TW200933633A - Charge carrier stream generating electronic device and method - Google Patents

Description

200933633 六、發明說明： 【發明所屬之技+ 奸領城】 本發明係有關一種包含用於產生一電荷载子串流之一 產生器的電子裝置。 5 本發明進一步係有關一種用於產生一電荷載子串流之 方法。 有許多電子裝置使用產生諸如電子或電洞之電荷載子 串流來改變一材料之特性。該類特性上的改變可為永久， 10例如熔絲或反熔絲的情況中，或為可逆的。使用可逆的特 性改變之裝置範例包括顯示器裝置，其中電子流可用於將 ' 一亞磷材料從其接地狀態激發為—電子激發狀態。該類電 ， 子裝置之其他範例包括場射極式裝置與相變記憶體。 一相變記憶體典型包含諸如可於不同的固態間切換之 15 -硫化物材料或一半導體材料’該等狀態諸如該材料之原 _ +或分子採用—高階定向之—低電阻晶質狀態以及該等原 子或分子隨機排列之一高電阻非晶質狀態。該相變典型由 將该相變材料暴露於造成該材料由於其本質電阻而加熱之 -電流而熱引發。相變可藉請化輯料以及使其降溫來 2〇觸發，其典型可使該材料採用該非晶質狀態，或可藉由將 該非晶質狀態加熱至該晶質啟動溫度以上但低於溶點以改 變該非晶質狀態至一晶質狀態來觸發。 與諸如相變記憶體之該類電荷載子串流產生電子裝置 相關聯的問題是，該電子流之該橫截面區典型由用來製造 3 200933633 該裝置之該印版程序的最小可達到維度來操縱。此限制了 可達到之解析。特別是，相變記憶體中，必須達到一特定 電流密度來觸發該相變材料中之該相位改變。此表示必須 放置一相當大的電位差於該相變材料週遭之該等電極上， 5 導致一相當高的功率耗損。 此問題已於習知技術中辨識出。例如，美國專利申請 案第US2004/0197947A1號揭示使用具有一負微分電阻 (NDR)之一材料的一相變記憶體晶胞。該類材料暴露於一足 夠的電位差時展現一絲狀傳導通道。該絲狀傳導允許該次 10印版維度之相變材料的一區域加熱。然而，NDR材料式裝 置之一著名缺點為其無法輕易使用標準半導體製造技術來 生產。 本發明嘗試提供一種包含一電荷載子串流產生器之電 子裝置，該類電子流可使用標準半導體製造技術來製造。 15 本發明進一步嘗試提供一種用於產生一電荷載子串流 之方法，使得使用標準半導體製造技術來製造之一裝置可 得以實現。

C發明内容；J 根據本發明之一第一觀點，其提供一種包含用於產生 20 一電荷載子串流之一產生器的電子裝置，該產生器包含具 有一射極區、一集極區以及於該射極區與該集極區間定向 之一基極區的一雙極性電晶體、以及用於控制該雙極性電 晶體暴露於超過其開基極崩潰電壓(BVce〇)之一電壓的一 控制器，其使得該射極區從小於該射極區表面區域之一第 200933633 一區域中產生該電荷載子串流。 本發明是根據實現崩潰模式之—雙極性電晶體的該著 名的電流夾止效應可用於諸如場射極與相變記憶體之電子 裝置中’討建立子印版職f子與織翻流。此進一步 ^虞聽年美荷醉舉行之咖第Μ屆年度國際可 理學論射，對PankGeta〗所著‘針對高效能錯化石夕 ^雅電晶體之“混合模式”可靠度的故料_取模型，， ❹ 10 15 鲁 20 ^12-515頁中揭示之理解，其中—雙極性電晶體可於其 朋潰範圍中操作’以延長於崩溃情況下對其效能無不利的 效應之時間週期。因此’用以改變諸如一相變材料之材料 的物理狀態之子印版標度電子流來源可使用習知印版製造 程序來提供。該雙極性電晶體可於反轉模式中操作，因為 此模式中電流夾止現象更加明顯。本發明 =模式之操作包含對該雙極性電晶體之該集極式二極體順 "偏壓以及對該基極射極二極體反向偏壓。本發明之該電 ^裝置典型包含多個雙極性電晶體，例如，多個記憶體晶 胞’母—電晶體安排來觸發-材料之特性改變。 相較於設計在子崩潰電壓範圍中操作之雙極性電晶 ^ ’该雙極性電晶體之該摻雜概況可被選擇使得更增強該 ^止效應。例如’可選擇—低基極摻雜來增加該基極區之 電阻。導致電流夹止現象之該崩潰機制可由該基極隼極空 :區:之-高電場來形成。此電場可藉由增加該集Si 為辰度來增強’因此進—步放大電流失 止現象。於一有 1實施例巾’軸極區之_概況包含—橫向梯度以進一 5 200933633 步集中具有該高摻賴度之舰財的纽現象發生。該 橫向摻雜概況可於該集極區之中㈣遭對稱並可包含 型濃度分佈。 5 該電子裝置可進—步包含暴露於該電荷載子串流之材 料以觸發姆料之—祕改變。於—較佳實施射，該材 料是一相變材料使得該電子裝置可用來作為-相變記憶 體。該相㈣射叹展現上勒變雜之任何著名材 料’並典型放置於姉極區與—電極之間。該相變材料亦 可形成5亥射極區之至少一部分。 10 纟發明進—步根據對該射極區中之該電流夾止孔徑的 位置與該基極電阻有關之理解，該基極電阻可藉由於鱼該 基極區相關之不同位置來提供多個基極端子以受控制。= 有助於控制該内部基極區電阻之電壓降形成使得該射極 區中之該電流夾止區的位置可加以控制。此可用來以—單 15 -雙極性f晶體卿子印轉析之㈣電㈣子串流靈敏 材料區。 根據本發明之另-觀點，其提供一種用於產生一電荷 載子串流之方法，其包含提供具有—射極區、一集極區以 及於該射極區與該集極區間定向之_基極區的一雙極性電 2〇晶體、以及控制該雙極性電晶體暴露於超過其開基極崩潰 電壓(BVCE〇)之-電壓’使得該射極區從小於該射極區表面 區域之一第一區域中產生該電荷載子串流。 本發明之方法可觸發諸如一材料中之子印版維度的— 相變之特性改變，而不需複雜的製造技術來達成此效應。 200933633 圖式簡單說明 經由非限制性範例並參照該等伴隨圖式將更 本發明，其中： 成月 第1圖不意性描繪發生於崩潰情況中操作之 5電晶體的效應； 烛性 第2圖示意性描繪發生於該等情況中之該電流夾止效應； 第3圖顯示—描緣針對正與負基極電流操控時之集極 電流的圖形； ^

第4圖顯示本發明之—電子裝置的-部分之-實施例； 1〇 f 5圖顯示-描繪該產生之電荷載子串流的該維度上 之s亥基極區電阻的效應之圖形； 第6圖顯示本發明之一電子裝置的另一實施例；以及 第7圖顯示本發明之一電子裝置的其他實施例。 【實施方式】 15 理應瞭解的是，該等圖式僅為概略圖例，且並未依比 例緣製。亦應理解的是，通篇圖式中，使用相同的元件標 號來表示相同或相似的元件。 如第1圖所示一NPN雙極性電晶體1〇〇之該正常操作模 式中’以密閉圓圈表示之該等電子從該射極區120跨越基極 20區140流向該集極區160。此使得主要由以開放圓圈表示之 電洞組成的該基極電流IB為正：ΙΒ>0。該射極電子流之橫 截面區等於射極區120之區域。現在，由於改善之印版技術 所以該區相當小。 於其（開基極）崩潰電壓bvceo以上來操作該雙極性電 200933633 晶體時’該基極電流IB變為負而由於該集極基極空乏區i5〇 中之撞擊離子化所以該等電洞離開該基極端子。此現象為 著名的崩潰機制，並由該集極基極空乏區15〇中之高電場所 造成。 5 針對具有非零的本質基極電阻(RB)之實際雙極性裝 置’若該電晶體100於BVCEO&上操作，則該等電子向該電 晶體100之中央集中。此效應為著名的電流夾止現象並且是 該負的電洞基極電流造成§亥基極電阻RB之電壓降的名士 果。當該本質基極電阻之該電壓降變得比得上或大於該熱 10電壓時：|IB X RB|2VT，而ΙΒ<0，該電流之夹止現象變得非 常重要。電流夾止現象使得該電子串流之橫截面區域遠小 於由印版判疋之§亥最小射極尺寸。此描繪'於第2圖。 §亥電晶體摻雜概況之最佳化，諸如該基極區14〇與該集 極區160之該摻雜概況允許此效應在例如相變記憶體中有 15效利用。最佳用於正常模式之雙極性電晶體中典型的集極 摻雜濃度使用範圍從l*l〇16/cm3至PiOWcm3。例如，最佳 用於一電流夾止模式中操作之一雙極性電晶體具有一集極 換雜濃度，例如，_ m〇19/cm3此範圍的上限或 甚至超過此範圍。為了使該射極區之一小部分中的電荷載 20子串流之限制升級，該集極摻雜濃度可展現一橫向梯度。

第3圖顯示該電晶體使用基極電流操控之輸出特性 圖。作為該集極射極電壓Vce<BVce〇之一函數的該電流曲 線1C針對正基極電流而言是“正常，，的集極電流並且❹ 於標準電路中。然而，如第3圖右側板面所示，針對導致V 200933633 > BVCE0之負基極電流操控而言可取得相同的集極電流準 位。該等情況下’該電晶體於夾止模式巾操作。此模式之 特徵在於-貞基極電流IB，而該集極電流IC保持相同的大 5 10 15 ❹ 20 小。第3圖展現針對各種不同的負基極電細之夾止情況下 該集極電流之測量結果。 應體δ忍该夾止效應產生之該夹止電子串流可用於需集 中電子束來改變一材料之狀態的任何電子裝置中。本發明 之概念特別適合應用於相變記憶體中。第4圖顯示本發明之 一電子裝置的-部分之-範例，其十_相變材料層41〇加入 "亥雙極性電晶體100中。第4圖中，該相變材料41〇放置於該 射極區120頂部並由一電極42〇覆蓋。或者，該相變材料41〇 可整合於該射極區12〇中。 該射極區120之寬度由著名的印版程序來判定，並且不 需任何額外、非習知技術的步驟便能產生具次印版程序維 度之電子串流。如第4圖之區域415所展現，藉由將該雙 極性電晶體1GG操作於崩潰範圍中，便會出現電流夾止現象 而該射極之電子會集中該裝置中央。如區域125巾所示，結 果非藉由增加該射㉟電流總量而是藉由減少該有效射極 區，該射極區120中之電流密度開始急劇增加。第4圖中， 該效應展現於操作在順向偏壓之一電晶體中，亦即，具有 順向偏壓射極基極界面與一反向偏壓基極集極界面。然 而，反轉操作之一電晶體，亦即，具有—反向偏壓射極基 極界面與一順向偏壓基極集極界面，會更有效率。 第4圖之該雙極性電晶體由一控制器（未顯示）來操作， 9 200933633 …又為4雙極性電晶體於正常操作中可接受超過其開基 極崩潰電壓BV咖之—錢，使得該射極區從小於該射極區 表面區域之1 —區域中產生該t荷載子_流125。應體認 該類控制n可以任何適㈣方絲設計，並可从配適成 5 10 =雙極性電晶難受超過其料f壓之-電壓而非低於其 崩潰電壓之-電壓的一習知控制器。 應強調針對本發明之該電子襄置同樣可實行於其他應 用領域例如，該雙極性電晶體100之該等各種不同區域的 順序可被反轉來產生該電晶體頂部具有該集極區160之-雙極性電晶體。使賴雙極性f晶體1GG來作為-場射極 時，該類定向會特別有幫助。 如上所述’針對該内部基極射極電壓而言若該基極區 140之該本質電阻145的電壓降夠高而超過該外部施用電壓 時’則出現電流失止現象。此增加該雙極性電晶體100中央 5之該内部基極射極界面順向偏壓。因此，該本質基極電阻 之尺寸是該雙極性電晶體100的一重要參數，並且應夠高足 以產生該基極區14〇之一足夠高的電壓降。 再者’該基極區14〇之電壓降是由該集極基極空乏區 150的撞擊離子化產生電洞所造成。該崩潰機制由該集極基 極空乏區150中之該高電場所觸發。於是，一高集極摻雜是 有助於增強該夾止效應。在此重申該集極摻雜概況可包含 一梯度來進一步增強該夾止效應。 第5圖顯示一描繪該夹止效應之本質基極電阻的影響 之~分析模擬結果的圖形。該y軸顯示該電子串流密度，而 200933633 該射極之該夾止區顯祕冰。計料_之該射極寬度為 2仰m。料各種不同鱗代表_從心㈣之不同的 本質基極電阻。該等不同的本質基極電阻可藉由改變該等 各種不同模擬運轉中之基極摻雜濃度來達成。 5 ❹ 10 15 e 20 第5圖顯示針對一增加的本質基極電阻該爽止串流 125變得更集中於該射極區m中央。該本質基極電阻之範 圍選擇介於1之間，因為此範圍包含該本質基極電 阻之實際值。然、而’亦可使驗高的數值。應體認該本質 基極電阻㈣餘雜準位能厚度基極層厚度之一組合 來判疋嘗式達到該所需之本質基極電阻時必須將該等 兩變數列入考量。 進一步強調失止現象發生之該區域(A)的大小會進一 步根據該⑻基極電狀大小。目此，冑本冑基極電阻以及 低基極電流可給定魏本f基極電阻(RB)以及—高基極電 電流⑽相同尺寸的爽止區；A~RB*IB。於是，於一固定 RB時，該負基極電流增加會造成該夾止區縮小。 第6圖顯示本發明之該電子裝置的一部分之另一實施 例。第6圖中，該基極區14〇由以一控制器（未顯示)控制之多 個基極端子621-624圍繞。該等基極端子621—624可促進對該 基極區140中該電阻概況形狀之控制。如第4圖之箭頭43〇與 第6圖之该等箭頭所示，改變該電阻概況之形狀會於該夾止 電流區域610之位置的一位移中轉譯。該電流夾止區域之位 置可藉由提供該等基極端子621-624適當的偏壓來加以控 制。該控制器（未顯示）可動態判定該等適當的偏壓。然而， 11 200933633 較佳情況是該控制器包含諸如可儲存該等各種不同偏麼之 · -詢查㈣某麵式記憶體，㈣此可降倾控制器之複 雜度。 第6圖之安排可藉由分割諸如—相變材料覆蓋物之一 5材料或於不同區段_中形成該雙極性電晶體之該射極區 120來加以延伸。此顯示於第7圖。提供該等基極端子 621-624適當的偏壓可促進該電荷載子串流125之該區域 610的位置位於該等區段·之_—區段。因此，可取得 -材料中的特性改變可於次印版解析㈣之—電子裝置。 〇 10此即可提供具有§己憶體晶胞之一相變記憶體子印版維度， 其可顯著增加資料儲存的容量。 應體認第6圖與第7圖中基極端子621-624與區段7〇〇之 數量可僅藉由非限制性範例來加以選擇。不同數量的祕 端子與區段會是本發明之考量因素。 15 除了上述該電子裝置外’本發明更提供-種方法，其 提供具有-射極區12〇、-集極區16(m及於該射極區12〇與 該集極區160間定向之一基極區14〇的一雙極性電晶體 〇 麵、以及控制該雙極性電晶體1〇〇暴露於超過其開基極崩 溃電壓BVCEO之一電壓’使得該射極區12〇從小於該射極區 20表Φ區域之一第—區域中產生該電荷冑子串流。 «亥方法可包含藉由該電荷載子串流來觸發一材料之一 特性的改變。較佳情況是’該材料是-相變材料，其中該 電荷載子串流包含該雙極性電晶體產生之一電子流。該電 子流用來改變該材料之一晶質相位。 12 200933633 應注意上述該等實施例係繪示而非限制本發明，而在 不違背該等後附申請專利範圍之範疇的情況下，業界熟於 此技者將可設計許多替代實施例。該等申請專利範圍中， 放置於括號間之任何參考符號不應視為限制該申請專利範 5圍。該單字“包含”並不排除存在有不列於一申請專利範圍 中之元件或步驟。放置一元件前之該單字“一，，或“一個，，並 不排除存在多個該類元件。本發明可藉由包含若干分開元 件之硬體來加以實施。要求列舉若干裝置之該裝置中，若 Ο 干該等裝置可由一個硬體與相同項目之硬體來具體化。特 10定措施可於彼此不同的相依申請專利範圍中列舉的事實並 不表示該等措施之一組合無法用來作為一優勢條件。 【圖式簡單說明】 • 第1圖示意性描繪發生於崩潰情況中操作之一雙極性 電晶體的效應； 15 第2圖示意性描繪發生於該等情況中之該電流夾止效應； 第3圖顯示一描繪針對正與負基極電流操控時之集極 ® €流的圖形； 第4圖顯示本發明之-電子裝置的一部分之一實施例； 第5圖顯示-描繪該產生之電荷載子串流的該維度上 2〇 之該基極區電阻的效應之圖形； 第6圖顯示本發明之一電子裝置的另一實施例；以及 第7圖顯示本發明之一電子裝置的其他實施例。 13 200933633 【主要元件符號說明】 100…NPN雙極性電晶體 120…射極區 125…串流 140…基極層 145···本質電阻 150···集極基極空乏區 160…集極區域 © 410…相變材料 415、610…區域 420…電極 . 430···箭頭 · 600、700…區段 621-624…基極端子 ◎ 14

Claims (1)

1. 200933633 七、申請專利範圍： 1. 一種電子裝置，其包含有： 一用於產生-電荷載子串流之產生器，該產生器包含： 一雙極性電晶體，其具有—射極區、—集極區以及 於該射極區與該集極區間定向之_基極區，以及 _ 一用於控難雙極性電晶體暴露於超過其開基極

   載子串流 =潰電_v⑽)之—電壓的控制器，其使得該射極區 =、於該射極區表面區域之—第—區域中產生該電荷 2.如 於項之電子裝置，更包含安排來暴露 上的\文變 材料，以便觸發該材料之一特性 3. :Γ=:Γ項或第2項之電子裝置，其中該雙極 -心被選擇來從該射極區之該第 £域增強該電荷载子串流之產生。 15 200933633 8.如申請專利範圍第6項之電子裝置，其中該材料形成該 射極區之至少一部分。 9·如上述中請專利軸之任_項的電子裝置，其中 區於不同位置包含多個基極端子以控制該射極區表面 區域之該位置。 10.如上述㈣專利範圍之任—項的電子裝置，其中該雙極 性電晶體受連接來於反轉模式中操作。 U·如上述中請專利範圍之任—項的電子裳置，其包含多個 雙極性電晶體’每—電晶體受安排來弓I動-個別材料部 份之一特性的改變。 種=於產生-電荷载子串流之方法，其包含下列步驟： 提供一具有一射極區、一集極區以及於該射極區與 該集極區間定向之一基極區的雙極性電晶體；以及 控制該雙極性電晶體暴露於超過其開基極崩潰電 壓（bvceo)之一電壓，使得該射極區從小於該射極區表 面區域之一第—區域中產生該電荷載子串流。 13·如申请專利範圍第12項之方法，更包含下列步驟： 提供安排來接收該電荷載子事流之一材料；以及 以該電荷載子串流來觸發該材料之一特性上的改變。 14·如申請專利範圍第13項之方法，其中該材料是一相變材 料’而其中觸發該特性上之改變包含改變該材料之一曰 曰曰 質相位。 15.如申請專利範圍第12、13、14項之任一項的方法，其中 该雙極性電晶體之該基極區於不同位置包含多個基極 200933633

   端子，該方法更包含藉由將該等基極端子之一預定數量 連接至一控制信號來控制該射極區表面區域中之該第 一區的位置。 16.如申請專利範圍第12、13、14、15項之任一項的方法， 更包含將該雙極性電晶體於反轉模式中操作。 17