KR20080077130A - 제어 층, 나노스케일 전자 스위칭 디바이스 및 그 형성방법 - Google Patents

제어 층, 나노스케일 전자 스위칭 디바이스 및 그 형성방법 Download PDF

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Abstract

나노스케일 전자 스위칭 디바이스(10)의 접합부에서 사용되는 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")이 개시된다. 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 나노스케일 스위칭 디바이스(10) 내의 접속 층(16) 및 적어도 하나의 전극(12, 14)과 화학적으로 호환 가능한 물질을 포함한다. 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 디바이스(10)의 동작 동안에 전기 화학적 반응 경로, 전기 물리적 반응 경로 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 제어한다.

Description

제어 층, 나노스케일 전자 스위칭 디바이스 및 그 형성 방법{CONTROL LAYER FOR A NANOSCALE ELECTRONIC SWITCHING DEVICE}
본 발명은 전반적으로 나노스케일 전자기기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 나노스케일 전자 스위칭 디바이스에 사용되는 층의 제어에 관한 것이다.
2개의 전극(예를 들어, 하부 전극 및 상부 전극)과 이 2개의 전극의 접합부에 있는 전자 스위칭 층/막을 포함하는 전자 스위칭 디바이스는 공지되어 있다. 이러한 디바이스는, 예를 들어 신호 라우팅 및 통신용 분자 와이어 크로스바 상호접속부(molecular wire crossbar interconnects), 분자 와이어 크로스바 메모리, 프로그래밍가능 로직 어레이를 사용하는 분자 와이어 크로스바 로직, 분자 와이어 크로스바 네트워크용 다중화기/역다중화기, 분자 와이어 트랜지스터 등의 전기적 스위칭에 기초한 디바이스의 제조 시에 사용될 수 있다. 또한 이러한 디바이스는, 예를 들어 디스플레이, 전자 책, 재기록가능 매체, 전기적으로 조절가능한 광학 렌즈, 윈도우 및 미러용의 전기적으로 제어되는 착색 필름(tinting), (예를 들어, 많은 인입 채널 중 하나로부터 많은 송출 채널 중 하나로 신호를 라우팅하는) 광학 크로스바 스위치 등의 광학 스위칭에 기초한 디바이스의 제조 시에 유용할 수 있다.
전자 스위칭 디바이스의 제조에 사용되는 물질의 선택은 제한될 수 있는데, 이는 몇몇 전극 물질이 몇몇 스위칭 물질과는 본질적으로 호환성이 없을 수도 있기 때문이다. 본 명세서에서 언급되는 "호환성이 없다"라는 용어는, 전극 및 스위칭 물질이 접촉 시에 물리적으로 및/또는 화학적으로 불안정하다는 것을 의미할 수도 있고, 또는 스위칭 물질이 전자 스위칭 디바이스 내에서 전극 물질과 합체될 때 실질적으로 제어되지 않고, 바람직하지 않으며, 및/또는 실재하지 않는 전자 스위칭을 나타낸다는 것을 의미할 수도 있다.
전자 스위칭 디바이스를 포함하고 있는 디바이스의 제조는 흔히 디바이스의 형성 범위를 넘어서 후속 프로세싱 단계를 포함한다. 그러나 몇몇 경우에, 디바이스의 스위칭 층/막에 사용되는 물질은 그러한 후속 프로세싱 단계를 거치기에는 불안정할 수 있다.
이와 같이, 후속 프로세싱 절차에서 사용하기에 적합한 제어가능 및 호환가능 물질을 포함하는 나노스케일 전자 디바이스를 제공하는 것은 바람직할 것이다.
나노스케일 전자 스위칭 디바이스의 접합부에서 사용하는 제어 층이 개시된다. 제어 층은 나노스케일 스위칭 디바이스 내의 접속 층 및 적어도 하나의 전극과 화학적으로 호환가능한 물질을 포함한다. 제어 층은 디바이스의 동작 동안에 전기 화학적 반응 경로, 전기 물리적 반응 경로 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된다.
목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명 및 도면을 참조하면 명백해질 것이다. 도면에서 동일한 참조 번호는 유사한 소자에 대응하지만, 반드시 동일한 소자에 대응하는 것은 아니다. 간결성을 위해서, 이전에 설명한 기능을 갖는 참조 번호는 그 번호가 나타나는 후속 도면과 관련하여 설명되어야 하는 것은 아니다.
도 1은 2개의 전극과 이 2개의 전극의 교차부에 있는 접속 층 및 2개의 제어 층을 나타낸 개략적인 투시도,
도 2는 도 1의 라인(2-2)을 따라 선택된 개략적인 단면도,
도 3(a)는 2개의 전극과 이 2개의 전극의 교차부에 있는 접속 층 및 그 아래의 제어 층을 나타낸 개략도,
도 3(b)는 2개의 전극과 이 2개의 전극의 교차부에 있는 접속 층 및 그 위의 제어 층을 나타낸 개략도,
도 3(c)는 2개의 전극과 이 2개의 전극의 교차부에 있는 접속 층 및 그 위아래의 다수의 제어 층을 나타낸 개략도,
도 4는 2개의 전극과 이 2개의 전극의 교차부에 있는 2개의 제어 층 및 다른 실시예의 접속 층을 나타낸 개략도,
도 5는 2개의 전극의 다른 실시예와, 이 2개의 전극 사이에 있는 접속 층 및 2개의 제어 층을 나타낸 개략적인 투시도,
도 6은 2개의 교차 와이어와 이 2개의 와이어의 교차부에 있는 접속 층 및 적어도 하나의 분자를 도시한 개략적인 투시 입면도,
도 7은 6x6 크로스바 스위치를 도시하는 2차원 스위치 어레이의 개략도이다.
유리하게도 본 명세서의 실시예는 전자 및/또는 광학 디바이스에서 사용되는 스위칭 메커니즘을 제공한다. 스위칭 메커니즘은 전기 물리적으로 및/또는 전기 화학적으로 스위칭가능한 하나 이상의 접속 층을 포함한다. 디바이스의 실시예(들)는, 유리하게도 전기 물리적 및/또는 전기 화학적 반응 경로의 제어를 가능하게 하여 디바이스 속성의 제어를 가능하게 하는 제어 층(들)을 포함한다. 어떠한 이론적인 구속 없이, 제어 층(들)은 실질적으로 디바이스 성능을 증진시키는 것으로 생각된다. 증진된 디바이스 성능의 비한정적 일례는 증진된 열정 안정성, 증진된 화학적 안정성, 증진된 속도, 증진되 신뢰성 및/또는 증진된 수명, 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 또한, 제어 층을 포함하는 디바이스는 실질적으로 예측가능하고 반복가능한 스위칭 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 제어 층(들)은 후속 반도체 프로세싱 기술 및 롤-투-롤 전자 제조 공정(roll-to-roll electronic manufacturing processes)과 실질적으로 호환가능할 수 있다. 이와 같이, 스위칭 메커니즘의 실시예(들)는 유리하게도 예를 들어 CMOS 등의 다양한 반도체에 포함될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "나노스케일"은 약 100nm보다 적어도 한 치수 작은 디바이스를 지칭한다.
이제, 도 1 및 도 2를 참조하면, 스위칭 디바이스(10)의 실시예가 도시되어 있다. 스위칭 디바이스(10)는 하부 전극(14)과 0이 아닌 각도로 교차하여 교차부 또는 접합부를 형성하는 상측 전극(12)을 포함한다. 접속 층(들)(16)은 접합부 내에 효과적으로 배치된다. 하나 이상의 제어 층(들)(26, 28)은 접속 층(16)과 상부 전극(12) 사이 및/또는 접속 층(16)과 하부 전극(14) 사이에 효과적으로 배치된다.
용어 "상부 전극" 및 "하부 전극"은 공간적 방위를 제한하도록 의도되거나 반드시 그러한 방위를 시사하게 되어 있는 것이 아니라, 임의의 공간적 방위(상부, 하부, 측부, 각도 상의 오프셋 및/또는 기타)에 있는 2개의 대향 전극을 구별하기 위한 예시적 목적으로 사용되고 있음이 이해될 것이다. 그러나 제조 상황에서 "상부" 및 "하부"는 예를 들어 평면 증착 공정에 의해 규정된 바와 같은 특정 공간 방위를 표명할 수도 음이 이해될 것이다.
전극(12, 14)은 임의의 적합한 전극 물질로 제조될 수 있다. 이러한 물질은, 금속 원소, 금속 화합물, 금속 합금, 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 합금, 전도성 유기 화합물 및 이들의 조합을 포함하지만, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 전극 물질의 특정한 비제한적 일례는 플래티늄, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 팔라듐, 티타늄, 크롬, 금, 실리콘, 게르마늄, 인듐 인화물, 갈륨 비화물, 실리콘 게르마늄 및/또는 이들의 조합을 포함한다.
스위칭 디바이스(10)의 실시예를 형성하는 방법의 실시예에서, 하나 이상의 접속 층(들)(16)은 성장 공정(들), 증착 공정(들) 또는 이들의 조합을 통해 접합부 내에 설정되거나 동작 가능하게 배치된다. 그러한 공정의 비제한적 일례는 진공 증착, 물리적 에피택시, 화학적 에피택시, 원자 층 증착, 전기 화학적 성장, 유기 단층 자기 조립(organic monolayer self-assembly), 랭뮤어-블로젯 전사(Langmuir-Blodgett transfer), 또는 이들의 조합을 포함한다.
접속 층(16)은 전극(12, 14) 사이의 접합부에 인가되는 전기전위의 영향 하에서 전기적 및/또는 광학적 속성을 변경시키는 물질로 이루어짐이 이해될 것이다. 접속 층(16)을 형성하는 데 사용되는 모든 물질, 분자 또는 화합물 또는 그 일부는 일반적으로 불안정할 수 있고, 전기 물리적 및/또는 전기 화학적 공정을 통해 스위칭될 수 있다. 실시예에서, 접속 층(들)(16)은 전기적 또는 이온 도체이다. 접속 층(들)(16)은 동종 및/또는 이종일 수 있고(예를 들어, 층(16)의 일부분(들)은 활성/스위칭가능일 수도 있고, 전기 화학적 또는 전기 물리적 반응을 통해서 보다 높거나 보다 낮은 전기 전도성을 가지도록 변경될 수도 있다. 전기 화학적 반응 및/또는 전기 물리적 반응은 접속 층(16)의 활성/스위칭가능한 일부분에서 발생하고, 이와 같이 실질적으로 동종으로, 이종으로, 또는 양쪽 모두로 디바이스(10) 전체에 걸쳐서 발생할 수도 있음이 이해될 것이다.
비제한적 실시예에서, 접속 층(16)은 유기 화합물, 무기 화합물 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 가지는 하나 이상의 비교적 불안정한 층을 포함한다. 접속 층(16)은 일반적으로 제어 층(들)(26, 28)보다 덜 안정적임이 이해될 것이다. 이러한 비교적 불안정한 물질의 비제한적 일례는 프닉타이드(이것의 비제한적인 일례 는 질화물, 인화물, 비화물, 안티몬 화합물 등을 포함한다), 칼코겐 화합물(이것의 비제한적인 일례는 산화물(즉, 혼합된 원자가 산화 화합물), 황화물, 셀레늄 화합물, 텔루르 화합물 등을 포함한다), 분자 변형가능 매개 물질(이것의 비제한적 일례는 알케인, 카르복실 산, 프탈로시아닌 및/또는 포르피린을 포함한다), 다공성 매개 물질(이것의 비제한적 일례는 지오라이트를 포함한다), 정전기적 주입 확산(electrostatically driven diffusion)에 의해 도핑될 수 있는 반도체(예를 들어, 전도성 폴리머) 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 특정 비제한적 일례는 Ag2S, 폴리아닐린, 카드뮴 스테아르산 염, 구리 황화물, 게르마늄 셀렌 화합물, 게르마늄 은 셀렌 화합물, 플래티늄 산화물, 티타늄 산화물(예를 들어, Ti3O5 또는 TixOy, 여기서 2y/x는 정수가 아니다), 티타늄 탄화물, 알루미늄 산화물(AlxOy, 여기서 "x"는 2가 아니고 "y"는 3이 아니다), 은 산화물(AgxOy, 여기서 "x"는 2가 아니고 "y"는 1이 아니다), 텅스텐 산화물(예를 들어, WO 또는 WxOy, 여기서 "y"는 2 또는 3이 아니다), 탄탈륨 산화물(TaO2 및 Ta2O5를 제외한 TaxOy), C16H32O2, C17H34O2, C18H36O2, C19H38O2, C20H40O2, C21H42O2, C22H44O2, C14H12Cl2N4O2, C15H16N2O3 및/또는 이들의 조합을 포함한다.
접속 층(16)은 단층일 수도 있고, 다양한 하위 층(즉, 다층)을 포함할 수도 있으며, 또는 박막일 수도 있다. 다층 실시예에서는, 임의의 바람직한 수의 하위 층이 접속 층(16)과 합체될 수도 있음이 이해될 것이다. 본 명세서에 나열된 물질 은 다양한 하위 층에 사용될 수도 있음이 이해될 것이다. 또한, 하위 층용 물질은 접속 층(16)과 실질적으로 동일할 수도 있고 또는 상이할 수도 있다. 스위칭 디바이스(10)를 형성하는 방법의 실시예에서, 접속 층(16) 및 그것의 다양한 하위 층은 적어도 부분적으로 다양한 층으로 선택되는 물질에 기초하여 연속해서 설정될 수도 있고 또는 동시에 설정될 수도 있다.
도 1 및 도 2는 또한 접속 층(16)과 각각의 상부 및 하부 전극(26, 28) 사이에 각각 형성된 제어 층(26, 28)도 도시하고 있다. 제어 층(26, 28)은 각각의 전극(들)(12, 14) 및 접속 층(16)과 화학적으로 호환 가능하다. 일반적으로, 제어 층(26, 28)은 전극(들)(12, 14)에 제어 불가능하게 반응하거나 접속 층(16)에 제어 불가능하게 반응하지도 않을 것이다. 제어 층(26, 28)은 유리하게도 전극(들)(12, 14)과 접속 층(16) 사이의 반응을 완화시킨다. 어떠한 이론적인 구속 없이, 전기 화학적 및/또는 전기 물리적 반응은 디바이스(10)의 서로 접촉하는 물질을 제어함으로써 유리하게 제어될 수 있는 것으로 생각된다. 이와 같이, 제어 층(26, 28)은 유리하게도 디바이스(10)의 전기 화학적 및 전기 물리적 스위칭을 처리 또는 제어한다.
제어 층(26, 28)은 접속 층(16)용 물질(이것의 비제한적인 일례는 원자, 원자 군, 또는 분자를 포함한다)의 매개 물질(소스 또는 싱크(sink))로서 작용할 수 있음이 이해될 것이다. 실시예에서, 제어 층(26, 28)은 접속 층(16) 내로 전기적으로 주입되는 도펀트의 소스로서 작용하여 그것의 전도성을 변화시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 층(26, 28)은 접속 층(16)으로부터 전기적으로 주입되는 도 펀트용 싱크로서 작용하여 그것의 전도성을 변화시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어 층(26, 28)은 이온 도체(예를 들어, 은 또는 Ag2S)용 물질의 소스 또는 다공 물질의 소스로서 작용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어 층(26, 28)은 나노미립자, 필라멘트 또는 나노와이어의 성장용 물질의 소스로서 작용할 수 있다.
제어 층(26, 28)은 또한 디바이스(10)의 성능을 증진시킬 수도 있고, 디바이스(10)의 속성을 변경할 수도 있다. 예를 들어, 디바이스(10)의 속성은 적어도 부분적으로 제어 층(26, 28)으로 선택되는 물질에 기초하여 변화할 수 있다.
제어 층(26, 28)은 도전성이거나 부분적으로 도전성인 하나 이상의 실질적으로 동종 또는 이종 박막으로 이루어질 수 있다. 실시예에서, 제어 층(26, 28)은 유기 화합물, 무기 화합물 및 이들의 조합으로부터 선택된 비교적 안정한 화합물을 포함한다. 이러한 비교적 안정한 화합물의 제한적 일례는 프닉타이드(이것의 비제한적 일례는 질화물, 인화물, 비화물, 안티몬 화합물 등을 포함한다), 칼코겐 화합물(이것의 비제한적 일례는 안정한 산화물(즉, 단일 원자가 산화 화합물), 황화물, 셀렌 화합물, 텔루르 화합물 등을 포함한다), 탄화물, 규화물, 게르마늄 화합물, 유기 단층, 유기 다층, 유기 박막, 또는 이들의 조합을 포함한다. 제어 층(26, 28)으로 적합한 물질의 다른 특정 비제한적 일례는 은, CuI2, CuCl2, 구리, Pt(OH)2, 플래티늄 산화물, 티타늄 산화물(예를 들어, TiO, TiO2, Ti2O3, TixOy, 여기서 2y/x는 정수이다), 티타늄 탄화물, 알루미늄 산화물(Al2O3), 은 산화물(Ag2O), 텅스텐 산화물(WO2, WO3), 실리콘 산화물, 탄탈륨 산화물(Ta2O5, TaO2), 실리콘 질화물, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예에서, 각각의 제어 층(26, 28)은 대략 원자 단층과 10nm 사이의 범위에 달하는 두께(일반적으로는 수직 두께)를 갖는다. 횡방향 치수는 적어도 부분적으로 선택되는 제조 방법에 의해 규정된다. 비제한적 일례에서, 제어 층(26, 28) 각각의 횡방향 치수는 리소그래픽 기법을 이용하여 약 0.1㎛ 내지 10㎛에 달하는 범위를 가지며, 나노 패터닝 기법(이것의 비제한적 일례는 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)를 포함한다)을 이용하여 약 1nm 내지 약 100nm에 달하는 범위를 갖는다. 제어 층(26, 28)을 형성하는 다른 기법의 일례는 성장 공정(들), 증착 공정(들), 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이러한 것으로 제한되지는 않는다. 이러한 공정의 비제한적 일례는 진공 증착, 물리적 에피택시, 화학적 에피택시, 원자 층 증착, 전기 화학적 성장, 유기 단층 자기 조립, 랭뮤어-블로젯 전사, 또는 이들의 조합을 포함한다. 또한, 제어 층(26, 28)은 선택된 물질 중 두 가지 물질 사이에서, 예를 들어 상부 전극(12)과 접속 층(16) 사이 및/또는 하부 전극(14)과 접속 층(16) 사이에서 제어된 화학적 반응을 통해 형성될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 제어 층(들)(26, 28)은 전극(들)(12, 14) 및/또는 접속 층(16)과 쌍을 이루어, 구성요소(12, 14, 16, 26, 28)가 그들이 접촉하는 각각의 구성요소(들)와 호환 가능하게 한다. 다음의 표는 본 발명의 실시예(들)에 따라 서로 적절히 호환 가능한 다양한 물질 쌍의 비제한적 일례를 예시한다.
Figure 112008036311118-PCT00001
Figure 112008036311118-PCT00002
이제, 도 3(a) 내지 도 3(c)를 함께 참조하면, 디바이스(10)의 대안 실시예가 도시된다. 도 3(a)는 접속 층(16)과 하부 전극(14) 사이에 하나의 제어 층(28)을 구비한 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 제어 층(28)은 접속 층(16)과 하부 전극(16) 양쪽 모두와 호환 가능하도록 선택된다. 도 3(b)는 접속 층(16)과 상부 전극(12) 사이에 하나의 제어 층(26)을 구비한 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 제어 층(26)은 접속 층(16)과 상부 전극(12) 양쪽 모두와 호환 가능하도록 선택된다.
도 3(c)는 상부 전극(12)과 접속 층(16) 사이에 다수의 제어 층(26, 26')을 구비하면서 하부 전극(14)과 접속 층(16) 사이에 다수의 제어 층(28, 28', 28")을 구비하고 있는 또 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 제어 층(26')은 상부 전극(12)과 호환 가능하도록 선택되고, 제어 층(28)은 하부 전극(14)과 호환 가능하도록 선택된다. 다른 제어 층(26, 28")은 접속 층(16)과 호환 가능하도록 선택된다. 각각의 층(26, 26', 28, 28', 28")은 그것이 접촉하는 다른 각각의 층(26, 26', 28, 28', 28")과도 호환 가능하다(예를 들어, 층(28')은 층(28, 28")과 호환 가능하다)는 것이 이해될 것이다. 임의의 수의 제어 층(26, 28)이 접속 층(16)과 각각의 전극(12, 14) 사이에 설정될 수도 있음이 이해될 것이다.
제어 층(26, 28)은 유리하게도 디바이스(10)의 열적 및/또는 화학적 안정성에 기여할 수 있다. 비슷하지 않은 물질은 일반적으로 전기 화학적 또는 전기 물리적 스위칭을 가능하게 한다. 다수의 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")을 구비한 디바이스(10)의 실시예에서, 몇몇 층(예를 들어, 층(28'))은 유리하게도 다른 층들 사이(예를 들어, 층(28)과 층(28") 사이)의 상호작용을 제어할 수 있다.
실시예에서, 접속 층(들)(16)과 제어 층(들)(16, 18) 중 하나 또는 양쪽 모두는 물질, 분자, 또는 후속 반도체 처리, 예를 들어 CMOS 처리와 실질적으로 호환 가능하도록 채택된 화합물로 형성된다. 접속 층(들)(16) 및 제어 층(들)(26, 28)과 호환 가능할 수 있는 다른 처리 기법은, MOS 프로세싱, 바이폴라 프로세싱, 실리콘 프로세싱, 실리콘-게르마늄 프로세싱, 갈륨 비화물 프로세싱, III-V 프로세싱, 또는 II-VI 프로세싱을 포함하지만, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다.
이제, 도 4를 참조하면, 스위칭 디바이스(10)의 대안 실시예가 도시된다. 이 비제한적 실시예에서, 접속 층(16)은 내부에 나노미립자(30) 및/또는 상-분리 화합물(phase-segregated compounds)(32)을 내장한다. 적합한 나노미립자(30)의 비제한적 일례는 구리, 은, 금, 팔라듐, 또는 플래티늄 나노미립자를 포함하며, 적합한 상-분리 화합물(32)의 비제한적 일례는 예를 들어 Cu2 +δS 및 Ag2 +δS와 같은 비화학량적 칼코겐 이원 화합물(non-stoichiometric chalcogenide compounds)을 포함한다.
나노미립자(30) 및/또는 상-분리 화합물(32)이 물질에 추가되어 접합부에 배치되는 층(16)에 앞서 접속 층(16)을 형성할 수도 있음이 이해될 것이다. 또한, 미립자(30) 또는 화합물(32)은 금속 전반에 실질적으로 동종으로 혼합되거나 실질적으로 이종으로 혼합될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 접속 층(16)의 영역은 실질적으로 동종으로 혼합된 나노미립자(30) 및/또는 상-분리 화합물(32)을 가질 수도 있으며, 접속 층(16)의 다른 영역은 실질적으로 이종으로 혼합된 나노미립자(30) 및/또는 상-분리 화합물(32)을 가질 수도 있음이 이해될 것이다.
도 4에 도시한 실시예는 나노미립자(30) 및 상-분리 화합물(32)을 포함하고 있는 접속 층(16)과 제어 층(26, 28)을 도시하고 있지만, 이들 특징부(30, 32)의 모두 또는 일부의 조합이 스위칭 디바이스(10) 내에 포함될 수도 있고, 혹은 그 어느 것도 포함되지 않을 수도 있음이 이해될 것이다.
도 5는 스위칭 디바이스(10)의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 하부 전극(14)은 기판(34) 상에 설정된다. 임의의 적합한 물질이 사용될 수 있고, 일 실시예에서 기판(34)은 실리콘, 유리, 폴리머 물질(이것의 비제한적 일례는 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에테르 황화물(PES) 등을 포함한다), III-V 또는 II-VI 반도체 및/또는 이들의 조합임이 이해될 것이다.
도시한 바와 같이, 하부 전극(14)은 실질적으로 제어 층(28) 및 접속 층(16)으로 덮인다. 이 실시예에서, 층(28, 16)은 물질이 실질적으로 하부 전극(14)과 합치하도록/하부 전극(14)의 전면을 덮도록 그 물질을 배치하는 공정을 통해 설정된다.
도 5는 상부 전극(12) 및 제어 층(26)이 접속 층(16)의 일부를 덮도록 패터닝될 수도 있음을 예시한다. 다양한 층(16, 26, 28) 및/또는 전극(12, 14) 중 일부 또는 모두가 패터닝될 수 있음이 이해될 것이다. 이와 같이, 층(16, 26, 28) 및 잔극(12, 14)의 임의의 바람직한 조합이 패터닝될 수도 있고 및/또는 패터닝되지 않은 상태로 남겨질 수도 있다. 적합한 패터닝 기법의 비제한적 일례는 통상적인 반도체 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 등을 포함한다. 다른 실시예에서, 전극(12, 14) 및/또는 층(16, 26, 28)은 바람직한 패턴으로 자기 조립될 수 있다.
이제, 도 6을 참조하면, 교차형 와이어 스위칭 디바이스(10)는 2개의 와이어(예를 들어, 전극)(12, 14)를 포함하는데, 이들 와이어는 각각 금속 및/또는 반도체 와이어 중 어느 하나로서, 실질적으로 0이 아닌 각도로 교차한다. 와이어(12, 14)는 각각의 제어 층(26, 28)으로 각각 코팅된다. 와이어(12, 14) 사이에는 물질, 분자 및/또는 분자 화합물로 이루어진 접속 층(16)이 배치된다. 이 예시적인 실시예에서, 접속 층(16)은 2개의 와이어(12, 14)의 교차부(본원에서는 상호교환가능하게 접합부라고도 지칭됨)에서 샌드위치된 활성 분자(들)(18)를 포함하며, 스위치 분자 Rs로 식별된다. 와이어(12, 14)는 도 6에서 실질적으로 원형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본원의 범위 내에는 예를 들어 리본형인 기하학 형상, 실질적으로 직사각형인 기하학 형성, 실질적으로 정사각형인 기하학 형상, 비직사각형인 기하학 형상 등과 같은 다른 단면 기하학 형상을 예상할 수 있음이 이해될 것이다.
접속 층(16)의 활성 영역은 전기 화학적 및/또는 전기 물리적 방법을 통해서 스위칭될 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 방법의 비제한적 일례는 전자이주(electromigration), 화학적 반응, 상 변화, 확산, 종 재분포, 상 분리, 또는 이들의 조합을 포함한다. 전자 이주는 디바이스(10)가 전기장, 전기 전위, 전기 전류, 또는 이들의 조합의 영향 하에 있을 때 생성될 수 있다. 이러한 영향은 온도 변화를 가져올 수 있음이 이해될 것이다. 화학적 반응(이후에 설명되는 레독스 반응은 제외)은 전기장, 전기 전류, 전위 변화, 온도 변화, 또는 이들의 변화에 의해 트리거되는 전자 전도성 채널의 형성을 포함한다. 또한, 확산, 종 재분포 및 상 분리는 전기장, 전기 전위, 전기 전류, 온도 변화, 또는 이들의 조합에 의해 구동될 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 스위치(10)는 전형적으로 두 가지 상태를 가지며, 제 1 상태로부터 제 2 상태로 비가역적으로 스위칭되거나 또는 제 1 상태로부터 제 2 상태로 가역적으로 스위칭될 수 있다. 후자의 경우, 두 가지 가능한 조건, 즉 소정 상태로의 스위칭 이후에는 전기장(또는, 예를 들어 전위 변화와 같은 다른 조건)이 제거되고, 역 필드(조건)가 인가되어 분자를 그것의 이전 상태로 다시 스위칭할 때까지 분자가 그 상태를 유지("latch")하는 조건과, 전기장의 제거(조건)가 분자를 그것의 이전 상태로 복귀시키고 분자가 그것의 이전 상태로 스위칭하는 것이 바람직한 상황에서는 분자를 스위칭된 상태로 유지시켜야 한다는 조건이 있다. 전술한 스위칭 메커니즘은 예시적인 일례로서 본원의 범주를 제한하려 하는 것이 아님이 이해될 것이다.
간단히 전술한 바와 같이, 접속 층(16)은 접속 층(16) 내로 또는 그로부터의 물질(들) 및/또는 이온의 확산을 통해 변경될 수 있다. 이 실시예(들)에서, 제어 층(들)(26, 28)은 물질 및/또는 이온의 소스 또는 싱크로서 작용하여, 접속 층(16)에서 발생하는 변화를 제어할 수 있다. 이러한 변화/변경은 디바이스(10)를 스위칭시킬 수 있다.
접속 층(16)의 특성에 의존하여 스위치(10)를 동작시키는 다른 방법이 있을 수 있다. 실시예에서, 접속 층(16)은 전기 화학적 산화/환원(레독스) 반응 또는 인가되는 E-장에 의해 유도되는 분자(18)의 밴드갭 내에서의 변화와 같은 2개 이상의 에너지 상태를 전기(E)장의 영향 하에 스위칭하는 스위치 분자(18)(예를 들어, 유기 또는 무기 물질)를 포함한다.
전자의 경우, 적절한 전압이 와이어/전극(12, 14)에 인가될 때, 스위치 분자 Rs, 제어 층(26, 28) 및/또는 접속 층(16)에 내장된 미립자는 산화되거나 환원된다. 분자가 산화(환원)될 때, 제 2 종이 환원(산화)되어 전하가 밸런싱된다. 이들 2개의 종은 레독스 쌍(a redox pair)이라 호칭된다. 일례에서는, 분자가 환원(산화)되고, 와이어(12, 14) 중 하나가 산화(환원)된다. 다른 일례에서는, 제어 층(26, 28)과 연관된 산화물(예를 들어, PtOx)이 환원되고 분자(예를 들어, 접속 층(16) 내의 레독스 분자)가 산화된다. 이러한 경우, 산화 또는 환원은 2개의 와이어(12, 14) 사이의 터널 거리 또는 터널 장벽 높이에 영향을 주어, 와이어 접합부에 걸리는 전하 전송 비율을 지수적으로 변경시키고 스위치용 기부로서 사용된다. 그러한 레독스 작용을 나타내는 분자(18)의 일례는 로택산, 의사-로택산, 레독스-나노미립자 및 카테난을 포함한다. 예를 들어, 그 전체가 본원의 참조로서 인용되고 있으며, "Chemically Synthesized and Assembled Electronic Devices"라는 명칭으로 2002년 10월 1일에 발행된 James, R. Heat 등의 미국 특허 제6,459,095호를 참조하라.
또한, 제어 층(26, 28)은 전극(12, 14)을 적절한 분자, 즉 전자 주기 군(electron-withdrawing groups)((붕소 트리플루오르화(BF3)와) 같은 루이스 산(Lewis acids)) 또는 전자 받기 군(electron-donating groups)((알킬아민과 같은 루이스 염(Lewis bases)) 중 어느 하나로 변조-도핑하여 각각 p-형 또는 n-형 반도체로 만드는 데 사용될 수 있다. 제어 층(26, 28)은 본원에서 설명된 물질 중 임의의 것일 수도 있고, 또한 변조-도핑 코팅부, 터널 장벽(예를 들어, 산화물), 또는 기타의 나노스케일에 기능적으로 적합한 물질을 포함할 수도 있다.
후자의 경우, 필드 유도 변화에 기초한 접속 층(16)의 일례는 2001년 3월 29일에 출원되어 2002년 11월 28일에 공개 공보 제2002/0176276호로서 공개되었으며, 본원에서 그 전체가 참조문헌으로서 인용되고 있는 특허 출원 번호 제09/823,195호에 개시되어 청구되고 있는 E-장 유도 밴드갭 변화를 포함한다. E-장 유도 밴드 갭 변화 접근방안에서 사용되는 분자의 일례는, 분자 조직 변경 또는 이성화(isomerization); 화학적 본딩 변경을 통해 확장 결합을 변경하기 위한 밴드 갭의 변경; 또는 분자 폴딩 또는 스트레칭의 증거가 되는 분자를 포함한다.
화학적 본딩 변경을 통해서 확장 결합을 변경시켜서 밴드 갭을 변경하는 것은 다음 방식, 즉 대역 한정 위치를 증가 또는 감소시킴으로써 수반되는 전하 분리 또는 재결합의 방식; 또는 전하 분리 또는 재결합이나 π-본드 파괴 또는 형성을 통한 확장 결합 변경의 방식 중 하나로 성취될 수 있다.
특히 E-장 유도 밴드 갭 변경에 기초한 컬러 스위치 분자 아날로그도 알려져 있다. 그 전체가 본원에서 참조로서 인용되고 있으며, 2004년 7월 13일에 Xiao-An Zhang 등에게 허여된 "Molecular mechanical devices with a band gap change activated by an electric field for optical switching applications"라는 명칭의 미국 특허 제6,763,158호를 참조하라.
이제 도 7을 참조하면, 스위치(10)는 다수의 스위치(10)/스위치(10)의 어레이(24)를 형성하는 2차원 어레이에 복사되어 크로스바 스위치를 형성한다. 도 7은 6x6 어레이(24)를 도시한다. 그러나 본원의 실시예가 어레이(24) 내의 구성요소 또는 스위치(10)를 특정한 수로 제한하는 것은 아님을 이해할 것이다. 단일 지점, 예를 들어 2b에 대한 액세스는 와이어(2, b) 상의 전압을 억제하여 전술한 바와 같이 접합부에서 접속 층(16)의 상태에서의 변경을 야기함으로써 달성된다. 이와 같이, 각 접합부에 대한 액세스는 사전선택된 것들을 구성하는 데 용이하게 이용될 수 있다. 크로스바 스위치 어레이(24)의 동작에 대한 세부사항은 2000년 10월 3일에 Philips J. kuekes 등에게 허여된 "Molecular Wires Crossbar Memory"라는 명칭의 미국 특허 제6,128,214에서 상세히 논의된다. 이 특허는 그 전체가 본원에서 참조로서 인용된다.
본 명세서의 실시예는 다음의 것을 포함하되 그러한 것으로 제한되지 않는 많은 장점을 제공한다. 스위칭 메커니즘(10)의 실시예(들)는 전자 및/또는 광학 디바이스에서 사용될 수 있다. 제어 층(들)(26, 28)은 유리하게도 전기 물리적 또는 전기 화학적 반응 경로의 제어를 가능하게 하여, 디바이스 속성의 제어를 가능하게 한다. 또한, 제어 층(들)(26, 28)은 열적 안정성, 화학적 안정성, 속도, 신뢰성, 수명, 또는 이들의 조합을 포함하되 이러한 것으로 제한되는 것은 아닌 디바이스 성능을 실질적으로 증진시킨다.
여러 가지 실시예가 상세히 설명되고 있지만, 개시된 실시예가 수정될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 전술한 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (10)

  1. 나노스케일 전자 스위칭 디바이스(10)의 접합부에서 사용되는 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")으로서,
    상기 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은
    상기 나노스케일 스위칭 디바이스(10) 내의 접속 층(16) 및 적어도 하나의 전극(12, 14)과 화학적으로 호환 가능한 물질을 포함하고,
    상기 디바이스(10)의 동작 동안에, 전기 화학적 반응 경로(electrochemical reaction paths), 전기 물리적 반응 경로(electrophysical reaction paths) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 제어하는
    제어 층.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 플래티늄 산화물, TiO, TiO2, Ti2O3, TixOy(여기서 2y/x는 정수임), 티타늄 탄화물, Al2O3, Ag2O, WO, WO3, Ta2O5, TaO2, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 은, CuI2, Pt(OH)2, CuCl2, 구리 및 이들의 조합으로부터 선택되는
    제어 층.
  3. 나노스케일 전자 스위칭 디바이스(10)로서,
    적어도 하나의 하부 전극(14)과,
    상기 적어도 하나의 하부 전극(14)과 0이 아닌 각도로 교차하여 접합부를 형성하는 적어도 하나의 상부 전극(12)과,
    상기 접합부 내에 동작 가능하게 배치되어, 전기 화학적 반응, 전기 물리적 반응 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 통해서 전자 스위칭을 용이하게 하는 적어도 하나의 접속 층(16)과,
    상기 적어도 하나의 하부 전극(14) 및 상기 적어도 하나의 상부 전극(12) 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 접속 층(16) 사이에 설정되어, 상기 디바이스(10)의 동작 동안에 전기 화학적 반응 경로, 전기 물리적 반응 경로 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 제어하는 적어도 하나의 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")을 포함하는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 플래티늄 산화물, TiO, TiO2, Ti2O3, TixOy(여기서 2y/x는 정수임), 티타늄 탄화물, Al2O3, Ag2O, WO, WO3, Ta2O5, TaO2, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 은, CuI2, Pt(OH)2, CuCl2, 구리 및 이들의 조합으로부터 선택되고,
    상기 적어도 하나의 접속 층(16)은 Ag2S, 폴리아닐린, 카드뮴 스테아르산 염, 구리 황화물, 게르마늄 셀렌 화합물, 게르마늄 은 셀렌 화합물, 플래티늄 산화물, Ti3O5, TixOy(여기서 2y/x는 정수임), 티타늄 탄화물, AlxOy(여기서 x는 2가 아니고 y는 3이 아님), AgxOy(여기서 x는 2가 아니고 y는 1이 아님), WO, WxOy(여기서 y는 2 또는 3이 아님), TaO2 및 Ta2O5를 제외한 TaxOy, C16H32O2, C17H34O2, C18H36O2, C19H38O2, C20H40O2, C21H42O2, C22H44O2, C14H12Cl2N4O2, C15H16N2O3 및 이들의 조합으로부터 선택되는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 상기 적어도 하나의 접속 층(16)용 물질의 매개 물질(a mediator)로서 작용하고,
    상기 물질은 도펀트, 금속 이온, 금속 및 이들의 조합으로부터 선택되는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 상기 적어도 하나의 접속 층(16)용 이온의 소스로서 작용하는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 상기 적어도 하나의 접속 층(10)용 도펀트의 소스 또는 싱크(sink) 중 적어도 하나로서 작용하는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은 나노미립자, 필라멘트, 나노와이어 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 성장시키는 금속의 소스로서 작용하는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스.
  9. 나노스케일 전자 스위칭 디바이스(10)를 형성하는 방법으로서,
    적어도 하나의 상부 전극(12)을 적어도 하나의 하부 전극(14)과 0이 아닌 각도로 교차시켜 접합부를 형성하는 단계와,
    전기 화학적 반응, 전기 물리적 반응 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 통해서 전자 스위칭을 용이하게 하는 적어도 하나의 접속 층(16)을 상기 접합부 내에 동작 가능하게 배치하는 단계와,
    상기 디바이스(10)의 동작 동안에 전기 화학적 반응 경로, 전기 물리적 반응 경로 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 제어하는 적어도 하나의 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")을 상기 적어도 하나의 하부 전극(14) 및 상기 적어도 하나의 상부 전극(12) 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 접속 층(16) 사이에 동작 가능하게 형성하는 단계를 포함하는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스의 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 층(26, 26', 28, 28', 28")은,
    (i) 상기 적어도 하나의 하부 전극(14) 및 상기 적어도 하나의 상부 전극(12) 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 접속 층(16) 사이에서의 반응, 및
    (ii) 상기 적어도 하나의 하부 전극(14) 및 상기 적어도 하나의 상부 전극(12) 중 적어도 하나와 상기 적어도 하나의 접속 층(16) 사이에 제어 층(26, 26', 28, 28', 28") 물질을 증착하는 단계
    로부터 선택된 공정을 통해 형성되는
    나노스케일 전자 스위칭 디바이스의 형성 방법.
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