DE112007002328B4

DE112007002328B4 - Elektrisch betätigter Schalter und Verfahren zum Konfigurieren einer EIN/AUS-Polarität eines Schalters

Info

Publication number: DE112007002328B4
Application number: DE112007002328T
Authority: DE
Inventors: R. Stanley Williams
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2027-10-04
Also published as: KR20140003652A; JP2013118386A; WO2008108822A3; US20170317277A1; KR20090091692A; US20080090337A1; US20190363251A1; US9735355B2; US11283012B2; CN101548403A; US20080079029A1; US8766224B2; CN101548403B; US10374155B2; KR101390430B1; JP2010506403A; US7763880B2; US20140203864A1; JP5575866B2; WO2008108822A2

Abstract

Elektrisch betätigbarer Schalter (100', 200'), der folgende Merkmale aufweist: eine erste Elektrode (102); eine zweite Elektrode (104); und eine aktive Region (306), die zwischen denselben angeordnet ist, wobei die aktive Region eine erste primäre aktive Region (308) und eine zweite primäre aktive Region (308'), von denen jede zumindest ein Material zum Transportieren und Aufnehmen von Ionen aufweist, die als Dotiermittel wirken, um den Fluss von Elektronen durch den Schalter hindurch zu steuern, und eine sekundäre aktive Region (310) aufweist, die zwischen der ersten primären aktiven Region und der zweiten primären aktiven Region angeordnet ist und zumindest ein Material zum Bereitstellen einer Quelle/Senke von ionischen Dotiermitteln für die primären aktiven Regionen (308, 308') aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf elektronische Schalter gerichtet, und insbesondere auf elektrisch betätigte Schalter.
Während der vergangenen Dekade waren viele Forscher von der Aussicht auf das Bauen elektronischer Schaltungen auf Basis von Molekular- oder Molekularskalenkomponenten fasziniert. Das Potential molekularer Elektronik besteht darin, die Leistung synthetischer Chemie in die Elektronikindustrie zu bringen, indem zweckspezifische Vorrichtungen kreiert werden, die eventuell in der Lage sind, sich zumindest teilweise zu nützlichen Schaltungen zusammenzufügen. Diese Aussicht hat zu einer erheblichen Anzahl von Studien der elektronischen Eigenschaften von Molekülen und der Vorführung einiger Nachweisprinzipien von Speicher- und Logikschaltungen geführt.
Es wurden bisher Studien eines Schaltens bei Nanometerskala-Kreuzdrahtvorrichtungen berichtet, die reversibel geschaltet werden konnten und ein EIN-zu-AUS-Konduktanzverhältnis von 10⁴ hatten. Diese Vorrichtungen wurden verwendet, um Kreuzschienenschaltungen aufzubauen, und schaffen eine vielversprechende Möglichkeit für die Erzeugung eines nichtflüchtigen Speichers ultrahoher Dichte. Eine Reihenschaltung von Kreuzdrahtschaltern, die verwendet werden kann, um ein Latch-Element zu fertigen, wurde ebenfalls gezeigt; ein derartiges Latch-Element ist eine wichtige Komponente für Logikschaltungen und eine Kommunikation zwischen Logik und Speicher. Neue Logikfamilien, die gänzlich aus Kreuzschienenarrays von Schaltern oder als Hybridstrukturen, die aus Schaltern und Transistoren gebildet sind, aufgebaut werden können, wurden beschrieben. Diese neuen Logikfamilien haben das Potential, die Recheneffizienz von CMOS-Schaltungen drastisch zu erhöhen, wodurch Leistungsfähigkeitsverbesserungen um Größenordnungen ermöglicht werden, ohne Transistoren verkleinern zu müssen oder selbst CMOS für einige Anwendungen zu ersetzen, falls nötig. Es ist jedoch erwünscht, die Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen, die gegenwärtig gefertigt werden, zu verbessern, insbesondere die Zyklusfähigkeit derselben.
Die US 2006/0049390 A1 beschreibt eine nicht-flüchtige, resistiv schaltende Speicherzelle, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode eine Schicht aus einer oder mehreren Chalkogenid-Verbindung(en) aufweist, die aus der Gruppe, bestehend aus CuInS, CuInSe, CdInS, CdInSe, ZnInS, MnInS, MnZnInS, ZnInSe, InS, InSSe und InSe, ausgewählt ist, wobei in der Schicht der Chalkogenid-Verbindung(en) Alkali- oder Erdalkali-Ionen enthalten sind, aufweist. Ferner kann eine zweite Schicht aus der oder mehreren der Chalkogenid-Verbindung(en) vorgesehen sein, die keine Alkali- oder Erdalkali-Ionen enthält.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen elektrisch betätigbaren Schalter zu schaffen, dessen EIN/AUS-Polarität vor dessen Verwendung frei konfigurierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrisch betätigbaren Schalter gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
1A ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Festkörperschalters, der zwei unterschiedliche gekreuzte Drähte verbindet;
1B ist eine Ansicht ähnlich dieser von 1A, die ein Array der Schalter von 1A zeigt, das auch als eine Kreuzschiene bekannt ist;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Festkörperschalters, der zwei Segmente eines Drahts verbindet;
3A ist eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung der Struktur eines exemplarischen elektrisch betätigten Schalters auf der Basis der Segmentiert-Draht-Konfiguration von 2;
3B ist eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung der Struktur eines exemplarischen elektrisch betätigten Schalters auf der Basis der Gekreuzt-Draht-Konfiguration von 1A;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung des beginnenden Prozesses zum Betätigen (oder Umschalten) eines exemplarischen Schalters in den EIN-Zustand auf der Basis der Segmentiert-Draht-Konfiguration von 3A;
5 ist eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung des beginnenden Prozesses zum Betätigen (oder Umschalten) des Schalters in den AUS-Zustand;
6A–6C sind schematische Diagramme eines exemplarischen Schalters in dem AUS-Zustand, wobei 6A eine Ansicht des Schalters ist, 6B ein Ersatzschaltungsdiagramm des Zustands des Schalters ist und 6C ein Energiebanddiagramm ist, das dem Schalter zugeordnet ist;
7A–7C sind schematische Diagramme eines exemplarischen Schalters in einem Zwischenzustand, wobei 7A eine Ansicht des Schalters ist, 78 ein Ersatzschaltungsdiagramm des Zustands des Schalters ist und 7C das Energiebanddiagramm ist, das dem Schalter zugeordnet ist;
8A–8C sind schematische Diagramme eines exemplarischen Schalters in dem EIN-Zustand, wobei 8A eine Ansicht des Schalters ist, 8B ein Ersatzschaltungsdiagramm des Zustands des Schalters ist und 8C das Energiebanddiagramm ist, das dem Schalter zugeordnet ist; und
9A–9C sind schematische Diagramme eines anderen Ausführungsbeispiels des Schalters, die die Bewegung von Dotiermitteln zeigen.
Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lediglich zu Darstellungszwecken. Ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt ohne weiteres aus der folgenden Erörterung, dass andere Ausführungsbeispiele der Strukturen 20 und Verfahren, die hierin dargestellt sind, eingesetzt werden können, ohne von den Prinzipien der Erfindung abzuweichen, die hierin beschrieben sind.
Definitionen.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „selbstausgerichtet”, wenn auf „Übergang” („Junction”) angewandt, dass der Übergang, der den Schalter und/oder eine andere elektrische Verbindung zwischen zwei Drähten bildet, überall dort erzeugt wird, wo zwei Drähte, von denen einer eventuell beschichtet oder funktionalisiert ist, einander kreuzen, weil es die Handlung eines Kreuzens ist, die den Übergang erzeugt.
Der Begriff „selbstzusammengefügt”, wie derselbe hierin verwendet ist, bezieht sich auf ein System, das aufgrund der Identität der Komponenten des Systems auf natürliche Weise eine gewisse geometrische Struktur annimmt; das System erreicht durch das Annehmen dieser Konfiguration zumindest ein lokales Minimum in der Energie desselben.
Der Begriff „einfach konfigurierbar” bedeutet, dass ein Schalter den Zustand desselben lediglich einmal über einen unumkehrbaren Prozess ändern kann, wie beispielsweise eine Oxidations- oder Reduktionsreaktion; ein derartiger Schalter kann die Grundlage von beispielsweise einem programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM, programmable read only memory) sein.
Der Begriff „rekonfigurierbar” bedeutet, dass ein Schalter den Zustand desselben mehrere Male über einen umkehrbaren Prozess ändern kann, wie beispielsweise eine Oxidation oder Reduktion; anders ausgedrückt, kann der Schalter mehrere Male geöffnet und geschlossen werden, wie beispielsweise die Speicherbits in einem Direktzugriffsspeicher (RAM, random access memory).
Der Begriff „konfigurierbar” bedeutet entweder „einfach konfigurierbar” oder „rekonfigurierbar”.
Mikrometerskalenabmessungen beziehen sich auf Abmessungen, die größenmäßig zwischen 1 Mikrometer und wenigen Mikrometer liegen.
Submikrometerskalenabmessungen beziehen sich auf Abmessungen, die zwischen 1 Mikrometer und 0,04 Mikrometer liegen.
Nanometerskalenabmessungen beziehen sich auf Abmessungen, die zwischen 0,1 Nanometer und 50 Nanometer (0,05 Mikrometer) liegen.
Mikrometerskalen- und Submikrometerskalendrähte beziehen sich auf stab- oder bandförmige Leiter oder Halbleiter mit Breiten oder Durchmessern mit Abmessungen von 0,04 bis 10 Mikrometern, Höhen zwischen wenigen Nanometern bis zu einem Mikrometer und Längen von mehreren Mikrometern und länger.
Eine Kreuzschiene (crossbar) ist ein Array von Schaltern, die jeden Draht in einem Satz von parallelen Drähten mit jedem Mitglied eines zweiten Satzes von parallelen Drähten, der den ersten Satz schneidet (für gewöhnlich sind die zwei Sätze von Drähten senkrecht zueinander, aber dies ist keine notwendige Bedingung), verbinden kann.
Wie hierin verwendet, wird die Funktionsabmessung der Vorrichtung in Nanometern gemessen (typischerweise weniger als 50 nm), aber die lateralen Abmessungen können Nanometer, Submikrometer oder Mikrometer sein.
Hintergrund über Nanodrahtübergänge.
1A stellt ein Beispiel eines Festkörperschalters 100 dar, der zwei unterschiedliche gekreuzte Drähte 102, 104 verbindet. Ein Schalterübergang 106 kann verwendet werden, um die zwei unterschiedlichen Drähte 102, 104 zu verbinden. Der Schalterübergang 106 kann zumindest ein Material 106a, genau gesagt ein schaltbares Molekül (d. h. ein Molekül mit einem schaltbaren Segment oder Anteil, der in zwei unterschiedlichen Zuständen energetisch relativ stabil ist) aufweisen; Beispiele derartiger Moleküle sind nun auf dem Gebiet eines molekularen elektronischen (moletronischen) Schaltens gut bekannt. Einer oder beide Drähte 102, 104 können Metall oder Halbleiter sein. In vielen Fällen sind beide Drähte Metall, genauer gesagt Platin, und ist eine dünne Titanschicht 106b über dem Molekül 106a gebildet und ist dann der Platinoberdraht 106 über der Titanschicht gebildet.
1B stellt ein Kreuzschienenarray 110 dar, das eine Mehrzahl der Festkörperschalter 100 einsetzt, die in 1A gezeigt sind. Wie es in 1B gezeigt ist, ist eine erste Schicht 112 von näherungsweise parallelen Drähten 102 durch eine zweite Schicht 114 von näherungsweise parallelen Drähten 104 überlagert. Die zweite Schicht 114 ist ausrichtungsmäßig grob senkrecht zu den Drähten der ersten Schicht 112, obwohl der Ausrichtungswinkel zwischen den Schichten variieren kann. Die zwei Schichten von Drähten bilden ein Gitter oder eine Kreuzschiene, wobei jeder Draht 104 der zweiten Schicht 114 alle Drähte 102 der ersten Schicht 112 überlagert und mit jedem Draht der ersten Schicht an Drahtschnittpunkten in engen Kontakt kommt, die den engsten Kontakt zwischen zwei Drähten darstellen. Der Schalterübergang 106 ist zwischen den Drähten 102, 104 angeordnet gezeigt. (Drei derartige Schalterübergänge sind gezeigt, um die Zeichnung nicht zu überladen; es ist ersichtlich, dass ein Schalterübergang 106 an jedem Schnittpunkt eines Drahts 102 mit einem Draht 104 gebildet ist.) Derartige Kreuzschienen können aus Mikrometer-, Submikrometer- oder Nanodrähten gefertigt sein, abhängig von der Anwendung.
Obwohl einzelne Drähte in den Figuren mit quadratischen oder rechteckigen Querschnitten gezeigt sind, können Drähte auch kreisförmige, elliptische oder komplexere Querschnitte aufweisen. Die Drähte können auch viele unterschiedliche Breiten oder Durchmesser und Seitenverhältnisse oder Exzentrizitäten aufweisen. Der Begriff „Nanodrahtkreuzschiene” kann sich auf Kreuzschienen beziehen, die eine oder mehrere Schichten von Submikroskalendrähten, Mikroskalendrähten oder Drähten mit größeren Abmessungen zusätzlich zu Nanodrähten aufweisen.
2 ist ein Beispiel eines Festkörperschalters, der zwei Segmente eines Nanodrahts verbindet. Hier sind zwei Segmente 102, 104 des Nanodrahts durch einen Schalterübergang 106 verbunden, der eine Schaltschicht 106a und eine dünne Titanschicht 106b aufweist, beide wie oben beschrieben.
Wie es gut bekannt ist, können derartige Schalter als die Grundlage für Speicher (z. B. die Speicherung eines Informationsbits, 1 oder 0) als entweder ein geschlossener oder geöffneter Schalter in einem Kreuzungspunktspeicher, für Konfigurationsbits in einer Logikschaltung, die einem feldprogrammierbaren Gatterarray ähnelt, oder als die Grundlage für ein programmierbares Logikarray mit verdrahteter Logik verwendet werden. Diese Schalter finden auch Verwendung bei einer breiten Vielfalt anderer Anwendungen.
Elektrisch betätigter Schalter.
Gemäß den Lehren hierin ist ein verbesserter elektrisch betätigter Schalter vorgesehen, der im Mikro- oder Nanomaßstab gebaut und als eine Komponente bei einer breiten Vielfalt elektronischer Schaltungen verwendet werden kann. Der Schalter kann verwendet werden, um zwei unterschiedliche Drähte zu verbinden, wie beispielsweise ein Paar von sich kreuzenden Drähten, die in 1A–1B gezeigt sind, die zwei Drähte in einem größeren Kreuzschienenarray sein können; oder derselbe kann innerhalb eines Drahts verwendet werden, um den Stromfluss entlang des Drahts zu ermöglichen oder zu blockieren, wie es in 2 gezeigt ist.
Die verbesserten Schalter können als die Grundlage für Speicher, Schalter und Logikschaltungen und Funktionen verwendet werden, wie es oben beschrieben ist.
Die Schalter können die folgenden Charakteristika aufweisen:

(1) Die primäre aktive Schicht oder Region des Schalters weist einen dünnen Film eines Materials auf, das elektronisch halbleitend oder nominal elektrisch isolierend und auch ein schwach ionischer Leiter ist. Das primäre aktive Material ist zum Transportieren und Aufnehmen von Ionen in der Lage, die als Dotiermittel wirken, um den Fluss von Elektronen durch den Schalter hindurch zu steuern. Der Grundbetriebsmodus besteht darin, ein elektrisches Feld (das Driftfeld, das eine gewisse Schwelle zum Ermöglichen der Bewegung der Ionen in dem primären Material überschreiten kann) über den Schalter anzulegen, das groß genug ist, um zu bewirken, dass eine Ionenspezies über Ionentransport in oder aus dem primären Material transportiert wird. Die Ionenspezies sind spezifisch aus diesen ausgewählt, die als elektrische Dotiermittel für das Primärmaterial agieren, und ändern dadurch die elektrische Leitfähigkeit des Materials von geringer Leitfähigkeit (d. h. eines undotierten Halbleiters oder Isolators – AUS-Schalt-Konfiguration) zu hoher Leitfähigkeit (dotiert, um eine höhere Leitfähigkeit zu liefern – EIN-Schalt-Konfiguration) oder von hoher elektrischer Leitfähigkeit zu niedriger Leitfähigkeit (EIN-Schalten zu AUS-Schalten). Ferner sind das primäre Material und die Dotiermittelspezies derart gewählt, dass die Drift der Ionen in oder aus dem primären Material möglich, aber nicht zu einfach ist, um sicherzustellen, dass der Schalter in dem Zustand, in den derselbe versetzt ist, eine vernünftig lange Zeit verbleibt, vielleicht viele Jahre bei Raumtemperatur. Dies soll sicherstellen, dass der Schalter nicht flüchtig ist, d. h. dass derselbe seinen Zustand hält, nachdem das Driftfeld entfernt wurde. Der Schalter ist eine Zwei-Anschluss-Vorrichtung – ein Anlegen einer hohen Vorspannung an den Schalter bewirkt, dass sowohl ein Elektronenstrom als auch ein Ionenstrom fließen, wohingegen bei einer niedrigen Vorspannung der Fluss eines Ionenstroms vernachlässigbar ist, was ermöglicht, dass der Schalter den Widerstandszustand desselben halten kann.
(2) Die sekundäre aktive Schicht oder Region weist einen dünnen Film aus einem Material auf, das eine Quelle von Dotiermitteln für das primäre Material ist. Diese Dotiermittel können Verunreinigungsatome, wie beispielsweise Wasserstoff, oder eine gewisse andere Kationenspezies sein, wie beispielsweise Alkali- oder Übergangsmetalle, die als ein Elektronendonator für das primäre Material wirken, oder dieselben können Anionenleerstellen sein, die in dem primären Material geladen sind und deshalb ebenfalls Donatoren für das Gitter sind. Es ist auch möglich, anionische Spezies in das primäre Wirtsmaterial zu treiben, die zu Elektronenakzeptoren (oder Lochdonatoren) werden.
(3) Das primäre aktive Material kann ein dünner Film (im Allgemeinen weniger als 50 nm dick) sein und ist in vielen Fällen nanokristallin, nanoporös oder amorph. Die Beweglichkeit der Dotiermittelspezies in derartigen nanostrukturierten Materialien ist viel höher als in einem kristallinen Volumenmaterial, da eine Diffusion durch Korngrenzen, Poren oder durch lokale Strukturunvollkommenheiten in einem amorphen Material auftreten kann. Weil der Film so dünn ist, ist auch die Menge an Zeit, die erforderlich ist, um genügend Dotiermittel in oder aus einer örtlich begrenzten Region des Films driften zu lassen, um die Leitfähigkeit desselben wesentlich zu ändern, relativ kurz (z. B. die Zeit t, die für einen Diffusionsprozess erforderlich ist, verändert sich als das Quadrat der zurückgelegten Strecke, also beträgt die Zeit, um einen Nanometer zu diffundieren, ein Millionstel der Zeit, die erforderlich ist, um einen Mikrometer zu diffundieren).
(4) Die Schaltmaterialien (primäres aktives und sekundäres aktives Material) sind an beiden Seiten durch Metallelektroden oder Drähte kontaktiert, oder auf einer Seite durch einen Halbleiter und der anderen Seite durch ein Metall. Der Kontakt des Metalls mit dem Schaltmaterial nimmt dem Halbleiter freie Ladungsträger, so dass das Material tatsächlich eine Nettoladung aufweist, die von der Identität der Dotiermittel abhängt – positiv in dem Fall von Donatoren und negativ in dem Fall von Akzeptoren. Die Metall-Halbleiter-Kontaktregionen ähneln Schottky-Barrieren auf elektrische Weise. Die herkömmliche Beschreibung einer Metall-Halbleiter-Schottky-Barriere ist durch die Tatsache modifiziert, dass die Materialien auf dem Nanometermaßstab strukturiert sind, und somit werden die strukturellen und elektrischen Eigenschaften nicht über die großen Strecken gemittelt, über die die Theorie von Halbleiter-Metall-Kontakten entwickelt wurden.
(5) Eine Leitung von Elektronen durch das primäre aktive Material hindurch findet über quantenmechanisches Tunneln der Elektronen statt. Wenn das halbleitende Material im Wesentlichen intrinsisch ist, ist die Tunnelbarriere hoch und breit und ist somit die Leitfähigkeit durch den Schalter hindurch gering (AUS-Zustand). Wenn eine erhebliche Anzahl von Dotiermittelspezies in den Halbleiter injiziert wurde, werden die Breite und möglicherweise die Höhe der Tunnelbarriere durch das Potential der geladenen Spezies verringert. Dies führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Schalters (EIN-Zustand).
(6) Die Fähigkeit der geladenen Spezies, in und aus dem primären Material zu diffundieren, ist wesentlich verbessert, falls eine der Grenzflächen, die den Schalter mit den metallischen oder halbleitenden Elektroden verbindet, nicht kovalent gebunden ist. Eine derartige Grenzfläche kann durch eine Leerstelle in dem Material bewirkt sein oder dieselbe kann das Ergebnis einer Grenzfläche sein, die ein molekulares Material beinhaltet, das keine kovalenten Bindungen mit der Elektrode, dem primären Schaltmaterial oder beiden bildet. Diese nicht-kovalent gebundene Schnittstelle senkt die Aktivierungsenergie der Atomneuanordnungen, die für eine Drift der ionischen Spezis in dem Primärmaterial erforderlich sind. Diese Grenzfläche ist im Wesentlichen ein extrem dünner Isolator und erhöht den Gesamtreihenwiderstandswert des Schalters sehr wenig.

Wie es oben angemerkt ist, weist das primäre aktive Material bestimmte Eigenschaften auf, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung nützlich sind. Eine dieser Eigenschaften des Materials besteht darin, dass dasselbe ein schwach ionischer Leiter ist. Die Definition eines schwach ionischen Leiters beruht auf der Anwendung, für die ein Schalter entworfen ist. Die Beweglichkeit und die Diffusionskonstante für eine Spezies in einem Gitter sind direkt proportional zueinander über die „Einstein-Beziehung”. Falls somit die Beweglichkeit von ionisierten Spezies in einem Gitter sehr hoch ist, ist es die Diffusionskonstante ebenfalls. Im Allgemeinen ist es erwünscht, dass eine Schaltvorrichtung in einem speziellen Zustand, EIN oder AUS, eine Zeitdauer lang bleibt, die abhängig von der Anwendung von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu Jahren reichen kann. Somit ist die Diffusionskonstante für eine derartige Vorrichtung bei einem Ausführungsbeispiel gering genug, um den erwünschten Pegel an Stabilität sicherzustellen, um ein unabsichtliches Umschalten der Vorrichtung von EIN zu AUS oder umgekehrt über eine Diffusion ionisierter Spezies, anstatt durch ein beabsichtigtes Setzen des Zustands des Schalters mit einem Spannungspuls zu vermeiden. Deshalb ist ein „schwach ionischer Leiter” ein solcher, bei dem die Innenbeweglichkeit, und daher die Diffusionskonstante, gering genug ist, um die Stabilität des EIN- oder AUS-Zustands der Vorrichtung so lange wie nötig unter den erwünschten Bedingungen sicherzustellen (z. B. ändert die Vorrichtung einen Zustand aufgrund einer Diffusion der Dotiermittel nicht). „Stark ionische Leiter” hätten große Beweglichkeiten ionisierter Spezies und wären somit nicht stabil gegenüber einer Diffusion.
Die Struktur eines Ausführungsbeispiels des Schalters 200' der Erfindung ist in 3A gezeigt, wobei die In-Linie-Konfiguration von 2 eingesetzt wird. Die Struktur eines anderen Ausführungsbeispiels des Schalters 100' der Erfindung ist in 3B gezeigt, wobei die Kreuzungspunktkonfiguration von 1A eingesetzt wird.
3A–3B sind schematische Darstellungen der Struktur eines exemplarischen elektrisch betätigten Schalters. Die aktive Region 306 des Schalters weist zwei Hauptkomponenten auf – die primäre aktive Schicht oder Region 308, die ein Material ist, das sowohl eine elektronisch halbleitende als auch eine schwach ionische Leiterschicht ist, die mit Elektronendonatoren als Zwischengitteratomen, Leerstellen oder Verunreinigungen dotiert sein kann, und eine sekundäre Schicht oder Region 310, die als eine Quelle und Senke der Dotiermittelspezies wirkt. Alternativ kann das Material der primären aktiven Region 308 sowohl nominal elektrisch isolierend als auch ein schwach ionischer Leiter sein. Wie es unten erörtert ist, kann die aktive Region 306 optional die molekulare Schicht 106a als die nicht-kovalent gebundene Schnittstelle umfassen; die molekulare Schicht kann Moleküle aufweisen, die schaltbar sein können oder nicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Schalters 200', das in 3A gezeigt ist, sind die zwei Elektroden 102, 104 beide Pt-Metall, ist der halbleitende ionische Leiter 308 TiO₂, ist die Dotiermittelquelle 310 TiO_2-x und weist die optionale nicht-kovalente Grenzfläche die dünne molekulare Schicht 106a zwischen der Elektrode 102 und dem primären Schaltmaterial 308 auf. Die Formel TiO_2-x gibt an, dass das Titandioxid ein geringes Defizit an Sauerstoffatomen in der Kristallstruktur aufweist; die Stellen, an denen die fehlenden O-Atome wären, sind positiv geladene Leerstellen. Die Dotiermittelspezies in diesem Fall ist eine Sauerstoffleerstelle. Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieses Schalters ist in 3B als Schalter 100' gezeigt, der die gleiche Aktivregion-Schalterstruktur 306 wie 3A aufweist.
Ein Schalter, der über die Injektion oder den Ausstoß von Donatoren wirksam ist, wird durch Erhöhen bzw. Verringern der Anzahl von Donatordotiermittelstellen in der Halbleiterschicht 308 EIN-geschaltet (d. h. die elektrische Leitfähigkeit ist erhöht, 4) oder AUS-geschaltet (die elektrische Leitfähigkeit ist verringert, 5). Diese Donatorenstellen können Zwischengitterkationenspezies in dem Wirtsgitter des Halbleiters, Anionenleerstellen in dem Wirtsgitter, Zwischengitterverunreinigungen, wie beispielsweise H, oder andere Zwischengitter- oder Substitutionsverunreinigungen sein, die als ein Elektronendonator für den Halbleiter wirken. Da die Dicke der Halbleiterschicht 308 geringer als die Verarmungsbreite für Träger in einem Halbleiter mäßig hoher Dotierung ist (z. B. einer Dicke von näherungsweise 100 nm), bedeutet dies, dass der dünne Halbleiter vollständig an freien Trägern verarmt ist, weil sich derselbe auf zumindest einer Seite in innigem Kontakt mit einem Metall befindet. Die Elektronen liegen gerade innerhalb der Metallkontakte 102, 104 auf beiden Seiten des Halbleiters 308. Beispielsweise entspricht eine Dotierungskonzentration von 10¹⁸ Dotiermittelatomen pro cm³ (dies ist „mäßig hoch”) einer Verarmungsschichtdicke von 30 nm. Eine Dotierungskonzentration von 10²¹ cm^–3 (dies ist eine sehr hohe Dotierung, aber bei vielen Oxiden absolut möglich) entspricht einer Verarmungsdicke von 3 nm.
4 ist eine schematische Darstellung des beginnenden Prozesses zum Betätigen (oder Umschalten) des Schalters in den EIN-Zustand. In diesem Fall werden positiv geladene Donatoren, wie beispielsweise Sauerstoffleerstellen, in TiO₂, in das Halbleitermaterial 308 aus dem Quellen-/Senkenmaterial 310 durch ein Anlegen einer positiven Vorspannungsspannung 420, die das Schwellenfeld für die Drift einer ionisierten Spezies überschreitet, über den Übergang getrieben. Da die Halbleiterschicht 308 vollständig an Ladungsträgern verarmt ist, bedeutet dies, dass die Halbleiterschicht 308 eine positive Nettoladung gewinnt. Eine Nettoladungsneutralität wird durch Elektronen beibehalten, die in den Metallschichten 102, 104 liegen. Bei dem oben erörterten Beispiel bildet die Schicht 308, die mit stöchiometrischem TiO₂ gefertigt ist, den anfänglichen (AUS-Zustand) des Schalters. Die Potentialdifferenz zwischen dem Metallkontakt und dem primären Halbleiter bildet eine Tunnelbarriere für einen Stromfluss zwischen den Pt-Elektroden. Die TiO_2-x-Schicht 310 enthält eine relativ hohe Konzentration von Leerstellen und ist deshalb ein ziemlich guter Leiter. Auf die Anlegung einer positiven Spannung an die Elektrode 104 hin wird dieselbe zu der Anode einer elektrochemischen Zelle. Sauerstoffleerstellen werden aus der TiO_2-x-Schicht 310 (dieselbe wird oxidiert) und in die TiO₂-Schicht 308 (dieselbe wird reduziert) getrieben, wie es durch einen Pfeil 422 gezeigt ist. Die Wirkung auf die elektrische Leitfähigkeit der TiO_2-x-Schicht 310 ist relativ gering, da eine geringe Anzahl der Leerstellen aus dieser Region geschoben werden, aber die elektrische Leitfähigkeit der TiO₂-Schicht 308 erhöht sich drastisch (EIN-Schalten), da dieselbe von einem Zustand, in dem es keine Leerstellen gab, zu einem übergeht, bei dem es einige gibt.
In dem AUS-Zustand ist die dünne Halbleiterschicht 308 im Wesentlichen intrinsisch – z. B. gibt es sehr wenige Dotiermittel in dem Gitter. In diesem Fall gibt es im Wesentlichen eine Schottky-Barriere auf beiden Seiten des Halbleiters 308 und die Ausrichtung der Halbleiterbänder mit Bezug auf den Metall-Fermi-Pegel ist näherungsweise mitten im Bandabstand, abhängig von einer Vielfalt physikalischer und chemischer Fragen. Bei einem Oxidhalbleiter, wie beispielsweise TiO_2-x, der auch ein schwacher ionischer Leiter ist, ist dieser AUS-Zustand der Vorrichtung der „vollständig oxidierte” Zustand, z. B. derjenige, in dem die Stöchiometrie des Materials so eng an TiO₂ wie möglich ist und bei dem es eine sehr geringe Verunreinigungs- oder Defektdotierung gibt. Bei einem Halbleiter mit einem geeignet breiten Bandabstand gibt es eine große Tunnelbarriere für einen Stromfluss, was die Leitfähigkeit des AUS-geschalteten Schalters gering macht.
5 ist eine schematische Darstellung des beginnenden Prozesses zum Betätigen (oder Umschalten) des Schalters in den AUS-Zustand. Positiv geladene Donatoren werden durch Anlegen einer negativen Vorspannungsspannung 420 über den Übergang, die das Schwellenfeld für die Drift einer ionisierten Spezies (die eine Leerstelle sein kann) übertrifft, aus dem Halbleitermaterial 308 in das Quellen-/Senkenmaterial 310 getrieben. Die Halbleiterschicht 308 verliert ihre positive Nettoladung und wird wieder neutral. Bei dem oben erörterten Beispiel bildet etwas weniger stöchiometrisches TiO_2-δ den leitfähigen EIN-Zustand des Schalters, weil die positive Nettoladung in der Schicht die Tunnelbarriere für einen elektrischen Stromfluss zwischen den Elektroden 102, 104 verschmälert und erniedrigt. Die TiO_2-x-Schicht 310 enthält eine relativ hohe Konzentration von Leerstellen und ist deshalb immer noch ein ziemlich guter Leiter. Auf die Anlegung einer negativen Spannung an die Elektrode 104 hin wird dieselbe zu der Kathode der elektrochemischen Zelle. Die Sauerstoffleerstellen werden aus der TiO_2-δ-Schicht 308 (dieselbe wird wieder zu TiO₂ oxidiert) und zurück in die TiO_2-x-Dotiermittelquellenschicht 310 (dieselbe wird reduziert) getrieben, wie es durch einen Pfeil 424 gezeigt ist. Die Auswirkung auf die Leitfähigkeit der TiO_2-x-Schicht 310 ist relativ gering, aber die Leitfähigkeit der TiO₂-Schicht 308 verringert sich drastisch (Schalter AUS).
Ohne irgendeine spezielle Theorie gut zu heißen, scheint es, dass eine Leitung durch das primäre Material über quantenmechanisches Tunneln von Elektronen erfolgt. Wenn das halbleitende Material im Wesentlichen intrinsisch ist, wird die Tunnelbarriere sehr hoch sein und somit ist die Leitfähigkeit durch den Schalter hindurch gering (AUS-Zustand). Wenn eine erhebliche Anzahl von Dotiermittelspezies in den Halbleiter injiziert wurde, wird die Tunnelbarriere durch das Potential der geladenen Spezies verringert werden. Dies erhöht die Leitfähigkeit des Schalters (EIN-Zustand).
6A–6C, 7A–7C und 8A–8C sind schematische Diagramme des Schalters 200' in verschiedenen Schaltzuständen. In jedem Satz von Figuren ist die Figur „A” das Echtraumbild oder -diagramm des Schalters 200', zeigt die Figur „B” die elektrische Ersatzschaltung und ist die Figur „C” das Energiebanddiagramm.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt eine exemplarische Dicke τ des Schalters 2 nm, und eine exemplarische Gesamtbreite w₀ der TiO₂/TiO₂-Schicht 308, 310 beträgt 3 nm.
In 6A kann beispielsweise das Schaltmaterial 308, 310 ein Anatas-Nanokristall (ein Polytyp von Titandioxid) sein, der zwischen zwei Pt-Elektroden 102, 104 angeordnet ist. Für die Zwecke dieser Erörterung wird angenommen, dass dieser Nanokristall 1,9 nm × 1,9 nm × 2,9 nm misst und insgesamt 75 Anatas-Einheitszellen oder 900 Atome beinhaltet, was zeigt, dass derselbe für eine sich entwickelnde Bandstruktur klein, aber für eine quantenchemische Berechnung groß ist. Auf dieser Stufe kann ein qualitatives Bild der elektronischen Zustände des Systems unter Verwendung eines Bandansatzes skizziert werden, aber dies sollte nicht zu wörtlich genommen werden. Ein einziges Verunreinigungsatom oder eine Leerstelle in diesem Nanokristall würde eine Dotierdichte von 10²⁰ cm^–3 ergeben, und es lässt sich annehmen, dass der Nanokristall bis zu 2% Sauerstoffleerstellen (z. B. ~12) beinhalten kann. Die Metall-Halbleiter-Kontaktregionen ähneln elektrisch Schottky-Barrieren, die durch den Nanometermaßstab des Systems modifiziert sind, so dass die elektrischen Eigenschaften nicht über die großen Strecken gemittelt werden, für die die Theorie von Halbleiter-Metall-Kontakten entwickelt wurden.
Die TiO₂-Region 308 benachbart zu der nicht-kovalenten Region 106a ist stöchiometrisch und somit sehr resistiv, wie es durch die große Tunnelbarriere angegeben ist. Die TiO_2-x-Region 310 benachbart zu der zweiten Elektrode 104 ist stark sauerstoffdefizitär und somit ist diese Region sehr leitfähig. In dem Banddiagramm oben in 6C sind beide Grenzflächen 601, 603 Schottky-Barrieren. Auf der Linken befindet sich eine Metall-Isolator-Halbleiter-Grenzfläche 601 und auf der Rechten befindet sich eine Grenzfläche 603 zwischen einem Metall und einem stark donatordotierten Halbleiter, für den sich der Bandabstand von dem Wert für stöchiometrisches TiO₂ etwas verringert hat.
Die Pt-TiO₂-Grenzfläche 601 auf der linken Seite des Diagramms von 6C stellt eine nicht-kovalent gebundene Grenzfläche zwischen der Metallelektrode 102 und dem Halbleiter 308 dar, die durch die dazwischen liegende molekulare Schicht 106a vermittelt ist. Eine grobe Banddiagrammdarstellung ist gezeigt, um darzulegen, dass es eine Potentialbarriere an dieser Grenzfläche 601 gibt. Diese Region des Films ist entworfen und gefertigt, um stochiometrisches TiO₂ zu sein. Die Elektronenaffinität von Anatas wird mit etwa 4,0 eV geschätzt und die Arbeitsfunktion von Pt beträgt 5,64 eV, so dass eine Potentialbarrierenhöhe von 1,6 eV an dieser Grenzfläche 601 geschätzt werden kann. Der Fermi-Pegel von Pt sollte für Anatas nahe der mittleren Region es Bandabstands liegen, das einen Volumenbandabstand von 3,2 eV aufweist, obwohl derselbe bei dem Nanokristall aufgrund einer Quanteneingrenzung breiter sein könnte. Selbst bei einem Dotierungspegel von 10²¹ cm^–3 beträgt die Verarmungslänge ~3 nm in Anatas, so dass der Nanokristall vollständig verarmt und somit positiv geladen ist. Die Elektronen liegen in einer schmalen Region in den Pt-Kontakten.
Es gibt einen zweiten Pt-Kontakt 104 zu dem Nanokristall auf der rechten Seite des Diagramms von 6A. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das System entworfen und gefertigt, derart, dass diese Region des Titandioxids eine erhebliche Konzentration von Sauerstoffleerstellen aufweist. Wenn man sich in 6A von links nach rechts bewegt, geht somit der Wert von x in TiO_2-x von 0 auf einen Wert von bis zu 0,04. Dies ist eine genügend hohe Konzentration von Sauerstoffleerstellen, um eine große Anzahl von Donatorenzuständen zu erzeugen, die die Dichte von Zuständen nahe der Leitungsbandkante erheblich verbreitern und somit den Bandabstand wirksam verschmälern. Dies ist in dem Banddiagramm von 6C als eine Senkung der Potentialbarriere an dieser Grenzfläche 603 verglichen mit der linken Seite gezeigt, bewirkt durch die Verschmälerung des Bandabstands und eine erhebliche Bandbiegung aufgrund der extrem hohen Konzentration positiv geladener Donatorenzustände.
In dem Zustand wie hergestellt, der durch 6C dargestellt ist, ist die Potentialbarriere 601, die durch den Anatas-Nanokristall dargestellt ist, groß und ist somit die Leitfähigkeit dieses Zustands des Schalters gering; dies ist der AUS-geschaltete Zustand. Falls die linke Pt-Elektrode 102 geerdet ist und ein positives Potential an die rechte Elektrode 104 angelegt ist, die zu der Anode einer elektrochemischen Nanozelle wird, dann werden die positiv geladenen Sauerstoffleerstellen gezwungen, zu der geerdeten Elektrode hin zu driften, die die Kathode ist. Die Tatsache, dass es eine große Konzentration von Leerstellen gibt, die bereits nahe der Anode existieren, bedeutet, dass keine Leerstellen erzeugt werden müssen, um den Schalter EIN zuschalten. Die Enthalpie einer Bildung von Sauerstoffleerstellen in nanokristallinem Anatas ist viel größer als die Aktivierungsenergie ein Fehlstellenspringen, so dass ein Aufweisen einer Struktur, bei der es vor existierende Sauerstoffleerstellen (oder andere geeignet positiv geladene Dotiermittel) nahe der Elektrode des Schalters gibt, den Aufwand einer großen Menge an Energie beseitigt, der während eines Vorkonditionierens eines Schalters auftreten würde, um die Leerstellen elektrisch zu bilden.
In 7A–7C, die die Anfangsstufe eines EIN-Schaltens des Schalters darstellen, bedeutet ein Wegschieben von Sauerstoffleerstellen von der Anode, dass das TiO_2-x oxidiert wird, d. h. der Wert von x verringert sich um einen geringen Betrag ε. Aufgrund der anfänglich großen Konzentration von Leerstellen nahe der Anode 104 weist diese geringe Oxidation eine sehr geringe Auswirkung auf die elektronische Leitfähigkeit der Region 310 auf. Das anfänglich stöchiometrische oder oxidierte Material nahe der Kathode wird jedoch reduziert, z. B. ist die Stöchiometrie nun TiO_2-ε. Dies weist eine erhebliche Auswirkung auf die Energiebänder in der Mitte des Nanokristalls auf, wie es in der 7C gezeigt ist. Die wirksame Gesamtbarrierenbreite für ein Elektronentunneln durch den Nanokristall hindurch ist verringert und die Leitfähigkeit erhöht sich.
Falls die Vorspannung erhöht ist oder für eine längere Zeit angelegt ist, driften mehr Sauerstoffleerstellen nach links und verschmälern die Tunnelbarriere noch mehr, wie es in 8A–8C gezeigt ist. Der Schalter befindet sich nun vollständig in dem EIN-Zustand, wobei sich noch mehr Leerstellen nun in 308 befinden, derart, dass die Stöchiometrie dieser Region als TiO_2-δ bezeichnet wird. Ein Umkehren der Polarität der Spannung an der rechten Elektrode 104 kehrt den Sinn von Anode und Kathode um und bewirkt, dass die Sauerstoffleerstellen zurück nach rechts driften, wobei der Zustand von 6A–6C wieder hergestellt wird und der Schalter wieder AUS-geschaltet wird, falls diese Vorspannung umgekehrter Polarität für eine genügend lange Zeit angelegt ist.
Ohne irgendeine spezielle Theorie gut zu heißen, scheint es, dass die Moleküle in der nicht-kovalenten Region 106a in der Vorrichtung lediglich eine passive Rolle spielen. Dieselben bilden eine dünne isolierende Region zwischen der ersten Pt-Elektrode 102 und dem Nanokristall 308, die bei der Bildung der Schottky-Barriere helfen kann. Die Tatsache, dass diese Grenzfläche 601 des Nanokristalls nicht kovalent an die Pt-Elektrode gebunden ist, kann es Sauerstoffleerstellen erleichtern, zu dieser Grenzfläche hin zu driften, da es im Wesentlichen eine interne freie Oberfläche gibt, um Gitterverzerrungen aufzunehmen. Obwohl der Kristall 308, 310, der hier präsentiert ist, als ein Nanokristall betrachtet wird, kann es schließlich sein, dass die primäre Rolle der Moleküle 106a darin besteht, sicherzustellen, dass das primäre aktive Material, z. B. Titandioxid 308, tatsächlich amorph ist.
Wie es in 6B, 7B und 8B gezeigt ist, handelt es sich bei der Ersatzschaltung bloß um zwei Widerstände in Reihe: einen Widerstand R_s, der den Reihenwiderstandswert der Verdrahtung und einer jeglichen Komponente des Schalters darstellt, die sich mit der Zeit nicht ändert, und einen variablen Widerstand R_v(t), der sich mit der Zeit in Abhängigkeit von der angelegten Spannung und von Strömen, die denselben durchfließen, ändert. Unter der Annahme, dass das ohmsche Gesetz gilt (anstelle des Tunnelwiderstandswerts, der tatsächlich auftritt, der die Mathematik drastisch verkompliziert), V(t) = I(t)[R_s + R_v(t)]. 1.
Der variable Widerstand ist proportional zu der Breite w(t) des stöchiometrischen TiO₂ 308, das in dem Nanokristall vorliegt, R_v(t) = ρw(t)/A, 2. wobei das Material hinter der Driftfront der Leerstellen als im Wesentlichen einen Widerstandswert von 0 aufweisend betrachtet wird, ρ der Widerstand des undotierten Titaniumdioxids ist und A die Fläche des Nanokristalls senkrecht zu der Stromflussrichtung ist. Bei der anfänglichen Bedingung, bei der der Schalter AUS ist und eine Vorspannung angelegt ist, um denselben EIN-zuschalten, ist die Änderungsrate der Breite von undotiertem Titandioxid gerade die Leerstellendriftrate in dem angelegten Feld über die undotierte Breite, dw / dt = –μ_vE(t) = –μ_vρI(t)/A, 3. wobei μ_v die Beweglichkeit von Sauerstoffleerstellen in Titandioxid ist, E(t) das elektrische Feld über das undotierte Material ist, das gerade der Spannungsabfall ρ w(t) l(t)/A geteilt durch die Breite w(t) ist, und das Minuszeichen erscheint, weil die Breite der undotierten Region sich verringert. Wenn man Gleichung 3 integriert, wird dies zu
Wobei wo die Breite des undotierten Titandioxids bei t = 0 ist und w(t) derart definiert ist, dass dasselbe nicht negativ sein kann. Die vollständige Gleichung, die V und I in Beziehung setzt, wird zu
Somit ergeben die oben getroffenen Annahmen einen ziemlich komplexen mathematischen Ausdruck, in dem die Spannung zu einer Zeit t des Schalters das Integral des Stroms und/oder der Spannung über der Zeit betrifft, was eine Wegabhängigkeit zu dem Schalter einbringt. Gleichung 5 stellt eine breitere Vielfalt von beschreibenden Gleichungen für den Schalterbetrieb dar und die vorliegende Erfindung umfasst Ionendriftschaltmechanismen, die durch andere Gleichungen beschrieben sind. Falls beispielsweise eine Raumladung für die Ionendrift bedeutsam ist, dann geht die funktionsmäßige Abhängigkeit von dem Strom in Gleichung 5 von einem Integral über dem Strom in der ersten Potenz (I) zu einem Integral über die zweite Potenz (I²). Das effizienteste Schaltungsmodell für ein derartiges System kann einen Memristor erfordern. Wie es in der Sequenz der Ersatzschaltung zu sehen ist, wenn von 6B zu 7B zu 8B gegangen wird, schließt sich der Schalter, so dass w(t) und somit R_v(t) mit der Zeit kleiner werden; das heißt, der Widerstandswert sinkt, um den Schalter EIN zu schalten.
6C zeigt die Energiebanddiagrammdarstellung des AUS-Zustands eines Schalters, der Metallkontakte 102, 104 auf beiden Seiten aufweist. Weil es im Wesentlichen keine Dotierung in der Halbleiterregion 308 gibt, gibt es eine relativ hohe Barriere an beiden Metall-Halbleiter-Übergängen. Es ist zu beachten, dass ein Umschalten des Schalters keine streng binäre Operation ist – die Konduktanz des Schalters kann über einen breiten Bereich variiert werden, abhängig davon, wie viele Dotiermittelspezies in das primäre Material injiziert oder innerhalb desselben erzeugt werden. Die Donatorenspezies werden durch ein Anlegen einer Vorspannungsspannung über den Übergang bewegt (alternativ können dieselben chemisch gebildet werden, beispielsweise durch ein Reduzieren von TiO₂ mit einem Metall, um TiO_2-x zu bilden, oder durch ein Reagieren mit molekularem Sauerstoff entfernt werden). Somit gibt es keine freien Träger in der Halbleiterschicht und dieselbe gewinnt deshalb eine positive Nettoladung. Die Gesamtwirkung dieser positiven Ladung besteht darin, die Bänder des Halbleiters mit Bezug auf den Fermi-Pegel von Metall (7C) nach unten zu biegen, was wiederum die Tunnelbarriere des Übergangs senkt und somit die Leitfähigkeit erhöht. Die Erzeugung oder Injektion dieser Dotiermittel ist durch ein Aufweisen einer geeigneten Quellenschicht 310 benachbart zu dem Halbleiter 308 stark verbessert. Dieses Material 310 kann beispielsweise ein ionischer Leiter sein, der als eine Quelle oder Senke von Atomen für den Halbleiter 308 wirken kann (z. B. verschiedene Dotiermittelspezies oder eine Senke für O-Atome, um die Bildung von Sauerstoffleerstellen in einer Oxidhalbleiterschicht zu ermöglichen).
7C zeigt die Bänder des Systems, nachdem weitere Dotiermittelstellen in den Halbleiter 308 injiziert wurden, wobei TiO_2-ε gebildet wird. Die Halbleiterbänder wurden durch die erhöhte positive Ladung innerhalb des verarmten Halbleiters weiter nach unten gebogen, wobei die Tunnelbarriere weiter gesenkt und die Leitfähigkeit erhöht wird. In dem Fall von TiO_2-x erzeugen O-Leerstellen in dem Gitter Zustände, die sehr nah an dem Leitungsband liegen, so dass bei einem genügend hohen Dotierungspegel das Leitungsband des Nanokristalls auf den Fermi-Pegel der Metallkontakte herunter gezogen wird. Auf dieser Stufe werden die Tunnelbarrieren an jedem Metallübergang dünner und erhöht sich die Leitfähigkeit des Systems. Dies ist die Anfangsstufe eines EIN-Schaltens des Schalters.
In 8C wurden noch mehr Dotierstoffdonatoren in den Halbleiter 308 injiziert, wobei TiO_2-δ gebildet wird. Die Halbleiterleitungsbänder wurden durch die erhöhte positive Ladung innerhalb des verarmten Halbleiters weiter nach unten gebogen, wobei so die Breite und Höhe der Tunnelbarriere verringert und die Leitfähigkeit der Schicht erhöht wird. Dies ist der vollständig EIN-geschaltete Zustand des Systems.
Solange der Dotierungspegel des Halbleiterfilms 308 nicht so groß ist, dass der Widerstandswert im Wesentlichen auf Null fällt, ist es möglich, die Drift der Donatorendotierstoffionen umzukehren und dieselben durch ein Umkehren der Polarität der Spannung aus dem Halbleiter auszustoßen, die an den Schalter angelegt ist.
Eine Dotierung der Halbleiterschicht 308 ist von sowohl der Spannung (um irgendeine Energiebarriere für eine Ionendrift zu überschreiten) als auch der Zeit (je länger das System bei einer Spannung gehalten wird, desto mehr Dotierstoffe sammeln sich an) oder dem Integral des Stroms abhängig.
In der obigen Beschreibung sind die Schalter entworfen und gefertigt, um eine spezielle EIN/AUS-Polarität aufzuweisen. Der Schalter wird durch ein Anlegen einer positiven Spannungsvorspannung an die Elektrode, die den Überschuss von positiv geladenen Dotiermittelspezies aufweist, EIN-geschaltet und dieselbe wird durch ein Anlegen einer negativen Spannungsvorspannung an diese gleiche Elektrode AUS-geschaltet. Es ist jedoch möglich, auch Schalter mit einer konfigurierbaren Polarität zu entwerfen und zu fertigen, z. B. um die EIN/AUS-Polarität eines Schalters während eines elektronischen Konfigurationsprozesses zu bestimmen, der durchgeführt wird, nachdem eine Schaltung, die Schalter enthält, gefertigt wurde. Dieser Konfigurationsschritt ist auch als Feldprogrammierung bekannt. Dies kann durch ein Erzeugen einer Struktur geschehen, bei der das Material, das sich am nächsten an beiden Metallelektroden befindet, keine Dotierung aufweist und das Material in der Mitte einen Überschuss von Dotiermitteln aufweist. Während einer anfänglichen Programmierstufe für eine Schaltung kann somit eine negative Spannungsvorspannung, um positiv geladene Dotiermittel anzuziehen, an jene Elektroden angelegt werden, die man sich als die EIN-Elektrode für eine angelegte positive Vorspannung wünscht, und umgekehrt kann eine positive Spannung, um positiv geladene Dotiermittel abzustoßen, an jene Elektroden angelegt werden, die man sich als die AUS-Elektrode für eine angelegte negative Vorspannung wünscht. Auf diese Weise ist es möglich, ein Array von Schaltern zu konfigurieren, derart, dass die EIN/AUS-Polarität der oberen Elektroden der Schalter abwechselt. Diese spezielle Konfiguration ist besonders nützlich, falls man beispielsweise ein Array von Latch-Elementen baut. Es ist auch möglich, die EIN/AUS-Polarität irgendeines Schalters, der in dieser Anmeldung offenbart ist, durch ein Anlegen einer positiven Vorspannungsspannung an die EIN-Elektrode für eine genügend lange Zeit, damit die Dotiermittel alle zu der gegenüberliegenden Elektrode des Schalters driften, umzukehren.
9A–9C zeigen den oben beschriebenen Schalter mit konfigurierbarer EIN/AUS-Polarität, bei dem die Dotiermittelquellenschicht 310 zwischen zwei primären aktiven Schichten 308, 308' angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke des Schalters gegeben durch K und ist die Gesamtbreite der TiO₂/TiO_2-x/TiO₂-Schicht 308, 310, 308' gegeben durch L.
In 9A werden ionisierte Dotiermittel, die sich ursprünglich in der Dotiermittelquellenschicht 310 befinden, durch ein Anlegen der geeigneten Vorspannungsspannung, um die EIN/AUS-Polarität des Schalters zu setzen, zu einer der zwei primären aktiven Schichten 308, 308' bewegt.
Ein Anlegen einer positiven Vorspannungsspannung an die Elektrode 104 (des in 9A gezeigten Schalters) bewirkt, dass positiv geladene Dotiermittel, in dem Fall des TiO₂/TiO_2-x-Systems Sauerstoffleerstellen, nach links driften. Dies setzt die EIN/AUS-Polarität des Schalters, derart, dass eine nachfolgende negative Vorspannungsspannung, die an die Elektrode 104 angelegt wird, den Schalter EIN-schaltet, und eine positive Spannung, die an die Elektrode 104 angelegt wird, den Schalter AUS-schaltet. Die resultierende Struktur ist in 9B gezeigt.
Umgekehrt bewirkt ein Anlegen einer negativen Vorspannungsspannung an die Elektrode 104 (des in 9A gezeigten Schalters), dass positiv geladene Dotiermittel, in dem Fall des TiO₂/TiO_2-x-Systems Sauerstoffleerstellen, nach rechts driften. Dies setzt die EIN/AUS-Polarität des Schalters derart, dass eine nachfolgende positive Vorspannungsspannung, die an die Elektrode 104 angelegt wird, den Schalter EIN-schaltet und eine negative Spannung, die an die Elektrode 104 angelegt wird, den Schalter AUS-schaltet. Die resultierende Struktur ist in 9C gezeigt. Somit stellen 9B und 9C Schalter mit entgegengesetzter EIN/AUS-Polarität dar.
Fertigen der elektrisch betätigten Schalter.
Die hierin offenbarten Schalter können unter Verwendung eines breiten Bereichs von Materialaufbringungs- und Bearbeitungstechniken gefertigt werden. Zuerst wird der anfängliche Draht 102 (Metall oder Halbleiter) unter Verwendung herkömmlicher Techniken gefertigt, wie beispielsweise Photolithographie oder Elektronenstrahllithographie, oder durch höher entwickelte Techniken, wie beispielsweise Aufdrucklithographie. Dies kann ein unterer Draht 102 eines Kreuzdrahtpaars 100 sein, wie es in 1 gezeigt ist, oder derselbe kann ein Draht 102 sein, der in einer Durchkontaktierung erzeugt ist, um eine Verbindung 200 senkrecht zu der Ebene einer Schaltung zu erzeugen, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist.
Bei dem hier beschriebenen Schema ist die nächste Komponente des Schalters, die gefertigt werden soll, das nicht kovalente Grenzflächenmaterial 106a und kann weg gelassen werden, falls eine größere mechanische Festigkeit erforderlich ist, aber auf Kosten eines langsameren Schaltens bei höheren angelegten Spannungen. Dies ist eine optionale Komponente des Schalters 200' (oder Schalters 100'), wie es oben erwähnt ist. In diesem Fall wird eine Schicht 106a eines inerten Materials aufgebracht. Dies könnte eine molekulare Monoschicht sein, die durch einen Langmuir-Blodgett-Prozess (LB-Prozess) gebildet ist, oder dieselbe könnte eine selbstzusammengefügte Monoschicht (SAM; SAM = Self-Assembled Monolager) sein. Im Allgemeinen bildet diese molekulare Schicht 106a eventuell lediglich schwache Bindungen vom Van-der-Waals-Typ mit der unteren Elektrode 102 und dem primären aktiven Material 308 des Schalters. Alternativ kann diese Schicht 106a eine dünne Eisschicht sein, die auf ein gekühltes Substrat aufgebracht ist. Das Material zum Bilden des Eises kann ein inertes Gas sein, wie beispielsweise Argon (Ar), oder dasselbe könnte eine Spezies, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO₂) sein. In diesem Fall ist das Eis eine Opferschicht, die eine starke chemische Bindung zwischen der unteren Elektrode und dem Schaltmaterial verhindert, und geht aus dem System durch ein Erwärmen der Probe später in der Bearbeitungssequenz, um das Eis weg zu sublimieren, verloren. Ein Fachmann auf diesem Gebiet erkennt ohne weiteres andere Möglichkeiten, um schwach gebundene Grenzflächen zwischen der Elektrode 102 und dem Schalter 306 zu bilden.
Als nächstes wird das Material für die primäre aktive Schicht 308 aufgebracht. Dies kann durch eine breite Vielfalt herkömmlicher physikalischer und chemischer Techniken vorgenommen werden, einschließlich Verdampfung aus einer Knudsen-Zelle, Elektronenstrahlverdampfung aus einem Tiegel, Sputtern aus einem Zielobjekt oder verschiedene Formen chemischen Dampf- oder Strahlaufwachsens von reaktiven Vorläufern. Der Film kann zwischen 1 und 30 Nanometern (nm) dick sein und derselbe kann aufgewachsen sein, um frei von Dotiermitteln zu sein. In diesem Fall ist die Struktur, wie aufgewachsen, AUS-geschaltet. Abhängig von der Dicke des Films 308 kann derselbe nanokristallin, nanoporös oder amorph sein, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der Ionen in das Material driften können, um eine Dotierung durch Inneninjektion oder Abdotierung durch Ionenausstoß aus 308 zu erreichen. Geeignete Aufwachsbedingungen, wie beispielsweise eine Aufbringungsgeschwindigkeit und Substrattemperatur, können gewählt sein, um die chemische Zusammensetzung und örtliche Atomstruktur zu erreichen, die für diesen anfänglich isolierenden oder wenig leitfähigen Film 308 erwünscht ist.
Die nächste Schicht ist die Dotiermittelquellenschicht oder sekundäre aktive Schicht 310 für das primäre Schaltmaterial 308, die ebenfalls durch irgendeine der oben erwähnten Techniken aufgebracht werden kann. Dieses Material ist gewählt, um die geeignete Dotierspezies für das primäre aktive Material zu liefern. Dieses sekundäre Material 310 ist gewählt, um chemisch kompatibel zu dem primären Material 308 zu sein, z. B. sollten die zwei Materialien nicht chemisch und unumkehrbar miteinander reagieren, um ein drittes Material zu bilden. Falls man Schalter fertigt, die später konfiguriert werden sollen, wird dann eine weitere Schicht primäres Material 308' auf das sekundäre Material 310 aufgebracht.
Wie es oben erwähnt ist, ist ein Beispiel eines Paars von Materialien, die als die primäre 308 und sekundäre 310 aktive Schaltschicht verwendet werden können, TiO₂ bzw. TiO_2-x. TiO₂ ist ein Halbleiter mit einem Bandabstand von näherungsweise 3,2 eV. Dasselbe ist auch ein schwacher ionischer Leiter. Ein dünner Film aus TiO₂ erzeugt die erforderliche Tunnelbarriere, um die AUS-geschaltete Konfiguration zu erzeugen, und das TiO_2-x bildet eine ideale Quelle von Sauerstoffleerstellen, um das TiO₂ zu dotieren und dasselbe leitfähig zu machen. Ein zweiter Film aus dem primären aktiven Material TiO₂ 308' kann aufgebracht werden, falls man einen Schalter mit konfigurierbarer EIN/AUS-Polarität fertigen möchte.
Schließlich wird die zweite Metallelektrode 104 auf der sekundären aktiven Schicht 310 oder der zweiten primären aktiven Schicht 308' des Schalters in einer ähnlichen Weise, in der der erste Draht 102 erzeugt wurde, gefertigt. Falls das System eine Kreuzdrahtvorrichtung 100' ist, wird ein Ätzprozess verwendet, um das aufgebrachte Schaltmaterial zu entfernen, das sich nicht unter den oberen Drähten befindet, um die Vorrichtungen zu isolieren. Falls erwünscht, kann ein Planarisierungsprozess nach dem Aufbringen des unteren Satzes von Drähten oder nach dem zweiten Satz von Drähten hinzugefügt sein, um eine flache Oberfläche auf den Schaltern zu liefern.
Eine Frage bezüglich des Fertigens von Schaltvorrichtungen besteht darin, die Dotiermittelkonzentration in dem Material sorgfältig zu steuern, ob dieses Dotiermittel das Vorhandensein eines unterschiedlichen Atomtyps in oder die Abwesenheit eines speziellen Atoms (z. B. eine Leerstelle) aus dem Gitter ist. Die Dotiermittelspezies kann in das Aufwachsmedium eingebracht werden oder die Menge an einer Komponente kann verringert werden, um Leerstellen zu bewirken. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine qualitativ hochwertige und reine Schicht des Wirtsmaterials aufzuwachsen und dann eine sorgfältig bestimmte Menge einer Spezies direkt auf das Wirtsmaterial aufzubringen. Dies kann eine Dotiermittelspezies sein, die dann in das Wirtsmaterial diffundiert, oder dasselbe kann ein reaktives Material sein, das chemisch mit einer der Komponenten des Wirts reagiert, um Leerstellen in dem Wirtsgitter zu bewirken. Ein Beispiel eines derartigen Ansatzes besteht darin, eine geringe Menge an Aluminium auf eine qualitativ hochwertige und reine Schicht Titandioxid aufzubringen. Das Aluminium reagiert partiell mit dem Sauerstoff des Titandioxids, um etwas Aluminiumoxid zu bilden und Leerstellen in dem Titandioxid zu hinterlassen. Dies ist ein Prozess ähnlich einer „Deltadotierung”, die gegenwärtig in der Halbleiterbranche praktiziert wird, um eine sehr dünne Schicht eines sehr stark dotierten Halbleitermaterials bereitzustellen.
Materialkombinationen zum Schalten.
Es gibt einen breiten Bereich von Materialien, die die erwünschte Kombination von Eigenschaften zeigen: elektronisch halbleitend oder isolierend und ein „schwach” ionischer Leiter, um zu ermöglichen, dass eine Dotiermittelspezies durch eine Drift in die aktive Region des Schalters injiziert und aus derselben ausgestoßen werden kann. Im Allgemeinen sind hervorragende Schaltmaterialien die halbleitenden Verbund-Oxide und -Nitride, aber halbleitende Sulfide, Phosphide, Chloride, Selinide, Arsenide und Bromide liefern ebenfalls ein Schalten. Im Allgemeinen funktioniert ein jegliches halbleitendes Material, das auch ein schwacher ionischer Leiter mit Bezug auf Spezies ist, die den Halbleiter elektrisch dotieren können, in der Praxis der vorliegenden Erfindung und der verschiedenen Ausführungsbeispiele derselben. Anders ausgedrückt, sind mögliche Schaltverbindungen halbleitende Verbindungen mit einem erheblichen ionischen Beitrag zu der Bindung. Eine gute Kombination ist ein primäres aktives Material, das undotiert und stöchiometrisch und somit ein guter Isolator ist, kombiniert mit einer sekundären Quelle/Senke des gleichen oder eines verwandten Stammmaterials, das entweder eine große Konzentration von Anionenleerstellen oder eine andere Dotiermittelspezies enthält, die unter der Anwendung einer angelegten Vorspannungsspannung in das primäre Material driften gelassen werden kann. Der Gedanke besteht darin, dass das Quellen-/Senkensystem 310 sehr leitfähig ist und somit ein Ändern der Dotierungskonzentration eine relativ geringe Auswirkung auf die Leitfähigkeit dieses sekundären Materials hat, aber dann, da das primäre Material 308 im Wesentlichen intrinsisch ist, selbst eine geringe Menge an Dotiermittel eine sehr drastische Auswirkung auf die Leitfähigkeit dieses Materials haben wird.
Die Schaltverbindungen, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, sind im Allgemeinen die Oxide, Sulfide, Selinide, Nitride, Phosphide, Arsenide, Chloride und Bromide der Übergangs- und Seltenerdmetalle, wobei die Erdalkalimetalle häufig in Verbindungen vorhanden sind. Ferner gibt es die verschiedenen Legierungen ähnlicher Verbindungen miteinander, die einen breiten Zusammensetzungsbereich aufweisen können, falls dieselben gegenseitig ineinander löslich sind. Dann gibt es die gemischten Verbindungen, bei denen zwei, drei oder mehr unterschiedliche Metallatome mit einer gewissen Anzahl der elektronegativen Elemente kombiniert sind. Die Dotiermittel können Anionenleerstellen oder unterschiedlich valente Elemente sein, die in den Wirt dotiert sind.
Materialien, die die Elemente Ti, Zr und Hf betreffen, sind besonders attraktiv für Schalter, die mit einer integrierten Si-Schaltungstechnologie kompatibel sein können, da der primäre Oxidationszustand aller drei Metalle +4 ist, der gleiche wie Si, und deshalb diese Elemente keine unbeabsichtigte Dotierung des Si erzeugen würden. Diese Verbindungen sind auch als Titanoxid, Zirkoniumoxid bzw. Hafniumoxid bekannt, und ebenfalls unter anderen Namen, die für die verschiedenen Polytypen von jedem spezifisch sind.
Ein anderes Ausführungsbeispiel umfasst die Legierungen dieser drei Oxide in Paaren oder bei Vorliegen aller drei simultan (z. B. Ti_xZr_yHf_zO₂, wobei x + y + z = 1). Verwandte Sätze von Verbindungen umfassen Titanate, Zirkonate und Hafnate, die durch das spezifische Beispiel SrTiO₃ dargestellt sind, wobei Sr das divalente Element Strontium ist. Es gibt eine breite Vielfalt derartiger Verbindungen, bei denen Ca, Ba und andere divalente Elemente (z. B. Mg, Zn, Cd) eventuell Sr ersetzen können und Zr und Hf eventuell Ti ersetzen. Diese Verbindungen können als ABO₃-Verbindungen dargestellt sein, wobei A zumindest ein divalentes Element ist und B zumindest eines von Ti, Zr und Hf ist und die Perovskit-Struktur aufweisen kann.
Es ist auch möglich, Legierungen dieser verschiedenen Verbindungen, wie beispielsweise Ca_aSr_bBa_cTi_xZr_yHf_zO₃, zu nutzen, wobei a + b + c = 1 und x + y + z = 1. Es gibt auch eine breite Vielfalt anderer Oxide der Übergangs- und Seltenerdmetalle mit unterschiedlichen Valenzen, die sowohl einzeln als auch als komplexere Verbindungen verwendet werden können. In jedem Fall kann die ionisierte Dotiermittelspezies eine Sauerstoffleerstelle oder ein aliovalentes (z. B. unterschiedlich valentes) Element sein, das in das Wirtsmaterial dotiert ist.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel von Verbindungen umfasst die Sulfide und Selinide der Übergangsmetalle mit einem gewissen ionischen Bindungscharakter, im Wesentlichen die S- und Fe-Analoge der oben erwähnten Oxide.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel von Verbindungen umfasst die halbleitenden Nitride, wie beispielsweise AlN, GaN, ScN, YN, LaN, Seltenerdnitride und Legierungen dieser Verbindungen und komplexere gemischte Metallnitride.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel von Verbindungen umfasst die Phosphide und Arsenide verschiedener Übergangs- und Seltenerdmetalle, z. B. Sc, Y, La etc.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel von Verbindungen umfasst die halbleitenden Halogenide, wie beispielsweise CuCl, CuBr und AgCl.
In allen Fällen können entweder Anionenleerstellen oder aliovalente Elemente als die mobile Dotiermittelspezies in den obigen Verbindungen verwendet werden.
Es ist auch möglich, eine primäre aktive Schicht oder eine sekundäre aktive Schicht aus Teilschichten unterschiedlicher Materialien oder Verbindungen zu fertigen, die aus den obigen Beispielen gewählt sind.
Die Dotiermittel, die in der Praxis der verschiedenen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden, sind aus der Gruppe ausgewählt, die Wasserstoff, Alkali und Erdalkalikationen, Übergangsmetallkationen, Seltenerdkationen, Sauerstoffanionen oder -leerstellen, Chalkogenidanionen oder -leerstellen, Stickstoffanionen oder -leerstellen, Pnictid-Anionen oder -leerstellen oder Halogenidanionen oder -leerstellen umfasst.

Spezifische Beispiele der Kombination von primären Materialien 308 und sekundären Materialien 310, zusammen mit der Dotiermittelspezies, die für jede Kombination eingesetzt wird, sind in der Tabelle unten dargelegt. Auf Grundlage der Lehren hierin ist klar, dass ein Fachmann auf dem Gebiet andere Kombinationen von primären und sekundären Materialien entwickeln kann, die die gelehrten Vorzüge liefern. Tabelle. Liste von Beispielen kompatibler primärer und sekundärer Materialien und Dotiermittelspezies.

Primäres Material	Sekundäres Material	Dotiermittelspezies
TiO₂	TiO_2-x	Sauerstoffleerstellen
ZrO₂	ZrO₂	Sauerstoffleerstellen
HfO₂	HfO_2-x	Sauerstoffleerstellen
SrTiO₃	SrTiO_3-x	Sauerstoffleerstellen
GaN	GaN_1-x	Stickstoffleerstellen
CuCl	CuCl_1-x	Chlorleerstellen
GaN	GaN:S	Sulfidionen

Weitere Betrachtungen.
Wie es oben erörtert ist, kann die Konduktanz des Schalters über einen breiten Bereich variiert werden. Die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Tatsache, dass die hierin beschriebenen Schalter tatsächlich kontinuierlich sind – z. B. ändert sich der Widerstandswert der Schalter kontinuierlich, aber etwas abrupt von dem AUS-Zustand zu dem EIN-Zustand und zurück. Dies ist explizit in den schematischen Diagrammen (6B, 7B, 8B) der Schalterersatzschaltung gezeigt, die einen variablen Widerstand in Reihe mit einem festen Widerstand zeigt.
Es gibt viele Anwendungen für einen variablen oder analogen Schalter in einer elektronischen Schaltung.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein elektronisch setzbarer variabler Widerstand als ein Trimmwiderstand verwendet werden, um die Impedanz einer Schaltung einzustellen. Es gibt eine bestimmte Größe einer Variabilität bei allen elektronischen Schaltungen, was bedeutet, dass Schaltungen, die gefertigt sind, etwas unterschiedliche Betriebsparameter im Hinblick auf ihre Betriebsgeschwindigkeit und die Verzögerungszeit für eine Signalausbreitung durch die Schaltung hindurch aufweisen werden. In der Vergangenheit wurde dieses Problem durch ein Installieren mechanisch einstellbarer „Trimmtöpfe” (Trimmwiderstände) in Schaltungsplatinen gehandhabt. Es war ein fachkundiger Ingenieur erforderlich, um eine Schaltung zu prüfen und abzustimmen, um die Eigenschaften derselben zu optimieren – dies wurde durch ein Untersuchen des elektronischen Signals an verschiedenen Prüfpunkten an einer Schaltungsplatine unter Verwendung eines Oszilloskops und anschließendes Verwenden eines Schraubenziehers, um den Trimmtopf einzustellen, vorgenommen, anders ausgedrückt, um den Widerstandswert des variablen Widerstands zu ändern, um die Impedanz der Schaltung auf die optimale Leistungsfähigkeit derselben zu bringen. Dies war bei einem ersten Prüfen einer Schaltung erforderlich, um sicherzustellen, dass dieselbe ordnungsgemäß funktionierte, und mit der Zeit konnten sich verschiedene Elemente in einer Schaltung verändern, so dass ein fachkundiger Techniker erforderlich war, um eine Schaltung vor Ort erneut zu prüfen und wieder abzustimmen. Als Schaltungen integrierter wurden, wurde dieses Erfordernis eines Abstimmens weniger notwendig, da sich die Reproduzierbarkeit integrierter Schaltungskomponenten verbesserte. Ferner gibt es an einer integrierten Schaltung keinen Platz, um einen Trimmtopf zu platzieren, so dass integrierte Schaltungen meist nicht abgestimmt werden können. Wenn Merkmalsgrößen kleiner werden, erhöht sich zwangsläufig die Variabilität von Komponenteneigenschaften, nur weil ein einziges Atom die Untergrenze der Unsicherheit bei einer Merkmalsgröße bestimmt. Somit müssen zukünftige Generationen von Schaltungen Trimmtöpfe aufweisen, um in der Lage zu sein, die Schaltungen abzustimmen und zu optimieren. Wenn eine Vorrichtungsvariabilität größer wird, ist es in der Tat wahrscheinlich, dass Schaltungen gar nicht funktionieren, falls dieselben nicht abgestimmt werden können. Somit würde man Schalter an verschiedenen Positionen innerhalb einer integrierten Schaltung zusammen mit Rückkopplungsschaltungen verwenden, um zu ermöglichen, dass eine Schaltung nicht nur dann abgestimmt werden kann, wenn sie zuerst eingeschaltet wurde, sondern um auch kontinuierlich die Leistungsfähigkeit einer Schaltung während eines Betriebs zu optimieren. Somit sollte es möglich sein, dass sich eine Schaltung mit derartigen Schaltern und Rückkopplungselementen mit der Zeit kontinuierlich verbessert. Wenn bestimmte Komponenten in der Schaltung ausfallen, würde die Schaltung die Schalter verwenden, um sich zu rekonfigurieren und wieder zu optimieren. Somit sollten derartige Schaltungen die Fähigkeit aufweisen, sich mit dem Alter kontrolliert zu verschlechtern, anstatt einen plötzlichen Tod zu sterben, wenn eine einzige Komponente ausfällt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es zusätzlich dazu, dass eine Schaltung abgestimmt werden muss, auch erwünscht, die Betriebscharakteristika einiger Schaltungen zu verändern, um mit einer bestimmten Signaleingabe zum Vornehmen verschiedener Messungen übereinzustimmen. Viele Wandler oder Messsysteme verhalten sich beispielsweise am besten, wenn es eine „Brückenschaltung” gibt, bei der der Widerstandswert eines variablen Widerstands abgestimmt ist, um eine Differenzschaltung auszugleichen, um eine sehr präzise Messung vorzunehmen. Ein Beispiel besteht in einem Messen einer präzisen Spannungsdifferenz für ein Thermopaar, aber es gibt viele andere Beispiele von Brückenschaltungen, die für Messungen verwendet werden.
Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel besteht eine Anwendung analoger Schalter in lernenden Schaltungen oder neuronalen Netzen. Bei diesen Schaltungen wird eine Trainingsprozedur verwendet, um einer Schaltung beizubringen, wie auf eine spezielle Eingabe anzusprechen ist. Dies wird durch ein Vergleichen der Eigenschaften einer Komponente mit einer erwarteten Eigenschaft und ein Rücksetzen des Werts der Komponente ansprechend auf den Eingangswert unter Verwendung eines Rückkopplungsansatzes vorgenommen. Heutzutage sind die meisten neuronalen Netze in Software unter Verwendung herkömmlicher integrierter Schaltungen und Verarbeitungseinheiten implementiert – ein echtes neuronales Netz, das in Hardware implementiert ist, mit einstellbaren analogen Schaltern wird bei weitem effizienter sein.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel können andere analoge und gemischt analoge und digitale Schaltungen durch ein Aufweisen eines kontinuierlich abstimmbaren Widerstands verbessert werden, der nicht flüchtig ist – z. B. wird ein Grundwert für den Widerstand während einer Initialisierungsphase gesetzt und wird danach während eines Betriebs der Widerstandswert eingestellt, um auf Betriebsbedingungen der Schaltung anzusprechen. Dies kann beispielsweise vorgenommen werden, um Veränderungen bei den grundlegenden Betriebscharakteristika der Schaltung bei Temperaturveränderungen oder Leistungsversorgungsspannungsfluktuationen oder sich verändernden Umweltbedingungen zu kompensieren.
Die vorhergehende Beschreibung verwendete zu Erläuterungszwecken eine spezifische Nomenklatur, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu liefern. Einem Fachmann auf diesem Gebiet ist es jedoch ersichtlich, dass die spezifischen Details nicht erforderlich sind, um die Erfindung zu praktizieren. Die vorhergehende Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist zu Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken vorgelegt. Dieselben sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzisen offenbarten Formen begrenzen. Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen angesichts der obigen Lehren möglich. Die Ausführungsbeispiele sind gezeigt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erläutern, um dadurch anderen Fachleuten auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Modifikationen am besten zu nutzen, die für die spezielle betrachtete Verwendung geeignet sind.

Claims

Elektrisch betätigbarer Schalter (100', 200'), der folgende Merkmale aufweist: eine erste Elektrode (102); eine zweite Elektrode (104); und eine aktive Region (306), die zwischen denselben angeordnet ist, wobei die aktive Region eine erste primäre aktive Region (308) und eine zweite primäre aktive Region (308'), von denen jede zumindest ein Material zum Transportieren und Aufnehmen von Ionen aufweist, die als Dotiermittel wirken, um den Fluss von Elektronen durch den Schalter hindurch zu steuern, und eine sekundäre aktive Region (310) aufweist, die zwischen der ersten primären aktiven Region und der zweiten primären aktiven Region angeordnet ist und zumindest ein Material zum Bereitstellen einer Quelle/Senke von ionischen Dotiermitteln für die primären aktiven Regionen (308, 308') aufweist.
Schalter gemäß Anspruch 1, bei dem entweder beide Elektroden (102, 104) metallisch sind oder eine der Elektroden (102, 104) metallisch ist und eine andere der Elektroden (102, 104) ein Halbleiter ist.
Schalter gemäß Anspruch 1, bei dem das Material für die erste und die zweite primäre aktive Region (308, 308') entweder elektrisch halbleitend oder nominal elektrisch isolierend ist und ein schwach ionischer Leiter ist.
Schalter gemäß Anspruch 4, bei dem das Material für die erste und die zweite primäre aktive Region (308, 308') ein Film ist, der eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die umkehrbar von einer relativ geringen Leitfähigkeit zu einer relativ hohen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von ionischen Spezies geändert werden kann, die in das zumindest eine Material für die zumindest eine primäre aktive Region über einen Ionentransport oder eine Drift injiziert oder aus demselben ausgestoßen werden.
Schalter gemäß Anspruch 1, bei dem die ionischen Dotiermittel der sekundären aktiven Region (310) aus jenen ausgewählt sind, die als elektrische Dotiermittel für das Material für die erste und die zweite primäre aktive Region (308, 308') wirken, und dadurch die elektrische Leitfähigkeit der ersten und zweiten primären aktiven Region (308, 308') von einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit zu einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit oder von einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit zu einer relativ geringen Leitfähigkeit ändern.
Schalter gemäß Anspruch 1, bei dem das Material für die erste und die zweite primäre aktive Region (308, 308') und das Material für die sekundäre aktive Region (310) aus der Gruppe ausgewählt sind, die Oxide, Sulfide, Selinide, Nitride, Phosphide, Arsenide, Chloride und Bromide von Übergangsmetallen, Seltenerdmetallen und Erdalkalimetallen, Legierungen derselben und Mischverbindungen derselben, bei denen zumindest zwei unterschiedliche Metallatome mit zumindest einem elektronegativen Element kombiniert sind, umfasst.
Schalter gemäß Anspruch 1, der ferner eine nicht-kovalente Grenzfläche (106a) umfasst, die zwischen der ersten Elektrode und der primären aktiven Region angeordnet ist.
Verfahren zum Konfigurieren einer EIN/AUS-Polarität eines Schalters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Einprägen einer positiven Spannung an der zweiten Elektrode (104) für eine genügend lange Zeit, um zu bewirken, dass die positiven ionischen Dotiermittel aus der sekundären aktiven Region (310) in die primäre aktive Region (308) nahe der ersten Elektrode (102) injiziert werden, wodurch die EIN/AUS-Polarität der zweiten Elektrode (104) als der EIN-Zustand, wenn die zweite Elektrode (104) negativ vorgespannt ist, oder als der AUS-Zustand definiert wird, wenn die zweite Elektrode (104) während eines Betriebs des Schalters positiv vorgespannt ist; oder Einprägen einer negativen Spannung an der zweiten Elektrode (104) für eine genügend lange Zeit, um zu bewirken, dass die positiven ionischen Dotiermittel aus der sekundären aktiven Region (310) in die primäre aktive Region (308') nahe der zweiten Elektrode (104) injiziert werden, wodurch die EIN/AUS-Polarität der zweiten Elektrode (104) als der EIN-Zustand, wenn die zweite Elektrode (104) positiv vorgespannt ist, oder als der AUS-Zustand definiert wird, wenn die zweite Elektrode (104) während eines Betriebs des Schalters negativ vorgespannt ist, wobei eine Leitfähigkeit der primären aktiven Region (308, 308') im EIN-Zustand höher ist als im AUS-Zustand.