DE112013006479B4 - Mechanische Schaltvorrichtung auf Nanodrahtbasis - Google Patents

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Abstract

Mechanischer Logikschalter, der umfasst:einen ersten leitfähigen Bereich (M1);einem zweiten leitfähigen Bereich (M2);einen Nanodraht, der in einem über einem Substrat angeordneten Leerraum angeordnet ist, wobei sich der Nanodraht in einer horizontalen Richtung in dem Leerraum erstreckt und nur ein Ende des Nanodrahts einen verankerten Abschnitt bildet, mit dem der Nanodraht am zweiten Bereich (M2) verankert ist; undeine Gateelektrode (GM), die in der horizontalen Richtung neben dem zweiten Bereich (M2) angeordnet ist;gekennzeichnet dadurch, dassdie Gateelektrode (GM) durch eine Isolatorschicht, mit der die Gateelektrode (GM) überzogen ist, von dem zweiten Bereich (M2) isoliert ist, wobei die Gatelektrode (GM) in vertikaler Richtung oberhalb des Leerraums angeordnet ist und die Gatelektrode (GM) vom Nanodraht beabstandet ist; undwobei der erste leitfähige Bereich (M1) in der horizontalen Richtung zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich der Gateelektrode (GM) angeordnet ist und durch die Isolatorschicht von der Gateelektrode (GM) isoliert ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen der Erfindung liegen im Gebiet der Halbleitervorrichtungsbearbeitung und insbesondere von mechanischen Schaltvorrichtungen auf Nanodrahtbasis.
  • HINTERGRUND
  • Der heutige Verbraucherelektronikmarkt verlangt häufig komplexe Funktionen, die eine sehr komplizierte Schaltungsanordnung erfordern. Die Skalierung auf immer kleinere grundlegende Bausteine, z. B. Transistoren, hat die Integration einer noch komplizierteren Schaltungsanordnung auf einem einzelnen Chip mit jeder fortschreitenden Generation ermöglicht. Halbleitergehäuse werden zum Schützen eines integrierten Schaltungschips (IC-Chips) oder integrierten Schaltungsplättchens verwendet und auch um den Chip mit einer elektrischen Schnittstelle zu einer externen Schaltungsanordnung zu versehen. Mit dem zunehmenden Bedarf an kleineren elektronischen Vorrichtungen werden Halbleitergehäuse so ausgelegt, dass sie noch kompakter sind, und müssen eine größere Schaltungsdichte unterstützen. Einige Halbleitergehäuse verwenden nun beispielsweise ein kernloses Substrat, das nicht die dicke Harzkernschicht umfasst, die üblicherweise in herkömmlichen Substraten zu finden ist. Ferner führt der Bedarf an Vorrichtungen mit höherer Leistung zu einem Bedarf an einem verbesserten Halbleitergehäuse, das ein dünnes Kapselungsprofil und eine niedrige Gesamtverzerrung ermöglicht, die mit der anschließenden Montageverarbeitung kompatibel ist.
  • Ferner haben für die vergangenen mehreren Jahre Strukturen von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) eine zunehmend wichtige Rolle in Verbraucherprodukten gespielt. MEMS-Vorrichtungen wie z. B. Sensoren und Aktuatoren sind beispielsweise in Produkten im Bereich von Trägheitssensoren für Airbag-Auslöser in Fahrzeugen bis zu Mikrospiegeln für Anzeigen in der Industrie der bildenden Kunst und in jüngerer Zeit in mobilen Anwendungen wie z. B. Luftdrucksensoren für die Höhenlageerfassung zu finden. Da diese Technologien ausreifen, haben die Anforderungen an Genauigkeit und Funktionalität der MEMS-Strukturen sich ausgeweitet. Die optimale Leistung kann beispielsweise von der Fähigkeit abhängen, die Eigenschaften von verschiedenen Komponenten dieser MEMS-Strukturen fein abzustimmen. Ferner geben Konsistenzanforderungen für die Leistung von MEMS-Vorrichtungen (sowohl innerhalb der Vorrichtung als auch von Vorrichtung zu Vorrichtung) häufig vor, dass die zur Herstellung solcher MEMS-Vorrichtungen verwendeten Prozesse äußerst anspruchsvoll sein müssen.
  • Signifikante Verbesserungen sind jedoch immer noch auf dem Gebiet der Vorrichtungsherstellung und des Vorrichtungsbetriebs von MEMS (und kleiner) erforderlich.
  • US 2010/0140066 A1 offenbart laterale nanoelektromechanische Schalter, die zur Integration in Schaltungen nützlich sind, die unter Verwendung von Standard-Halbleiterverarbeitungsverfahren oder unter Verwendung von Techniken hergestellt werden, die mit den gängigen Halbleiterverarbeitungstechnologien kompatibel sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Gegenstand der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Figurenliste
    • 1 stellt Draufsichten (a) eines Nanodraht-Relais, das auf einer Seite verankert ist, und (b) eines Nanodraht-Relais, das auf beiden Seiten verankert ist, und Querschnitte von (c) einer ersten Herstellungsstufe eines Nanodraht-Relais, das auf einer Seite verankert ist, und (d) einer zweiten Herstellungsstufe eines Nanodraht-Relais, das auf einer Seite verankert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
    • 2 stellt Draufsichten (a) eines Nanodraht-Relaisschalters in der anfänglichen Aus-Position, (b) des Relais in der Ein-Position und (c) des Relais in einer alternativen Aus-Position gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
    • 3 ist ein Diagramm einer Simulation einer I-V-Beziehung für einen mechanischen Logik- oder Leistungsschalter, der einen Source-Drain-Kontakt mit einer Fläche von 1 nm2 herstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist ein Diagramm, das das Übergangsverhalten eines nanomechanischen Schalters, der sich von seinem Aus-Zustand in seinen Ein-Zustand ändert, wobei eine Gatespannung zum Zeitpunkt = 0 angelegt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung demonstriert.
    • 5 ist ein Diagramm, das Kraftbeziehungen als Funktion des Trennabstandes eines Kontaktpunkts von 1 nm2 in einem mechanischen Schalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung demonstriert.
    • 6 ist ein Diagramm, das offene und geschlossene Positionen für ein Relais mit einer Kontaktelektrode, die am Ende angeordnet ist, im Vergleich zu einem Relais, bei dem die Kontaktelektrode näher an der eingespannten Kante angeordnet ist, um die Federrückstellkraft zu verbessern, darstellt.
    • 7 umfasst (a) ein Diagramm einer Betätigungsspannung als Funktion des Kontaktelektrodenorts und (b) ein Diagramm der Federrückstellkraft als Funktion des Kontaktelektrodenorts.
    • 8 umfasst ein Diagramm eines nicht-linearen Balkens mit einem mechanischen Anschlag und ein entsprechendes Diagramm, das eine Verbesserung der Federrückstellkraft ohne Erhöhung der Betätigungsspannung demonstriert.
    • 9 ist ein Diagramm, das einen Vergleich (a) eines Auslegers ohne mechanischen Anschlag und (b) eines Auslegers mit einem mechanischen Anschlag darstellt.
    • 10 ist ein Diagramm, das Analyseergebnisse für die Federgeometrie mit mechanischem Höcker zeigt.
    • 11 ist ein Diagramm, das mögliche geometrische Variationen von nicht-linearen Federn unter Verwendung von mechanischen Höckern darstellt.
    • 12 ist ein Diagramm, das einen komplementären Relais-Inverter, wobei (a) der Eingang aus ist und der Ausgang ein ist und (b) der Eingang ein ist und der Ausgang aus ist, darstellt.
    • 13 ist ein Diagramm, das ein (a) NICHT-ODER-, (b) NICHT-UND- und (c) Exklusiv-NICHT-ODER-Relais einer komplementären Logik unter Verwendung von mehreren Gates (Eingang) pro Relais darstellt.
    • 14 ist ein Diagramm, das den Vorteil der Verwendung von gespeicherter Energie in einem Balken in einem Verriegelungs- und Lösemechanismus, um die Betätigungsspannung und die Schaltenergie zu verringern, darstellt.
    • 15 ist ein Zeitablaufdiagramm und ein entsprechendes Diagramm eines Verriegelungs- und Löserelais gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 16 ist ein Diagramm, das die Verringerung der Betätigungsspannung von der Verriegelungs- und Lösestrategie für einen einzeln eingespannten freitragenden Balken darstellt.
    • 17 ist ein Diagramm, das einen Hybrid-MOS-Relais-Transistor (a) im deaktivierten Zustand, (b) wenn das MOS-Gate aktiviert ist und sich ein Inversionskanal bildet, und (c) wenn der Nanodraht mit der Source in Kontakt steht, was den Transistor aktiviert, darstellt.
    • 18 ist ein Schaltplan eines Relais, das die Leistung für zwei CMOS-Inverter steuert, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 19 ist ein Diagramm, das eine mechanische NVM-Vorrichtung in (a) einem anfänglichen Aus-Zustand der Speicherzelle, (b) dem Ein-Zustand, in dem die Bitleitung mit der Referenz verbunden ist, und (c) einem alternativen Aus-Zustand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 20 ist ein Diagramm, das mehrere Elektronentunnel-Relaisgeometrien, wobei der linke Abschnitt des Diagramms den Aus-Zustand des Relais darstellt und der rechte Abschnitt des Diagramms den Ein-Zustand des Relais darstellt, darstellt.
    • 21 ist ein normiertes Diagramm von Haftkräften und des Relaisstroms als Funktion des Abstandes des Tunnelübergangs auf der Basis des enthaltenen Relaisdiagramms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22 ist ein Diagramm, das verschiedene Übergangsgeometrien, die zum Vergrößern der Oberfläche zum Elektronentunneln verfügbar sind, darstellt.
    • 23 ist ein Diagramm, das mechanische Resonanzoszillatoren unter Verwendung von Nanodrähten, (a) die auf einer Seite verankert sind, und (b) auf beiden Seiten verankert sind, darstellt.
    • 24 umfasst (a) ein Diagramm einer elektrischen Kleinsignal-Ersatzschaltung eines nanomechanischen Resonators und (b) ein Diagramm von Rechenergebnissen für Eigenfrequenzen (1. und 2. Mode) von Nanodrähten, die auf einer Seite verankert sind und verschiedene Längen von 50 nm bis 1 µm und Dicken von 5 nm und 10 nm aufweisen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 25 umfasst (a) ein Diagramm einer Kleinsignal-Resonanzfrequenz (1. Mode) als Funktion der Polarisationsgleichspannung für Drähte, die auf einer Seite verankert sind (A-F) und auf beiden Seiten verankert sind (A-A), und (b) ein Diagramm des Frequenzgangs der Wechselstromamplitude für die A-A-Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 26 ist ein Diagramm, das darstellt, wie die Gatevorspannung eine Anziehungskraft zwischen dem Relais und der Gateelektrode einführt, die die Belastung des mechanischen Balken ändert und den Strom durch den Balken und die Source/Drain-Elektroden moduliert.
    • 27 ist ein Diagramm, das Situationen, in denen (Struktur A) Source/DrainElektroden unter Druckbelastung gebracht werden, der Balken „einknickt“, um die Belastung abzubauen, und wenn eine Spannung angelegt wird, der Balken sich geraderichtet und eine Druckbelastung aufweist, und in denen (Struktur B) Source/Drain-Elektroden unter Druckbelastung (aber nicht genügend Belastung zum Einknicken) gebracht werden, und wenn eine Spannung angelegt wird, sich der Balken geraderichtet und zeigt, dass die Belastung über dem Kanal verringert wird, darstellt.
    • 28 umfasst ein Diagramm, das eine Änderung des Widerstandes als Funktion der angelegten Gleichspannung eines 10 nm breiten und 5 nm dicken Silizium-Nanorelais für verschiedene Dotierung und Kristallorientierungen demonstriert, und ein Diagramm, das eine Änderung des Widerstandes als Funktion der Frequenz um die mechanische Resonanzfrequenz des Nanorelais demonstriert, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 29 stellt eine Rechenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mechanische Schaltvorrichtungen auf Nanodrahtbasis werden beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie z. B. spezifische Betriebsmodi von MEMS- oder nanoelektromechanischen Systemen, um für ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu sogen. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen wurden gut bekannte Merkmale wie z. B. Integrationsverarbeitungs-Herstellungsabläufe nicht im Einzelnen beschrieben, um die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unnötig unklar zu machen. Ferner sind selbstverständlich die verschiedenen Ausführungsformen, die in den Figuren gezeigt sind, erläuternde Darstellungen und sind nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf eine mechanische Schaltvorrichtung auf Nanodrahtbasis gerichtet. Die Anwendungen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf mikro/nano-elektromechanische Systeme, nichtflüchtige Speichervorrichtungen, Hochfrequenz-Oszillatoren, Relais und Schaltvorrichtungen.
  • Um einen Zusammenhang zu schaffen, wurden elektrostatisch betätigte mechanische Vorrichtungen und insbesondere Relais auf mehrere hundert Nanometer unter Verwendung von modernen Nanofertigungstechnologien verkleinert. Im Gegensatz zu früheren Methoden können sich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung von Relais, die in der vorherigen Forschung demonstriert sind, durch eines oder mehrere von Folgenden unterscheiden: (1) hier beschriebene Relais werden unter Verwendung eines Nanodraht-Herstellungsprozesses hergestellt, (2) hier beschriebene Relais sind mit der CMOS-Bearbeitung am vorderen Ende kompatibel, oder (3) die hier beschriebenen Relais werden unter Verwendung eines Verkappungs- und Passivierungsprozesses hergestellt, der eine fortgesetzte Bearbeitung am hinteren Ende nach der Relaisherstellung ermöglicht. Außerdem werden hier einzigartige Typen von Vorrichtungen und Anwendungen beschrieben.
  • Im Allgemeinen sind eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine nanomechanische Struktur (z. B. einen freistehenden Nanodraht) gerichtet, die durch elektrostatische Kräfte bewegt werden kann und mit einer leitfähigen Oberfläche in und außer Kontakt gebracht werden kann. Die Struktur kann unter Verwendung derselben Siliziumschichten hergestellt werden, die für die CMOS-Transistor-Kanalherstellung verwendet werden, was eine monolithische Integration ermöglicht. Eine solche nanomechanische Struktur oder solche nanomechanischen Vorrichtungen können Anwendungen erleichtern, einschließlich Relais (z. B. mechanische Ein-Aus-Schalter), nichtflüchtiger Speichervorrichtungen (NVM-Vorrichtungen) und Oszillatoren, in einer Weise, die mit aktuellen CMOS-Prozessen in hohem Volumen herstellbar ist. Allgemeine Vorteile von mechanischen Vorrichtungen gegenüber ähnlichen CMOS-Vorrichtungen können umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf einen signifikant niedrigeren Energieverlust aufgrund des Umschaltens des Zustandes der Vorrichtung und virtuell eine Ableitung von null im Aus-Zustand der Vorrichtung. Vorteile von mechanischen Vorrichtungen, die mit CMOS monolithisch integrierbar sind, wie hier beschrieben, können umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf die Verwendung der festgelegten CMOS-Herstellung mit hohem Volumen, um nanomechanische Vorrichtungen in großen Anordnungen mit kleinen Geometrien herzustellen, und Hybrid-CMOS/mechanische Vorrichtungen können konstruiert werden, die Energieverbrauchsvorteile schaffen können. Im Vergleich zur vorherigen Arbeit an mechanischen Relais können die hier beschriebenen Vorrichtungen Vorteile aufweisen wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf Kompatibilität mit der Halbleiterintegration am vorderen Ende, Vorrichtungsherstellung von einem Si- oder SiGe-Nanodrahtprozess, der eine nahtlose Integration mit CMOS-Vorrichtungen ermöglicht. Hinsichtlich der Skalierbarkeit werden, wenn Vorrichtungen sich dem Nanometergrößenbereich nähern, Haftkräfte signifikant und begrenzen die Skalierung der Betätigungsspannung. Unter Verwendung eines Halbleitermaterials, wie hier beschrieben, werden Haftkräfte, die in Metall-Metall-Übergängen vorhanden sind, minimiert. Eine oder mehrere Ausführungsformen umfassen eine Elektronentunnelvorrichtung und ein Relais im „zusammengebrochenen Modus“, die die Haftkräfte in der Konstruktion mildern. Anwendungen können umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf einzigartige Lösungen auf Relaisbasis, die für einen nichtflüchtigen Speicher, Oszillatoren für Schaltungsanwendungen und Hybrid-CMOS-mechanische Transistoren verwendet werden können. Außerdem werden in einer oder mehreren Ausführungsformen Relaistopologien für komplementäre Logikgatter beschrieben.
  • Insbesondere kann in einer Ausführungsform eine hier beschriebene Nanorelaisstruktur für CMOS-Leistungstorsteuerung, einen nichtflüchtigen Speicher und Oszillatoren anwendbar sein, ist jedoch nicht darauf begrenzt. Vorteile der Nanorelaisvorrichtung für jede Anwendung werden nachstehend genauer individuell im Einzelnen erläutert.
  • Hinsichtlich der Anwendung einer Nanorelaisstruktur für einen nichtflüchtigen Speicher wird in einer Ausführungsform die Nichtflüchtigkeit durch Codieren des Speichers als Position des mechanischen Elements und Ausnutzen der Grenzflächenhaftung und Arbeitsfunktionsdifferenz zwischen Oberflächen erreicht, die Speicherzustände ohne anhaltende Energieeingabe halten können. Methoden zum Erreichen des praktischen nichtflüchtigen Speichers umfassen in einer oder mehreren Ausführungsformen eine feinkörnige Integration mit einer CMOS-Lese- und Schreibschaltungsanordnung, die Herstellung von großen Anordnungen der Speichervorrichtungen, Sicherheitsvorteile für solche mechanischen Speichervorrichtungen gegenüber Speichervorrichtungen auf elektrischer Basis wie z. B. Flash oder Sicherungen. Im Gegensatz zu Speichern vom Sicherungstyp kann die mechanische Speichervorrichtung beispielsweise umprogrammiert werden (sie kann jedoch nicht umprogrammierbar gemacht werden).
  • Hinsichtlich der Anwendung einer Nanorelaisstruktur für Leistungstorsteuer-CMOS-Schaltungen können in einer Ausführungsform mechanische Schalter eine Verwendung mit geringerer Leistung verwenden, insbesondere in Anwendungen mit geringem Durchsatz. In einer solchen Ausführungsform werden nanomechanische Schalter als Leistungstorsteuervorrichtungen für CMOS-Schaltungen verwendet, die mit CMOS auf einer feinkörnigen Ebene integriert werden können, und führen zu einer verbesserten Energieeffizienz. Gemäß einer Ausführungsform wird ferner hier ein selbsttorsteuernder Transistor beschrieben, der ein CMOS-mechanischer Hybrid-Transistor ist, der physikalisch die Source vom Drain automatisch trennt (wobei eine Aus-Zustands-Ableitung unterdrückt wird). Die Vorrichtung „schläft“ automatisch, wenn sie nicht verwendet wird, was eine feinkörnige Leistungstorsteuerung, ohne Vorrichtungsfläche zu opfern, und das Entfernen der Komplexität der Entscheidung, wann die Leistung torzusteuern ist, ermöglicht.
  • Hinsichtlich der Anwendung einer Nanorelaisstruktur für Oszillatoren können in einer Ausführungsform zusätzlich zu statischen Schaltoperationen nanomechanische Strukturen Resonanzverhalten mit Wechselspannungseingaben zeigen, die für HF-Filter und Oszillatoren für mobile und SoC-Anwendungen verwendet werden könnten. Wenn eine Wechselspannung über einem Kondensator angelegt wird, wobei z. B. ein Nanodraht und Elektroden durch einen Luftspalt getrennt sind, wird ein Wechselstrom von Natur aus aufgrund der zeitlich veränderlichen Spannung induziert. Bei der Resonanzfrequenz des Nanodrahts kann der Wechselstrom eine große Verstärkung von der mechanischen Resonanz des Drahts zeigen, was zu einer zeitlich variierenden Kapazität und einer zusätzlichen Quelle für Wechselstrom führt. Die Vorteile der CMOS-kompatiblen nanomechanischen Oszillatoren können umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf monolithische HF-Komponenten auf dem Chip mit Integration am vorderen Ende und das Ermöglichen der Optimierung von Frequenzbereichen durch Einstellen von Gleichvorspannungsbedingungen sowie Vorrichtungsstrukturen, die elektrisch abstimmbare Resonatormittenfrequenzen ermöglichen. Außerdem können Vorrichtungen in großen Anordnungen hergestellt werden, um das Ausgangssignal zu verstärken und das Phasenrauschen und die Kanalselektivität zu verbessern. Andere Anwendungen umfassen im Fall von Resonatoren die Erfassung von Temperaturen auf dem Chip. In solchen Fällen verursachen Temperaturänderungen, dass die Resonanzfrequenz der Vorrichtung sich verschiebt, was gemessen werden kann. Ein Temperatursensor auf Relaisbasis ist gegenüber aktuellen Temperatursensoren auf dem Chip vorteilhaft, da eine solche Vorrichtung viel kleiner hergestellt werden kann.
  • Wie in Zusammenhang mit 1 nachstehend beschrieben, wird in einer Ausführungsform eine nanomechanische Vorrichtung auf einem Siliziumwafer hergestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Nanodraht, der mit einem Material an einem oder beiden Enden gekoppelt (befestigt) ist und in einem Leerraum aufgehängt ist. Der Leerraum kann ein Vakuum, mit einem Gas gefüllt oder mit einer Flüssigkeit gefüllt sein. Ein oder beide Enden des Nanodrahts sollen mit einem festen Material verbunden sein, das sein Ankerpunkt ist. Folglich kann ein Nanodraht mit einzelnem Anker oder ein Nanodraht mit doppeltem Anker hergestellt werden. Die Anker können aus einem leitfähigen Material bestehen, das einen elektrischen Pfad zum Nanodraht bildet. Die Anker können auch mehrere damit gekoppelte Nanodrähte aufweisen.
  • 1 stellt Draufsichten (a) eines Nanodraht-Relais 100A, das an einer Seite verankert ist, und (b) eines Nanodraht-Relais 100B, das auf beiden Seiten verankert ist, und Querschnittsansichten (c) einer ersten Herstellungsstufe 100C eines Nanodraht-Relais, das auf einer Seite verankert ist, und (d) einer zweiten Herstellungsstufe 100D eines Nanodraht-Relais, das auf einer Seite verankert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Mit Bezug auf 1 sind mit „IN“ bezeichnete Bereiche Isolatoren. Mit „M“ bezeichnete Bereiche sind Metall oder Halbleiter. Mit „GM“ bezeichnete Bereiche sind Metalle oder Halbleiter mit einer Isolatorschicht zwischen der Isolatorschicht und dem Nanodraht. Der mit „A“ bezeichnete Bereich ist ein Ankermaterial und kann ein leitfähiges oder ein Isolationsmaterial sein. Der „Leerraum“-Bereich enthält kein festes Material, sondern kann ein Gas, eine Flüssigkeit enthalten oder Vakuum sein. Die Vorrichtung kann in Bezug auf ein darunterliegendes Substrat parallel oder senkrecht zur Seite orientiert sein. Im Teil (c) von 1 ist ein Nanodraht-Relais als benachbart zu CMOS-Transistoren hergestellt gezeigt, wobei eine Dichtung anschließend ausgebildet wird (z. B. ist ein beispielhafter Prozess für die hermetische Abdichtung durch Kappenausbildung dargestellt). In einer solchen Ausführungsform kann die Abdichtung ein Verkappungsprozess sein, wobei ein Isolationsmaterial oder ein Metall mit schlechter Richtungsabhängigkeit abgeschieden wird. Das Metall füllt den Kanal und wird dann mit CMP planarisiert. Eine weitere Bearbeitung am hinteren Ende der Linie, wie z. B. Verbindungsausbildung, kann dann durchgeführt werden, wie in (d) von 1 dargestellt, z. B. durch Standard-CMOS-Bearbeitung am hinteren Ende. Selbstverständlich kann es nicht erforderlich sein, dass das Gate isoliert wird, wenn die Geometrie derart gewählt wird, dass das Relais nicht mit dem Gate kurschließt (z. B. für einen Oszillator oder ein Relais mit mechanischen Anschlägen). Alternativ kann anstatt, dass sich eine Isolation auf der Gateelektrode befindet, die Isolation sich auch auf dem Nanodraht befinden. Und es kann der Fall sein, dass keine Isolation erforderlich ist, wenn die Geometrien derart ausgewählt sind, dass das Relais mit dem Gate in der „Ein“-Position nicht in Kontakt kommt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 besteht in einer Ausführungsform der Nanodraht aus einem Halbleitermaterial oder einem Verbundstoff aus Halbleiter, Metall und/oder Isolator. Das Halbleitermaterial kann mit herkömmlichen MOS-Transistoren in anderen Bereichen eines darunter liegenden Wafers gemeinsam genutzt sein. In einer Ausführungsform können die Wände des Leerraums, in denen der Nanodraht eingeschlossen ist, in verschiedene Funktionsbereiche unterteilt sein. Die Bereiche können ein Metall oder einen Halbleiter (z. B. wahlweise mit einer Isolationsschicht zwischen dem Metall oder Halbleiter und dem Nanodraht) oder einen Isolator umfassen. Außerdem bilden in einer Ausführungsform die Wände des Leerraums einen rechteckigen Kasten und die Funktionsbereiche sind auf irgendeiner verfügbaren Seite des Kastens angeordnet. Selbstverständlich können die Auswahl und Verdrahtung der vorstehend beschriebenen Bereiche eine Funktionsvorrichtung wie z. B. einen Logikschalter, Leistungsschalter oder eine Speichervorrichtung schaffen, wie nachstehend genauer beschrieben.
  • In einer Ausführungsform wird mit erneutem Bezug auf 1, um den Leerraum zu erzeugen, ein Löseätzen typischerweise für solche nanomechanischen Vorrichtungen durchgeführt, wobei ein vorher abgeschiedenes Opfermaterial geätzt wird. Da der Nanodraht einkristallin sein kann, wird ein kompatibler Prozess für das Nanodrahtmaterial verwendet, wie z. B. ein Epitaxiewachstumsprozess. Hier kann die Nanodraht-Herstellung, die auf dem Fachgebiet für CMOS-Transistoren bekannt ist, erweitert werden, um nanomechanische Vorrichtungen auf Nanodrahtbasis herzustellen, und einen Bearbeitungspfad bieten, um mit jenen Transistoren für die Herstellung in hohen Volumina integrierbar zu werden. Diese Methode schafft ein einzigartiges Merkmal der in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Vorrichtungen, wobei ein feinkörniges Mischen von mechanischen und CMOS-Vorrichtungen erreicht werden kann. In einer Ausführungsform wird nach der Herstellung des Relais die Struktur passiviert, so dass der Luftspalt abgedichtet wird, wie in Zusammenhang mit dem Teil (c) von 1 beschrieben. Im Anschluss an eine solche Passivierung wird die Herstellung von Verbindungen unter Verwendung von Standard-CMOS-Bearbeitung am hinteren Ende fortgesetzt, wie in Zusammenhang mit dem Teil (d) von 1 beschrieben.
  • Insgesamt werden gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung elf beispielhafte nanomechanische Vorrichtungen nachstehend genauer beschrieben. Die Vorrichtungen umfassen einen mechanischen Logikschalter, einen Basislogikschalter, der die Kontaktelektroden- und Gategeometrie optimiert, einen mechanischen Logikschalter mit nicht-linearen Federn, Vorrichtungen für eine komplementäre Logik, ein Verriegelungs- und Löserelais, einen Hybrid-MOS-Relais-Transistor mit einer Trennungssource, ein Leistungstorsteuerrelais, eine nichtflüchtige Speichervorrichtung, ein Elektronentunnelrelais, einen mechanischen Resonanz-Oszillator und eine Strommodulation durch Piezowiderstandseigenschaften von Silizium.
  • In einem ersten Aspekt wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein mechanischer Logikschalter nachstehend in Zusammenhang mit 2 beschrieben, die Draufsichten (a) eines Nanodraht-Relais-Schalters 200A in der anfänglichen Aus-Position, (b) des Relais in der Ein-Position 200B und (c) des Relais in einer alternativen Aus-Position 200C darstellt. Mit Bezug auf 2 entspricht der Bereich GM dem Gate mit der Spannung Vg und weist eine elektrische Isolationsschicht, die das Gate überzieht, auf. Der Bereich M1 entspricht dem Ausgangsanschluss mit der Spannung Vout. Der Bereich M2 entspricht der Referenzspannung Vref, die mit dem Nanodraht elektrisch verbunden ist. In der Ein-Position weisen M1 und M2 eine elektrische Verbindung auf.
  • Um das Relais von der Aus-Position (2(a) oder 2(c)) in die Ein-Position (2(b)) umzuschalten, wird Vg derart festgelegt, dass die absolute Differenz zwischen Vg und Vref größer ist als eine gewisse Schwellenspannung. Eine elektrostatische Kraft wird zwischen dem Nanodraht und GM induziert, was bewirkt, dass sich der Nanodraht in Richtung dessen und M1 bewegt. Der Nanodraht kommt mit M1 in Kontakt, was einen elektrischen Pfad zwischen diesem und M2 erzeugt, was verursacht, dass Vout auf Vref geht. Dies ist der Ein-Zustand für den Schalter. GM und der Nanodraht weisen aufgrund einer Isolationsschicht keinen elektrischen Pfad auf.
  • Um das Relais von der Ein-Position (2(b)) in die Aus-Position (2(a) oder 2(c)) umzuschalten, wird Vg derart festgelegt, dass die absolute Differenz zwischen Vg und Vref unter einer gewissen Schwellenspannung liegt. Die elektrostatische Kraft zwischen GM und dem Nanodraht wird verringert, was bewirkt, dass sich der Nanodraht von M1 weg bewegt und es von M2 trennt. Dies ist der Aus-Zustand für den Schalter. In Abhängigkeit von Vg und den Hafteigenschaften des Isolators, mit dem der Nanodraht in Kontakt steht, kann der Nanodraht in den Aus-Zustand entweder in 2(a) oder 2(c) zurückkehren.
  • In einer Ausführungsform umfassen Vorteile der Vorrichtung von 2 im Vergleich zu einem CMOS-Transistor als Schalter, dass das Nanodrahtrelais eine niedrigere Schaltenergie, virtuell keinen Kriechstrom durch die Source- und Drainanschlüsse im Aus-Zustand und eine nahezu vertikale Strom-Spannungs-Beziehung beim Umschalten aufweist. Im Vergleich zu anderen vorherigen mechanischen Schaltern kann das Nanodrahtrelais monolithisch mit CMOS-Transistoren hergestellt werden, ist kleiner und schaltet schneller um, da es kleiner ist. Ein weiterer Vorteil gegenüber früheren Arbeiten ist die Möglichkeit, in einem „zusammengebrochenen“ Modus zu arbeiten, der der in 2(c) gezeigte alternative Aus-Zustand ist. Dieser Zustand wird durch Steuern der Hafteigenschaften der Nanodraht-Grenzfläche erreicht und ist vorteilhaft, da die Schaltzeit zwischen dem Aus- und Ein-Zustand verringert wird, was eine vorübergehende Leistung des Schalters verbessert.
  • Numerische Simulationen wurden entwickelt, um die Operation der nanomechanischen Vorrichtung zu testen, die die Brauchbarkeit der Vorrichtung von 2 angeben. Der simulierte Nanodraht ist 100 nm lang, 10 nm breit, 5 nm dick mit einem Elastizitätsmodul von 100 GPa, einem Spaltabstand im Aus-Zustand von 5 nm, einer Hamaker-Konstante von 10 zJ und einer realen Kontaktfläche von 1 nm2. Die nachstehend beschriebene 3 zeigt die I-V-Beziehung, wenn ein- und ausgeschaltet wird. 4, die auch nachstehend beschrieben wird, zeigt die Übergangsreaktion des Schalters, wenn von seinem Aus- auf seinen Ein-Zustand umgeschaltet wird. Die Stromwerte wurden unter Verwendung der WKB-Näherung für Quantentunneln und unter Verwendung einer dynamischen Mehrphysik-Finite-Elemente-Analyse des Nanodrahts bestimmt, der sich in Richtung einer Sourceelektrode bewegt, was die Position des Nanodrahts in Bezug auf den Sourceleiter gibt. 5, die nachstehend beschrieben wird, zeigt die Kraftbeziehungen als Funktion der Spalttrennabstände, was die Federkräfte im Draht (von der Basisbalkentheorie genommen), die elektrostatische Anziehkraft (als Satz von Kondensatoren mit parallelen Platten genähert) und die Grenzflächenhaftkraft (unter Verwendung der Hamaker-Theorie berechnet) zeigt.
  • 3 ist ein Diagramm 300 einer Simulation einer I-V-Beziehung für einen mechanischen Logik- oder Leistungsschalter, der mit einer Fläche von 1 nm2 einen Source-Drain-Kontakt herstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Diagramm 300 offenbart eine virtuell unendliche Steigung und einen vernachlässigbaren Aus-Zustands-Strom, die Verbesserungen gegenüber CMOS-Schaltern sind. Mit Bezug auf 2 entspricht Ids dem Strom zwischen M1 und M2 und Vgd ist die Spannungsdifferenz zwischen GM und M2. Eine Hysterese existiert aufgrund einer r2-Abhängigkeit der elektrostatischen Kraft sowie der Kontakthaftung. Die Stromübertragung liegt in diesem Fall am Tunneln und eine Barriere von 0,44 nm, 1 eV wird aufgrund der Passivierung der Atome in Kontakt angenommen.
  • 4 ist ein Diagramm 400, das das Übergangsverhalten eines nanomechanischen Schalters, der sich von seinem Aus-Zustand in seinen Ein-Zustand ändert, wobei eine Gatespannung zum Zeitpunkt = 0 angelegt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung demonstriert. Mit Bezug auf das Diagramm 400 sind Tunnelströme für zwei verschiedene Barrieren über eine Kontaktgrenzfläche von 1 nm2 gezeigt. Der minimale Abstand zwischen Source und Drain ist etwa 0,44 nm, was dem maximalen Ids entspricht. Vds = 1 V in diesem Diagramm. Schwankungen des Stroms liegen an kleinen Variationen der gesamten Kontaktfläche und des Trennabstandes, wenn das Relais umschaltet, was eine Funktion der mechanischen Position ist.
  • 5 ist ein Diagramm 500, das Kraftbeziehungen als Funktion des Trennabstandes eines Kontaktpunkts von 1 nm2 in einem mechanischen Schalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung demonstriert. Das Diagramm 500 zeigt die elektrostatische Kraft, die durch ein Gate (Felectrostatic) aufgebracht wird, die effektive Federkraft des Balkens (Ffeder) von seinen Aus- zu Ein- und Ein- zu Aus-Zuständen und die Kraft der Kontakthaftung (Fhaftung). Der entsprechende Schalter ist betriebsfähig, da die elektrostatische Kraft größer ist als die Federkraft, was ermöglicht, dass ein Anziehen stattfindet. Außerdem ist die Ein- zu Aus-Federkraft größer als die Haftkraft, was ermöglicht, dass ein Zurückziehen stattfindet. Die Betriebsspannung ist 1 V. Wenn der „zusammengebrochene“ Betrieb verwendet wird, wie in 2(c), dann kann die Ein- zu Aus-Federkraft niedriger sein als die Haftkraft beim Kontakt, was einen Betrieb bei niedrigerer Spannung ermöglicht.
  • In einem zweiten Aspekt wird ein mechanischer Logikschalter mit optimierter Kontaktelektrode und Gategeometrie beschrieben. 6 ist ein Diagramm 600, das offene und geschlossene Positionen für ein Relais mit einer Kontaktelektrode, die am Ende angeordnet ist, im Vergleich zu einem Relais, bei dem die Kontaktelektrode näher an der eingeklemmten Kante angeordnet ist, um die Federrückstellkraft zu verbessern, darstellt.
  • Mit Bezug auf 6 weist eine Relaisstruktur eine Gateelektrode und eine Kontaktelektrode auf. Die Gateelektrode betätigt mechanisch den Ausleger, so dass der Ausleger mit der Kontaktelektrode in Kontakt kommt und Strom durch die Source und den Drain leitet. Eine ausreichend hohe Federrückstellkraft ermöglicht, dass das Relais die Haftung überwindet und in seinen getrennten Aus-Zustand zurückkehrt. Die Kontaktelektrode kann strategisch angeordnet sein, um die Federrückstellkraft zu maximieren. Die Federrückstellkraft wird durch Finden der mechanischen Federkonstante des Auslegers und des Abstandes, um den der Ausleger aus seiner neutralen Position ausgelenkt wird, bestimmt. Ein Wert für die mechanische Federkonstante ist proportional zur dritten Potenz der effektiven Länge, so dass die Verkürzung der effektiven Länge die Federkonstante drastisch erhöht. Um die effektive Länge des Auslegers zu verkürzen, wird in einer Ausführungsform die Kontaktelektrode nicht am Ende des Auslegers angeordnet. Diese Methode hat einen zusätzlichen Vorteil der Zuordnung von Raum, damit die Gateelektrode weiter vom eingeklemmten Ende des Auslegers angeordnet wird, was die Wirksamkeit der elektrostatischen Betätigungskraft erhöht und die Betätigungsspannung senkt.
  • In einer Ausführungsform kann der Ausleger durch Optimieren des Kontaktelektrodenorts so ausgelegt sein, dass er nachgiebiger ist, während dieselbe Federrückstellkraft aufrechterhalten wird, um die Haftkräfte zu überwinden. Dabei ist es möglich, das Relais unter Verwendung einer niedrigeren Betriebsspannung zu betätigen. 7 umfasst (a) ein Diagramm 700A der Betätigungsspannung als Funktion des Kontaktelektrodenorts und (b) ein Diagramm 700B der Federrückstellkraft als Funktion des Kontaktelektrodenorts. Mit Bezug auf 7 verringert die strategische Anordnung der Kontaktelektrodenposition die Betätigungsspannung und erhöht die Federrückstellkraft. In einer Ausführungsform wird ein ähnliches Optimierungsschema für doppelt eingespannte Relais verwendet.
  • In einem dritten Aspekt wird ein mechanischer Logikschalter mit nicht-linearen Federn beschrieben. Als Beispiel umfasst 8 ein Diagramm 800 eines nicht-linearen Balkens mit mechanischem Anschlag und ein entsprechendes Diagramm 802, das eine Verbesserung der Federrückstellkraft ohne Erhöhung der Betätigungsspannung demonstriert,. In anderen Ausführungsformen kann das Konzept von nicht-linearen Federn auf andere Vorrichtungen als mechanische Logikschalter (z. B. Speichervorrichtungen, Leistungsschalter) erweitert werden.
  • Mit Bezug auf 8 führt die an ein Auslegersystem angelegte Spannung eine Anziehungskraft ein, die die Elektroden näher zueinander bringt. Die angelegte Spannung verlagert auch das mechanische System und führt eine Federrückstellkraft ein. Das System ist im Gleichgewicht, wenn die elektrostatische Kraft und die mechanische Rückstellkraft ausgeglichen sind. Die Spannung, bei der die elektrostatische Kraft größer ist als die mechanische Kraft für alle „Spalte“, ist als Anziehspannung bekannt. Unter einem herkömmlichen Relaissystem nimmt die elektrostatische Kraft proportional zum Kehrwert des Quadrats des Spaltabstandes zu, während die Federrückstellkraft proportional zum Spaltabstand zunimmt. Die Anziehspannung tritt auf, wenn der Spalt 2/3 des Abstandes des ursprünglichen Spalts ist. Bei allen Elektrodenabständen, die kleiner sind als dies, ist die elektrostatische Kraft größer als die mechanische Rückstellkraft.
  • Nicht-lineare Federn ähneln einer linearen Feder bis zum Spaltabstand, wo das Anziehen stattfindet. Folglich hat sich die Anziehspannung nicht geändert. In Abständen nach dem Anziehen nimmt jedoch die Federrückstellkraft nicht-linear zu, so dass beim Kontakt die mechanische Federrückstellkraft größer ist als jene eines linearen Systems. Nicht-lineare Federn können durch eine Vielfalt von Systemen konstruiert werden, einschließlich der Einführung von einem oder mehreren mechanischen Anschlägen, so dass, wenn der Ausleger auf den mechanischen Anschlag trifft, die effektive Auslegerlänge verkürzt wird und die effektive Federkonstante zunimmt. Obwohl diese Geometrie eine andere Oberfläche einführt, wo die Haftung überwunden werden muss, wird in einer Ausführungsform der mechanische Anschlag näher am eingespannten Ende des Auslegers angeordnet, so dass die effektive Balkenlänge kürzer ist und die mechanische Rückstellkraft größer ist.
  • In einer Ausführungsform besteht ein zusätzlicher Vorteil für die in Zusammenhang mit 8 beschriebene Geometrie darin, dass die Anforderungen des elektrischen Kontakts von jenen eines mechanischen Kontakts getrennt sind. In einer herkömmlichen Ausleger-Relais-Geometrie sollte die elektrische Kontaktoberfläche maximiert werden, um den Kontaktwiderstand zu minimieren. Das Maximieren der elektrischen Kontaktfläche erhöht jedoch auch die Haftkräfte, die unerwünscht sind. Ferner weisen die Metall-Metall-Kontakte, die erwünschte elektrische Eigenschaften aufweisen, auch hohe Haftkräfte auf. Mit der nicht-linearen Federgeometrie könnendie mechanische Kontaktgeometrie und das Material optimiert werden, um die Haftkräfte zu minimieren, und der effektive Rückstellpunkt am elektrischen Kontakt ist viel höher als jener einer herkömmlichen Geometrie.
  • 9 ist ein Diagramm 900, das einen Vergleich (a) eines Auslegers ohne mechanischen Anschlag und (b) eines Auslegers mit einem mechanischen Anschlagdarstellt. Mit Bezug auf 9 ist ein Vorteil von der Verwendung des mechanischen Anschlags, um die Hafteigenschaften des mechanischen Höckers zu optimieren, während eine große elektrische Kontaktfläche ermöglicht wird, dargestellt.
  • Simulationen eines typischen Nanorelaissystems sind in 10 gezeigt, die ein Diagramm 1000 umfasst, das Analyseergebnisse für die Federgeometrie mit mechanischem Höckerzeigt. Der Auslegerbalken weist eine Länge von 300 nm, eine Breite von 10 nm und eine Höhe von 10 nm auf. Mechanische Anschläge sind 100 nm, 150 nm, 170 nm und 200 nm von der eingespannten Kante des Auslegers und 5 nm unter der neutralen Ebene des Auslegers angeordnet. Analyseergebnisse zeigen, dass für die Anordnungen der mechanischen Anschläge in 150 nm und 170 nm die Rückstellkraft erhöht wird, ohne die Anziehspannung zu erhöhen.
  • Das vorstehend beschriebene Konzept kann ebenso für doppelt eingespannte Ausleger (auch als Brücken bekannt) implementiert werden. Ferner können mehrere mechanische Höcker verwendet werden, um die Geometrie weiter zu optimieren. Als Beispiel ist 11 ein Diagramm 1100, das mögliche geometrische Variationen von nicht-linearen Federn unter Verwendung von mechanischen Höckerndarstellt.
  • In einem vierten Aspekt werden eine Vorrichtung oder Vorrichtungen für eine komplementäre Logik beschrieben. Zum Vergleich zeigt 6 den Betrieb eines komplementären Inverters unter Verwendung von zwei Nanodraht-Relais von 2, die als P-Relais und N-Relais bezeichnet sind. Alle Gates der zwei Relais (M3 und M4) sind elektrisch verbunden und ist der Eingang des Inverters, der als Vin1 bezeichnet ist. Die Relais stellen einen Kontakt mit M5 her, das der Ausgang des Inverters ist und mit Vout bezeichnet ist. Das „P“-Relais (M2) ist mit der Ein-Zustands-Referenzspannung verbunden und das „N“-Relais (M1) ist mit der Aus-Zustands-Referenzspannung verbunden. Der physikalische Betrieb jedes Relais ist ähnlich zu dem einfachen Relaisschalter in 2. 12 ist ein Diagramm 1200, das einen komplementären Relais-Inverter, wobei (a) der Eingang aus ist und der Ausgang ein ist, und (b) der Eingang ein ist und der Ausgang aus ist,darstellt.
  • Mit Bezug auf 12(a) bewirkt ein Eingang mit der Aus-Zustands-Spannung, dass das P-Relais einschaltet (Verbinden des Ausgangs M5 mit M2) und das N-Relais ausschaltet, was zu einem Ausgang mit der Ein-Zustands-Spannung (invertiert vom Eingang) führt. In Fig. (12b) gezeigt bewirkt ein Eingang mit der Ein-Zustands-Spannung, dass das N-Relais einschaltet (Verbinden des Ausgangs M5 mit M1) und das P-Relais ausschaltet, was zu einem Ausgang mit der Aus-Zustands-Spannung (vom Eingang invertiert) führt. Die Aus-Zustände, die in 12 gezeigt sind, entsprechen dem Aus-Zustand in 2(c), es kann jedoch auch der Aus-Zustand in 2(a) sein.
  • In einer Ausführungsform ermöglichen Vorteile des Obigen mit dem Schaffen einer komplementären Anordnung für einen Inverter, dass der Ausgang der Vorrichtung immer definiert ist, ohne ihn mit einer Widerstandslast mit einem Referenzpotential zu verbinden, das ansonsten eine Quelle für Energieverlust wäre. Das Verhalten ist ähnlich zu einem typischen CMOS-Inverter über einen einfachen Nur-n-Typ- oder Nur-p-Typ-MOS-Inverter. Außerdem ist es in einer Ausführungsform möglich, komplementäre NICHT-UND-, NICHT-ODER- und Exklusiv-NICHT-ODER-Logikgatter mit nur zwei Relais unter Verwendung von Strukturen herzustellen, die mehrere Gates pro Relais enthalten. Als Beispiel ist 13 ein Diagramm 1300, das (a) NICHT-ODER-, (b) NICHT-UND- und (c) Exklusiv-NICHT-ODER-Relais einer komplementären Logik unter Verwendung von mehreren Gates (Eingang) pro Relaisdarstellt.
  • Mit Bezug auf 13 ist die Komplexität im Vergleich zur herkömmlichen CMOS-Logik verringert. Die Konstruktion verwendet unterschiedlich bemessene Balken, so dass sie ein oder mehrere Gates nehmen kann, um das Relais anzuziehen. Bei dem NICHT-ODER-Logik-Relais weist beispielsweise das Relais, das mit VDD verbunden ist, eine große Federkonstante auf (ist steif), so dass eine Potentialdifferenz von sowohl Vin1 als auch Vin2 zum Einrücken erforderlich ist, während das mit GND verbundene Relais eine kleine Federkonstante aufweist (nachgiebig ist), so dass es bei entweder Vin1 oder Vin2 einrücken kann. Daher ist der Ausgang mit VDD nur verbunden, wenn Vin1 = 0 und Vin2 = 0. Für andere Szenarios ist der Ausgang mit GND verbunden. Ähnliche Methoden werden für NICHT-UND und Exklusiv-NICHT-ODER verwendet. Das Konzept der Verwendung von mehreren Gates pro Relais kann in einer Ausführungsform auf drei oder mehr Eingänge durch Anordnen aller Eingänge unter dem Balken und auch eine nicht invertierende Logik (UND, ODER, Exklusiv-ODER) erweitert werden.
  • In einem fünften Aspekt wird ein Verriegelungs- und Löserelais beschrieben. Als Beispiel ist 14 ein Diagramm 1400, das den Vorteil der Verwendung von gespeicherter Energie in einem Balken in einem Verriegelungs- und Lösemechanismus, um die Betätigungsspannung und Schaltenergie zu verringern, darstellt. 15 ist ein Zeitablaufdiagramm 1500 und ein entsprechendes Diagramm 1502 eines Verriegelungs- und Löserelais.
  • Mit Bezug auf 14 und 15 kann die Verriegelungs- und Löserelais-Struktur einen einzeln oder doppelt eingespannten freitragenden Balken mit zwei Gates umfassen, die das Relais in entgegengesetzten Richtungen betätigen. Die Struktur umfasst auch einen oberen und einen unteren Kontakt, so dass ein Strompfad hergestellt wird, wenn der Balken einen Kontakt berührt. Wenn ein mechanisches Relais betätigt wird, wird Energie als potentielle Energie im Balken gespeichert. In einer typischen Relaiskonfiguration wird die gespeicherte Energie verbraucht, wenn das Relais umschaltet, so dass die Relaisschaltenergie als im Balken gespeicherte Energie berechnet wird. In einer Ausführungsform kann jedoch die Doppel-Gate-Relaisstruktur das meiste dieser Energie wiederverwenden. Wenn der Balken von einem Kontakt gelöst wird, wird die gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, die hilft, den Balken näher an den gegenüberliegenden Kontakt zu bringen und die Schaltenergie und Betätigungsspannung der Struktur signifikant zu verringern. Mechanische Strukturen weisen typischerweise Gütefaktoren auf, die 100 überschreiten, was bedeutet, dass weniger als 1 Prozent der Energie pro Oszillation verbraucht wird, und folglich kann die Mehrheit der gespeicherten Energie des Relais wiederverwendet werden. Wenn ein mechanisches Relais betätigt wird, erlangt es selbstverständlich kinetische Energie aufgrund seiner Bewegung. In einer typischen Relaiskonfiguration wird diese kinetische Energie verbraucht, wenn das Relais umschaltet, und ist eine Komponente seines Schaltenergieverlusts. Die elastische potentielle Energie der Feder im Relais geht in einem Schaltzyklus nicht unbedingt „verloren“, es ist die kinetische Energie, die verloren geht. Die andere Komponente der Schaltenergie eines Relais ist die kapazitive Energie vom Aufladen, die in einem Schaltzyklus verloren geht.
  • Die zugehörigen Betätigungsspannungen und Energien, um den Balken im anfänglichen Zustand vorzusehen, sind höher als die anschließenden Löse- und Verriegelungsoperationen. In einer Ausführungsform erfordern jedoch anschließende Betätigungen eine viel niedrigere Spannung. Das Verringern der Betätigungsspannung kann helfen, die „Hafteigenschaften“ zu umgehen, die nanomechanischen Relais innewohnen, da Federn so ausgelegt sein können, dass sie steifer sind, um eine ausreichende Federrückstellkraft aufzuweisen, und dennoch eine Betätigung mit niedriger Spannung für anschließende Betätigungen aufweisen. Das Verriegelungs- und Löserelais kann in einem Inverter oder einer Logikgattervorrichtung verwendet werden. Die Betätigung mit niedrigerer Spannung kann die Vorrichtung mit CMOS-Prozessen am vorderen Ende kompatibler machen.
  • Für eine weitere Demonstration ist 16 ein Diagramm 1600, das die Verringerung der Betätigungsspannung von der Verriegelungs- und Lösestrategie für einen einzeln eingespannten freitragenden Balkenabschätzt. V1 ist die Spannung, die für die anfängliche Betätigung (und anschließende Betätigung, wenn der Verriegelungs- und Lösemechanismus nicht verwendet wird) erforderlich ist, und V2 ist die verringerte Spannung, die erforderlich ist, um den Balken zu „verriegeln“.
  • In einem sechsten Aspekt wird ein Hybrid-MOS-Relais-Transistor mit Trennungssource beschrieben. Als Beispiel ist 17 ein Diagramm 1700, das einen Hybrid-MOS-Relais-Transistor (a) im deaktivierten Zustand, (b), wenn das MOS-Gate aktiviert wird und sich ein Inversionskanal bildet, und (c) wenn der Nanodraht mit der Source in Kontakt steht, was den Transistor aktiviert, darstellt.
  • Mit Bezug auf 17 ist ein Hybrid-MOS-Relais gezeigt, wobei ein herkömmliches MOS-Gate (mit der Spannung Vg) und ein Drain (mit der Spannung Vd) im Ankerbereich für den Nanodraht angeordnet sind. Das MOS-Gate und der Drain können sich um den Nanodraht winden. In einer Ausführungsform ist der Nanodraht ein dotierter Halbleiter mit einer entgegengesetzten Dotierung im Bereich unter dem MOS-Gate (eine Dotierung vom p-Typ ist in 17 gezeigt). Die Source des Transistors ist nicht mit dem Nanodraht im anfänglichen Aus-Zustand verbunden. Das Relaisgate (mit der Spannung Vr) ist mit einer Referenzspannung verbunden. In einer Ausführungsform ist jedoch das Relaisgate optional und kann durch einen größeren Sourcebereich ersetzt werden.
  • Mit erneutem Bezug auf 17 wird, um den Nanodraht mit der Source zu verbinden, was den Transistor aktiviert, Vd auf die Referenzdrainspannung gesetzt und Vr wird auf eine Referenzspannung gesetzt, die anders ist als Vd, wie z. B. die Massespannung. Vg wird derart festgelegt, dass sich eine Inversionsschicht im Nanodraht unter dem MOS-Gate bildet, wie in 7(b) gezeigt. Diese Anordnung verursacht, dass sich eine Potentialdifferenz zwischen dem Relaisgate und der Source zum Nanodraht bildet. Der Nanodraht bewegt sich in Richtung der Source und kontaktiert die Source, wie in 17(c) gezeigt. Der Kontakt erzeugt einen Leitungspfad von der Source zum Drain. Das MOS-Gate kann dann als typisches Transistorgate fungieren. Wenn jedoch die Inversionsschicht zu lange entfernt wird, trennt sich der Nanodraht von der Source. Da das elektrische Umschalten viel schneller stattfinden kann als eine mechanische Bewegung, bleibt in einer Ausführungsform der Nanodraht mit der Source verbunden, vorausgesetzt, dass die Inversionsschicht über einem kritischen Tastverhältnis über die Zeit existiert.
  • Um den Nanodraht von der Source zu trennen, was den Transistor deaktiviert, wird Vg derart geändert, dass die darunter liegende Inversionsschicht im Nanodraht für eine ausreichend lange Zeitdauer entfernt wird. Dies verursacht, dass das Potential des Nanodrahts sich in Richtung des Potentials der Source oder des Relaisgates bewegt, falls vorhanden. Da die Potentialdifferenz verringert oder entfernt wird, wird die Kraft, die den Nanodraht abstützt, verringert oder entfernt. Folglich bewegt sich der Nanodraht von der Source weg, was ihn davon trennt, und kehrt in seine anfängliche Position in 17(a) zurück. An diesem Punkt besteht kein Leitungspfad von der Source zum Drain.
  • In einer Ausführungsform umfassen Vorteile im Vergleich zu typischen CMOS-Transistoren, dass ein solcher Hybrid-Transistor einen Aus-Zustands-Strom von virtuell null von der Source zum Drain aufweist, da das leitfähige Element (z. B. der Nanodraht) sich physikalisch von der Source trennt. Im Vergleich zu einem mechanischen Schalter (z. B. wie in 2) schaltet der Hybrid-Transistor schneller aufgrund des Schaltmechanismus, der von der Änderung von Elektronenenergieniveaus im MOS-Transistor stammt, was ein relativ schneller Prozess ist.
  • In einem siebten Aspekt werden Leistungstorsteuer-MOS-Transistoren mit einem Nanodraht-Relais beschrieben. Als Beispiel ist 18 ein Schaltplan 1800 eines Relais, das die Leistung für zwei CMOS-Inverter steuert.
  • Mit Bezug auf 18 ist eine mögliche Schaltung, in der ein Nanodraht-Relais von 2 Leistung für zwei CMOS-Inverter (INV1 und INV2) torsteuert, gezeigt. Selbstverständlich können jedoch irgendein Typ und beliebige Zahlen von Schaltungen verwendet werden (z. B. wenn das Relais ausreichend Strom führen kann). RG, RD und RS am Nanodraht-Relais entsprechen in 2 dem Gate, Anschluss 1 bzw. Anschluss 2. Vcc ist eine Versorgungsspannung. Wenn das Relais aus ist, wird keine Leistung zu den MOS-Transistoren geliefert. Wenn das Relais ein ist, wird Leistung zu den MOS-Transistoren geliefert und die Vorrichtungen arbeiten wie typische CMOS-Inverter. Der Nanodraht im Relais kann in einer Ausführungsform aus demselben Halbleitermaterial wie die MOS-Transistoren hergestellt sein.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Vorteil die Verwendung eines Nanodraht-Relais anstelle eines MOS-Transistors, um die Leistung für MOS-Schaltungen torzusteuern, um eine geringere Energienutzung zu ermöglichen. Weniger Energie wird verwendet, da ein Relais eine kleinere Schaltenergie aufweist als ein MOS-Torsteuertransistor und keinen Strom von seinen Anschlüssen ableitet, wenn es sich im Aus-Zustand befindet. Die geringere Energienutzung führt auch zu einem thermisch kühleren Schalter. Außerdem kann eine feinkörnige Leistungstorsteuerung mit einem solchen Nanodraht-Relais erreicht werden, da der Herstellungsprozess zu den MOS-Transistoren ähnlich ist und das Hauptelement das primäre Halbleitermaterial, das in MOS-Vorrichtungen verwendet wird, sein kann.
  • In einem achten Aspekt wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine nichtflüchtige nanomechanische Speichervorrichtung beschrieben. Als Beispiel ist 19 ein Diagramm 1900, das eine mechanische NVM-Vorrichtung in (a) einem anfänglichen Aus-Zustand der Speicherzelle, (b) dem Ein-Zustand, in dem die Bitleitung mit der Referenz verbunden ist, und (c) einem alternativen Aus-Zustand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Mit Bezug auf 19 ist ein Nanodraht-Relais, das als nichtflüchtige Speichervorrichtung (NVM-Vorrichtung) arbeitet, gezeigt. M1 ist die Bitleitung mit der Spannung Vout. Dies ist der Bitzustand der Speicherzelle. M2 ist mit einer Ein-Zustands-Referenzspannung Vref verbunden. GM1 ist die Schreibleitung und GM2 ist die Löschleitung. Um den Bitzustand der Speicherzelle auf ein zu setzen, wird die Schreibleitung verwendet, um eine Spannung an GM1 anzulegen, was eine Spannungsdifferenz zwischen GM1 und M2 erzeugt. Der Nanodraht bewegt sich in Richtung von GM1 und kontaktiert M1, was M1 mit M2 verbindet, wie in 9(b) gezeigt. Die Spannung an M1 ist nun Vref und der Bitzustand ist ein. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen GM1 und M2 entfernt wird, z. B. wenn die Leistung für die Vorrichtung verloren geht, bleibt der Nanodraht an M1 aufgrund der konstruierten Grenzflächenhaftung stecken. Folglich ist der Zustand nichtflüchtig.
  • Um den Bitzustand der Speicherzelle auf aus zu setzen, wird die Löschleitung verwendet, um eine Spannung an GM2 anzulegen, was eine Spannungsdifferenz zwischen GM2 und M2 erzeugt. Der Nanodraht bewegt sich in Richtung von GM2, was ihn von M1 trennt, wie in 19(c) gezeigt. Da M1 nicht mehr mit M2 verbunden ist, ist der Bitzustand aus. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen GM2 und M2 entfernt wird, z. B. wenn die Leistung für die Vorrichtung verloren geht, kann der Nanodraht mit der GM2-Seite aufgrund der Grenzflächenhaftung verbunden bleiben oder er kann in den Zustand in 19(a) zurückkehren in Abhängigkeit von den Vorrichtungsparametern. In jedem Fall weisen M1 und M2 keinen leitfähigen Pfad auf und die Bitzelle bleibt im Aus-Zustand. Folglich ist der Zustand nichtflüchtig.
  • Die Vorrichtung in 19 ist mit zwei möglichen Zuständen gezeigt. Selbstverständlich können jedoch mehr Zustände existieren, wenn zusätzliche Bitleitungen und Schreibleitungen vorhanden sind, die den Nanodraht umgeben. Als Beispiel können in einer Ausführungsform vier Speicherzustände erreicht werden, wenn zusätzliche Bit- und Schreibleitungen in einer Perspektive hinter der Seite und über der Seite enthalten sind. Außerdem kann die Vorrichtung mit einer CMOS-Schaltungsanordnung zum Vorsehen von Lese- und Schreibfähigkeiten gekoppelt sein, und kann aufgrund des ähnlichen Herstellungsprozesses eng integriert sein. Vorteile umfassen in einer Ausführungsform die Herstellung einer NVM-Relaisvorrichtung mit einem Sicherheitsvorteil, dass sie keine elektrische Ladung pro Bitzustand hält. Dies verhindert, dass invasive Nachkonstruktionsverfahren wie z. B. passiver SEM-Spannungskontrast den Zustand lesen.
  • In einem neunten Aspekt wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Elektronentunnelrelais beschrieben. Als Beispiel ist 20 ein Diagramm 2000, das mehrere Elektronentunnelrelais-Geometrien, wobei der linke Abschnitt des Diagramms den Aus-Zustand des Relais darstellt und der rechte Abschnitt des Diagramms den Ein-Zustand des Relais darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Relais-Betätigungsspannungen sind unter der Gateelektrode für jedes Diagramm angegeben.
  • Mit Bezug auf 19 machen Oberflächenhaftkräfte zwischen elektrischen Kontakten das Schalten für Relaisstrukturen schwieriger. Um dieses Problem zu mildern, kann die Relaisgeometrie derart ausgelegt sein, dass ein oder mehrere Balken nahe genug kommen, um die Stromleitung durch Elektronentunneln zu ermöglichen, aber noch weit genug weg sind, um die Oberflächenhaftkräfte zu minimieren. Das Elektronentunneln ermöglicht, dass Elektronen durch eine endliche Potentialbarriere (wie z. B. Luft) ohne physikalischen Kontakt zwischen zwei Elektroden hindurchtreten. Da der Balken die Oberflächenhaftkräfte nicht überwinden muss, um die Struktur zu lösen, können diese Strukturen mit nachgiebigen Federn und einer niedrigen Betätigungsspannung ausgelegt sein. Die Betätigungsspannung wird weiter verringert, da die Relais keine große mechanische Verlagerung zum Einschalten wie bei einem typischen Relaismechanismus benötigen.
  • 21 ist ein normiertes Diagramm 2100 von Haftkräften und des Relaisstroms als Funktion des Abstandes des Tunnelübergangs auf der Basis des enthaltenen Relaisdiagramms 2102. Ein Konstruktionspunkt existiert, wo die Haftkräfte verringert werden können, während ähnliche Ströme durch das Relais aufrechterhalten werden. 22 ist ein Diagramm 2200, das verschiedene Übergangsgeometrien, die zum Vergrößern der Oberfläche für das Elektronentunneln verfügbar sind darstellt.
  • Mit Bezug auf 21 sind eine Simulation und ein Modell eines Relais mit einem Tunnelübergang gezeigt. Der Widerstand durch das Relais ist die Summe des Widerstandes durch den Balken und des Widerstandes durch den Tunnelübergang. In kurzen Abständen, wo das Elektronentunneln wahrscheinlich ist, werden die Relaiswiderstände durch den Widerstand durch den Balken dominiert, wohingegen für lange Abstände der Elektronentunnelwiderstand dominant ist. 21 beschreibt auch Van-der-Waals-Haftkräfte als Funktion des Spaltabstandes. In einer Ausführungsform existiert ein Konstruktionspunkt, an dem die Haftkräfte signifikant verringert werden können, ohne sich auf den Widerstand durch das Relais auszuwirken. Verschiedene Relaiskontaktstrukturen können auch verwendet werden, um die Oberfläche des Tunnelübergangs zu vergrößern, wie in 22 gezeigt.
  • In einem zehnten Aspekt wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein mechanischer Resonanz-Oszillator beschrieben. Als Beispiel ist 23 ein Diagramm 2300, das mechanische Resonanz-Oszillatoren unter Verwendung von Nanodrähten, die (a) auf einer Seite verankert sind, und (b) auf beiden Seiten verankert sind darstellt. Eine kleine Wechselspannungseingabe wird an eine Polarisationsgleichvorspannung angelegt, die kleiner ist als die Anziehspannung. Bei der Resonanzfrequenz kann ein größerer Reaktanzstrom zwischen dem Nanodraht und dem Gate aufgrund der mechanischen Resonanz des Drahts induziert werden (als Pfeile dargestellt).
  • Mit Bezug auf 23 ist dann eine andere mögliche Anwendung der nanomechanischen Struktur als HF-Resonator gezeigt. Eine Polarisationsgleichspannung, die kleiner ist als die Anziehspannung, wird über dem Gate (GM) und dem Nanodraht angelegt, so dass der Draht um ein kleines Ausmaß ausgelenkt wird. Das Ausmaß, um das sich der Nanodraht auslenkt, ist klein, so dass er nicht mit dem Gate in Kontakt kommt (der Isolator auf dem Gate ist nicht streng erforderlich). Auf die Gleichspannung wird eine kleine Wechselspannung überlagert, die angelegt wird, um die mechanischen Resonanzmoden des Nanodrahts anzuregen. Bei der Resonanzfrequenz kann zusätzlich zum innewohnenden Wechselstrom über dem Kondensator aufgrund der zeitlich variierenden Spannung ein größerer reaktiver Strom aufgrund der Resonanzbewegung des Nanodrahts induziert werden, was zu einer zeitlich veränderlichen Reaktanz führt.
  • 24 umfasst (a) ein Diagramm 2400 einer elektrischen Kleinsignal-Ersatzschaltung eines nanomechanischen Resonators und (b) ein Diagramm 2402 von Rechenergebnissen für die Eigenfrequenzen (1. und 2. Mode) von Nanodrähten, die auf einer Seite verankert sind und verschiedene Längen von 50 nm bis 1 µm und Dicken von 5 nm und 10 nm aufweisen.
  • Mit Bezug auf 24(a) ist die elektrische Ersatzschaltung des nanomechanischen Resonators gezeigt. Für eine Wechselspannung v(t), wobei t die Zeit ist, besteht zusätzlich zum normalen Strompfad durch den statischen Kondensator C0 ein paralleler Strompfad durch die Resonanzschaltung mit Induktivität, Kapazität und Widerstand von Lm, cm bzw. Rm. Der tiefgestellte Index m bedeutet, dass sie von der mechanischen Bewegung des Nanodrahts stammen. In der Kleinsignalgrenze gilt Lm=M/η2 und cm=η2/K, wobei M und K die Masse bzw. die effektive Federkonstante des Balkens sind. Das η ist der elektromechanische Transduktionsfaktor, der als η = εAVp/g2 definiert ist, wobei ε die Permittivität ist, A die Kondensatorfläche ist, Vp die Polarisationsgleichspannung ist und g die Spaltdicke ist. Die Eigenfrequenz des Nanodrahts wird als 1 / 2 π L m C m
    Figure DE112013006479B4_0001
    ausgedrückt. Es ist zu beachten, dass der Widerstand von der Dämpfung kommt, wie R m = K M / Q η 2 ,
    Figure DE112013006479B4_0002
    wobei Q der Gütefaktor ist. Für einen rechteckigen Draht mit einer Dicke a, einer Breite b und einer Länge L gilt M= ρabL wobei ρ die Massendichte ist, und die klassische Balkentheorie K = Eba3an 4/12L3 ergibt, wobei E der Elastizitätsmodul ist und an die n-te Wellenzahl ist.
  • Die Betriebsfrequenz kann durch Ändern der Vorrichtungsstruktur, der Drahtabmessungen und der Gleichvorspannung eingestellt werden. Für dieselben Nanodrahtabmessungen zeigen die Resonatoren, die auf einer Seite verankert sind (siehe 23(a)), niedrigere Anziehspannungen und Resonanzfrequenzen als diejenigen, die auf beiden Seiten verankert sind (siehe 23(b)).Die Resonanzfrequenz wird auch durch die Polarisationsgleichspannung moduliert, da die Form und die effektive Steifigkeit sich ändern, wenn der Nanodraht ausgelenkt wird. Dies ermöglicht elektrisch abstimmbare Resonatormittenfrequenzen. Die Resonanzfrequenz hängt auch kritisch von den physikalischen Abmessungen des Balkens wie z. B. der Länge und Dicke ab. 24(b) zeigt Rechenergebnisse für die 1. und 2. Eigenfrequenzen von Nanodrähten, die auf einer Seite verankert sind und verschiedene Längen und Dicken aufweisen. Alle anderen Nanodraht-Parameter sind dieselben wie jene in 3. Es ist zu beachten, dass die Eigenfrequenz zunimmt, wenn die Länge abnimmt und die Dicke zunimmt.
  • In einer Ausführungsform umfassen die Vorteile des nanomechanischen Oszillators, sind jedoch nicht begrenzt auf die Fähigkeit, mit CMOS integriert zu werden, so dass monolithische HF-Filter- und Oszillatorkomponenten auf dem Chip. Die Betriebsfrequenz kann durch Ändern der Balkenabmessungen und Verankerungsbedingungen über einen breiten Bereich gewählt werden und kann ferner durch Gleichvorspannungsbedingungen eingestellt werden. Der CMOS-kompatible Prozess mit hohem Volumen ermöglicht auch die Implementierung einer großen Anordnung der Resonanzvorrichtungen, so dass er das Ausgangssignal verstärken kann.
  • 25 umfasst (a) ein Diagramm 2500 einer Kleinsignal-Resonanzfrequenz (1. Mode) als Funktion der Polarisationsgleichspannung für Drähte, die auf einer Seite verankert sind (A-F) und auf beiden Seiten verankert sind (A-A), und (b) ein Diagramm 2502 des Frequenzgangs der Wechselstromamplitude für die A-A-Struktur. Die A-A-Struktur zeigt eine höhere Anziehspannung (einen größeren Bereich einer Gleichvorspannung) und Resonanzfrequenz. In beiden Fällen nimmt die Resonanzfrequenz ab, wenn die Gleichvorspannung zunimmt. Nahe der Resonanzfrequenz zeigt die Wechselstromamplitude eine große Spitze aufgrund der mechanischen Resonanz des Drahts und die Reaktion nimmt mit zunehmendem Q zu.
  • Mit Bezug auf 25 sind dann numerische Simulationsergebnisse für die nanomechanischen Resonatoren gezeigt. Die Drahtabmessungen und der Modul sind dieselben wie jene in den in Zusammenhang mit der Vorrichtung von 2 beschriebenen Simulationen. In 25(a) ist die Resonanzfrequenz (1. Mode) als Funktion der Polarisationsgleichspannung für die zwei Fälle gezeigt, Drähte, die auf einer Seite verankert sind (verankert-frei „A-F“) und auf beiden Seiten verankert sind (verankert-verankert „A-A“). Die Anziehspannung und die Resonanzfrequenz sind in A-A höher als in A-F. In beiden Fällen nimmt die Resonanzfrequenz ab, wenn die Gleichvorspannung zunimmt. 25(b) zeigt den Frequenzgang der Wechselstromamplitude für die A-A-Struktur mit Vp=1 V und eine Wechselspannung mit der Amplitude vac=20 mV. Die Reaktion wird mit C0 dv/dt verglichen, was den Wechselstrom darstellt, der durch einen statischen Kondensator mit parallelen Platten für dieselbe Wechselspannungseingabe fließt. Nahe der Resonanzfrequenz (ungefähr 3,37 GHz) zeigt der Resonator einen großen Wechselstrom zusätzlich zum Hintergrundstrom aufgrund der mechanischen Resonanz des Drahts und die Reaktion nimmt zu, wenn Q zunimmt.
  • In einem elften Aspekt wird die Strommodulation durch Piezowiderstandseigenschaften von Silizium beschrieben. Als Beispiel ist 26 ein Diagramm 2600, dasdarstellt, wie die Gatevorspannung eine Anziehungskraft zwischen dem Relais und der Gateelektrode einführt, was die Belastung des mechanischen Balkens ändert und den Strom durch den Balken und die Source/Drain-Elektroden moduliert.
  • Im Allgemeinen kann in einer Ausführungsform eine auslegerartige Vorrichtung eine mechanische Bewegung oder Verformung verwenden, um eine Widerstandsänderung durch den Balken umzuwandeln, die den Strom ändert, der durch die Vorrichtung fließt. Die mechanische Bewegung oder Verformung kann durch eine Gateelektrode elektrostatisch gesteuert werden, ähnlich wie eine Gateelektrode eine relaisartige Vorrichtung betätigt. Diese Vorrichtung verwendet Piezowiderstandseigenschaften von Silizium, wobei eine mechanische Verformung die Belastung am Balken ändert, was in eine Widerstandsänderung (und Stromänderung) durch den Balken und die Source- und Drainelektroden umwandelt. Eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung mit einer Gateelektrode, die verwendet wird, um die mechanische Struktur zu modulieren, und Source- und Drainelektroden, die die zwei Enden des Auslegers verbinden. Mit erneutem Bezug auf 26 erfordert die Vorrichtung keinen physikalischen Kontakt zwischen den Metallelektroden, was die Oberflächenhaftkräfte verringert und die Vorrichtungszuverlässigkeit erhöht. Die Vorrichtung kann auch als Resonatorvorrichtung verwendet werden, wobei die Gateelektrode verwendet wird, um den Balken in Resonanz (Wechselspannungssignal) zu bringen und die Resonanzfrequenz von der Eigenfrequenz (Gleichspannungssignal) zu ändern. Die Erfassungssignale werden durch die Widerstandsmodulation des Balkens abgegriffen.
  • 27 ist ein Diagramm 2700, das Situationendarstellt, in denen (Struktur A) Source/Drain-Elektroden unter Druckbelastung gebracht werden, der Balken „einknickt“, um die Belastung abzubauen, und wenn eine Spannung angelegt wird, der Balken sich geraderichtet und eine Druckbelastung aufweist, und in denen (Struktur B) Source/Drain-Elektroden unter Druckbelastung gebracht werden (aber nicht genügend Belastung zum Einknicken), und wenn eine Spannung angelegt wird, der Balken sich geraderichtet und zeigt, dass die Belastung über dem Kanal verringert wird.
  • Für eine maximale Signalumwandlung kann der Balken vorbelastet werden. Wie für die Struktur A gezeigt, sind die Source- und Drainelektroden unter Druckbelastung gebracht, so dass die Struktur einknickt, um die Belastung abzubauen. Wenn eine Spannung durch die Gateelektrode angelegt wird, richtet sich der Balken gerade und der ganze Balken wird dann unter Druckbelastung gebracht. Die Struktur B zeigt ein ähnliches Konzept, wobei der Balken derart belastet wird, dass der Balken nicht einknickt, sondern eine Druckbelastung aufweist. In einer Ausführungsform verringert das Anlegen einer Spannung zwischen der Gateelektrode und dem Balken die Druckbelastung und moduliert den Strom durch die Struktur. Selbstverständlich können die vorbelasteten oder nicht belasteten Positionen immer noch eine gewisse Belastung aufweisen, nur kein beträchtliches Ausmaß an Belastung. Der Balken kann beispielsweise eine gewisse von null verschiedene minimale Belastung aufweisen, die auf Zug oder Druck ist, aber die gesamte Belastungsenergie ist kleiner, als wenn er sich in einer „linearen“ Konfiguration befinden würde (da er eingeknickt ist).
  • 28 umfasst ein Diagramm 2800, das eine Änderung des Widerstandes als Funktion der angelegten Gleichspannung eines 10 nm breiten und 5 nm dicken Silizium-Nanorelais für verschiedene Dotierung und Kristallorientierungen demonstriert, und ein Diagramm 2802, das eine Änderung des Widerstandes als Funktion der Frequenz um die mechanische Resonanzfrequenz des Nanorelais demonstriert,.
  • Mit Bezug auf 28 sind Simulationsergebnisse, die die Widerstandsänderung als Funktion der angelegten Spannung auftragen, für ein 200 nm langes, 10 nm breites und 5 nm dickes Silizium-Nanorelais gemäß der Geometrie der Struktur B von 27 gezeigt. Ein Anlegen einer Gleichspannung kann den erfassten Widerstand in Abhängigkeit von der Kristallorientierung und den Dotierungsprofilen erhöhen oder verringern. Wenn die Struktur nahe der mechanischen Resonanzfrequenz angeregt wird, verbessert sich die Reaktion. Wenn das Signal nicht-linear ist, kann es möglich sein, das Relais mit einem großen Gleichspannungssignal vorzuspannen und dann ein kleines Wechselspannungssignal um den Vorspannungspunkt anzulegen, um die Linearität zu verbessern.
  • In einer Ausführungsform können die hier beschriebenen Nanodrähte als Drähte oder Bänder bemessen sein und können rechtwinklige oder rundere Ecken aufweisen. In einer Ausführungsform bestehen die Nanodrähte aus einem Material wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf Silizium, Germanium oder eine Kombination davon oder ein Material der Gruppe III-V. In einer solchen Ausführungsform sind die Nanodrähte einkristallin. Für einen Silizium-Nanodraht kann beispielsweise ein einkristalliner Nanodraht auf einer globalen (100)-Silizium-Orientierung basieren, z. B. mit einer <100>-Ebene in der z-Richtung. In einer Ausführungsform liegen die Abmessungen solcher Nanodrähte aus einer Querschnittsperspektive im Nanomaßstab. In einer spezifischen Ausführungsform ist beispielsweise die kleinste Abmessung der Nanodrähte geringer als ungefähr 20 Nanometer. Hier beschriebene Nanodrähte können unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungsmethoden hergestellt werden, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist. In anderen Ausführungsformen ist das Relais nicht auf eine quadratische und abgerundete Ecke begrenzt, sondern andere Geometrien können verwendet werden, wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf Fliegengeometrien, Dreiecke, Trapezoide oder Sechsecke usw.
  • Die Begriffe „mikroelektromechanisches System“ (MEMS) und „nanoelektromechanisches System“ beziehen sich im Allgemeinen auf ein Gerät mit einer gewissen mechanischen Struktur mit einem Maßstab, der zu mikroelektronischen bzw. nanoelektronischen Vorrichtungen vergleichbar ist. Die mechanische Struktur ist typischerweise zu einer gewissen Form von mechanischer Bewegung in der Lage. Folglich sind die hier in Erwägung gezogenen MEMS- und nanoelektromechanischen Systemstrukturen in einer Ausführungsform irgendeine Vorrichtung, die in den Bereich von MEMS- oder nanoelektromechanischen Systemtechnologien fällt. Eine MEMS- oder nanoelektromechanische Systemstruktur kann beispielsweise irgendeine mechanische und elektronische Struktur sein, die unter Verwendung von Lithographie-, Abscheidungs- und Ätzprozessen über einem Substrat hergestellt wird.ist die MEMS- oder nanoelektromechanische Systemstruktur eine Vorrichtung, wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf einen Resonator, einen Sensor, einen Detektor, ein Filter oder einen Spiegel. In einer Ausführungsform ist die MEMS- oder nanoelektromechanische Systemstruktur ein Resonator. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Resonator einer, wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf einen Balken, eine Platte und eine Stimmgabel oder einen Auslegerarm.
  • 29 stellt eine Rechenvorrichtung 2900 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Die Rechenvorrichtung 2900 nimmt eine Platine 2902 auf. Die Platine 2902 kann eine Anzahl von Komponenten umfassen, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf einen Prozessor 2904 und mindestens einen Kommunikationschip 2906. Der Prozessor 2904 ist physikalisch und elektrisch mit der Platine 2902 gekoppelt. In einigen Implementierungen ist der mindestens eine Kommunikationschip 2906 auch physikalisch und elektrisch mit der Platine 2902 gekoppelt. In weiteren Implementierungen ist der Kommunikationschip 2906 ein Teil des Prozessors 2904.
  • In Abhängigkeit von ihren Anwendungen kann die Rechenvorrichtung 2900 andere Komponenten umfassen, die mit der Platine 2902 physikalisch und elektrisch gekoppelt sein können oder nicht. Diese anderen Komponenten umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf einen flüchtigen Speicher (z. B. DRAM), einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. ROM), einen Flash-Speicher, einen Graphikprozessor, einen Digitalsignalprozessor, einen Kryptoprozessor, einen Chipsatz, eine Antenne, eine Anzeige, eine Berührungsbildschirmanzeige, eine Berührungsbildschirm-Steuereinheit, eine Batterie, einen Audio-Codec, einen Video-Codec, einen Leistungsverstärker, eine Vorrichtung eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS), einen Kompass, einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop, einen Lautsprecher, eine Kamera und eine Massenspeichervorrichtung (wie z. B. ein Festplattenlaufwerk, eine Kompaktdisk (CD), eine digitale vielseitige Platte (DVD) und so weiter).
  • Der Kommunikationschip 2906 ermöglicht drahtlose Kommunikationen für die Übertragung von Daten zu und von der Rechenvorrichtung 2900. Der Begriff „drahtlos“ und seine Ableitungen kann verwendet werden, um Schaltungen, Vorrichtungen, Systeme, Verfahren, Techniken, Kommunikationskanäle usw. zu beschreiben, die Daten unter Verwendung von modulierter elektromagnetischer Strahlung durch ein nicht festes Medium übermitteln können. Der Begriff impliziert nicht, dass die zugehörigen Vorrichtungen nicht irgendwelche Drähte enthalten, obwohl sie in einigen Ausführungsformen dies nicht könnten. Der Kommunikationschip 2906 kann irgendeinen von einer Anzahl von drahtlosen Standards oder Protokollen implementieren, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Wi-Fi (IEEE 802.11 Familie), WiMAX (IEEE 802.16 Familie), IEEE 802.20, Langzeitentwicklung (LTE), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, Ableitungen davon sowie beliebige andere drahtlose Protokolle, die als 3G, 4G, 5Gund darüber bezeichnet sind. Die Rechenvorrichtung 2900 kann mehrere Kommunikationschips 2906 umfassen. Ein erster Kommunikationschip 2906 kann beispielsweise für drahtlose Kommunikationen mit kürzerer Reichweite wie z. B. Wi-Fi und Bluetooth zweckgebunden sein und ein zweiter Kommunikationschip 2906 kann für drahtlose Kommunikationen mit längerer Reichweite wie z. B. GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO und andere zweckgebunden sein.
  • Der Prozessor 2904 der Rechenvorrichtung 2900 umfasst einen integrierten Schaltungschip, der innerhalb des Prozessors 2904 untergebracht ist. In einigen Implementierungen der Erfindung umfasst der integrierte Schaltungschip des Prozessors eine oder mehrere mechanische Schaltvorrichtungen auf Nanodrahtbasis, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind. Der Begriff „Prozessor“ kann sich auf irgendeine Vorrichtung oder einen Abschnitt einer Vorrichtung beziehen, der elektronische Daten von Registern und/oder einem Speicher verarbeitet, um diese elektronischen Daten in andere elektronische Daten zu transformieren, die in Registern und/oder im Speicher gespeichert werden können.
  • Der Kommunikationschip 2906 umfasst auch einen integrierten Schaltungschip, der innerhalb des Kommunikationschips 2906 untergebracht ist. Gemäß einer anderen Implementierung der Erfindung umfasst der integrierte Schaltungschip des Kommunikationschips ein oder mehrere mechanische Schaltvorrichtungen auf Nanodrahtbasis, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
  • In weiteren Implementierungen kann eine andere Komponente, die innerhalb der Rechenvorrichtung 2900 aufgenommen ist, einen eigenständigen Speicherchip einer integrierten Schaltung enthalten, der eine oder mehrere mechanische Schaltvorrichtungen auf Nanodrahtbasis umfasst, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
  • In verschiedenen Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 2900 ein Laptop, ein Netbook, ein Notebook, ein Ultrabook, ein Smartphone, ein Tablet, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein ultramobiler PC, ein Mobiltelefon, ein Desktop-Computer, ein Server, ein Drucker, ein Scanner, ein Monitor, ein Digitalempfänger, eine Unterhaltungssteuereinheit, eine Digitalkamera, ein tragbares Musikwiedergabegerät oder ein digitaler Videorekorder sein. In weiteren Implementierungen kann die Rechenvorrichtung 2900 irgendeine andere elektronische Vorrichtung sein, die Daten verarbeitet.
  • Folglich umfassen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mechanische Schaltvorrichtungen auf Nanodrahtbasis.

Claims (5)

  1. Mechanischer Logikschalter, der umfasst: einen ersten leitfähigen Bereich (M1); einem zweiten leitfähigen Bereich (M2); einen Nanodraht, der in einem über einem Substrat angeordneten Leerraum angeordnet ist, wobei sich der Nanodraht in einer horizontalen Richtung in dem Leerraum erstreckt und nur ein Ende des Nanodrahts einen verankerten Abschnitt bildet, mit dem der Nanodraht am zweiten Bereich (M2) verankert ist; und eine Gateelektrode (GM), die in der horizontalen Richtung neben dem zweiten Bereich (M2) angeordnet ist; gekennzeichnet dadurch, dass die Gateelektrode (GM) durch eine Isolatorschicht, mit der die Gateelektrode (GM) überzogen ist, von dem zweiten Bereich (M2) isoliert ist, wobei die Gatelektrode (GM) in vertikaler Richtung oberhalb des Leerraums angeordnet ist und die Gatelektrode (GM) vom Nanodraht beabstandet ist; und wobei der erste leitfähige Bereich (M1) in der horizontalen Richtung zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich der Gateelektrode (GM) angeordnet ist und durch die Isolatorschicht von der Gateelektrode (GM) isoliert ist.
  2. Mechanischer Logikschalter nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite leitfähige Bereich (M1, M2) ein Metall oder ein Halbleitermaterial umfassen.
  3. Mechanischer Logikschalter nach Anspruch 1, wobei der Nanodraht in vertikaler Richtung parallel zum Substrat orientiert ist.
  4. Mechanischer Logikschalter nach Anspruch 1, wobei der Leerraum ein Vakuum umfasst, mit einem Gas gefüllt ist oder mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
  5. Mechanischer Logikschalter nach Anspruch 4, wobei der Leerraum hermetisch abgedichtet ist.
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