JP2010516053A - Electrical switching element - Google Patents
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Abstract
第1の層14と第2の層22とを含むスイッチング素子10であり、このスイッチング素子は、第1の状態と第2の状態とを有し、第1の状態において、第1の層14及び第2の層22が接触領域22において積層され、第2の状態において、第1の層及び第2の層が接触領域22において剥離され、このスイッチング素子は、当該スイッチング素子に対するスイッチング刺激の印加により第1の状態から第2の状態へと非可逆的に切り換わる。 The switching element 10 includes a first layer 14 and a second layer 22, and the switching element has a first state and a second state, and in the first state, the first layer 14 And the second layer 22 are stacked in the contact region 22, and in the second state, the first layer and the second layer are peeled off in the contact region 22, and the switching element applies a switching stimulus to the switching element. Thus, the first state is switched to the second state irreversibly.
Description
本発明は、第1の状態と第2の状態とで不可逆的にスイッチングするためのスイッチング素子に関する。 The present invention relates to a switching element for irreversibly switching between a first state and a second state.
本発明はさらに、かかる電気素子を組み込んだ装置に関する。 The invention further relates to a device incorporating such an electrical element.
安価で追記型(write-once-read-many)記憶装置を使用するのが容易な開発のための継続的な努力がある。このような装置は、1度プログラムされることが可能である一方、何度も読み取ることができる。良く知られた例には、正規のコンパクトディスク又は電気的装置におけるプログラマブル読出専用メモリ(PROM)がある。このような装置の全ては、1度切り換えられるが多数回読み取られることのできるスイッチング素子を必要とする。 There is an ongoing effort for development that is cheap and easy to use write-once-read-many storage. While such a device can be programmed once, it can be read many times. A well-known example is a programmable read only memory (PROM) on a regular compact disk or electrical device. All such devices require switching elements that can be switched once but read multiple times.
米国特許出願に係る文献のUS2004/0149552には、このようなスイッチング素子の例が開示されている。この開示された装置は、2つの金属導電素子の間でこれらに接触して挟まれた導電性有機ポリマ層を有する電子メモリ素子として用いられる電子スイッチを有する。初期の製造後の状態において、有機ポリマは比較的に導電性が高く、当該製造後の状態は、使われる符号化規約に応じて、例えば2進ビット0又は1を表すように機能することの可能なメモリ素子の第1の状態を構成する。比較的高い電圧パルスは、かかる2つの金属導電素子の間に印加可能であり、この結果、当該有機ポリマの通電容量が著しく減少することになる。有機ポリマ層の通電容量の変化は、概して非可逆性であり、他の2進ビット1又は0を符号化するために用いられることの可能なメモリ素子の第2の安定状態を構成する。開示された例では、有機導電層は、市販のポリエチレンジオキシチオフェン:ポリスチレンスルホン酸(polyethylenedioxythiophene (PEDOT):pylostyrenesulphonic acid (PSS))を構成する。PEDOT:PSSを用いて、高電圧パルスの後の導電性の低下は、2桁から3桁の間にある。
An example of such a switching element is disclosed in US 2004/0149552, a document relating to a US patent application. The disclosed device comprises an electronic switch used as an electronic memory element having a conductive organic polymer layer sandwiched between and in contact with two metal conductive elements. In the initial post-manufacturing state, the organic polymer is relatively highly conductive, and the post-manufacturing state functions to represent, for example,
このPEDOT:PSS材料の選択では、多くの装置パラメータが、両方の状態における導電性及び印加すべきスイッチング電圧など相互に関係づけられることが不利な点である。何故なら、これらのうちの全てが同じ材料に依拠しているからである。これは、スイッチング素子を必要とする装置に対するデザイン仕様関係について当該スイッチング素子の適切なデザインの妨げとなる。 The selection of this PEDOT: PSS material has the disadvantage that many device parameters are interrelated, such as conductivity in both states and the switching voltage to be applied. Because all of these depend on the same material. This hinders the proper design of the switching element with respect to the design specification relationship for devices that require the switching element.
したがって、本発明の第1の目的は、デザインの自由度を向上させることになるスイッチング素子及び当該素子を組み込む装置を提供することである。 Accordingly, a first object of the present invention is to provide a switching element that improves the degree of design freedom and a device incorporating the element.
本発明は、独立請求項により規定される。従属請求項は、有利な実施例を規定するものである。 The invention is defined by the independent claims. The dependent claims define advantageous embodiments.
本発明は、スイッチング素子のスイッチングの間において、当該スイッチの状態の変化、すなわち第1の状態から第2の状態への変化は、第1の層を第2の層から剥離する形態で当該素子の物理的完全性の変化を引き起こすことによって有利に行われる、という洞察に基づいている。かかる層状剥離は、発生したガスが接触領域において第1及び第2の層を離れて押すように当該スイッチング信号を供給するとガス種を提供する化合物を第1及び第2の層のどちらか又は両方に供給することによって実現される。ここでの積層は、スイッチング前に第1の状態において当該接触領域で第1の層と第2の層との間の或る特定の相互作用があることを意味するものとして解釈されることを意味するものである。これを、例えば、粘着分子力とすることができる。さらに、剥離は、第1及び/又は第2の層が、ヒューズのようにして崩壊され或いは爆発装置におけるが如く当該スイッチング素子から部分的に除去されるようなものから、本提示のスイッチングメカニズム及び装置を区別するものでもある。 According to the present invention, during switching of the switching element, the change of the state of the switch, that is, the change from the first state to the second state is performed in such a form that the first layer is peeled off from the second layer. It is based on the insight that it is done advantageously by causing a change in the physical integrity of Such delamination can be accomplished by supplying a compound that provides a gas species when the switching signal is applied so that the generated gas pushes away the first and second layers in the contact area, either or both of the first and second layers. It is realized by supplying to. Stacking here is to be interpreted as meaning that there is a certain interaction between the first layer and the second layer in the contact region in the first state before switching. That means. This can be, for example, adhesive molecular force. In addition, delamination is from such that the first and / or second layer can be collapsed as a fuse or partially removed from the switching element as in an explosive device, and the present switching mechanism and It is also what distinguishes the devices.
スイッチングによりガス種を提供する化合物は、例えば、ガス種を放出するようにではあるが何らかの種類の爆発をなさないように気化又は化学的に反応する化合物を意味すると解釈されるべきものである。したがって、本発明は、例えば密集したスイッチング素子を有するアレイがメモリにおいて用いられる状況及び/又は装置の完全性が極めて重大である状況に関して有利である。化学反応は、ガスを放出する化合物となる光化学反応や熱誘導反応を含む。 A compound that provides a gas species by switching should be taken to mean, for example, a compound that vaporizes or chemically reacts so as to release the gas species but not cause any kind of explosion. Thus, the present invention is advantageous for situations where, for example, an array with dense switching elements is used in a memory and / or where the integrity of the device is critical. The chemical reaction includes a photochemical reaction or a heat induction reaction that becomes a gas releasing compound.
本発明は、スイッチングが、第1の層及び/又は第2の層の特性を変える必要性ではなく当該装置の物理的完全性の変化に基づいているので、従来技術に対して有利なものである。 The present invention is advantageous over the prior art because switching is based on a change in the physical integrity of the device rather than the need to change the properties of the first layer and / or the second layer. is there.
本発明によるスイッチング処理は、自己制限型の処理を含む。このような処理は、信頼性の高い制御可能なスイッチングとなるので有利である。 The switching process according to the present invention includes a self-limiting process. Such a process is advantageous because it provides highly reliable and controllable switching.
かかるスイッチング刺激を、電気信号、放射線信号又は加熱信号とすることができる。 Such a switching stimulus can be an electrical signal, a radiation signal or a heating signal.
好適実施例において、当該スイッチング刺激は、電子信号を有する。 In a preferred embodiment, the switching stimulus has an electronic signal.
この実施例の第1の変形において、電気信号は、当該化合物を気化するよう熱を出す加熱素子を駆動することができる。加熱素子は、第1又は第2の層のいずれかにより提供されるようにすることができる。このことは、そのような場合に、当該接触領域内の接触表面で少なくとも気化が行われそれに伴いガスが必要となる領域で有効となるので、有利なものとなる。他の代替例において、当該電気信号は、電解又は分解におけるが如き化合物の直接的化学反応をもたらすものとなりうる。これは、この場合に、熱が必要とされないので有利である。電解は、比較的低い電圧で起きるので有利である。低い電圧で便利に電気分解が可能な化合物の好適な例は水である。 In a first variant of this embodiment, the electrical signal can drive a heating element that generates heat to vaporize the compound. The heating element can be provided by either the first or second layer. This is advantageous in such a case, since it is effective at least in the area where vaporization is performed on the contact surface in the contact area and gas is required accordingly. In other alternatives, the electrical signal can result in a direct chemical reaction of the compound, such as in electrolysis or decomposition. This is advantageous in this case because no heat is required. Electrolysis is advantageous because it occurs at relatively low voltages. A preferred example of a compound that can be conveniently electrolyzed at low voltages is water.
実施例において、スイッチング刺激は放射線を有する。これは、例えば、例えば可視又はUV光を用いた素子の非接触スイッチングを可能にする。そのような場合、当該スイッチング素子は、光学的に切り換えられる。1つの変形例において、当該放射線は、剥離を生じさせるように気化をなす化合物を加熱する。但し、加熱が好まれない場合、放射線が光化学反応におけるが如きガスを放出するよう当該化合物を化学反応させるようにした有利な変形が用いられる。 In an embodiment, the switching stimulus has radiation. This allows, for example, contactless switching of the device using, for example, visible or UV light. In such a case, the switching element is optically switched. In one variation, the radiation heats the vaporizing compound to cause delamination. However, if heating is not preferred, an advantageous variant is used in which the compound is chemically reacted so that the radiation releases a gas as in a photochemical reaction.
実施例において、当該接触表面の少なくとも一部は、支持層内のキャビティに位置づけられる。当該接触領域が内部封入される場合、剥離に必要なガス種は、それらの剥離効果を奏することなく当該接触領域の周囲の中へ拡散することを十分に回避させられる。支持層の効果は、そのガス浸透性に依存しており、それが低いほど、その層がその機能を良好に提供する。支持層は、適切なガス浸透性を有する材料のものとすることができる。これは、フォトレジストのような有機性のもの又は二酸化シリコンにおけるが如き無機性のものとすることができる。 In an embodiment, at least a part of the contact surface is located in a cavity in the support layer. When the contact area is encapsulated, it is possible to sufficiently prevent the gas species necessary for peeling from diffusing into the periphery of the contact area without exhibiting the peeling effect. The effect of the support layer depends on its gas permeability, the lower it is, the better the layer provides its function. The support layer may be made of a material having an appropriate gas permeability. This can be organic such as a photoresist or inorganic such as in silicon dioxide.
実施例において、当該スイッチング素子は、その第1の状態が第1の電気的状態を表しその第2の状態が第2の電気的状態を表す電気スイッチである。電気的状態は、電気抵抗、電気容量及び/又は電気誘導の状態又はその混合を意味するものである。したがって、剥離は、第1の層から第2の層までの接触領域にわたり測定される電気的抵抗の増加を誘導することになる。同様に、かかる剥離は、第1の層と第2の層との間にある空間を誘導し、これにより、当該接触領域にわたり測定されるような接触領域のキャパシタンスは、スイッチングにより変わることになる。この実施例は、当該スイッチング素子が、例えば装置の異なる回路部分を接続又は接続解除するような電気的素子として機能しなければならない場合に有利である。また、これはヒューズとして機能するようにしてもよい。さらに、これは、その内容の読み取りが、電気的状態の変化を検知することによって電気的に行われることのできる場合、追記型電気的メモリ素子として有利に用いられることが可能である。なお、スイッチングは、ここで前に説明したように必要に応じて行われるようにしてもよい。 In an embodiment, the switching element is an electrical switch whose first state represents a first electrical state and whose second state represents a second electrical state. An electrical state means a state of electrical resistance, electrical capacitance and / or electrical induction or a mixture thereof. Thus, delamination will induce an increase in electrical resistance measured over the contact area from the first layer to the second layer. Similarly, such delamination induces a space between the first layer and the second layer, so that the capacitance of the contact area as measured across the contact area is changed by switching. . This embodiment is advantageous when the switching element has to function as an electrical element, for example to connect or disconnect different circuit parts of the device. It may also function as a fuse. Furthermore, it can be advantageously used as a write-once electrical memory element if the reading of its contents can be done electrically by detecting a change in electrical state. Note that switching may be performed as necessary as described above.
好適実施例において、第1の層及び第2の層は、電気的に伝導するものである。抵抗は、メモリ内で容易に検知可能であるので、抵抗性のスイッチング素子が好ましい。当該層のうちの1つは、電極層とすることができる。そのような場合、金属はガスに対して比較的に非透過性であるので、金属により形成されるのが好ましい。これは、ここでの上記支持層に関して明らかとされるような理由のために有利である。 In a preferred embodiment, the first layer and the second layer are electrically conductive. Resistive switching elements are preferred because the resistance can be easily detected in the memory. One of the layers can be an electrode layer. In such a case, the metal is preferably made of a metal because it is relatively impermeable to gas. This is advantageous for reasons that will become apparent with respect to the support layer herein.
実施例において、第1の層及び第2の層のうちの少なくとも一方は、他の化合物を有し、当該他の化合物は、導電性の化合物である。 In an embodiment, at least one of the first layer and the second layer has another compound, and the other compound is a conductive compound.
好ましくは、当該層の抵抗性は、ガス種を供給することのできる化合物とは異なる他の化合物によって決まるものである。その場合、当該化合物は、設計自由度、及び主にガス種を供給することのできる化合物に依存したスイッチング条件とは独立した他の化合物の特性に応じて第1の状態の導電性を選択する機会を提供するものが独立して選択可能である。 Preferably, the resistance of the layer is determined by another compound that is different from the compound capable of supplying the gas species. In that case, the compound selects the conductivity of the first state according to the degree of freedom in design and the characteristics of other compounds independent of the switching conditions depending mainly on the compound capable of supplying the gas species. Those that provide the opportunity can be independently selected.
実施例において、スイッチング素子は、ミラー層を有し、このミラー層は、スイッチング素子の第1の状態においては第1の形状を、当該スイッチの第2の状態においては当該第1の形状とは異なる第2の形状を有する。ここで、ミラー層は、放射線を反射する層を意味する。これは、非接触でかつ例えば電気的スイッチング機構とは別個(これにより干渉なし)である放射線を用いることにより当該スイッチの状態の検出を可能とするので、利点である。当該ミラー層は、第1及び第2の層のうちの一方とすることができるが、これは、当該剥離による第1及び/又は第2の層の変形が当該ミラー層の変形をもたらすようにスイッチング装置を介して十分に変換するように設けられる必要はない。このミラー層は、金属で形成されるのが好ましく、よって、実現可能な電極層は、ミラー層として有利に機能することができる。 In the embodiment, the switching element has a mirror layer, and this mirror layer has the first shape in the first state of the switching element and the first shape in the second state of the switch. Having a different second shape. Here, the mirror layer means a layer that reflects radiation. This is advantageous because it allows detection of the state of the switch by using radiation that is non-contact and separate from, for example, an electrical switching mechanism (and thus without interference). The mirror layer can be one of the first and second layers so that deformation of the first and / or second layer due to the delamination results in deformation of the mirror layer. It is not necessary to provide sufficient conversion through the switching device. This mirror layer is preferably made of metal, so that a feasible electrode layer can advantageously function as a mirror layer.
実施例において、この装置は、当該装置の2つの部分を電気的に分断するための請求項5によるスイッチング素子を有する。
In an embodiment, the device comprises a switching element according to
実施例において、装置は、請求項8によるスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子は、スイッチ可能なミラーを提供する。
In an embodiment, the device comprises a switching element according to
実施例において、装置は、請求項1に記載のスイッチング装置を有し、当該スイッチング素子は、情報を格納するためのメモリ素子である。
In an embodiment, the apparatus comprises a switching device according to
2006年のネイチャー(Nature)441誌又は未公表国際出願のIB2006/052510には、キャビティにおける金電極に接触するために用いられるPEDOT/PSS電極を備えた容量性デバイスが開示されている。当該金とPEDOT/PSS層との間には、当該デバイスがキャパシタ又は分子接合を構成するような自己組織化システム又は単分子層がある。 2006 Nature 441 or unpublished international application IB 2006/052510 discloses a capacitive device with a PEDOT / PSS electrode used to contact the gold electrode in the cavity. Between the gold and the PEDOT / PSS layer is a self-assembled system or monolayer where the device constitutes a capacitor or molecular junction.
本発明のこれらの態様及びその他の態様は、以下の図面に基づいてより詳しく説明される。
図1は、本発明のスイッチング素子の第1の実施例を概略的な断面図として示している。この図は一律の尺度で描かれていない。スイッチング素子10は、基板12、この例では4インチ(10cm)の直径を持つシリコンウェーハ上に形成される。この例における基板12は、酸化シリコン(図示せず)の熱成長した層で不動態化(パッシベート)させられる。但し、この層は、本発明に必須なものではない。金電極14は、厚さ40nmの金が後付けされる厚さ1nmのクロム又はチタンの熱蒸発と、ポジ型フォトレジスト(HPR504TM)、当該フォトレジストのマスク規定露光及び冗長金のエッチングを用いた標準的なフォトリソグラフィによるパターニングによって形成される。その後、この基板は、発煙硝酸を用いて洗浄され、その後に脱イオン化水ですすぎ落とされる。
FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of the switching element of the present invention. This figure is not drawn to scale. The switching
その後、電気的絶縁層16は、金電極をもカバーする基板の頂部上に塗布される。キャビティ18は、当該金電極が接触領域20にわたり露光されるように金電極14の上方に絶縁層16において規定される。本例において、厚さ500nmのネガ型フォトレジスト(ma_N 1407TM又はL6000.5TM)は、仕様に従って標準的処理でパターン化された絶縁層16として用いられる。このようにして、シリコン基板には、1ないし50ミクロンの範囲内の直径の円形接触領域を各々が有する複数のキャビティが設けられたものとなっている。
Thereafter, an electrically insulating
かかるキャビティを満たすよう基板へ中間層22を供給する前に、当該接触領域は、先ずUVオゾン又はO2プラズマにかけることにより洗浄され、その後にエタノール浴又はN2/O2プラズマのような還元ステップがなされる。この例において、当該中間層は、界面活性剤(FSO100TM(DuPont))の数滴が混入されたH.C. Starck A.Gにより供給されるように水中にポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)及びポリスチレンスルホン(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)及びpolystyrenesulphonic;PEDOT/PSS)を有する導電性ポリマ組成物の厚さ100ないし200nmの層をスピンコートし、この膜を1時間にわたり真空中において室温で乾燥させることによって形成される。この膜は、概して1S/cmの導電性を有する。
Prior to supplying the
そして、第2の電極24は、PEDOT/PSS膜の頂部上に設けられる。そして、この例では、厚さ100nmの金の層が蒸着させられ又はスパッタリングされ、パターン化後に金電極がそのエッチング後に残存しなければならない場合を除き全ての個所において基板から除去されるようにパターン化されるポジ型フォトレジスト(HPR504TM)の厚さ500nmの層を用いてフォトリソグラフィの処理を用いて構成される。金の第2の電極24は、スパッタエッチングを用いてエッチングされ、その後に、PEDOT/PSS層22は、マスクとして当該金の第2の電極を用いてO2プラズマでのSTS RIEエッチングを用いてエッチングされる。
The
テストスイッチング素子において、電極14及び24は、例えばプローブステーションを用いたスイッチング素子の接触がキャビティを崩壊させないように当該頂部から基板を見たときに当該キャビティの近くに位置づけられるパッドを結合するよう接続されるようにしてパターン化される。図3Aには、組み立てられたスイッチング素子のSEM画像が示される。円形領域25は、スイッチング素子のキャビティの輪郭を表している。
In the test switching element, the
異なる接触領域を有するスイッチング素子の電流電圧特性(IV)は、それらの第1及び第2の電極を電源に接続しバイアスを0から5Vに立ち上げることにより周囲条件の下でそれらを維持しつつ測定される。かかるスイッチングを示すために、図2Aには、例として、50ミクロンの直径を持つ接触領域を有するスイッチング素子の電流電圧特性26の一部が示される。1Vのバイアスまでは当該素子は線形抵抗のように振る舞うものの、1Vを超えるバイアスでは、当該抵抗は、初めにゆっくりと増加し始め、最終的に非常に急激に5桁の大きさで増加する。この抵抗の増加は可逆的である。さらに、切り換わる素子の第2の記録は、当該素子が線形の抵抗器としてだが異なる抵抗を持つものとして継続的に振る舞うことを示している。したがって、第1の低い抵抗が当該スイッチング素子の第1の状態を規定するとともに、第2の高い抵抗は、当該スイッチング素子の第2の状態を規定する。
The current-voltage characteristics (IV) of switching elements with different contact areas are maintained under ambient conditions by connecting their first and second electrodes to a power source and raising the bias from 0 to 5V. Measured. To illustrate such switching, FIG. 2A shows, by way of example, a portion of the current-
かかるスイッチングはまた、当該スイッチング素子を2VブロックパルスにかけることによってIV26の記録のために用いられるような同様の素子の記録がある図2Bの電流トランジェント(It)28からも明らかである。この場合、4桁の大きさの抵抗変化が、当該スイッチング素子の第1及び第2の状態を分離するように誘導される。したがって、2Vのみのスイッチング電圧を用いることで、当該素子は、都合良く切り換えられる。 Such switching is also evident from the current transient (It) 28 of FIG. 2B where there is a similar element recording as used for IV26 recording by subjecting the switching element to a 2V block pulse. In this case, a resistance change of four orders of magnitude is induced to separate the first and second states of the switching element. Therefore, by using a switching voltage of only 2V, the element can be conveniently switched.
図2A及び図2Bはまた、当該素子を真空状態に維持しながら、IV26及びIt28を記録するために用いられるものと同様のスイッチング素子をそれぞれ記録したIV30及びIt32を示している。スイッチングは観測されない。また、140℃での素子の記録があるIt34も、スイッチングを呈しない。電流は、長い時間期間にわたり、少なくとも10秒を超えて一定のままである。 2A and 2B also show IV30 and It32, respectively, recording switching elements similar to those used to record IV26 and It28 while maintaining the element in a vacuum. Switching is not observed. Also, It34, which has element recording at 140 ° C., does not exhibit switching. The current remains constant over at least 10 seconds over a long period of time.
スイッチング電圧は、ここで上述した接触領域の範囲内の接触領域のサイズとは独立している。 The switching voltage is independent of the size of the contact area within the contact area described here.
図3Aにはスイッチング前のスイッチング素子の画像が示され、図3Bにはスイッチング後の結果が示される。かかる結果は、切り換えられたスイッチング素子の全てに対して代表的なものである。25に繋がるキャビティの頂部上の領域内の電極24は、球面状又は球形状に変形されることになるよう上方に押されたものである。
FIG. 3A shows an image of the switching element before switching, and FIG. 3B shows the result after switching. Such a result is typical for all of the switched switching elements. The
図4A及び図4Bは、スイッチング後のスイッチング素子の断面の画像を示しており、PEDOT/PSS層22は間にある空隙又は空間36を形成するよう金電極14から剥離していることが認識できる。
4A and 4B show images of the cross-section of the switching element after switching, and it can be seen that the PEDOT /
スイッチングのメカニズムは次の如くである。概して2Vよりも高い電圧では、水が電解されて、かかる剥離を生じさせるガス種H2及び/又はO2を供給する。ここで前述したような混合物を用いるものの添加のジメチルスルホキシドを伴ったPEDOT/PSSのスピンコーティングが概して100倍PEDOT/PSS層の導電性を向上させるとともに当該スイッチング電圧が概ね1Vにまで減少することが観察されている。これは、専ら低電圧を利用可能とする装置における当該スイッチング素子の適用に対して有利なものとなる。 The switching mechanism is as follows. At voltages generally higher than 2V, water is electrolyzed to provide the gaseous species H 2 and / or O 2 that cause such exfoliation. Although using a mixture as described above, spin coating of PEDOT / PSS with added dimethyl sulfoxide generally improves the conductivity of the PEDOT / PSS layer by a factor of 100 and reduces the switching voltage to approximately 1V. Has been observed. This is advantageous for the application of the switching element in a device that allows exclusively low voltages.
したがって、本実施例による装置は、米国特許出願に係る文献のUS2004/0149552A1の中で示されているように有利となるスイッチングによる大幅に低いスイッチング電圧の、増加した抵抗変化に関する従来技術文献に対して有利なものとなる。当該素子のスイッチングパラメータ及びスイッチング状態パラメータの独立した最適化である。 Therefore, the device according to this embodiment is in contrast to the prior art document on increased resistance change with significantly lower switching voltage due to advantageous switching as shown in the document US 2004/0149552 A1 in the US patent application. Is advantageous. Independent optimization of the switching parameters and switching state parameters of the device.
説明した実施例は、本発明から外れることなく、材料や幾何学的形状配置に関して差別化されることができる。 The described embodiments can be differentiated with respect to materials and geometrical arrangements without departing from the invention.
したがって、幾何学的な装置構成を変えることができる。電極24は、層22全体が当該キャビティ内でかつ電極14と24との間に設けられように層22をカバーするようにしてもよい。層22は、全体的に当該キャビティ内にあるものとして、電極24と接触するその表面も当該キャビティ内にあるものとするようにしてもよい。かかるキャビティの形状及び深さが適切に変更可能であることは明らかとなる。
Thus, the geometric device configuration can be changed. The
基板は、想定されるあらゆる基板も可能である。 The substrate can be any conceivable substrate.
層16は、異なる材料により形成可能である。有利なのは、ガスを接触表面において凝縮させたままとするためにガスの低い浸透性を提供する材料である。適切な他の有機材料を用いることもできる。また、二酸化シリコン又は窒化シリコンのような無機材料を用いることができる。これにより、半導体装置における集積化を促進する。当該装置が電気的スイッチである場合、層16は電気的に絶縁性であるのが好ましい。但し、スイッチング素子が電気的スイッチング素子でない場合、これは、その場合のものとする必要がない。
PEDOT/PSS層は、パターン化される必要がない。上述した例では、当該装置を通じる電流は、層16が絶縁性であるので接触領域20を通じるように強制される。よって、ガス形成層は、キャビティの直径内に限定される。
The PEDOT / PSS layer need not be patterned. In the example described above, the current through the device is forced through the
中間層22の導電性を、当該層のために異なる材料を選ぶことによって変化させることができる。したがって、代替えの実施例において、層22は、PEDOT/PSSのような導電体を有しないが、半導体又は当該半導体のそれよりも低い導電性を有する材料は有する。この材料は、有機性又は無機性を有するようにしてもよい。この態様において、異なる導電性を有する材料を選ぶことによって、スイッチング装置の第1の状態の抵抗を、当該スイッチング装置の寸法(キャビティ直径)を変える必要を伴うことなく変えることができる。これは、将来のサイズが予め規定されたパラメータである回路構成に関して有利となる。
The conductivity of the
層22の材料は、最も好ましいのは、導電性ポリマ、例えば、ポリマ材料による、特にその中の導電性の基による不純物(ドーパント)の相互作用の結果として導電性が生じるポリマ材料とするのが良い。これら材料の例は、アルコキシ、アルキル、アリールなどの側基により置き換えられることができるポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロールなどがある。或いは、接触層の材料は、銀、グラファイトなどが充填されるエポキシ又は他のポリマのような導電性素子が組み込まれる材料とすることができる。但し、これら後者の材料は、当該層の均等性がかなり小さく、その表面領域にわたる当該素子の均等性が低下するという点で、明らかにあまり好適ではない。
The material of
最も好ましいのは、導電ポリマとしてポリ−(3,4−置換チオフェン)を用いることである。この類のポリマの最も知られた例は、大抵はPEDOTと称される、3,4−アルキレンジオキシ置換によるものである。このアルキレン基は、オプションとして置換されるC1−C4−アルキレン基が好適であり、好ましくは、ここでは、C1ないしC12−アルキル−又はフェニル置換されたメチレン基、オプションとしてC1ないしC12−アルキル−又はフェニル置換された1,2−エチレン基、1,3−プロピレン基及び1,2−シクロへキシレン基からなるグループから選択される。界面活性剤のような導電性及び処理作用を増加させるよう添加剤を加えてもよい。 Most preferably, poly- (3,4-substituted thiophene) is used as the conductive polymer. The best known example of this class of polymers is by 3,4-alkylenedioxy substitution, often referred to as PEDOT. The alkylene group is preferably an optionally substituted C 1 -C 4 -alkylene group, preferably here a C 1 to C 12 -alkyl- or phenyl substituted methylene group, optionally C 1 to It is selected from the group consisting of C 12 -alkyl- or phenyl substituted 1,2-ethylene groups, 1,3-propylene groups and 1,2-cyclohexylene groups. Additives may be added to increase conductivity and processing effects such as surfactants.
ガス供給メカニズムがPEDOT/PSSのような電流搬送媒体に存在する水のような化合物の電解に依拠するものであれば、例えばポリアニリンのような他の化合物のために当該PEDOT/PSSを置換することにより層22の導電性を変えることによって、装置を切り換えるために或る特定の臨界電流が当該装置を通じるようにするために必要なスイッチング装置電圧の第1の状態の抵抗を制御することができる。より高い導電性は、より低いスイッチング電圧を意味する。当該層における電圧降下が著しく低い領域が存在することになり、これによりスイッチング電圧が当該導電性とはほぼ独立したものとなり、この領域内で、当該装置の第1の状態の抵抗は、当該スイッチング電圧を変えることなく層22のための適切な材料を選択することにより必要に応じて調整可能である。
If the gas supply mechanism relies on electrolysis of a compound such as water present in a current carrying medium such as PEDOT / PSS, replace the PEDOT / PSS for other compounds such as polyaniline By changing the conductivity of
一実施例において、ここで前述したものによる装置は、中間層22が低い導電性を有するポリビニルアルコール(PVA)であるものが提供される。このPVA層は、水中の加水分解された87〜89%PVA(Aldrich)の5重量パーセント溶液から100ないし200nmの層厚さまでスピンコートされる。この層は、1時間の間、室温で乾燥される。PVA層の導電性は、PEDOT/PSSのものよりも非常に低い。よって、スイッチング装置の第1の状態は、非常に高い。IV曲線において、電流は、低電圧時のナノアンペアレベルから当該素子が切り換わる概ね80V時のマイクロアンペアへと増加する。
In one embodiment, an apparatus according to what has been described herein is provided in which the
スイッチングのためにガス種を供給する他の化合物も、本発明による装置において用いることができる。したがって、これを例えば揮発性化合物とすることができる。或いは、当該化合物を、ガス種を供給する過程の進行する化学反応の結果として熱に感応性のあるものとする。これらのケースでは、抵抗性ヒータとして有利に用いられるような電極14は、すなわち、蒸着のために十分な熱を発生するような高い抵抗が付与される。有利な形で、この蒸着は、ほぼ、剥離させたい箇所の接触表面において行われる。この実施例は、第2の電極24を用いないスイッチング回路を提供する。よって、これは、当該スイッチの状態をサンプリングするために電極14及び24を用いることになる当該抵抗を測定するための電気回路から少なくとも一部が分離される。加熱は、例えばレーザを用いて行われるようにして、照射によっても行われることができる。
Other compounds that supply gas species for switching can also be used in the apparatus according to the invention. Thus, for example, this can be a volatile compound. Alternatively, the compound is sensitive to heat as a result of a chemical reaction that proceeds in the process of supplying the gas species. In these cases, the
また、光化学反応によりガスを放出する化合物の使用が可能である。 In addition, it is possible to use a compound that releases a gas by a photochemical reaction.
層22の堆積のために幾つかの方法を用いることができる。かかる堆積方法は、しばしば、当該層のために使われる材料に依存することになる。幾つかの堆積方法は、インクジェットプリントなど、本来の場所でのパターニングを有利な形で可能とする。よって、層22の個別パターニングは必要ではない。他の変形例において、層22は全くパターン化されない。
Several methods can be used for the deposition of
第1及び/又は第2の電極の適切な材料は、金、銅、導電性酸化物、アルミニウム、ドープされたシリコンGaAs、他のIII−V族半導体、水銀、ニッケル、プラチナ、パラジウムなどを含む。当該電極への層22の接着は、中間層への電極層の接着を合わせるために有利な形で用いられる。接着が強固であるほど、剥離はより困難となり、これによりスイッチングがより困難となる。
Suitable materials for the first and / or second electrodes include gold, copper, conductive oxide, aluminum, doped silicon GaAs, other III-V semiconductors, mercury, nickel, platinum, palladium, etc. . The adhesion of the
第1の層と第2の層との接着を調整するため、適切な化学組成を有する単分子層を用いてボンディングを調整するようにしてもよい。 In order to adjust the adhesion between the first layer and the second layer, the bonding may be adjusted using a monomolecular layer having an appropriate chemical composition.
自己組織化システムを、第1の層14と第2の層22との間のキャビティに適用してこれら層の間の接着を調整するようにしてもよい。この自己組織化層は、1つ又は複数の単分子層を有してもよい。金電極の場合、アルカンチオール又はアルカンジチオールのような単分子層を用いることができる。しかし、用いられるシステムのタイプは、接着を必要とする層及び必要な接着の程度により決まることが理解される筈である。単分子層は、非公開国際出願IB2006/052510に記述されているような処理に応じて適用可能である。
A self-assembling system may be applied to the cavity between the
結合は、上記非公開出願において明らかとされるような化学結合又は物理的結合とすることができる。 The bond can be a chemical bond or a physical bond as revealed in the unpublished application.
説明した実施例においては、第1の電極14は、鏡として機能することができる。その場合、スイッチング装置は、スイッチ可能ミラーを提供する。何故なら、当該スイッチの第1の状態において、スイッチングの前に、ミラー表面はほぼ平坦である一方、スイッチング後の第2の状態では、当該ミラーは図3A及び図3Bに示されるような球状を呈するからである。代替えの変形例は、当該ミラーとして、第2の電極24及び/又は中間層22を有する。当該ミラー層が層22のように埋め込み層である場合、16及び/又は14及び/又は24のような取り囲み又はカバーリング層は、当該ミラーが当該ミラーにより反射すべき放射線を用いて検出されることができるような透明な窓を提供するのが好ましい。
In the described embodiment, the
スイッチ可能ミラーは、反射した照射ビームの変化を生じさせるために用いることができる。すなわち、当該スイッチの状態は、放射に基づく原理及びシステムを用いて検出可能である。これにより、スイッチング装置は、例えば、光メモリ機能を提供することができる。当業者であれば、このような検出システムをどのようにして提供するかを知ることになる。 A switchable mirror can be used to cause a change in the reflected illumination beam. That is, the state of the switch can be detected using radiation-based principles and systems. Thereby, the switching device can provide an optical memory function, for example. One skilled in the art will know how to provide such a detection system.
なお、当該スイッチの状態の検出はここで上述したように光検出のような放射線に基づく検出を有しうるが、当該装置のスイッチングは、放射線信号により必ずしも刺激される必要はない。 It should be noted that the detection of the state of the switch can include radiation-based detection such as light detection as described herein above, but the switching of the device need not necessarily be stimulated by a radiation signal.
したがって、当該スイッチは、例えば、本発明の原理により電気的に切り換えられることも可能である。或いは、便利なように検出からスイッチングを分離するために、スイッチは、照射を用いて切り換えられるようにしてもよい。 Thus, the switch can be switched electrically, for example, according to the principles of the present invention. Alternatively, the switch may be switched using illumination to conveniently decouple switching from detection.
好適なのは、電気素子の製造が電子装置の製造において1つの工程を構成することである。このような電子装置は、本発明により構成されるような複数の電気素子と、さらに好ましくは他の受動及び能動素子とを有することができる。本発明の素子は、図示の如きアレイの中に集積させることも可能であり、これにより、メモリの製造を可能にする。そして、その電極を備えた各スイッチング素子は、既知の技術によりワードラインとビットラインとの間においてダイオード又はトランジスタのような選択デバイスと直列に電気的に接続される。電子装置が集積回路である場合、相互接続構造の中に本発明の素子を集積させることが適していると想定され、或いは、当該パッシベーション層の頂部上にそうした集積をなすことがより適していると想定される。第1及び第2の電極は、相互接続部、電極、結合パッドなどの如き他のパターンが規定される層の一部として適切に設けられることが分かる筈である。これの製造は、プレートレベルで適切に行われ、その後に、個々の装置が互いに分離される。当業者であれば、メモリ又はその他の手段でスイッチとして当該素子を用いるために電子装置の中へ当該素子をどのようにして集積し当該スイッチング素子の有利な特性をどのように活用するかを知る筈である。 Preferably, the manufacture of electrical elements constitutes a step in the manufacture of electronic devices. Such an electronic device may have a plurality of electrical elements as configured according to the present invention, and more preferably other passive and active elements. The elements of the present invention can also be integrated in an array as shown, thereby enabling the manufacture of memory. Each switching element including the electrode is electrically connected in series with a selection device such as a diode or a transistor between the word line and the bit line by a known technique. If the electronic device is an integrated circuit, it is assumed that it is suitable to integrate the elements of the invention in an interconnect structure, or it is more appropriate to make such integration on top of the passivation layer. It is assumed. It should be appreciated that the first and second electrodes are suitably provided as part of a layer in which other patterns such as interconnects, electrodes, bond pads, etc. are defined. This is produced appropriately at the plate level, after which the individual devices are separated from one another. A person skilled in the art knows how to integrate the element into an electronic device and use the advantageous properties of the switching element to use the element as a switch in memory or other means. It is a spear.
なお、上述した実施例は、本発明を限定するものではなく例示するものであり、当業者であれば、添付した請求項の範囲を逸脱することなく数多くの代替実施例を構成することができる筈である。請求項において、括弧内に付された参照符号は、その請求項を限定するものと解釈してはならない。「有する」なる文言は、請求項に挙げられたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素又は生成物の単数表現は、そのような要素又は生成物の複数のものの存在を排除しない。或る特定の方策が相互に異なる従属請求項において挙げられているという点は、これらの方策の組み合わせが活用できないことを意味するものではない。 The above-described embodiments are illustrative rather than limiting the present invention, and those skilled in the art can configure many alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims. It is a spear. In the claims, any reference signs placed between parentheses shall not be construed as limiting the claim. The word “comprising” does not exclude the presence of elements or steps other than those listed in a claim. The singular representation of an element or product does not exclude the presence of a plurality of such elements or products. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be utilized.
Claims (11)
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