EP1338039A1 - Verfahren zur erzeugung eines tunnelkontaktes sowie vorrichtung umfassend mittel zur erzeugung eines tunnelkontaktes - Google Patents

Verfahren zur erzeugung eines tunnelkontaktes sowie vorrichtung umfassend mittel zur erzeugung eines tunnelkontaktes

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EP1338039A1
EP1338039A1 EP01999007A EP01999007A EP1338039A1 EP 1338039 A1 EP1338039 A1 EP 1338039A1 EP 01999007 A EP01999007 A EP 01999007A EP 01999007 A EP01999007 A EP 01999007A EP 1338039 A1 EP1338039 A1 EP 1338039A1
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EP
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ferroelectric
electrodes
ferroelectric material
layer
tunnel
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Withdrawn
Application number
EP01999007A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Kohlstedt
Julio Rodriguez Contreras
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
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    • H10N70/8836—Complex metal oxides, e.g. perovskites, spinels

Definitions

  • Method for producing a tunnel contact and device comprising means for producing a tunnel contact
  • the invention relates to a method for producing a tunnel contact and a device comprising means for producing a tunnel contact.
  • Ferroelectric materials are becoming increasingly important in the semiconductor industry, among others. Non-volatile, ferroelectric memory elements are independent of power, can be programmed with a low voltage, have a short access time and also consume less energy than conventional memory elements. Ferroelectric materials include ferroelectric, dielectric connections, inter alia, with a perovskite structure, for example lead zirconate titanate PbZr ⁇ - x Ti x 0 3 (PZT), barium strontium titanate BaSr ⁇ _ x Ti x 0 3 (BST), lead lanthanum zirconate titanate Pb ⁇ - x La x (Zr !
  • Ferroelectrics have a spontaneous electrical polarization below a critical temperature, which can be folded over into another stable position by applying an external electrical field.
  • ferroelectric connections e.g. B. in non-volatile memory chips (FeRAMs) and pyroelectric detectors, ferroelectric layers with layer thicknesses of 20 nm and above used to keep leakage currents low.
  • Metal layers e.g. Pt
  • a tunnel current can be demonstrated by measuring the current-voltage characteristic.
  • a tunnel current shows a parabolic curve when the current-voltage characteristic (dV / dl) is first derived from V.
  • the measurement of the temperature dependence of the tunnel resistance provides additional information. Theoretically, the tunnel resistance only changes by a few percent between 300 K and 10 K.
  • the methods and devices for signal transmission and evaluation known from the prior art have a relatively high response time and a low sensitivity.
  • the object is achieved according to the invention with the features specified in the characterizing part of claim 1. Furthermore, the problem is solved on the basis of the preamble of claim 11 according to the invention with the features specified in the characterizing part of claim 11. With the method and the device according to the invention, it is now possible to achieve fast signal transmission and signal evaluation. If the layer thickness of the ferroelectric is reduced, a noticeable tunnel current begins to flow below a critical layer thickness, which is dependent on the material and temperature. This critical layer thickness can be in the range around 6 nm. The tunnel current through a ferroelectric tunnel contact causes a voltage drop across the component in which the ferroelectric tunnel contact is used.
  • the current-voltage characteristic of a ferroelectric tunnel contact is asymmetrical. It is therefore possible to use the current-voltage characteristic to measure whether the state is logic 1 or 0. To do this, a current is allowed to flow alternately in the positive and negative current directions. Since the current-voltage characteristic is asymmetrical, the magnitude of the voltage can be used to determine the logical state of the component. This method and the device allow, for example, a non-destructive reading of information. The destructive selection of information z. Currently a major problem with FeRAMs.
  • the maximum voltage drop across the sample is set so that the domain migration is minimized, ie E c is not reached in any case. Since both directions of tension are used, the problem of fatigue and imprint is also reduced.
  • a non-volatile memory can also be built up.
  • the state of polarization can be changed by a short current or voltage pulse. How the information is changed depends on the current direction and the polarization state in which the component was previously.
  • the current pulse must be high enough to reach at least the voltage ⁇ V C.
  • the length of the pulse must also be so large that the component can be switched. This is the enrollment process.
  • the process is faster than that of conventional FeRAM capacitors due to the low layer thicknesses.
  • the method and the device are also suitable, for example, for the detection of electromagnetic radiation, as IR detectors or also for constructing a heterodyne receiver, within a ferroelectric field effect transistor or for use in displays.
  • Fig. 1 Cross section of ferroelectric tunnel contact
  • Fig. 2 Current-voltage characteristic of a ferroelectric tunnel contact
  • Fig. 3 Basic circuit with a ferroelectric tunnel contact, which serves as a detector
  • FIG. 1 The cross section of a ferroelectric tunnel contact shown in FIG. 1 shows two conductive electrodes (1 and 3) and an intermediate layer (2) made of ferroelectric material which produces the tunnel contact.
  • Figure 2 shows the current-voltage characteristic of a ferroelectric tunnel contact, which has an asymmetrical profile.
  • This current-voltage characteristic curve can be used to determine whether the component is in state 0 or 1. To do this, a current is allowed to flow alternately in the positive and negative current directions. Since the current-voltage characteristic is asymmetrical, the amount of the voltage can be used to determine which logic Condition of the component. The amount of voltage can be determined in the area of the dashed line and the logical state of the component and thus an evaluation of the information can be derived from this.
  • the arrows a) and b) pointing up and down in the Y direction indicate the area in which the coercive field strength can be measured.
  • the markings -Vc and + Vc indicated on the abscissa X denote the critical voltage at which a clear jump in current can be observed.
  • FIG. 3 A basic circuit is described in FIG. 3, in which a ferroelectric tunnel contact serves as a detector.
  • the incident radiation (hv) causes a change in the tunnel current and thus a change in the resistance of the ferroelectric tunnel contact (4).
  • This change in resistance can be detected with the aid of an amplifier (5) and a voltmeter (6).
  • Power is supplied by a power source (7).
  • ferroelectric materials ferroelectric niobit crystals with a tungsten-bronze structure of the formula PbNb 2 0 6 with K x W0 3 or Na x W0 3 with X ⁇ 1, water-soluble crystals such as, for. B. KH 2 P0 4 - (KDP) family or (NH 2 CH 2 C00H) 3 -H 2 S0 4 - (TGS) family, ferroelectric crystals such. B.
  • polymers eg [CH 2 CF 2 ] n with n ⁇ 1
  • Various deposition methods can be used to produce a ferroelectric layer on the surface of the conductive electrodes. Examples include sputtering, pulsed laser deposition (PLD), molecular beam epitaxy (MBE), chemical solution deposition (CSD) or metal organic chemical vapor deposition (MOVD).
  • PLD pulsed laser deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • CSSD chemical solution deposition
  • MOVD metal organic chemical vapor deposition
  • the flow of the tunnel current and thus the generation of the tunnel contact depends on the ferroelectric materials used and the specifically set layer thicknesses. Layer thicknesses in a range from 0.1 to 1000 nm are possible. Layer thicknesses from 0.3 nm to 20 nm are particularly preferred. Layer thicknesses of 4, 5 and 6 nm are possible. Layer thicknesses of 7, 8, 9 and 10 are also suitable nm.
  • Electrodes made of conductive oxide or metal as well as semiconductors and superconductors are suitable as conductive electrodes.
  • electrodes made of platinum, aluminum, iridium, rhodium or ruthenium are used.
  • Electrodes made of Ir0 2 , indium tin oxide (In 2 Sn 2 0 5 ), Rh0 2 , Mo0 3 , Ru0 2 , SrRu0 3 can be mentioned as examples.
  • the layer thickness of the electrodes depends on the ferroelectric materials used. Layer thicknesses in the range from 10 to 80 nm are preferred. Layer thicknesses of 20, 40, 50 and 60 nm are particularly preferred.
  • the inventive design of the method according to claim 1 with electrodes, which are separated from each other by ferroelectric material through which a tunnel current flows, causes a tunnel contact to be made by using two effects, which is faster and more sensitive than conventional methods and devices Signal transmission leads.
  • the first effect is based on the generation of a tunnel current by selection of suitable materials and their respective layer thickness, which prevent the flow of the enable current flow.
  • the second effect is based on the use of ferroelectric materials, which react to a reversal of the polarization when exposed to an electrical or electromagnetic field. This rapid reversal of the polarization (approx. 1-2 nanoseconds) leads to a change in the tunnel current and has e.g. B. compared to memory elements the advantage that the current / signal transmission is much faster and more sensitive. Improved data storage and a method with a very high switching frequency can be achieved.
  • the advantageous embodiment of the method according to claim 2 with a layer of ferroelectric material, the layer thickness being set so that a tunnel current can flow, has the effect that the flow of a tunnel current is only made possible with the aid of the layer thickness.
  • the material used and the layer thickness that is set are closely related.
  • the layer thickness of the ferroelectric material affects the speed at which the polarization flaps. The thinner the layer, the faster the polarization flips, and the faster signal transmission or signal evaluation can take place.
  • ferroelectric material comprising compounds with a perovskite structure, ferroelectric niobate crystals with a tungsten-bronze structure, water-soluble and ferroelectric crystals and organic ferroelectrics are used.
  • ferroelectric material comprising compounds of PbZr ⁇ _ x Ti x 0 3 (PZT) with X 6 [0.1], BaSr ! - x Ti x 0 3 (BST) with X 6 [0.1], Pb ⁇ - x La x (Zr!
  • electrodes made of conductive oxide or metal or, for example, electrodes made of platinum, aluminum, iridium, rhodium or ruthenium or electrodes with compounds made of Ir0 2 , In 2 Sn 2 0 5 , Rh0 2 , Mo0 3 , Ru0 2 or SrRu0 3 can be used, it becomes possible to adapt the process to the different requirements depending on the area of application.
  • the advantageous embodiment of the method according to claim 8, in which any number of alternating layers of electrodes and ferroelectric layers are used, has the effect that the series connection of the ferroelectric material and the electrodes enables a larger signal application.
  • the change in polarization can take place, for example, within the planes spanned by the ferroelectric layers or perpendicular to them.
  • the embodiment of the method according to claim 9, in which exactly two electrodes are separated by a layer of ferroelectric material, has the advantage that only a small space is required for the use of this method and therefore the use for micro or nano -Applications particularly suitable.
  • ferroelectric material which consists of homogeneous material or a mixture of different ferroelectric and / or non-ferroelectric materials
  • ferroelectric material which consists of homogeneous material or a mixture of different ferroelectric and / or non-ferroelectric materials
  • Both ferroelectric materials and non-ferroelectric materials that develop ferroelectric properties only when mixed can be used.
  • the device according to the invention which comprises electrodes which are separated from one another by ferroelectric material, makes it possible for a tunnel contact to be produced by using two effects, which leads to faster and more sensitive signal transmission and signal evaluation than conventional devices ,
  • the first effect is based on the generation of a tunnel current by selection of suitable materials and their respective layer thickness, which allow the tunnel current to flow.
  • the second effect is based on the use of ferroelectric materials, which react to a reversal of the polarization when exposed to an electrical or electromagnetic field.
  • This rapid flipping of the polarization leads to a change in the tunnel current and has e.g. B. compared to memory elements the advantage that the current / signal transmission is much faster and more sensitive. Improved data storage and a very high switching frequency can be achieved.
  • the layer thickness of the ferroelectric material enables the flow of a tunnel current
  • the selection of the ferroelectric material and the variation of the layer thickness make it possible to increase the speed at which the polarization is reversed influence.
  • the thinner the layer the faster the polarization flips and the faster signal transmission or signal evaluation can take place.
  • the polarization can be reversed very quickly and thus very fast information transmission and signal acquisition.
  • This response time is, for example, in the nano-second range.
  • ferroelectric material comprising compounds with a perovskite structure, ferroelectric niobate crystals with a tungsten-bronze structure, water-soluble and ferroelectric crystals and organic ferroelectrics, makes it possible for each optimal conditions can be created according to the intended use or area of application using the materials that can be used. Both the temperature and the layer thickness influence the polarization behavior, so that some materials are particularly suitable for certain conditions. Compounds with a perovskite structure are suitable, for example, for use in a wide temperature range from 4 K to 700 K.
  • the electrodes consist of conductive oxide or metal or, for example, of platinum, aluminum, iridium, rhodium or ruthenium or of compounds with Ir0 2 , In 2 Sn 2 0 5 , Rh0 2 , Mo0 3 , Ru0 2 or SrRu0 3 , it becomes possible to adapt the device to the different requirements depending on the area of application.
  • the series connection of the ferroelectric material and the electrodes enables a larger signal application.
  • the change in polarization can take place, for example, within the planes spanned by the ferroelectric layers or perpendicular to them.
  • the embodiment of the device according to claim 21, in which exactly two electrodes are separated by a layer of ferroelectric material, makes it possible that only a small space is required for the use of this method and therefore the
  • the embodiment of the device according to claim 22, which is characterized by a homogeneous layer of ferroelectric material or a layer consisting of a mixture of ferroelectric and / or non-ferroelectric material, has the effect that different ferroelectric properties can be generated with the aid of the material variations. Both ferroelectric materials and non-ferroelectric materials that develop ferroelectric properties only when mixed can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes sowie eine Vorrichtung umfassend Mittel zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes. Ferroelektrische Materialien werden u. a. in der Halbleiterindustrie eingesetzt. Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die Vorrichtung nutzt ferroelektrische Materialien zur Herstellung eines Tunnelkontaktes. Durch dieses Verfahren sowie die Vorrichtung wird eine gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichungen schnellere und empfindlichere Auswertung elektrischer bzw. elektromagnetischer Signale möglich.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Erzeugung eines TunneIkontaktes sowie Vorrichtung umfassend Mittel zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes sowie eine Vorrichtung umfassend Mittel zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes.
Ferroelektrische Materialien gewinnen u.a. in der Halb- leiterindustrie immer mehr an Bedeutung. Nicht-flüchtige, ferroelektrische Speicherelemente sind leistungsunabhängig, mit niedriger Spannung programmierbar, weisen eine kurze Zugriffszeit auf und verbrauchen auch weniger Energie als herkömmliche Speicherelemente. Fer- roelektrische Materialien umfassen ferroelektrische, dielektrische Verbindungen u.a. mit Perowskit-Struktur, beispielsweise Bleizirkonattitanat PbZrι-xTix03 (PZT) , Bariumstrontiumtitanat BaSrι_xTix03 (BST) , Bleilanthan- zirkonattitanat Pbχ-xLax (Zr!_xTix) 03 (PLZT) und Strontium- wismuttantal SrBi2Ta209 (SBT) . Ferroelektrika besitzen unterhalb einer kritischen Temperatur eine spontane elektrische Polarisation, die durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes in eine andere stabile Lage umgeklappt werden kann. Für die Anwendung ferroelektrischer Verbindungen, z. B. in nicht-flüchtigen Speicherbausteinen (FeRAMs) und py- roelektrischen Detektoren, werden ferroelektrische Schichten mit Schichtdicken von 20 nm und darüber verwendet, damit Leckströme gering gehalten werden. Zur elektrischen Kontaktierung werden Metallschichten (z. B. Pt) verwendet, so daß damit ein Kondensator vorliegt . Ein Tunnelstrom ist über die Messung der Strom-Spannungskennlinie nachweisbar. Ein Tunnelstrom zeigt bei der ersten Ableitung der Strom-Spannungskennlinie (dV/dl) gegen V einen parabelförmigen Verlauf. Zusätzliche Informationen liefert die Messung der Temperatur- abhängigkeit des Tunnelwiderstandes. Der Tunnelwiderstand ändert sich theoretisch nur um wenige Prozent zwischen 300 K und 10 K.
Die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Signalübertragung und Auswertung wei- sen eine relativ hohe Ansprechzeit sowie eine geringe Empfindlichkeit auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die bessere Eigenschaften im Hinblick auf Ansprechzeit und Empfindlichkeit auf- weist gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen zur Signalübertragung.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 11 erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 11 angegebenen Merkmalen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, eine schnelle Signalübertragung und Signalauswertung zu erzielen. Wird die Schichtdicke des Ferroelektrikums verringert, so beginnt unterhalb einer kritischen Schichtdicke, die material- und temperaturabhängig ist, ein merklicher Tunnelstrom zu fließen. Diese kritische Schichtdicke kann im Bereich um 6 nm liegen. Der Tunnelstrom durch einen ferroelektrischen Tunnel - kontakt bewirkt einen Spannungsabfall über dem Bauelement, in dem der ferroelektrische Tunnelkontakt verwendet wird. Erreicht diese Spannung die kritische Spannung ± Vc = ± Ec ■ d (Vc = kritische Spannung; Ec = Koer- zitiv Feldstärke; d = Schichtdicke des ferroelektri- sehen Materials) des Tunnelbarrierenmaterials, so wird diese Änderung innerhalb des Tunnelbarrierenmaterials Rückwirkungen auf den Tunnelström haben. Das Bauelement kann dann die Wirkung eines Schalters ausüben, wobei der Tunnelbarrierenwiderstand durch den Polarisations- zustand des Ferroelektrikums verändert wird. Der quantenmechanische Tunnelstrom ändert somit makroskopische Parameter wie die Polarisation.
Die Strom-Spannungskennlinie eines ferroelektrischen Tunnel ontaktes ist unsymmetrisch. Daher ist es mög- lieh, anhand der Strom-Spannungskennlinie zu messen, ob der Zustand logisch 1 oder 0 vorliegt. Hierzu läßt man einen Strom abwechselnd in die positive und negative Stromrichtung fließen. Da die Strom-Spannungskennlinie unsymmetrisch ist, läßt sich am Betrag der Spannung er- mittein, in welchem logischen Zustand sich das Bauelement befindet. Dieses Verfahren und die Vorrichtung erlauben beispielsweise eine nicht destruktive Auslese von Informationen. Die destruktive Auslese der Informationen stellt z. Zt. ein wesentliches Problem bei FeRAMs dar.
Der maximale Spannungsabfall über der Probe wird so eingestellt, daß die Domänenwanderung minimiert wird, also auf jeden Fall Ec nicht erreicht wird. Da man beide Spannungsrichtungen nutzt, wird ebenfalls das Problem der Ermüdung (Fatique) und des Imprints reduziert.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung läßt sich beispielsweise auch ein nicht-flüchtiger Speicher aufbauen. Durch einen kurzen Strom- oder Spannungsimpuls kann der Polarisationszustand verändert werden. Wie die Information verändert wird, hängt von der Stromrichtung ab und in welchem Polarisationszustand sich das Bauelement zuvor befand. Der Stromimpuls muß so hoch sein, damit mindestens die Spannung ±VC erreicht wird. Die Länge des Impulses muß darüber hinaus so groß sein, daß das Bauelement umgeschaltet werden kann. Dies ist der Einschreibevorgang. Die Geschwindigkeit des Umschalt-
Vorganges ist bedingt durch die niedrigen Schichtdicken schneller als die herkömmlicher FeRAM-Kondensatoren.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich beispielsweise auch zur Detektion elektromagnetischer Strahlung, als IR-Detektoren oder auch zum Aufbau eines Heterodynempfängers, innerhalb eines ferroelektrischen Feldeffektransistors oder zum Einsatz in Displays.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens sowie eine beispielhafte Strom-Spannungskennlinie eines ferroelektrischen Tunnelkontaktes.
Es zeigt :
Fig. 1: Querschnitt ferroelektrischer Tunnelkontakt
Fig. 2: Strom-Spannungskennlinie eines ferroelektrischen Tunnelkontaktes
Fig. 3: Prinzipschaltung mit einem ferroelektrischen Tunnelkontakt, der als Detektor dient
Der in Fig. 1 dargestellte Querschnitt eines ferroelektrischen Tunnelkontaktes zeigt zwei leitende Elektroden (1 und 3) sowie eine dazwischen liegende Schicht (2) aus ferroelektrischem Material, die den Tunnelkontakt herstellt.
Figur 2 zeigt die Strom-Spannungskennlinie eines ferro- elektrischen Tunnelkontaktes, die einen unsymmetrischen Verlauf aufweist.
Es zeigt : Abszisse X: Spannung Ordinate Y: Strom
Mit Hilfe dieser Strom-Spannungskennlinie läßt sich feststellen, ob der Zustand 0 oder 1 des Bauelements vorliegt. Hierzu läßt man einen Strom abwechselnd in die positive und negative Stromrichtung fließen. Da die Strom-Spannungskennlinie unsymmetrisch ist, läßt sich am Betrag der Spannung ermitteln, in welchem logischen Zustand sich das Bauelement befindet. Im Bereich der gestrichelten Linie läßt sich der Betrag der Spannung ermitteln und daraus abgeleitet der logische Zustand des Bauelements und damit eine Auswertung der Informa- tion. Die in Y-Richtung nach oben und unten gerichteten Pfeile a) und b) kennzeichnen den Bereich, in dem die Koerzitiv Feldstärke gemessen werden kann. Die auf der Abszisse X angegebenen Markierungen -Vc bzw. +Vc bezeichnen die kritische Spannung, bei der ein deutlicher Stromsprung zu beobachten ist.
In Figur 3 wird eine Prinzipschaltung beschrieben, in der ein ferroelektrischer Tunnelkontakt als Detektor dient . Die einfallende Strahlung (hv) bewirkt eine Änderung des TunnelStromes und damit eine Widerstandsänderung des ferroelektrischen Tunnelkontaktes (4) . Diese Widerstandsänderung kann mit Hilfe eines Verstärkers (5) und eines Voltmeters (6) nachgewiesen werden. Die Stromversorgung erfolgt über eine Stromquelle (7) . Mit Hilfe dieser Anordnung kann eine schnelle und empfindliche
Signalreaktion und Signalauswertung zur Detektion einfallender Strahlung durchgeführt werden.
Als ferroelektrische Materialien eignen sich Verbindungen mit einer Perowskit -Struktur, ferroelektrische Nio- bat-Kristalle mit Wolfram-Bronze Struktur der Formel PbNb206 mit KxW03 bzw. NaxW03 mit X<1, wasserlösliche Kristalle wie z. B. KH2P04- (KDP) Familie oder (NH2CH2C00H) 3 -H2S04-(TGS) Familie, ferroelektrische Kristalle wie z. B. Bi4Ti3012, Gd2 (Mo04) , Pb5Ge30n oder Verbindungen aus der KTiOP04-Familie oder ferroelektrische Halbleiter (SbSI-Familie) sowie organische Ferro- elektrika, zu denen beispielsweise Polymere (z. B. [CH2CF2]n mit n ≥ 1) und Flüssigkristalle gezählt wer- den können.
Zur Erzeugung einer ferroelektrischen Schicht auf der Oberfläche der leitenden Elektroden können verschiedene Depositionsmethoden angewandt werden. Beispielhaft kann hier das Sputtern, die Pulsed Laser Deposition (PLD) , die Molecular Beam Epitaxy (MBE) , die Chemical Solution Deposition (CSD) oder auch die Metall Organic Chemical Vapor Deposition (MOVD) genannt werden.
Das Fließen des Tunnelstroms und damit die Erzeugung des Tunnelkontaktes ist abhängig von den eingesetzten ferroelektrischen Materialien und den spezifisch eingestellten Schichtdicken. Möglich sind Schichtdicken in einem Bereich von 0,1 bis 1000 nm. Besonders bevorzugt sind Schichtdicken von 0,3 nm bis 20 nm. Möglich sind Schichtdicken von 4, 5 und 6 nm. Weiterhin geeignet sind Schichtdicken von 7, 8, 9 und 10 nm.
Im folgenden werden beispielhaft einige bevorzugte Kombinationen von ferroelektrischen Materialien mit leitenden Elektrodenschichten zur Erzeugung eines ferro- elektrischen Tunnelkontaktes angegeben. Die beispielhafte Schichtdicke des jeweiligen Materials wird in Klammern gesetzt :
Als leitende Elektroden eignen sich Elektroden aus leitfähigem Oxid oder Metall sowie Halbleiter und Supraleiter. Hier werden beispielsweise Elektroden aus Platin, Aluminium, Iridium, Rhodium oder Ruthenium verwendet. Beispielhaft können Elektroden aus Ir02, Indium-Zinn-Oxid (In2Sn205) , Rh02, Mo03, Ru02, SrRu03 genannt werden. Die Schichtdicke der Elektroden ist abhängig von den verwendeten ferroelektrischen Materialien. Bevorzugt sind Schichtdicken im Bereich von 10 bis 80 nm. Besonders bevorzugt sind Schichtdicken mit 20, 40, 50 und 60 nm.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit Elektroden, die durch ferroelektrisches Material, durch welches ein Tunnelstrom fließt, voneinander getrennt werden, bewirkt, daß durch Nutzung von zwei Effekten ein Tunnelkontakt hergestellt wird, der gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen zu einer schnelleren und empfindlicheren Signalübertragung führt. Der erste Effekt beruht auf der Erzeugung eines Tunnelstroms durch Auswahl geeigneter Materialien und ihrer jeweiligen Schichtdicke, die ein Fließen des Tun- nelstroms ermöglichen. Der zweite Effekt beruht auf Verwendung ferroelektrischer Materialien, die bei Einwirkung eines elektrischen bzw. elektromagnetischen Feldes mit einem Umklappen der Polarisation reagieren. Dieses schnelle Umklappen der Polarisation (ca. 1-2 Na- nosekunden) führt zu einer Veränderung des Tunnelstroms und hat z. B. gegenüber Speicherelementen den Vorteil, daß die Strom-/Signalübertragung sehr viel schneller und empfindlicher erfolgt. Es kann eine verbesserte Da- tenspeicherung sowie ein Verfahren mit einer sehr hohen Schaltfrequenz erreicht werden.
Die vorteilhafte Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit einer Schicht aus ferroelektrischem Material, wobei die Schichtdicke so eingestellt wird, daß ein Tunnelstrom fließen kann, bewirkt, daß mit Hilfe der Schichtdicke erst das Fließen eines Tunnelstroms ermöglicht wird. Das eingesetzte Material und die Schichtdicke, die eingestellt wird, stehen dabei in engem Zusammenhang. Die Schichtdicke des ferroelektri- sehen Materials beeinflußt die Geschwindigkeit mit der das Umklappen der Polarisation stattfindet. Je dünner die Schicht gewählt wird, desto schneller klappt die Polarisation um, und desto schneller kann eine Signal - Übertragung bzw. Signalauswertung erfolgen.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3, in dem ferroelektrisches Material, umfassend Verbindungen mit einer Perowskit-Struktur, ferroelektrische Niobat-Kristalle mit Wolfram-Bronze Struktur, wasserlösliche sowie ferroelektrische Kris- talle sowie organische Ferroelektrika eingesetzt wer- den, ist es möglich, daß je nach gewünschtem Verwendungszweck oder Einsatzbereich mit Hilfe der einsetzbaren Materialien optimale Bedingungen geschaffen werden können. Sowohl die Temperatur als auch die Schichtdicke beeinflussen das Polarisationsverhalten, so daß sich einige Materialien für bestimmte Bedingungen besonders eignen. Verbindungen mit Perowskit-Struktur eignen sich beispielsweise für den Einsatz in einem breiten Temperaturbereich von 4 K bis 700 K.
Durch die vorteilhafte Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4, in dem ferroelektrisches Material, umfassend Verbindungen aus PbZrι_xTix03 (PZT) mit X 6 [0,1], BaSr!-xTix03 (BST) mit X 6 [0,1], Pbι-xLax (Zr!-xTix) 03 (PLZT) mit X € [0,1] und SrBi2Ta209 (SBT) sowie PbNb206 mit KxW03 bzw. NaxW03 mit X<1, KH2P04- (KDP- ) Familie oder (NH2CH2COOH)3-H2S04 (TGS) , Bi4Ti30ι2, Gd2 (Mo04) , Pb5Ge30n, KTiOP04, SbSI und [CH2CF2]n mit n ≥ 1 verwendet wird, wird es möglich, durch Kombination geeigneter Materialien betreffend das ferroelektrische Material sowie das Material der leitenden Elektroden, optimale Bedingungen für die Verwendung bzw. den Einsatzbereich dieses Verfahrens zu schaffen. Die Bezeichnung X € [0,1] soll hier bedeuten, daß X eine Zahl aus der Gruppe 0 und 1 sein kann.
Durch die vorteilhaften Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Ansprüche 5 bis 7, in denen Elektroden aus leitfähigem Oxid oder Metall oder beispielsweise Elektroden aus Platin, Aluminium, Iridium, Rhodium oder Ruthenium oder Elektroden mit Verbindungen aus Ir02, In2Sn205, Rh02, Mo03, Ru02 oder SrRu03 verwendet werden, wird es möglich, das Verfahren den unterschiedlichen Anforderungen je nach Einsatzgebiet anzupassen.
Die vorteilhafte Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 8, in der beliebig viele alternierende Schichten von Elektroden und ferroelektrischen Schichten angeordnet eingesetzt werden, bewirkt, daß durch die Reihenschaltung des ferroelektrischen Materials und der Elektroden eine größere Signalanlegung möglich wird. Die Polarisationsänderung kann dabei beispielsweise in- nerhalb der durch die ferroelektrischen Schichten aufgespannten Ebenen oder senkrecht zu ihnen stattfinden.
Die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 9, in dem genau zwei Elektroden durch eine Schicht aus ferro- elektrischem Material getrennt werden, hat den Vorteil, daß nur ein geringer Raumbedarf für den Einsatz dieses Verfahrens notwendig ist und sich deshalb der Einsatz für Mikro- oder Nano-Anwendungen besonders eignet.
Die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 10, in welchem ferroelektrisches Material einge- setzt wird, welches aus homogenem Material oder aus einer Mischung verschiedener ferroelektrischer und/oder nicht ferroelektrischer Materialien besteht, bewirkt, daß mit Hilfe der Materialvariationen unterschiedliche ferroelektrische und elektrische Eigenschaften erzeugt werden können. Dabei können sowohl ferroelektrische Materialien als auch nicht ferroelektrische Materialien verwendet werden, die erst im Gemisch ferroelektrische Eigenschaften entwickeln. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 11, die Elektroden umfaßt, die durch ferroelektrisches Material voneinander getrennt werden, wird es möglich, daß durch Nutzung von zwei Effekten ein Tunnelkontakt hergestellt wird, der gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen zu einer schnelleren und empfindlicheren Signal - Übertragung und Signalauswertung führt. Der erste Effekt beruht auf der Erzeugung eines Tunnelstroms durch Auswahl geeigneter Materialien und ihrer jeweiligen Schichtdicke, die ein Fließen des Tunnelstroms ermöglichen. Der zweite Effekt beruht auf Verwendung ferroelektrischer Materialien, die bei Einwirkung eines elektrischen bzw. elektromagnetischen Feldes mit einem Umklappen der Polarisation reagieren. Dieses schnelle Umklappen der Polarisation (ca. 1-2 Nanosekunden) führt zu einer Veränderung des Tunnelstroms und hat z. B. gegenüber Speicherelementen den Vorteil, daß die Strom-/Signalübertragung sehr viel schneller und empfindlicher erfolgt. Es kann eine verbesserte Daten- speicherung sowie eine sehr hohe Schaltfrequenz bewirkt werden.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 12, in der die Schichtdicke des ferroelektrischen Materials das Fließen eines Tunnelstroms ermöglicht, wird es durch die Auswahl des ferroelektrischen Materials und die Variation der Schichtdicke möglich, die Geschwindigkeit, mit der das Umklappen der Polarisation stattfindet, zu beeinflussen. Je dünner die Schicht gewählt wird, desto schneller klappt die Polarisation um und desto schneller kann eine Signalübertragung bzw. Signalauswertung erfolgen. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 13, in der die Schicht 0,1 bis 1000 nm dick ist, ermöglicht eine schnelle Signalübertragung und Signalauswertung infolge des schnellen Umklappens der Polarisation auf Grund der geringen Schichtdicke.
In der vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 14, in der die Schichtdicke 0,3 bis 20 nm beträgt, ermöglicht abhängig vom verwendeten ferroelektrischen Material ein sehr schnelles Umklappen der Polarisation und damit eine sehr schnelle Informationsübertragung und Signalerfassung. Diese Ansprechzeit liegt beispielsweise im Nano-Sekunden Bereich.
Die vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Anspruch 15, die durch ferroelektrisches Material, um- fassend Verbindungen mit einer Perowskit-Struktur, ferroelektrische Niobat-Kristalle mit Wolfram-Bronze- Struktur, wasserlösliche sowie ferroelektrische Kristalle sowie organische Ferroelektrika gekennzeichnet ist, ermöglicht es, daß je nach gewünschtem Verwen- dungszweck oder Einsatzbereich mit Hilfe der einsetzbaren Materialien optimale Bedingungen geschaffen werden können. Sowohl die Temperatur als auch die Schichtdicke beeinflussen das Polarisationsverhalten, so daß sich einige Materialien für bestimmte Bedingungen besonders eignen. Verbindungen mit Perowskit-Struktur eignen sich beispielsweise für den Einsatz in einem breiten Temperaturbereich von 4 K bis 700 K.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 16, die durch Verbindungen aus PbZrι-xTix03 (PZT) mit X e [0,1], BaSr!_xTix03 (BST) mit X e [0,1], Pbι-xLax(Zrι-xTix)03 (PLZT) mit X e [0,1] und SrBi2Ta209 (SBT) sowie PbNb206 mit KxW03, bzw. NaxW03 mit X<1, KH2P04- (KDP-) Familie oder (NH2CH2C00H) 3 -H2S04 (TGS) , Bi4Ti30ι2, Gd2(Mo04), Pb5Ge30n, KTiOP04, SbSI und [CH2CF2]n mit n ≥ 1 gekennzeichnet ist, wird es möglich, durch Kombination geeigneter Materialien betreffend das ferroelektrische Material sowie das Material der leitenden Elektroden optimale Bedingungen für die Verwen- düng bzw. den Einsatzbereich dieser Vorrichtung zu schaffen. Die Bezeichnung X e [0,1] soll hier bedeuten, daß X eine Zahl aus der Gruppe 0 und 1 sein kann.
In den vorteilhaften Ausführungen der Vorrichtung gemäß der Ansprüche 17 bis 19, in denen die Elektroden aus leitfähigem Oxid oder Metall bestehen oder beispielsweise aus Platin, Aluminium, Iridium, Rhodium oder Ruthenium oder aus Verbindungen mit Ir02, In2Sn205, Rh02, Mo03, Ru02 oder SrRu03, wird es möglich, die Vorrichtung den unterschiedlichen Anforderungen je nach Einsatzge- biet anzupassen.
In der vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 20, in der beliebig viele alternierende Schichten von Elektroden und ferroelektrischen Schichten angeordnet sind, wird durch die Reihenschaltung des ferroelektrischen Materials und der Elektroden eine größere Signalanlegung möglich. Die Polarisationsänderung kann beispielsweise innerhalb der durch die ferroelektrischen Schichten aufgespannten Ebenen oder senkrecht zu ihnen stattfinden. Die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Anspruch 21, in der genau zwei Elektroden durch eine Schicht aus ferroelektrischem Material getrennt werden, ermöglicht es, daß nur ein geringer Raumbedarf für den Einsatz dieses Verfahrens notwendig ist und sich deshalb der
Einsatz für Mikro oder Nano-Anwendungen besonders eignet .
Die Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 22, die durch eine homogene Schicht aus ferroelektrischem Material oder eine Schicht, die aus einem Gemisch ferroelektrischen und/oder nicht ferroelektrischen Materials besteht, gekennzeichnet ist, bewirkt, daß mit Hilfe der Materialvariationen unterschiedliche ferroelektrische Eigenschaften erzeugt werden können. Dabei können sowohl ferroelektrische Materialien als auch nicht ferroelektrische Materialien verwendet werden, die erst im Gemisch ferroelektrische Eigenschaften entwickeln.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden verwendet werden, die voneinander durch ferroelektrisches Material getrennt werden, durch welches ein Tunnelstrom fließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des ferroelektrischen Materi- als so eingestellt wird, daß ein Tunnelstrom fließen kann.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch,
Einsatz von ferroelektrischem Material, umfassend Verbindungen mit einer Perowskit-Struktur, ferroelektrische Niobat-Kristalle mit Wolfram-Bronze Struktur, wasserlösliche sowie ferroelektrische Kristalle, ferroelektrische Halbleiter sowie organische Ferroelektrika und Flüssigkristalle.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch,
Verwendung von ferroelektrischem Material, umfassend Verbindungen aus PbZrι-xTix03 (PZT) mit X 6 [0,1], BaSr;L-xTix03 (BST)mit X e [0,1], Pbι-xLax(Zrι-xTix)03 mit X 6 [0,1] (PLZT) und
SrBi2Ta209 (SBT) sowie PbNb206 mit KxW03 bzw. NaxW03 mit X<1, KH2P04- (KDP-) Familie, Bi4Ti30ι2, Gd2(Mo04), Pb5Ge30n oder KTiOP04, SbSI sowie (NH2CH2COOH) 3 -H2S04 (TGS) und [CH2CF2]n mit n ≥ 1.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus leitfähigem Oxid oder Metall verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus Platin, Aluminium, Iridium, Rho- dium oder Ruthenium verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus Ir02, In2Sn205, Rh02, Mo03, Ru02, SrRu03 verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beliebig viele alternierende Schichten von Elektroden und ferroeletrischen Schichten angeordnet eingesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden, die durch eine Schicht aus ferroelektrischem Material getrennt werden, verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ferroelektrisches Material eingesetzt wird, welches aus homogenem Material oder aus einer Mischung verschiedener ferroelektrischer und/oder nicht ferroelektrischer Materialien besteht.
11. Vorrichtung, umfassend Mittel zur Erzeugung eines Tunnelkontaktes , dadurch gekennzeichnet, daß sie Elektroden umfaßt, die durch ferroelektrisches Material voneinander getrennt sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des ferroelektrischen Materials das Fließen eines Tunnelstroms ermöglicht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht 0,1 bis 1000 nm dick ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Schicht 0,3 nm bis 20 nm dick ist .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch, ferroelektrisches Material, umfassend Verbindungen mit einer Perowskit-Struktur, ferroelektrische Nio- bat-Kristalle mit Wolfram-Bronze-Struktur, wasserlösliche sowie ferroelektrische Kristalle, ferro- elektrische Halbleiter und organische Ferroelektri- ka und Flüssigkristalle.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch, ferroelektrisches Material, umfassend Verbindungen aus PbZrι_xTix03 (PZT) mit X e [0,1], BaSrι-xTix03 (BST) mit X e [0,1], Pb!-xLax (Zrχ-xTix) 03 mit
X € [0,1] (PLZT) und SrBi2Ta209 (SBT) , sowie PbNb206 mit KxW03 bzw. NaxW03 mit X<1, KH2P04- (KDP-) Familie Bi4Ti3012, Gd2(Mo04), Pb5Ge30n oder KTiOP04, SbSI sowie (NH2CH2C00H)3-H2S04- (TGS) und [CH2CF2]n mit n ≥ 1.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus leitfähigem Oxid oder Metall bestehen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Platin, Aluminium, Iridium, Rhodium oder Ruthenium bestehen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Ir02, In2Sn205, Rh02, Ru02, Mo03, SrRu03 bestehen.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß beliebig viele alternierende Schichten von
Elektroden und ferroelektrischen Schichten angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, gekennzeichnet durch zwei Elektroden, die durch eine Schicht aus ferro- elektrischem Material getrennt werden.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, gekennzeichnet durch eine homogene Schicht aus ferroelektrischem Material oder eine Schicht, die aus einem Gemisch ferroelektrischen und/oder nicht ferroelektrischen Mate- rials besteht.
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