JP2011529636A - 多層型再構成可能スイッチ - Google Patents
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Abstract
Description
図1Aは、本発明のいくつかの実施形態にしたがって構成された2端子スイッチ100を示す。スイッチ100は、3つの層、すなわち、第1の電極104と第2の電極106の間に挟まれた活性領域102から構成される。第1の電極104は電圧源108に接続され、第2の電極はグランド(アース)110に接続されている。活性領域102は、あるドーパントを含んでいるダイオードである。適切な大きさ及び極性の電界を印加することによって、該ドーパントの位置が変化する。その結果、活性領域102を、4つの異なるタイプの整流器、すなわち、順方向整流器、逆方向整流器、対向型整流器、シャント型整流器、のうちの1つとして動作させることができる。
D=μdkT
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。したがって、格子内のドーパントの移動度μdが高い場合には、拡散係数Dも大きい。一般に、スイッチ100の活性領域102は、用途に応じて、1秒の何分の1〜数年の範囲とすることができるある時間期間の間特定の整流状態を維持するのが望ましい。したがって、イオン化されたドーパント拡散によって、活性領域102が一方の整流器から他方の整流器に意図に反して変わるのを回避するために、(活性領域102の状態を適切な電圧で意図的に設定することによってではなく)拡散係数Dは、所望の安定性のレベルを確保するのに十分小さいことが望ましい。したがって、弱いイオン導電体とは、ドーパント移動度μd及び拡散係数Dが、所望の条件下で必要とされる間、活性領域102の安定性すなわち不揮発性を確保するのに十分小さいイオン導電体である。一方、強いイオン導電体は、比較的大きなドーパント移動度を有し、かつ、拡散に対して不安定である。
活性領域102は、不揮発性で、再構成可能であって、メムリスティブスイッチング性を有するダイオード整流状態を示す。図2は、本発明のいくつかの実施形態にしたがう、活性領域102の4つの整流器201〜204、及び、それらの整流器の対間の3つの切り替えモードのプロファイルの概要を示す。4つの整流器201〜204に加えて、図2は、該4つの整流器201〜204の各々に関連する回路図205〜208及びI−V特性グラフ210〜213を含んでいる。図2に示すように、スイッチ100の4つの整流器201〜204の各々は、ドーパントのそれぞれ異なるプロファイル分布(分布形態)を示しており、したがって、グラフ210〜213の各々において表されているようにそれぞれに関連する異なるI−V特性を有している。電極/活性領域の接触部は、典型的には、高濃度にドープされている場合にはオーミック様であり、低濃度にドープされている場合には、整流作用を有し、すなわち、ショットキー様である。したがって、境界におけるドーパントの濃度によって電気的挙動が決まり、それゆえ、スイッチ100を通る電子の伝達状態(電子輸送)が決まる。図2において、4つの異なる整流器201〜204は、それぞれ、順方向整流器、逆方向整流器、シャント型整流器、対向型整流器として特定されている。これらの整流器の各々の整流状態特性は、活性領域102内のドーパントの分布に依存する。
電極104及び106を、白金、金、銀、銅、または、任意の他の適切な金属、金属化合物(たとえば、BaTiO3及びBa1−xLaXTiO3などの何らかの灰チタン石)、または、半導体から構成することができる。活性領域102の主及び副活性材料を、酸化物、硫化物、セレニド(セレン化物)、窒化物、リン化物、ヒ化物、塩化物、並びに、遷移金属と希土類金属からなる臭化物とすることができ、これらは、アルカリ土類金属を含む場合も含まない場合もある。さらに、これらを互いに合成した種々の合金があり、それらの合金は、構成物が互いに対して可溶性である場合には広い範囲のそのような構成物を有することができる。さらに、活性領域102を、ある数の電気的陰性元素に結合された2つ以上の金属原子を含む混合合成物(または混合化合物)から構成することができる。ドーパントを、活性領域102中にドープされた陰イオン空格子点、または原子価が異なる元素とすることができる。材料の組み合わせの1つは、ドープされておらず定比性(または化学量論)に従う、したがって、良好な絶縁体である主活性材料と、高濃度の陰イオン空格子点、または、適切なバイアスが印加された状態で主活性材料中に移動することができる他のドーパントを含む同じかまたは関連する母材の二次的なソース(すなわち母材の供給源)/シンク(すなわち母材の受け側または回収側)との組み合わせである。
スイッチ100を、ナノワイヤクロスバーアレイのナノワイヤの交差部に実施(実装)することができる。図3は、本発明のいくつかの実施形態にしたがって構成されたナノワイヤクロスバーアレイ300の等角図である。クロスバーアレイ300は、ほぼ並行なナノワイヤの第1の層302の上にほぼ平行なナノワイヤの第2の層304が横たわった構成である。第2の層304のナノワイヤは、幾何学的な位置関係において、第1の層302のナノワイヤに概ね垂直であるが、それらの層間の幾何学的配置上の角度はこれとは異なる場合もある。ナノワイヤの2つの層は、格子、すなわちクロスバーを形成し、第2の層304の各ナノワイヤは、第1の層302の全てのナノワイヤの上に横たわっており、2つのナノワイヤ間の最も近い接触部(または最も近い交差部)を表すナノワイヤ交差部において第1の層302の各ナノワイヤと密接に接触している。
TiO2中の酸素空格子点は、バンドギャップが広い酸化物を、導電性のドープされた半導体として動作する材料に変換するn型ドーパントとして動作する。図2を参照して上述したように、スイッチ100の2つの境界におけるドーパント濃度は、スイッチ100が上記4つの整流器の1つとして動作するように該スイッチを構成する際に重要な役目を果たす。図5Aは、本発明のいくつかの実施形態にしたがう、境界の特性を変える際に酸素空格子点が果たす役目を実証するように構成された4つの別個のスイッチ501〜504の等角図である。酸素空格子点を調整(または変更)することによって、クロスバー接合部を通る電子の流れが制御される。図5のスイッチ要素501〜504は、二酸化チタン層514によって垂直方向に分離されたPtの第1電極505〜508とPtの第2の電極509〜512から構成されている。第1の電極対505−506及び507−508は約1mmだけ離れており、第2の電極対510−511及び509−512も約1mmだけ離れている。二酸化チタン層514は、酸素空格子点がほとんどない厚さが約4nmの薄いTiO2層516、及び、多くの酸素空格子点を有する厚さが約120nmのより厚いTiO2−x層518からなる二重層である。TiO2−x層は、Hall measurement(ホール測定)から得られた約1019cm−3のキャリア濃度を有するn型半導体であり、TiO2層はほぼ定比性(化学量論性)を有する。
M(q)=dφm/dq
M(q)=V/I
と書くことができる。
V(t)=M(q(t))I(t)
が得られる。
Claims (15)
- 電子スイッチ(100)であって、
第1の電極(104)と、
第2の電極(106)と、
前記第1の電極と前記第2の電極の間に配置されて、少なくとも1つのドーパントを含む活性領域(102)
を備え、
前記活性領域内に前記少なくとも1つのドーパントを配置して、該スイッチを通る電荷担体の流れを制御することによって、前記スイッチを、順方向整流器(112)、逆方向整流器(113)、対向型整流器(114)、または、シャント型整流器(115)として動作するように再構成することが可能である、電子スイッチ。 - 前記活性領域(102)がさらに、
前記スイッチを通る電荷担体の流れを制御する前記ドーパントを伝送するための少なくとも1つの材料から構成される少なくとも1つの主活性領域と、
前記少なくとも1つの主活性領域に前記ドーパントのソース/シンクを提供するための少なくとも1つの材料から構成される副活性領域
を備えることからなる、請求項1のスイッチ。 - 前記主活性領域がさらに、半導電性の材料、または、名目上電気的に絶縁性の材料、または、弱いイオン伝導性を有する材料から構成される、請求項2のスイッチ。
- 前記少なくとも1つの主活性領域がさらに、ドリフトによって前記少なくとも1つの主活性領域中または該主活性領域外に注入されるドーパントの関数として、比較的低い導電性から比較的高い導電性に可逆的に変化することができる導電性を有する薄膜から構成される、請求項2のスイッチ。
- 前記副活性領域の少なくとも1つのドーパントが、前記少なくとも1つの主活性領域の導電性を、比較的低い導電性から比較的高い導電性へと、または、比較的高い導電性から比較的低い導電性へと変化させるために選択される、請求項2のスイッチ。
- 前記ドーパントが、イオン化された格子間不純物原子もしは置換型不純物原子、カチオンドナー種、陰イオン空格子点、及び、アニオン受容体種からなるグループから選択される、請求項5のスイッチ。
- 前記ドーパントが、水素、アルカリ、アルカリ土類カチオン、遷移金属カチオン、希土類カチオン、酸素アニオンもしくは酸素空格子点、カルコゲニドアニオンもしくはカルコゲニド空格子点、窒素アニオンもしくは窒素空格子点、ピニクチドアニオンもしくはピニクチド空格子点、または、ハロゲン化物アニオンもしくはハロゲン化物空格子点からなるグループから選択される、請求項6のスイッチ。
- 前記主活性領域の前記少なくとも1つの材料、及び、前記副活性領域の前記材料が、
(1)酸化物、硫化物、セレン化物、窒化物、リン酸塩、ヒ化物、並びに、遷移金属と希土類金属とアルカリ土類金属とからなる臭化物、
(2)上記(1)に列挙された材料を互いに合成した合成物と同類の合金、及び、
(3)少なくとも2つの異なる金属原子と少なくとも1つの電気的陰性元素の組み合わせを含む混合合成物
からなるグループから選択される、請求項1のスイッチ。 - 前記主活性領域の前記少なくとも1つの材料、及び、前記副活性領域の前記材料が、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ハフニウム酸(hafnate)、これら3つの酸化物の各対からなる合金もしくはこれら3つの酸化物全てを有する合金、及び、ABO3タイプの化合物からなるグループから選択され、ここで、Aは少なくとも1つの2価の元素を表し、Bは、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのうちの少なくとも1つを表す、請求項8のスイッチ。
- 前記主活性領域の前記少なくとも1つの材料、及び、前記副活性領域の前記材料が、
TiO2/TiO2−x、
ZrO2/ZrO2−x、
HfO2/HfO2−x、
SrTiO2/SrTiO2−x、
GaN/GaN1−x、
CuCl/CuCl1−x、及び、
GaN/GaN:S
から選択される、請求項8のスイッチ。 - 上記電極がいずれも、金属であるか、または、金属化合物であるか、または、該電極の一方が金属であり、他方が半導体である、請求項1のスイッチ。
- 前記活性領域内にドーパントを配置することが、さらに、前記ドーパントを前記活性層の特定の領域中へ移動させるか、または、該特定の領域から離れるように移動させるための適切な大きさ及び極性の電圧を印加することを含む、請求項1のスイッチ。
- 前記ドーパントを電極と活性領域との境界の近くに配置することによって、該境界をオーミック様にし、前記ドーパントを電極と活性領域との境界から離れた場所に配置することによって、該境界をショットキー様にする、請求項1のスイッチ。
- ほぼ平行なナノワイヤからなる第1の層(302、404)と、
前記ナノワイヤからなる前記第1の層の上に横たわるほぼ平行なナノワイヤからなる第2の層(304、406)と、
請求項1にしたがって構成される電子スイッチを形成する少なくとも1つのナノワイヤ交差部(412〜415)
を備える、ナノワイヤクロスバー(300、400)。 - 前記第1の層(505、506)中の任意の2つのナノワイヤが、請求項1にしたがって構成される電子スイッチを形成し、前記第2の層(510、511)中の任意の2つのナノワイヤが、請求項1にしたがって構成される電子スイッチを形成する、請求項14のクロスバー。
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