DE10323414A1 - Solid state electrolyte memory cell has barrier layer between ion conductive material of variable resistance and the cathode - Google Patents

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Abstract

A solid-state electrolyte memory cell comprises a memory region (S) between anode (A) and cathode (K) on an ion-conductive material (I) having regions of different and controllable variable conductance (G). A barrier layer (B) between the ion-conductive and cathode layers suppresses a short, low-resistance error or hard write condition.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörperelektrolytspeicherzelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The The present invention relates to a solid electrolyte storage cell according to the generic term of claim 1.

Bei Festkörperelektrolytspeicherzellen ist im Wesentlichen zwischen einem gegebenen Anodenbereich und einem gegebenen Kathodenbereich ein Speichermaterialbereich im Wesentlichen auf der Grundlage eines Ionenleitermaterialbereichs ausgebildet. Der Ionenleitermaterialbereich besitzt eine in einem Bereich unterscheidbarer Leitfähigkeitswerte steuerbar variierbare elektrische Leitfähigkeit. Der Speichereffekt der Festkörperelektrolytspeicherzelle beruht darauf, dass der Wert der Leitfähigkeit eindeutig einem Informationswert und/oder einen Informationsspeicherzustand der Festkörperelektrolytspeicherzelle und insbesondere des Ionenleitermaterialbereichs zuordenbar ist.at Solid electrolyte memory cells is essentially between a given anode area and one given cathode region, a storage material region essentially formed on the basis of an ion conductor material region. The region of the ion conductor material has a region that can be distinguished Conductivity values controllable variable electrical conductivity. The storage effect of the solid-state electrolyte storage cell is based insist that the value of conductivity clearly an information value and / or an information storage state the solid electrolyte storage cell and in particular can be assigned to the ion conductor material area.

Im Betrieb kann und wird beim Lesen über eine zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich angelegte Potentialdifferenz ein gemessener Strom und/oder eine daraus ermittelte Leitfähigkeit einem im Ionenleitermaterialbereich über die Ionenleitfähigkeit gespeicherten Informationszustand oder Informationswert zugeordnet.in the Operation can and will when reading across an between the anode area and a potential difference applied to the cathode region Current and / or a conductivity determined from it in the ion conductor material area via the ion conductivity assigned stored information state or information value.

Durch einen aufgeprägten Schreibstrom wird beim Schreibvorgang oder Löschvorgang die Ionenleitfähigkeit des Ionenleitermaterialbereichs in definierter und in nichtflüchtiger Art und Weise moduliert und eingestellt, so dass zeitlich unabhängig durch nachfolgende Lesevorgänge über den oben bereits beschriebenen Auslesevorgang mittels eines gegebenen Potentials und eines gemessenen Stroms ein Stromfluss oder Leitfähigkeitswert ermittelbar ist, welcher für den materiellen Zustand des Ionenleitermaterialbereichs und damit für die dort gespeicherte Information repräsentativ ist.By an embossed Write current becomes ion conductivity during the write process or erase process of the ion conductor material range in defined and non-volatile Modulated and adjusted in such a way that it is independent of time by subsequent ones Read operations via the Reading process already described above by means of a given Potential and a measured current a current flow or conductivity value can be determined which for the material state of the ion conductor material area and thus for the information stored there is representative.

Problematisch bei bekannten Festkörperelektrolytspeicherzellen ist, dass es bei mehrfachen Schreib- und/oder Lesevorgängen zu irreversiblen Veränderungen des Speichermaterialbereichs und insbesondere des Ionenleitermaterialbereichs kommen kann. Es stellen sich insbesondere sehr niederohmige Strukturen im Bereich des Ionenleitermaterialbereichs ein, welche im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich führen können. Dabei ist auch schwerwiegend die Irreversibilität dieser Zustände, durch welche sich die Schwierigkeit ergibt, dass diese Zustände und damit ein Ausräumen der hohen Leitfähigkeit im Ionenleitermaterialbereich entweder gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar ist.Problematic in known solid electrolyte memory cells is that there are multiple write and / or read operations irreversible changes the storage material area and in particular the ion conductor material area can come. In particular, there are very low-resistance structures in the area of the ion conductor material area, which is the worst Case of a short circuit between the anode area and the cathode area to lead can. The irreversibility of these conditions is also serious which gives rise to the difficulty that these states and clearing it out the high conductivity in the ion conductor material area either not at all or only with very much high effort is feasible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperelektrolytspeicherzelle anzugeben, bei welcher eine irreversible Schädigung im Sinne eines niederohmigen Zustands zwischen Anode und Kathode oder eines Kurzschlusses zwischen Anode und Kathode auf möglichst einfache Art und Weise verhindert werden kann.The The invention is based on the object of a solid electrolyte storage cell to indicate in which an irreversible damage in the sense of a low impedance State between anode and cathode or a short circuit between Anode and cathode on if possible simple way can be prevented.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.The The task is in a generic solid electrolyte storage cell according to the invention the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous further training the solid electrolyte storage cell according to the invention Subject of the dependent Dependent claims.

Die erfindungsgemäße Festkörperelektrolytspeicherzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ionenleitermaterialbereich und dem Kathodenbereich ein Barrierebereich vorgesehen ist und dass durch den Barrierebereich ein vergleichsweise sehr niederohmiger Fehlerzustand, ein Kurzschluss und/oder ein Hard-Write-Zustand zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich reduzierbar, und dem Kathodenbereich reduzierbar, unterdrückbar, in seinem zeitlichen Auftreten verzögerbar und/oder verhinderbar ist.The Solid electrolyte memory cell according to the invention is characterized in that between the ion conductor material area and a barrier area is provided for the cathode area and that a comparatively very low impedance due to the barrier area Error state, a short circuit and / or a hard write state between the Anode area and the cathode area reducible, and the cathode area reducible, suppressible, delayed in its occurrence and / or preventable is.

Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, zwischen dem Ionenleitermaterialbereich des Speichermaterialbereichs und dem Kathodenbereich einen Barrierebereich auszubilden. Dieser zusätzliche Barrierebereich steht der Formierung materieller und kurzschließender Strukturen zwischen der Anode und der Kathode im Wege. Dadurch kann auf wirksame Weise ein allzu schnelles sich Ausbilden von Kurzschlussstrukturen verhindert werden. Gegebenenfalls wird das Ausbilden von Kurzschlussstrukturen auch vollständig unterdrückbar.It is thus a core idea of the present invention between which Ion conductor material area of the storage material area and the To form a cathode area a barrier area. This additional The barrier area stands for the formation of material and short-circuiting structures between the anode and the cathode in the way. This can be effective Way too quickly forming short-circuit structures be prevented. If necessary, the formation of short-circuit structures also completely suppressed.

Der Anodenbereich kann z. B. aus Silber Ag oder Kupfer Cu bestehen. Der Kathodenbereich kann aus einem beliebigen Metall, Metallsilizid, einer Kombination davon oder aus einem Siliziummaterial bestehen.The Anode area can e.g. B. consist of silver Ag or copper Cu. The cathode area can be made of any metal, metal silicide, a combination thereof or a silicon material.

Das Ionenleitermaterial kann z. B. aus Chalcogenidverbindungen bestehen oder solche enthalten.The Ion conductor material can e.g. B. consist of chalcogenide compounds or contain such.

Der Barrierebereich kann ein beliebiges dielektrisches und/oder halbleitendes Material sein oder ein solches aufweisen.The Barrier area can be any dielectric and / or semiconducting Be or have material.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle oder Festelektrolytspeicherzelle ist es vorgesehen, dass als Barrierebereich eine Tunnelbarriereschicht ausgebildet ist. Durch diese wird insbesondere ein elektrischer Tunnelstrom transportierbar, vorzugsweise auf der Basis von Elektronen.According to a particularly preferred embodiment of the solid electrolyte memory cell or solid electrolyte memory cell according to the invention, it is provided that a tunnel barrier layer is formed as the barrier region. Through this In particular, an electrical tunnel current can be transported, preferably based on electrons.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass als Barrierebereich ein nicht-metallischer Bereich ausgebildet ist, z. B. ein dielektrischer und/oder halbleitender Bereich.alternative or additionally it is envisaged that a non-metallic barrier region Area is formed, for. B. a dielectric and / or semiconducting Area.

Gemäß einer weiteren Alternative oder weiterhin zusätzlich ist es vorgesehen, dass als Barrierebereich ein nicht ionenleitender Bereich ausgebildet ist, insbesondere mit einer Ionenleitfähigkeit, die eine oder mehrere Größenordnungen geringer ist als die des Ionenleitermaterialbereichs.According to one another alternative or in addition, it is provided that a non-ion-conducting area is formed as the barrier area, especially with an ionic conductivity that has one or more orders of magnitude is less than that of the ion conductor material area.

Alternativ dazu ist es vorgesehen, dass als Barrierebereich ein ionenleitfähiger Bereich ausgebildet ist. Die Ionenleitfähigkeit sollte so hoch sein, dass die Speicherzelle eine Schaltzeit unterhalb oder im Bereich von bis zu 1 μs erreicht.alternative for this purpose, it is provided that an ion-conductive area is used as the barrier area is trained. The ion conductivity should be so high that the memory cell has a switching time below or in the range of up to 1 μs reached.

In diesem Fall ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle bei einer gegebenen Temperatur und insbesondere bei einer Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle die Ionenbeweglichkeit von Ionen im Barrierebereich geringer ausgebildet als die Ionenbeweglichkeit der gleichen Ionen im Ionenleitermaterialbereich.In this case is according to one a further advantageous development of the solid electrolyte storage cell according to the invention at a given temperature and especially at an operating temperature the solid-state electrolyte storage cell according to the invention the ion mobility of ions in the barrier area is reduced than the ion mobility of the same ions in the ion conductor material area.

Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden mit anderen Worten auch anhand der nachfolgenden Bemerkungen weiter erläutert:
Konventionelle Festkörperelektrolytspeicherzellen mit Ionenleitereigenschaften bestehen typischerweise aus einer Anode oder einem Anodenbereich A, einem Ionenleiter oder Ionenleitermaterialbereich I eines Speichermaterialbereichs S und einer Kathode K oder einem Kathodenbereich K.
In other words, these and further aspects of the present invention are also explained further on the basis of the following comments:
Conventional solid-state electrolyte storage cells with ion conductor properties typically consist of an anode or an anode region A, an ion conductor or ion conductor material region I, a storage material region S and a cathode K or a cathode region K.

Bei einer Festkörperelektrolytspeicherzelle handelt es sich um ein resistiv schaltendes Element, dessen Gesamtleitfähigkeit einem Speicherzustand zugeordnet werden kann. Zur Detektion des Zustands, Informationszustands oder gespeicherten Informationsinhalts der Zelle, z.B. im Sinne einer logischen 1 oder einer logischen 0, wird der Strom bei einer angelegten Lesespannung Uread ausgewertet.A solid-state electrolyte storage cell is a resistively switching element, the overall conductivity of which can be assigned to a storage state. To detect the status, information status or stored information content of the cell, for example in the sense of a logic 1 or a logic 0, the current is evaluated when the read voltage U read is applied .

Bei einer solchen Festkörperelektrolytspeicherzelle ist es möglich, metallische Ionen durch den im Allgemeinen elektrisch schlecht leitfähigen Ionenleiter I durch Anlegen bipolarer Spannungspulse kontrolliert diffundieren zu lassen. Diese metallischen Ionen sind im einfachsten Fall identisch mit dem Anodenmaterial, d.h. metallisches Anodenmaterial wird oxidiert und geht beim Anlegen einer positiven Schreibspannung Uwrite > Uread in den Ionenleiter I in Lösung. Die Ionendiffusion kann durch die Dauer, die Amplitude und die Polarität der extern eingeprägten elektrischen Spannung in die Zelle kontrolliert werden. Beim Anlegen einer positiven elektrischen Spannung Uwrite an die hier beschriebene Festkörperelektrolytzelle diffundieren die metallischen Kationen unter dem Einfluss des externen elektrischen Feldes durch den Ionenleiter I in Richtung der Kathode K. Sobald ausreichend viele Metallionen diffundiert sind, kann sich eine niederohmige metallische Brücke zwischen der Anode A und der Kathode (K) ausbilden, so dass der elektrische Widerstand der Speicherzelle stark absinkt.With such a solid-state electrolyte storage cell, it is possible to have metallic ions diffuse in a controlled manner through the generally poorly conductive ion conductor I by applying bipolar voltage pulses. In the simplest case, these metallic ions are identical to the anode material, ie metallic anode material is oxidized and dissolves in the ion conductor I when a positive write voltage U write > U read is applied . The ion diffusion can be controlled by the duration, the amplitude and the polarity of the externally impressed electrical voltage in the cell. When a positive electrical voltage U write is applied to the solid electrolyte cell described here, the metallic cations diffuse under the influence of the external electrical field through the ion conductor I in the direction of the cathode K. As soon as a sufficient number of metal ions have diffused, a low-resistance metallic bridge can form between the anode Form A and the cathode (K) so that the electrical resistance of the memory cell drops sharply.

Die Funktion der oben beschriebenen Speicherzelle ist jedoch mit mehreren technischen Problemen verbunden:

  • (a) Sobald sich zu viele Ionen infolge der Felddriftbewegung an der Kathode K gesammelt haben, ist dieser Status durch Umpolen der externen Spannung nicht mehr reversibel umschaltbar. Die Speicherzelle befindet sich in einem sehr niederohmigen Zustand, dem so genannten „hard-write"-Zustand. Dies stellt ein OTP dar, also ein One-Time-Programmable Memory.
  • (b) Andererseits, wenn zu wenige Metallionen an dem Brückenbildungsprozess beteiligt sind – also keine stabilen metallische Filamente gebildet worden sind – ist der Spei chereffekt flüchtig, d.h. der niedrigohmige Zustand verschwindet nach einer gewissen Zeit. Unter anderem ist aus diesem Grund bislang auch noch keine Festkörperelektrolytspeicherzelle als wirkliche nichtflüchtige Speicherzelle realisiert worden.
  • (c) Das Widerstandsverhältnis der Zelle im OFF- und ON-Zustand wird nur durch die Eigenschaften des Elektrolyten und der metallischen Brücke bestimmt und liegt oft nicht in einem für die weitere Signalverarbeitung günstigen Bereich.
However, the function of the memory cell described above is associated with several technical problems:
  • (a) As soon as too many ions have collected on the cathode K as a result of the field drift movement, this status can no longer be reversibly switched by reversing the polarity of the external voltage. The memory cell is in a very low-resistance state, the so-called "hard-write" state. This represents an OTP, that is to say a one-time programmable memory.
  • (b) On the other hand, if too few metal ions are involved in the bridging process - that is, no stable metallic filaments have been formed - the storage effect is volatile, ie the low-resistance state disappears after a certain time. For this reason, among other things, no solid-state electrolyte memory cell has yet been implemented as a real non-volatile memory cell.
  • (c) The resistance ratio of the cell in the OFF and ON state is only determined by the properties of the electrolyte and the metallic bridge and is often not in a range that is favorable for further signal processing.

Es gibt bislang keinen in der Literatur beschriebene Darstellung, mit der die beschriebenen technischen Probleme gelöst werden können. Die einzige Möglichkeit, einen Hard-Write-Zustand zu vermeiden, ist es, die Programmierpulse kurz zu halten und deren Amplitude zu beschränken. Trotzdem bleibt auch bei diesem Betriebsmodus die Gefahr, dass bei wiederholtem Schreiben ein solcher Hard-Write-Zustand auftritt, wenn kein vollständiges Löschen nach jedem Schreiben erfolgt.It is not yet a description described in the literature, with of the technical problems described can be solved. The only way a hard write state to avoid, is to keep the programming pulses short and their Limit amplitude. Nevertheless, even with this operating mode, there remains the risk that such a hard write state occurs repeatedly, if not a complete delete after every letter is done.

Eine Ausführungsform kann dergestalt realisiert werden, dass zwischen Kathode K und Ionenleiter I eine nicht-metallische und gleichzeitig nicht ionenleitende Barriereschicht B eingebracht wird. Dadurch wird verhindert, dass der oben beschriebene niederohmige Hard-Write-Zustand in der Festkörperelektrolytzelle auftritt, der die Anode A mit der Kathode K irreversibel elektrisch kurzschließt. Zusätzlicher Vorteil dieser Realisierung einer Festkörperelektrolytspeicherzelle ist, dass der Widerstand des hochohmigen OFF-Zustands und des niederohmigen ON-Zustandes durch Wahl der Dicke der Barriere einstellbar ist, da es sich bei der Anordnung prinzipiell um eine Reihenschaltung von zwei Widerständen handelt, wobei der erste Widerstand R1 bestimmt ist durch den Ionenleiter I mit den Ionen und wobei der zweite Widerstand R2 bestimmt ist durch die Barriere B. Zudem lässt sich der niederohmige ON- Zustand zuverlässig niedrig programmieren, da die Grenzfläche K oder Kontaktfläche K zwischen der Barriere B und dem Ionenleiter I mit einer hohen Metallionendichte besetzt sein kann, ohne dass es zu einem metallischen Kurzschluss kommt.An embodiment can be implemented in such a way that a non-metallic and at the same time non-ion-conducting barrier layer B is introduced between the cathode K and the ion conductor I. This prevents the low-resistance hard-write state described above from occurring in the solid-state electrolyte cell, which irreversibly short-circuits the anode A with the cathode K. Additional advantage of this realization of a solid electrolyte Memory cell is that the resistance of the high-resistance OFF state and the low-resistance ON state can be adjusted by choosing the thickness of the barrier, since the arrangement is in principle a series connection of two resistors, the first resistor R1 being determined by the Ion conductor I with the ions and the second resistance R2 being determined by the barrier B. In addition, the low-resistance ON state can be programmed reliably low, since the interface K or contact surface K between the barrier B and the ion conductor I has a high metal ion density can be without a metallic short circuit.

In einer Abwandlung der Erfindung ist die Barriere B ebenfalls ein ionenleitfähiges Material, allerdings ist die Ionenleitfähigkeit, d.h. die Beweglichkeit der Ionen bei einer gegebenen Temperatur in dieser Barrierenschicht (B) schlechter als die der eigentlichen Ionenleiterschicht I. Damit kann ebenfalls verhindert werden, dass irreversible Hard-Write-Zustände auftreten, da wiederholte und oder lange Spannungspulse nicht notwendigerweise zu einer überkritischen Akkumulation von Metallionen in der ionenleitfähigen Barrierenschicht B führen. Dies kann durch Variation der Schichtdicke des Barrierenmaterials B in Abhängigkeit der Ionenleitfähigkeit realisiert werden.In a modification of the invention, the barrier B is also a ion conductive Material, however the ionic conductivity, i.e. the mobility of ions at a given temperature in this barrier layer (B) worse than that of the actual ion conductor layer I. Thus can also prevent irreversible hard-write states from occurring, since repeated and or long voltage pulses are not necessarily to a supercritical Accumulate metal ions in the ion-conductive barrier layer B. This can be varied by varying the layer thickness of the barrier material B in dependence the ionic conductivity will be realized.

Eine Idee der Erfindung ist, anstelle der Standardfestkörperelektrolytzellkonfiguration eine neuen Zellaufbau mit einer Abfolge von der Art Anode A/Ionenleiter I/Tunnelbarrierenschicht B/Kathode K zu realisieren. Durch das beschriebene Einfügen der Tunnel-Barrieren-Schicht B kann die neuartige Zelle im ON-Zustand eine langzeitstabile metallische Brücke aufbauen und stellt damit ein nichtflüchtiges Speicherelement dar. Die Funktion unterscheidet sich insofern von einer konventionellen Festkörperelektrolytzelle, dass im Betrieb ein Tunnelstrom durch die Tunnelbarrierenschicht anstelle eines Elektronenstroms durch die metallische Brücke fließt. Dieser Schritt bedeutet eine ganz wesentliche Verbesserung der elektrischen Eigenschaften im Vergleich zu einer konventionellen Festkörperelektrolytspeicherzelle und der Einsetzbarkeit für zukünftige nichtflüchtige Speicheranwendungen.A The idea of the invention is instead of the standard solid electrolyte cell configuration a new cell structure with a sequence of the type anode A / ion conductor I / tunnel barrier layer B / cathode K to realize. Through the described Insert the Tunnel barrier layer B can make the novel cell in the ON state build a long-term stable metallic bridge and thus provides a non-volatile memory element The function differs from a conventional one Solid electrolyte cell that in operation, a tunnel current flows through the tunnel barrier layer instead of an electron current flowing through the metallic bridge. This step means a very significant improvement in the electrical properties compared to a conventional solid electrolyte storage cell and the applicability for future non-volatile memory applications.

Die Erfindung wird des Weiteren anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle näher erläutert.The The invention is further illustrated by a schematic drawing on the basis of preferred embodiments of the solid electrolyte memory cell according to the invention explained in more detail.

1 ist eine schematische und seitliche Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle. 1 is a schematic and side cross-sectional view of a first embodiment of the solid electrolyte memory cell according to the invention.

2A, B zeigen in schematischer und seitlicher Querschnittsansicht anhand einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle Details im Hinblick auf einen ON-Zustand bzw. einen OFF-Zustand der Speicherzelle. 2A , B show a schematic and lateral cross-sectional view with the aid of a further embodiment of the solid-state electrolyte memory cell according to the invention with regard to an ON state or an OFF state of the memory cell.

3 ist eine schematische und seitliche Querschnittsansicht einer herkömmlichen Festkörperelektrolytspeicherzelle. 3 11 is a schematic and side cross-sectional view of a conventional solid electrolyte memory cell.

Im Folgenden werden im Hinblick auf Elemente und Strukturen ähnliche oder vergleichbare Strukturen oder Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne dass bei jedem Auftreten dieser Bezugszeichen die Detailbeschreibungen der jeweiligen Strukturen und Elemente wiederholt werden.in the The following are similar in terms of elements and structures or comparable structures or elements with the same reference symbols referred to without the each time these reference numerals occur Detailed descriptions of the respective structures and elements repeated become.

1 zeigt anhand einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Festkörperelektrolytspeicherzelle 10. In einem Materialbereich 20, zum Beispiel einem Isolator oder einem halbleitenden Material mit einer Unterfläche oder Unterseite 20a und einer Oberfläche oder Oberseite 20b, sind ein Kathodenbereich K oder eine Kathode K, ein Speicherbereich S oder Speichermaterialbereich S sowie daran anschließend eine Anode A oder ein Anodenbereich A vorgesehen. Der Speicherbereich S oder Speichermaterialbereich S besteht erfindungsgemäß aus einem Barrierebereich oder einer Barriereschicht B, welche im Speichermaterialbereich S dem Kathodenbereich K zugewandt ausge bildet ist. Daran schließt sich dem Anodenbereich A zugewandt ein Ionenleiter I oder Ionenleitermaterialbereich I an, und zwar derart, dass zwischen dem Barrierebereich B oder der Barriereschicht B und dem Ionenleitermaterialbereich I eine gemeinsame Grenzfläche G ausgebildet ist. 1 shows a schematic and sectional side view of an embodiment of the solid electrolyte memory cell according to the invention 10 , In a material area 20 , for example an insulator or a semiconducting material with a bottom or bottom 20a and a surface or top 20b , A cathode area K or a cathode K, a storage area S or storage material area S and then an anode A or an anode area A are provided. According to the invention, the storage area S or storage material area S consists of a barrier area or a barrier layer B, which is formed in the storage material area S facing the cathode area K. This is followed by an ion conductor I or ion conductor material region I facing the anode region A, in such a way that a common interface G is formed between the barrier region B or the barrier layer B and the ion conductor material region I.

Im Betrieb wird durch einen Schreibvorgang im Ionenleitermaterialbereich I eine Struktur, zum Beispiel in Form von Filamenten aus Metallionen, ausgebildet, welche die an sich schlechte Leitfähigkeit oder elektrische Leitfähigkeit des Ionenleitermaterialbereichs I steigert, um zum Beispiel eine logische Eins mit einem entsprechenden hohen Leitfähigkeitswert für den Ionenleitermaterialbereich I zu repräsentieren. Zum Schreiben einer logischen Null oder zum Löschen einer geschriebenen logischen Eins wird entsprechend zum Beispiel ein, gegebenenfalls ursprünglicher, Leitfähigkeitszustand mit einer vergleichsweise geringen Leitfähigkeit im Bereich des Ionenleitermaterials I hergestellt oder wiederhergestellt.in the Operation is through a write operation in the ion conductor material area I formed a structure, for example in the form of filaments from metal ions, which is the inherently poor conductivity or electrical conductivity of the ion conductor material region I increases by, for example, one logical one with a correspondingly high conductivity value for the To represent ion conductor material area I. To write one logical zero or to delete a written logical one becomes corresponding, for example a, possibly original, conductivity state with a comparatively low conductivity in the area of the ion conductor material I made or restored.

2A zeigt die in 1 bereits diskutierte erfindungsgemäße Festkörperelektrolytspeicherzelle 10 im so genannten ON-Zustand, welcher zum Beispiel eine logische Eins repräsentiert. Bei diesem ON-Zustand ist, wie bereits vorab erläutert wurde, der Ionenleiterwiderstand des Ionenleitermaterialbereichs I vergleichsweise niedrig, so dass über den Barrierebereich B, in Form einer Tunnelschicht T ein signifikanter Tunnelstrom messbar ist, welcher durch Pfeile angedeutet ist. 2A shows the in 1 already discussed Solid electrolyte memory cell according to the invention 10 in the so-called ON state, which for example represents a logical one. In this ON state, as has already been explained in advance, the ion conductor resistance of the ion conductor material region I is comparatively low, so that a significant tunnel current can be measured via the barrier region B in the form of a tunnel layer T, which is indicated by arrows.

Im Gegensatz dazu zeigt 2B dieselbe Zelle im so genannten OFF-Zustand, in welchem der elektrische Widerstand und mithin der Ionenleiterwiderstand des Ionenleitermaterialbereichs I vergleichsweise hoch ist, so dass über den Barrierebereich B oder über die Tunnelbarriere T kein signifikanter Tunnelstrom messbar ist.In contrast, shows 2 B same cell in the so-called OFF state, in which the electrical resistance and therefore the ion conductor resistance of the ion conductor material region I is comparatively high, so that no significant tunnel current can be measured over the barrier region B or over the tunnel barrier T.

3 zeigt ebenfalls in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine herkömmliche Festkörperelektrolytspeicherzelle 100, bei welcher der herkömmliche Speichermaterialbereich S' im Wesentlichen ausschließlich vom Ionenleitermaterialbereich I mit den oben bereits erwähnten Nachteilen besteht. Eine Barriereschicht B oder Tunnelbarriere T, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen wird und ist, findet sich bei der herkömmlichen Festkörperelektrolytspeicherzelle 100 nicht. 3 also shows a schematic and sectional side view of a conventional solid electrolyte storage cell 100 , in which the conventional storage material region S 'consists essentially exclusively of the ion conductor material region I with the disadvantages already mentioned above. A barrier layer B or tunnel barrier T, as is and is provided according to the invention, is found in the conventional solid electrolyte storage cell 100 Not.

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erfindungsgemäße FestkörperelektrolytspeicherSolid-state electrolyte storage according to the invention
zellecell
2020
Materialbereich, HalbleitermaterialbereichMaterial area, Semiconductor material region
20a20a
Unterseite, UnterflächeBottom, undersurface
20b20b
Oberseite, Oberflächetop, surface
100100
herkömmliche Festkörperelektrolytspeicherzelleconventional Solid electrolyte memory cell
AA
Anode, AnodenbereichAnode, anode region
BB
Barrierebereich, BarriereschichtBarrier region, barrier layer
GG
Grenzflächenbereich, ÜbergangsbereichInterface area, transition area
II
Ionenleitermaterialbereich, InnenleiterIon conductor material area, inner conductor
KK
Kathode, KathodenbereichCathode, cathode region
SS
Speichermaterialbereich der erfindungsgemäßenStorage material area the invention
FestkörperelektrolytspeicherzelleSolid electrolyte memory cell
S'S '
Speichermaterialbereich der herkömmlichen FestStorage material area the traditional festival
körperelektrolytspeicherzellebody electrolyte memory cell
TT
Tunnelbarriere, TunnelbarrierenschichtTunnel barrier, Tunneling barrier layer

Claims (6)

Festkörperelektrolytspeicherzelle, mit. – einem Anodenbereich (A), – einem Kathodenbereich (K) und – einem im Wesentlichen zwischen dem Anodenbereich (A) und dem Kathodenbereich (K) vorgesehenen Speichermaterialbereich (S), – wobei der Speichermaterialbereich (S) im Wesentlichen auf der Grundlage eines Ionenleitermaterialbereichs (I) ausgebildet ist und – wobei der Ionenleitermaterialbereich (I) eine in einem Bereich unterscheidbarer Leitfähigkeitswerte (G) steuerbar variierbare elektrische Leitfähigkeit (GI) besitzt, – deren Wert (GI) eindeutig einem Informationswert und/oder Informationsspeicherzustand der Festkörperelektrolytspeicherzelle (10) und des Ionenleitermaterialbereichs (I) zuordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen dem Ionenleitermaterialbereich (I) und dem Kathodenbereich (K) ein Barrierebereich (B) vorgesehen ist und – dass durch den Barrierebereich (B) ein vergleichsweise sehr niederohmiger Fehlerzustand, ein Kurzschluss und/oder ein Hard-Write-Zustand zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich reduzierbar, unterdrückbar, in seinem zeitlichen Auftreten verzögerbar und/oder verhinderbar ist.Solid state electrolyte storage cell, with. - an anode area (A), - a cathode area (K) and - a storage material area (S) provided essentially between the anode area (A) and the cathode area (K), - the storage material area (S) being based essentially on an ion conductor material area (I) and - where the ion conductor material region (I) has an electrical conductivity (G I ) which can be varied in a range which is distinguishable in a range of conductivity values (G), - whose value (G I ) clearly represents an information value and / or information storage state of the solid electrolyte storage cell ( 10 ) and the ion conductor material region (I), characterized in that - a barrier region (B) is provided between the ion conductor material region (I) and the cathode region (K) and - that a comparatively very low-resistance fault state occurs due to the barrier region (B) Short circuit and / or a hard-write state between the anode area and the cathode area can be reduced, suppressed, delayed in its occurrence in time and / or prevented. Festkörperelektrolytspeicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Barrierebereich (B) eine Tunnelbarriereschicht (T) vorgesehen ist, durch welche insbesondere ein elektrischer Tunnelstrom transportierbar ist.Solid electrolyte memory cell according to claim 1, characterized in that as a barrier area (B) a tunnel barrier layer (T) is provided through which in particular an electrical tunnel current can be transported. Festkörperelektrolytspeicherzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Barrierebereich (B) ein nicht metallischer Bereich vorgesehen ist.Solid electrolyte memory cell according to one of the preceding claims, characterized in that that a non-metallic area is provided as the barrier area (B) is. Festkörperelektrolytspeicherzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Barrierebereich (B) ein nicht ionenleitender Bereich vorgesehen ist.Solid electrolyte memory cell according to one of the preceding claims, characterized in that that a non-ion-conducting area is provided as the barrier area (B) is. Festkörperelektrolytspeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Barrierebereich (B) ein ionenleitfähiger Bereich vorgesehen ist.Solid electrolyte memory cell according to one of the claims 1 to 3, characterized in that as a barrier area (B) ion-conductive Area is provided. Festkörperelektrolytspeicherzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gegebenen Temperatur, insbesondere Betriebstemperatur der Festkörperelektrolytspeicherzelle (10) die Ionenbeweglichkeit von Ionen im Barrierebereich (B) geringer ist als die Ionenbeweglichkeit des jeweils gleichen Ions im Ionenleitermaterialbereich (I).Solid electrolyte storage cell according to claim 5, characterized in that at a given temperature, in particular the operating temperature of the solid electrolyte storage cell ( 10 ) the ion mobility of ions in the barrier area (B) is less than the ion mobility of the same ion in the ion conductor material area (I).
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