DE112004000060T5 - Schaltelement, Verfahren zum Ansteuern des Schaltelements, überschreibbare integrierte Logikschaltung und Speicherelement - Google Patents

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Abstract

Schaltelement, umfassend:
einen Ionenleiter, der Metallionen darin leiten kann;
eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet sind; und
eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist und die Metallionen aufweist;
wobei ein Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, ein Elektrodenzwischenabstand L2 zwischen der erste Elektrode und der dritten Elektrode und ein Elektrodenzwischenabstand L3 zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode die Bedingung gemäß dem folgenden Ausdruck erfüllen: Ll < L2 × 2 und L1 < L3 × 2.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet, ein Verfahren zum Ansteuern des Schaltelements, eine FPL-Schaltung (frei programmierbare Logik: eine überschreibbare integrierte Logikschaltung) sowie ein Speicherelement, das das Schaltelement verwendet.
  • Hintergrundtechnik:
  • Von integrierten Speicherschaltungen schließen Schaltelemente mit einer nichtflüchtigen Funktion, die ein- oder ausgeschaltet gehalten werden können, selbst wenn ihre Stromversorgung ausgeschaltet ist, ein Antischmelzsicherungs-Element als ein erstes konventionelles Beispiel und einen EEPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher) als ein zweites konventionelles Beispiel ein.
  • Schaltelemente zum Ausführen einer nichtflüchtigen Funktion basierend auf einer elektrochemischen Reaktion schließen einen Zeitgeber (oder eine elektrochemische Zeitschalteinrichtung) als ein drittes konventionelles Beispiel und einen PCRAM (programmierbarer Leiter-Direktzugriffsspeicher) als ein viertes konventionelles Beispiel ein.
  • Das Antischmelzsicherungs-Element als das erste konventionelle Beispiel ist ein Schaltelement mit zwei Zuständen, d. h. einem elektrisch eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand, und kann irreversibel von dem ausgeschalteten Zustand in den ein geschalteten Zustand gemäß einem elektrischen oder physikalischen Prozess übergehen. Das Antischmelzsicherungs-Element als das erste konventionelle Beispiel ist im US-Patent Nr. 5,070,384 und im US-Patent Nr. 5,387,812 offenbart. Das Antischmelzsicherungs-Element wird gewöhnlich zwischen zwei Verdrahtungen gebildet. Wenn eine hohe Spannung selektiv zwischen den Verdrahtungen angelegt wird, wird das Antischmelzsicherungs-Element programmiert (Übergang vom ausgeschalteten Zustand zum eingeschalteten Zustand), wodurch die Verdrahtungen elektrisch zusammengeschaltet werden. Sogar nach Ausschalten der Spannung bleibt das Antischmelzsicherungs-Element im eingeschalteten Zustand.
  • Der EEPROM als das zweite konventionelle Beispiel, wie im US-Patent Nr. 4,203,158 offenbart, weist eine schwebende Gate-Elektrode auf, die zwischen der Steuergate-Elektrode und der Kanalschicht eines Transistors angeordnet ist. Wenn die schwebende Gate-Elektrode elektrische Ladungen speichert, d. h. wenn sie aufgeladen wird, oder wenn die schwebende Gate-Elektrode elektrische Ladungen abgibt, d. h. wenn sie entladen wird, ändert sich die Schwellenspannung des Transistors. Die schwebende Gate-Elektrode wird durch Injizieren von Elektronen in die schwebende Gate-Elektrode oder Abgeben von Elektronen aus der schwebenden Gate-Elektrode in Form eines Tunnelstroms geladen oder entladen, der durch einen Oxidfilm fließt. Da die schwebende Gate-Elektrode durch einen Isolierfilm umgeben ist, gehen die darin gespeicherten elektrischen Ladungen nicht verloren, nachdem der EEPROM ausgeschaltet wurde. Deshalb weist der EEPROM eine nichtflüchtige Fähigkeit auf.
  • In den letzten Jahren werden Antischmelzsicherungs-Elemente und EEPROMs in FPL-Schaltungen verwendet, die integrierte Schaltungen darstellen, deren Hardwarekonfiguration für jede Anwendung geändert werden kann. Ein Beispiel einer FPL-Schaltung ist in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 8-78532 offenbart. Die offenbarte FPL-Schaltung weist eine Mehrzahl von Logikschaltungsblöcken, Verdrahtungen, die die Logikschaltungsblöcke miteinander verbinden, und Antischmelzsicherungs-Elemente zum Ändern der Verbindung der Verdrahtungen. Die Antischmelzsicherungs-Elemente werden als Programmierelemente verwendet. Die durch den Benutzer ausge wählten Antischmelzsicherungs-Elemente verbinden Verdrahtungen. Deshalb liefert die FPL-Schaltung eine andere Hardwarekonfiguration für eine Auswahl von Antischmelzsicherungs-Elementen zum Verbinden von Verdrahtungen. FPL-Schaltungen bieten viele Vorteile darin, dass sie vielseitiger sind als ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) und kostengünstig in einer kurzen Ausführungszeit hergestellt werden können, und finden einen sehr schnell wachsenden Absatz.
  • Der Zeitgeber als das dritte konventionelle Beispiel weist einen geschlossenen Regelkreis auf, der aus einer Gleichstromversorgung, einer Last sowie einer ersten und einer zweiten inneren Elektrode aufgebaut ist. Ein Teil der ersten und zweiten Elektrode wird in eine Elektrolytlösung eingetaucht und galvanisiert, und eine der ersten und zweiten inneren Elektrode wird abgeschnitten, wodurch eine Zeit für den Zeitgeber gesetzt wird. Der Zeitgeber als das dritte konventionelle Beispiel ist in der japanischen offengelegten Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 2-91133 offenbart.
  • Das elektronische Element als das vierte konventionelle Beispiel, wie es im US-Patent 6,348,365 offenbart ist, ist ein PCRAM, der Silbergermanid/Selenid verwendet; welches ein silberionenleitendes ionenleitendes Material (der Ausdruck "ionenleitendes Material" hat die gleiche Bedeutung wie "Ionenleiter", der in der vorliegende Beschreibung verwendet wird) als ein Material zum Leiten von Ionen darstellt.
  • 1 der beigefügten Zeichnungen ist eine schematische Querschnittansicht, die eine Struktur des im US-Patent Nr. 6,348,365 offenbarten PCRAM zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, sind ein Isoliermaterial 81, leitendes Material 82 und dielektrisches Material 83 nacheinander auf einem Halbleitersubstrat 87 vorgesehen, und das dielektrische Material 83 weist teilweise eine Muldenstruktur (Nutstruktur) auf. Ein ionenleitendes Material 86 und Metallmaterial 84 werden in der Muldenstruktur angeordnet, und eine Elektrode 85 wird auf dem Metallmaterial 84 und dem dielektrischen Material 83 angeordnet. Wenn eine Spannung zwischen der Elektrode 85 und dem leitenden Material 82 angelegt wird, wächst ein als Dendrit bezeichneter Stromweg auf der Oberfläche des ionenleitenden Materials 86, wodurch die Elektrode 85 und das leitende Material 82 mitein ander verbunden werden. Wenn eine Gegenspannung angelegt wird, verschwindet der Dendrit, wodurch die Elektrode 85 und das leitende Material 82 elektrisch voneinander isoliert werden.
  • Das Antischmelzsicherungs-Element als das erste konventionelle Beispiel ist ein Schaltelement, das hauptsächlich in FPL-Schaltungen verwendet wird. Da der Ein-Widerstand, welches der Widerstand des Antischmelzsicherungs-Elements ist, wenn es sich im eingeschalteten Zustand befindet, klein ist (etwa 50Ω), hat das Antischmelzsicherungs-Element eine kleine Signalverzögerungszeit. Das Antischmelzsicherungs-Element ist jedoch problematisch darin, dass es nicht umprogrammierbar ist. Wenn die FPL-Schaltung programmiert ist, versagt es daher, Anforderungen zum Austesten des Programms und Ändern von Programmen zu erfüllen, während es in Betrieb ist.
  • Während der EEPROM als das zweite konventionelle Beispiel umprogrammierbar ist, ist der Integrationsgrad desselben momentan niedrig, und der Ein-Widerstand desselben hat einen großen Wert von mehreren kΩ, da er durch den Widerstand des MOS-(Metalloxidhalbleiter)-Transistors begrenzt ist. Obwohl der EEPROM breite Verwendung als nichtflüchtiger Speicher findet, ist der Integrationsgrad desselben durch die Dicke des Isolierfilms begrenzt, die es schwierig gestaltet, den EEPROM weiter zu integrieren. Außerdem, wenn der EEPROM in einer FPL-Schaltung verwendet wird, hat er die Tendenz, eine Signalverzögerung aufgrund des großen Ein-Widerstands hervorzurufen.
  • Der Zeitgeber als das dritte konventionelle Beispiel ist eine Vorrichtung zum Messen von Zeit, bis die Elektrode durch einen Galvanisierungsprozess aufgelöst ist, der auf einer elektrochemischen Reaktion beruht. Der Zeitgeber kann nicht als ein Schaltelement zum Umschalten zwischen eingeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand arbeiten.
  • Das elektronische Element als das vierte konventionelle Beispiel ist grundlegend ein Schalter mit zwei Anschlüssen, der eine elektrochemische Reaktion verwendet. Der Übergang des Schalters mit zwei Anschlüssen zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand wird durch eine Spannung gesteuert, die zwischen den beiden Anschlüs sen des Schalters angelegt wird. Wenn der Übergang zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand erfolgt, fließt ein Strom durch den Schalter, und der Schalter verbraucht eine große Menge elektrischen Strom. Der Schalter erfordert dicke Verdrahtungen, die dem zum Verursachen des Übergangs zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand benötigten Strom standhalten können, und erfordert ferner einen Transistor mit einer großen Ansteuerleistung. Obwohl der Schalter selbst integriert werden kann, ist es schwierig, die Verdrahtungen und Peripherieschaltungen zu integrieren.
  • Offenbarung der Erfindung:
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltelement zu schaffen, das hoch integriert werden kann, in einem eingeschalteten Zustand oder einem ausgeschalteten Zustand gehalten werden kann, selbst wenn das Schaltelement ausgeschaltet ist, einen niedrigen Widerstand aufweist, wenn es sich im eingeschalteten Zustand befindet, und sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand umprogrammiert werden kann, ein Verfahren zum Ansteuern des Schaltelements, sowie eine FPL-Schaltung und ein Speicherelement, die das Schaltelement verwenden.
  • Ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen darin leiten kann, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet sind, sowie eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist und die Metallionen umfasst, wobei ein Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, ein Elektrodenzwischenabstand L2 zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode und ein Elektrodenzwischenabstand L3 zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode die Bedingung gemäß dem folgenden Ausdruck erfüllen: L1 < L2 × 2 und L1 < L3 × 2.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge, kann Metall zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagert werden, und das abgelagerte Metall kann durch Steuern einer an die dritte Elektrode angelegten Spannung aufgelöst werden. Das Schaltelement kann zwischen einem Zustand, in dem die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind, und einem Zustand umschalten, in dem die erste Elektrode und die zweite Elektrode nicht elektrisch verbunden sind.
  • In dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger betragen. Wenn der Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger ist, kann das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung in zahlreiche integrierte Schaltungen eingebaut werden.
  • Das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf einem Substrat angeordnet werden, das mit einem Isolierfilm oder einem Isoliersubstrat bedeckt ist. Gemäß einem Aspekt dieser Anordnung, können die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Substrat so angeordnet werden, dass sie voneinander getrennt sind, und der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann 0,5 μm oder weniger betragen, der Ionenleiter kann angeordnet sein, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode zu bedecken, und die dritte Elektrode kann auf dem Ionenleiter angeordnet werden. Gemäß einem anderen Aspekt kann die dritte Elektrode auf dem Substrat angeordnet werden, kann der Ionenleiter auf der dritten Elektrode angeordnet werden, können die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Ionenleiter in voneinander beabstandetem Verhältnis angeordnet werden und kann der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger betragen. Gemäß noch einem anderen Aspekt, kann die erste Elektrode auf dem Substrat angeordnet werden, kann der Ionenleiter auf der ersten Elektrode angeordnet werden, können die zweite Elektrode und die dritte Elektrode auf dem Ionenleiter angeordnet werden und kann der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gleich oder größer als die Filmdicke des Ionenleiters sein. Bei beiden dieser Aspekte kann eine integrierte Schaltung kombiniert mit einem Halbleiterelement einfach gebildet werden.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine wesentliche elektrische Charakteristik zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch Anlegen einer Spannung an die dritte Elektrode gesteuert werden. Die elektrische Charakteristik kann elektrische Leitfähigkeit darstellen.
  • In dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung können die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden sein, um das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand zu bringen, durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode können voneinander isoliert werden, um das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand zu bringen, durch Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die zweite Elektrode ein Metall aufweisen, das basierend auf einer elektrochemischen Reaktion in den Ionenleiter auflösbar ist. In diesem Fall können die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, um das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand zu bringen, entweder durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu der ersten Elektrode ist, an die zweite Elektrode, oder durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode, und die erste Elektrode und die zweite Elektrode können voneinander isoliert werden, um das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand zu bringen, entweder durch Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zur ersten Elektrode ist, an die zweite Elektrode, oder durch Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung soll mindestens eine der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode einen spitzen Teil auf einer Oberfläche derselben aufweisen, der in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten wird.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung, kann der Ionenleiter entweder ein Calcogenidmaterial, das ein zu der Gruppe 6B des Periodensystems gehörendes Element einschließt, Metallionenglas oder einen amorphen Metallionenhalbleiter aufweisen.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung können der Ionenleiter und die dritte Elektrode entweder aus Kupfersulfid bzw. Kupfer, oder Silbersulfid bzw. Silber bestehen, und Teile der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die mit dem Ionenleiter in Kontakt gehalten werden, können aus einem Metall wie zum Beispiel Platin, Aluminium, Gold, Titan, Wolfram, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, oder Molybdän, einem Nitrid des Metalls, einem Silicid des Metalls oder einer Kombination daraus bestehen.
  • Ein Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Schritt auf, die elektrische Charakteristik aufgrund der an die dritte Elektrode angelegten Spannung und/oder einer Zeit zu steuern, in der die Spannung an die dritte Elektrode angelegt wird.
  • Ein Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Schritte auf, das Schaltelement selektiv in den eingeschalteten Zustand und den ausgeschalteten Zustand abhängig von der Polarität der an die dritte Elektrode angelegten Spannung zu bringen und das Schaltelement entweder im eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand zu halten, indem die Anlegung der Spannung an die dritte Elektrode gestoppt wird. Wenn das Schaltelement zum Übergang zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand veranlasst wird, kann die Leitfähigkeit zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessen werden, und die an die dritte Elektrode angelegte Spannung kann basierend auf einer Änderung in der Leitfähigkeit gesteuert werden.
  • Eine überschreibbare integrierte Logikschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung als einen Programmierschalter.
  • Eine Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst Speicherzellen, die jeweils ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung und entweder einen MOS-Transistor oder eine Diode aufweisen. Die Speicherzelle kann einen MOS-Transistor aufweisen, das Schaltelement kann die zweite Elektrode verbunden mit der Drain-Elektrode des MOS-Transistors, die erste Elektrode mit einer ersten Bitleitung und die dritte Elektrode verbunden mit einer ersten Wortleitung aufweisen, und der MOS-Transistor kann eine Source-Elektrode verbunden mit einer zweiten Bitleitung aufweisen, die sich von der ersten Bitleitung unterscheidet, und eine Gate-Elektrode, die mit einer zweiten Wortleitung verbunden ist, die sich von der ersten Wortleitung unterscheidet.
  • Ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet und umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet und in einem vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind, und eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist, zum Ablagern eines Metalls zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufgrund von Metallionen, wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, und Auflösen des abgelagerten Metalls, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch zu trennen, wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge werden, wenn die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, Metallionen in dem Ionenleiter von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch eine elektrochemische Reaktion angezogen, wobei Metall auf die Oberflächen dieser Elektroden abgelagert wird, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch das zwischen diesen Elektroden abgelagerte Metall elektrisch miteinander zu verbinden. Wenn die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, wird das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagerte Metall als Metallionen in dem Ionenleiter aufgelöst, wodurch die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch voneinander getrennt werden. Da im eingeschalteten Zustand die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch das Metall miteinander verbunden sind, wird der Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kleiner gestaltet.
  • Wenn bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung die Anlegung der Spannung an die dritte Elektrode gestoppt wird, nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand oder ausgeschalteten Zustand gebracht worden ist, wird das Schaltelement in diesem Zustand gehalten.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge bleiben die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch das abgelagerte Metall elektrisch miteinander verbunden, selbst wenn keine Spannung an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wurde. Selbst wenn keine Spannung an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand gebracht wurde, bleiben die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch voneinander getrennt. Deshalb ist das Schaltelement nichtflüchtig gestaltet und hält Informationen im eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand.
  • Ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet, und umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist, eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet und um einen vorbestimmten Abstand von der ersten Elektrode entfernt ist, zum Ablagern eines Metalls aufgrund von Metallionen, um die zweite Elektrode elektrisch mit der ersten Elektrode zu verbinden, wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht, an die zweite Elektrode angelegt wird, und zum Auflösen des abgelagerten Metalls, um die zweite Elektrode elektrisch von der ersten Elektrode zu trennen, wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand übergeht, an die zweite Elektrode angelegt wird, und eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist, um einen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließenden Strom zu erhöhen, wenn eine Spannung, die positiv in Bezug zur ersten Elektrode ist, an die dritte Elektrode angelegt wird, und den Strom zu reduzieren, wenn eine Spannung, die negativ in Bezug zur ersten Elektrode ist, an die dritte Elektrode angelegt wird.
  • Wenn der vorliegenden Erfindung zufolge die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht, von der zweiten Elektrode angelegt wird, werden Metallionen in dem Ionenleiter an die erste Elektrode durch eine elektrochemische Reaktion angezogen, wobei ein Metall auf der Oberfläche der ersten Elektrode abgelagert wird, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode mit dem zwischen diesen Elektroden abgelagerten Metall elektrisch zu verbinden. Wenn eine Spannung, die positiv in Bezug zur ersten Elektrode ist, an die dritte Elektrode angelegt wird, steigt die Menge von zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagertem Metall, wodurch der zwischen diesen fließende Strom erhöht wird. Wenn eine Spannung, die negativ in Bezug zur ersten Elektrode ist, an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht worden ist, sinkt die Menge des zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagertem Metalls, wodurch der zwischen ihnen fließende Strom gesenkt wird. Wenn die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergeht, an die zweite Elektrode angelegt wird, wird das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagerte Metall als Metallionen in dem Ionenleiter aufgelöst, wodurch die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch voneinander getrennt werden. Deshalb können der eingeschaltete Zustand und der ausgeschaltete Zustand durch Anlegen der Spannung an die zweite Elektrode gesteuert wer den, und die Größe des Stroms kann durch Anlegen der Spannung an die dritte Elektrode gesteuert werden.
  • Ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltelement, das eine elektrochemische Reaktion verwendet und umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist, eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet und in einem vorbestimmten Abstand von der ersten Elektrode entfernt ist, zum Ablagern eines Metalls aufgrund von Metallionen, wenn eine vorbestimmte Spannung an die zweite Elektrode für eine vorbestimmte Zeit angelegt wird, und eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter zum Ablagern eines Metalls aufgrund von Metallionen angeordnet ist, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander zu verbinden, wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem die vorbestimmte Spannung an die zweite Elektrode für die vorbestimmte Zeit angelegt worden ist.
  • Wenn der vorliegenden Erfindung zufolge die Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, nachdem die Spannung an die zweite Elektrode angelegt wurde, bevor die erste Elektrode und die zweite Elektrode miteinander durch das durch eine elektrochemische Reaktion abgelagerte Metall verbunden werden, werden die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden. Wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind, wird daher das Fließen eines überschüssigen Strom verhindert, und der durch das Schaltelement verbrauchte elektrische Strom wird reduziert.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die dritte Elektrode ein Material zum Liefern von Metallionen an den Ionenleiter aufweisen, und Teile der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten werden, können aus einem Material bestehen, das nicht mit dem Ionenleiter reagiert.
  • Da der vorliegenden Erfindung zufolge Metallionen von der dritten Elektrode dem Ionenleiter durch eine elektrochemische Reaktion zugeführt werden, wird die Ionenleitfähigkeit erhöht, wodurch die Geschwindigkeit erhöht wird, bei der das Schaltelement Übergänge zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten ausführt.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung können die dritte Elektrode und die zweite Elektrode ein Material zum Liefern von Metallionen an den Ionenleiter aufweisen, und ein Teil der erste Elektrode, der in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten wird, kann aus einem Material bestehen, das nicht mit dem Ionenleiter reagiert.
  • Da der vorliegenden Erfindung zufolge Metallionen dem Ionenleiter von der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode durch eine elektrochemische Reaktion zugeführt werden, steigt die Ionenleitfähigkeit, was die Geschwindigkeit erhöht, bei der das Schaltelement Übergange zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand ausführt.
  • Bei dem Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung können die erste Elektrode und die zweite Elektrode in einer Ebene parallel zu einem planaren Muster der dritten Elektrode ausgebildet werden, kann mindestens eine der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein planares Muster mit einem spitzen Teil aufweisen und kann der kürzeste Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch den Abstand des spitzen Teils einer der Elektroden zu der anderen Elektrode dargestellt werden.
  • Da der vorliegenden Erfindung zufolge der kürzeste Abstand zwischen den Elektroden gleich dem Abstand des spitzen Teils einer der Elektroden zu der anderen Elektrode ist, kann die Elektrode mit dem spitzen Muster elektrisch mit der anderen Elektrode verbunden werden, wenn Kupfer zumindest in der Nähe des spitzen Teils abgelagert wird. Deshalb muss kein überschüssiges Kupfer abgelagert werden, wodurch Übergang des Schaltelements von dem ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand bei einer erhöhten Geschwindigkeit ermöglicht wird. Das Schaltelement darf ferner bei einer erhöhten Geschwindigkeit von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand übergehen, da das Metall in der Nähe des spitzen Teils aufgelöst werden kann, um das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand zu bringen.
  • Die überschreibbare integrierte Logikschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben aufgeführte Aufgabe lösen wird, enthält eines der oben genannten Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung als einen Programmierschalter. Der vorliegenden Erfindung zufolge, kann eine Logikschaltung frei eingerichtet werden, indem veranlasst wird, dass das als das Programmierelement verwendete Schaltelement im eingeschalteten Zustand oder ausgeschalteten Zustand ist.
  • Die Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben aufgeführte Aufgabe lösen wird, weist eines der oben genannten Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung und einen Transistor zum Lesen von Informationen auf, die angeben, ob sich das Schaltelement im eingeschalteten Zustand oder ausgeschalteten Zustand befindet. Der vorliegenden Erfindung zufolge wird, nachdem das Schaltelement basierend auf einer elektrochemischen Reaktion in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten Zustand gebracht wurde, das Schaltelement in diesem Zustand gehalten, selbst wenn keine Spannung an die dritte Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird. Die Speichervorrichtung kann daher als ein nichtflüchtiger Speicher verwendet werden.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge wird daher ein Schaltelement geschaffen, das bedarfsgemäß durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung an mindestens eine der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode in den eingeschalteten Zustand oder ausgeschalteten Zustand eingestellt werden kann und nichtflüchtig ist und einen kleineren Widerstand aufweist, wenn es sich im eingeschalteten Zustand befindet. Da das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfache und sehr kleine Struktur aufweist, kann es darüber hinaus in viel kleinerer Auslegung als bisher hergestellt werden.
  • Wenn das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung in eine FPL-Schaltung eingebaut ist, dann ist die FPL-Schaltung umprogrammierbar und kann bei einer hohen Geschwindigkeit arbeiten.
  • Wenn das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Informationsspeichermittel in einer Speichervorrichtung verwendet wird, dann steht die Speichervorrichtung als nichtflüchtiger Speicher mit hohen Schreib- und Leseraten zur Verfügung. Da das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfache und sehr kleine Struktur hat, kann die Speichervorrichtung als eine hochintegrierte Hochgeschwindigkeitsspeichervorrichtung hergestellt werden.
  • Mit einem Herstellungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Schaltelement konsistent und akkurat unter Verwendung der konventionellen Technik zum Herstellen von integrierten Halbleiterschaltungen hergestellt werden. Deshalb können das Schaltelement, die FPL-Schaltung und die Speichervorrichtung, die das Schaltelement enthalten, bei niedrigen Kosten hergestellt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 ist eine schematische Querschnittansicht eines elektronischen Elements als ein viertes konventionelles Beispiel;
  • 2 ist eine Querschnittansicht, die die Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3A ist ein Kurvenbild, das elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3B ist ein Kurvenbild, das elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ist eine Ansicht, die eine elektrochemische Reaktion des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 5 ist eine Querschnittansicht einer Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6A ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines ebenen Musters einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode zeigt;
  • 6B ist eine Draufsicht, die ein anderes Beispiel eines ebenen Musters einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode zeigt;
  • 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Sequenz für die Rückmeldungssteuerung einer Gate-Spannung;
  • 8A ist eine Querschnittsansicht einer anderen Struktur des Schaltelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
  • 8B ist eine Querschnittsansicht noch einer anderen Struktur des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 8C ist eine Querschnittsansicht noch einer anderen Struktur des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 9 ist eine Graphik, die elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, in der ein Ionenleiter aus Kupfersulfid besteht, das durch anodische Polarisierung gebildet wird;
  • 10 ist eine Graphik, die elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, in der ein Ionenleiter aus Kupfersulfid besteht, das durch Laser-Ablation hergestellt wird;
  • 11 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur eines Schaltelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 ist eine Querschnittansicht, die eine Struktur eines Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn sie für eine FPL-Schaltung angewendet wird;
  • 13 ist ein Schaltbild einer Speichervorrichtung, die Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung und MOS-Transistoren aufweist.
  • Beste Art zur Ausführung der Erfindung:
  • Ein Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist wie folgt gekennzeichnet: Eine an eine dritte Elektrode angelegte Spannung wird so gesteuert, dass ein Metall zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode abgelagert wird, um die erste Elekt rode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander zu verbinden, d.h. einen eingeschalteten Zustand zu erreichen. Das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgelagerte Metall wird aufgelöst, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode zu trennen, d. h. um einen ausgeschalteten Zustand zu erreichen. Jeder dieser Zustände wird gehalten, selbst wenn die Spannung nicht weiter an die dritte Elektrode angelegt wird.
  • Im Folgenden sollen Anordnungen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung und den 2, 3A, 3B, 5, 6A, 6B, 8A, 8B, 8C, 9, 10, 11 und 12 entspricht die erste Elektrode einer Source-Elektrode, die zweite Elektrode einer Drain-Elektrode und die dritte Elektrode einer Gate-Elektrode.
  • 2 ist eine Querschnittansicht, die eine Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Source-Elektrode 1 und eine Drain-Elektrode 2, die auf einem ein Siliziumsubstrat darstellenden Substrat 5 angeordnet sind, welches mit einem Siliziumoxidfilm als einem Isolierfilm bedeckt ist, und um einem vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind, einen Ionenleiter 4, der in Kontakt mit der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2 angeordnet ist und Metallionen für eine elektrochemische Reaktion enthält, und eine Gate-Elektrode 3, die auf dem Ionenleiter 4 angeordnet ist. Die Gate-Elektrode 3 dient zum Steuern der Leitfähigkeit zwischen der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2 abhängig von der Größe der an die Gate-Elektrode 3 angelegten Spannung. Die Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und die Gate-Elektrode 3 sind elektrisch voneinander isoliert.
  • Die Gate-Elektrode 3 umfasst ein Material zum Liefern von Metallionen an den Ionenleiter 4 basierend auf einer elektrochemischen Reaktion. Die Teile der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2, die in Kontakt mit dem Ionenleiter 4 gehalten werden, bestehen aus einem Material, das nicht elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagiert. Des halb liefern die Source-Elektrode 1 und die Drain-Elektrode 2 keine Metallionen an den Ionenleiter 4.
  • Im Folgenden soll der Betrieb des so aufgebauten Schaltelements beschrieben werden.
  • Wenn eine Spannung, die positiv in Bezug zur Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 ist, an die Gate-Elektrode 3 angelegt wird, wird ein Metall auf der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2, die nahe beieinander positioniert sind, aufgrund einer Reduktionsreaktion von Metallionen abgelagert. Das Metall, das in einem Spalt zwischen den Elektroden 6 ablagert wird, über dem die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 voneinander um einen vorbestimmten Abstand entfernt sind, verbindet die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch miteinander, woraufhin das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht. Wenn eine Spannung, die negativ in Bezug zur Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 ist, an die Gate-Elektrode 3 angelegt wird, wird das in dem Spalt 6 zwischen den Elektroden abgelagerte Metall zu Metallionen oxidiert, die in dem Ionenleiter 4 aufgelöst werden. Das Metall wird jetzt aus dem Spalt 6 zwischen den Elektroden entfernt, wodurch Übergang des Schaltelements in einen ausgeschalteten Zustand verursacht wird. Der Spalt 6 zwischen den Elektroden stellt den kürzesten Abstand zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 dar.
  • Der ein- und der ausgeschaltete Zustand des Schaltelements werden gehalten, selbst wenn die Spannungen nicht mehr an die Gate-Elektrode 3 angelegt werden. Nach Erreichen des eingeschalteten Zustands wird das Metall abhängig von der Zeit abgelagert oder aufgelöst, während der die Spannung an die Gate-Elektrode 3 angelegt wird, und der angelegten Spannung, wodurch die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Spannung die Leitfähigkeit zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 steuern kann.
  • Wenn der Elektrodenzwischenabstand zwischen der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2 durch L1, der Elektrodenzwischenabstand zwischen der Source-Elektrode 1 und der Gate-Elektrode 3 durch L2 und der Elektrodenzwischenabstand zwischen der Drain-Elektrode 2 und der Gate-Elektrode 3 durch L3 dargestellt werden, dann können die Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und die Gate-Elektrode 3 positioniert werden, um die Bedingung gemäß dem folgenden Ausdruck (1) zu erfüllen: L1 < L2 × 2 und L1 < L3 × 2 (1)
  • Bei dem Schaltelement, das zum Erfüllen der Bedingung gemäß Ausdruck (1) aufgebaut ist, wird, wenn Wachsen eines Metall sowohl von der Source-Elektrode 1 als auch der Drain-Elektrode 2 erfolgt, verhindert, dass die Source-Elektrode und Gate-Elektrode oder die Drain-Elektrode und Gate-Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, bevor die Source-Elektrode und Drain-Elektrode durch das gewachsene Metall elektrisch miteinander verbunden werden.
  • Die Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und die Gate-Elektrode 3 können positioniert werden, um die Bedingung des folgenden Ausdrucks (2) zu erfüllen: L1 < L2 × 1 und L1 < L3 × 1 (2)
  • Bei dem Schaltelement, das zum Erfüllen der Bedingung gemäß Ausdruck (2) aufgebaut ist, wird, wenn Wachsen eines Metalls von einer der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode erfolgt, im wesentlichen verhindert, dass die Source-Elektrode und Gate-Elektrode oder Drain-Elektrode und Gate-Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, bevor die Source-Elektrode und Drain-Elektrode durch das gewachsene Metall elektrisch miteinander verbunden werden. Wenn die elektrische Leitfähigkeit zwischen Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 durch die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Spannung zu steuern ist, ermöglicht es die Anordnung, die die Bedingung gemäß Ausdruck (2) erfüllt, einen variablen Grenzwert der an die Gate-Elektrode 3 angelegten Spannung zu erhöhen.
  • Außerdem können die Source-Elektrode 1, die Drain-Elektrode 2 und die Gate-Elektrode 3 positioniert werden, um die Bedingung gemäß dem folgenden Ausdruck (3) zu erfüllen: L1 < L2 × 1/2 und L1 < L3 × 1/2 (3)
  • Bei dem Schaltelement, das zum Erfüllen der Bedingung gemäß Ausdruck (3) aufgebaut ist, wird zuverlässig verhindert, dass Source-Elektrode und Gate-Elektrode oder Drain-Elektrode und Gate-Elektrode elektrisch durch Metall miteinander verbunden werden, das von der Source-Elektrode und/oder Drain-Elektrode gewachsen ist.
  • Je kleiner der Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 ist, desto niedriger ist die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Spannung, wodurch ein geringerer Verbrauch von elektrischem Strom des Schaltelements ermöglicht wird und ferner zugelassen wird, dass das Schaltelement schneller zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand umschaltet. Wenn der Elektrodenzwischenabstand L1 0,5 μm oder kleiner ist, kann das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung in verschiedene integrierte Schaltungen eingebaut werden. Wenn der Elektrodenzwischenabstand L1 jedoch zu klein ist, steigt ein Kriechstrom, der fließt, wenn eine Spannung zwischen der Source-Elektrode und Drain-Elektrode angelegt wird. Der Elektrodenzwischenabstand L1 kann so festgelegt werden, dass der Kriechstrom 1/10 oder weniger des zwischen der Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließenden Stroms betragen wird.
  • Im Folgenden sollen elektrische Charakteristiken des in 2 gezeigten Schaltelements beschrieben werden.
  • Die 3A und 3B sind Graphiken, die elektrische Charakteristiken des Schaltelements zeigen. In den 3A und 3B stellt die horizontale Achse die Gate-Spannung dar, welche die an die Gate-Elektrode 3 des in 2 gezeigten Schaltelements ange legte Spannung ist, und die vertikale Achse den Drain-Strom, welcher den zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 fließenden Strom darstellt.
  • In dem Schaltelement, das zum Vornehmen der in 3A gezeigten Messung verwendet wird, weist ein Ionenleiter 4 eine wässerige Lösung aus Kupfersulfid auf, bestehen die Source-Elektrode 1 und die Drain-Elektrode 2 aus Platin (Pt), welches nicht in dem Ionenleiter 4 lösbar ist, und besteht die Gate-Elektrode aus Kupfer (Cu), das elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagieren kann.
  • Wie in 3A gezeigt ist, zeigt bei Anlegung einer konstanten Spannung zwischen der Drain-Elektrode 2 und der Source-Elektrode 1 und wiederholter Änderung einer Potentialdifferenz zwischen der Gate-Elektrode 3 und Source-Elektrode 1 die Leitfähigkeit zwischen der Drain-Elektrode 2 und Source-Elektrode 1 eine Hysterese. Die hysteresische Leitfähigkeit soll im Folgenden ausführlich beschrieben werden.
  • In einem Anfangszustand ohne angelegte Spannung befindet sich das Schaltelement in einem ausgeschalteten Zustand und es fließt beinahe kein Drain-Strom. Wenn die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Gate-Spannung positiv von 0 V auf +0,3V im ausgeschalteten Zustand geändert wird, fließt ein Drain-Strom von etwa 1,2 mA, der den Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn die Gate-Spannung negativ auf –0,16 V im eingeschalteten Zustand geändert wird, fließt beinahe kein Drain-Strom, wodurch Übergang des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird. Wenn die Gate-Spannung im Bereich von –0,16 V bis +0,3 V liegt, erfolgt daher kein Schalterübergang, und das Schaltelement wird stabil in dem eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand gehalten. Es ist möglich, den Übergang des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand so viele Male wie gewünscht durch wiederholtes Variieren der Gate-Elektrode zu veranlassen.
  • Die Ursachen, warum das Schaltelement Übergänge zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand wie in 3A gezeigt ausführt, sollen im Folgenden beschrieben werden.
  • 4 ist eine Ansicht, die die Ablagerung und Auflösung von Kupfer aufgrund einer elektrochemischen Reaktion darstellt.
  • Wie in 4 gezeigt ist, werden eine Goldelektrode und eine Kupferelektrode in einen Ionenleiter in Form einer gemischten Lösung aus Kupfersulfat und Schwefelsäure eingetaucht, und eine Spannung wird von einer Spannungsquelle an die Kupferelektrode als eine positive Elektrode und die Goldelektrode als eine negative Elektrode angelegt. Da die gemischte Lösung eine Verkupferungslösung ist, wird das Kupfer der Kupferelektrode als Kupferionen in dem Ionenleiter aufgelöst, und Kupfer wird auf der Goldelektrode abgelagert. Auf diese Weise wird Kupfer durch eine solche elektrochemische Reaktion abgelagert und aufgelöst.
  • Das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet die in 4 gezeigte elektrochemische Reaktion. Die in 4 gezeigte Kupferelektrode entspricht der in 2 gezeigten Gate-Elektrode 3, und die in 4 gezeigte Goldelektrode entspricht der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2, die in 2 gezeigt sind.
  • Die in 4 gezeigte elektrochemische Reaktion soll unter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Schaltelement beschrieben werden.
  • Wenn Kupfer auf die Oberflächen der Source-Elektrode 1 und der Drain-Elektrode 2 durch die oben beschriebene elektrochemische Reaktion abgelagert wird, wird der Elektrodenzwischenspalt 6 mit Kupfer gefüllt, das die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch verbindet, um Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand zu veranlassen. Nachdem das Schaltelement in den in 3A gezeigten eingeschalteten Zustand übergegangen ist, steigt der Drain-Strom bei der Gate-Elektrode, wenn die angelegte Spannung größer als +0,3 V gestaltet wird. Dies bedeutet, dass die Leitfähigkeit zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 steigt, wenn die abgelagerte Menge von Kupfer zunimmt.
  • Wenn das in den Elektrodenzwischenspalt 6 abgelagerte Kupfer durch die elektrochemische Reaktion in dem Ionenleiter aufgelöst wird, wird das Kupfer aus dem Elektrodenzwischenspalt 6 entfernt, wodurch die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch getrennt werden und Übergang des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
  • Die Geschwindigkeit des Übergangs zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand soll im Folgenden beschrieben werden.
  • Wenn von der Gate-Elektrode 3 gelöste Kupferionen zur Oberfläche der Source-Elektrode 1 oder der Drain-Elektrode 2 wandern und an Elektronen gekoppelt werden, wird Kupfer abgelagert, wodurch die Source-Elektrode 1 und die Drain-Elektrode 2 elektrisch miteinander verbunden werden. Wenn das Kupfer, das den Elektrodenzwischenspalt 6 zwischen der Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 füllt, aufgelöst wird, werden die Source-Elektrode 1 und Drain-Elektrode 2 elektrisch voneinander getrennt. Die Geschwindigkeit des Übergangs zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand wird daher durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Metallionen im Ionenleiter 4 wandern, und durch die Rate der elektrochemischen Reaktion. Die Geschwindigkeit, mit der die Metallionen im Ionenleiter 4 wandern, hängt von der Ionenleitfähigkeit und der Gate-Spannung ab.
  • Das Schaltelement, das die in 3B gezeigten elektrischen Charakteristiken aufweist, soll im Folgenden beschrieben werden.
  • In dem Schaltelement, das zum Vornehmen der in 3B gezeigten Messungen verwendet wird, weist der Ionenleiter 4 eine wässerige Lösung aus Kupfersulfid auf, besteht die Source-Elektrode 1 aus Platin (Pt) und bestehen die Gate-Elektrode 3 und die Drain-Elektrode 2 aus Kupfer (Cu), das elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagieren kann.
  • Wie in 3B gezeigt ist, weist bei Anlegen einer konstanten Spannung zwischen der Drain-Elektrode 2 und der Source-Elektrode 1 und wiederholter Änderung einer Potentialdifferenz zwischen der Gate-Elektrode 3 und der Source-Elektrode 1 die Leitfähigkeit zwischen der Drain-Elektrode 2 und der Source-Elektrode 1 eine Hysterese auf. Die hysteresische Leitfähigkeit soll im Folgenden detailliert beschrieben werden.
  • In einem Anfangszustand ohne angelegte Spannung befindet sich das Schaltelement im ausgeschalteten Zustand, und es fließt beinahe kein Drain-Strom. Wenn die an die Gate-Elektrode 3 angelegte Gate-Spannung im ausgeschalteten Zustand positiv von 0 V auf +0,75 V geändert wird, fließt ein Drain-Strom von etwa 2 mA, der den Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn die Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand negativ auf –0,4V geändert wird, fließt beinahe kein Drain-Strom, wodurch das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergeht. Wenn die Gate-Spannung im Bereich von –0,4 V bis +0,75 V liegt, erfolgt daher kein Schaltübergang, und das Schaltelement wird stabil im eingeschalteten Zustand oder ausgeschalteten Zustand gehalten. Es ist möglich, den Übergang des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand so viele Male wie gewünscht durch wiederholtes Variieren der Gate-Elektrode zu veranlassen.
  • Da in den Anordnungen des Schaltelements, das zum Ausführen der in den 3A und 3B gezeigten Messungen verwendet wird, die Drain-Elektrode aus Kupfer besteht, das elektrochemisch mit dem Ionenleiter 4 reagieren kann, kann Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand oder den ausgeschalteten Zustand verursacht werden, indem eine Spannung zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode angelegt wird.
  • Im obigen Beispiel weist der Ionenleiter 4 eine Elektrolytlösung in Form einer gemischten wässerigen Lösung aus Kupfersulfat und Schwefelsäure auf. Der Ionenleiter 4 erzeugt jedoch auch in anderen Formen die gleiche Wirkung wie oben beschrieben. Ionenleiter sind grob in zwei Typen klassifiziert, d. h. eine Flüssigkeit und einen Feststoff. Der flüssige Ionenleiter ist eine Elektrolytlösung, die oben beschrieben wurde, und der feste Ionenleiter ist ein fester Elektrolyt, in dem sich Metallionen frei wie in einer Lösung bewegen können. Wenn das Schaltelement in eine integrierte Schaltung eingebaut ist, dann ist der feste Ionenleiter zum Gebrauch in dem Schaltelement geeignet. Insbesondere Silberionen und Kupferionen weisen Ionenleitfähigkeit in einem geeigneten festen Elektrolyten, z. B. Silbersulfid oder Kupfersulfid auf. Die Erfinder haben festgestellt, dass wie Kupferionen in einer gemischten wässerigen Lösung aus Kupfersulfat und Schwefelsäure, Silberionen in Silbersulfid und Kupferionen in Kupfersulfid ein Schaltphänomen aufweisen, das auf dem Übergang zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand basiert. Bekannte Materialien, in denen Silberionen und Kupferionen wandern, umfassen Metallionenglas und amorphen Metallionenhalbleiter, anders als Calcogenide, die zur Gruppe 6B des Periodensystems gehörende Elemente einschließen.
  • Elemente, die auf den oben aufgeführten Betriebsprinzipien basieren, sind bisher im technischen Gebiet nicht bekannt gewesen, und die Erfinder haben zum ersten Mal den Mechanismus solcher Elemente ersonnen und geprüft.
  • 1. Ausführungsform
  • Von den Schaltelementen gemäß der vorliegenden Erfindung soll im Folgenden ein Schaltelement beschrieben werden, das einen festen Elektrolyt als einen Ionenleiter verwendet.
  • 5 ist eine Querschnittansicht der Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 gezeigt ist, umfasst das Schaltelement 10 eine Gate-Elektrode 13, die auf einem Substrat 15 angeordnet ist, das mit einem Siliziumfilm als ein Isolierfilm bedeckt ist, einen Ionenleiter 14, die auf der Gate-Elektrode 13 angeordnet ist, und eine Source-Elektrode 11 und eine Drain-Elektrode 12, die auf dem Ionen leiter 14 angeordnet sind. Die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 sind in einer Ebene angeordnet, wobei zwischen denselben ein Spalt von 100 nm oder weniger definiert ist. Die Source-Elektrode 11, die Drain-Elektrode 12 und die Gate-Elektrode 13 sind elektrisch voneinander isoliert.
  • Die Gate-Elektrode 13 umfasst ein Material zum Liefern von Metallionen zum Ionenleiter 14 basierend auf einer elektrochemischen Reaktion. Der Ionenleiter 14 sollte vorzugsweise einen festen Elektrolyten mit einer kleinstmöglichen Elektronenleitfähigkeit aufweisen, da, je größer die Elektronenleitfähigkeit ist, desto größer der Kriechstrom ist, der fließt, wenn sich das Schaltelement 10 im ausgeschalteten Zustand befindet. Die Teile der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12, die in Kontakt mit dem Ionenleiter 14 gehalten werden, bestehen aus einem Material, das keine elektrochemische Reaktion mit dem Ionenleiter 14 eingeht. Deshalb liefern die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 keine Metallionen an den Ionenleiter 14, obwohl sie in Kontakt mit dem Ionenleiter 14 gehalten werden.
  • Materialien, die nicht mit dem Ionenleiter 14 reagieren, schließen Metalle wie zum Beispiel Platin, Aluminium, Gold, Titan, Wolfram, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, etc. ein. Materialien, die kaum chemisch reagieren und ionisierbar sind, können Nitride der obigen Metalle oder Siliziumverbindungen (Silicide) wie zum Beispiel Silicide der obigen Metalle darstellen. Die Teile der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12, die in Kontakt mit dem Ionenleiter 14 gehalten werden, müssen nicht aus einem gemeinsamen Material bestehen, sondern können jeweils aus einem der obigen Metalle und Verbindungen bestehen.
  • Im Folgenden sollen planare Muster der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 beschrieben werden.
  • Die 6A und 6B sind Draufsichten, die Beispiele planarer Muster der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 zeigen.
  • In 6A haben die planaren Muster der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 eine rechteckige Form, und der Spalt zwischen diesen beiden Elektroden ist zwischen zwei parallelen Seiten derselben definiert.
  • In 6B haben die planaren Muster der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 eine polygonale Form, und der Spalt zwischen diesen beiden Elektroden, der den kürzesten Abstand zwischen ihnen darstellt, ist zwischen jeweiligen Scheitelpunkten der Muster definiert. Da in diesem Fall die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 elektrisch durch Kupfer miteinander verbunden sind, das zwischen den Scheitelpunkten der Muster abgelagert wurde, muss Kupfer nicht übermäßig abgelagert werden, und das Schaltelement darf schneller in den eingeschalteten Zustand übergehen, als es bei dem in 6A gezeigten planaren Muster der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 der Fall ist. Wenn das abgelagerte Kupfer aufgelöst wird, um die Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 elektrisch zu trennen, geht das Schaltelement auch schneller in den ausgeschalteten Zustand über. Obwohl der Spalt zwischen der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 so dargestellt ist, dass er zwischen den Scheitelpunkten ihrer Muster in 6B definiert ist, kann einer der Scheitelpunkte durch eine Seite des Musters ersetzt werden. Eine solche Modifikation wird weiterhin so betrachtet, dass sie schnelleren Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand als mit den in 6A gezeigten planaren Mustern zulässt. Die beiden Elektroden müssen keine polygonale Form aufweisen, aber eine der Elektroden kann einen spitzen Teil wie den oben aufgeführten Scheitelpunkt aufweisen.
  • Im Folgenden soll der Betrieb des Schaltelements mit der obigen Struktur beschrieben werden.
  • Die Source-Elektrode 11 wird geerdet, eine Spannung von +0,1 V wird an die Drain-Elektrode 12 angelegt, und eine positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 13 angelegt. Ein zwischen der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 fließender Drain-Strom wird beobachtet, der den Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand über gegangen ist, steigt der Drain-Strom, wenn die an die Gate-Elektrode 13 angelegte Gate-Spannung erhöht wird. Wenn eine negative Spannung an die Gate-Elektrode 13 angelegt wird, sinkt der Drain-Strom, wodurch Übergang des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird.
  • Um den Übergang des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand zu veranlassen, kann die Zeitspanne, für die die Gate-Spannung angelegt wird, oder die angelegte Gate-Spannung gesteuert werden, um den Widerstand zwischen der Source-Elektrode 11 und der Drain-Elektrode 12 auf einen gewünschten Zielwiderstand gemäß dem folgenden Rückkopplungssteuerprozess auszugleichen:
  • 7 ist ein Ablaufdiagramm eines Rückkopplungssteuerprozesses zum Steuern der Gate-Spannung. In einem Versuch wird der Rückkopplungssteuerprozess durch einen Personalcomputer (im Folgenden als PC bezeichnet) ausgeführt. Der PC weist eine CPU (Zentrale Verarbeitungseinheit) zum Ausführen vorbestimmter Prozesse gemäß einem Programm und einen Speicher zum Speichern des Programms auf.
  • Wie in 7 gezeigt ist, liest der PC bei Anlegung einer vorbestimmten Spannung an die Gate-Elektrode 3 (Schritt S101) einen Ausgangsstrom ab, der als ein Drain-Strom dient (Schritt S102), bestimmt den Widerstand zwischen den beiden Elektroden aufgrund des Werts der angelegten Spannung und des Werts des abgelesenen Ausgangsstroms und vergleicht den bestimmten Widerstand mit einem voreingestellten Zielwiderstand (Schritt S103). Der PC speichert den Wert der an die Gate-Elektrode 13 angelegten Spannung, die Zeit, für die die Spannung an die Gate-Elektrode 13 angelegt wird und den bestimmten Widerstand als Daten in dem Speicher.
  • Wenn der bestimmte Widerstand mit dem Zielwiderstand innerhalb eines vorbestimmten Bereichs in Schritt S103 übereinstimmt, beendet der PC die Anlegung der Spannung (Schritt S104). Wenn der bestimmte Widerstand in Schritt S103 nicht in den vorbe stimmten Bereich fällt, kehrt die Steuerung zu Schritt S101 zurück, in dem die Spannung angelegt wird.
  • Die Zeit, die zum Ausführen eines Verarbeitungszyklus gemäß dem in 7 gezeigten Ablaufdiagramm benötigt wird, beträgt etwa 100 ms. Wenn jedoch eine zweckgebundene elektrische Schaltung verwendet wird, dann kann die zum Ausführen eines Verarbeitungszyklus benötigte Zeit auf 100 ns oder kürzer reduziert werden.
  • Durch solches Rückmelden des Werts der an die Gate-Elektrode angelegten Spannung wird nicht nur der zuverlässige Übergang des Schaltelements zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand veranlasst, sondern auch der Ein-Widerstand des Schaltelements und der Aus-Widerstand desselben, welches der Widerstand des Schaltelements ist, wenn es sich im ausgeschalteten Zustand befindet, kann genauer bestimmt werden.
  • Im Folgenden soll ein Prozess zum Herstellen des Schaltelements der obigen Struktur beschrieben werden.
  • Nachdem ein Siliziumoxidfilm auf eine Dicke von 300 nm auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wurde, wird ein Kupferfilm auf eine Dicke von 150 nm auf dem Siliziumoxidfilm durch Vakuumverdampfung ausgebildet. Dann wird ein Resist mit einem vorbestimmten Muster auf dem Kupferfilm durch Lithographie ausgebildet, und anschließend wird die Fläche des Kupferfilms, die nicht mit dem Resist bedeckt ist, durch Ionenfräsen entfernt, wodurch die Gate-Elektrode 13 gebildet wird. Deshalb wird der Ionenleiter 14 aus Kupfersulfid auf eine Dicke von 100 nm auf der Gate-Elektrode 13 durch anodische Polarisierung ausgebildet.
  • Im Folgenden soll anodische Polarisierung beschrieben werden. In einer wässerigen Lösung, die 0,025 mol/l Natriumsulfid enthält, wird die Gate-Elektrode 13, die Kupfer als ein zu sulfidierendes Metall einschließt, als eine Anode verwendet, und eine Goldelektrode wird als eine Kathode verwendet. Wenn eine Spannung zwischen Gate-Elekt rode 13 und Goldelektrode angelegt wird, werden die Schwefelionen in der wässerigen Lösung zur Anode angezogen, und Kupfer auf der Oberfläche der Gate-Elektrode 13 wird aufgrund einer elektrochemischen Reaktion zu Kupfersulfid. Während das Fortschreiten des Sulfidationsprozesses durch Messen des Ionenstroms überwacht wird, wird der Ionenleiter 14 mit einer gewünschten Filmdicke ausgebildet.
  • Nachdem der Ionenleiter 14 gebildet wurde, wird ein Titanfilm mit einer Dicke von 10 nm auf dem Ionenleiter 14 durch Sputtern ausgebildet, und dann wird ein Goldfilm mit einer Dicke von 100 nm auf dem Titanfilm durch Vakuumverdampfung ausgebildet. Nachdem ein Resist mit einem vorbestimmten Muster auf dem Goldfilm durch Lithographie ausgebildet wurde, wird die Baugruppe trockengeätzt, um die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 zu bilden. Danach wird der Resist entfernt. Wenn die Source-Elektrode 11 und die Drain-Elektrode 12 ausgebildet sind, ist ein Elektrodenzwischenspalt mit einer Größe von 100 nm oder weniger zwischen denselben begrenzt.
  • Während der Titanfilm in dem obigen Beispiel durch Sputtern gebildet wird, kann er auch durch Vakuumverdampfung gebildet werden. Abschälen (Lift-off) kann anstelle von Trockenätzen zum Ausbilden der Source-Elektrode 11 und Drain-Elektrode 12 verwendet werden.
  • Andere Verfahren als anodische Polarisierung können zum Bilden von Kupfersulfid verwendet werden. Zum Beispiel kann Kupfer mit Schwefel bei einer Temperatur von 200°C oder höher in einer Gasphase zum Bilden von Kupfersulfid zur Reaktion gebracht werden. Alternativ kann ein Film aus Kupfersulfid durch Laser-Ablation aufgewachsen werden.
  • Der vorliegenden Erfindung zufolge wird das Schaltelement auf einem Substrat 15 ausgebildet, das mit einem Siliziumoxidfilm bedeckt ist. Das Schaltelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch auf einem Isolierfilm ausgebildet werden, der MOS-Transistoren bedeckt und miteinander verbindet, die auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind. Dies liegt darin begründet, dass, selbst wenn das Schaltele ment auf dem Isolierfilm ausgebildet wird, es nicht wesentlich die Charakteristiken der MOS-Transistoren und der Verdrahtungen beeinflusst, da Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400°C oder niedriger in dem Herstellungsprozess des Schaltelements durchgeführt wird. Es ist ferner möglich, ein anderes Schaltelement auf einem Isolierfilm zu bilden, der auf dem Schaltelement ausgebildet wird. Folglich ermöglicht das Schaltelement gemäß der vorliegenden Erfindung, dass eine das Schaltelement enthaltende Schaltung hochintegriert ist.
  • Die Struktur des in 5 gezeigten Schaltelements ist nur illustrativ. Schaltelemente anderer Strukturen sind möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Andere Strukturen von Schaltelementen sind in den 8A bis 8C gezeigt.
  • In 8A hat das Schaltelement eine Muldenstruktur, in der der Ionenleiter und die Gate-Elektrode des in 5 gezeigten Schaltelements in der Isolierschicht 26 eingebettet sind. Eine Öffnung ist über dem mit einem Siliziumoxidfilm bedeckten Substrat 25 begrenzt, und die Gate-Elektrode 23 und der Ionenleiter 24 werden nacheinander in der Öffnung angeordnet. Eine Source-Elektrode 21 und eine Drain-Elektrode 22 werden auf dem Ionenleiter 24 angeordnet. Der Spalt oder Abstand zwischen der Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 ist der gleiche wie der in 5 gezeigte. Wenn bei der Muldenstruktur eine Mehrzahl von Schaltelementen ausgebildet wird, weisen Isolierschichten 16, die elektrisch angrenzende Schaltelemente isolieren, obere Flächen auf, die bündig zueinander liegen, wodurch ermöglicht wird, dass mit der Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 verbundene Verdrahtungen auf den Isolierschichten 26 planar und folglich weniger anfällig sind, gebrochen zu werden.
  • In 8B sind die Gate-Elektrode, die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode in dem in 8A gezeigten Schaltelement vertikal umgekehrt. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenleiter 34 auch in dem Spalt zwischen der Source-Elektrode 31 und der Drain-Elektrode 32 angeordnet ist.
  • In 8C sind eine Source-Elektrode 41 und Gate-Elektrode 43 in einer Verbindungsschicht angeordnet, und eine Drain-Elektrode 42 ist in einer anderen Verbindungsschicht angeordnet, die über dem Innenleiter 44 von der obigen Verbindungsschicht positioniert ist. Die Größe des Spalts zwischen der Drain-Elektrode 42 und Source-Elektrode 41 kann durch die Filmdicke des Ionenleiters 44 eingerichtet werden.
  • 9 zeigt elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem Kupfersulfid durch anodische Polarisation erzeugt wird. Die Source-Elektrode 11 ist geerdet, eine Spannung von +0,1 V wird an die Drain-Elektrode 12 angelegt, und eine positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 13 angelegt. Ein zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließender Strom wird beobachtet, der den Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn eine negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird der Strom gesenkt, wodurch das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergeht. Nachdem das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergegangen ist, wird dann bei Anlegung einer positiven Gate-Spannung der zwischen Source-Elektrode und der Drain-Elektrode fließende Strom erhöht.
  • 10 zeigt elektrische Charakteristiken des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem Kupfersulfid durch Laser-Ablation erzeugt wird. Die Source-Elektrode 11 ist geerdet, eine Spannung von +0,01 V wird an die Drain-Elektrode 12 angelegt, und eine positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 13 angelegt. Ein zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließender Strom wird beobachtet, der den Übergang des Schaltelements in den eingeschalteten Zustand verursacht. Wenn eine negative Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, wird der Strom gesenkt, wodurch Übergang des Schaltelements in den ausgeschalteten Zustand verursacht wird. Nachdem das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand übergegangen ist, wird dann bei Anlegung einer positiven Gate-Spannung der zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode fließende Strom erhöht.
  • 2. Ausführungsform
  • Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Elektrode in der ersten Ausführungsform aus dem gleichen Material wie dem der Gate-Elektrode gebildet wird.
  • Im Folgenden soll eine Anordnung des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
  • 11 ist eine Querschnittansicht einer Struktur des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 11 gezeigt ist, umfasst das Schaltelement 50 eine Gate-Elektrode 53, die auf dem Substrat 55 angeordnet ist, das mit einem Isolierfilm bedeckt ist, einen Ionenleiter 54, der auf der Gate-Elektrode 53 angeordnet ist, sowie eine Source-Elektrode 51 und eine Drain-Elektrode 52, die auf dem Ionenleiter 54 angeordnet sind. Die Source-Elektrode 51, die Drain-Elektrode 52 und die Gate-Elektrode 53 sind elektrisch voneinander isoliert.
  • Die Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 sind in einer Ebene positioniert. Die Gate-Elektrode 53 und die Drain-Elektrode 52 enthalten ein Material zum Liefern von Metallionen an den Ionenleiter 54 basierend auf einer elektrochemischen Reaktion. Sowohl die Source-Elektrode 51 als auch der Ionenleiter 54 bestehen aus dem gleichen Material wie bei der ersten Ausführungsform und sollen im Folgenden nicht detailliert beschrieben werden.
  • Als nächstes soll der Betrieb des Zweielektroden-Schaltelements basierend auf der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 beschrieben werden.
  • Wenn die Source-Elektrode 51 geerdet ist und eine positive Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt wird, wächst ein Metallfaden aufgrund von Kupfer, das zwischen der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 abgelagert wird und die Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 elektrisch miteinander verbindet, um das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand zu bringen. Nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht worden ist, wird eine negative Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt, die den Metallfaden zwischen der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 in dem Innenleiter 54 auflöst, wodurch die Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 getrennt werden, um das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand zu bringen.
  • Der Betrieb einer Anordnung ähnlich dem obigen Zweielektroden-Schaltelement ist im technischen Gebiet offenbart worden (Applied Physics Letter, Bd. 82, Nr. 18, S. 3032 bis 3034). Die vorliegende Ausführungsform beruht darauf, dass die Größe des Drain-Stroms durch die Gate-Elektrode 53 gesteuert wird.
  • Im Folgenden soll der Betrieb des Schaltelements der obigen Anordnung beschrieben werden.
  • Nachdem die Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt wurde, um die Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 mit dem Metallfaden zu verbinden und dadurch das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand zu bringen, wie oben beschrieben ist, wird eine positive Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt, die den Ein-Widerstand senkt und den Drain-Strom erhöht. Die Gründe für den reduzierten Ein-Widerstand und den erhöhten Drain-Strom sind wie folgt: Wenn das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wird, in dem die Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 miteinander verbunden sind, besteht, da der Ein-Widerstand reduziert ist, eine geringere Neigung, dass die Spannung an die Drain-Elektrode 52 angelegt wird, wodurch keine Vergrößerung der abgelagerten Menge von Kupfer erreicht wird. Wenn jedoch eine positive Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt wird, wird mehr Kupfer zwischen Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 abgelagert, wodurch der Ein-Widerstand gesenkt wird.
  • Nachdem das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wurde, wird bei Anlegung einer negativen Spannung an die Gate-Elektrode 53 der Drain-Strom reduziert, wodurch der Metallfaden entfernt wird, um den Ein-Widerstand zu erhöhen, und ferner wird das Schaltelement in den ausgeschalteten Zustand gebracht.
  • Wenn einem speziellen Beispiel zufolge der Ein-Widerstand einen Wert von 10Ω hat und die Drain-Spannung einen Wert von 0,1 V aufweist, hat der Drain-Strom einen Wert von 10 mA. Der Stromwert von 10 mA ist sehr hoch in integrierten Halbleiterschaltungen, die winzige Verdrahtungsbreiten aufweisen, und hat die Tendenz, Verdrahtungen zu verbrennen, wenn sie nicht dick genug sind, und ferner Verdrahtungen aufgrund der Bewegung von Atomen in den Verdrahtungen (Elektromigration) zu brechen. Wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt wird, während das Schaltelement sich im eingeschalteten Zustand befindet, ist es möglich, den Ein-Widerstand zu steuern, um Fließen eines übermäßigen Drain-Stroms zu verhindern.
  • Direkt bevor der Metallfaden die Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 verbindet, wenn eine vorbestimmte positive Spannung an den Drain-Strom 52 für eine vorbestimmte Zeitspanne angelegt wird, wird eine Spannung an die Gate-Elektrode 53 angelegt, um das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand zu bringen. Zu diesem Zeitpunkt kann die an die Gate-Elektrode 53 angelegt Spannung klein sein, wodurch das Problem des Zweielektroden-Schaltelements gelöst wird, bei dem ein zu großer Drain-Strom fließt, wenn das Schaltelement in den eingeschalteten Zustand gebracht wird. Es ist erforderlich, vorhergehend die vorbestimmte positive Spannung zu prüfen, die an die Drain-Elektrode 52 angelegt wird, und die vorbestimmte Zeitspanne, für die sie angelegt wird, unmittelbar bevor ein Metallfaden die Source-Elektrode 51 und Drain-Elektrode 52 miteinander verbindet, und ferner zum Festlegen der Zeitsteuerung, um die Spannung an die Gate-Elektrode 53 anzulegen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann eine Spannung zwischen der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 angelegt werden, oder eine Spannung kann an die Gate-Elektrode 53 angelegt werden, um die Source-Elektrode 51 und die Drain-Elektrode 52 elektrisch miteinander zu verbinden.
  • Ein Verfahren zum Herstellen des Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung soll im Folgenden beschrieben werden. Diejenigen Schritte des Herstellungsverfahrens, die identisch mit denjenigen der ersten Ausführungsform sind, werden im Folgenden nicht detailliert beschrieben werden.
  • Nachdem die Gate-Elektrode 53 und der Innenleiter 54 wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet wurden, wird ein Titanfilm mit einer Dicke von 10 nm durch Sputtern ausgebildet, und ein Goldfilm mit auf einer Dicke von 100 nm durch Vakuumverdampfen ausgebildet. Dann wird ein Resist mit einem vorbestimmten Muster auf dem Goldfilm durch Photolithographie ausgebildet, und anschließend wird die Baugruppe zum Bilden der Source-Elektrode 51 trockengeätzt und der Resist wird entfernt. Danach wird ein Kupferfilm mit einer Dicke von 100 nm durch Vakuumverdampfung gebildet. Dann wird ein Resist mit einem vorbestimmten Muster auf dem Kupferfilm durch Lithographie ausgebildet. Anschließend wird die Fläche des Kupferfilms, die nicht mit dem Resist bedeckt ist, durch Ionenfräsen entfernt, wodurch die Drain-Elektrode 52 gebildet wird, und der Resist wird entfernt. Der Spalt zwischen der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 hat eine Größe von 100 nm oder kleiner.
  • Während der Titanfilm in dem obigen Beispiel durch Sputtern gebildet wird, kann er auch durch Vakuumverdampfen gebildet werden. Abschälen kann anstelle von Trockenätzen zum Bilden der Source-Elektrode 51 und der Drain-Elektrode 52 verwendet werden. Wie bei der ersten Ausführungsform können andere Verfahren als anodische Polarisation zum Bilden von Kupfersulfid verwendet werden.
  • Das Schaltelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nur illustrativ. Schaltelemente anderer Strukturen sind möglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Mit der Ausnahme, dass die Drain-Elektrode aus dem gleichen Material wie die Gate-Elektrode besteht, können die Struktur, der Entwurf, und das Herstellungsverfah ren, die oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurden, auf die vorliegende Ausführungsform angewendet werden.
  • 3. Ausführungsform
  • Eine Anordnung einer FPL-Schaltung, die Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, soll im Folgenden beschrieben werden.
  • Wie in der Hintergrundtechnik beschrieben wurde, weist die FPL-Schaltung eine Mehrzahl von Logikschaltungsblöcken, Verdrahtungen, die die Logikschaltblöcke verbinden, und Antischmelzsicherungs-Elemente zum Ändern der Verbindung der Verdrahtungen auf. Der vorliegenden Ausführungsform zufolge, werden Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung als Programmierelemente anstelle von Antischmelzsicherungs-Elementen verwendet.
  • 12 ist eine Querschnittansicht, die eine Struktur eines Schaltelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wie sie auf eine FPL-Schaltung angewendet wird.
  • Die in 12 gezeigte Struktur ist ähnlich der in 8A gezeigten ersten Ausführungsform, außer dass die Source-Elektrode 21 in 8A durch eine Verdrahtung A61 und die Drain-Elektrode 22 in 8A durch eine Verdrahtung B62 ersetzt wurden.
  • Im Folgenden soll der Betrieb des in 12 gezeigten Schaltelements beschrieben werden.
  • Die Verdrahtungen A61, B62 sind geerdet, und eine positive Spannung wird an die Gate-Elektrode 63 angelegt, oder eine negative Spannung wird an die Verdrahtungen A61, B62 angelegt und die Gate-Elektrode 63 wird geerdet, wobei Kupfer zwischen den Verdrahtungen A61, B62 abgelagert wird, um die Verdrahtungen A61, B62 elektrisch miteinander zu verbinden. Die Verdrahtungen A61, B62 sind geerdet, und eine negative Spannung wird an die Gate-Elektrode 63 angelegt, oder eine positive Spannung wird an die Verdrahtungen A61, B62 angelegt und die Gate-Elektrode 63 ist geerdet, wobei das abgelagerte Kupfer aufgelöst wird, um die Verdrahtungen A61, B62 elektrisch voneinander zu trennen.
  • Die Schaltelemente zum Gebrauch in einer FPL-Schaltung können die Struktur der in 8A gezeigten ersten Ausführungsform oder die Struktur der zweiten Ausführungsform aufweisen.
  • Ein Prozess zum Herstellen des in 12 gezeigten Schaltelements soll im Folgenden beschrieben werden. Diejenigen Schritte des Herstellungsprozesses, die identisch mit denjenigen der ersten und zweiten Ausführungsform sind, sollen im Folgenden nicht detailliert beschreiben werden.
  • Eine Isolierschicht 65 wird auf einem Substrat ausgebildet, auf dem Logikschaltungsblöcke und Peripherieschaltungen ausgebildet wurden. Dann wird die Isolierschicht 64 mit einer darin definierten Öffnung auf der Isolierschicht 65 ausgebildet, und die Gate-Elektrode 63 und der Innenleiter 24 werden aufeinanderfolgend in der Öffnung ausgebildet. Danach werden die Verdrahtungen A61, B62 jeweils anstelle der in 8A gezeigten Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 ausgebildet.
  • In einem Versuch konnte die FPL-Schaltung, die die Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, mindestens mehrere Millionen Überschreibzyklen ausführen. Eine jegliche durch die FPL-Schaltung verursachte Signalverzögerung ist klein, da der Ein-Widerstand der Schaltelemente klein ist. Die FPL-Schaltung ist besser als eine FPL-Schaltung, die konventionelle Antischmelzsicherungs-Elemente verwendet, da sie überschreibbar ist, und ist besser als eine FPL-Schaltung, die EEPROMs verwendet, da sie eine kleinere Signalverzögerung verursacht.
  • 4. Ausführungsform
  • Eine Anordnung einer Speichervorrichtung, die die Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung als Informationsspeichermittel verwendet, soll im Folgenden beschrieben werden.
  • 13 ist ein Schaltbild einer Speichervorrichtung, die Schaltelemente gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • Wie in 13 gezeigt ist, umfasst die Speichervorrichtung eine Speicheranordnung 70 mit einer Anordnung von Speicherzellen, Bitleitungen 73a bis 73z, Wortleitungen 74a bis 74y, und Wortleitungen 75a bis 75y. Eine Speicherzelle 76, wie andere Speicherzellen, weist einen zellenauswählenden MOS-Transistor 71 und ein Schaltelement 72 auf. Jede der Bitleitungen und jede der Wortleitungen sind jeweils an eine Dekodierschaltung und eine Treiberschaltung (nicht gezeigt) angeschlossen. Die Bitleitungen werden von angrenzenden Speicherzellen gemeinsam genutzt. Die Speicheranordnung 70 und die Peripherieschaltungen (nicht gezeigt) einschließlich der Dekodierschaltungen und der Treiberschaltungen bauen eine integrierte Speicherschaltung auf.
  • In der Speicherzelle 76 weist ein MOS-Transistor eine Source-Elektrode, die an die Bitleitung 73a angeschlossen ist, und eine Gate-Elektrode, die an eine Wortleitung 74a angeschlossen ist, auf. Das Schaltelement 72 weist eine Source-Elektrode, die an die Bitleitung 73b angeschlossen ist, und eine Gate-Elektrode, die an die Wortleitung 75a angeschlossen ist, auf. Die Drain-Elektrode des Schaltelements 72 ist mit der Drain-Elektrode des MOS-Transistors 71 verbunden.
  • Im Folgenden soll der Betrieb der so aufgebauten Speichervorrichtung beschrieben werden. Von gespeicherten Informationen "1 ", "0" wird die gespeicherte Information "1" durch den eingeschalteten Zustand eines Schaltelements dargestellt, und die gespeicherte Information "0" wird durch den ausgeschalteten Zustand eines Schaltelements dargestellt. Eine Spannung, die durch ein Schaltelement für den Übergang zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand benötigt wird, d. h. die Differenz zwischen einer Gate-Spannung und einer an die Source-Elektrode angelegten Spannung, wird durch Vt, und eine Betriebsspannung des MOS-Transistors 71 durch VR darstellt.
  • Zum Schreiben von "1" in die Speicherzelle 76 wird die Spannung Vt an die Wortleitung 75a angelegt, die mit der Gate-Elektrode des Schaltelements 72 der Speicherzelle 76 verbunden ist, und eine Spannung von 0 V wird an die Bitleitung 73b angelegt, die mit der Source-Elektrode des Schaltelements 72 verbunden ist. Eine Spannung Vt/2 wird an die Wortleitungen 75b bis 75y und die Bitleitungen 73a, 73c bis 73z angelegt. Wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform beschrieben wurde, wird das Schaltelement 72 in den eingeschalteten Zustand gebracht, wobei die gespeicherte Information "1" darin geschrieben wird. Zu diesem Zeitpunkt wird außer in das Schaltelement 72 keine gespeicherte Information in die anderen Schaltelemente eingeschrieben, und diese anderen Schaltelemente halten einen Zustand vor der Anlegung der Spannung.
  • Zum Schreiben von "0" in die Speicherzelle 76, wird die Spannung, die an die Wortleitung 75a angelegt wird, welche mit der Gate-Elektrode des Schaltelements 72 der Speicherzelle 76 verbunden ist, auf 0 V eingestellt, und die Spannung Vt wird an die Bitleitung 73b angelegt, welche mit der Source-Elektrode des Schaltelements 72 verbunden ist. Die Spannung Vt/2 wird an die Wortleitungen 75b bis 75y und Bitleitungen 73a, 73c bis 73z angelegt. Wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform beschrieben wurde, wird das Schaltelement 72 in den ausgeschalteten Zustand gebracht, wobei die gespeicherte Information "0" darin geschrieben wird. Die anderen Schaltelemente außer dem Schaltelement 72 halten einen Zustand vor der Anlegung der Spannung.
  • Zum Lesen der gespeicherten Informationen aus der Speicherzelle 76, wird die Spannung VR an die Wortleitung 74a angelegt, um den MOS-Transistor 71 einzuschalten, und die an die anderen Wortleitungen angelegte Spannung wird auf 0 V festgelegt, und der Widerstand zwischen den Bitleitungen 73a, 73b wird bestimmt. Dieser Widerstand stellt die Kombination des Ein-Widerstands des MOS-Transistors 71 und des Widerstands des Schaltelements 72 dar. Wenn dieser kombinierte Widerstand zu groß ist, um gemessen zu werden, kann das Schaltelement 72 als in dem ausgeschalteten Zustand befindlich bewertet werden, der anzeigt, dass die in der Speicherzelle 76 gespeicherte Information "0" ist. Wenn der kombinierte Widerstand kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, dann kann das Schaltelement 72 als im eingeschalteten Zustand befindlich bewertet werden, der anzeigt, dass die gespeicherte Information in der Speicherzelle 76 "1" ist.
  • Der MOS-Transistor in jeder Speicherzelle kann durch eine Diode ersetzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Änderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden, und sollten so interpretiert werden, dass sie in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Schaltelement umfasst einen Ionenleiter, der Metallionen zum Gebrauch in einer elektrochemischen Reaktion darin leiten kann, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet sind und in einem vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind, und eine dritte Elektrode, angeordnet in Kontakt mit dem Ionenleiter. Wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, wird Metall zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch Metallionen abgelagert, das die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbindet. Wenn eine Spannung zum Veranlassen, dass das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand übergeht, an die dritte Elektrode angelegt wird, wird das abgelagerte Metall aufgelöst, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch voneinander zu trennen.

Claims (24)

  1. Schaltelement, umfassend: einen Ionenleiter, der Metallionen darin leiten kann; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet sind; und eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist und die Metallionen aufweist; wobei ein Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, ein Elektrodenzwischenabstand L2 zwischen der erste Elektrode und der dritten Elektrode und ein Elektrodenzwischenabstand L3 zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode die Bedingung gemäß dem folgenden Ausdruck erfüllen: Ll < L2 × 2 und L1 < L3 × 2.
  2. Schaltelement nach Anspruch 1, bei dem der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger beträgt.
  3. Schaltelement, das auf einem Substrat angeordnet ist, das mit einem Isolierfilm oder einem Isoliersubstrat bedeckt ist, umfassend: einen Ionenleiter, der Metallionen darin leiten kann; eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet sind; und eine dritte Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter angeordnet ist und ein Metall aufweist, das in dem Ionenleiter basierend auf einer elektrochemischen Reaktion gelöst werden kann; wobei ein Elektrodenzwischenabstand L1 zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, ein Elektrodenzwischenabstand L2 zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode und ein Elektrodenzwischenabstand L3 zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode die Bedingung gemäß dem folgenden Ausdruck erfüllen: L1 < L2 × 2 und L1 < L3 × 2.
  4. Schaltelement nach Anspruch 3, bei dem die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Substrat in einer voneinander beabstandeten Beziehung angeordnet sind und der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger beträgt; der Ionenleiter angeordnet ist, um die erste Elektrode und die zweite Elektrode zu bedecken und die dritte Elektrode auf dem Ionenleiter angeordnet ist.
  5. Schaltelement nach Anspruch 3, bei dem: die dritte Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist; der Ionenleiter auf der dritten Elektrode angeordnet ist und die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Ionenleiter in einer voneinander beabstandeten Beziehung angeordnet sind und der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 0,5 μm oder weniger beträgt.
  6. Schaltelement nach Anspruch 3, bei dem: die erste Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist; der Ionenleiter auf der ersten Elektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode und die dritte Elektrode auf dem Ionenleiter angeordnet sind und der Elektrodenzwischenabstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gleich oder größer als eine Filmdicke des Innenleiters ist.
  7. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine elektrische Charakteristik zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch Anlegen einer Spannung an die dritte Elektrode gesteuert wird.
  8. Schaltelement nach Anspruch 7, bei dem die elektrische Charakteristik elektrische Leitfähigkeit darstellt.
  9. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem: die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, um das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand zu bringen, durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode und die erste Elektrode und die zweite Elektrode voneinander isoliert werden, um das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand zu bringen, durch Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode.
  10. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zweite Elektrode ein Metall aufweist, das basierend auf einer elektrochemischen Reaktion in den Innenleiter auflösbar ist.
  11. Schaltelement nach Anspruch 10, bei dem: die erste Elektrode und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden werden, um das Schaltelement in einen eingeschalteten Zustand zu bringen, entweder durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu der ersten Elektrode ist, an die zweite Elektrode, oder durch Anlegen einer Spannung, die positiv in Bezug zu mindestens einer der erste Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode und die erste Elektrode und die zweite Elektrode voneinander isoliert werden, um das Schaltelement in einen ausgeschalteten Zustand zu bringen, entweder durch Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zu der ersten Elektrode ist, an die zweite Elektrode, oder durch Anlegen einer Spannung, die negativ in Bezug zu mindestens einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist, an die dritte Elektrode.
  12. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem mindestens eine der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode einen spitzen Teil auf einer Oberfläche derselben aufweist, der in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten wird.
  13. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Ionenleiter entweder ein Calcogenid-Material, das ein zu der Gruppe 6B des Periodensystems gehörendes Element einschließt, oder Metallionenglas oder einen amorphen Metallionenhalbleiter aufweist.
  14. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem: der Ionenleiter und die dritte Elektrode entweder aus Kupfersulfid bzw. Kupfer, oder aus Silbersulfid bzw. Silber bestehen und Teile der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, die in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten werden, aus einem Metall wie zum Beispiel Platin, Aluminium, Gold, Titan, Wolfram, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom oder Molybdän, einem Nitrid des Metalls oder einem Silicid des Metalls oder einer Kombination daraus bestehen.
  15. Schaltelement nach Anspruch 10, bei dem der Ionenleiter und die dritte und zweite Elektrode entweder aus Kupfersulfid bzw. Kupfer, oder aus Silbersulfid bzw. Silber bestehen und ein Teil der dritten Elektrode, der in Kontakt mit dem Ionenleiter gehalten wird, aus einem Metall wie zum Beispiel Platin, Aluminium, Gold, Titan, Wolfram, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom oder Molybdän, einem Nitrid des Metalls oder einem Silicid des Metalls oder einer Kombination daraus besteht.
  16. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Ionenleiter eine Elektrolytlösung aufweist.
  17. Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements nach Anspruch 7, das den folgenden Schritt aufweist: Steuern der elektrischen Charakteristik basierend auf der an die dritte Elektrode angelegten Spannung und/oder einer Zeitspanne, für die die Spannung an die dritte Elektrode angelegt wird.
  18. Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements gemäß Anspruch 9, das die folgenden Schritte aufweist: Bringen des Schaltelements selektiv in den eingeschalteten Zustand und den ausgeschalteten Zustand abhängig von der Polarität der an die dritte Elektrode angelegten Spannung und Halten des Schaltelements entweder in dem eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand durch Stoppen der Anlegung der Spannung an die dritte Elektrode.
  19. Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte aufweist: Bringen des Schaltelements selektiv in den eingeschalteten Zustand und den ausgeschalteten Zustand abhängig von der Polarität der an die dritte Elektrode angelegten Spannung und Halten des Schaltelements entweder in dem eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand durch Stoppen der Anlegung der Spannung an die dritte Elektrode.
  20. Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements nach Anspruch 9, das die folgenden Schritte aufweist: wenn das Schaltelement zum Übergang zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand veranlasst wird, Messen der Leitfähigkeit zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und Steuern der an die dritte Elektrode angelegten Spannung basierend auf einer Änderung in der Leitfähigkeit.
  21. Verfahren zum Ansteuern eines Schaltelements nach Anspruch 11, das die folgenden Schritte aufweist: wenn das Schaltelement zum Übergang zwischen dem eingeschalteten Zustand und dem ausgeschalteten Zustand veranlasst wird, Messen der Leitfähigkeit zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und Steuern der an die dritte Elektrode angelegten Spannung basierend auf einer Änderung in der Leitfähigkeit.
  22. Überschreibbare integrierte Logikschaltung, die ein Schaltelement nach Anspruch 7 als einen Programmierschalter enthält.
  23. Speichervorrichtung mit Speicherzellen, die jeweils ein Schaltelement nach Anspruch 7 und entweder einen MOS-Transistor oder eine Diode aufweisen.
  24. Speichervorrichtung nach Anspruch 23, bei der: die Speicherzelle einen MOS-Transistor aufweist; das Schaltelement die zweite Elektrode angeschlossen an die Drain-Elektrode des MOS-Transistors, die erste Elektrode angeschlossen an eine erste Bitleitung und die dritte Elektrode angeschlossen an eine erste Wortleitung aufweist und der MOS-Transistor eine Source-Elektrode angeschlossen an eine zweite Bitleitung, die sich von der ersten Bitleitung unterscheidet, und eine Gate-Elektrode angeschlossen an eine zweite Wortleitung aufweist, die sich von der ersten Wortleitung unterscheidet.
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