TWI512965B - 積體電路元件、開關及記憶體單元 - Google Patents

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Description

積體電路元件、開關及記憶體單元
本文中所揭示之實施例係關於積體電路元件，其中開關及記憶體單元僅為兩項實例。
一開關為用於可逆地斷開及閉合一電路之一元件。一開關可被視為具有兩個操作狀態，其中該等狀態之一者為一「導通」狀態且另一者為一「關閉」狀態。「導通」狀態中之通過開關之電流將高於「關閉」狀態中之通過開關之電流，且一些開關可允許在「關閉」狀態中本質上無電流。可在一積體電路之任何位置中利用開關，其中可期望可逆地斷開及閉合該電路之一部分。
可存在於一積體電路中之一類型之電路為記憶體。記憶體用在用於儲存資料之電腦系統中。記憶體單元經組態以保留或儲存呈至少兩個不同可選擇狀態之資訊。在一個二進制系統中，狀態被視為「0」或「1」。在其他系統中，至少一些個別記憶體單元可經組態以儲存兩個以上位階或狀態之資訊。一記憶體單元之不同記憶體狀態可對應於該記憶體單元內之不同電性質，且可例如對應於通過該記憶體單元之不同電阻。例如，一個二進制系統之記憶體狀態之一者可為記憶體單元之一高電阻狀態，且該系統之記憶體狀態之另一者可為記憶體單元之一低電阻狀態。相應地，記憶體單元之讀取可包括判定一預 定電壓下通過記憶體單元之電流。
一類型之記憶體單元為一所謂之交叉點記憶體單元，其包括兩個導電電極之間之可程式化材料。吾人已知可適合於用在交叉點記憶體中之諸多可程式化材料。例如，相變材料(諸如(例如)各種硫族化合物)可用作為可程式化材料。利用相變材料作為可程式化材料之記憶體有時被稱為相變隨機存取記憶體(PCRAM)。作為另一實例，一些可程式化材料可利用離子作為移動電荷載子以自一記憶體狀態轉變至另一記憶體狀態。此等可程式化材料可併入至電阻性隨機存取記憶體(RRAM)。
利用交叉點記憶體之一難點在於：通過交叉點記憶體單元之電流會出現大量洩漏，且此會負面導致自一記憶體裝置擷取所儲存資料期間之錯誤。相應地，二極體或其他選擇裝置與記憶體單元共同配對以有助於控制通過記憶體單元之電流。一開關可為一適合選擇裝置。
10‧‧‧積體電路建構
10a‧‧‧積體電路建構
10b‧‧‧積體電路建構
10c‧‧‧積體電路建構
10d‧‧‧積體電路建構
10e‧‧‧積體電路建構
10f‧‧‧積體電路建構
10g‧‧‧積體電路建構
10h‧‧‧積體電路建構
10i‧‧‧積體電路建構
10j‧‧‧積體電路建構
12‧‧‧開關/記憶體單元
12a‧‧‧開關/記憶體單元
12b‧‧‧開關/記憶體單元
12c‧‧‧開關/記憶體單元
12d‧‧‧開關/記憶體單元
12e‧‧‧開關/記憶體單元
12f‧‧‧開關/記憶體單元
12g‧‧‧開關/記憶體單元
12h‧‧‧開關/記憶體單元
12i‧‧‧開關/記憶體單元
12j‧‧‧開關/記憶體單元
14‧‧‧基座
16‧‧‧第一電極
18‧‧‧第二電極
20‧‧‧導電電極材料
22‧‧‧空間
24‧‧‧石墨烯結構/第一石墨烯結構
25‧‧‧虛線
26‧‧‧第一導電結構
27‧‧‧軸
28‧‧‧第二導電結構
30‧‧‧導電材料
31‧‧‧鐵電材料
31e‧‧‧鐵電材料
31f‧‧‧鐵電材料/縱向間隔段
31g‧‧‧鐵電材料
31h‧‧‧鐵電材料
32‧‧‧電路
33‧‧‧鐵電材料
34‧‧‧電路
35‧‧‧鐵電材料
40‧‧‧介電材料
42‧‧‧第一導電突起
44‧‧‧第二導電突起
48‧‧‧石墨烯結構/第二石墨烯結構
50‧‧‧第三突起
52‧‧‧間隙
EF‧‧‧電場
EF1 ‧‧‧第一電場
EF2 ‧‧‧第二電場
L‧‧‧長度
T‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
圖1係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖2係可用在圖1之實施例中之石墨烯結構及鐵電材料之一實例性實施例之一圖解三維圖。
圖3係透過圖1中之線3-3取得之一圖解橫截面圖。
圖4係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖5係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖6係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖7係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖8係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖9係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖10係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖11係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖12係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
圖13係透過圖12中之線13-13取得之一圖解橫截面圖。
圖14係一實例性實施例之操作特性之一曲線圖。
圖15係本發明之一實例性實施例之一圖解橫截面側視圖。
一些實施例利用石墨烯(例如雙層石墨烯)作為通過一開關之一電流導電線，且利用橫向於該電流導電線之一電場來改變石墨烯內之一能帶隙。能帶隙之增大使開關「關閉」，且能帶隙之減小使開關「導通」。當橫向電場較低(或缺乏)時，此等開關可具有非常高之電流，此係因為：在一些實施例中，在缺乏賦予能帶隙之一足夠橫向電場時，石墨烯可不具有有效能帶隙。Feng Wang之若干論文中(例如Zhang等人之Nature第459期，第820頁至第823頁(2009年6月11日))描述一橫向電場與雙層石墨烯之能帶隙之間之一關係。
將一能帶隙賦予石墨烯之另一方式為使石墨烯形成為具有一窄尺寸(例如，小於或等於約20奈米、小於約10奈米或甚至小於或等於約5奈米之一尺寸)之一條帶。H.Dai之若干論文中(例如Li等人之Science第319期，第1229頁至第1232頁(2008年))描述石墨烯條帶尺寸與能帶隙之間之一關係。在一些實施例中，一開關內之雙層石墨烯可形成為使各個別層成為經組態以具有一固有能帶隙(即，在即使缺乏任何橫向電場時亦存在之一能帶隙)之一條帶，其可提供比可用缺乏一固有能帶隙之石墨烯結構實現之控制更多之對通過開關之電流之控制。
圖1至圖3中繪示一積體電路建構10之一部分，其包含由一基座14支撐之積體電路之一實例性元件(例如一開關12)。雖然基座展示為均質的，但在各種實施例中基座可包括諸多元件及材料。例如，基座可包括支撐與積體電路製造相關聯之各種材料及元件之一半導體基 板。可與該基板相關聯之實例性材料包含耐火金屬材料、障壁材料、擴散材料、絕緣體材料等等之一或多者。該半導體基板可例如包括單晶矽、本質上由單晶矽組成或由單晶矽組成。術語「半導電基板」、「半導體建構」及「半導體基板」意謂包括半導電材料(其包含(但不限於)塊狀半導電材料(諸如一半導電晶圓(單獨或組合地包括其他材料))及半導電材料層(單獨或組合地包括其他材料))之任何建構。術語「基板」意指任何支撐結構，其包含(但不限於)上述半導電基板。
開關12包含一第一電極16及一第二電極18。此等電極彼此間隔開，且具體言之，在所展示實施例中，此等電極彼此間隔達一空間22。
電極16及18包括導電電極材料20。此電極材料可包括任何適合導電組合物或組合物之組合，且可例如包括各種金屬(例如鎢、鈦、銅等等)、含金屬材料(例如金屬矽化物、金屬碳化物、金屬氮化物等等)及導電摻雜型半導體材料(例如導電摻雜型矽、導電摻雜型鍺等等)之一或多者。雖然電極16與18兩者展示為包括相同導電材料，但在其他實施例中電極16及18可包括相對於彼此之不同導電材料。
一石墨烯結構24在電極之間延伸。石墨烯結構可被稱為在電極之間縱向延伸；其中術語「縱向」用於標示可與其他元件比較之石墨烯結構之一定向。例如，電極16及18可被視為沿石墨烯結構之縱向維度彼此間隔開；且石墨烯結構可被視為具有沿正交於該縱向維度而延伸之一側向維度之一厚度「T」。石墨烯結構之「縱向」維度可為本身所標示之石墨烯結構之任何部分，且可為或可不為石墨烯結構之最長維度。
在所展示實施例中，石墨烯結構24延伸橫穿空間22且直接接觸電極16與18之兩者。在一些實施例中，石墨烯結構將包括一層以上之石墨烯。例如，石墨烯結構可為一雙層結構。結構24內展示一虛線25 以圖解地繪示：在一些實施例中，此結構可包括兩層之石墨烯。該等層可具有彼此相同之厚度，或可具有相對於彼此之不同厚度。
在操作中，當開關12處於一「導通」狀態時，電流沿電極16與18之間之石墨烯結構24流動。此電流可被視為沿一軸27之方向。
開關12包括一對第一導電結構26及第二導電結構28(即，導電節點)，其中在所展示實施例中此等導電結構自石墨烯結構24側向向外且位於石墨烯結構24之相對側上。導電結構26及28包括導電材料30。此導電材料可包括任何適合組合物，其包含上文參考電極16及18而描述之組合物之任何者。雖然第一導電結構26及第二導電結構28展示為包括一彼此相同組合物，但在其他實施例中該等導電結構可包括相對於彼此之不同組合物。
第一導電結構26及第二導電結構28分別連接至電路32及34，其中此電路經組態以在該等導電結構之間產生一電場(EF)。此電場橫向於沿石墨烯結構24之電流之一方向。雖然電場繪示為自電極28定向朝向電極26，但在其他實施例中電場可沿一相反方向定向。電場EF可由主要正交於石墨烯結構(如圖所展示)之一電場組成，或可由主要與石墨烯結構成一角度(正交除外)之一電場組成。若一電場主要與沿石墨烯結構之電流之方向成一角度(平行除外)(即，除沿軸27以外之一方向)，則此電場將具有對應於所繪示電場EF之一向量分量，該向量分量橫向於沿石墨烯結構24之電流之方向。因此，主要沿相對於軸27之任何方向(平行除外)導引之一電場之產生可被視為包括橫向於沿石墨烯結構24之電流之方向之一電場之產生。應注意，在開關12之「導通」狀態中，沿軸27(即，平行於沿石墨烯結構24之電流之一方向)之一電場分量可用於有助於使電子自電極16移動至電極18，或反之亦然。
第一導電結構26與第二導電結構28可一起被視為經組態以改動 石墨烯結構24之石墨烯內之一能帶隙之一電元件。具體言之，導電結構之間所產生之電場可藉由利用由Feng Wang描述之關係而改動石墨烯結構24之石墨烯內之能帶隙。
橫向於石墨烯結構24內之電流之電場之量值之操縱可用於控制開關12之狀態。一相對較高之橫向電場可用於使開關12維持處於一「關閉」狀態，而一相對較低之橫向電場可用於使開關12維持處於一「導通」狀態。術語「相對較高之橫向電場」及「相對較低之橫向電場」用於指示：橫向電場相對彼此而較低及較高。在一些實施例中，可使第一導電結構26與第二導電結構28之間之總電壓差改變約0.25電子伏特以使開關自「導通」狀態轉變至「關閉」狀態，或反之亦然。在一些實施例中，可藉由提供小於或等於每奈米約3伏特之一橫向電場而實現自「導通」狀態至「關閉」狀態之轉變，且在一些實施例中，可藉由提供小於或等於每奈米約2伏特之一橫向電場而實現自「導通」狀態至「關閉」狀態之轉變。
石墨烯結構24具有自電極16至電極18之一長度「L」及沿正交於該長度之一方向之厚度「T」。石墨烯結構之長度及厚度可經調適以實現所要效能特性；另外，第一導電結構26與第二導電結構28之間之間隔及此等導電結構之間所產生之電場之方向可經調適以實現所要效能特性。
在一些實施例中，石墨烯結構24將具有自約1奈米至約10奈米之第一導電結構26與第二導電結構28之間之一最大總側向厚度。在一些實施例中，石墨烯結構將包括兩個或兩個以上層，且該等層之至少兩者將具有小於約5奈米之導電結構之間之一最大側向厚度；且在一些實施例中，此等層之全部將具有小於約5奈米之導電結構之間之一最大側向厚度。在一些實施例中，石墨烯之個別層將具有自約1奈米至約5奈米之一範圍內之最大側向厚度。厚度「T」可較均勻或可沿長度 「L」不均勻。無論如何，在一些實施例中，石墨烯結構24將具有自至少約10奈米至至少約50奈米之一範圍內之一長度「L」。
在一些實施例中，石墨烯結構24可呈矩形形狀。圖1至圖3中展示一實例性矩形形狀之石墨烯結構。此結構具有上述長度「L」及厚度「T」，且另外具有一寬度「W」。除厚度及長度以外，寬度亦可經調適以實現石墨烯中之所要能帶隙特性及開關12之所要效能特性(圖1及圖3)。在一些實施例中，石墨烯結構24將具有自至少約5奈米至至少約20奈米之一寬度「W」。
石墨烯結構24可相對於圖1及圖3之開關12之電場「EF」而組態，使得電場主要沿石墨烯結構之厚度「T」延伸(如圖1中所展示)；或石墨烯結構24可相對於圖1之組態而旋轉，使得電場主要沿石墨烯結構之寬度「W」延伸；或石墨烯結構24可經旋轉，使得電場沿相對於石墨烯結構之厚度與寬度兩者成角度之一主要方向延伸穿過石墨烯結構。
在一些實施例中，石墨烯結構24可包括兩個或兩個以上石墨烯層，其等尺寸上經組態以利用由H.Dai描述之關係，使得在缺乏一橫向電場時石墨烯具有一固有能帶隙。此可提供一額外參數以根據特定應用而調適開關12之「導通」狀態模式之導電性。在其他實施例中，石墨烯結構24可包括一或多個層，在缺乏一施加橫向電場時，該等層全部個別地具有對於結構24之石墨烯內之一有效能帶隙而言過大之尺寸。此可使石墨烯結構能夠在開關之「導通」狀態模式中具有非常高之電導度。
鐵電材料側向地介於石墨烯結構與第一及第二導電結構之至少一者之間。鐵電材料可均質或非均質。此外，可使用任何既有或尚待開發之鐵電材料，其中鈮酸鋰(例如LiNbO3 )為一實例。在一開關中，橫穿石墨烯結構及鐵電材料之一電場之施加用於使該開關進入「導 通」及「關閉」狀態。圖1至圖3描繪一實例性實施例，其中鐵電材料側向地介於石墨烯結構與相對側之一者上之第一及第二導電結構之僅一者之間。具體言之，鐵電材料31側向地介於石墨烯結構24與第一導電結構26之間。在一實施例中，石墨烯結構之至少一側上之鐵電材料具有自約1奈米至約10奈米之一最小側向厚度，且在一實施例中具有自約3奈米至約5奈米之一最小側向厚度。在一些實施例中，石墨烯結構之至少一側上之鐵電材料具有小於石墨烯結構之石墨烯之厚度之最小及/或最大側向厚度。雖然圖1至圖3中展示恆定側向厚度，但鐵電材料無需具有恆定側向厚度。
在一實施例中，鐵電材料在電極16與18之間縱向連續，且在一實施例中跨越電極16與18之間之距離(即，尺寸「L」)之至少約50%。在一實施例中，鐵電材料直接抵著電極對之至少一者，其中圖1至圖3中之鐵電材料31直接抵著電極16與18之兩者。圖1至圖3亦展示一實例性實施例，其中鐵電材料31沿尺寸「L」及「W」與石墨烯結構24之石墨烯共同延伸。
一介電材料40展示為位於電極16與18之間之空間內且包圍第一導電結構26及第二導電結構28。介電材料40可包括任何適合組合物或組合物之組合，且在一些實施例中可包括二氧化矽、氮化矽及各種摻雜玻璃(例如硼磷矽酸鹽玻璃、磷矽酸鹽玻璃、氟矽酸鹽玻璃等等)之任何者之一或多者。雖然介電材料40展示為在整個開關12中均質，但在其他實施例中可利用多種不同介電材料。
圖4描繪一替代積體電路建構10a，其中鐵電材料側向地介於石墨烯結構與石墨烯結構之相對側上之第一及第二導電結構之兩者之間。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「a」或不同元件符號指示一些建構差異。開關12a包括石墨烯結構24與第一導電結構26之間之鐵電材料31以及石墨烯結構24與第二導電結構28之間 之鐵電材料33。鐵電材料33可均質或非均質，且可具有與鐵電材料31相同或不同之組合物。鐵電材料31與33彼此處處間隔開或可彼此直接抵著，例如在石墨烯結構24之一或兩個末端邊緣(圖中未展示)處彼此接觸。
鐵電材料可直接抵著石墨烯結構之石墨烯或可與石墨烯結構之石墨烯處處間隔開。圖1至圖3展示一實例性實施例，其中鐵電材料31直接抵著石墨烯結構24之石墨烯；而圖5展示具有開關12b之積體電路建構10b之一替代實施例，其中鐵電材料31與石墨烯結構24之石墨烯處處側向間隔開。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「b」或不同元件符號指示一些建構差異。
同樣地，當鐵電材料側向地介於石墨烯結構與第一及第二導電結構之兩者之間時，各側上之鐵電材料可直接抵著或可不直接抵著石墨烯結構之石墨烯。圖4描繪一實例性實施例，其中鐵電材料31與鐵電材料33兩者直接抵著石墨烯結構24之石墨烯。圖6描繪具有開關12c之積體電路建構10c之一替代實例性實施例，其中鐵電材料31及鐵電材料33之各者與石墨烯結構24之石墨烯側向處處間隔開。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「c」或不同元件符號指示一些建構差異。
圖7描繪具有開關12d之積體電路建構10d之另一實例性實施例，其中鐵電材料31與石墨烯結構24之石墨烯處處間隔開且石墨烯材料33直接抵著石墨烯結構24之石墨烯。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「d」或不同元件符號指示一些建構差異。替代地，作為另一實例，鐵電材料31可直接抵著石墨烯結構24之石墨烯且鐵電材料33可與石墨烯結構24之石墨烯處處間隔開(圖中未展示)。無論如何，當鐵電材料31及33之一或兩者直接抵著石墨烯時，此無需共同延伸或完全抵著全部石墨烯。當鐵電材料與石墨烯側向處處間隔 開時，此最小間隔在一實施例中不大於約1奈米且在一實施例中不大於約0.5奈米。
圖8描繪具有開關12e之積體電路建構10e之另一實例性實施例，其中鐵電材料31e在電極16與18之間縱向連續，但與此等電極之各者間隔開。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「e」或不同元件符號指示一些建構差異。作為一替代實例(圖中未展示)，鐵電材料31e可接觸電極16或18之一者。可使用上文相對於鐵電材料31而描述之其他屬性之任何一或多者，且一鐵電材料33(圖中未展示)可用在石墨烯結構24之所描繪之右側上。例如，此等鐵電材料之任何者可直接抵著石墨烯結構24之石墨烯或與石墨烯結構24之石墨烯處處間隔開。
上述圖1至圖8之實施例展示其中鐵電材料在電極16與18之間縱向連續之實例。替代地，鐵電材料可在電極16與18之間縱向不連續，例如圖9中相對於具有開關12f之積體電路建構10f所展示。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「f」或不同元件符號指示一些建構差異。圖9展示與導電電極16及18間隔開之鐵電材料31f之兩個縱向間隔段。替代地，可直接抵著電極16及/或電極18而接收縱向間隔段31f之一或兩者(圖9中未展示)。例如，圖10描繪具有開關12g之一替代實例性積體電路建構10g，其中兩個鐵電材料段31g各抵著電極16或18之一者。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「g」或不同元件符號指示一些建構差異。
圖11描繪具有開關12h之積體電路建構10h之一替代實例性實施例，其中已使用鐵電材料31h之兩個以上(例如三個)縱向間隔段。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「h」或不同元件符號指示一些建構差異。
相對於鐵電材料(位於石墨烯結構24之一側或兩側上)之上述屬性 之任何一或多者可被使用或被結合成任何可行之(若干)組合(如可由技工所選擇)以實現藉由鐵電材料之一適當極化及充電而施加之抵著石墨烯結構24之一剩餘電場之任何所要效應。例如，鐵電材料可直接抵著石墨烯結構24之石墨烯或與石墨烯結構24之石墨烯處處間隔開。
第一導電結構26及第二導電結構28可連接至任何適合電路32、34以能夠產生橫穿鐵電材料及石墨烯結構24之橫向電場。在一些實施例中，第一導電結構可導電地耦合至電極16及18之一者且第二導電結構可導電地耦合至電極16及18之另一者。參考圖12及13中所展示之一積體電路建構10i而描述此等實施例之實例。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「i」或不同元件符號指示一些建構差異。建構10i包括與上文參考圖1至圖3而描述之開關12類比之開關12i，且包括分別自電極16及18延伸之一第一導電突起42及一第二導電突起44。第一突起42自電極16延伸且部分地橫穿電極之間之空間22，且第二突起44自電極18延伸且部分地橫穿電極之間之空間22。在所繪示組態中，第一導電結構26及第二導電結構28由彼此垂直重疊之突起42及44之部分有效組成。在所展示實施例中，突起42及44包括與電極16及18相同之材料20。在其他實施例中，突起42及44之任一或兩者可包括與其上延伸此突起之電極不同之一組合物。在一實施例中，突起42及44包括自電極16及18之一各自者正交突出之導電結構。
可在圖12及圖13之實施例中利用相對於圖1至圖11中之鐵電材料而描述及展示之任何屬性或上述屬性之一者以上之任何組合。無論如何，在操作中，開關12i可被視為具有至少三個不同操作模式。
在一第一模式中，電極16與18之間無電壓差。相應地，電極16及18不施加橫穿鐵電材料31及石墨烯結構24之電場(EF)。可根據由鐵電材料31保留之極化狀態及電荷(若存在)而施加或不施加橫穿石墨烯結構24之某一電場。無論如何，石墨烯結構24之石墨烯內之能帶隙將 因此較小。然而，歸因於電極16與18之間缺乏電壓差，所以石墨烯結構內將無電流。
在一第二模式中，電極16與18之間提供一電壓差，且此電壓差足夠小，使得開關保持處於一「導通」狀態。換言之，第一導電結構26與第二導電結構28之間之電場維持足夠小，使得石墨烯結構24之石墨烯內之一能帶隙不會增大至將有效停止沿結構24之電流之一位準。此包含由鐵電材料內之電荷(若存在)引起之任何電場施加之附加效應(若存在)。當開關12i保持處於該第二模式時，沿結構24之電流可與或可不與電極16與18之間之一增大電壓差成比例地增大。沿結構24之電流與電極16與18之間之電壓差之關係將至少部分取決於突起42與44之間之距離、該等突起之組合物、介電材料之組合物及該等突起之間之鐵電材料(無論鐵電材料是否位於石墨烯結構24之一側或兩側上)、鐵電材料之尺寸及(若干)建構、結構24之組合物及該等突起之間之結構24之區域之尺寸及定向。此等參數之任何者或全部可經調適以實現沿結構24之電流與電極16與18之間之電壓差之一所要關係。
在一第三模式中，電極16與18之間之電壓差達到導致開關處於一「關閉」狀態之一位準。換言之，第一導電結構26與第二導電結構28之間之電場(其包含來自由鐵電材料31保留之電荷(若存在)之附加效應(若存在))變為足夠大以使石墨烯結構24內之石墨烯之能帶隙增大至有效停止沿結構24之電流之一位準。
在一些實施例中，在開關之「關閉」狀態中，沿結構24之電流將為0毫安培。在其他實施例中，在「關閉」狀態中，沿結構24之電流可為一非零值，但此電流仍將低於在開關之「導通」狀態中沿結構之電流。
在一些實施例中，可根據一開關之所要效能特性而調適用於使該開關在「導通」狀態與「關閉」狀態之間轉變之電壓增大或減小之 脈衝形狀。在一些實施例中，可根據一開關之所要效能特性而調適用於使該開關在「導通」狀態與「關閉」狀態之間轉變之電壓變化之上升時間或下降時間。在一些實施例中，開關可經調適，使得當開關保持處於「導通」狀態時，沿石墨烯結構24之電流隨電極16與18之間之一電壓差增大而增大；接著，當該電壓差達到使開關轉變至「關閉」狀態之一位準時，電流可突然終止。在一些實施例中，開關可經調適以在自「導通」狀態至「關閉」狀態之開關轉變期間逐漸減小沿結構24之電流。
圖14以曲線圖繪示圖12及圖13中所展示之開關類型之一實例性實施例之操作。具體言之，圖14之實線展示通過開關之電流，其隨高於零位準(V0 )之電極16與18之間之電壓差之一初始增大而增大，接著在電壓差達到一轉變位準(Va1 )之後減小，最後在電壓差達到一位準Vb1 時完全終止。
在某些操作方案中，石墨烯結構之一側或兩側上之鐵電材料可將電荷儲存於一極化狀態與另一極化狀態中。例如，由結構26與28之間或突起42及44之間之一適合電壓差透過鐵電材料而施加之一電場可足以將鐵電材料極化為一電荷儲存能動狀態及/或在該電荷儲存能動狀態中將電荷實際儲存於鐵電材料內。該電場可足以將石墨烯結構24自一縱向導電狀態轉變至一縱向電阻狀態。移除來自導電結構/突起之間之電壓差會使來自施加一剩餘電場之鐵電材料之一剩餘電荷存留於石墨烯結構。該剩餘電場可促進石墨烯結構維持處於一縱向電阻狀態。使極化反向可消除電荷且施加使石墨烯結構返回至一縱向導電狀態之一電場。
石墨烯結構之一側或兩側上存在鐵電材料可實現比在缺乏鐵電材料時用一相同建構實現之電壓低之一Va1 及/或Vb1 。作為一實例，圖14中之虛線展示在缺乏取代介電材料40之部分之任何鐵電材料時之相 同建構開關之一實例性操作輪廓。本發明附錄中展示及描述此一建構，其中據此正式構成本發明之部分之本發明附錄似乎在本文中呈現本說明書、申請專利範圍及圖式之單獨或額外部分。此外，本發明涵蓋附錄之建構及方法之任何者中之本文中建構之任何者之用法。附錄為如所申請且具有2011年3月17日之一申請日之美國專利申請案第13/050,630號。
提供圖14之曲線圖以有助於讀者瞭解一實例性實施例開關之操作，且若申請專利範圍中未明確敘述圖14之曲線圖之實際特性，則圖14之曲線圖不限制本發明及其任何實施例。在一些實施例中，相對於圖12及圖13而描述之開關可被視為自限制裝置，此係因為：當電極16與18之間之一電壓差達到一預定臨限值(圖14之Vb1 )時，開關使自身關閉。
相對於圖12及圖13中而描述之開關包括一單一石墨烯結構24。在其他實施例中，開關可經組態以包括兩個或兩個以上石墨烯結構。圖15展示具有包括兩個石墨烯結構之開關12j之一積體電路建構10j。已適當使用來自上述實施例之相同元件符號，其中用後綴「j」或不同元件符號指示一些建構差異。
開關12j包括上文相對於圖12及圖13而論述之電極16與18、石墨烯結構24、鐵電材料31及突起42與44。另外，開關12j包括位於與石墨烯結構24相對之突起44之一側上之另一石墨烯結構48、鐵電材料35及自電極16向上延伸之另一突起50。鐵電材料35可具有上文相對於鐵電材料33而描述之屬性之任何者。相對於圖1至圖11中之鐵電材料而描述及展示之任一屬性或上述屬性之一者以上之任何組合可用在圖15之實施例中。
在一些實施例中，石墨烯結構24及48可分別被稱為一第一石墨烯結構及一第二石墨烯結構。此等石墨烯結構彼此隔開達一間隙52。 一第一突起(具體言之，突起44)自電極18向下延伸且進入此間隙，其中此第一突起介於該兩個石墨烯結構之間。第二突起42及第三突起50自電極16向上延伸，且位於與第一突起44相對之第一石墨烯結構24及第二石墨烯結構48之側上。
突起44之一區域與突起42及50之區域垂直重疊，且可在操作中產生此等垂直重疊區域之間之第一電場EF1 及第二電場EF2 (如圖所示)。該等電場橫向於通過石墨烯結構24及48之電流之傳導方向，且可用於控制開關是否處於一「導通」狀態或一「關閉」狀態--類比於圖12之電場EF之利用。雖然電場EF1 及EF2 繪示為由主要正交於石墨烯結構之電場組成，但在其他實施例中，電場EF1 及EF2 之一或兩者可為主要沿相對於石墨烯結構之一方向(正交除外)延伸之一電場之一向量分量。此外，雖然石墨烯結構展示為實質上彼此平行，但在其他實施例中其等可彼此不平行。無論如何，圖15之開關12j為使每兩個石墨烯結構具有三個突起之一組態之一實例。
相對於圖12之開關，圖15之開關中之額外石墨烯結構之利用可提供可經修改以根據一特定應用而調適圖15之開關之額外參數。例如，圖15之開關之石墨烯結構24與48可彼此相同或不同。在一些實施例中，此等石墨烯結構之兩者可為雙層結構；且在此等實施例中，用在結構24中之個別層可在厚度或任何其他相關性質上與用在結構48中之個別層相同或不同。
可僅用鐵電材料31或35之一者來製造圖15之實施例(圖中未展示)。無論如何，在一實施例中，鐵電材料側向地介於以下之至少一者之間：a)第一與第二突起之重疊區域；及b)第二與第三突起之重疊區域。
上文相對於圖1至圖15而描述之實施例主要相對於呈一開關或若干開關形式之積體電路之一元件。然而，可製造電路之任何既有或尚 待開發之替代元件。但作為一實例，積體電路之元件可包括一記憶體單元。例如，此一記憶體單元可包括在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極之一石墨烯結構。第一與第二導電結構可自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上。鐵電材料可自該石墨烯結構側向向外且側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間。該等第一及第二導電結構可經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該記憶體單元進入至少兩個記憶體狀態之一者。上文相對於圖1至圖15而描述及/或展示之任一屬性或上述屬性之一者以上之任何組合可用在本發明之一記憶體單元實施例中。
本文中使用鐵電材料而製造之根據本發明之記憶體單元可能夠將較低讀取電壓及/或寫入電壓用於記憶體單元。可期望較低讀取電壓以最小化讀取操作期間之記憶體單元之狀態改變風險(其通常被稱為「讀取干擾」)。僅舉例而言，考量藉由將零電壓施加至導電結構28/突起44且將一正電壓「V」施加至導電結構26/突起42而將「1」寫入至記憶體單元12、12a、12b、12c、12d、12e、12f、12g、12h或12i之任何者之一方式。可考量：此足以極化電荷且將電荷儲存於鐵電材料內，以及足以使(若干)石墨烯結構縱向不導電。可藉由將零電壓施加至導電結構26/突起42且將負電壓「V」施加至導電結構28/突起44而實現擦除返回至一「0」狀態。無論處於「0」狀態或「1」狀態，均可藉由在導電結構26/突起42及導電結構28/突起44之間施加1/3伏特之一電壓差(正或負)而讀取記憶體單元。
本發明之記憶體單元可使用或可不使用一個別選擇裝置，其中各個別記憶體單元呈一陣列之記憶體單元。無論如何，一選定裝置為可根據本文中所描述之本發明而製造之積體電路之一元件。無論如何，當記憶體電路包含根據本發明之記憶體單元，其包含一或多個選 定裝置，此等選定裝置可具有如本文中所描述之一建構(如附錄中所描述)或一些其他既有或尚待開發建構。
本文中所揭示之發明元件可併入至適合於用在諸多電子系統之任何者中之積體電路中。例如，此等積體電路可適合於用在時鐘、電視、蜂巢式電話、個人電腦、汽車、工業控制系統、飛機等等之一或多者中。
圖式中之各種實施例之特定定向僅用於說明之目的，且可相對於一些應用中之所展示定向而旋轉實施例。本文中所提供之描述及以下申請專利範圍針對具有各種特徵之間之所描述關係之任何結構，無論該等結構是否沿圖式之特定定向或相對於此定向旋轉。
附圖之橫截面圖僅展示橫截面之平面內之特徵，且不展示橫截面之平面後之材料以簡化圖式。
當一結構被稱為「位於另一結構上」或「抵著另一結構」時，其可直接位於另一結構上或亦可存在介入結構。相比而言，當一結構被稱為「直接位於另一結構上」或「直接抵著另一結構」時，不存在介入結構。當一結構被稱為「連接」或「耦合」至另一結構時，其可直接連接或耦合至另一結構，或可存在介入結構。相比而言，當一結構被稱為「直接連接」或「直接耦合」至另一結構時，不存在介入結構。
結論
在一些實施例中，一開關包括在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極之一石墨烯結構。第一及第二導電結構自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上。鐵電材料側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間。該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態。
在一些實施例中，積體電路之一元件包括一第一電極及一第二電極。該等第一與第二電極彼此隔開達一空間。一石墨烯結構導電地連接至該等第一與第二電極之兩者且延伸橫穿該空間。一第一導電突起自該第一電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間。一第二導電突起自該第二電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間。該第一突起之一區域與該第二突起之一區域重疊。該石墨烯結構介於該等第一與第二突起之該等重疊區域之間。鐵電材料側向地介於該石墨烯結構與該等重疊區域內之該等第一及第二突起之至少一者之間。
在一些實施例中，一記憶體單元包括在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極之一石墨烯結構。第一及第二導電結構自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上。鐵電材料自該石墨烯結構側向向外。該鐵電材料側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間。該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該記憶體單元進入至少兩個記憶體狀態之一者。
在一些實施例中，積體電路之一元件包括一第一電極及一第二電極。該等第一與第二電極彼此隔開達一空間。第一及第二石墨烯結構導電地連接至該等第一與第二電極之兩者且延伸橫穿該空間。該等第一及第二石墨烯結構彼此間隔達一間隙。一第一導電突起自該第一電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間。該第一導電突起位於該第一石墨烯結構之一側上。一第二導電突起自該第二電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間。該第二導電突起介於該等第一與第二石墨結構之間，且位於與該第一導電突起相對之該第一石墨烯結構之一側上。一第三導電突起自該第一電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間。該第三導電突起位於與該第二導電突起相對之該第二石墨烯結構之一側上。該第一突起之一區域與該第二突起之一 區域重疊。該第一石墨烯結構介於該等第一及第二突起之該等重疊區域之間。該第二突起之一區域與該第三突起之一區域重疊。該第二石墨烯結構介於該等第二及第三突起之該等重疊區域之間。鐵電材料側向地介於以下之至少一者之間：a)該等第一與第二突起之重疊區域；及b)該等第二與第三突起之重疊區域。
按照法規，已或多或少地具體針對結構及方法特徵而用語言文字描述本文中所揭示之標的。然而，應瞭解申請專利範圍不受限於所展示及所描述之具體特性，此係因為本文中所揭示之方法包括實例性實施例。因此，申請專利範圍被給予字面上所表達之完全範疇，且應根據均等論而適當解譯。
10‧‧‧積體電路建構
12‧‧‧開關/記憶體單元
14‧‧‧基座
16‧‧‧第一電極
18‧‧‧第二電極
20‧‧‧導電電極材料
22‧‧‧空間
24‧‧‧石墨烯結構/第一石墨烯結構
25‧‧‧虛線
26‧‧‧第一導電結構
27‧‧‧軸
28‧‧‧第二導電結構
30‧‧‧導電材料
31‧‧‧鐵電材料
32‧‧‧電路
34‧‧‧電路
40‧‧‧介電材料
EF‧‧‧電場
L‧‧‧長度
T‧‧‧厚度

Claims (19)

  1. 一種開關，其包括：一基座基板；一對電極，該對電極位於該基座基板上方且由該基座基板所支撐，該電極之一者在相對於該基座基板的高度上位於該電極之另一者之外；一石墨烯結構，其在該對高度上間隔開之電極之間縱向且垂直延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，該第一及第二導電結構位於該基座基板上方且由該基座基板所支撐，其等自該垂直延伸之石墨烯結構側向向外且位於該垂直延伸之石墨烯結構之相對側上；及垂直延伸之鐵電材料，其側向地介於該垂直延伸之石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構包括電路，該電路將一電壓施加至該第一導電結構並將一不同於該電壓之電壓施加至該第二導電結構，以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一程式化電場，且由於該不同施加電壓改變該鐵電材料之極化狀態，而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態。
  2. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上，該第一導電結構導電地連接至該等電極之一者且該第二導電結構導電地連接至該等電極之另一者；及 鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態。
  3. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態；及該石墨烯結構之一側上之該鐵電材料具有比該石墨烯結構之石墨烯之側向厚度小之一最小側向厚度。
  4. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態；及該石墨烯結構之一側上之該鐵電材料具有比該石墨烯結構之石墨烯之側向厚度小之一最大側向厚度。
  5. 如請求項1之開關，其中該石墨烯結構包括兩層之石墨烯。
  6. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態；及導電地連接至該對之兩個電極之該等石墨烯結構之至少兩者。
  7. 如請求項1之開關，其中該鐵電材料直接抵著該石墨烯材料之石墨烯。
  8. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態；及該鐵電材料與該石墨烯結構之石墨烯處處間隔開。
  9. 如請求項1之開關，其中該鐵電材料側向地介於該石墨烯結構與該石墨烯結構之該等相對側之一者上之該等第一及第二導電結構之僅一者之間。
  10. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態；及該鐵電材料側向地介於該石墨烯結構與該石墨烯結構之該等相對側上之該等第一及第二導電結構之兩者之間。
  11. 如請求項1之開關，其中該鐵電材料在該對電極之間縱向連續。
  12. 一種開關，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態；及該鐵電材料在該對電極之間縱向不連續。
  13. 一種積體電路之元件，其包括：一第一電極及一第二電極，該等第一及第二電極彼此隔開達一空間；一石墨烯結構，其導電地連接至該等第一與第二電極之兩者 且延伸橫穿該空間；一第一導電突起，其自該第一電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間；一第二導電突起，其自該第二電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間，該第一突起之一區域，其與該第二突起之一區域重疊；該石墨烯結構介於該等第一及第二突起之該等重疊區域之間；及鐵電材料，其側向地介於該石墨烯結構與該等重疊區域內之該等第一及第二突起之至少一者之間。
  14. 如請求項13之元件，其中該元件包括一開關，該等第一及第二導電突起經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該開關進入「導通」及「關閉」狀態。
  15. 如請求項13之元件，其中該元件包括一記憶體單元，該等第一及第二導電突起經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該記憶體單元進入至少兩個記憶體狀態之一者。
  16. 一種包括如請求項1之開關的記憶體積體電路之記憶體單元。
  17. 一種記憶體單元，其包括：一石墨烯結構，其在一對電極之間縱向延伸且導電地連接至該對之兩個電極；第一及第二導電結構，其等自該石墨烯結構側向向外且位於該石墨烯結構之彼此相對側上；鐵電材料，其自該石墨烯結構側向向外且側向地介於該石墨烯結構與該等第一及第二導電結構之至少一者之間，該等第一及第二導電結構經組態以藉由施加橫穿該石墨烯結構及該鐵電材料之一電場而使該記憶體單元進入之少兩個記憶體狀態之一 者；及該第一導電結構導電地耦合至該等電極之一者且該第二導電結構導電地耦合至該等電極之另一者。
  18. 如請求項17之記憶體單元，其中該等第一及第二導電結構分別自該電極及該另一電極正交延伸。
  19. 一種積體電路之元件，其包括：一第一電極及一第二電極，該等第一與第二電極彼此隔開達一空間；第一及第二石墨烯結構，其等導電地連接至該等第一與第二電極之兩者且延伸橫穿該空間；該等第一與第二石墨烯結構彼此隔開達一間隙。 一第一導電突起，其自該第一電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間，該第一導電突起位於該第一石墨烯結構之一側上；一第二導電突起，其自該第二電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間；該第二導電突起介於該等第一與第二石墨烯結構之間且位於與該第一導電突起相對之該第一石墨烯結構之一側上；一第三導電突起，其自該第一電極延伸進入該空間且僅部分地延伸橫穿該空間；該第三導電突起位於與該第二導電突起相對之第二石墨烯結構之一側上，該第一突起之一區域，其與該第二突起之一區域重疊；該第一石墨烯結構介於該等第一及第二突起之該等重疊區域之間；該第二突起之一區域，其與該第三突起之一區域重疊；該第二石墨烯結構介於該等第二及第三突起之該等重疊區域之間；及鐵電材料，其側向地介於以下之至少一者之間：a)該等第一與 第二突起之該等重疊區域；及b)該等第二與第三突起之該等重疊區域。
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