CN1481034A - 有机薄膜开关存储装置及存储器设备 - Google Patents

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Abstract

一种有机开关存储装置包括多个第一电极线；在多个第一电极线上形成的有机存储层，有机存储层具有电压—电流滞后特性；堆叠在有机存储层上的半导体二极管层，和在半导体二极管层上形成的多个第二电极线，多个第二电极线在同一方向排列，使得与多个第一电极线交叉。

Description

有机薄膜开关存储装置及存储器设备
发明领域
本发明涉及一种允许写和重写的并在其中使用有机材料的有机开关存储装置，同时涉及一种具有该存储装置的存储器设备或诸如此类装置。
相关技术描述
近些年来，研究和发展一直在努力寻求开发应用有机材料的功能性装置或电子元件。传统的应用有机材料的存储器装置的例子包括，如，在日本专利Kohyo No.2001-516964中披露的使用一个有机二极管的掩膜ROM(只读存储器)。由于存储器装置不允许电写，存储器装置的使用被限定为一个掩膜ROM，存储元件因此不能应用到一个可实现电写或重写的存储器装置中。
更进一步地，其他存储器装置的例子包括由日本专利KokaiNo.08-116109中披露的存储器装置。该存储器装置利用一个根据电压的施加而改变电阻并且甚至在该施加电压消失之后保持该电阻值的有机材料。尽管这样一种存储器必须与开关元件结合以增加存储器装置容量，但并没有提出一种简单的方法来利用有机材料的特性。
发明内容
因此已有技术已经面临一个问题，即很难去实现一个大容量的有机存储装置及在高性能有机存储装置和存储器设备中允许电写或重写的存储设备。以上所提及的问题作为本发明将解决的问题的一个例子加以引用。
根据本发明，提供了一种有机开关存储装置，其包括多个第一电极线；一个形成在多个第一电极线上的有机存储层，该有机存储层呈现一电压—电流滞后特性；一个堆叠在有机存储层上的半导体二极管层；和形成在多个半导体二极管层上的第二电极线，多个第二电极线在一个方向放置以和多个第一电极线交叉。
更进一步地，根据本发明，提供了一种存储器设备，其包括一个有机开关存储装置，该有机开关存储装置具有多个第一电极线，形成在多个第一电极线上的一个有机存储层，该有机存储层呈现电压—电流滞后特性；一个堆叠在有机存储层上的半导体二极管层；和形成在多个在半导体二极管层上的第二电极线，多个第二电极线在一个方向放置以和多个第一电极线交叉；一个用于接收一地址指示信号、数据和写指令信号的接收器部分，该地址指示信号指示对应于多个第一电极线和多个第二电极线的交叉位置的地址；一响应写指令信号，根据地址指示信号写数据到有机开关存储装置的控制部分。
附图的简要说明
图1是根据本发明第一实施例的存储装置的一部分的平面图；
图2是包括图1所示的存储装置的存储单元部分的一个区域的剖视图；
图3与图1相对应，示出存储装置的一部分的等效电路图；
图4示出应用于存储层的有机存储材料的电流—电压特性(I-V特性)的一个例子；
图5示出利用该存储装置的存储器装置的结构；
图6是用于表示当将数据一次一个字地写入到存储装置的情况下的过程的时间图表；
图7示意地示出当电压-VL在时间tj施加到字线Wj中时位数据(B1-Bm)写到字线Wj中，也示出存储单元的状态；
图8是一用于表示当从装置一次读出一个字地读出数据的情况下的过程的时间图表。
图9是用于表示所有存储单元的内容被擦除(复位)的情况下的程序的时间表；
图10是包括根据本发明的第二实施例的存储装置的存储单元部分的区域剖视图；和
图11是包括根据本发明第三实施例的存储装置的存储单元部分的区域剖视图。
本发明的详细说明
现在参照附图详细描述本发明的实施例。在下面的用于参考的附图中，相同的附图标记表示基本相同的组成元件。
第一实施例
图1是根据本发明第一实施例的存储装置10的部分平面图，图2是包括图1所示的存储装置10的存储单元的一个区域的剖视图。如图1所示，存储器10在衬底11上，由下电极(以下，也作为位线Bi提及)12，存储层14，半导体层15，和上电极(以下，也作为字线Wj提及)16依次堆叠而成。
更详细地，衬底11由例如无碱玻璃构成。多个第一电极线由金(Au)金属层或其他金属层构成，也就是说，位线Bi(i＝1，2，…m)，以互相平行的条或斑纹的形式排列在衬底11上。存储层14由有机存储材料诸如锌酞花青(ZnPc)或者锌酞花青卟啉组成。半导体层15是一p-n结有机半导体二极管，例如其中，铜酞花青作为p-型材料，一种二萘嵌苯衍生物作为n-型材料。p-型有机半导体层与存储层14连接，n-型有机半导体层与上电极16连接，这将在下面进行描述。
多个第二电极线由金属如铝(Al)提供，即，条形的字线Wj(j＝1，2，…n)，排列在半导体层15上以便互相平行，在一个方向展开，与位线Bi空间交叉，例如与位线Bi正交的一方向。在上电极(字线Wj)16和半导体层15(n-型有机半导体层)之间形成欧姆接触。
下电极(位线Bi)12，存储层14，半导体层15和上电极(字线Wj)16通过真空蒸气沉积形成。
根据上面所提及的结构，存储单元C(j，i)形成在字线Wj和位线Bi之间的交叉区域。更具体地，每个存储单元C(j，i)的结构中，字线(Wj)16，半导体层(二极管结)15，存储层14和位线(Bi)12串联连接。更进一步的，存储单元C(j，i)以一个矩阵的形式排列。正如以后将要描述的，存储单元C(j，i)作为开关存储复合元件工作。
图3与图1对应，示出与存储装置10的部分对应的等效电路。在等效电路中，二极管Di对应于半导体层15的二极管结，电阻R对应于存储层14(图2)。一个二极管Di与电阻R的串联代表每个存储单元C(j，i)。
图4示出应用于存储层14的有机存储材料(锌酞花青：ZnPc)的电流-电压特性(I-V特性)的一个例子。这样有机存储材料呈现了滞后回路特性。更具体地，当存储材料处于高阻相位状态(复位状态)时，当施加到存储材料的电压增加，电流值随着高阻相位区域的电阻值增加而增加。随着施加的电压接近VW，电流值开始迅速增加，当施加的电压达到+VW(VW＞0)时，存储材料使相位转换到低阻相位。更进一步地，当施加电压从过渡电压VW减小时，电流值随着电阻值在低阻相位区域内减小而减小。当施加电压进一步减少，施加电压达到-VE(VE＞0)，电流值急速增加，存储材料使相位转换到高阻相位。应当注意，为简明起见，示出一种情况，其中，电流值在高阻相位和低阻相位区域内基本上成线性变化。然而，存储材料也用于具有一个I-V滞后特性，使得电流变化具有一曲线形态。
如上所述，通过等于或大于+VW(VW＞0)的电压的施加，存储材料使相位转换到低阻相位，通过等于或小于-VE(VE＞0)的电压的施加，使相位转换到高阻相位。因此，通过存储材料I-V特性的利用，二进制位数据的写入可以通过应用到存储单元的电压的变化实现。更进一步，如图4所示，这样写入的数据可通过施加在-VE和+VW之间的电压VR读出到存储装置或单元以检测电流值(即，例如，I0和I1)之间的差别。
图5示出使用存储装置10的存储设备20。存储设备20包括存储装置10，其包括上面提及的矩阵存储排列，控制器21，地址选择电路23，读/写控制电路(以下，简单提及为‘读/写电路’)24。地址指示信号由控制器21提供到地址选择电路23中，写控制信号或读控制信号由控制器21提供到读/写电路24中。地址选择电路23可包括一地址寄存器(未示出)。读/写电路24可包括一写寄存器/读寄存器(未示出)。基于外部数据和控制信号或基于内部产生的控制信号、数据和从存储装置10中读出的输出数据，控制器21执行向存储装置10中写入。更进一步，控制器21执行到存储单元的写入数据的擦除操作或总复位操作。
另外，存储设备20可包括提供增加的速度或增加的功能如错误纠正电路、刷新电路、和缓冲电路的电路。更进一步的，控制器21不必作为一单独的电路提供，如图5所示。该设备中不包括控制器21的构造也是可能的。在这样一个设备中，地址选择电路23和写/读电路24构造成随着通过数据总线指令或从诸如微处理器(CPU)等外部处理器中得到的类似指令而运行，以便实现存储装置10的写/读和擦除操作。
下面将参照附图详细描述关于存储装置10的写入、读出和擦除操作的原理。更进一步，为简化描述起见，当实现写入操作时，假定所有的存储单元C(j，i)都复位到“0”(逻辑值)。这里，高阻相位和低阻相位各自对应于“0”和“1”(逻辑值)。
在数据一次写入一个字地(例如，字到字)写入到存储装置10的情况将通过举例的方式进行描述。更具体地，执行写操作的字线电压设置为-VL(VL＞0)，电压V1(V1＞0)施加到要写入“1”的单元，电压V0(V0＞0)施加到将写入“0”的单元。在这种情况下，电压V1和V0均被设置为V1-VL＞VW，V0-V1＜VW。更进一步地，一个电压(在本实施例中为0V)施加到不经历写操作的字线，该电压足够地高以便避免由于电压V1的施加引起相位转换。可选的，不经历写操作的字线可维持在高阻抗状态。
更明确的是，如图6所示，电压-VL施加到在时间tj经历写操作的第j个字线(Wj)中。该电压在时间Δt施加到字线(Wj)中。在这种情况下，与将要写至位线Bi(i＝1，2，…m)的每位位数据一致地施加电压。图7示意地示出写入到字线(Wj)中的位数据(B1到Bm)，也演示了存储单元的状态(以下称为相位状态)。例如，当被写到字线的位数据为“1001011…”，电压V1施加到B1，B4，B6和B7中，电压V0施加到B2，B3和B5中，由于B1，B4，B6和B7对应于逻辑值“1”，B2，B3和B5对应于逻辑值“0”。如上所述。电压V1所施加的单元使相位从高阻相位(PH)转换到低阻相位(PL)。更进一步，电压V0所施加的单元由于电压V0的施加没有发生相位转换而维持高阻相位(PH)。相应地，存储单元(Cj，i)在字线Wj(其中i＝1，2，…m)上，具有阻抗相位“LHHLHLL…”与位数据对应(这里，PH由H表示，PL由L表示)。
然后，如图6所示，字线Wj的施加电压在时刻tj+Δt时为0V，电压-VL在时间段Δt施加到下一字线Wj+1中。电压V或V0施加到位线Bi(i＝1，2，…m)中，根据写入在字线Wj+1上的单元中的位数据中的每一位。结果是，在如上所述的近似方式中，单元C(j+1，i)(其中i＝1，2，…m)在字线Wj+1上具有与位数据相应的阻抗相位。数据也被写入到字线Wj+2和以近似方式写其他每个字。
下面将描述对每个字从存储装置10读出数据的过程。更具体地，如图8所示，读出电压VR施加到所有的位线(B1-Bm)中。更进一步，等于或大于VR的电压VH施加到字线中，可选的，字线也可设置为高阻状态。如图4所示，读出电压VR也设置为一不引起相位转换的电压，即，在相位转换电压+VW和0V之间的电压(0＜VR＜+VW)。在这种情况下，读出的字线(Wj)的电压变为0V，由此在存储单元C(j+1，i)(其中i＝1，2，…m)流过的各个电流的值被检测出来。写入的位数据可以通过从电流值鉴别每个单元的阻抗相位(即，高阻相位或低阻相位)而读出来。于数据写入的情况类似，期望数据通过在0V时充分扫描字线而读出。
下面将描述写入到存储装置10的数据被擦除的过程。更进一步，所有的存储单元的内容被擦除(或复位)的情况将以举例的方式进行描述。首先，如图9所示，等于或小于-VE的擦除电压-VER在时刻t0时施加到所有的字线(W1-Wn)中和所有的位线(B1到Bm)中。然后，在时刻t1，所有的位线(B1到Bm)的电压设置为0V。由于在所有的位线电压设置为0V的瞬时，施加到存储单元的电压等于或大于VE(绝对值)，所以存储单元不管这个擦除之前已有的状态(阻抗相位)，被复位到一高阻相位。更进一步的，擦除(复位)所有的存储器单元的内容的情况已经在上面描述过，然而，擦除也能对每个字或每个单元实现。
因此，如上所述，根据本发明，可以提供一种简单而且便宜并允许电写和读出的开关存储装置，也可以提供应用该存储装置的存储设备。
第二实施例
图10是包括按照本发明的第二实施例的存储装置10的存储单元部分的区域剖视图。半导体层1 5形成为用铜酞花青作材料的p-型有机半导体。通过使用具有比铜酞花青的功函数小的金属如铝(A1)作为上电极(字线Wj)16，在半导体层15的内表面形成一肖基特二极管结。存储装置10的其他部分的结构与第一实施例中的近似。
与上述第一实施例的情况类似，肖基特二极管呈现了一种有利的开关特性，从而这些单元C(j+1，i)作为开关存储单元操作。
第三实施例
图11是一按照本发明第三实施例的包括存储装置10的存储单元部分的区域剖视图。在本实施例中，其结构通过改变第一实施例中存储层和半导体层的位置来得到。更具体地，位线12，半导体层15，有机存储层14，和字线16依次在衬底11上形成。更进一步地，这种情况下，半导体层15是p-n二极管，例如，并且构成为使其中的p-型半导体层与下电极(位线)12接触。其他方面的结构与第一实施例类似。
更进一步地，根据上述第一到第三实施例，多种的其他的变形也是可能的。例如，其中字线和位线转换的结构是可能的。更具体地，在衬底11上的下电极可形成字线，同时上电极形成位线。另外，二极管极性也可与上述实施例中的极性相反。这样，所施加的电压的极性也依据二极管的极性作出适应的选择。
更进一步地，半导体层15不限定为一有机半导体。也可用无机半导体。例如，共价化合物半导体诸如Si和复合半导体诸如GaAs也可使用。
还例如，衬底11不限定为无碱玻璃。例如，塑料，有机原料等其他也可使用。更具体地，由于有机原料可在低温过程中形成，这种材料可在不同的衬底上形成，上述结构因此可通过不同的材料结合的方式实现。
第一和第二电极线不必单独由金属构成。第一和第二电极线可为由有机材料或ITO膜(铟锡氧化膜)或类似的材料构成的透明电极。
另外，除了上述提及的酞花青材料以外的多种材料可应用到存储层14中。存储层14可通过取决于所使用材料的不同的方法形成。用作存储层14的其他材料的例子包括如聚噻吩和聚吡咯，聚次苯基聚合物，聚苯胺聚合物，和聚乙炔聚合物等杂芳族聚合物的聚合物材料。但其使用并不限定为聚合物材料，也可使用低分子材料如并五苯，并四苯，蒽等。更进一步地，二极管层15可用象用于存储层14的材料形成。
另外，有机存储层14和有机半导体层15通过真空沉积形成的情况已作为实施例描述，但该形成并不仅限定为这样一种方法。用于有机材料不同的其他沉积方式也可使用。例如，可被应用的方法包括朗缪尔-布劳基特(LB)法，分子自组法，分子束外延法(MBE)，铸造，旋转，熔化，场聚合，等离子聚合等等诸如此类。
进一步地，作为半导体15的n-型(供给体)掺杂剂，碱金属诸如钠(Na)，钾(K)，烷胺和其他同类物质等都能使用。进一步的，在半导体层15由p-型有机半导体构成的情况下，可使用不同的物质作为p-型(接受体)掺杂剂，诸如卤族元素，Lewis酸，质子酸，过渡金属氯化物和其他同类物质。
更进一步的，所谓的聚合物掺杂剂可用作除上述提及的掺杂剂以外的掺杂剂。例如，使用聚合物电解液如聚苯乙烯磺酸盐，乙烯聚合物磺酸盐。
如上述有机材料掺杂的方法，可使用不同的方法如气相和液相掺杂和电化掺杂和其他同类方法。作为变形的，可使用包括通过电子领域的方法催化电离掺杂以注入杂质到有机材料中的离子注入和应用光和放射物来实现掺杂的感应掺杂。
本发明通过参考其中的较好实施例进行描述。本领域的普通技术人员都知道的多种变化和变形可从上面描述的实施例得知。因此应当认为所附权利要求包括了所有的变化和变形。

Claims (5)

1.一种有机开关存储装置，包括：
多个第一电极线；
在所述的多个第一电极线上形成的一个有机存储层，所述的有机存储层具有电压—电流滞后特性；
一个堆叠在所述有机存储层上的半导体二极管层；和
在所述半导体二极管层上形成的多个第二电极线，所述的多个第二电极线在一个方向上排列，使得与所述的多个第一电极线交叉。
2.如权利要求1所述的有机开关存储装置，其中所述的半导体是一pn结二极管层。
3.如权利要求1所述的有机开关存储装置，其中所述的半导体层是一肖基特二极管层。
4.一种存储器设备，包括：
一个有机开关存储装置，该有机开关存储装置包括：
多个第一电极线；
在所述的多个第一电极线上形成的一个有机存储层，所述的有机存储层具有电压—电流滞后特性；
一个堆叠在所述有机存储层上的半导体二极管层；和
在所述半导体二极管层上形成的多个第二电极线，所述的多个第二电极线在一个方向上排列，使得与所述的多个第一电极线交叉。
一个接收地址指示信号，数据和写指令信号的接收器部分，所述的地址指示信号指示对应于所述的多个第一电极线和所述的多个第二电极线的交叉位置的地址，和
一个基于地址指示信号，响应写指令信号，写数据到所述有机开关存储装置的控制部分。
5.如权利要求4所述的存储器设备，其中：
所述接收器部分接收一读指令信号，和
所述控制部分基于所述地址指示信号，响应所述读指令信号，从所述有机开关装置读出数据。
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