DD142629A1

DD142629A1 - Elektronisches schalt-und speicherelement

Info

Publication number: DD142629A1
Application number: DD21184879A
Authority: DD
Inventors: Claus Hamann; Hans-Joachim Hoehne; Friedrich Kersten; Michael Mueller; Frank Przyborowski; Manfred Starke
Original assignee: Claus Hamann; Hoehne Hans Joachim; Friedrich Kersten; Michael Mueller; Frank Przyborowski; Manfred Starke
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1980-07-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Schalt- und Speicherelement, das in der Elektronik, Optoelektronik

Description

Elektronisches Schalt- und Speicherelement

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar auf den Gebieten der Elektronik, Optoelektronik, Elektrotechnik, Informationsspeicherung, Informationsübertragung und Informationsverarbeitung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bisher werden Schaltvorgänge durch öffnende und schließende Kontakte, wie z. B. in Form von magnetisch steuerbaren Reed-Kontakten, durch Bauelemente auf der Basis des Gunn-Effektes, durch Metall/Isolator-Übergänge in verschiedenen oxidischen oder glasartigen Werkstoffen realisiert. Im letzteren Fall ßind reversible Phasenumwandlungen der kristallinen Bah- bzw. Fernordnung unter dem. Einfluß äußerer Parameter, wie z. B, Druck, Temperatur, Magnetfeld, elektrisches Feld vorherrechend. Im DE-PS 1278626 wird ein Schaltelement mit leitfähigen Strompfaden dargestellt. Diese entstehen durch lokale Übertemperaturen im halbleitenden Material und führen nach den Gesetzen der Temperaturabhängigkeit der Halbleiterstroraleitung einen höheren Strom als deren kältere Umgebung. Ein gesteuertes oder ungesteuertes Absinken der Stromdichte.in den Strompfaden führt zu einer Abnahme der lokalen Temperaturerhöhung und zum Rückschalten in den hochohmigen Zustand der gesamten Schalteranordnung.

Die Informationsspeicherung erfolgt bisher durch Änderung der Absorption oder Reflexion eines Stoffes, durch Änderung seines Magnetisierungszustandes, seines Polarisationszustandes oder seiner leitfähigkeit. Das Einschreiben der Information

erfolgt dabei durch Änderung der physikalischen Eigenschaften eines viele Atome bzw. Moleküle umfassenden Gebietes, wobei chemische Veränderungen, Lageänderungen, Orientierungsänderungen der atomaren bzw. molekularen Bausteine vor sich gehen. Oft liegen der Informationsspeicherung Phasenumwandlungen im festkörperphysikalischen Sinne zugrunde. Das ist z. B. für den Metall/Isolator-Übergang oder den Metall/Supraleiter-Übergang der Pail.

Die Nachteile des beschriebenen Schaltelementes bestehen darin, daß zur Aufrechterhaltung des Schaltzustandes eine bestimmte Leistung notwendig ist, das Ein- und Ausschalten wegen der Temperatur als Schaltparameter relativ langsam erfolgt, es nicht als Speicherelement anwendbar ist, wegen der lokalen Stromüberlastung störanfällig und alterungsabhängig ist und seine Leitfähigkeitswerte im Ein- und Auszustand nicht genau definiert sind, da sie empfindlich von der Umgebungstemperatur und anderen Einflüssen abhängen.

Ziel der Erfindung.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein elektronisches Schalt- und Speicherelement zu entwickeln, das leicht herstellbar, platzsparend, störunanfällig, zuverlässig und vielseitig einsetzbar ist.

Darlegung des V/es ens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Schalt- und Speicherelement zu entwickeln, das die Nachteile der bekannten Schalt- und Speicherelemente beseitigt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß als Material, durch das der Schalteffekt hervorgerufen wird, ein organischer Pestkörper in Porm einer Dünnschicht, eines Kristalls oder einer Kristallscheibe dient, dessen Moleküle nichtplanar gebaut sind. Diesen hier wesentlichen Aufbau z. B. in Porm eines Makrorings mit einem zentralen Metallatom bzw. -ion, das aus der Molekülebene herausragt, haben die Phthalocyaninkomplexe schwerer Elemente und deren Derivate.

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Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung eines neuen Festkörperschalteffektes, bei dem durch kooperative Veränderungen der molekularen Symmetrie des Einzelmoleküles, was die Lage der nichtplanaren Ausstülpung des zentralen Metallions bzgl. der fest im Kristallgitter verankerten Molekülebene betrifft, die sonst thermodynamisch-statistisch vorhandenen Gitterstörungen in einem linearen leiter beseitigt werden.

Durch den Abbau von Gitterstörungen, die als Barrieren für den Ladungstransport wirken, wird makroskopisch ein Umschlag· vom halbleitenden in den metallischen Zustand erzielt. Das geht einher mit einer Erhöhung der Leitfähigkeit in Richtung der Molekülstapel um viele Größenordnungen. Die Leitfähigkeit quer zu den Molekülstapeln, also in Richtung der Molekülebene, bleibt von dem Barrierenabbau im wesentlichen unbeeinflußt, wodurch die kristallspezifische Anisotropie der Leitfähigkeiten sich zusätzlich verstärkt.

Als äußere physikalische Parameter zur Auslösung des Schalteffekts sind die elektrische und magnetische Feldstärke, die elektrische Stromdichte, die Temperatur, die Beleuchtungsoder Bestrahlungsintensität, die Energie der eingestrahlten Quanten und der hydrostatische Druck geeignet. Das Schaltelement reagiert auf alle diese Parameter, wobei nur die Elektrodenanordnung dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt ist. Dieselben Parameter können zum Einschreiben bzw. zum Löschen von Informationen Verwendung finden. Die Schaltvorgänge sind umkehrbar, reproduzierbar und erfolgen nahezu relaxationsfrei. Die definierte Variation der Aufwachsbedingungen bei der Schichtbildung mittels üblicher Vakuumbeschichtungsverfahren oder der Wachstumsbedingungen bei der Kristallzüchtung bei gleichzeitiger Berücksichtigung der geometrischen Belange ermöglicht eine Anordnung, die bistabil und/oder multistabil schaltet.

Legt man z. B. an so eine Anordnung eine definierte elektrische Feldstärke, wird das Schaltelement aus einem Zustand geringer Leitfähigkeit (Aus-Zustand) in einen Zustand hoher Leitfähigkeit (Ein-Zustand) geschaltet. Durch Veränderung der

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physikalischen Parameter, wie z. B. der elektrischen Feldstärke, wird eine so hohe Stromdichte erzeugt, daß ein Umschalten zurück in den Aus-Zustand erfolgt.

Der Leitfähigkeitswert eines Schaltelementes, das innerhalb des Strompfades mehrere Kristallite enthält, läßt sich für den Ein-Zustand bei langsamer Änderung des die Schaltung bewirkenden Parameters in diskreter Weise auf verschieden hohen Werten fixieren. Dadurch entsteht die Möglichkeit eines stufenweisen Schaltens zwischen mehreren Ein-Zuständen und zwischen diesen Ein-Zuständen und dem einheitlichen Aus-Zustand, d»h. ein multistabiler Schalteffekt« Erfolgt die Umschaltung der Anordnung mit.Hilfe eines Parameters von vektoriellem Charakter, bei dem also auch sein Richtungssinn von Bedeutung ist, wie z. B. bei der elektrischen Feldstärke, erreicht man durch Umkehr des Richtungssinns dieses Parameters eine weitere Erhöhung der Leitfähigkeitswerte in den Ein-Zuständen gegenüber der vorangegangenen Betriebsweise.

Zeichnet sich das Material des Schaltelements dadurch aus, daß über relativ große Bereiche von vornherein eine einheitliche Orientierung der Moleküle vorliegt, ist die Leitfähigkeit im Ein-Zustand von metallischem Charakter.

Wenn in dem Material des Schaltelements zumindest über kanalartige, elektrodenverbindende Strompfade hinweg nur noch solche Störungen der Kristallsymmetrie vorliegen, die sich aus einer unterschiedlichen Orientierung der nichtplanaren Moleküle zueinander ergeben, können sämtliche Moleküle durch die genannten Parameter einheitlich orientiert werden, so daß alle benachbarten Moleküle und damit deren zentrale Metallatome bzw. -ionen äquidistant sind, so ist die Leitfähigkeit im Ein-Zustand von supraleitendem Charakter.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird mit Hilfe von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

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Pig. 1 die schematische Seitenansicht gestapelter trichterförmiger Bleiphthalocyanin-Moleküle (PbPc) mit annähernd planarem Makroring (Bausteine durch kleine Kreise symbolisiert) und außerhalb der Molekülebene liegendem Bleiion (großer Kreis) und

Pig. 2 die MolekülOrientierungen in einem Molekülstapel im Aus- und Ein-Zustand des Schaltelements.

Durch äußere Parameter wie der elektrischen Feldstärke wird die Länge der Domänen, die bestimmt wird durch Moleküle mit einheitlicher Orientierung, beim Einschalten deutlich vergrößert. Durch Temperaturerhöhung infolge hoher elektrischer Stromdichte werden die" Domänen infolge thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten wieder kleiner und damit der Aus-Zustand wieder eingestellt.

Ein Schaltelement aus PbPc wird z. B. hergestellt, indem auf einem leitfähigen Substrat, der Elektrode, mittels Hochvakuumverdampfung eine polykristalline Schicht von etwa 2/lim Dicke abgeschieden wird. Die Substrattemperatur liegt bei etwa 470 K. Die leitfähige Deckelektrode aus Gold hat eine Dicke von 50 nm. Unter Normalbedingungen und bei rein elektrisch stimuliertem Schalten ergeben sich in multistabiler Arbeitsweise und bei langsamer Erhöhung der elektrischen Feldstärke Leitfähigkeitswerte der einzelnen Ein-Zustande zwischen 1,2 . 10~¹⁰ (Äcm)"¹ und 3,3 . 10~⁷ G&cm)"¹, während der Aus-Zustand bei 6,6 . 10 (l£cm) liegt. Ein auf gleiche Weise hergestelltes Speicherelement verbleibt im Aus-Zustand oder im zuletzt eingespeicherten Ein-Zustand, solange der einschreibende bzw. löschende Parameter unterhalb des kritischen Wertes bleibt, dessen Überschreiten eine Veränderung des Leitfähigkeitszustandes bewirkt. Insbesondere wird die eingeschriebene Information.beim elektrisch offenen oder kurzgeschlossenen Betrieb nicht gelöscht. Die Anzahl der Schreib-Lösch-Zyklen ist auf Grund des Wirkprinzips der Vorrichtung unbegrenzt/

Ein Schaltelement aus einem monoklinen PbPc-Einkristall, der in einer Stickstoffatinosphäre von 5500 Pa bei 470 K gezüch-

tet wird, besteht aus einer 20 - βθ/ura dünnen Kristallscheibe, die beidseitig durch Bedampfung mit Elektroden versehen wird. Unter liormalbedingungen und bei rein elektrisch stimuliertem Schalten liegt bei bistabiler Arbeitsweise der Leitfähigkeits-

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wert des Aus-Zustandes bei 3 . 10 (Q. cm) und der des Ein-

Zustandes bei 8,3 . 10~³ (Q. cm)"¹;

Claims

Erfindungsanspruch

1. Elektronisches Schalt- und Speicherelement ohne mechanische Mittel, dadurch gekennzeichnet, daß das den Schaltoder Speichereffekt tragende Material ein organischer Pestkörper ist, dessen Moleküle nicht-planar gebaut sind und insbesondere aus einem Makroring bestehen, der im Zentrum ein Metallatom bzw. -ion aufweist, das aus der Molekülebene herausragt, vorzugsweise Metallphthalocyanine oder deren Derivate, und daß dieser organische Festkörper als polykristalline Dünnschicht oder Kristallscheibe vorliegt.
2. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Festkörper ein Blei-, Wismutoder Zinnphthalocyanin ist.
5. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalteffekt entlang einer durch die Molekülstapelung definierten Kristallrichtung bei definierten kritischen Werten verschiedener physikalischer Parameter, insbesondere der elektrischen und/oder magnetischen Feldstärke, der elektrischen Stromdichte, der Temperatur, der Beleuchtungs- und/oder Bestrahlungsintensität und/oder dem Druck, eintritt und umkehrbar und reproduzierbar ist.
4. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Variation der Aufwachsbedingungen der Schicht, insbesondere Substrattemperatur, Beschichtungsverfahren, Abscheidungsrate, bzw. der Wachstumsbedingungen bei der Kristallzüchtung und durch definierte Geometrie der Anordnung ein bistabiles und/oder multistabiles Schalten möglich und durch geeignete Betriebsweise des Schalters realisierbar ist.
5. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden auf die Schicht bzw. den Kristall aufgebracht sind.

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6. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand höchster Leitfähigkeit metallisch ist.
7. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand höchster Leitfähigkeit unterhalb einer kritischen Temperatur supraleitend ist.
8. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schalten eine Erhöhung der Leitfähigkeit in den Ein-Zuständen durch Umkehr des Richtungssinns vektorieller Parameter, insbesondere der elektrischen Feldstärke, eintritt.
9. Schalt- und Speicherelement nach Punkt 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung des Schalteffekts in dünnen Schichten die Abscheidung der Materialien bei erhöhter Substrattemperatur erfolgt.

Hierzu. <L .„Seiten Zeichnungen