TW201705570A - 切換電路 - Google Patents

Abstract

一種切換電路，其具有與一相變材料部分串聯的一臨界裝置，且包含一可操作來作為一遲緩振盪器的一電路。有用以接收施加於該切換電路之一電壓的一輸入。施加一合適之電壓可在兩狀態間可逆地電氣切換該相變材料部分。

Description

切換電路

本發明係有關於一種切換電路。

已經有大量研究投入所謂相變材料(PCM)技術且其在諸如超高解析度反射式顯示器、透通顯示器及力感測器的光電子裝置上之用途。PCM包括可電氣地在多於一個相位之間切換的材料，且該等相位具不同光電子性質。雙穩態PCM特別地引起注意因為在相位轉變完成之後不需要持續地施加功率以維持該裝置於新狀態中。

此類裝置之一個關鍵的技術挑戰係在所謂的「絲狀問題」中僅有微小部分材料一般上主動地參與一切換循環，且周圍部分材料未改變。在實務上此意味著該等裝置在被切換之該部分材料係於奈米尺度時可被製成令人滿意地運作。然而，在切換諸如一可切換窗之現實宏觀尺度系統上會有難度。

切換一大區域的方法係將主動PCM區域劃分為奈米尺度大小的像素。然而，從晶質轉變至非晶質狀態可要求應用一急劇的奈秒持續時間之電氣脈衝以再非晶質化該PCM。問題在於以非常高的速度依次處理數百萬像素是重大的工程挑戰。用於像素之由電子周邊驅動電路所要求之計算能力的量會 隨像素的數目而大幅地增加。

本發明係鑑於上述問題而制定。

因此，本發明之一態樣提供一種用以在兩狀態間可逆地電氣切換一相變材料部分的一切換電路，該切換電路包含：與該相變材料部分串聯之一臨界裝置且其包含可作為一遲緩振盪器操作之一電路；以及用以接收施加於該切換電路之一電壓的一輸入。

本發明另一態樣提供一裝置，其包含根據本發明第一態樣之多個切換電路。

本發明態樣之進一步選擇性特徵係界定於申請專利範圍附屬請求項中。

本發明之實施例可使相變材料之一大區域能夠切換而不需可於無線電頻率操作之複雜驅動電路，且不需佔用採用該切換電路之裝置的周邊之一大區域。

10、12‧‧‧終端

20、22‧‧‧導體

24‧‧‧二氧化矽層

26‧‧‧後反射器層體/鏡體

40‧‧‧PCM像素

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

PCM‧‧‧相變材料

IMT‧‧‧絕緣體至金屬轉變

GND‧‧‧接地

發明之實施例現將僅以示例之形式敘述，配合引用之隨附圖式，其中：圖1係根據本發明之實施例的切換電路之電路圖。

圖2係使用於本發明之實施例中的遲緩振盪器之電流對時間特性之圖表。

圖3係根據本發明之實施例的構成一電路之一部分的結構之概要剖面圖。

圖4係納入本發明之實施例的裝置之概要平面視圖。

一切換電路之實施例將參考圖1而敘述。如顯示於圖1之電路，一相變材料(PCM)部分係與一絕緣體至金屬轉變(IMT)部分串聯設置。該PCM可為，例如，諸如一顯示器之構成部分或非依電性記憶體/儲存器的一光電子元件。整體電路係一皮爾森安森(Pearson Anson)振盪器的一修改版本，一特定類型之遲緩振盪器。該IMT作用為用於該遲緩振盪器之一臨界裝置。一電容C係與該PCM及IMT並聯，且一電阻R係於這些元件之間以及一輸入10用以接收與接地(GND)或其他終端12相關之施加電壓。

該PCM具有一折射率，其係藉由施加一適當電壓而為永久地、但可逆地可改變。此類材料當於非晶相與晶相之間切換時會在實與虛折射率兩者上經受一劇烈改變。該PCM能夠經受一電氣誘導可逆相變。其沉積於該非晶質狀態中。當施加一適當電壓時，會發生一電子轉變其允許一大得多的電流流通，其產生熱及晶質化該材料。該材料現於環境條件下該晶相為無限期穩定。欲切換回該非晶質狀態，施加熔化該材料之一不同電壓及，若該電壓去除地足夠快速，則該材料凍結回該非晶相。

如前所釋，在該材料於非晶相與晶相之間切換時，該折射率會有實質上之改變。無論於哪種狀態該材料係穩定。這表示在該裝置在一穩態(未被切換)時，可完全地去除電壓使得該裝置有低功率消耗。切換可執行有效無限次數。切換速度 亦非常快速，一般少於300ns。

在較佳實施例中，該PCM係Ge₂Sb₂Te₅(GST)。

該IMT部分係由在受熱時從一較低傳導態(「絕緣體」)轉變至一高得多的傳導態(「金屬」)之一材料構成。在較佳實施例中，該IMT係二氧化釩(VO₂)或更一般地係VO _x (取決於化學計量)。該VO₂本質上係單穩態：在溫度低於65C，其係於一第一晶質狀態(單斜晶)；當受熱高於65C時，其轉變至一第二晶質狀態(金紅石)，但一旦熱源去除其恢復至該第一狀態。

化合物VO _x 係僅為針對這些實施例之合適IMT材料的一示例。任何所謂的「莫特(Mott)憶阻器」(在某特定溫度經受一絕緣器至金屬轉變(IMT)之材料)皆為合適的，例如NbO _x 。

此電路之操作現將以起始於其晶質(低電阻)狀態之該PCM敘述。一直流(DC)電壓係施加於輸入10。在此實施例中，該DC電壓係在諸如4.7伏特之5伏特的區域中。電流開始流通過電阻R並充電該電容C。在此實施例中電阻R的數值係50k歐姆(ohm)，且電容C係1皮法(pF)。

隨著電容上的電壓增加，及流通過該IMT之電流增加，該IMT在某點使得轉變至該「金屬」狀態以及電傳導突然地增加了一非常大的因數。流通過該IMT之電流忽然地增加產生一電流尖峰直到電容C已放電，在該點該IMT恢復回通過一低靜態電流之該「絕緣體」狀態。若該PCM不存在，則只要DC電壓係施加於輸入10則此程序會循環性地重覆。圖2顯示通過該IMT之電流作為時間之函數的圖表，以及顯示該振盪特性。振盪之週期係由(上述之)R及C之數值所控制。如所觀之，此為 一自諧振電路，且當該PCM在其晶質(較低電阻)狀態中時，該IMT將發出具50奈秒量級之期間的週期性脈衝(在此實施例中)。同樣在此實施例中，該PCM的電阻之量級為15k歐姆。

然而，當該PCM之串聯電阻太高時，每個電流脈衝再非晶質化該PCM之部分直到達到一點，使得振盪條件不滿足，因為沒有充足之電流通過該IMT來導致其轉變至該「金屬」狀態。在此階段，該PCM現係在具有電阻之量級比在晶質階段中之電阻高於100倍之非晶相中(例如在此實施例中為1500k歐姆)。可忽略不計之電流現流通過整個電路，且因為該PCM係雙穩態，可去除輸入電壓且該PCM將保持於該非晶質狀態中。整個切換程序需要該等50奈秒脈衝之少數個、或甚至只有一個。該切換程序係主動的且不需要任何控制，因為該電路會自諧振直到切換完成及隨後該電流返回至接近零。

要切換該PCM使得其自非晶質狀態轉換回晶質狀態，會施加一不同電壓(較高或較低)至輸入10使得振盪條件不滿足。在此實施例中，電壓可為，例如，8伏特之DC。這切換了該IMT(但卻無振盪)並再次使該PCM再晶質化。

圖3顯示用以實行圖1之切換電路的結構之概要剖面圖。一PCM部分係沉積於一IMT部分之上而該等部分自身被夾入於頂部與底部透明(或半透明)之導體20、22之間。導體20、22係由一透明、導電之諸如銦錫氧化物(ITO)之材料所製成。在此實施例中，該裝置係藉一二氧化矽(SiO₂)層24所封裝，該SiO₂層既保護該結構以防氧化且亦提供需要用於振盪器電路之並聯電容，如圖3之插圖中概要地顯示般。其他介電材料可 用來取代二氧化矽以提供電容，例如，氮化矽、氧化鉿或氧化鋁。

針對圖3結構及針對其他實施例的層體之厚度的範圍之示例如以下所示：PCM(例如，GST)，5至50奈米；臨界裝置(例如，IMT)，10至50奈米；導體20、22(例如，ITO)，0至300奈米；這些範圍，當然為純粹示例，且可被用於彼此隔離，例如，一層體於如上定義之其範圍之內，且其他層體不一定限於其範圍。

在一些實施例中，一後反射器層體26係提供以用作為一鏡體，且可由，例如鉑、鋁、銀等等所構成。藉由選擇該IMT及/或底部導體22，當該PCM係於兩狀態之間切換時，該結構之光學對比/明顯之色差可被調整或增強。在其他實施例中，可省略該底部導體及鏡體26之一者或兩者，所提供者係用於電氣地接觸該IMT部分之構件。

頂部導體20及底部導體22係導出(通過適當之電阻R)至合適之接點以為了電壓輸入及接地以為了電氣地驅動該切換電路，如同圖1中所繪示。

繪示於圖3中整體結構可提供於諸如一半導體晶圓、石英(SiO₂)、玻璃或諸如一聚合物薄膜之一可撓基體的一基體上(未顯示)，該聚合物薄膜例如聚酯膠膜。該結構可提供於諸如玻璃、窗戶或透明顯示面板之物品上。該等層體可使用濺射而被沉積，其可在攝氏100度之一相對低的溫度執行。該 等層體亦可依需求樣式化，使用從微影知悉的習知技術，或其他技術，例如從印刷。根據用途，如需要亦可針對該裝置提供額外之層體。

圖1及圖3之該電路中的該PCM及該IMT之序列(或其他臨界裝置)當然可以被反向，因為其僅僅以串聯連接。施加至終端10、12之電壓的極性亦可為不論何種形式之圓，以及任一終端可在接地電位。

圖4繪示納入實行本發明之多個切換電路之裝置的概要平面視圖。電氣地勢係依橫桿型裝置。高傳導(例如金屬)軌10、12係提供圍繞於該裝置周邊，其運作為電壓輸入。提供有用作為該等頂部與底部導體之垂直及水平導體20、22，其係相交如於圖3之剖面圖中顯示。每個相交處實際上係一PCM像素40，因此該裝置包含一2D像素陣列。然而，所有像素皆相互平行且可簡單地藉由在該等傳導軌10、12之間施加適當的電壓而同時地被驅動。事實上，在某些實施例中，不要求個別像素的樣式化，其使得製造更簡單且更便宜。實際上，整個區域係一單一巨大像素。可選地，可提供比圖4中所概要顯示的還要更多的像素。在一實施例中，每個像素的維度可在約略100奈米x100奈米至300奈米x300奈米的範圍內，然而，當然不需要成方形。

可提供一控制器及/或其他電路(未顯示)以施加需要之切換電壓，且可與圖4之裝置整合於一基體上，或可提供來作為分離之專用電路。

任何PCM裝置可使用切換電路及如上所述之配置， 包括商用固態記憶體，及可切換窗(亦稱之為智慧窗、智慧玻璃或可切換玻璃)。一可切換窗包含上釉，在該上釉中光傳輸性質可藉切換該PCM的狀態而更改。此更改了該PCM之折射率，並可被用來改變該上釉之透光率而為光波長的函數，例如，藉由採用干涉效應。若使用一雙穩態PCM，則僅需在實際切換該裝置時施加功率，且在該穩定狀態中無功率消耗。一可切換窗可製造成其大小沿著每個邊緣至少為數公分，且多個此類裝置可以鑲嵌方式放在一起成為更大的窗。

前述實施例中將GST(Ge₂Sb₂Te₅)參照為PCM，但此對本發明而言非為必須的，且許多其他合適的材料係可得的，非分開地即組合地，包括選擇自下列之元素組合的化合物或合金：GeSbTe、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe及AlSb。亦必須了解的是這些材料的各種化學計量形式係可能的；例如，Ge _x Sb _y Te _z ；以及另外合適的材料係Ag₃In₄Sb₇₆Te₁₇(亦稱為AIST)。除此之外，材料可包含一或多個摻雜物，例如C或N。

一般而言，用語PCM包含任何在施加一電氣信號時經受折射率改變(實及/或虛部)之固體材料。該改變在正常作業溫度下(亦即雙穩態)可為永久的(透過可逆)，或可為暫時的。

雖然此處敘述之實施例提及PCM層在諸如晶相與非晶相之兩狀態間為可切換，然轉變可以在任何兩固相之間，包括，但不限於：晶質至另一晶相或類晶相，或反之亦然；非晶質至晶質或類晶質/半序，或反之亦然，以及其之間的所有形 式。實施例亦不僅僅限於兩狀態。

進一步增強之實施例係該PCM不必要只是於一完全晶質與一完全非晶質狀態之間切換。可實現一相位混合，例如20%晶質、40%晶質等等。部分晶質化可藉由簡單地限制在一切換事件期間所允許的最大電流而實現(例如使用一可變電阻與輸入串聯作為電阻R)。取決於部分晶質化的程度，產生的該材料之有效折射率係介於該完全晶質與該完全非晶質此二極端之間某處。通常在4與8個區別的混合相之間係可實現的，但配合適當的控制，可為高得多的，例如128個值，且有效地對應於通過色彩空間追蹤一路徑，可達成一連續的折射率數值。

前述實施例使用一IMT部分作為該臨界裝置。可使用替代的臨界裝置。另外的實施例使用一雙向(ovonic)臨界切換部分作為該臨界裝置，以及一進一步實施例使用一臨界真空開關作為該臨界裝置。針對雙向臨界切換部分的材料之示例包括：硫化合物；AsTeGeSi及AsTeGeSiN基材料。臨界真空開關之示例包含一堆疊，其包含：一W/TiN底部電極；具~1奈米真空間隙之TiN/真空頂部電極(藉一SiN犧牲層所建立)，以及藉電化學氧化所準備之WO _x 作為一切換層。

一般而言，當臨界條件滿足時，該臨界裝置可經受一電壓誘導或電流誘導自一係為電氣受阻之開始狀態轉變至一更為傳導的狀態，但該材料係單穩態，在其中當該電壓/電流去除時會自發地返回到該穩定開始狀態。

要切換該PCM使得其自該非晶質狀態轉變回該晶質狀態，本發明之進一步實施例並不一定要將電流通過該PCM本 身。確實，一加熱器可配置以加熱該PCM達晶質化溫度之上，例如對GST為140C；然後於停止該加熱時，該PCM再晶質化。在一實施例中，該加熱器可為諸如ITO的透明導體之一或多個條帶，透過其一電流通過而藉焦耳(歐姆)熱提高基體溫度，以快速地切換該PCM而不需要特別的控制。在如圖4所顯示之實施例中，可使用存在之導體20及/或22作為加熱器，並簡單地自傳導軌10至傳導軌10及/或自傳導軌12至傳導軌12通過一足夠高的電流。

雖然實施例中之一些使用ITO作為用於透明電極之偏好材料，此僅僅為一示例，且可使用另外合適的材料，諸如碳奈米管，或諸如銀的一薄金屬層。

配合本發明之實施例，該裝置的周邊附近不需要顯著的電子電路，因此複雜性係大幅降低且擴展性更容易並更具成本效益。

10、12‧‧‧終端

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

PCM‧‧‧相變材料

IMT‧‧‧絕緣體至金屬轉變

GND‧‧‧接地

Claims (16)

1. 一種用以在兩狀態間可逆地電氣切換一相變材料部分之切換電路，該切換電路包含：與該相變材料部分串聯之一臨界裝置且其包含可操作作為一遲緩振盪器之一電路；以及用以接收施加於該切換電路之一電壓的一輸入。
2. 如請求項1之切換電路，其中該臨界裝置係能夠經受從一電阻狀態至一傳導狀態的一電壓誘導單穩態轉變，以用作為該遲緩振盪器之該臨界裝置。
3. 如請求項1或2之切換電路，其中該電路係經配置使得一第一電壓施加至該輸入導致該相變材料部分從一第一狀態轉變至一第二狀態，該第二狀態具有比該第一狀態較高之電阻。
4. 如請求項3之切換電路，其中不同於該第一電壓，該第二電壓施加至該輸入導致該相變材料部分從該第二狀態轉變至該第一狀態。
5. 如請求項3之切換電路，進一步包含一加熱器，配置來在該相變材料係於該第二狀態時將該相變材料部分加熱高於一預定之溫度，及隨後停止加熱以致使該相變材料部分從該第二狀態切換至該第一狀態。
6. 如請求項1或2之切換電路，其中該臨界裝置包含下列中之一者：一絕緣器至金屬轉變部分；一雙向臨界切換部分；以及一臨界真空開關。
7. 如請求項4之切換電路，其中該絕緣器至金屬轉變部分包含VO _x 、NbO _x 中至少一者。
8. 如請求項1或2之切換電路，其中該相變材料包含選擇自下列組合之元素組合的化合物或合金：GeSbTe、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe及AlSb。
9. 如請求項8之切換電路，其中該相變材料包含來自該列之元素組合的化合物或合金之混合。
10. 如請求項1或2之切換電路，其中該相變材料包含Ge₂Sb₂Te₅。
11. 如請求項1或2之切換電路，進一步包含與串聯連接之該相變材料部分及該臨界裝置並聯的一電容。
12. 如請求項11之切換電路，其中該電容係由諸如二氧化矽、氮化矽、氧化鉿或氧化鋁之一介電材料層提供。
13. 一種包含多個切換電路之裝置，每個切換電路係根據請求項1或2，以及每個切換電路包括一相變材料部分，其中該等多個切換電路之該等相變材料部分係配置為一二維陣列。
14. 如請求項13之裝置，其中該等多個切換電路之輸入係以共同並聯連接。
15. 一種可切換窗，其包含根據請求項1或2之切換電路。
16. 一種可切換窗，其包含根據請求項13之裝置。