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；
图10c图示了与根据对应于图9a或图9c的其他实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；
图10d图示了与根据对应于图9a或图9c的其他实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；
图10e图示了与根据对应于图9a或图9c的其他实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；
图10f图示了与根据对应于图9a或图9c的其他实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；
图10g图示了与根据对应于图9a或图9c的其他实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；
图10h图示了与根据对应于图9a或图9c的另一个实施例的铁电纳米颗粒的极化状态相关联的电荷-电压滞后回线，以及用于寻址和/或切换相应极化状态的路由；以及
图11图示了根据实施例的方法。
具体实施方式
图1是根据第一实施例的铁电纳米颗粒电容器器件100的示意图。
铁电纳米颗粒电容器器件100包括呈传导层102、112形式的两个传导元件102、112以及它们之间的铁电纳米颗粒104a、104b。
传导层102、112或它们相应的表面108、118各自沿着水平、侧向方向x、y延伸，并且因此沿着这些方向x、y彼此平行。
沿着垂直、竖直方向z，传导层102、112或它们相应的表面108、118分别彼此间隔开1nm至100nm的距离d。
传导层包括贵金属(如Cu或Au)以及钽和/或钛或其相应的氮化物，和/或可以包括其他金属或半导体材料。
铁电纳米颗粒104a、104b由相应的铁电材料构成。在所描绘的实施例中，铁电纳米颗粒104a、104b由相同的铁电材料构成。
铁电材料是特征在于其极化与电场非线性相关的材料，P＝±Ps+ε0εfE，其中±Ps是自发极化，分别与电场E直接平行或反平行，ε0是真空介电常数，并且εf是铁电材料的介电常数。铁电材料中自发极化的不同方向之间的切换发生在矫顽电场Ec处。为了简洁起见，矫顽电场也称为矫顽场。
铁电纳米颗粒的铁电材料包括Pb(Zr,Ti)O3、PbTiO3、或其他铁电氧化物HfO2、特别是掺杂的HfO2(包括例如，锆)、BaTiO3、Ba(Sr,Ti)O3、或其他铁电氧化物P(VDF-TrFE。可替代地或另外地，它包括超铁电材料LiZnAs、LiBeSb、NaZnSb、LiBeBi。在超铁电材料中，矫顽场可以实现明显大于去极化电场的值，这使得能够例如在控制温度和应变以调节系统的同时容易地选择Qc和Qs的所需相对强度。
铁电纳米颗粒104a、104b中的每一个都足够小以支持单畴铁电状态。为此，根据铁电纳米颗粒104a、104b的铁电材料，所形成的铁电纳米颗粒104a、104b的最大延伸(即，体对角线)不大于100nm、50nm、30nm、20nm或10nm。铁电纳米颗粒104a、104b的典型尺寸为1nm、5nm、10nm、50nm或100nm。
所描绘的铁电纳米颗粒104a、104b处于三种可能的铁电极化状态106之一，为了简洁起见，在下文中也称为极化状态106。
极化状态106是指铁电纳米颗粒104a、104b的总极化状态106，即，指铁电纳米颗粒104a、104b的单独(即，铁电)极化状态的组合。
更具体地，极化状态106是指铁电纳米颗粒104a、104b的总(即，铁电)极化的总(净、全部)极化在轴z上的投影。换句话说，极化状态106是指总极化的z分量。
对应地，单独极化状态是指铁电纳米颗粒104a、104b的单独极化在轴z上的投影。
所描绘的极化状态106的特征在于铁电纳米颗粒104a、104b的反平行单独极化状态，其中铁电纳米颗粒104a的单独极化沿着(即，平行于)轴z，并且铁电纳米颗粒104b的单独极化反平行于轴z。当铁电纳米颗粒104b的单独极化沿着轴z并且铁电纳米颗粒104a的单独极化反平行于轴z时，实现了相同的极化状态，即具有总极化的相同z分量。在所描绘的实施例中，这两种配置是等效的，因为铁电纳米颗粒104a是等效的(即具有相同的单独极化)。因此，这两种配置建立了极化状态106中的第一极化状态。
当铁电纳米颗粒104a、104b的单独极化都沿着轴z时，实现第二极化状态106。
当铁电纳米颗粒104a、104b的单独极化都与轴z反平行时，实现第三极化状态106。
铁电纳米颗粒104a夹在传导层102、112的第一第一区段110a、120a之间。反之亦然，传导层102、112的第一第一区段110a、120a或其对应表面分别对应于铁电纳米颗粒104a在传导层102、108上的投影。
传导层102、112的第一第一区段110a、120a和铁电纳米颗粒104a形成第一铁电电容器124。
对应地，传导层102、112的第二第一区段110b、120b与铁电纳米颗粒104b相关联。传导层102、112的第二第一区段110b、120b和铁电纳米颗粒104b形成第二铁电电容器126。
第一传导层102的第一区段110a、110b具有总面积110，所述总面积对应于铁电纳米颗粒104a、104b分别在第一传导层102上或在其表面118上的投影。在本公开的上下文中，该面积110被称为铁电纳米颗粒104a、104b的总表面投影面积。
铁电纳米颗粒104a、104b的总表面投影面积110、120可替代地由铁电纳米颗粒104a、104b在第二传导层112上的投影120限定。可替代地，铁电纳米颗粒104a、104b的表面投影面积110、120由铁电纳米颗粒104a、104b限定的铁电电容器124、126的面积之和限定。
传导层102、122中的每一个的面积超过铁电纳米颗粒104a、104b的总表面投影面积110、120。因此，传导层102、122的多余部分102’、112’延伸超过第一区段110a、110b、120a、110b。
这些多余部分102’、112’形成介电电容器130，即具有线性电荷-电压特性或没有(显著)滞后的电容器。
在所描绘的实施例中，介电电容器130包括被布置在传导层102、112的第二部分102’、112’之间的介电材料122。在所描绘的实施例中，介电材料122填充传导层102、112的多余部分102’、112’之间的整个空间，使得第二部分102’、112’与传导层102、112的多余部分102’、112’相同。
介电材料122的特征在于其极化与所施加电场线性相关，P＝ε0εdE，其中εd是介电材料122的介电常数。根据实施例，介电材料包括高κ电介质，如Al2O3、Li2O、HfSiO4、Sc2O3、SrO、ZrO2、Y2O3、BaO、Ta2O5、BaO、WO3、MoO3、TiO2、SrTiO3、DyScO3。介电材料122还可以包括低κ电介质，如SiO2或有机电介质。在替代实施例中，介电材料122被实施为气隙，所述气隙可以填充有替代气体或真空。
在所描绘的实施例中，介电材料122用作介电隔离材料122以将铁电纳米颗粒104a、104b彼此分离。为此，介电材料122被布置在铁电纳米颗粒104a、104b之间，并且在水平/侧向平面x、y中单独地包围铁电纳米颗粒104a、104b。
铁电纳米颗粒电容器器件100使用现有的纳米制造程序、特别是在半导体工业背景下开发的纳米制造程序来制造。这些程序允许以精确和可靠的方式制造复杂的设计。例如，制造的进步使得能够在合适的衬底支撑件上创建铁电纳米颗粒电容器器件100的三维设计。分别具有选定类型掺杂或传导性(例如，n传导性)的示例性单晶半导体衬底可从各种来源商购获得。适当的几何设计是通过适当的光刻和刻蚀技术实现的，例如电子束光刻和离子刻蚀。传导元件102、112是通过CVD和PVD方法和/或其他合适的工艺形成的。在沉积第一传导元件102、112之后，使用例如ALD方法和/或其他合适的工艺在其上安置铁电层。构成的铁电纳米颗粒104a、104b由铁电层单独或一起结构化，例如在单个结构化步骤中。在前一种情况下，每个阶段的几何配置都是使用适当的光刻技术设计的，例如极紫外光或电子束光刻。介电材料122任选地通过例如ALD技术生长在第一传导元件102、112之上。沉积第二传导元件102、112。例如通过CVD和PVD方法将任选的互连结构形成在衬底上或衬底中，以形成栅极、源极和漏极布线连接。器件100的图案化和架构将通过例如Cadence Allegro软件包和/或其他合适的包来实施。
为了说明铁电纳米颗粒电容器器件100的工作机制，图2a、图2b涉及了传导元件102、112之间的单个铁电纳米颗粒104a的情况，其中电荷控制器件114电连接114a到传导元件102、112之一。
如图2a所示，铁电纳米颗粒104a被均匀极化，并被限制在携带电荷132的两个传导元件102、112之间。铁电纳米颗粒可以停留在两种单独的(铁电)极化状态106a中的任一种：具有沿z轴“向上”极化的状态(+1)和具有“向下”极化的状态(-1)。传导元件102、112之间的单个铁电纳米颗粒104a因此实施两个对应的逻辑级|+1)和|-1)。
因此，可以通过施加到传导元件102、112的电荷来控制单独的极化状态106a。图2a的单个铁电纳米颗粒104a被限制在传导元件102、112之间，因此实施了具有逻辑级|+1)和|-1)的二值(即，二级)逻辑器件。
在这里和下文中，具有与传导元件102、112中的至少一个传导元件的电连接114a的电荷控制器件114被用于控制(多个)相应传导元件102、112的电荷，从而控制铁电纳米颗粒104a的单独极化状态106a或图1的极化状态106。这种方法不同于控制传导元件处的电压的传统技术。有利的是，通过电荷控制和电荷控制器件114，与基于电压控制的传统技术相比，图1中的纳米颗粒104a或纳米颗粒104a、104b以及其相应的极化状态106a、106的寻址可靠得多。
重要的是，操作铁电纳米颗粒104a的极化的有效电场E不仅包括由传导板上的电荷132感应的场，还包括由出现在位于铁电纳米颗粒104a与传导元件102、112之间的界面处的极化场线的终止点处的束缚电荷Qs＝SPs感应的去极化场。在这里，Ps是指与极化状态106a相关联的铁电纳米颗粒的自发极化。单个铁电纳米颗粒电容器的电压-电荷关系由CfV＝Q±Qs给出，其中V是电压，并且Cf＝ε0εfS/d，是铁电材料的电容，并且符号±对应于极化106a的“向上”(+1)或“向下”(-1)取向。
图2b例示了与图2a的(+1)和(-1)极化状态106a相对应的静电能随所施加的电荷Q的变化W±＝(Q±Qs)2/2Cf。它们相对于Q＝0在±Qs上偏移，并且最小值对应于传导元件102、112上的电荷精确地补偿导致零内部场的束缚电荷的情况。抛物线的端点N0(对应于临界电荷Q1,2)对应于具有给定极化方向的极化状态106a相对于切换到具有相反极化方向的极化状态106a变得不稳定的情况。对应于切换(-1)→(+1)和(+1)→(-1)的临界电荷N0分别由Q1，2＝±(Qs-Qc)给出，其中Qc＝CfEcd。该能量曲线产生电荷-电压双分支切换滞后回线V(Q)，其中上分支和下分支分别对应于极化状态106a或逻辑级|+1)和|-1)。
图3示出了图1的铁电纳米颗粒电容器器件100的有效电路。铁电纳米颗粒电容器器件100包括两个铁电电容器124、126，每个具有电容Cf。它进一步包括具有电容Cd的介电电容器130，所述介电电容器并联连接到铁电电容器124、126。
有效电路进一步包括与传导元件102、112中的至少一个电接触114a的电荷控制元件114。电荷控制元件114适于将电荷Q施加到与其连接的(多个)传导元件102、112。
重要的是，被施加到传导元件102、112的电荷Q可以不均匀地分布在传导元件102、112之上，从而在第一铁电纳米颗粒104a的区域中(或分别在与第一铁电电容器124相对应的传导元件102、112的第一第一区段110a、120a上)形成电荷Qa，在第二铁电纳米颗粒104b的区域中(或分别在与第二铁电电容器126相对应的传导元件102、112的区段110b、120b上)形成电荷Qb，并且在介电材料130的区域中(或分别在与介电电容器130相对应的传导层102、112的第二部分或多余部分102’、112’上)形成电荷Qd。
对应的电容器124、126、130的电荷Qa、Qb和Qd由电容器的板处的电势相等来确定并且由以下条件来确定：其考虑到Qa+Qb+Qd＝Q。在这里，加号和减号的每个特定组合对应于系统的极化状态106，Cf＝ε0εfSf/d是铁电材料的电容，并且Cd＝ε0εd(S-2Sf)/d是介电间隔物的电容。由上述条件得到Qa，b＝(Cf/Ceff)Q±Qs，Qd＝(Cd/Ceff)Q，其中/>是整个系统的有效电容。
图4a图示了出现的极化状态106以及其总能量W。
在下文中，术语“级(level)”是指逻辑级(logicallevel)，这两个术语等效使用。
这些级由铁电纳米颗粒104a、104b的极化状态106表示，反之亦然。换句话说，极化状态106提供了这些级。因此，术语“级”和“极化状态”可以等效使用。
极化状态106优选地是离散的极化状态106，例如，在两种不同极化状态106之间的切换以铁电极化的微妙的、突然的变化为特征的意义上。换句话说，铁电纳米颗粒104a、104b适于在离散极化状态106之一之间不假设有任何稳定的铁电极化。
极化状态106是通过最小化总能量来确定的，这给出了与定义逻辑级|-1)、|0)和|+1)的以上三种状态106中的任一种相对应的能量。即，W-1＝(Q-2Qs)2/2Ceff，W0＝Q2/2Ceff，以及W+1＝(Q+2Qs)2/2Ceff。当对应的铁电纳米颗粒104a、104b内部的场超过矫顽场Ec时，逻辑级之间的切换发生。它发生在电容器总电荷的四个不同值(对于级|0)，Q1，4＝±Qc；对于级|-1)，Q2＝2Qs-Qc；并且对于级|+1)，Q3＝-2Qs+Qc)处，其中QC＝CeffEcd。
图4a、图5a和图6a呈现了极化状态106(|-1)、|0)和|+1))的上述能量曲线W+1(Q)、W0(Q)、W-1(Q)。图4b、图5b和图6b分别呈现了对应的三分支滞后回线，以及用于寻址极化状态106(|-1)、|0)和|+1))或在它们之间切换的路由。极化状态106(|-1)、|0)和|+1))与电荷-电压特性的三个分支以及相关联。
图4a、图4b、图5a、图5b、图6a和图6b表示由有效电荷参数Qc和Qs的相对强度确定的滞后回线拓扑结构的三个现有的不同方案。
对于情况3Qs＞Qc＞2Qs，在图4a、图4b中例示了极化状态106(|-1)、|0)和|+1))的能量曲线和跃迁序列。端点N0对应于铁电纳米颗粒104a、104b之一朝向具有相反极化106的最低能量状态的切换不稳定性。在所述临界电荷Q1、Q2、Q3和Q4处，逻辑级|-1)、|0)和|+1)之间顺序切换的对应滞后回线在图4b中展示。
图5a、图5b呈现了在Qc＞3Qs条件下实现的能量曲线和电荷-电压特性。尽管在Q＝0时实现了三个逻辑级|-1)、|0)和|+1)，但中间铁电极化状态|0)在拓扑上是不稳定的，因为一旦发生了从该逻辑级到|-1)或|+1)的切换，系统就永远无法切换回|0)逻辑级，并且在最小铁电极化状态|-1)与最大铁电极化状态|+1)之间切换的双分支滞后回线成为唯一有效的方案。然而，系统切换到“隐藏”逻辑级|0)可以通过改变不同于电荷的外部参数来实现，例如通过涉及经过高温顺电(paraelectric)状态的热循环。
图6a和图6b呈现了在Qc＜2Qs条件下实现的能量曲线和电荷-电压特性。在零电荷处只有一个逻辑级|0)，但在有限电荷时发生滞后切换，从而实施了三位置继电器元件，也被称为施密特触发器。
重要的是，图4b(图4a)、图5b(图5a)和图6b(图6a)中所示的滞后回线实现了3级逻辑中所有拓扑上可能的切换集[Baudry,L.,Lukyanchuk,I.和Vinokur,V.Sci.Rep.[科学报告]7,42196(2017)]。在我们的实施例中，与材料相关的关键参数Qs和Qc的关系决定了实现哪种类型的逻辑。具体的切换性质/方案可以通过选择参数Qs和Qc之间的期望比率来实现，或者通过分别适当地选择铁电纳米颗粒104a、104b的尺寸和材料组成来实现。
图7a呈现了与图1中的类似的铁电纳米颗粒电容器器件100的实施例，该铁电纳米颗粒电容器器件可替代地实施了图4b(图4a)、图5b(图5a)和图6b(图6a)中所示的滞后回线。
与图1相比，所形成的图7a的铁电纳米颗粒电容器器件100具有以下各种修改：它包括电荷控制器件104，所述电荷控制器件由附加传导元件202和介电间隔物204构成。另外，图7a的铁电纳米颗粒电容器器件100包括温度控制元件206。它还包括力控制元件210。根据各种实施例(未示出)，所形成的铁电纳米颗粒电容器器件100具有所描述的修改(电荷控制器件104和/或温度控制元件206和/或力控制元件210)中的任一个、任何组合或全部。
电荷控制器件104包括被布置在第一传导元件102下方的附加传导元件202，所述附加传导元件与被布置在第一传导元件102上方的第二传导元件112相对。
电荷控制器件104进一步包括介电间隔物204，所述介电间隔物形成为第一传导元件102与附加传导元件202之间的介电材料层204，以使它们彼此电绝缘。介电间隔物204由上述介电材料之一构成，并且优先地包含SrTiO3、SiO2、Si3N4或HfO2。
电荷控制器件104通过在附加传导元件202与第二传导元件112之间施加电压来操作，同时第一传导元件102保持在固定电荷(例如，电浮动)，使得电荷施加到第二传导元件112。
温度控制元件206被实施为加热器206、更具体地被实施为欧姆加热器(Ohmicheater)206。加热器206被布置在传导元件102、112下方，以加热相应的传导元件102、112，从而加热铁电纳米颗粒104a、104b。铁电纳米颗粒104a、104b的温度变化可以在10开-300开的范围内。
图7a的铁电纳米颗粒电容器器件100进一步包括衬底208，以支撑铁电纳米颗粒电容器器件100。
衬底被布置在传导元件102、112下方，并且被布置在附加传导元件202(如果存在的话)下方。衬底与(第一、第二或附加)传导元件102、112、202之一热接触；例如经由直接物理接触或经由如金属或足够薄(<100nm或<20nm)的中间层等导热材料的间接接触。
使用加热器223加热衬底208引起膨胀212形式的机械变形212，所述机械变形在铁电纳米颗粒104a、104b中产生应变。可替代地，应变也可以由当将电场被施加到衬底208时产生的压电效应引起。例如，产生的应变可以在晶格常数的0.001-0.1％的范围内。
温度控制元件206和/或力控制元件210允许通过外部刺激温度和/或应变来调节参数Qs与Qc之间的相互关系。因此，它们允许对所述器件100的切换逻辑进行动态修改。这种调节可以通过考虑这些参数的不同温度和应变依赖性来完成。所谓的超电材料，例如LiZnAs、LiBeSb、NaZnSb和LiBeBi，对铁电纳米颗粒104a、104b的实施特别有益，因为在这些材料中，矫顽场可以实现显著大于去极化电场的值，并且参数Qs和Qc的相对强度可以在相当宽的范围内变化。
图7b示出了图7a的铁电纳米颗粒电容器器件100的等效电路。附加传导元件202与介电间隔物204形成具有电容Ci的附加电容器214。附加电容器214与电容器124、126、130共享第一传导元件102。因此，等效电路包括串联连接的电容器124、126、130(由传导元件102、112限定)和附加电容器214(由传导元件102、202限定)。第二传导元件112和附加传导元件202在它们之间接收输入电压Vin。由电压Vin引起的传导元件102、112处的电荷由等式Vin＝Q/Ci+V(Q)给出，其中V(Q)是由如图4b、图5b、图6b所例示的电荷-电压特性确定的电压。当电容器124、126、130的并联布置的有效电容显著超过附加电容器214的电容时，这种关系变得特别简单并且变换为Q≈Ci Vin。控制铁电纳米颗粒104a、104b的极化状态106的电荷由被施加到第二传导元件112和附加传导元件202的电压Vin直接调节。
图8a图示了将铁电纳米颗粒电容器器件100集成到场效应晶体管300中，从而可替代地实施了图4b(图4a)、图5b(图5a)和图6b(图6a)中所示的滞后回线。图8b示出了图8a的器件100的等效电路。
场效应晶体管300包括源极/漏极区304、306、在源极/漏极区304、306之间延伸的沟道302、以及被布置在沟道302上的栅极堆叠308。场效应晶体管300进一步包括接地的体电极312。
沟道302用作图8a的上下文中描述的附加传导元件202。
栅极电介质204是防止第一传导元件102与沟道302之间的电荷泄漏的高κ介电层。
栅极堆叠包括由介电间隔物204提供的栅极电介质204和至少一个电极。在所描绘的实施例中，栅极堆叠308的至少一个电极由与图1中的类似的铁电纳米颗粒电容器器件100提供。更具体地，铁电纳米颗粒电容器器件100的第二传导元件112用作晶体管300的栅极电极，并且被连接到外部电压源以接收驱动电压Vin。优选地，驱动电压Vin被施加在第二传导元件112与附加传导元件(沟道)202、302之间，实施以上在图7a的上下文中描述的电荷控制器件114。
如以上在先前实施例的上下文中所述，将第一传导元件102保持在恒定电荷，例如保持电隔离和浮动。因此，它用于稳定铁电纳米颗粒104a、104b的极化106。此外，浮动的第一传导元件102使沿着铁电纳米颗粒104a、104b与第一传导元件102之间的界面的电势均匀，从而维持跨栅极堆叠308和衬底304的均匀电场。
在驱动电压Vin变化的适当方案下操作沟道302中的电流的电压Vout的逐步切换实现了与拓扑上可能的滞后回线之一相对应的多级逻辑切换序列(参见图4a至图6b)。逻辑级切换顺序可以通过外部刺激来修改，例如通过温度或应变，如以上在图7a、图7b的上下文中所述，从而允许对铁电纳米颗粒电容器器件100的切换逻辑进行动态修改。
根据不同的实施例，铁电纳米颗粒电容器器件100由以上在图7a的上下文中所述的温度控制元件206和/或力控制元件210形成，例如代替衬底312而被集成到衬底312中或衬底312下方。在后一实施例中，应用具有高导热性的衬底312。
图9a、图9c呈现了用于实施在拓扑上可配置的4级逻辑单元的铁电纳米颗粒电容器器件100的实施例。图9b、图9d示出了表示4个逻辑级的相应极化状态106。
图9a示出了在传导元件102、112之间具有三个相同的、例如圆柱形铁电纳米颗粒104a、104b、104c的铁电纳米颗粒电容器器件100。铁电纳米颗粒104a、104b、104c提供相等的矫顽场和相等的横截面。
在所描绘的实施例中，介电隔离材料122填充传导元件102、114之间的残余空间。
使用如上所述的电荷控制元件114，通过放置到传导元件102、114中的至少一个上的电荷Q来驱动和控制系统。
如图9b所示，图9a的铁电纳米颗粒电容器器件100提供了极化状态(+++)、(++-)(或等效地，(+-+)和(-++))、(+--)或等效地(-+-)和(--+)，以及最后(---)，其中图9b中向下(或向上)的箭头表示相对于z轴的负“-”或正“+”极化。
因此，图9a的铁电纳米颗粒电容器器件100实现了特征分别在于逻辑级|+2)、|+1)、|-1)和|-2)的4级逻辑。
图9c示出了用于实施4级逻辑器件的铁电纳米颗粒电容器器件100的另一个实施例。在这里，两个非等效铁电纳米颗粒104a、104b被安置在传导元件102、112之间并被介电隔离材料122涂覆。铁电纳米颗粒104a、104b可以由不同的铁电材料制成并且可以具有不同的尺寸。
图9d图示了图9c的铁电纳米颗粒104a、104b的极化状态106，其类似于图4a中与图1的铁电纳米颗粒104a、104b、104c相关联的极化状态106。然而，在图9d中，由于状态(+-)和(-+)不相等，所以四种极化状态106实施了4级逻辑单元的逻辑级，即 以及/>
除了铁电纳米颗粒104a、104b、104c的数量或尺寸/材料组成外，图9a、图9c的实施例与图1的实施例相似。在替代实施例(未描绘)中，在图9a或图9c的上下文中描述的铁电纳米颗粒104a、104b、104c(即，具有相应的数量或具有相应的尺寸/材料组成)被应用于类似于图7a或图8a的实施例的铁电纳米颗粒电容器器件100中。
图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g和图10h图示了和与图9a或图9c中的类似的铁电纳米颗粒电容器器件100的极化状态106相关联的电荷-电压滞后回线。
与上面针对3级逻辑单元给出的那些考虑类似的考虑表明，铁电纳米颗粒104a、104b的所述4级配置的滞后回线V(Q)具有对应于逻辑级116(|+2)、|+1)、|-1)和|-2))的四个分支。图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g和图10h呈现了4级逻辑中具有不同切换序列的所有可能的滞后回线[Baudry,L.,Lukyanchuk,I.和Vinokur,V.Sci.Rep.[科学报告]7,42196(2017)]。
图10a示出了通过改变传导元件102、112处的电荷Q来驱动的逻辑级/极化状态106(|+2)、|+1)、|-1)和|-2))之间的顺序切换的电荷-电压滞后回线。
图10a、图10b、图10c和图10d中的电荷-电压滞后回线对应于可以使用的逻辑级/极化状态106(|+2)、|+1)、|-1)和|-2))之间的不同切换序列、或具有访问被存储在这些逻辑级/极化状态106(|+2)、|+1)、|-1)和|-2))处的信息的不同拓扑方式的四级逻辑存储器或其他处理方案的设计。
图10e和图10f的电荷-电压滞后回线包括“隐藏”逻辑级|-1)、|1)。如果被存储在“隐藏级”|-1)、|1)处的信息需要受到保护以免于不希望的更改和其他干扰，则可以使用这样的方案。任何访问这些级|-1)、|1)的尝试都将立即将对应的信息单元切换到另一级|-2)、|2)，而不可能进行反向恢复。因此，所述电荷-电压滞后回线提供了铁电纳米颗粒电容器器件100的安全保护，这是本公开的特别新颖的特征。
图10g和图10h的电荷-电压滞后回线实施了电子器件中多种应用所需的多级施密特触发器。
通过选择铁电纳米颗粒104a、104b、104c的适当尺寸和材料组成，图9a或图9c的铁电纳米颗粒电容器器件100能够实施图10a、图10b、图10c、图10d、图10e、图10f、图10g和图10h中表示的电荷-电压滞后回线中的任何预选择的电荷-电压滞后回线。
控制外部刺激，例如温度或应变，如以上在图7a、图8b的上下文中所述，电荷-电压滞后回线和逻辑级/极化状态106(|+2)、|+1)、|-1)和|-2))之间的切换序列可以动态地选择和修改，即，在制造具有铁电纳米颗粒104a、104b、104c的给定尺寸和材料组成的铁电纳米颗粒电容器器件100之后。
类似地，对于包括多于三个、例如四个、五个或任何更大数量的铁电纳米颗粒104a、104b、104c的铁电纳米颗粒电容器器件100，可以控制电荷-电压滞后回线。最初可以通过选择适当数量的适当铁电纳米颗粒104a、104b、104c以及其尺寸和材料组成来控制电荷-电压滞后回线。稍后的动态控制通过结合如上所述的温度控制元件206或力控制元件来实现。为了确保极化状态106之间在总能量W、电压V和/或电荷Q方面的足够间隔，较小数量的铁电纳米颗粒104a、104b、104c，如至多10个、5个、4个或三个铁电纳米颗粒104a、104b、104c是优选的。换句话说，极化状态106的数量应当被限制、例如限制为至多64、32、16、8或5种极化状态106。较少数量的铁电纳米颗粒104a、104b、104c和/或较少数量的极化状态106提高了极化状态106的切换和读出的可靠性。
具有多于三个铁电纳米颗粒104a、104b、104c的实施例使用上述(铁电和/或介电)材料以及上述温度和/或应变范围；而且其余的器件参数也类似于上面描述的那些。包括任何其他数量的纳米颗粒以及其配置的器件实现了多级逻辑单元，所述多级逻辑单元具有更复杂的电荷-电压滞后回线路由，从而实现了甚至更高级别的神经形态计算。
图11图示了用于操作铁电纳米颗粒电容器器件100的方法400。
铁电纳米颗粒电容器器件100类似于上面在图1、图7a、图8a、图9a或图9c的上下文中描述的铁电纳米颗粒电容器器件100之一。这些铁电纳米颗粒电容器器件100中的任一个提供具有最大(和最小)铁电极化的最大铁电极化状态(和最小铁电极化状态)，使得所述至少三种极化状态中没有一种极化状态具有大于(或分别小于)最大铁电极化状态(或最小铁电极化状态)的铁电极化。此外，这些铁电纳米颗粒电容器器件100中的任一个提供具有最小铁电极化与最大铁电极化之间的极化的中间铁电极化状态。
在步骤402处，方法400包括选择中间铁电极化状态。
在步骤404处，方法400包括根据所选择的中间铁电极化状态来选择第一电压或电荷。
在步骤406处，方法400包括将第一电压或电荷施加到所述对中的传导元件102、112，以将铁电纳米颗粒104a、104b、104c设置为所选择的中间铁电极化状态。
优先地，基于传导元件102、112中的至少一个的电压来检测铁电纳米颗粒104a、104b、104c的当前极化状态106。为此目的，测量传导元件102、112之间的电压，其对应于上述电荷-电压滞后回线中的电压。对于给定的器件，测量的电压因此与极化状态106直接相关。
可替代地，铁电纳米颗粒104a、104b、104c的当前极化状态106是基于传导元件102、112中的至少一个的电压的变化来检测的，如通过对传导元件102、112中的至少一个的电压的跳变进行计数。为此目的，连续进行电压测量以识别电压的变化。
在选择第一电压或电荷的两个选项中，选择第一电荷是优选的。对应地，施加第一电荷是优选的。
将所述对中的其他传导元件102、112保持在恒定电荷。
优选地，将第一电压或电荷施加在传导元件之一(即，上述第二传导元件112)与上述附加传导元件202、302之间，优选地使用上述电荷控制器件114。
当被施加到具有如图10a所示的电荷-电压滞后回线的铁电纳米颗粒电容器器件100时，被施加到传导元件102、112的电压或电荷持续增加，直到达到第一电压或电荷。为了达到具有较大或较小(即，更负)极化的极化状态106，将较大或较小的电压或电荷施加到传导元件102、112。
此后，可以将被施加到传导元件102、112的电压或电荷减小到零，从而保持极化状态106被保留。因此，铁电纳米颗粒电容器器件100实施了非易失性存储器，所述非易失性存储器可以被用于在没有外部电源、电压或电荷支持的情况下存储信息。
当被施加到具有如图10b所示的电荷-电压滞后回线的铁电纳米颗粒电容器器件100时，为了达到中间铁电极化状态|+1)，首先需要将施加到传导元件102、112的电压或电荷增加到足以达到状态|+2)的正值。此后，降低施加的电压，直到达到负的第一电压或电荷，从而将极化设置为状态|+1)。将反向电压或电荷序列施加到传导元件102、112以达到中间铁电极化状态|-1)。
当被施加到具有如图10c所示的电荷-电压滞后回线的铁电纳米颗粒电容器器件100时，为了达到中间铁电极化状态|+1)，首先需要将被施加到传导元件102、112的电压或电荷增加到足以达到状态|+2)的正值。此后，将施加的电压降低到负值，直到铁电纳米颗粒104a、104b、104c切换到状态|-1)。此后，将施加的电压增加，直到达到正的第一电压或电荷，从而将极化106设置为状态|+1)。将反向电压或电荷序列施加到传导元件102、112以达到中间铁电极化状态|-1)。
在具有如图5b、图10e、图10f的上下文中所示的“隐藏状态”的铁电纳米颗粒电容器器件100中，加热铁电纳米颗粒104a、104b、104c和/或向铁电纳米颗粒104a、104b、104c施加机械力可以被用于将铁电纳米颗粒104a、104b、104c的极化状态106设置为隐藏状态。
可替代地，加热铁电纳米颗粒104a、104b、104c和/或向铁电纳米颗粒104a、104b、104c施加机械力被用于改变铁电纳米颗粒电容器器件100的电荷-电压滞后回线。
实施例和附图的描述仅用于说明本公开的技术以及与其相关联的有益效果，但不应暗示任何限制。本公开的范围将根据所附权利要求来确定。
附图标记清单
100 铁电纳米颗粒电容器器件
102、112 (一对)传导元件
104a、104b 铁电纳米颗粒
106 极化状态
108、118 传导元件的彼此面对的表面
110a、120a 与铁电纳米颗粒104a相关联的传导元件的第一区段(第一第一区段)
110b、120b 与铁电纳米颗粒104b相关联的传导元件的第一区段(第二第一区段)
110、120 铁电纳米颗粒的总表面投影面积
114 电荷控制器件
114a 电连接
122 介电隔离材料
124、126、128第一铁电电容器、第二铁电电容器、第三铁电电容器
130 介电电容器
132 电荷
Cf (第一)铁电电容器的电容
Cd 介电电容器的电容
102’、112’ 介电隔离材料上方/下方的传导元件的区段
202 附加传导元件
204 介电间隔物
206 加热器、温度控制元件
208 衬底
210 力控制元件
212 机械变形
214 电荷控制器件、串联电容器
300 晶体管
302 沟道
304 半导体衬底
306 源极/漏极区
308 栅极堆叠
310 栅极电极
312 底部电极

Claims (15)

1.一种铁电纳米颗粒电容器器件(100)，包括：
彼此电绝缘的传导元件(102，112)的对；以及
铁电纳米颗粒(104a，104b)，所述铁电纳米颗粒被布置在所述对中的所述传导元件(102，112)之间；
其中，所述铁电纳米颗粒(104a，104b)适于提供具有不同总铁电极化的至少三种极化状态(106)。
2.根据权利要求1所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，其中，在所述对中的所述传导元件之间布置至多10个铁电纳米颗粒(104a，104b)、特别是至多5个铁电纳米颗粒(104a，104b)、或至多3个铁电纳米颗粒(104a，104b)、或确切地3个铁电纳米颗粒(104a，104b)、或确切地2个铁电纳米颗粒(104a，104b)。
3.根据权利要求1或2所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，
其中，所述对中的所述传导元件(102，112)包括彼此面对的相应表面(108，118)，并且
其中，所述相应表面(108，118)的相应表面积各自超过所述铁电纳米颗粒(104a，104b)的总表面投影面积(110，120)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，其中，所述铁电颗粒(104a，104b)被彼此间隔开，和/或其中，介电隔离材料(122)被布置在所述铁电纳米颗粒(104a，104b)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，
其中，所述铁电纳米颗粒(104a，104b)中的第一铁电纳米颗粒(104a)具有第一尺寸，
其中，所述铁电纳米颗粒(104a，104b)中的第二铁电纳米颗粒(104b)具有第二尺寸，并且
其中，所述第一尺寸比所述第二尺寸大、特别是大至少10％、或至少30％、或至少50％、或至少二倍。
6.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，其中，所述铁电纳米颗粒沿任何方向的相应尺寸不超过100nm、特别是不超过50nm、或不超过30nm、或不超过20nm、或不超过10nm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，其中，所述铁电纳米颗粒(104a，104b)包括相应的单畴铁电状态。
8.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，其中，所述对(102，112)中的第一传导元件(102)适于携带恒定电荷和/或是电绝缘的和/或电浮动的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，进一步包括电荷控制器件(114)，所述电荷控制器件适于控制和/或改变所述对中的第二传导元件(112)上的电荷。
10.根据权利要求9所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，其中，所述电荷控制器件包括与传导元件(102，112)的所述对电绝缘的附加传导元件(202)，并且其中，所述电荷控制器件(114)适于在所述附加传导元件(202)与所述第二传导元件(112)之间施加电压。
11.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)，进一步包括：
温度控制元件(206)，所述温度控制元件适于控制和/或改变所述铁电纳米颗粒(104a，104b)的温度；和/或
力控制元件(210)，所述力控制元件适于控制和/或改变被施加到所述铁电纳米颗粒(104a，104b)的机械力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的铁电纳米颗粒电容器器件(100)作为多逻辑级数据存储器件的用途。
13.一种用于操作铁电纳米颗粒电容器器件(100)的方法(400)，
其中，所述铁电纳米颗粒电容器器件(100)包括：
彼此电绝缘的传导元件(102a，112)的对，以及
铁电纳米颗粒(104a，104b)，所述铁电纳米颗粒被布置在所述对中的所述传导元件(104a，104b)之间；
其中，所述铁电纳米颗粒(104a，104b)适于提供具有不同总铁电极化的至少三种极化状态(106)，所述至少三种极化状态包括最小铁电极化状态、最大铁电极化状态和至少一种中间铁电极化状态；
所述方法(400)包括：
选择(402)中间铁电极化状态；
根据所选择的中间铁电极化状态选择(404)第一电压或电荷；以及
将所述第一电压或电荷施加(406)到所述对中的传导元件(102，112)以将所述铁电纳米颗粒(104a，104b)设置为所选择的中间铁电极化状态。
14.根据权利要求13所述的方法(400)，进一步包括：
在施加所述第一电压或电荷以将所述铁电纳米颗粒设置为所选择的中间铁电极化状态之前：
提供处于所述至少三种极化状态(106)中的第一极化状态的所述铁电纳米颗粒(104a，104b)，其中，所述第一极化状态不同于所选择的中间铁电极化状态；
根据所选择的中间铁电极化状态和/或根据所述第一极化状态来选择第二电压或电荷；以及
将所述第二电压或电荷施加到所述对中的所述传导元件(102，112)以将所述铁电纳米颗粒(104a，104b)从所述第一极化状态设置为所述至少三种极化状态(106)中的第二极化状态，其中，所述第二极化状态不同于所述第一极化状态和所选择的中间铁电极化状态两者。
15.根据权利要求13或14所述的方法(400)，
其中，所选择的中间铁电极化状态是剩余状态，和/或
其中，所述方法进一步包括降低被施加到所述传导元件(102，112)的所述电压或电荷，并且由此保持所设置的中间铁电极化状态；特别是，将所述电压降低至少30％、至少以2为系数降低、至少以3为系数降低、至少以5为系数降低、至少以10为系数降低、或至少以100为系数降低。
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FR3030115B1 (fr) * 2014-12-10 2017-12-15 Commissariat Energie Atomique Condensateur a capacite variable comprenant une couche de materiau a changement d'etat et un procede de variation d'une capacite d'un condensateur

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