DE10200475A1 - Nichtflüchtiges Speicherelement und Anzeigematrizen daraus - Google Patents

Nichtflüchtiges Speicherelement und Anzeigematrizen daraus

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein nichtflüchtiges elektronisches Speicherelement auf der Basis eines ferroelektrischen Speichers, dessen elektrisch eingeschriebene Information überschreibbar ist und nach dem Ausschalten einer Versorgungsspannung erhalten bleibt, sowie Anzeigeelemente daraus. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein nichtflüchtiges Speicherelement zu entwickeln und dessen Anwendung in Anzeigen anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und welches bei geringem Gewicht, hoher Flexibilität und einfacher Herstellung eine mehrfache Programmierung gewährleistet, wird dadurch gelöst, dass ein organischer Halbleiter (2) die Grundlage einer flexiblen Speicherschaltung bildet.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein elektronisches nichtflüchtiges Speicherelement und dessen Anwendung in Anzeigematrizen. Das Element kann auf starre und flexible Substrate aufgebracht werden.
  • Die in dem Speicherelement gespeicherte Information kann durch entsprechende Spannungspulse verändert werden und bleibt auch nach Abschalten der Versorgungsspannung erhalten.
  • Elektronische Speicherelemente auf der Basis von Siliziumtechnologie und allgemeiner auf der Basis anorganischer Halbleitertechnologie sind Stand der Technik und bilden nach dem Prozessor den wichtigsten funktionalen Teil jedes Computersystems.
  • Als wichtigste Speicherarten sind dabei flüchtige Speichersysteme, z. B. RAM (Random Access Memory) von nichtflüchtigen Speichern wie ROM (read only Memory), PROM (programmable read only memory, EPROM (erasable programmable read only memory) und EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) zu unterscheiden.
  • Der nichtflüchtige Speicheranteil übernimmt dabei die Funktion, wesentliche Informationen zum Systemstart, zur Systemkonfiguration und zur Identifikation zu speichern.
  • In neuerer Zeit wurde das Konzept des ferroelektrischen Speichers (FRAM, ferroelectric random access memory) zur Marktreife entwickelt. Es entspricht von der Funktionalität der eines EEPROM, erlaubt aber kürzere Schreibzeiten. Dabei wurden anorganische ferroelektrische Materialien mit Silizium-Halbleitertechnologie kombiniert.
  • Bekannt sind auch organische Halbleiter, die die Herstellung einfacher elektronischer Schaltungen auf der Basis flexibler Substrate erlauben. So können elektronische Identifikationschips auf Polymerbasis über ein Hochfrequenzfeld angesprochen werden und dann einen vorprogrammierten Identifikationscode zurücksenden.
  • Allen Anwendungen von organischen Halbleitern ist gemeinsam, dass Informationen bezüglich einer Codierung/Identität auf der flexiblen Schaltung zwischengespeichert werden müssen. Ein nichtflüchtiger, programmierbarer Speicher ist ein wesentliches Element einer solchen Anordnung, um u. a. ein geringes Gewicht der Schaltung dadurch zu ermöglichen, dass nicht ständig eine Batterie benötigt wird, um eine Betriebsspannung aufrechtzuerhalten.
  • Es sind auf dieser Basis Radiofrequenz-Transponder bekannt geworden [C. J. Drury et al. Applied Physics Letters Vol 73 (1998), p. 198 ff).
  • Die Rolle des nichtflüchtigen Speichers übernimmt dabei ein Array von mechanisch programmierbaren Kontaktflächen, die mit einer Nadel durchstochen werden und damit leitend gemacht werden können.
  • Es wird hier eine sehr einfache, jedoch kaum der Massenproduktion zugängliche Methode der Programmierung beschrieben. Zudem kann dem Transponder nach einmaliger Programmierung kein neuer Code mehr zugewiesen werden.
  • In der oben beschriebene Terminologie handelt es sich um einen ROM.
  • Wiederbeschreibbare Speicherelemente auf der Basis ferroelektrischer Materialien sind unter anderem in der WO 98/14989 und in der US 4 860 254 beschrieben. Die darin beschriebenen Kondensatorelemente mit ferroelektrischem Dielektrikum stellen passive Bauelemente dar, deren Polarisationszustand unter Änderung der gespeicherten Information abgefragt werden kann.
  • Aktive Speicherelemente auf der Basis von Siliziumtechnologie sind unter anderem in der US 5 471 417 (Verwendung anorganischer Ferroelektrika) und in Yamauchi at al. Journal of Applied Physics, Vol 4 (1986), p.90 ff. (Polymere Ferroelektrika) beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein nichtflüchtiges aktives Speicherelement zu entwickeln und dessen Anwendung in Anzeigen anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und welches bei geringem Gewicht, hoher Flexibilität und einfacher Herstellung eine mehrfache Programmierung gewährleistet.
  • Die Aufgabe wird mit einem Speicherelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit Anzeigen mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 8 und 10 gelöst.
  • Das nichtflüchtige elektronische Speicherelement auf der Basis eines ferroelektrischen Speichers, dessen elektrisch eingeschriebene Information überschreibbar ist und nach dem Ausschalten einer Versorgungsspannung erhalten bleibt, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein organischer Halbleiter die Grundlage einer flexiblen Speicherschaltung bildet.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass auf ein Substrat mit vorstrukturierten Fingerkontakten für Source und Drain der organische Halbleiter aufgebracht ist, auf dem das ferroelektrische Dielektrikum angeordnet ist, welches mit einer Gate-Elektrode versehen ist.
  • Die Kombination organischer Halbleiter mit organischen Ferroelektrika gewährleistet Vorteile wie Flexibilität, geringes Gewicht und einfache Herstellung.
  • Vorteilhaft ist ein aktives Bauelement nach der Erfindung, da es entsprechend der gespeicherten Information und unter Beibehaltung dieser gespeicherten Information ein Ausgangssignal liefert, das sich direkt zum Ansteuern einer Auswerteschaltung, eines Schalters oder eines Anzeigeelementes eignet. Dies ist möglich, wenn das ferroelektrische Dielektrikum als Gate-Isolator eines Feldeffekttransistors fungiert.
  • Eine elektrisch adressierbare Anzeigematrix mit Speichereigenschaften und Anzeigeelementen ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus nichtflüchtigen Speicherelementen auf der Basis eines organischen Halbleiters gebildet ist, wobei die Speicherelemente mit Anzeigepixeln zu Zeilen und Spalten zusammengeschaltet sind.
  • Eine optisch beschreibbare Anzeigematrix mit Speichereigenschaften und Anzeigeelementen ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus nichtflüchtigen Speicherelementen auf der Basis eines organischen Halbleiters gebildet ist, wobei das Anzeigeelement sowohl als Lichtsensor als auch als Anzeige geschaltet ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen von Speicherelementen und Anzeigen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 die schematische Darstellung des Aufbaus eines nichtflüchtigen Speicherelements nach der Erfindung und dessen Ersatzschaltbild,
  • Fig. 2 die schematische Darstellung einer Variante des Speicherelements nach Fig. 1,
  • Fig. 3 die schematische Darstellung eines Beispiels einer 3 × 3 elektrisch adressierbaren Anzeigematrix (links) und ein einzelnes Speicherelement daraus mit organischer Leuchtdiode OLED (rechts) und
  • Fig. 4 die schematische Darstellung eines Beispiels einer 3 × 3 optisch beschreibbaren Anzeigematrix.
  • Das erfindungsgemäße Konzept basiert auf dem Funktionsprinzip eines ferroelektrischen Speichers (FRAM).
  • Dabei wird ein ferroelektrisches Material durch ein angelegtes elektrisches Feld polarisiert. Die Polarisation bleibt auch nach Abschalten des Feldes bestehen. Sie kann durch ein entsprechendes Feld in umgekehrte Richtung gedreht werden.
  • Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht ein Speicherelement nach der Erfindung aus einem Substrat 1 und einem Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Gate 6, einem Dielektrikum 5 und einer Source 4, einem Drain 3 und einem organischen Halbleiter 2. Das Dielektrikum 5 des Feldeffekttransistors ist der ferroelektrische Gate- Isolator 5 (Gate-Dielektrikum), der Feldeffekttransistor weist einen Source-Drain-Kanal auf, dessen Leitfähigkeit durch die Ladungsträgerkonzentration im Kanal und damit mittelbar durch das herrschende elektrische Potential an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolator 5 und dem organischen Halbleiter 2 gesteuert wird. Dieses Potential wiederum setzt sich aus der eingestellten Spannung am Gate 6 und einer eventuellen Polarisationsspannung des Dielektrikums zusammen. Der Polarisationszustand des ferroelektrischen Dielektrikums 5 kann durch eine Spannung zwischen Gate 6 und Source 4 oder Drain 3 verändert werden, wenn diese eine bestimmte Höhe übersteigt.
  • Möglich ist auch die Programmierung über einen zusätzlichen Rückkontakt 8, wie in der Fig. 2 gezeigt ist. In letzterem Fall wird die Programmierspannung zwischen Gate 6 und dem Rückkontakt 8 angelegt.
  • Das Ersatzschaltbild auf der rechten Seite der Fig. 1 zeigt die elektronische Funktion des Bauelementes nach der Erfindung.
  • Der Arbeitspunkt des Transistors lässt sich über die Programmierung verändern und permanent speichern.
  • Gegenstand der Erfindung sind weiterhin die Anwendung des Speicherelements nach den Fig. 1, 2 in Anzeigematrizen.
  • Dabei werden zwei Haupttypen von Anzeigematrizen unterschieden:
    • a) Eine elektrisch addressierbare Matrix mit Speichereigenschaften, die mit geeigneten Anzeigeelementen gekoppelt ist (Fig. 3)
    • b) Eine Anzeigematrix, in der das Anzeigeelement gleichzeitig als hichtsensor fungiert. Die Bildinformation kann optisch eingelesen werden und ist dann permanent gespeichert. Durch geeignetes Ansteuern der Speicherelemente kann die Information als Bild wieder angezeigt werden (Fig. 4).
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des Speicherelementes nach der Erfindung und deren Anwendung in Anzeigen beschrieben.
    • 1. Speicherelement
  • Die organischen Schichten des Speicherelementes nach den Fig. 1, 2 werden durch die üblichen Verfahren zur Dünnschichtabscheidung hergestellt. Dazu zählen insbesondere Vakuumverdampfung, plasma-assistierte Schichtabscheidung, Aufschleudern, Tintenstrahldrucken, Siebdruck sowie verwandte Beschichtungsprozesse. Zusätzlich können anorganische Hilfsschichten durch Vakuumverdampfung, Sputtern und plasma-assistierte Schichtabscheidung aufgebracht werden.
  • Die Struktur des Speicherelementes gemäß Fig. 1 kann durch folgende Arbeitsschritte realisiert werden:
    • - Das Substrat 1 weist vorstrukturierte Fingerkontakte für Source 4 und Drain 3 auf. Diese wurden durch Aufbringen einer durch Photolithographie strukturierten Lackmaske und anschließendes Ätzen der Metallschicht hergestellt. Als Kontaktmaterialien kommen insbesondere Gold, Platin, Palladium und Indium-Zinnoxid in Frage. Das Aufbringen eines strukturierten Films eines leitfähigen Polymers, wie z. B. Polyethylendioxythiophen, mittels Tintenstrahldrucken ist ebenfalls möglich.
    • - Aufschleudern einer Lösung des organischen Halbleiters 2 oder Aufdampfen im Hochvakuum. Als aufschleuderbare Halbleiter kommen insbesondere Polythiophene und Pentacen-Precursormaterialien in Frage. Pentacen und niedermolekulare Oligothiophene sowie Derivate von Perylenimid und Napthalindicarbonsäurediimid können im Hochvakuum aufgedampft werden.
    • - Optional Aufdampfen einer dünnen Schicht eines Hilfsisolators im Hochvakuum. Hier kommen insbesondere Siliziummonoxid sowie Polyxylylen in Frage.
    • - Aufschleudern einer Lösung des ferroelektrischen Dielektrikums 5. Als Material kommen hier insbesondere Polyvinylidenfluorid sowie Copolymere von Vinylidenfluorid und Trifluorethylen zur Anwendung.
    • - Optional Aufdampfen einer weiteren dünnen Schicht eines Hilfsisolators im Hochvakuum.
    • - Aufdampfen der Gate-Elektrode 6. Hier kommen Metalle wie Aluminium, Neodym, Silber, Gold, Nickel, Palladium und Kupfer zur Anwendung. Das Aufbringen eines Films eines leitfähigen Polymers wie z. B. Polyethylendioxythiophen mittels Aufschleudern oder Tintenstrahldrucken ist ebenfalls möglich.
    2. Aufbau einer elektrisch adressierbaren Anzeigematrix
  • Die Matrix besteht aus Speicherelementen nach den Fig. 1 und 2, die, wie vorstehend beschrieben, aufgebaut sind. Durch Zusammenschalten der Speicherelemente mit den Anzeigepixeln, wie in der Fig. 3 gezeigt, kann eine elektrisch adressierbare Anzeigematrix mit Speichereigenschaften realisiert werden. Der Anzeigepixel basiert bevorzugt auf einer organischen Leuchtdiode. Andere mögliche Anzeigetechnologien umfassen Flüssigkristallanzeigen sowie Elektrochrome und elektrophoretische Anzeigemechanismen.
  • Die Steueranschlüsse Data/Vop sowie Select/VDD (Fig. 3) sind im Sinne einer Matrix verbunden, d. h. Data/Vop sind zu Spalten und Select/VDD zu Zeilen verbunden. Die angegebenen Spannungspegel beziehen sich auf Bauelemente, die mittels lochleitender organischer Halbleiter aufgebaut wurden.
    • Schreibzyklus (Fig. 3)
  • Für die Programmierung eines Pixels ist eine ausreichende Spannungsdifferenz zwischen Select/Vdd und Data/Vop nötig, wenn die Kathodenspannung Ucath auf Massepotential gehalten wird. Wird zum Beispiel nur an eine Datenleitung eine positive Spannung angelegt und an nur eine Select-Leitung eine negative Spannung, so tritt nur an einem einzelnen Speicherelement der Matrix eine Spannungsdifferenz auf, die zur Programmierung ausreicht. Durch Adressieren der entsprechenden Daten- und Select-Leitungen kann somit die Matrix beschrieben werden. Die Bildinformation ist nun permanent gespeichert.
    • Lesezyklus (Fig. 3)
  • Zum Anzeigen des geschriebenen Bildes werden alle Anschlüsse Select/Vdd auf Massepotential gelegt. Alle Anschlüsse Data/Vop werden auf ein geeignetes negatives Potential gelegt, um zu gewährleisten, dass die entsprechenden Transistoren entsprechend ihre Programmierung entweder öffnen bzw. sperren. Die Kathodenspannung Ucath wird auf ein geeignetes negatives Potential gelegt. Das gespeicherte Bild wird als Muster von aktiven/naktiven Pixeln dargestellt.
    • 3. Aufbau einer optisch beschreibbaren Anzeigematrix (Fig. 4)
  • Die Anzeigematrix ist ähnlich der elektrisch adressierbaren Matrix nach Fig. 3 aufgebaut, wie in der Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Fall ist jedoch keine Gruppierung der Anschlüsse zu bestimmten Zeilen/Spalten mehr nötig. Alle Anschlüsse Vop (Fig. 4) sind miteinander verbunden, ebenso alle Select-Anschlüsse. Das Anzeigeelement wirkt sowohl als Lichtsensor als auch als Anzeige. Es ist bevorzugt eine organische Leuchtdiode. Wird diese in Rückwärtsrichtung betrieben, so fungiert sie als Photodiode. Dies wird im Schreibzyklus genutzt.
    • Schreibzyklus (Fig. 4)
  • Die beschriebenen Spannungen sind wiederum für die Verwendung eines lochleitenden Halbleiters beschrieben. Die Anschlüsse Vop sowie Select werden auf negatives Potential gelegt, der Anschluss Ucath wird auf Massepotential gehalten. Die Spannung des Drain-Anschlusses jedes Speichertransistors wird nun durch einen eventuellen Photostrom durch die Leuchtdiode bestimmt. Fällt Licht geeigneter Wellenlänge auf die Leuchtdiode, so steigt die Spannung an Drain und führt bei ausreichender Helligkeit zur Programmierung des Transistors.
  • Zum Löschen der Programmierung muss ein entsprechendes entgegengesetztes Potential über Gate und Drain angelegt werden. Dazu werden Ucath und Select auf Massepotential gelegt sowie Vop auf positives Potential. Die Einwirkung von Licht ist hier nicht nötig.
    • Lesezyklus (Fig. 4)
  • Im Lesezyklus werden alle Anschlüsse Select auf positives Potential gelegt, alle Anschlüsse Vop auf leicht negatives Potential sowie Ucath auf Massepotential. Entsprechend ihrer Programmierung werden die Transistoren entweder leitend oder sperren. Die Leuchtdioden arbeiten in Vorwärtsrichtung und emittieren Licht, wenn der Transistor geöffnet ist. Das gespeicherte Abbild wird als leuchtendes Bild gezeigt. Bezugszeichenliste 1 Substrat
    2 Organischer Halbleiter
    3 Drain
    4 Source
    5 Ferroelektrisches Dielektrikum
    6 Gate
    7 Isolator
    8 Rückkontakt

Claims (11)

1. Nichtflüchtiges elektronisches Speicherelement auf der Basis eines ferroelektrischen Speichers, dessen elektrisch eingeschriebene Information überschreibbar ist und nach dem Ausschalten einer Versorgungsspannung erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein organischer Halbleiter (2) die Grundlage einer flexiblen Speicherschaltung bildet.
2. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion eines Feldeffekttransistors integriert ist.
3. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Isolator des Feldeffekttransistors aus einem ferroelektrischen Dielektrikum gebildet ist.
4. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Dielektrikum aus einem organischen Material wie ein Polymer gebildet ist.
5. Nichtflüchtiges Speicherelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Substrat (1) mit vorstrukturierten Fingerkontakten für Source (4) und Drain (3) der organische Halbleiter (2) aufgebracht ist, auf dem das ferroelektrische Dielektrikum (5) angeordnet ist, welches mit einer Gate-Elektrode (6) versehen ist.
6. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf den organischen Halbleiter (2) eine dünne Schicht eines Hilfsisolators und auf das ferroelektrische Dielektrikum (5) eine weitere dünne Schicht eines weiteren Hilfsisolators aufgebracht ist.
7. Nichtflüchtiges Speicherelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (1) und dem organischen Halbleiter (2)/Source (4)/Drain (3) ein zusätzlicher Rückkontakt (8) und ein zusätzlicher Isolator (7) eingebracht sind.
8. Elektrisch adressierbare Anzeigematrix mit Speichereigenschaften und Anzeigeelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus nichtflüchtigen Speicherelementen auf der Basis eines organischen Halbleiters gebildet ist, wobei die Speicherelemente mit Anzeigepixeln zu Zeilen und Spalten zusammengeschaltet sind.
9. Elektrisch adressierbare Anzeigematrix nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigepixel aus organischen Leuchtdioden gebildet sind.
10. Optisch beschreibbare Anzeigematrix mit Speichereigenschaften und Anzeigeelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus nichtflüchtigen Speicherelementen auf der Basis eines organischen Halbleiters gebildet ist, wobei das Anzeigeelement sowohl als Lichtsensor als auch als Anzeige geschaltet ist.
11. Optisch beschreibbare Anzeigematrix nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeelemente aus organischen Leuchtdioden gebildet sind.
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