DE102008042323A1 - Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften - Google Patents

Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften Download PDF

Info

Publication number
DE102008042323A1
DE102008042323A1 DE102008042323A DE102008042323A DE102008042323A1 DE 102008042323 A1 DE102008042323 A1 DE 102008042323A1 DE 102008042323 A DE102008042323 A DE 102008042323A DE 102008042323 A DE102008042323 A DE 102008042323A DE 102008042323 A1 DE102008042323 A1 DE 102008042323A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
source
value
conductivity
drain path
electronic component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102008042323A
Other languages
English (en)
Inventor
Matthias Baus
Tim J. Echtermeyer
Max C. Sommerville Lemme
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amo GmbH
Original Assignee
Amo GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amo GmbH filed Critical Amo GmbH
Priority to DE102008042323A priority Critical patent/DE102008042323A1/de
Priority to PCT/EP2008/062776 priority patent/WO2009040375A1/de
Publication of DE102008042323A1 publication Critical patent/DE102008042323A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/51—Insulating materials associated therewith
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1606—Graphene
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42364—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the insulating layer, e.g. thickness or uniformity
    • H01L29/42368—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the insulating layer, e.g. thickness or uniformity the thickness being non-uniform
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42372—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the conducting layer, e.g. the length, the sectional shape or the lay-out
    • H01L29/42376—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the conducting layer, e.g. the length, the sectional shape or the lay-out characterised by the length or the sectional shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42384—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate for thin film field effect transistors, e.g. characterised by the thickness or the shape of the insulator or the dimensions, the shape or the lay-out of the conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7781—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with inverted single heterostructure, i.e. with active layer formed on top of wide bandgap layer, e.g. IHEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78684—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film having a semiconductor body comprising semiconductor materials of Group IV not being silicon, or alloys including an element of the group IV, e.g. Ge, SiN alloys, SiC alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/464—Lateral top-gate IGFETs comprising only a single gate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/468—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics
    • H10K10/472—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs] characterised by the gate dielectrics the gate dielectric comprising only inorganic materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften, das eine Gateelektrode (34) und eine dieser Gateelektrode (34) benachbarte Source-Drain-Strecke aufweist, wobei die Source-Drain-Strecke eine Source-Elektrode (26), eine Drain-Elektrode (28) und eine dazwischen befindliche Graphen-Anordnung (24) mit mindestens einer, maximal zehn Graphen-Monolagen aufweist, wobei zwischen dieser Graphen-Anordnung und der Gateelektrode (34) ein Gateisolator (32) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Bauelement, das Schalteigenschaften und vorzugsweise auch Speichereigenschaften aufweist. Es hat Ähnlichkeit mit einem Feldeffekttransistor, es arbeitet mit dem Feldeffekt. Es ist nicht als Halbleiterbauelement ausgeführt, sondern arbeitet mit mindestens einer monomolekularen Lage, wie sie in einem Graphit-Kristall vorliegt und als Graphen bezeichnet wird. Bekanntlich ist das Kristallgitter des Graphits ein Schichtengitter, es besteht aus vielen, übereinandergelagerten Kohlenstoffschichten, in welchem die C-Atome zu lauter Sechsecken zusammengefügt sind.
  • Man ist bestrebt, elektronische Bauelemente kleiner und kleiner auszubilden. Abmessungen unterhalb von 10 nm sind angestrebt. Beabsichtigt ist eine Verschmelzung von Logik und Speicher. Auch Bauelemente für Rechner auf der Basis neuronaler Netzwerke werden angestrebt. In diesem Sinne ist die vorliegende Erfindung zu verstehen. Sie betrifft insbesondere einen sehr klein aufbaubaren Schalter, der vorzugsweise auch ein nicht flüchtiger Speicherbaustein ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein sehr stark skalierbares elektronisches Bauelement anzugeben, das sich als Schalter und insbesondere auch als nicht flüchtiger Speicher einsetzen lässt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften, das eine Gateelektrode und eine dieser Gateelektrode benachbarte Source-Drain-Strecke aufweist, wobei die Source-Drain-Strecke eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode und eine dazwischen befindliche Graphen-Anordnung mit mindestens einer, maximal zehn Graphen-Monolagen aufweist, wobei zwischen dieser Graphen-Anordnung und der Gateelektrode ein Gateisolator angeordnet ist.
  • Dieses Bauelement zeigt einen extremen Signalhub von bis zu 7 Größenordnungen in der Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke. Dieser Signalhub wird zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand erreicht. Insoweit liegen erhebliche Verbesserungen gegenüber den im Stand der Technik bekannten Bauelementen vor. Es wird auf diese Weise ein sehr gutes Signal/Rauchverhältnis erzielt. Gleichzeitig gibt es ein großes Potential zur Multi-Bit-Speicherung.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement ist sehr stark skalierbar, d. h. es können geringere geometrische Abmessungen bis hin zu einigen Benzenringen, d. h. unterhalb von 5 nm erreicht werden. Die Graphenschichten und die komplette Anordnung kann nachträglich auf vorhandene Bauelemente aufgebracht werden, beispielsweise auch auf herkömmliche integrierte Schaltungen in Silizium-Technik. Eine dreidimensionale Integration ist möglich.
  • Die erreichte Wirkung wird auf eine chemische Reaktion, z. B eine Molekülwanderung, -umlagerung oder -umladung zurückgeführt. Möglicherweise werden Moleküle an Graphenschichten umgelagert, wird ihr Adsorbtionszustand geändert, findet eine Ladungswanderung in diesen Molekülen statt oder wird in ein Redoxsystem eingegriffen. Es erfolgt eine Speicherung elektrischer Ladung für die Informationsspeicherung, dadurch entfallen alle mit einen reinen Ladungsspeicherung (Elektronenspeicherung) verbundenen Probleme, insbesondere sind größere Speicherzeiträume möglich. Das erfindungsgemäße elektronische Bauelement ermöglicht ein Auslesen der Speicherinformation ohne Veränderung der gespeicherten Information, also ein so genanntes nicht-invasives Auslesen. Es können kleine Ausleseimpulse angewendet werden, die ein Wiedereinschalten behindern, erst bei ausreichendem großem Stromimpuls wird das Wiedereinschalten durchgeführt. Schließlich existiert ein Betriebsfenster, in dem eine Folge gleicher Pulse zu einer sukzessiven Signalverschiebung führt, dies kann als Lernfähigkeit interpretiert werden. Eine Anwendung in neuronalen Netzen wird damit möglich.
  • Das elektronische Bauelement wird auch als Graphen-Feldeffekt-Element bezeichnet. Die Leitfähigkeit einer Source-Drain-Strecke kann durch Anlegen einer Spannung an der Gateelektrode gesteuert werden. Hierdurch reduziert sich die Leitfähigkeit innerhalb der Graphen-Anordnung über viele Größenordnungen. Als Ausgangszustand wird der eingeschaltete Zustand der Graphen-Anordnung ange sehen, in dieser hat die Graphen-Anordnung und damit die Source-Drain-Strecke hohe Leitfähigkeit. Der abgeschaltete Zustand wird durch Anlegen einer kritiscchen Gatespannung, nämlich einer Gatespannung gleich oder oberhalb eines Schwellenwertes, erreicht. Im abgeschalteten Zustand hat die Graphen-Anordnung und damit die Source-Drain-Strecke geringe Leitfähigkeit. Durch Anlegen eines Spannungspulses, der zu einem Strompuls durch die Source-Drain-Strecke mit ausreichender Stromstärke führt, oder durch das Anlegen einer Gatespannung mit einem zweiten Spannungswert kann die Leitfähigkeit wieder hergestellt werden. Dies wird darauf zurückgeführt, dass das Graphen reduziert ist und sich wieder im eingeschalteten Zustand befindet. Offensichtlich wird ein Redox-Prozess durch elektrische Felder bzw. thermisch gesteuert.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und erläutert, diese sind nicht einschränkend zu verstehen, dienen vielmehr dem besseren Verständnis, aber auch der Erläuterung weiterer Vorteile und Merkmale. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in dieser Zeichnung zeigen:
  • 1: Eine Querschnittsdarstellung des elektronischen Bauelements,
  • 2: eine Draufsicht auf das elektronische Bauelement nach 1, teilweise geschnitten dargestellt,
  • 3: eine querschnittliche Ansicht ähnlich 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
  • 4: eine Darstellung gemäß 1, jedoch nun in einer dritten Ausführung,
  • 5: ein Diagramm des Stromes Isd durch die Source-Drain-Strecke über der Spannung Vsd über diese Strecke in unterschiedlichen Zuständen,
  • 6: ein Diagramm der Abhängigkeit der Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke in Abhängigkeit von der Gatespannung für vier unterschiedliche Zustände eins bis vier, die nacheinander abgefahren werden,
  • 7: ein Diagramm, das den Leitwert G in Siemens der Source-Drain-Strecke nach verschiedenen Schreib- und Lesezyklen zeigt und
  • 8: ein Diagramm des Stromes Id der Source-Drain-Strecke in Abhängigkeit von der Zeit bei vorgegebener Gatespannung.
  • Zunächst wird der Aufbau des elektronischen Bauelementes anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben. Auf einen Siliziumkörper 20, der auch als Back-Elektrode bezeichnet, ist thermisches Siliziumoxid vorgegebener Dicke aufgebracht. Die entsprechende Lage wird als rückwärtige Schicht 22 bezeichnet. Sie kann, wie im beschriebenen Fall, ein Isolator sein, sie kann aber auch Halbleitereigenschaften aufweisen. Entscheidend ist, dass ihre Leitfähigkeiten nicht mit der Leitfähigkeit der weiter zu beschreibenden Graphen-Anordnung 24 konkurriert.
  • Auf diese rückwärtige Schicht 22 ist eine Graphen-Anordnung 24 aufgebracht. Sie besteht aus mindestens einer und maximal zehn, vorzugsweise maximal sieben Monolagen aus Graphit, also Graphen. Vorzugsweise sind nur so wenige Lagen an Graphen vorgesehen, dass noch keine Volumeneigenschaften vorliegen, erfahrungsgemäß setzen die Volumeneigenschaften bei etwa sieben Monolagen ein.
  • Die Graphen-Anordnung 24 ist etwa 800 nm breit und mindestens zehnmal so lang wie breit, im Ausführungsbeispiel etwa vierzehnmal so lang wie breit. Auf die jeweiligen Endbereiche sind metallische Elektroden aufgebracht, nämlich eine Source-Elektrode 26 und eine Drain-Elektrode 28. Diese Elektroden sind baugleich. Sie überdecken die Endbereiche der Graphen-Anordnung 24 und haben mit ihnen elektrischen Kontakt. Als Metall für die Elektroden 26, 28 wird Ti/Au, W, Al, Cu und dergleichen verwendet. An die Elektroden 26, 28 sind Zuleitungen 30 angeschlossen.
  • Weiterhin ist oben auf die Graphen-Anordnung 24 ein Gateisolator 32 aufgebracht, er überdeckt die Graphen-Anordnung 24 zumindest im Mittelbereich, im gezeigten Ausführungsbeispiel überdeckt er sie vollständig. Dadurch wird auch ein Schutz, insbesondere mechanischer Schutz, der Graphen-Anordnung 24 er reicht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Gateisolator 32 durch aufgesputtertes Siliziumdioxid erstellt, die Dicke ist etwa 20 nm, sie liegt im Bereich zwischen 5 und 100 nm. Anstelle des gewählten Siliziumdioxids können auch andere entsprechende Isoliermaterialien, auch dünne Lackschichten, verwendet werden.
  • Auf den Gateisolator 32 ist eine Gateelektrode 34 aufgebracht, sie ist ebenso hergestellt wie die anderen Elektroden 26, 28, es kommen auch die bereits genannten Metalle in Betracht. Vorzugsweise wird für die Elektroden 26, 28 und 34 jeweils dasselbe Metall gewählt. Wie insbesondere 2 zeigt, überdeckt die Gateelektrode 34 die Graphen-Anordnung 24 nur über einen geringen Teil ihrer Gesamtlänge, es bleiben mehr als 50% der Gesamtlänge frei. Die überdeckte Länge entspricht etwa dem 1 bis 3-fachen der Breitenabmessung.
  • 1 zeigt auch die elektrische Anordnung für die durchgeführten Messungen, die im Folgenden besprochen werden. Über eine geeignete Vorrichtung wird die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke, also zwischen den beiden Elektroden 26, 28, erfasst. Hierzu sind in bekannter Weise eine Spannungsquelle 36 mit vorgegebener Ausgangsspannung und ein in Reihe mit dieser geschaltetes Strommessgerät 38 vorgesehen. Alternativ zur Spannungsquelle 36 kann auch ein Impulsspannungsgenerator 40 als Spannungsquelle verwendet werden, er ist vorzugsweise als Konstantstromquelle ausgebildet und kann auf unterschiedliche Stromwerte eingestellt werden. Die Dauer der Pulse beträgt beispielsweise 80 Mikrosekunden. Die Gateelektrode 34 ist über eine regelbare Gate-Spannungsquelle 46 mit einer der Elektroden 26, 28 verbunden.
  • Im Folgenden wird nun die zweite Ausführung nach 3 beschrieben. Sie unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel wie folgt: Der Gateisolator 32 wird nun von einem kleinen Wassertropfen 42 gebildet, der unmittelbar Kontakt mit der Graphen-Anordnung 24 hat und dort in bekannter Weise eine Dipollage bildet, die die eigentliche Isolation darstellt. Zwischen dem Wassertropfen 42 und jeder Elektrode 26, 28 ist eine Isolation 44 vorgesehen, im vorliegenden Falle sind es schmale Streifen aus PMMA, die beide soweit bis zum mittleren Bereich der Graphen-Anordnung 24 ragen, dass dort ein nahezu quadratischer Bereich bzw. ein Bereich ähnlich wie in 1 frei bleibt. Nur mit diesem Bereich kann der Wassertropfen 42 Kontakt machen, er liegt ansonsten, wie auch 3 zeigt, auf der Isolation 44 auf, erstreckt sich aber nicht bis hin zu den Elektroden 26, 28. Als Gateelektrode 34 ist nun ein Metallstift vorgesehen. Das Wasser hat eine Leitfähigkeit.
  • Das dritte Ausführungsbeispiel nach 4 hat weitgehende Ähnlichkeit mit dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch ist nunmehr die rückwärtige Schicht 22 aus PMMA ausgebildet. Dieses ist vorzugsweise mit einer geringfügig leitenden Schicht versehen, um elektrostatische Aufladungen zu vermeiden. Als Körper 20 wird ein Metallblock verwendet, beispielsweise ein Stück aus Kupferblech oder Aluminiumblech.
  • Im Folgenden werden nun die Messergebnisse besprochen: Im Ausgangszustand befindet sich das Bauelement im eingeschalteten Zustand, siehe Kurve „Initial" in 5. In diesem Zustand ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke im Bereich einer Gatespannung zwischen –4 V und +4 V konstant, hoch und auch unabhängig von der Richtung des Stromflusses, siehe 6 Teilbilder I und II, der Zustand wird als Betriebszustand a bezeichnet. Die linken Teilbilder der 6 durchfahren jeweils die Gatespannung von negativer in positive Richtung, die rechten Teilbilder in der Gegenrichtung, siehe Pfeile hinter Source-Drain bzw. Hin-Messung und Rück-Messung.
  • Durch Anlegen einer ausreichend großen, in diesem Fall negativen Gate-Spannung, hier –5 V, wird die Source-Drain-Strecke in den abgeschalteten Zustand gebracht. Diese Spannung wird als kritische Gatespannung Uk bezeichnet. Der abgeschaltete Zustand ist in der tiefstliegenden Kennlinie in 5 „after induced brakedown" dargestellt, dieser Zustand wird als Betriebszustand b bezeichnet. Man stellt fest, dass zwischen diesen beiden Zuständen a und b ein Leitungsfähigkeitsunterschied von mehr als sechs Größenordnungen besteht. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass bei einer Gate-Spannung von –4 V der Effekt des Ausschaltens noch nicht auftritt, jedoch bei einer kritischen Gate-Spannung Uk = –5 V zu beobachten ist.
  • In 7 zeigen die ersten drei Balken links, die für eine Gate-Spannung größer –5 V gelten, also einerseits negativ und andererseits mit einem Absolutwert kleiner 5 gelten, ganz links im Bild drei sukzessive Abfragen des eingeschalteten Zustandes, es ist auch jeweils das Bit „1" auf der x-Achse vermerkt.
  • Wird nun die Spannungsquelle 36 durch einen Impulsgenerator 40 ersetzt und wird durch die Source-Drain-Strecke ein Strom- und/oder Spannungspuls von etwa 80 Mikrosekunden Dauer geleitet, der zu einem Strompuls von 20 μA führt, so steigt die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke zwar an, bleibt aber im mittleren Bereich, der Zustand wird als Betriebszustand c bezeichnet. Bei jedem Strompuls steigt die Leitfähigkeit weiter an, der Anstieg geht aber nicht über den mittleren Bereich hinaus, vielmehr läuft er in eine Sättigung. In 7 ist diese Sättigung zu erkennen. 7 zeigt als vierte bis neunte Abfrage, die jeweils mit „0" gekennzeichnet ist, jeweils Strompulse unterhalb von 50 μA, die Leitfähigkeit bleibt im Bereich von 100 nS, wo eine Sättigung vorliegt. Im abgeschalteten Zustand ist sie drei Zehnerpotenzen tiefer. Im angeschalteten Zustand ist sie drei Zehnerpotenzen höher.
  • Der angeschaltete Zustand wird erreicht durch die letzte Abfrage in 7, die mit einem Stromwert von 50 μA als Puls erfolgt, es ist zu erkennen, dass der Leitwert wieder den ursprünglichen Wert hat. In 5 ist dies an der letzten Kurve „recovered" zu erkennen, die praktisch mit der Erstkurve „Initial" zusammenfällt. Der Zustand wird als Betriebszustand d bezeichnet. Der Stromwert I1 = 50 μA wird als Schwellenwert bezeichnet.
  • In 6 ist nun noch folgendes zu erkennen: Nicht nur über Strompulse, sondern auch über die Gate-Spannung kann das Bauelement beeinflusst werden. Das Teilbild III von 6 zeigt folgendes: Wird ausgehend von dem Wert für die kritische Gate-Spannung Uk die Gate-Spannung erhöht auf größere Werte, so bleibt die Leitfähigkeit unterhalb einer Gate-Spannung U1, die hier den Wert von ca. 0 V hat, gering (Betriebszustand e) und springt bei U1 abrupt über ca. 6 Größenordnungen auf den Wert hoher Leitfähigkeit (Betriebszustand f). Wird die Gate-Spannung weiter erhöht, also von U1 = 0 auf größere Werte, so bleibt der hohe Wert der Leitfähigkeit erhalten bis unterhalb einer Gate-Spannung U2 (Betriebszustand g). Bei der Gate-Spannung U2 springt der Wert der Leitfähigkeit wieder auf den geringen Wert (Betriebszustand h).
  • Auch in der Rückmessung, also mit entgegengesetzter Polung der Source-Drain-Strecke, siehe Tetilbild IV, wird ein Einschaltzustand durchlaufen, ausgehend von einer Gate-Spannung von +5 V bleibt die Leitfähigkeit zunächst gering, bis beim Erniedrigen der Gate-Spannung ein Wert von etwa –1 V erreicht wird. Bei diesem Wert steigt die Leitfähigkeit stark an und erreicht den hohen Wert, der z. B. bei einer Gate-Spannung von –2 V vorliegt. Es findet dann wieder ein Abfall im Bereich einer Gate-Spannung von –3 bis –3,5 V statt, anschließend, bei geringeren Gate-Spannungen, beispielsweise bei –5 V, ist das Bauelement wieder im ausgeschalteten Zustand.
  • Die Teilbilder V und VI sowie VII und VIII zeigen, was bei Wiederholungen der beschriebenen Vorgänge zu beobachten ist. Die Teilbilder V und VI zeigen die erste Wiederholung, die Teilbilder VII und VIII die zweite Wiederholung. Es zeigt sich, dass die Gate-Spannungen, bei denen ein Schaltvorgang auftritt, konstant bleiben, jedoch wird die hohe Leitfähigkeit insbesondere bei der dritten Wiederholung nicht mehr erreicht, wo nur noch Leitfähigkeiten im mittleren Bereich, drei Zehnerpotenzen unterhalb denjenigen nach den Teilbildern III und IV, erreicht werden.
  • Schließlich zeigt 8 das zeitabhängige Verhalten des Zusammenbruchs des Stroms Id durch die Source-Drain-Strecke bei einer festen Wegspannung von –5,5 V über den Zeitverlauf. Zu erkennen ist, dass im Ausgangszustand die Leitfähigkeit hoch ist und mit der Zeit zunehmend schneller abfällt, etwa parabelförmig, nach 150 Sekunden ist eine Leitfähigkeit erreicht, die etwa sieben Zehnerpotenzen unterhalb der Ausgangsleitfähigkeit liegt. Diese bleibt bis 250 Sekunden, dem Ende der Messung, erhalten.
  • Das Bauelement merkt sich jeweils den zuletzt eingenommen Betriebszustand auch dann, wenn es zwischenzeitlich ausgeschaltet wird. Wird zwischen den einzelnen Betriebszuständen a. bis h oder innerhalb eines dieser Betriebszustände die an der Source-Drain-Strecke anliegende Spannung und/oder die Gatespannung abgeschaltet, so wird nach Wiederanschalten der Spannungen der jeweils zuvor eingenommene Betriebszustand wieder eingenommen
  • Die in 7 dargestellten Ergebnisse werden auch erreicht, wenn die beiden Spannungswerte –5 V durch –4 V ersetzt werden. Bei Verwendung eines permeablen Gatestacks, d. h. z. B. SiO2/Metal (welches z. B. permeabel für H20 und seine Produkte ist) oder einer freiliegenden Graphenoberfläche ist die Verwendung als Sensor möglich. Durch eine Oberflächenmodifikation des Graphens wird eine Leitfähigkeitsänderung hervorgerufen, welche detektiert werden kann. Eine an schließende Desorption der Adsorbate kann z. B. durch einen Strompuls erfolgen, so dass sich der Sensor wieder im ursprünglichen Zustand befindet.
  • Um eine Selektivität nur gegenüber bestimmten Stoffen zu erreichen, ist das Versehen der Graphenoberfläche mit chemischen Gruppen denkbar (Stichwort: geeigneter „Gatestack", Funktionalisierung), welche nur mit dem gewünschten Stoff reagieren bzw. mit diesem irgendwie eine Bindung eingehen.
  • Das Bauelement kann auch als Zweipol betrieben werden. Dann wird stets die Gateelektrode 34 angeschlosssen. Es wird aber entweder nur die Source-Elektrode 26 oder nur die Drain-Elektrode 28 angeschlossen. Eine dieser Elektroden 26, 28 muss dann nicht notwendigerweise vorhanden sein.
  • Beliebige Kombinationen von Merkmalen der Ansprüche untereinander, auch von Teilmerkmalen, sind ausdrücklich vorgesehen.

Claims (9)

  1. Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften, das eine Gateelektrode (34) und eine dieser Gateelektrode (34) benachbarte Source-Drain-Strecke aufweist, wobei die Source-Drain-Strecke eine Source-Elektrode (26), eine Drain-Elektrode (28) und eine dazwischen befindliche Graphen-Anordnung (24) mit mindestens einer, maximal zehn Graphen-Monolagen aufweist, wobei zwischen dieser Graphen-Anordnung und der Gateelektrode (34) ein Gateisolator (32) angeordnet ist.
  2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Drain-Strecke auf einem Träger, insbesondere SiO2, vorzugsweise thermisch abgeschiedenes SiO2, angeordnet ist.
  3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gateisolator (32) dünner als 200 nm, vorzugsweise dünner als 50 nm ist und vorzugsweise gesputtertes SiO2 ist.
  4. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Betriebszustände aufweist: a. Liegt für ein jungfräuliches Bauelement an der Gateelektrode (34) eine Gatespannung an, deren Wert absolut kleiner als eine kritische Gatespannung Uk ist, so ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke hoch, und b. liegt an der Gateelektrode (34) eine Gatespannung an, deren Wert mindestens dem Wert einer kritischen Gatespannung Uk entspricht, oder hat eine derartige Gatespannung Uk angelegen, ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke gering.
  5. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Betriebszustand aufweist c. wird im Zustand b. ein Strompuls mit einem Stromwert unterhalb eines Schwellenwertes I1 durch die Source-Drain-Strecke geschickt, bleibt die Leitfähigkeit unterhalb einer hohen Leitfähigkeit und ist die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke maximal im mittleren Bereich.
  6. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Betriebszustand aufweist d. wird im Zustand b. oder c. ein Strompuls mit einem Stromwert gleich oder größer als der Schwellenwert I1 durch die Source-Drain-Strecke geschickt, so nimmt die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke wieder den hohen Wert an.
  7. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden weiteren Betriebszustände aufweist e. wird im Zustand b. die Gatespannung ausgehend von dem kritischen Wert Uk erhöht, so verbleibt die Leitfähigkeit bis unterhalb einer Gatespannung U1 auf dem geringen Wert und f. springt im Bereich des Wertes U1 auf den Wert hoher Leitfähigkeit.
  8. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet g. wird im Zustand f. die Gatespannung weiter über den Wert U1 erhöht, so verbleibt die Leitfähigkeit bis unterhalb einer Gatespannung U2 auf dem hohen Wert und h. springt im Bereich des Wertes U2 auf den geringen Wert der Leitfähigkeit.
  9. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Betriebszustand aufweist i. wird zwischen den einzelnen Betriebszuständen a. bis h oder innerhalb eines dieser Betriebszustände die an der Source-Drain-Strecke anliegende Spannung und/oder die Gatespannung abgeschaltet, so wird nach Wiederanschalten der Spannungen der jeweils zuvor eingenommene Betriebszustand wieder eingenommen.
DE102008042323A 2007-09-25 2008-09-24 Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften Withdrawn DE102008042323A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008042323A DE102008042323A1 (de) 2007-09-25 2008-09-24 Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften
PCT/EP2008/062776 WO2009040375A1 (de) 2007-09-25 2008-09-24 Elektronisches bauelement mit schalteigenschaften

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007045877.2 2007-09-25
DE102007045877 2007-09-25
DE102008042323A DE102008042323A1 (de) 2007-09-25 2008-09-24 Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008042323A1 true DE102008042323A1 (de) 2009-04-02

Family

ID=40140002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008042323A Withdrawn DE102008042323A1 (de) 2007-09-25 2008-09-24 Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008042323A1 (de)
WO (1) WO2009040375A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011057833A1 (en) * 2009-11-13 2011-05-19 International Business Machines Corporation Self-aligned graphene transistor
DE102011016900A1 (de) 2011-04-13 2012-10-18 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Halbleiterbauelement

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101536543B1 (ko) 2008-04-15 2015-07-14 바이오메트 쓰리아이 엘엘씨 정확한 뼈와 연조직 디지털 치아 모델의 형성 방법

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011057833A1 (en) * 2009-11-13 2011-05-19 International Business Machines Corporation Self-aligned graphene transistor
US8106383B2 (en) 2009-11-13 2012-01-31 International Business Machines Corporation Self-aligned graphene transistor
GB2487308A (en) * 2009-11-13 2012-07-18 Ibm Self-aligned graphene transistor
CN102612751A (zh) * 2009-11-13 2012-07-25 国际商业机器公司 自对准石墨烯晶体管
GB2487308B (en) * 2009-11-13 2014-03-05 Ibm Self-aligned graphene transistor
CN102612751B (zh) * 2009-11-13 2015-02-25 国际商业机器公司 自对准石墨烯晶体管
DE102011016900A1 (de) 2011-04-13 2012-10-18 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Halbleiterbauelement
WO2012139710A1 (de) 2011-04-13 2012-10-18 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Halbleiterbauelement

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009040375A1 (de) 2009-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60131036T2 (de) Ein NOT-Schaltkreis
DE112005002818B4 (de) Diodenarrayarchitektur zum Adressieren von Widerstandspeicherarrays im Nanomaßstab
DE102004041330B3 (de) Speicherschaltung mit ein Widerstandsspeicherelement aufweisenden Speicherzellen
DE2411839C3 (de) Integrierte Feldeffekttransistor-Schaltung
DE3032610C2 (de)
DE2623507C3 (de) Schaltungsanordnung für binäre Schaltvariable
DE102008033129B4 (de) Integrierte Schaltung, Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, sowie Speichermodul
DE2011794C3 (de) Halbleiterspeicheranordnung
DE3041176A1 (de) Halbleiterspeichervorrichtung
EP3273444A1 (de) Speicherelement, stapelung, speichermatrix und verfahren zum betreiben
DE102005018344A1 (de) Schaltvorrichtung für rekonfigurierbare Zwischenverbindung und Verfahren zum Herstellen derselben
DE10032271A1 (de) MRAM-Anordnung
DE2940500A1 (de) Datenleitungs-potentialeinstellschaltung und mis-speicheranordnung mit einer derartigen schaltung
DE2201028B2 (de) Verfahren zum Betrieb eines Feldeffekttransistors und Feldeffekttransistor zur Ausübung dieses Verfahrens
DE102008042323A1 (de) Elektronisches Bauelement mit Schalteigenschaften
DE2235465B2 (de) Feldeffekttransistor-speicherelement
DE2242332A1 (de) Zelle fuer integrierte speicherschaltung mit wahlfreiem zugriff
DE102004040752A1 (de) Integrierte Speicheranordnung auf der Basis resistiver Speicherzellen und Herstellungsverfahren dafür
CH636469A5 (de) Datenspeicherzelle.
DE2225563C3 (de) Leseschaltung
DE2422717A1 (de) Analogrechenverfahren zum bestimmen des quadrates einer differenz
DE102009023153B4 (de) Speicherelement, Speichermatrix und Verfahren zum Betreiben
DE112021005740T5 (de) Gemischt leitendes flüchtiges speicherelement zum beschleunigten beschreiben eines nichtflüchtigen memristiven bauelements
DE10064031A1 (de) Verfahren zum Auslesen und Speichern eines Zustandes aus einem oder in einen ferroelektrischen Transistor einer Speicherzelle und Speichermatrix
DE102020207439A1 (de) Neuronen und Synapsen mit ferroelektrisch modulierten Metall-Halbleiter Schottky Dioden nebst Verfahren

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20120403