JP2009521099A - ナノスケール電子スイッチングデバイスのための制御層 - Google Patents

ナノスケール電子スイッチングデバイスのための制御層 Download PDF

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Abstract

ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）の接合部において用いるための制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）が開示される。制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）内の接続層（１６）及び少なくとも１つの電極（１２、１４）と化学的に適合する材料を含む。制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、デバイス（１０）の動作中に、電気化学的反応経路、電気物理的反応経路又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを制御するようになっている。
【選択図】なし

Description

本発明は包括的にはナノスケールエレクトロニクスに関し、より詳細には、ナノスケール電子スイッチングデバイスにおいて用いられる制御層に関する。
２つの電極（たとえば、下側電極及び上側電極）と、２つの電極の接合部において電子スイッチング層／薄膜とを含む電子スイッチングデバイスが知られている。そのようなデバイスは、たとえば、信号ルーティング及び通信のための分子ワイヤクロスバー配線、分子ワイヤクロスバーメモリ、プログラマブルロジックアレイを利用する分子ワイヤクロスバーロジック、分子ワイヤクロスバーネットワークのためのマルチプレクサ／デマルチプレクサ、分子ワイヤトランジスタ等の、電気的なスイッチングを基にするデバイスを作成する際に役に立つことができる。そのようなデバイスはさらに、たとえば、ディスプレイ、電子ブック、書換え可能媒体、電気的に調節可能な光学レンズ、ウインドウ及びミラーのための電気制御による着色、光学クロスバースイッチ（たとえば、数多くの入力チャネルのうちの１つから数多くの出力チャネルのうちの１つに信号をルーティングするスイッチ）等の、光学的なスイッチングを基にするデバイスを作成する際にも役に立ち得る。
電子スイッチングデバイスを作成する際に用いられる材料の選択は限られることがある。なぜなら、いくつかの電極材料といくつかのスイッチング材料が基本的に適合しないことがあるためである。本明細書において呼ばれるような用語「適合しない」は、電極材料及びスイッチング材料が、接触するときに、物理的及び／又は化学的に安定していないことを意味することがあるか、又は、この用語は、スイッチング材料が、電極材料と共に電子スイッチングデバイス内に組み込まれるときに、電子スイッチングが実質的に制御不能になるか、電子スイッチングが望ましくない状況になるか、且つ／又は電子スイッチングが行われないことを意味することがある。
電子スイッチングデバイスを組み込むデバイスを作成するには、多くの場合に、そのデバイスを形成した後に、後続の処理ステップが含まれる。しかしながら、場合によっては、デバイスのスイッチング層／薄膜のために用いられる材料が、そのような後続の処理ステップに耐えられるほど安定していないことがある。
それゆえ、制御可能であり、適合性があり、さらには後続の処理手順で用いるのにも適している材料を含む、ナノスケール電子デバイスを提供することが望ましいであろう。
ナノスケール電子スイッチングデバイスの接合部において用いるための制御層が開示される。制御層は、ナノスケール電子スイッチングデバイス内の接続層及び少なくとも１つの電極と化学的に適合する材料を含む。制御層はデバイスの動作中に、電気化学的反応経路、電気物理的反応経路又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを制御するようになっている。
目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することによって明らかになるであろう。なお、図面において、類似の参照符号は、必ずしも全く同じ構成要素であるとは限らないが、類似の構成要素に対応する。簡潔にするために、既に説明されている機能を有する参照符号は、これらの参照符号が後続の図面において現れても、必ずしも説明されないことがある。
本開示の実施形態は、電子デバイス及び／又は光学デバイスにおいて用いるためのスイッチング機構を提供するという利点がある。スイッチング機構は、電気物理的に、及び／又は電気化学的に切り替えることができる１つ又はそれ以上の接続層を含む。デバイスの実施形態（複数可）は、制御層（複数可）を含み、この制御層によって、電気物理的及び／又は電気化学的な反応経路を都合よく制御できるようになり、それにより、デバイスの特性を制御できるようになる。何らかの理論に拘束されることなく、制御層（複数可）はデバイスの性能を大幅に改善するものと考えられる。高められるデバイス性能の例には、限定はしないが、熱安定性の向上、化学的安定性の向上、速度の向上、信頼性の向上、及び／又は寿命の向上、及び／又はこれらの組合せが含まれる。さらに、制御層を含むデバイスは、実質的に予測可能で、且つ再現可能なスイッチングデバイスを提供することができる。さらに、制御層（複数可）は、後続の半導体処理技法及びロール・ツー・ロール電子製造工程に実質的に適合することができる。それゆえ、スイッチング機構の実施形態（複数可）は、たとえば、ＣＭＯＳのような種々の半導体内に都合よく組み込むことができる。
本明細書に用いられるときに、用語「ナノスケール」は、少なくとも１つの寸法が約１００ｎｍ未満であるデバイスを指している。
ここで図１及び図２を参照すると、スイッチングデバイス１０の一実施形態が示される。スイッチングデバイス１０は、交差部又は接合部を形成するために下側電源１４と０度以外の角度で交差する上側電源１２を含む。接続層（複数可）１６が、接合部に動作可能に配置される。１つ又はそれ以上の制御層２６、２８が、接続層１６と上側電極１２との間に、且つ／又は接続層１６と下側電極１４との間に動作可能に配置される。
用語「上側電極」及び「下側電極」は、その空間的な配置に限定することを意図するものでもなければ、必ずしも空間的な配置を伝えることを意味するものでもなく、任意の空間的な配置にある（上側、下側、横側、或る角度を成して配置される等）２つの向かい合った電極を区別するために例示目的に用いられることが理解されるべきである。しかしながら、製造時には、「上側」及び「下側」は、たとえば、プレーナ堆積工程によって画定されるような特定の空間的な配置を表すことがあることが理解されるべきである。
電極１２、１４は、任意の適当な電極材料から形成することができる。そのような材料は、限定はしないが、金属元素、金属化合物、合金、半導体元素、半導体化合物、半導体合金、導電性有機化合物、及びこれらの組合せを含む。 電極材料の具体的な例は、限定はしないが、プラチナ、アルミニウム、モリブデン、タングステン、パラジウム、チタン、クロム、金、シリコン、ゲルマニウム、リン化イリジウム、ガリウムヒ素、シリコンゲルマニウム、及び／又はこれらの組合せを含む。
スイッチングデバイス１０の一実施形態を形成する方法の一実施形態では、１つ又はそれ以上の接続層１６が、成長工程（複数可）、堆積工程（複数可）又はこれらの組合せによって、接続部内に設けられるか、又は動作可能に配置される。そのような工程の例には、限定はしないが、真空蒸着、物理的エピタキシ、化学的エピタキシ、原子層堆積、電気化学的成長、有機単分子膜自己組織化、ラングミュアーブロジェット転写、又はこれらの組合せが含まれる。
接続層１６は、電極１２と１４との間の接合部にかけられる電位の影響下で、その電気的特性及び／又は光学的特性を変更する材料から形成されることが理解されるべきである。接続層１６を形成するために用いられる材料、分子又は化合物の全て、又は一部は、一般的に安定していないことがあり、電気物理的過程及び／又は電気化学的過程によって切り替わることがある。一実施形態では、接続層（複数可）１６は、電子伝達体又はイオン伝導体である。接続層（複数可）１６は均一及び／又は不均一であることがあり（たとえば、層１６の一部（又は複数の部分）がアクティブ／切替可能であることがある）、電気化学的反応又は電気物理的反応によって、高い導電率又は低い導電率を有するように変更されることがある。接続層１６のアクティブ／切替可能部分において、電気化学的反応及び／又は電気物理的反応が生じ、それゆえ、そのような反応は、デバイス１０にわたって実質的に均一に、又は不均一に、又はその両方の様態で生じることがあることが理解されるべきである。
限定はしないが、一実施形態では、接続層１６は、その中に有機化合物、無機化合物及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを有する１つもしくはそれ以上の相対的に不安定な層を含む。接続層１６は一般的に、制御層２６、２８よりも不安定であることが理解されるべきである。そのように相対的に不安定な材料の例には、限定はしないが、ニクタイド（限定はしないが、その例には、窒化物、リン化物、ヒ化物、アンチモン化物等が含まれる）、カルコゲニド（限定はしないが、その例には、酸化物（すなわち、混合原子価酸化化合物（mixed valence oxide compounds）、硫化物、セレン化物、テルル化物等が含まれる）、分子変形可能媒体（molecular deformable media）（限定はしないが、その例には、アルカン、カルボン酸、フタロシアニン及び／又はポルフィリンが含まれる）、多孔性媒体（限定はしないが、その例には、ゼオライトが含まれる）、静電的に推進される拡散によってドープすることができる半導体（たとえば、導電性ポリマー）及び／又はその組合せが含まれる。さらに、限定はしないが、具体的な例には、Ａｇ２Ｓ、ポリアニリン、ステアリン酸カドミウム、硫化銅、セレン化ゲルマニウム、セレン化ゲルマニウム銀、酸化プラチナ、酸化チタン（たとえば、Ｔｉ３Ｏ５又はＴｉｘＯｙ，ただし２ｙ／ｘは整数でない）、炭化チタン、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ、ただし、「ｘ」は２以外、「ｙ」は３以外）、酸化銀（ＡｇｘＯｙ、ただし、「ｘ」は２以外、「ｙ」は１以外）、酸化タングステン（たとえば、ＷＯ又はＷｘＯｙ、ただし、「ｙ」は２又は３以外）、酸化タンタル（ＴａｘＯｙ、ただし、ＴａＯ２及びＴａ２Ｏ５を除く）、Ｃ１６Ｈ３２Ｏ２、Ｃ１７Ｈ３４Ｏ２、Ｃ１８Ｈ３６Ｏ２、Ｃ１９Ｈ３８Ｏ２、Ｃ２０Ｈ４０Ｏ２、Ｃ２１Ｈ４２Ｏ２、Ｃ２２Ｈ４４Ｏ２、Ｃ１４Ｈ１２Ｃｌ２Ｎ４Ｏ２、Ｃ１５Ｈ１６Ｎ２Ｏ３及び／又はこれらの組合せが含まれる。
接続層１６は単分子層にすることができるか、種々の副層を含むことができるか（すなわち、多層）、又は薄膜にすることができる。多層の実施形態においては、接続層１６と、任意の所望の数の副層を組み合わせることができることが理解されるべきである。本明細書において列挙される材料を種々の副層のために用いることができることが理解されるべきである。さらに、副層のための材料は、接続層１６と実質的に同一であるか、又は異なることがある。スイッチングデバイス１０を形成する方法の一実施形態では、接続層１６及びその種々の副層は、少なくとも１つには種々の層のために選択される材料によるが、順次に、又は同時に設けることができる。
また、図１及び図２は、接続層１６と、上側電極１２及び下側電極１４のそれぞれとの間に形成される制御層２６、２８も示す。制御層２６、２８は個々の電極１２、１４及び接続層１６と化学的に適合する。一般的に、制御層２６、２８は、電極（複数可）１２、１４と制御不能で反応することが無いであろうし、接続層１６とも制御不能で反応することも無いであろう。制御層２６、２８は、電極１２、１４と接続層１６との間の反応を都合よく加減する。何らかの理論に拘束されることなく、電気化学的反応及び／又は電気物理的反応を、互いに接触しているデバイス１０の材料を制御することによって都合よく制御することができると考えられている。それゆえ、制御層２６、２８はデバイス１０の電気化学的スイッチング及び電気物理的スイッチングを都合よく工学的に操作するか、又は制御する。
制御層２６、２８は、接続層１６のための材料（限定はしないが、その例には、原子、原子団、または分子が含まれる）の仲介物（供給源又は吸収体）としての役割を果たすことができることが理解されるべきである。一実施形態では、制御層２６、２８は、その導電率を変更するために接続層１６の中に電気的に注入されるドーパントの供給源としての役割を果たすことができる。別の実施形態では、その導電率を変更するために接続層１６から電気的に放出されるドーパントのための吸収体としての役割を果たすことができる。さらに別の実施形態では、制御層２６、２８は、イオン伝導体のための材料源（たとえば、銀又はＡｇ２Ｓ）、又は多孔性材料のための材料源としての役割を果たすことができる。さらに別の実施形態では、制御層２６、２８は、ナノ微粒子、フィラメント又はナノワイヤを成長させる材料源としての役割を果たすことができる。
また、制御層２６、２８は、デバイス１０の性能を高め、デバイス１０の特性を変更することもできる。たとえば、デバイス１０の特性は、少なくとも１つには、制御層２６、２８のために選択される材料に応じて変化することもできる。
制御層２６、２８は、１つ又はそれ以上の実質的に均一又は不均一の薄膜からなることができ、この薄膜は、導電性、又は部分的に導電性であることができる。一実施形態では、制御層２６、２８は有機化合物、無機化合物及びこれらの組合せから選択される相対的に安定している化合物を含む。限定はしないが、そのように相対的に安定している材料の例には、ニクタイド（限定はしないが、その例には、窒化物、リン化物、ヒ化物、アンチモン化物等が含まれる）、カルコゲニド（限定はしないが、その例には、安定した酸化物（すなわち、単原子価酸化化合物（single valence oxide compounds））、硫化物、セレン化物、テルル化物等が含まれる）、炭化物、ケイ化物、ゲルマナイド、有機単分子膜、有機多層、有機薄膜又はこれらの組合せが含まれる。さらに、限定はしないが、制御層２６、２８のために適している材料の具体的な例には、銀、Ｃｕｌ２、ＣｕＣｌ２、銅、Ｐｔ（ＯＨ）２、酸化プラチナ、酸化チタン（たとえば、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉｘＯｙ、ただし、２ｘ／ｙは整数である）、炭化チタン、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化タングステン（ＷＯ２、ＷＯ３）、酸化シリコン、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５、ＴａＯ２）、窒化シリコン、又はこれらの組合せが含まれる。
一実施形態では、制御層２６、２８はそれぞれ、概ね単原子膜と約１０ｎｍとの間の範囲の厚み（一般的には垂直方向の厚み）を有する。横方向寸法は、少なくとも１つには、選択される製造方法によって画定される。限定はしないが、一例では、各制御層２６、２８の横方向寸法は、リソグラフィ技法を用いるとき、約０．１μｍから約１０μｍに及び、ナノパターニング技法（限定はしないが、その例には、ナノインプリントリソグラフィが含まれる）を用いるとき、約１ｎｍから約１００ｎｍに及ぶ。制御層２６、２８を形成するための他の技法の例は、限定はしないが、成長工程（複数可）、堆積工程（複数可）、又はこれらの組合せを含む。そのような工程の例には、限定はしないが、真空蒸着、物理的エピタキシ、化学的エピタキシ、原子層堆積、電気化学的成長、有機単分子膜自己組織化、ランブミュアーブロジェット転写、又はこれらの組合せが含まれる。さらに、制御層２６、２８は、選ばれた材料のうちの２つの間に、たとえば、上側電極１２と接続層１６との間に、且つ／又は下側電極１４と接続層１６との間に、化学反応を制御しながら形成することができると理解されるべきである。
先述の通り、構成要素（element）１２、１４、１６、２６、２８が、接触している個々の構成要素（複数可）と適合するように、制御層（複数可）２６、２８は、電極（複数可）１２、１４と、且つ／又は接続層１６と対を成すことができる。以下の表は、本開示の実施形態（複数可）に従って互いに適当に適合することができる種々の材料対の限定しない例を示す。
Figure 2009521099
Figure 2009521099
ここで図３Ａ〜図３Ｃをまとめて参照すると、デバイス１０の別の実施形態が示される。図３Ａは、接続層１６と下側電極１４との間に１つの制御層２８を有する実施形態を示す。この実施形態では、制御層２８は、接続層１６及び下側電極１４の両方と適合するように選択される。図３Ｂは、接続層１６と上側電極１２との間に１つの制御層２６を有する別の実施形態を示す。この実施形態では、制御層２６は、接続層１６及び上側電極１２の両方と適合するように選択される。
図３Ｃは、上側電極１２と接続層１６との間に複数の制御層２６、２６’を有し、且つ下側電極１４と接続層１６との間に複数の制御層２８、２８’、２８’’を有するさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、制御層２６’は、上側電極１２と適合するように選択され、制御層２８は、下側電極１４と適合するように選択される。他の制御層２６、２８’’は接続層１６と適合するように選択される。層２６、２６’２８、２８’２８’’はそれぞれ、接触している他の個々の層２６、２６’２８、２８’、２８’’とも適合することが理解されるべきである（たとえば、層２８’は、層２８、２８’’と適合する）。接続層１６と個々の電極１２、１４との間には、任意の数の制御層２６、２８が設けられることがあることが理解されるべきである。
制御層２６、２８は、デバイス１０の熱的安定性及び／又は化学的安定性に都合よく寄与することができる。一般的に、異種の材料によって、電気化学的又は電気物理的に切り替えることができるようになる。複数の制御層２６、２６’、２８、２８’、２８’’（図３Ｃに示される）を有するデバイス１０の実施形態では、これらの層のうちのいくつか（たとえば、２８’）が、他の層間（たとえば、２８と２８’’との間）の相互作用を都合よく制御することができる。
一実施形態では、接続層（複数可）１６及び制御層（複数可）２６、２８のうち一方又は両方が、たとえば、ＣＭＯＳ処理のような後続の半導体処理と実質的に適合するようになっている材料、分子又は化合物から形成される。接続層（複数可）１６及び制御層２６、２８が適合することができる他の処理技法は、限定はしないが、ＭＯＳ処理、バイポーラ処理、シリコン処理、シリコン−ゲルマニウム処理、ガリウムヒ素処理、ＩＩＩ−Ｖ処理、又はＩＩ−ＶＩ処理を含む。
ここで、図４を参照すると、スイッチングデバイス１０の別の実施形態が示される。限定はしないが、この例では、接続層１６は、その中に、ナノ微粒子３０及び／又は相分離した化合物３２が埋め込まれている。限定はしないが、適当なナノ微粒子３０の例には、銅、銀、金、パラジウム又はプラチナナノ微粒子が含まれ、且つ限定はしないが、適当な相分離した化合物３２の例には、たとえば、Ｃｕ２+δＳ及びＡｇ２+δＳのような、不定比カルコゲニド化合物が含まれる。
層１６が接合部内に配置される前に、ナノ微粒子３０及び／又は相分離した化合物３２を材料に加えて、接続層１６を形成することができることは理解されるべきである。さらに、粒子３０又は化合物３２は、その材料全体にわたって、実質的に均一に、又は実質的に不均一に混合されることがあることは理解されるべきである。さらに、接続層１６の複数のエリアが、実質的に均一に混合されたナノ微粒子３０及び／又は相分離した化合物３２を有することがあり、一方、接続層１６の他のエリアは、実質的に不均一に混合されたナノ微粒子３０及び／又は相分離した化合物３２を有することがあることは理解されるべきである。
図４に示される実施形態は、制御層２６、２８と、ナノ微粒子３０及び相分離した化合物３２を含有する接続層１６とを示すが、これらの特徴部３０、３２の全て、又はいくつかの組合せがスイッチングデバイス１０の中に含まれることがあるか、又は、いずれも含まれないことがあることが理解されるべきである。
図５はスイッチングデバイス１０の別の実施形態を示す。この実施形態では、下側電極１４が基板３４上に設けられる。任意の適当な基板材料を用いる事ができ、一実施形態では、基板３４はシリコン、ガラス、高分子材料（限定はしないが、その例には、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエステル、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）等が含まれる）、ＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−ＶＩ半導体等、及び／又はこれらの組合せであることが理解されるべきである。
図に示されるように、下側電極１４は、制御層２８及び接続層１６で実質的に覆われる。この実施形態では層２８、１６は、下側電極１４に対して実質的に適合し／一面を覆うように材料を配置する工程を介して設けられる。
図５は、接続層１６の一部を覆うように、上側電極１２及び制御層２６がパターニングされることがあることを示す。種々の層１６、２６、２８及び／又は電極１２、１４のうちのいくつか、又は全てがパターニングされてもよいことが理解されるべきである。それゆえ、層１６、２６、２８及び／又は電極１２、１４の任意の所望の組合せをパターニングし、且つ／又はパターニングしないままにしてもよい。限定はしないが、適当なパターニング技法の例には、従来の半導体リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ等が含まれる。別の実施形態では、電極１２、１４及び／又は層１６、２６、２８を自己組織化して、所望のパターンにすることができる。
ここで、図６を参照すると、交差ワイヤスイッチングデバイス１０が、それぞれ金属ワイヤ及び／又は半導体ワイヤであり、０度以外の或る角度で交差する２つのワイヤ（たとえば、電極）１２、１４を含む。ワイヤ１２、１４はそれぞれ、個々の制御層２６、２８でコーティングされる。ワイヤ１２、１４間には、材料、すわなち分子及び／又は分子化合物から成る接続層１６が配置される。この例示的な実施形態では、接続層１６は、２つのワイヤ１２、１４の交差部（本明細書では、同じ意味で接合部とも呼ばれる）に狭持され、スイッチＲｓとして特定されるアクティブ分子（複数可）１８を含む。ワイヤ１２、１４は、図６では実質的に円形の断面を有するように示されるが、たとえば、リボンのような形状、実質的に長方形の形状、実質的に正方形の形状、不規則な形状等の他の断面形状も、本開示の範囲内にあるものとみなされることは理解されるべきである。
接続層１６のアクティブなエリアを、電気化学的方法及び／又は電気物理的方法によって切り替えることができることは理解されるべきである。限定はしないが、そのような方法の例には、エレクトロマイグレーション、化学反応、相変化、拡散、化学種再分布、相分離又はこれらの組合せが含まれる。デバイス１０が、電界、電位、電流又はこれらの組合せの影響を受けているときに、結果として、エレクトロマイグレーションが生じることがある。そのような影響の結果として、温度変化が生じることがあることが理解されるべきである。化学反応（後に説明されるレドックス反応以外）は、電界、電流、ポテンシャル変化、温度変化又はこれらの組合せによって引き起こされる電子伝導チャネルの形成を含む。さらに、拡散、化学種再分布及び相分離は、電界、電位、電流、温度変化又はこれらの組合せによって促進されることがある。
本明細書において説明されるスイッチ１０は通常、２つの状態を有し、第１の状態から第２の状態に不可逆的に切り替えられることができるか、又は第１の状態から第２の状態に可逆的に切り替えられることができる。後者の場合、２つの取り得る状態がある。一方の状態では、所与の状態に切り替わった後に、電界（又は、たとえば、ポテンシャル変化のような他の条件）が取り除かれることがあっても、分子を以前の状態に切り替えて戻すために逆の電界（条件）が加えられるまで、分子がその状態を維持することになり（「ラッチされ」）、他方の状態では、電界（条件）が取り除かれると、分子は以前の状態に戻り、それゆえ、その分子を以前の状態に切り替えることが望まれるまで、分子を切り替えられた状態にしておくために、電界（条件）が維持されなければならない。上記のスイッチング機構は例示であり、本開示の範囲を限定することは意図していないことは理解されるべきである。
先に簡単に述べられたように、接続層１６は、接続層１６の内外に材料（複数可）及び／又はイオンを拡散することによって変更されることがある。この実施形態（複数可）では、制御層（複数可）２６、２８が、材料及び／若しくはイオンの供給源又は吸収体としての役割を果たし、それにより、接続層１６において生じる変化を制御することができる。そのような変化／変更の結果として、デバイス１０が切り替わることができる。
接続層１６の性質によっては、他の方法でスイッチ１０を動作させることもできる。一実施形態では、接続層１６はスイッチ分子１８（たとえば、有機材料又は無機材料）を含み、その分子は、電界（Ｅ）の影響下で、たとえば、電気化学的な酸化／還元（レドックス）反応によって、又はかけられる電界（Ｅ）によって引き起こされる分子１８のバンドギャップの変化によって、２つもしくはそれ以上の活動的な状態間で切り替わる。
前者の場合、ワイヤ及び／又は電極１２、１４間に適当な電圧が印加されるときに、スイッチ分子Ｒｓ、制御層２６、２８、及び／又は接続層１６内に埋め込まれる粒子が酸化されるか、又は還元される。分子が酸化（還元）されるときに、第２の化学種が還元（酸化）され、電荷が平衡になるようにする。その際、これら２つの化学種は、レドックス対と呼ばれる。一例では、分子が還元（酸化）され、ワイヤ１２、１４のうちの一方が酸化（還元）される。別の例では、制御層２６、２８に関連付けられる酸化物（たとえば、ＰｔＯｘ）が還元され、分子（たとえば、接続層１６内のレドックス分子）が酸化される。そのような場合には、酸化又は還元が、２つのワイヤ１２、１４間のトンネリング距離又はトンネリング障壁高に影響を及ぼし、それにより、ワイヤ接合部にわたる電荷輸送の速度を指数関数的に変更し、スイッチのための基本構造としての役割を果たすことができる。そのようにレドックスとしての挙動を示す分子１８の例には、ロタキサン、擬似ロタキサン、レドックスナノ微粒子及びカテナンが含まれる。２００２年１０月１日にＪａｍｅｓ Ｒ． Ｈｅａｔｈ他に対して認められた「Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する米国特許第６，４５９，０９５号を参照されたい。なお、この特許の開示は参照により、全体が本明細書に援用される。
さらに、制御層２６、２８は、電極１２、１４を適当な分子、すなわち電子吸引基（三フッ化ホウ素（ＢＦ３）のようなルイス酸）又は電子給与基（アルキルアミンのようなルイス塩基）のいずれかで変調ドープし、これらの電極をそれぞれｐ型半導体又はｎ型半導体にするための役割を果たすことができる。制御層２６、２８は、本明細書に記載のいずれの物質であってよく、且つ変調ドープコーティング、トンネリング障壁（たとえば、酸化物）又は他のナノスケールで機能する機能する適当な物質を含んでいて良い。
後者の場合には、電界誘起の変化に基づく接続層１６の例には、２００１年３月２９日に出願され、２００２年１１月２８日に第２００２／０１７６２７６号として公開された特許出願第０９／８２３，１９５号において開示され、特許請求されるような、電界（Ｅ）（Ｅ−ｆｉｅｌｄ）誘起のバンドギャップ変化を含む。その出願は、参照により全て本明細書に援用される。電界（Ｅ）誘起バンドギャップ変化手法において用いられる分子の例には、分子立体配座変化若しくは異性化、化学結合変化によってバンドギャップを変更するための拡張共役の変化、又は分子折畳み若しくは伸長を証明する分子が含まれる。
化学結合変化によってバンドギャップを変更するための拡張共役の変化は、バンド局在化の増減を伴う電荷分離若しくは再結合、又は電荷分離若しくは再結合及びπ結合破壊又は形成による拡張共役の変化のうちの１つの方法において果たすことができる。
特に電界（Ｅ）誘起バンドギャップ変化に基く、色切替分子類似体も知られている。たとえば、２００４年７月１３日にＸｉａｏ−Ａｎ Ｚｈａｎｇ他に対して認められた「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｂａｎｄ ｇａｐ ｃｈａｎｇｅ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｂｙ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」と題する米国特許第６，７６３，１５８号を参照されたい。この特許は参照により全体が本明細書に援用される。
ここで、図７を参照すると、複数のスイッチ１０／スイッチ１０のアレイ２４を形成し、クロスバースイッチを形成するために、スイッチ１０を２次元のアレイとして複製することができる。図７は、６×６アレイ２４を示す。しかしながら、本明細書の実施形態は、アレイ２４における構成要素、すなわちスイッチ１０の特定の数には限定されるべきでないことは理解されるべきである。ただ１つの点、たとえば２ｂにアクセスすることは、上記のように、ワイヤ２及びｂ上に電圧を印加して、その接合部において接続層１６の状態の変化を引き起こすことによって果たされる。したがって、予め選択されたものを構成するために、各接続部へのアクセスを容易に利用することができる。クロスバースイッチアレイ２４の動作の詳細は、２０００年１０月３日にＰｈｉｌｉｐ Ｊ． Ｋｕｅｋｅｓ他に対して認められた「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｗｉｒｅ Ｃｒｏｓｓｂａｒ Ｍｅｍｏｒｙ」と題する米国特許第６，１２８，２１４号にさらに詳細に説明されており、この特許は参照により全体が本明細書に援用される。
本開示の実施形態は、限定しないが、以下のことを含む。数多くの利点を提供する。スイッチング機構１０の実施形態（複数可）は、電子デバイス及び／又は光学デバイスにおいて用いることができる。制御層（複数可）２６、２８によって、電子物理的反応経路又は電子化学反応経路を都合よく制御できるようになり、それにより、デバイスの特性を制御できるようになる。さらに、制御層（複数可）２６、２８は、限定はしないが、熱安定性、化学的安定性、速度、信頼性、寿命又はこれらの組合せを含む、デバイスの特性を大きく高める。
いくつかの実施例が詳細に説明されてきたが、開示される実施形態を変更できることは当業者には明らかであろう。それゆえ、これまでの説明は、限定するものではなく、例示とみなされるべきである。
２つの電極の交差部に接続層及び２つの制御層がある、２つの電極の概略的な斜視図である。 図１の線２−２に沿って見た概略的な断面図である。 ２つの電極の交差部において接続層の下に１つの制御層がある、２つの電極の概略図である。 ２つの電極の交差部において接続層の上に１つの制御層がある、２つの電極の概略図である。 ２つの電極の交差部において接続層の上下に複数の制御層がある、２つの電極の概略図である。 ２つの電極の交差部に２つの制御層及び接続層の別の実施形態がある、２つの電極の電極の概略図である。 その間に１つの接続層及び２つの制御層がある、２つの電極の別の実施形態の概略的な斜視図である。 ２つのワイヤの交差部に１つの接続層及び少なくとも１つの分子がある、２つの交差するワイヤを示す概略的な斜視図である。 ６×６クロスバースイッチを示す、スイッチの２次元アレイの概略図である。

Claims (10)

  1. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）の接合部において用いるための制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）であって、該制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、該ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）内の接続層（１６）及び少なくとも１つの電極（１２、１４）と化学的に適合する材料を含み、該制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、該デバイス（１０）の動作中に、電気化学的反応経路、電気物理的反応経路及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを制御するようになっている、制御層。
  2. 制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）であって、前記少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、酸化プラチナ、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉｘＯｙ（ただし、２ｙ／ｘは整数である）、炭化チタン、Ａｌ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＷＯ、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴａＯ２、酸化シリコン、窒化シリコン、銀、Ｃｕｌ２、Ｐｔ（ＯＨ）２、ＣｕＣｌ２、銅及びこれらの組合せから選択される、請求項１に記載の制御層。
  3. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）であって、
    少なくとも１つの下側電極（１４）と、
    少なくとも１つの上側電極（１２）であって、該少なくとも１つの上側電極（１２）は前記少なくとも１つの下側電極（１４）と０度以外の角度で交差し、それにより接合部を形成する、少なくとも１つの上側電極（１２）と、
    前記接合部内に動作可能に配置される少なくとも１つの接続層（１６）であって、該少なくとも１つの接続層（１６）は、電気化学的反応、電気物理的反応及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを介して、電子スイッチングを容易にするようになっている、少なくとも１つの接続層（１６）と、
    前記少なくとも１つの接続層（１６）と、前記少なくとも１つの下側電極（１４）及び前記少なくとも１つの上側電極（１２）のうちの少なくとも一方との間に設けられる少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）であって、該少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、該デバイス（１０）の動作中に、電気化学的反応経路、電気物理的反応経路及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを制御するようになっている、少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）とを備える、ナノスケール電子スイッチングデバイス。
  4. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）であって、前記少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、、酸化プラチナ、ＴｉＯ，ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉｘＯｙ（ただし、２ｙ／ｘは整数である）、炭化チタン、Ａｌ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＷＯ、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴａＯ２、酸化シリコン、窒化シリコン、銀、Ｃｕｌ２、Ｐｔ（ＯＨ）２、ＣｕＣｌ２、銅及びこれらの組合せから選択され、前記少なくとも１つの接続層（１６）は、Ａｇ２Ｓ、ポリアニリン、ステアリン酸カドミウム、硫化銅、セレン化ゲルマニウム、セレン化ゲルマニウム銀、酸化プラチナ、Ｔｉ３Ｏ５、ＴｉｘＯｙ（ただし、２ｙ／ｘは整数でない）、炭化チタン、ＡｌｘＯｙ（ただし、ｘは２でなく、ｙは３でない）、ＡｇｘＯｙ（ただし、ｘは２でなく、ｙは１でない）、ＷＯ、ＷｘＯｙ（ただし、ｙは２又は３ではない）、ＴａｘＯｙ（ＴａＯ２及びＴａ２Ｏ５を除く）、Ｃ１６Ｈ３２Ｏ２、Ｃ１７Ｈ３４Ｏ２、Ｃ１８Ｈ３６Ｏ２、Ｃ１９Ｈ３８Ｏ２、Ｃ２０Ｈ４０Ｏ２、Ｃ２１Ｈ４２Ｏ２、Ｃ２２Ｈ４４Ｏ２、Ｃ１４Ｈ１２Ｃｌ２Ｎ４Ｏ２、Ｃ１５Ｈ１６Ｎ２Ｏ３及びこれらの組合せから選択される、請求項３に記載のナノスケール電子スイッチングデバイス。
  5. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）であって、前記制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、前記少なくとも１つの接続層（１６）のための材料の仲介物としての役割を果たし、該材料は、ドーパント、金属イオン、金属及びこれらの組合せから選択される、請求項３および４のいずれかに記載のナノスケール電子スイッチングデバイス。
  6. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）であって、前記制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、前記少なくとも１つの接続層（１６）のためのイオンの供給源としての役割を果たす、請求項３および４のいずれかに記載のナノスケール電子スイッチングデバイス。
  7. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）であって、前記制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、前記少なくとも１つの接続層（１０）のためのドーパントの供給源又は吸収体の少なくとも一方としての役割を果たす、請求項３および４のいずれかに記載のナノスケール電子スイッチングデバイス。
  8. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）であって、前記制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、ナノ微粒子、フィラメント、ナノワイヤ又はこれらの組合せのうちの少なくとも１つを成長させる金属源としての役割を果たす、請求項３および４のいずれかに記載のナノスケール電子スイッチングデバイス。
  9. ナノスケール電子スイッチングデバイス（１０）を形成する方法であって、
    少なくとも１つの上側電極（１２）と少なくとも１つの下側電極（１４）とを０度以外の角度で交差させて、接合部を形成するステップ、及び
    前記接合部内に少なくとも１つの接続層（１６）を動作可能に配置するステップであって、該少なくとも１つの接続層（１６）は、電気化学的反応、電気物理的反応及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを介して、電子スイッチングを容易にするようになっているステップ、及び、
    前記少なくとも１つの接続層（１６）と、前記少なくとも１つの下側電極（１４）及び前記少なくとも１つの上側電極（１２）のうちの少なくとも一方との間に少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）を動作可能に形成するステップであって、該少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、前記デバイス（１０）の動作中に、電気化学的反応経路、電気物理的反応経路及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを制御するようになっているステップを含む、方法。
  10. 前記少なくとも１つの制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）は、i)前記少なくとも１つの接続層（１６）と、前記少なくとも１つの下側電極（１４）及び前記少なくとも１つの上側電極（１２）のうちの少なくとも一方との間の反応、並びにi i）前記少なくとも１つの接続層（１６）と、前記少なくとも１つの下側電極（１４）及び前記少なくとも１つの上側電極（１２）のうちの少なくとも一方との間に制御層（２６、２６’、２８、２８’、２８’’）を堆積することから選択される工程によって形成される、請求項９に記載の方法。
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