DE102016012071A1

DE102016012071A1 - Matrix mit kapazitiver Steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016012071A1
Application number: DE102016012071.1A
Authority: DE
Inventors: Kai-Uwe Demasius; Aron Kirschen
Original assignee: Demasius Kai Uwe
Current assignee: Demasius Kai Uwe
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Hauptanspruch: Kapazitive Matrixvorrichtung, umfassend ein aktives Medium (1), welches mit elektrischen Feldern (13) angesteuert werden kann oder selber elektrische Streufelder erzeugt, wobei das aktive Medium (1) in einer Schicht zwischen einem ersten Satz und einem zweiten Satz von jeweiligen parallelen Adressierungselektroden eingebettet ist, wobei die Elektroden des ersten Satzes Wortleitungen (2) der Matrixvorrichtung bilden und vorzugsweise in einer orthogonalen Beziehung zu den Elektroden des zweiten Satzes sind, wobei die letzteren Bitleitungen (3) der Matrixvorrichtung bilden, und an den Kreuzungspunkten zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) Kondensatorzellen (4) mit dem dazwischenliegenden aktiven Medium (1) definiert sind, wobei die Kondensatorzellen (4) durch Ansteuerung der Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ausgewählt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Wortleitungen (2) durch ein Material mit veränderlicher Debye-Länge ersetzt werden, die Wortleitungen zwischen einer ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder mehreren gestreiften Bezugselektroden (6) und den Bitleitungen (3) eingebettet sind, das aktive Medium (1) zwischen der ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) angeordnet wird und sich zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ein nicht-aktives Dielektrikum (7) befindet, wobei die ganzflächige Bezugselektrode (5) oder die gestreiften Bezugselektroden (6) und die Bitleitungen (3), sowie das aktive Medium (1) und das nicht-aktive Dielektrikum (7), jeweils beliebig vertauscht werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.
In vielen Bereichen der Mikroelektronik wird eine Matrix aus Speicher-, Sensor-, Aktor- oder Bildelementen aufgebaut. Dabei müssen die einzelnen Elemente mit einer Adresse angesteuert werden, ohne dass Nachbarzellen gestört werden. Für Speicherbauelemente spielen solche Matrixvorrichtungen eine große Rolle, um hohe Speicherdichten und schnelle Zugriffsgeschwindigkeiten zu erzielen und einen Ersatz für den heute üblichen Flash-Speicher zu erhalten.
Dabei unterscheidet man allgemein zwischen einer passiven und einer aktiven Matrix (z. B. Willem den Boer: „Active Matrix Liquid Crystal Displays. Fundamentals and Applications" 1st Edition, Elsevier, 2005 und Temkar N. Ruckmongathan: „Addressing Techniques of Liquid Crystal Displays", Wiley, 2014). Die passive Matrix besteht aus zueinander senkrechten Metalllinien, die die Zeilen (Bitleitungen (3)) und Spalten (Wortleitungen (2)) aufspannen. An den Kreuzungspunkten sind Zellen (4) definiert in welchen das aktive Medium (1) durch einen Stromfluss oder ein elektrisches Feld angesteuert werden kann. Vorteil dieser Anordnung ist, dass sie einfach herzustellen ist und bei Speicherchips sehr hohe Dichten (4F² mit F: minimum featured size) erzielt werden können. Größter Nachteil, welcher die Anwendung einer passiven Matrix bisher verhindert ist, dass die Nachbarzellen parasitär gestört werden. Nur bei organischen ferroelektrischen Speichern kann dieses Prinzip eingesetzt werden, welches jedoch Nachteile hinsichtlich Materialverschleiß und Speicherzeit hat ( EP 1 316 090 B1 ; EP 1 798 732 A1 ; US 2006 0046344 A1 ; US20020017667A1 ; US20030137865A1 ). Die aktive Matrix benutzt ein aktives elektronisches Element zur Ansteuerung der einzelnen Elemente. Dies kann eine Diode oder ein Transistor sein. Die Diode würde den Vorteil einer kompakten Bauweise und bei Speicherchips einer genauso hohen Dichte wie bei einer passiven Ansteuerung (4F²) bieten. Jedoch hat eine Diode bei resistiven Elementen bereits häufig das Problem, dass das Einschalt-/Ausschalt-Verhältnis zu gering ist und sich in Flüssigkristallanzeigen schlechte Kontraste erzielen lassen. Zudem wirkt eine Diode selbst wie eine Kapazität und wenn die anzusteuernden Elemente selbst Kapazitäten sind, wie z. B. bei Flüssigkristallanzeigen ( US20110090443 )/elektronischem Papier ( US20080043317 )/Mikrospiegelarray ( US5583688 ) oder ferroelektrischen Speichern ( EP 1 316 090 B1 ) ist eine Ansteuerung schwierig (Spannungsteiler). Für resistive Speicherelementen können häufig Dioden eingesetzt werden ( US20060002168A1 ; WO200385675A2 ). Eine Transistoransteuerung ( US20030053351A1 ; US6438019 ) ermöglicht deutlich höhere Einschalt-/Ausschalt-Verhältnisse und außerdem können Kapazitäten geschaltet werden. Weiterhin lässt sich bei Bildschirmen der Kontrast gut steuern. Nachteile sind mehr technologische Herstellungsschritte und bei Speichern meistens ein höherer Platzbedarf. Generell unterscheidet man bei Speichern mit Transistoransteuerung zwischen der NAND- ( US5088060 ) und der NOR-Architektur ( US7616497 ), wobei die NAND-Architektur hohe Speicherdichten (4F²) ermöglicht, dafür aber deutlich längere Zugriffszeiten benötigt. Die NOR-Architektur hat einen höheren Platzbedarf (6–8F²) ist aber dafür schnell (Betty Prince: „Semiconductor Memories: A Handbook of Design, Manufacture and Application", 2nd Edition, Wiley, 1995). Die Nachteile dieser zwei unterschiedlichen Architekturen bilden neben entsprechenden Speichermaterialien eines der Ursachen, wieso ein Universalspeicher, welcher SRAM, DRAM, Flash-Speicher und Festplatte vom Computer ersetzt, bisher fehlt. Daher wäre eine Architektur, welche die Vorteile der NAND- und NOR-Architektur kombiniert, wünschenswert. Ein Universalspeicher müsste mehrere Spezifikationen erfüllen, wozu eine hohe Speicherdichte zählt, eine hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeit, sowie eine genügend hohe Anzahl an Schreib-/Lesezyklen. Ein weiteres Kriterium in Hinblick auf mobile Anwendungen ist ein niedriger Energieverbrauch. Eine mögliche alternative Technologie zu den Flash-Speichern ist ein ferroelektrischer Speicher, wobei diese mittlerweile eine hohe Anzahl an Schreib-/Lesezyklen (10¹²–10¹⁵) besitzen und in etwa so schnell wie DRAM-Speicher sind. Größtes bisheriges Problem sind die Skalierbarkeit und Speicherdichte, da die ferroelektrischen Materialien wenig kompatibel zu der siliciumbasierten CMOS-Logik sind. Neue Speichertechnologien sind auch in Hinblick auf künstliche neuronale Netzwerke wichtig. In herkömmlichen Computern sind die Verarbeitung und Speicherung von Informationen strikt getrennt, wohingegen das Gehirn eine solche Trennung nicht besitzt, und aus diesem Grund eine nichtflüchtige Speicherlösung erschaffen werden muss, welche gut in die Verarbeitungseinheiten eingebettet werden kann. Ein künstliches neuronales Netzwerk besteht aus Neuronen und Synapsen, welche Gewichte zum Beispiel in Form eines Widerstandswertes speichern. Die Neuronen, weisen meistens ein sigmoidales Übertragungsverhalten für die Aktivierungsfunktion auf, wofür häufig eine kompliziertere Transistorschaltung nötig ist ( US3476954 ; US8694452 ), welche einen hohen Energieverbrauch besitzt und kompliziert herzustellen ist.
In dem Patent DE 10 2010 045 363 wurde bereits ein Halbleitersensor veröffentlicht, der ein statisches Feld zu einem Wechselfeld modulieren kann. Das Patent beinhaltet durch seine Modulation der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in einem Halbleiter eine Steuerung eines elektrischen Feldes oder Potentials. Hierzu wird die sogenannte Debye-Länge ausgenutzt, welche die typische Abschirmlänge eines Feldes in einen Festkörper angibt:

L_D:: Debye-Länge
ε₀:: Elektrische Feldkonstante
ε_r:: relative Dielektrizitätskonstante des Materials
k_B:: Boltzmannkonstante
T:: Temperatur
e:: Elementarladung
n:: bewegliche Ladungsträgerkonzentration (Elektronen- und Löcherkonzentration)

Das Feld beschreibt dabei für niedrige Felder einen exponentiellen Abfall in den Festkörper:

E:: Elektrische Feldstärke im Festkörper
E₀:: Feldstärke am Festkörperanfang bei x = 0
x:: Position im Festkörper

Ist die bewegliche Ladungsträgerkonzentration n sehr niedrig, so ist die Debye-Länge gering und das Feld kann den Festkörper gut durchdringen, sofern dieser wesentlich dünner als die Debye-Länge ist. Ist die bewegliche Ladungsträgerkonzentration hingegen hoch, so wird das Feld gut abgeschirmt, und wenn die bewegliche Ladungsträgerkonzentration moduliert wird, so wird das transmittierte Feld unterschiedlich stark transmittiert und in ein Wechselfeld konvertiert. Auf diese Weise wird ein Schalter für elektrische Felder realisiert. Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb eine aktive Ansteuerung von kapazitiven Elementen in einer Matrix mit den Vorteilen einer passiven Ansteuerung (einfache Herstellung, hohe Speicherdichte, schnelle Zugriffszeit) zu ermöglichen. Gleichzeitig soll in Hinblick auf künstliche neuronale Netzwerke die Aktivierungsfunktion eines Neurons leichter modelliert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Ansprüchen 1–3 gelöst. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wortleitungen (2) durch ein Material mit veränderlicher Debye-Länge ersetzt werden, die Wortleitungen (2) zwischen einer ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder mehreren gestreiften Bezugselektroden (6) und den Bitleitungen (3) eingebettet sind, das aktive Medium (1) zwischen der ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) angeordnet wird und sich zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ein nicht-aktives Dielektrikum (7) befindet, wobei die ganzflächige Bezugselektrode (5) oder die gestreiften Bezugselektroden (6) und die Bitleitungen (3), sowie das aktive Medium (1) und das nicht-aktive Dielektrikum (7), jeweils beliebig vertauscht werden können. In den Wortleitung (2) wird zum Beispiel durch Änderung der Ladungsträgerkonzentration die Transmission eines elektrischen Feldes (13) gesteuert. Zwischen der Wortleitung (2) und der Bezugselektrode (5, 6) ist ein nicht-aktives Dielektrikum (7) angeordnet, welches reine Isolationszwecke erfüllt. Im Folgenden beschreibt ϕ_R das Potential der Bezugselektrode (5, 6), ϕ_B das Potential der Bitleitung (3) und ϕ_W das Potential der Wortleitung (2). Um nun in der Matrix in dem aktiven Medium (1) punktuell ein elektrisches Feld (13) zu erzeugen gibt es nach Anspruch 2 zwei mögliche Verfahren:

1) (siehe 5) Zwischen der ausgewählten Bitleitung (3) und Bezugselektrode (5, 6) liegt in diesem Fall eine Potentialdifferenz (ϕ_B ≠ ϕ_R) vor, sodass ein elektrisches Feld (13) erzeugt wird, wie im ersten Teil des Anspruches 2 beschrieben. Wenn in der ausgewählten Wortleitung (2) nun eine solche Debye-Länge vorliegt, dass das elektrische Feld (13) gut transmittiert wird, so wird an dem Kreuzungspunkt zwischen der ausgewählten Wortleitung (2) und der ausgewählten Bitleitung (3) ein elektrisches Feld (13) zu der Bezugselektrode (5, 6) transmittiert, sodass dieses in einem aktiven Medium (1) etwas bewirken kann (z. B. Bei einem Ferroelektrikum eine Polarisationsänderung, die remanent bleibt). Wird in den nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) nun eine kurze Debye-Länge eingestellt, so wird das elektrische Feld (13) welches zwischen der ausgewählten Bitleitung (3) und der Bezugselektrode (5, 6) vorliegt unterbrochen. Dabei muss beachtet werden, dass sich die Wortleitung (2) in diesem Falle nahezu metallisch verhält und bei Vorliegen einer Potentialdifferenz zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) bzw. Bitleitung (3) ein elektrisches Feld (13) ausbilden würde. Ist das aktive Medium (1) somit zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) angeordnet (wie in 5 dargestellt), so muss das Potential der Wortleitung (2) entsprechend identisch zur Bezugselektrode (5, 6) gewählt werden (Φ_W = ϕ_R). Das sich ausbildende Feld zwischen Wortleitung und Bitleitung in dem nicht-aktiven Dielektrikum stört nicht weiter, da das nicht-aktive Dielektrikum keine Funktion wahrnimmt, außer einer Isolation. Andernfalls, wenn sich das aktive Medium (1) zwischen Wortleitung (2) und Bitleitung (3) befindet (nicht in 5 dargestellt), so ist das Potential der Wortleitung (2) identisch zu der Bitleitung (3) zu wählen (ϕ_W = ϕ_B).
2) (siehe 6) Zwischen der ausgewählten Bitleitung (3) und Bezugselektrode (5, 6) kann auch ein identisches Potential vorliegen (ϕ_B = ϕ_R), wobei das elektrische Feld (13) in dem aktiven Medium (1) diesmal durch eine kurze Debye-Länge in der ausgewählten Wortleitung (2) erzeugt wird. Die Wortleitung (2) verhält sich dann wieder nahezu metallisch und wenn diese eine Potentialdifferenz zur Bitleitung (3) und damit auch zur Bezugselektrode (5, 6) besitzt (ϕ_W ≠ ϕ_B), so wird in dem aktiven Medium (1) ein elektrisches Feld (13) generiert. Wird nun an die nicht-ausgewählte Wortleitung (2) eine lange Debye-Länge eingestellt, sodass das Potential der Bitleitung (3) und der Bezugselektrode (5, 6) gut transmittiert wird, so verschwindet das elektrische Feld (13) aus dem aktiven Medium (1). Das Wortleitungspotential kann in diesem Fall beliebig gewählt werden, da dieses durch die Transmission keine Wirkung mehr erzielt. Das heißt die Debye-Länge zwischen Auswahl und nicht-Auswahl verhält sich hier genau umgekehrt, im Vergleich zum 1. Fall des Anspruches 2.

Die Anordnung aus dem Anspruch 1 ermöglicht jedoch auch die Detektion von elektrischen Feldern (13) in dem aktiven Medium, wie in Anspruch 3 beschrieben (siehe 7). Hierzu werden die Potentiale der Wortleitung (2), Bitleitung (3) und der Bezugselektrode (5, 6) gleich gesetzt, und die Debye-Länge wird in der auszuwählenden Wortleitung (2) verändert, sodass in der ausgewählten Bitleitung (3) ein Strom durch die Influenz von Ladungen gemessen werden kann, da das elektrische Feld (13) von dem aktiven Medium (1), welches sich zwischen der Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) befindet, einen Wechsel von Transmission zur Abschirmung oder umgekehrt vollführt. Befindet sich das aktive Medium (1) zwischen Bitleitung (3) und Wortleitung (2), so muss der Strom in der gestreiften Bezugselektrode (6) gemessen werden.
Die hier skizzierte Erfindung ermöglicht die Steuerung einer kapazitiven Kopplung in einer Matrixanordnung. Somit kann ein Feld punktuell zu Ansteuerungszwecken erzeugt und gleichzeitig gemessen werden. Diese Ansteuerung erfolgt ohne Transistoren, was Vorteile der passiven Matrix mit Vorteilen der aktiven Matrix kombiniert. Im Hinblick auf Speichertechnologien wird der Vorteil der NAND-Architektur mit seiner hohen Speicherdichte und der Vorteil der NOR-Architektur mit hoher Zugriffsgeschwindigkeit kombiniert. Die Speicherdichte beträgt 4F², wie bei einer passiven Matrix oder der NAND-Architektur, und die hohe Zugriffsgeschwindigkeit resultiert aus der Verwendung metallischer Bitleitungen (3) und Bezugselektroden (5, 6), welche einen geringeren Widerstand besitzen, als Transistoren, womit die Zeitkonstante zum Aufladen der Bitleitung (3) und der Bezugselektroden (5, 6) reduziert wird. Im Wesentlichen ist die Herstellung fast genauso einfach, wie bei einer passiven Matrix, ohne, dass jedoch eine parasitäre Kopplung zu Nachbarzellen entsteht. Die Steuerung des transmittierten elektrischen Feldes (13) kann adaptiv erfolgen, was bei Displays wichtig für den Kontrast ist und bei Speichern mehrstufige Speicherzellen ermöglichen könnte.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den weiteren Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben:
1: Ansicht der Matrix von oben mit gestreifter Bezugselektrode
2: Ansicht der Matrix von oben mit ganzflächiger Bezugselektrode
3: Querschnittsansicht der Matrix mit gestreifter Bezugselektrode
4: Querschnittsansicht der Matrix mit ganzflächiger Bezugselektrode
5: Potentialverhältnisse bei einer Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung und Bezugselektrode für die ausgewählte und nicht-ausgewählte Wortleitung
6: Potentialverhältnisse bei keiner Potentialdifferenz zwischen Bitleitung und Bezugselektrode für die ausgewählte und nicht-ausgewählte Wortleitung
7: Potentialverhältnisse zum Messen des elektrischen Feldes in dem aktiven Medium
8: Günstige Potentialverhältnisse der kompletten Matrix bei Vorliegen einer Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung und Bezugselektrode (aktives Medium zwischen Bezugselektrode (6) und Wortleitung (2) angeordnet)
9: Günstige Potentialverhältnisse der kompletten Matrix bei Vorliegen keiner Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung und Bezugselektrode (aktives Medium zwischen Bezugselektrode (6) und Wortleitung (2) angeordnet)
10: Matrix mit psn-Übergängen für die Wortleitungen
11: Matrix mit Metall-Isolator-Übergang Material für die Wortleitung
12: Übertragungsverhalten des transmittierten Feldes der Wortleitung
13: Querschnittsansicht einer dreidimensionalen Stapelung der Matrix
Die Ansteuerung der kompletten Matrix kann entsprechend Anspruch 2 auf zwei verschiedene Weisen erfolgen, je nachdem ob eine Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung (3) und gestreifter Bezugselektrode (6) vorliegt oder nicht. In den Ausführungsbeispielen der Ansprüche 4 und 5 wird eine günstige Wahl der nicht ausgewählten Potentiale vorgestellt, um die Anzahl der Kapazitäten, welche geladen werden müssen, zumindest auf der ausgewählten Bitleitung (3) und ausgewählten Bezugselektrode (6) zu reduzieren. Dabei müssen Aufladungen in dem aktiven Medium (1) außer in der ausgewählten Kondensatorzelle (4) gänzlich vermieden werden. Wenn gleichzeitig die Aufladungen in dem nicht-aktiven Dielektrikum (7) entlang der ausgewählten Bitleitung (3) und Wortleitung (2) vermieden wird, so kann die Zeitkonstante zum Aufladen der ausgewählten Kondensatorzelle (4) reduziert werden, was bei Speichern einen Geschwindigkeitsvorteil bedeuten würde. In Anspruch 4 und 8 wird zunächst das Ausführungsbeispiel für den Fall einer Potentialdifferenz zwischen Bitleitung (5) und Bezugselektrode (6) vorgestellt. Das aktive Medium (1) befindet sich zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (6). Die Bezugselektroden (6) sind parallel zur Wortleitung (2) angeordnet und an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) und nicht-ausgewählten Bezugselektroden (6) wird ein identisches Potential, wie an die ausgewählte Bitleitung (ϕ_B) angelegt. Damit wird zum einen sichergestellt, dass das aktive Medium (1) in den nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) und nicht-ausgewählten Bezugselektroden (6) nicht aufgeladen wird, da beide identisches Potential (ϕ_B) haben. Gleichzeitig besitzen die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) ein identisches Potential, wie die ausgewählte Bitleitung (3), wodurch eine Aufladung zwischen Wortleitung (2) und ausgewählter Bitleitung (3) in dem nicht-aktiven Dielektrikum (7) vermieden wird. Somit wird die ausgewählte Bitleitung (3) sich nur an der ausgewählten Kondensatorzelle (4) aufladen (dort wo die Wortleitung (2) ausgewählt ist). Die Aufladung entlang der ausgewählten Wortleitung (2), welche eine gute Transmission besitzt, wird dadurch vermieden, dass das Potential der nicht-ausgewählten Bitleitungen (3) identisch zu dem der ausgewählten Bezugselektrode (ϕ_R) gewählt wird. Damit liegt keine Potentialdifferenz zwischen nicht-ausgewählter Bitleitung (3) und ausgewählter Bezugselektrode (6) vor. Auf diese Weise findet eine Aufladung entlang der gewählten Bezugselektrode (6) und der gewählten Bitleitung (3) nur dort statt, wo das aktive Medium (1) punktuell verändert werden soll (in 8 der gestrichelte und durchgängige Kreis). Wie in 8 durch die gestrichelten schwarzen Kreise dargestellt findet wohl eine Aufladung in dem nicht-aktiven Dielektrikum an einigen Stellen außerhalb der ausgewählten Bezugselektrode (6) und ausgewählten Bitleitung (3) statt. Diese Aufladung stört jedoch nicht weiter und könnte durch hohe Serienwiderstände vermindert werden, um den Energieverbrauch zu reduzieren. In Anspruch 5 wird ein günstiges Schema für den zweiten Fall von Anspruch 2 dargestellt (9): Die gestreiften Bezugselektroden (6) und Bitleitungen (3) können hierbei parallel ausgerichtet sein. Um eine unnötige Aufladung entlang der ausgewählten Wortlinie (2) zu vermeiden, werden nicht-ausgewählte Bitleitungen (3) und nichtausgewählte Bezugselektroden (6) auf dasselbe Potential (ϕ_W), wie die ausgewählte Wortlinie (2) gelegt. Damit wird sowohl die Aufladung in dem aktiven Medium (1) als auch nicht-aktiven Dielektrikum (7) vermieden. In diesem Verfahren findet ausschließlich eine Aufladung in der ausgewählten Kondensatorzelle (4) statt, was Vorteile gegenüber Anspruch 4 bringen würde.
Die Erfindung kann z. B., wie in DE 10 2010 045 363 mittels psn-Übergänge aufgebaut werden (Anspruch 6 und 7; 10). Die Wortleitungen (2) können aus einem schwach dotierten Halbleiter bestehen und sind mittels abwechselnder p- und n-Gebiet miteinander verbunden. Dabei wird das elektrische Feld in dem schwach dotierten Bereich transmittiert. Dabei sollte die Höhe der Dotierung in den p- und n-Gebieten so hoch gewählt werden, dass der komplette Übergang ein symmetrisches Bänderschema aufweist und wie bei dem in DE 10 2010 045 363 veröffentlichten Sensor die Ansteuerung mittels antisymmetrischer Spannungen erfolgen kann, wodurch ein Ausgleich erreicht wird und in dem schwach dotierten Gebiet kein Störfeld generiert wird. Wird der psn-Übergang in Sperrrichtung betrieben, so wird die Wortleitung (2) verarmt und das senkrechte Feld gut transmittiert, in Durchlassrichtung würde das Feld gut abgeschirmt werden. Ebenenso können nach Anspruch 8 Schottky-Kontakte verwendet werden, welche z. B. bei Speichern einen deutlich schnelleren Datenzugriff ermöglichen. Einen schnellen Datenzugriff und zusätzlich reduzierten Energieverbrauch könnte mit einem Metall-Isolator-Übergang in der Wortleitung (2) erzielt werden (Anspruch 9 und 10; 11). Dazu wird durch die Wortleitungen (2) ein Strom geleitet, welcher zu einer leichten Temperaturerhöhung führt und damit einen Übergang vom metallischen zum isolierenden Zustand bewirkt. Weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Störspannungen, im Gegensatz zu nicht perfekt symmetrischen psn- oder Schottkykontakten (Anspruch 6 oder 7) sehr gering sind. In Bezug auf ferroelektrischen Speichern (Anspruch 11–13) wird das aktive Medium mit einem Ferroelektrikum ersetzt. Zudem wäre der Weg frei zu einer 3D Integration indem mehrere solcher Matrix-Strukturen übereinander gestapelt werden (Anspruch 20). Weiterhin ist das Auslesen des Polarisationszustandes nicht destruktiv, da die Struktur gleichzeitig als Felddetektor dient (Anspruch 3). Das destruktive Auslesen war eines der großen Probleme bei konventionellen ferroelektrischen Speichern. Die Zugriffsgeschwindigkeit bei heutigen ferroelektrischen Speichern ist vor allem durch den Widerstand der Transistoren limitiert. Mit metallischen Bitleitungen (3) und Bezugselektroden (5, 6) wäre dieser Widerstand deutlich niedriger. Zudem könnte die Modulation des Halbleiters mit Schottkykontakten erfolgen, die sehr schnell reagieren. Mittels der in Anspruch 4 und 5 erwähnten geschickten Ansteuerung der Matrix können die Kapazitäten der Bitleitungen (3) und der Bezugselektroden (6) reduziert werden. Diese drei Aspekte zusammen könnten zu schnelleren Zugriffs- und Schreibzeiten führen, als bei konventionellen FeRAMs. Wird als Halbleitermaterial zusätzlich SrTiO₃ oder TiO₂ verwendet (Anspruch 14), so ergeben sich Vorteile durch die höhere Dielektrizitätskonstante und ähnlichen Kristallstrukturen wie die der Ferroelektrika (Perovskite), wodurch das Problem mit der mangelnden CMOS-Kompatibilität zwischen Ferroelektrika und Silicium gelöst wird. Neben einem Ferroelektrikum als aktives Speichermedium können auch Ionen verwendet werden, welche durch einen Festkörper driften (Anspruch 12). Je nach Position der Ionen im Material wird das transmittierte Feld durch die Wortleitungen (2) unterschiedlich sein. Eine Besonderheit des Transmissionsverhaltens durch die Wortleitungen (2) ist, dass die Potentialverbiegung sich extrem nicht-linear verhält:

ψ:: Potential im Festkörper
U_T:: Temperaturspannung

Die oben erwähnte Debye-Länge mit einem exponentiellen Abfall des Potentials oder Feldes durch die Wortleitung (2) gilt nur für relativ kleine Potentiale und Felder und ergibt sich aus einer Linearisierung der oben gezeigten Differentialgleichung. Wird das Feld erhöht, so wird die nicht-Linearität der Differentialgleichung dominant und das transmittierte Feld geht in eine Sättigung. Es ergibt sich zwischen der Bitleitungsspannung U_BL= ϕ_R – ϕ_B (Potentialdifferenz zwischen Bitleitungspotential und Bezugselektrodenpotential) und dem transmittierten Feldes eine sigmoidale Beziehung (12). Ein Neuron in einem künstlichen neuronalen Netzwerken wiederrum zeigt, wie bereits erwähnt, ein sehr ähnliches Verhalten und es bestünde die Möglichkeit, wie in Anspruch 15 erwähnt, dieses Verhalten zur Modellierung der Aktivierungsfunktion eines Neurons auszunutzen, wobei das aktive Medium mit einer Speicherfunktion die Aufgabe der Synapse erfüllen kann, bzw. die adaptive Einstellmöglichkeit des transmittierten Feldes mit der Debye-Länge auch die synaptische Gewichtung erfüllen kann. Hiermit würden Neuron und Synapse zu einem Bauelement kombiniert werden und keine nachteilige Transistorschaltung wäre mehr nötig, was auch eine dreidimensionale Strukturierung der künstlichen neuronalen Netzwerke vereinfachen würde (Anspruch 20). In Anspruch 16 wird als aktives Medium ein Flüssigkristall, welcher seine Polarisationsrichtung ändert, zum optischen Anzeigen von Informationen benutzt. In Anspruch 17 werden als aktives Medium Mikrokapseln verwendet, welche elektrophoretisch angesteuert werden. Dieses Prinzip könnte bei sogenanntem Elektronischem Papier zum Einsatz kommen. In Anspruch 18 werden Flüssigkeitstropfen durch die elektrischen Felder bewegt, was in der EWOD (Electrowetting on dielectric) Technologie in der Mikrofluidik Verwendung findet. In Anspruch 19 werden mechanische Aktoren durch das transmittierte Feld angesteuert, was zum Beispiel in Mikrospiegelarrays angewendet werden könnte. In Anspruch 20 sind, wie bereits erwähnt, mehrere solcher Matrixvorrichtungen dreidimensional übereinandergestapelt, wobei die Bezugselektrode (6) der einen Matrix gleichzeitig die Bitleitung (3) der darüber liegenden Matrix bildet. Diese Anordnung ist vor allem für Speicheranwendungen vorteilhaft, da so die Speicherdichte erheblich erhöht werden könnte.
Bezugszeichenliste

1: aktives Medium
2: Wortleitung
3: Bitleitung
4: Kondensatorzelle
5: ganzflächige Bezugselektrode
6: gestreifte Bezugselektrode
7: nicht-aktives Dielektrikum
8: p-dotiertes Gebiet
9: n-dotiertes Gebiet
10: pin-Übergang
11: Stromfluss
12: sigmoidales Übertragungsverhalten
13: elektrisches Feld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1316090 B1 [0003, 0003]
EP 1798732 A1 [0003]
US 20060046344 A1 [0003]
US 200200176671 A [0003]
US 200301378651 A [0003]
US 20110090443 [0003]
US 20080043317 [0003]
US 5583688 [0003]
US 20060002168 A1 [0003]
WO 200385675 A2 [0003]
US 20030053351 [0003]
US 6438019 [0003]
US 5088060 [0003]
US 7616497 [0003]
US 3476954 [0003]
US 8694452 [0003]
DE 102010045363 [0004, 0025, 0025]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Willem den Boer: „Active Matrix Liquid Crystal Displays. Fundamentals and Applications” 1st Edition, Elsevier, 2005 und Temkar N. Ruckmongathan: „Addressing Techniques of Liquid Crystal Displays”, Wiley, 2014 [0003]
Betty Prince: „Semiconductor Memories: A Handbook of Design, Manufacture and Application”, 2nd Edition, Wiley, 1995 [0003]

Claims

Kapazitive Matrixvorrichtung, umfassend ein aktives Medium (1), welches mit elektrischen Feldern (13) angesteuert werden kann oder selber elektrische Streufelder erzeugt, wobei das aktive Medium (1) in einer Schicht zwischen einem ersten Satz und einem zweiten Satz von jeweiligen parallelen Adressierungselektroden eingebettet ist, wobei die Elektroden des ersten Satzes Wortleitungen (2) der Matrixvorrichtung bilden und vorzugsweise in einer orthogonalen Beziehung zu den Elektroden des zweiten Satzes sind, wobei die letzteren Bitleitungen (3) der Matrixvorrichtung bilden, und an den Kreuzungspunkten zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) Kondensatorzellen (4) mit dem dazwischenliegenden aktiven Medium (1) definiert sind, wobei die Kondensatorzellen (4) durch Ansteuerung der Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ausgewählt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Wortleitungen (2) durch ein Material mit veränderlicher Debye-Länge ersetzt werden, die Wortleitungen zwischen einer ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder mehreren gestreiften Bezugselektroden (6) und den Bitleitungen (3) eingebettet sind, das aktive Medium (1) zwischen der ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) angeordnet wird und sich zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ein nicht-aktives Dielektrikum (7) befindet, wobei die ganzflächige Bezugselektrode (5) oder die gestreiften Bezugselektroden (6) und die Bitleitungen (3), sowie das aktive Medium (1) und das nicht-aktive Dielektrikum (7), jeweils beliebig vertauscht werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der auszuwählenden Kondensatorzelle (4) ein elektrisches Feld (13) erzeugt wird, indem – entweder eine Potentialdifferenz zwischen auszuwählender Bitleitung (3) und ganzflächiger Bezugselektrode (5) oder gestreifter Bezugselektrode (6) angelegt wird und das Potential der auszuwählenden Wortleitung (2) identisch zur Bezugselektrode (5, 6) gewählt wird, wenn das aktive Medium sich zwischen Bezugselektrode (5, 6) und Wortleitung (2) befindet oder das Potential der Wortleitung (2) identisch zur Bitleitung (3) gewählt wird, wenn sich das aktive Medium (1) zwischen Wortleitung (2) und Bitleitung (3) befindet, sowie in der auszuwählenden Wortleitung (2) eine lange Debye-Länge erzeugt wird, sodass am Kreuzungspunkt zur ausgewählten Bitleitung (3) ein elektrisches Feld (13) transmittiert wird, wobei an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) eine kurze Debye-Länge und schlechte Transmission eingestellt wird, – oder zwischen auszuwählender Bitleitung (3) und Bezugselektrode (5, 6) keine Potentialdifferenz vorliegt, das Potential der auszuwählenden Wortleitung (2) unterschiedlich zur Bezugselektrode (5, 6) und Bitleitung (3) gewählt wird und die Debye-Länge der Wortleitung (2) kurz gewählt wird, sodass das Potential schwacher oder gar nicht transmittiert wird und die Feldlinien des elektrischen Feldes (13) jeweils hauptsächlich an der Wortleitung (2) enden, wobei an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) eine lange Debye-Länge und gute Transmission eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der auszuwählenden Kondensatorzelle (4) ein elektrisches Feld (13) gemessen wird, indem die Potentiale der Bitleitungen (3), der Bezugselektroden (5, 6) und der Wortleitungen (2) identisch gewählt werden und – für den Fall, dass sich das aktiven Mediums zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) befindet, ein Strom in der ausgewählten Bitleitung (3) gemessen wird, welcher während der Änderung der Debye-Länge in der ausgewählten Wortleitung (2) erzeugt wird, – sowie für den Fall, dass sich das aktive Medium (1) zwischen Wortleitung (2) und Bitleitung (3) befindet, der Strom in der gestreiften Bezugselektrode (6) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der kompletten Matrix in der Weise erfolgt, dass bei Vorliegen einer Potentialdifferenz zwischen der ausgewählten gestreiften Bezugselektrode (6) und der Bitleitung (3), wobei erstere parallel zu den Wortleitungen (2) angeordnet sind, an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) und nicht-ausgewählten gestreiften Bezugselektroden (6) ein identisches Potential wie die ausgewählte Bitleitung (3) angelegt wird und die nicht-ausgewählten Bitleitungen (3) mit identischem Potential wie die ausgewählte gestreifte Bezugselektrode (5, 6) versehen wird, sofern sich das aktive Medium (1) zwischen den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) befindet und wenn aktives Medium (1) und nicht-aktives Dielektrikum (7) vertauscht sind, so muss auch die Funktion der Bitleitungen (3) und der gestreiften Bezugselektroden (6) vertauscht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der kompletten Matrix in der Weise erfolgt, dass bei Vorliegen keiner Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung (3) und ausgewählter gestreifter Bezugselektrode (6), wobei die gestreiften Bezugselektroden (6) und Bitleitungen (3) parallel angeordnet werden, die nicht-ausgewählten Bitleitungen (3) und nicht-ausgewählten gestreiften Bezugselektroden (6) auf dasselbe Potential, wie die ausgewählte Wortleitung (2) gelegt werden und das Potential der nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) beliebig gewählt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter für die Wortleitungen (2) zum Einsatz kommt und diese durch p- (8) und n-dotierte (9) Gebiete verbunden sind, wobei die Höhe der Dotierung so gewählt wird, dass die Fermi-Niveaus der p- (8) und n-dotierten (9) Gebiete gleichen Abstand zu dem Fermi-Niveau der Wortleitungen (2) besitzen und das Bändermodell des so entstehenden psn-Überganges (10) eine Symmetrie besitzt.
Verfahren nach Anspruch 6 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die psn-Übergänge (10) eine Sperrspannung zur Verarmung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in den Wortleitungen (2) angelegt wird, sofern eine lange Debye-Länge gewünscht wird und eine Durchlassspannung zur Anreicherung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in den Wortleitungen (2) angelegt wird, sofern eine kurze Debye-Länge gewünscht wird, wobei eine antisymmetrische Spannung jeweils an die p- (8) und n-Gebiete (9) angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter für die Wortleitungen (2) zum Einsatz kommt und diese durch Metall-Gebiete, zur Ausbildung von Schottkykontakten, verbunden sind, wobei die Austrittsarbeit der Metalle so gewählt wird, dass die Abstände der Fermi-Niveaus zwischen den Metallgebieten und dem Halbleiter identisch sind und das Bändermodell symmetrisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material mit einem Metall-Isolator-Übergang für die Wortleitungen (2) zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss (11) durch die auszuwählende Wortleitung (2) eine leichte Temperaturerhöhung bewirkt und ein Metall-Isolator-Übergang eine Änderung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in der auszuwählenden Wortleitung (2) auslöst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) ein elektrisch polarisierbares dielektrisches Speichermaterial zur Speicherung digitaler Daten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei bewegliche Ionen in einem Festkörper als aktives Medium (1) zur Speicherung digitaler Informationen verwendet werden.
Vorrichtung, nach Anspruch 9, wobei ein Ferroelektrikum als Speichermaterial Verwendung findet.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, wobei die Wortleitungen (2) aus Strontiumtitanat oder Titandioxid bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein sigmoidales Transmissionsverhalten (12) der Wortleitungen (2) dazu dienen soll die Aktivierungsfunktion eines Neurons zu modellieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) ein Flüssigkristall ist, welcher zur Anzeige von Informationen dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) aus Mikrokapseln zur elektrophoretischen Ansteuerung und Anzeige von Informationen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) aus Flüssigkeitstropfen besteht und die Elektrobenetzung von diesen gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mechanische Aktoren als aktives Medium (1) verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrerer solcher Matrixvorrichtungen übereinander gestapelt sind und die gestreifte Bezugselektrode (6) gleichzeitig die Bitleitung (3) für die darüber liegende Zelle bildet.