WO2013093110A1 - Thermochromes einzel- und mehrschichtsystem, dessen herstellung und verwendung - Google Patents

Thermochromes einzel- und mehrschichtsystem, dessen herstellung und verwendung Download PDF

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WO2013093110A1
WO2013093110A1 PCT/EP2012/076862 EP2012076862W WO2013093110A1 WO 2013093110 A1 WO2013093110 A1 WO 2013093110A1 EP 2012076862 W EP2012076862 W EP 2012076862W WO 2013093110 A1 WO2013093110 A1 WO 2013093110A1
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thermochromic
electrical component
conductivity
contacts
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Heidemarie Schmidt
Ilona Skorupa
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Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E.V.
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    • H10N70/8833—Binary metal oxides, e.g. TaOx

Definitions

  • Thermochromic single and multi-layer system its manufacture and use
  • the invention relates to an arrangement of a thermochromic single and
  • Multilayer system for the local temperature change of the thermochromic material and its preparation and use or for increasing the photosensitivity of metal-insulator semiconductor diodes and their preparation and use.
  • Thermochromic materials change their properties, for example structural,
  • thermochromic transition temperature leaps and bounds.
  • thermochromic material vanadium dioxide (V0 2 ), whose thermochromic transition temperature is 68 ° C. V0 2 changes its resistance at 68 ° C by up to 5 orders of magnitude on the femtosecond time scale. In this case, the transparent and semiconducting V0 2 becomes a reflective and metallically conductive material.
  • Magnetic fields can be caused by electrical currents through current-carrying conductors. Magnetisable multilayer systems with non-magnetizable intermediate layers change their electrical resistance under the influence of an external magnetic field and serve for the non-volatile storage of information.
  • This memory technique is called Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM).
  • MRAM Magnetoresistive Random Access Memory
  • TAS Thermal assisted switching
  • STT spin-torque transfer
  • VRAM vertical transport MRAM
  • Layered columns changes the magnetization in the magnetizable layers.
  • Phase change materials change their phase above the
  • the problem is the very high current densities which while avoiding the electromigration in the metal tracks and with simultaneous thermal insulation of the phase change materials must be used.
  • the current densities to reach the phase transition temperature of 600 ° C in GeSbTe are more than 10 7 A / cm 2 .
  • thermochromic material for example
  • thermoelectric coefficients can be tensor sizes.
  • thermochromic material can be cooled or heated to each other, for example due to the Peltier effect, on the thermochromic transition temperature by mutual influence of temperature and electricity and their implementation.
  • thermochromic material can be heated by the mutual influence of temperature and electricity and their implementation in each other, for example due to the Thomson effect, to the thermochromic transition temperature.
  • the heat supplied is called Joule heat.
  • the Joule heat increases with the square of the current and denotes the conduction losses of the electric current due to the electrical resistance.
  • thermochromic material is the tensor of electrical conductivity and the electric field causing the power line.
  • a solid thermochromic material is the tensor of electrical conductivity and the electric field causing the power line.
  • Conductivity is a one-dimensional value and the power line is proportional and in the same direction as the electric field.
  • the electrical conductivity is a 2nd-order tensor. For example, in V02 thin films for transport along the ⁇ 001> direction and along the ⁇ 010> direction
  • Heat transfer for example by means of heat conduction and heat radiation
  • thermochromic material Heat transfer coefficient and the heat capacity given.
  • the starting point for the theoretical description of heat transfer in a solid thermochromic material is the heat equation for the temperature using the material constants of the thermochromic material, for example the thermal conductivity, the specific heat capacity and the density of the material.
  • Oxidic thermochromic materials can be prepared by various techniques, for example
  • Example by molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition and by pulsed laser plasma deposition, are produced.
  • the ON / OFF switch is a device, for example, a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET), whose resistance in the ON state is low and whose resistance in the OFF state is high.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • Crossed interconnects represent a new device architecture.
  • the structured or whole-area functional layer is embedded between the crossed interconnects. If you want to read a cell that currently has a high electrical resistance (OFF state) and there are other low-resistance cells (ON state) in the vicinity of this OFF cell, the current (sneak current) could be a shortcut through these ON cells.
  • Creep currents limit down-scaling of the crossbar array for a material with a given ON / OFF resistance ratio.
  • the Mott transistor is a field effect transistor (FET) with a channel which consists of a Mott insulator and a Mott junction between insulating (OFF state) and metallically conductive (ON state) shows.
  • FET field effect transistor
  • the Mott transition and thus the conductivity of the channel can be controlled by a potential applied to the gate. So far no Mott transistor has been realized.
  • Metamaterial are characterized in that they have in their interior specially prepared microscopic structures of electrically or magnetically active materials, which are responsible for the negative refractive index of the metamaterials.
  • An example of a THz metamaterial that is, a material with negative
  • Refractive index in the THz range based on thermochromic materials are AuA 0 2 hybrid structures (Kyoung, JS: Active terahertz metamaterials: Nano-slot antennas on V02 thin films, Physica Status solidi (8) 201 1, No. 4, pages 1227 -1230).
  • Metal-insulator semiconductor diodes (MOS) for the detection of light are based on GaN for the detection of UV light, on the basis of GaAs for the detection of IR light and on the basis of silicon for detection of light in the visible spectral range (400 nm - 1000 nm) used.
  • the photosensitivity of MOS diodes is limited by electrically active impurities at the interface between the semiconductor and the insulator.
  • photodetectors light is mainly by measuring a photocurrent
  • the disadvantage is that the detection of the photocurrent, which is caused by photogenerated charge carriers in the doped semiconductor, the
  • Insulator layer in MOS diodes may not be thicker than 30 nm.
  • Capacitive photodetectors detect light mainly by measuring the photo-capacitance of MOS diodes under light. The disadvantage is that the measured photocapacity does not correlate directly with the number of photogenerated charge carriers and that the
  • Photocapacity does not depend sensitively on the illuminance.
  • the object of the invention is the arrangement of a micro and / or nanoelectronic system, and its use as a switch or heater by local change in the conductivity and temperature of individual areas in micro and / or
  • the starting point is a system of one or more components, the
  • thermochromic material with anisotropic or isotropic dielectric properties.
  • single or multi-layer systems can be constructed, which can be structured in itself.
  • thermochromic components are used which are different
  • thermochromic component with only one conductivity phase is possible in conjunction with an insulating component.
  • thermochromic components 2 2 'advantageously V0 2 and / or V0 2 : ⁇ Al, Ga ⁇ and / or V0 2 : ⁇ W, F ⁇ are used.
  • thermochromic components 1 can not thermochromic oxides with high
  • Dielectric constant for example LaLu0 3 , LaSc0 3 , LaY0 3 , La0 3 or a mixture La: ⁇ Lu, Sc, Y ⁇ : 0 3 , or non-thermochromic low dielectric constant oxides, preferably Al 2 O 3 , SiO 2 and / or MgO.
  • thermochromic components At least one of each or all thermochromic components can be used
  • thermochromic component (s) flowing through the current increases locally by supplying Joule heat. If the voltage drop exceeds a threshold, then the temperature can be locally exceeded
  • thermochromic switching temperature T T are increased and the conductivity phase of the heated thermochromic component (s) changes abruptly, for example, the size of a normal integrated device for a thermochromic component of V0 2 within less than 10fs.
  • Photosensitivity use as a insulator layer a combination of a
  • thermochromic single and multi-layer system and another layer of a non-thermochromic material on a lightly doped (10 14 to 10 16 dopants per cm 3 ) semiconductor material.
  • This combined insulator layer has significant advantages over insulator layers made of only a non-thermochromic material.
  • thermochromic single and multi-layer system First, in the thermochromic single and multi-layer system additional
  • thermochromic single and multi-layer systems Charge carriers are generated by light absorption. These carriers change the capacitance of the thermochromic single and multi-layer systems and can also enter the doped semiconductor via drift and diffusion processes and also change the capacitance of the semiconductor material.
  • Rear contact of the MOS diodes of the voltage drop in the semiconductor material changed by the voltage drop across the thermochromic single and multi-layer system.
  • the photosensitivity of a MOS diode depends on the position of the Fermi level at the interface between the semiconductor and the insulator layer with respect to the position of the charge neutrality point [P. Bidzinski et al., Impact of Interface States and Bulk Carrier Lifetime on photocapacitance of metal / insulator / GaN structure for ultraviolet light detection, Japn. J. of Appl. P ys. 50 (201 1) 04DF08].
  • the relative position of these two energy levels can be very effectively shifted from each other in a MOS insulator with combined insulator layer by applying a voltage between the front and back contacts.
  • Third, the effective effective area of the front-side contact when irradiating the thermochromic single and multi-layer system can be increased.
  • the object is achieved by a single or multi-layer system in one
  • thermochromic material with anisotropic or isotropic Dielektrizmaschineseigenschaften and wherein the components of the single and multi-layer system are designed unstructured or structured.
  • thermochromic material for the components of the single or multi-layer system for example, VO 2 and / or VO 2: ⁇ Al, Ga ⁇ and / or VO 2: ⁇ W, F ⁇ may be used.
  • thermochromic high dielectric constant oxides such as LaLuO 3, LaScO 3, LaYO 3, LaO 3 or a mixture La: ⁇ Lu, Sc, Y ⁇ : 03, and / or non-thermochromic lower oxides may be used as the non-thermochromic material for the components of the single or multilayer system
  • Dielectric constant for example, Al 2 O 3, SiO 2 and / or MgO, can be used.
  • thermochromic single or multi-layer system can be locally clamped or vary in its chemical composition, thereby resulting in a different stable conductivity phase in each thermochromic component of the single or at operating temperature of the electrical component
  • Multilayer system in the electrical component can for example be temporally and spatially variable by means of piezoelectric element.
  • the local temperature in the single or multi-layer system in the electrical component can be changed with a Peltier element.
  • the local conductivity in the single or multi-layer system can be changed by the irradiation with electromagnetic waves, for example by means of monochromatic irradiation by a laser diode
  • thermochromic component of the single or multilayer system there is at least one thermochromic component of the single or multilayer system between at least one electrically conductive
  • all contacts are very good electrically conductive. Furthermore are
  • thermochromic component of the single or multi-layer system there is at least one thermochromic component of the single or multi-layer system between at least one electrically conductive
  • the electrical component is in series and / or parallel to at least one
  • thermochromic component of the single or multi-layer system another thermochromic thermochromic component
  • the inserted electrical resistance may be a phase change memory material and / or an MRAM and / or another electrical resistance material and the area between the contacts is surrounded by a thermally and electrically insulating material.
  • Multilayer system can be rotationally symmetrical to the maximum electric field strength of the forming between the respective contacts electric field.
  • the material is lower
  • this magnetizable single or multi-layer system is separately electrically contacted by the electrical element.
  • thermochromic single or multi-layer system In series and / or parallel to at least one pair of contacts, another electrical resistive, inductive and / or capacitive resistor may be connected, so that the single or multi-layer system takes over the function of a time-varying capacitor.
  • the preparation of the components of the thermochromic single or multi-layer system in an electrical component can by means of layer growth, lithography and / or ion implantation.
  • thermochromic single or multi-layer system can be used as an electrical switch and / or optical switch and / or
  • Magnetic field generation can be used, the temperature of the electric
  • Component is changed locally.
  • thermochromic transition temperature T T is exceeded, the conductivity of the thermochromic material in the thermochromic single or multi-layer system changes by several orders of magnitude.
  • Another use is to cool the locally by current flow
  • thermochromic heated area is determined by the heat transfer coefficients and the thermal conductivity and the temperature of the adjacent components of the thermochromic single or multi-layer system and the environment.
  • thermochromic single Furthermore, the electrical component with the thermochromic single or
  • Multilayer system for local conductivity and / or temperature change can be used in an optical switch, wherein the thermochromic components of the single or multi-layer system with pulsed and / or continuously irradiated electromagnetic waves of a defined wavelength and a defined intensity and their conductivity by absorption of the electromagnetic waves can be changed by several orders of magnitude depending on the wavelength and intensity of the locally absorbed electromagnetic waves.
  • thermochromic single or multi-layer system in an electrical component can for time-dependent generation and manipulation of magnetic fields in at least one single layer of the magnetizable single or
  • thermochromic single or multi-layer system Be used in the magnetizable single or multi-layer system by means of current flow through the local conductivity phases of the thermochromic single or multi-layer system of the electrical component and changed and thus the total resistance of the magnetizable individual or multilayer system, inside or outside the electrical
  • Component is arranged changes.
  • Another use is for local curing of
  • Microstructures that have been applied to the surface of the electrical device in the vicinity of the near-surface thermochromic single or multi-layer system of the electrical component are Microstructures that have been applied to the surface of the electrical device in the vicinity of the near-surface thermochromic single or multi-layer system of the electrical component.
  • thermochromic single or multi-layer system can also be used as a selection transistor in a cross-bar array for resistance devices.
  • a use as a capacitive photodetector is also possible, wherein the photodetector can be designed individually or as a cross-bar array.
  • Fig. 1 shows the basic structure of the single or multi-layer system with optional contacts and optional further integrated electrical component.
  • Fig. 2 shows the basic structure of the single and multi-layer system with doped substrate and insulator layer and optional contacts on the multilayer system and the doped substrate.
  • Fig. 3 shows a possibility of structuring the contacts used.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the local conductivity is changed by illumination.
  • FIGS. 5 to 6 show construction variants using structured regions of the layer system
  • FIGS. 7 to 8 show construction variants using two different thermochromic components structured in one another and optionally further integrated electrical components.
  • thermochromic single and multi-layer system thermochromic single and multi-layer system.
  • Fig. 1 shows an embodiment using locally externally mounted Peltier elements.
  • Fig. 12 shows the local application of nanostructures in a liquid, wherein the liquid evaporates when heated.
  • Fig. 1 shows the basic structure of the single or multi-layer system on a
  • thermochromic transition temperature T T is T 2 and is preferably below the thermochromic transition temperature T T.
  • Transition temperatures T T and T T 'and different stable conduction phases at a given temperature which is greater than T T ' and less than T T must be one of the contact geometry and the dielectric properties of the single or
  • Multilayer system dependent threshold exceed, so that the
  • Multilayer system with stable conductivity phase with the higher conductivity (Figure 1 c) can be used as a local heater.
  • Fig. 2 shows the basic structure of the single and multi-layer system 1 with doped substrate 3 'and insulator layer 19 and optional contacts on the individual and
  • the thickness of the insulator layer is at least 10 nm to 1000 nm, preferably 35 nm to 500 nm.
  • the thickness of the thermochromic material is at least 10 nm to 1000 nm, preferably 50 nm to 500 nm.
  • the potential jump at GTI causes a change in the total capacitance between the surface contact 4 and the mating contact 5.
  • the total capacity without illumination is made up of the capacitance C T from the region 1 and / or the region 2, 2 ', the capacitance Ci of the insulator layer 19 and the capacitance C s of the doped semiconductor material 3 'together (a).
  • the capacitance C T changes from the region 1 and / or the region 2, 2 ', the capacitance Ci ' of the insulator layer 19 and the capacitance C s of the doped semiconductor material 3 '(b).
  • the capacitance change depends on the wavelength-dependent penetration depth and on the intensity of the incident light or the incident electromagnetic wave 11 from.
  • the largest change in capacitance is to be expected in the doped semiconductor material due to the generation of photogenerated charge carriers in the doped semiconductor material near the interface GIS between insulator layer 19 and doped semiconductor material 3 '.
  • thermochromic material between crossing points of the cross-bar array Fig. 3a.
  • Cross-bar array To reduce leakage currents between not opposite crossing points of the cross-bar array (Crosstalk) is preferably a highly insulating component in the region 1 of the thermochromic single or multi-layer system outside the crossing points by doping Fig. 3b) and / or by means of stress using tensile or compressive stress causing layers or piezoelectric elements brought in.
  • the conductivity of the thermochromic or non-thermochromic material in region 1 does not change or only slightly.
  • thermochromic materials with different properties
  • the voltage (FIG. 3 b), which drops across the electrical resistance component 8, can be adjusted in a controlled manner.
  • the structuring of the metallically conductive top 4 and / or bottom electrode 5 is effected such that the intensity of the light 1 1 from an optical element after passing through the patterned electrodes 4, 5 in the adjacent thermochromic material 2 'is different and thereby in the range the electric field lines 7, the conductivity drops exponentially, see Fig. 4.
  • thermochromic material 2 via its transition temperature near the structured metallically conducting electrode 4, 5 least.
  • a downstream one is
  • Resistor component 8 can be switched by light 1 1 and / or by applying a constant electrical voltage between the two contacts 4, 5 with light.
  • transparent conductive oxides should also be used on the electrical element instead of the metallically conductive top and bottom electrodes.
  • Fig. 5 and Fig. 6 show the basic structure of the single and multi-layer system 1 with doped semiconductor material 3 ', 3 "and insulator layer 19 and optional contacts on the single and multi-layer system and the doped semiconductor material 3', 3" with structured optional surface contact 4 and an optional associated mating contact 5, which is attached to the underside of the doped semiconductor material 3 ', 3 "With illumination, the capacitance C T changes from the region 1 and / or the region 2, 2', the capacitance Ci the insulator layer 19 and the capacitance C s of the doped
  • the capacity change depends on the wavelength-dependent penetration depth and on the intensity of the incident light or the incident electromagnetic wave 11 and can be adjusted by the thickness and the thermochromic and dielectric properties of the structured region 2,2 '.
  • the total capacitance can be accurately adjusted without and with the application of an external electrical voltage.”
  • the doping of the semiconductor material 3 also determines the electrical properties of the interface GIS.
  • the structuring of the insulator layer 19 can be done lithographically or by physical etching. By structuring the region 2, 2 'and the
  • Fig. 6 shows how the areas 2, 2 'before applying the surface contact 4th
  • thermochromic component can be integrated in parallel or in series with a thermochromic component of the single or multi-layer system.
  • thermochromic component of the single and multi-layer system Preferably, no thermochromic material is used for region 1 because no change in the conductivity phase is desired in this region.
  • a major advantage is the
  • thermochromic single and multi-layer system Compatibility of the thermochromic single and multi-layer system with the microelectronics and the design of the spatial course of the current flow through the tensor of the electrical conductivity and the electric field causing the power line.
  • the region 1 can also consist of a different thermochromic material with compared to region 2 different stable conductivity phase.
  • Fig. 7 and Fig. 8 show construction variants of the thermochromic single and multi-layer system on a Substrate / substrate 3 using two different intrinsically structured components 1 and 2 with different stable conductivity phases, wherein the conductivity in the region 1 only slightly and the conductivity in the range 2 can change greatly.
  • a resistance component 8 is optionally integrated.
  • thermochromic materials with different stable
  • thermochromic single and multi-layer system with a higher conductivity 2 than the surrounding components 1, when exceeding a
  • thermochromic switching temperature T T the temperature locally above the thermochromic switching temperature T T be increased.
  • region 2 a stable conductivity phase with increased conductivity is established, see FIG. 7 left part.
  • thermochromic component with high conductivity can be any thermochromic component with high conductivity.
  • Resistor component 15 can be switched digitally.
  • thermochromic component with high conductivity can be any thermochromic component with high conductivity.
  • the switching element can, for example, a chalcogenide 12 with a by heating in the region of
  • phase change materials 12, 12 ' can be supplied via a thermochromic material with a high conductivity very high current densities with simultaneous thermal insulation by embedding in a component of the single or multi-layer system with low conductivity.
  • thermochromic high conductivity component 2 may be used in series with a multi-layer resistive magnetizable system 15 comprising two magnetizable layers of different thickness separated by a nonconducting layer
  • thermochromic component Magnetization M Q and M u with a surface contact 4 and an associated mating contact 5 are switched (Fig. 8).
  • thermochromic component the same contacts 4, 5 are used. A current flow through the thermochromic
  • Component 2 and by the magnetizable multilayer system 15 can be a Ummagnetleiter the thinner of the two magnetizable layers with the
  • the magnetic flux density B (r) can be locally influenced both inside and outside the electrical element by the current flow in a thermochromic component with high conductivity 2 of the electrical element.
  • the magnetic field lines 13 are perpendicular to the direction of current flow.
  • the relative permeability of a cavity or air gap 16 is approximately 1.
  • Conductivity can be set a time and direction-dependent magnetic field.
  • embedded magnetizable material 14 ( Figure 9 right part) can be changed by changing the magnetic field direction. If the distance of the magnetizable material from the current-carrying thermochromic components having a high conductivity of 2.2 'is very large, the strength of the magnetic field may not be sufficient to achieve saturation magnetization M s in this magnetizable material 14.
  • thermochromic single Integration of a magnetizable multilayer system 14 with a magnetic field-dependent resistor in insulating regions 1 of the thermochromic single
  • Multilayer system with a relative permeability greater than 1 with time
  • thermochromic multi-layer system by vectorial superimposition of different current-carrying thermochromic components 2, 2 'with high conductivity Fig. 10.
  • Another advantage is the temporally and / or spatially variable producibility of magnetic fields, ie you can with the thermochromic single and multi-layer system, the magnetization at least change a single layer of an integrated magnetizable multilayer system by means of current flow and thus change the total resistance of the magnetizable multilayer system.
  • the temperature ⁇ , TY, T 2 , T 2 ' is at the edges of the thermochromic single or
  • thermochromic material above its thermochromic critical temperature increases (cooling) or decreases (heating). If the Peltier element is located between the thermochromic component and a contact, then in the thermochromic component between both contacts the temperature may be gradual and the local thermochromic critical temperature
  • thermochromic material Conductivity of the thermochromic material to be changed by several orders of magnitude.
  • Fig. 12 shows a use of an electrical element with near-surface or thermochromic material forming material 2,2 'for processing
  • thermochromic materials through local heating.
  • the temperature-sensitive materials 18 are applied to the surface of the electrical element.
  • Suitable temperature-sensitive materials are, for example, paints, biomaterials or polyelectrolytes.
  • nano and microstructures are applied in a liquid 18 to the top of the electrical element.
  • the electrical element is heated.
  • the absorption of the light is to occur through the thermochromic high conductivity components 2 'of the electrical element.
  • Local heating causes the liquid to evaporate, and the nano- and microstructures can locally form clusters 18 '.
  • the advantage of the gentle thermal drying of the temperature-sensitive materials, and especially the nano- and microstructures dissolved in the liquid, is that they can not be destroyed during drying and thus wafer-thin films of temperature-sensitive materials and especially wafer-thin clusters of nano- and microstructures can be produced , These dried temperature-sensitive materials can easily be removed from the electrical element after drying.
  • thermochromic or non-thermochromic material whose conductivity does not change or only slightly changes
  • Voltage to the two contacts forms an electric field and electricity can flow.
  • thermochromic single in which no electric field lines 7 form when a voltage is applied.
  • Multilayer system in which electric field lines 7 form when a voltage is applied.
  • thermochromic material 2 r, r1, r2 Distance of the current-carrying, thermochromic material 2 from the position at which the magnetic field strength H (r) is to be changed

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein elektrisches Element, das Einzel- oder Mehrschichtsysteme umfasst, wobei die Komponenten des Einzel- und Mehrschichtsystems teilweise oder vollständig aus thermochromem Material (1, 2, 2') mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen und in sich strukturiert ausgeführt sein können. Diese Elemente können zum lokalen Heizen, als elektronische oder optische Detektoren und Schalter oder zur Magnetfelderzeugung genutzt werden.

Description

Thermochromes Einzel- und Mehrschichtsystem, dessen Herstellung und Verwendung
Technisches Gebiet
[0001 ] Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines thermochromen Einzel- und
Mehrschichtsystems, zur lokalen Temperaturänderung des thermochromen Materials sowie dessen Herstellung und Verwendung oder zur Erhöhung der Photosensitivität von Metall- Isolator-Halbleiterdioden sowie deren Herstellung und Verwendung.
[0002] Thermochrome Materialien ändern ihre Eigenschaften, zum Beispiel strukturelle,
elektrische, optische und/oder magnetische Eigenschaften, bei der thermochromen Übergangstemperatur sprunghaft.
[0003] Das bekannteste thermochrome Material ist Vanadiumdioxid (V02), dessen thermochrome Übergangstemperatur 68°C beträgt. V02 ändert seinen Widerstand bei 68°C um bis zu 5 Größenordnungen auf der Femtosekunden-Zeitskale. Dabei wird aus dem durchsichtigen und halbleitenden V02 ein spiegelndes und metallisch leitendes Material.
[0004] Magnetfelder können durch elektrische Ströme durch stromdurchflossene Leiter verursacht werden. Magnetisierbare Mehrschichtsysteme mit unmagnetisierbaren Zwischenschichten ändern ihren elektrischen Widerstand unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes und dienen der nichtflüchtigen Speicherung von Informationen. Diese Speichertechnik wird Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) genannt. Die Thermal-Assisted- Switching-Technik (TAS) und die Spin-Torque-Transfer-Technik (STT) mit Stromdichten von weniger als106 bis 107A/cm2 werden verwendet, um MRAM-Zellen neu zu
beschreiben. Sie besitzen eine geringere Leistungsaufnahme und bessere Skalierbarkeit als herkömmliche MRAM-Zellen, welche durch ein äußeres Magnetfeld geschalten werden. Diese sehr hohen Stromdichten können in MRAM-Zellen zu Elektromigration in den Metallbahnen führen und behindern die Übertragung von MRAM-Zellen vom Labormaßstab auf industrielle Größen. Eine noch bessere Skalierbarkeit besitzen MRAM-Zellen, Vertikal Transport MRAM (VRAM) bei denen Strom durch vertikal zu den magnetisierbaren
Schichten angeordnete Säulen die Magnetisierung in den magnetisierbaren Schichten ändert.
[0005] Phase Change Materialien ändern ihre Phase oberhalb der
Phasenumwandlungstemperatur von kristallin zu amorph und werden derzeit hauptsächlich zur Latentwärmespeicherung sowie zur Datenspeicherung verwendet. Problematisch sind die sehr hohen Stromdichten welche bei gleichzeitiger Vermeidung der Elektromigration in den Metallbahnen und bei gleichzeitiger thermischer Isolation der Phase Change Materialien verwendet werden müssen. Zum Beispiel betragen die Stromdichten zum Erreichen der Phasenumwandlungstemperatur von 600 °C in GeSbTe mehr als 107 A/cm2.
[0006] Im allgemeinen Fall eines anisotropen thermochromen Materials, zum Beispiel ist
unverspanntes V02 anisotrop, können die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die thermoelektrischen Koeffizienten Tensorgrößen sein.
[0007] Die Temperatur eines thermochromen Materials kann durch gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und deren Umsetzung ineinander, zum Beispiel aufgrund des Peltier-Effekts, auf die thermochrome Übergangstemperatur abgekühlt oder erwärmt werden.
[0008] Ein thermochromes Material kann durch gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und deren Umsetzung in einander, zum Beispiel aufgrund des Thomson- Effektes, auf die thermochrome Übergangstemperatur erwärmt werden. Die dabei zugeführte Wärme nennt man Joulesche Wärme. Die Joulesche Wärme steigt mit dem Quadrat des Stromes und bezeichnet die Leitungsverluste des elektrischen Stromes aufgrund des elektrischen Widerstandes.
[0009] Ausgangspunkt für die theoretische Beschreibung des elektrischen Stromes in einem
festen thermochromen Material ist der Tensor der elektrischen Leitfähigkeit und das die Stromleitung verursachende elektrische Feld. Im speziellen Fall eines
richtungsunabhängigen und feldgrößenunabhängigen Materials ist die elektrische
Leitfähigkeit ein eindimensionaler Wert und die Stromleitung ist proportional und in gleicher Richtung wie das elektrische Feld. In einem anisotropen und linearen Material ist die elektrische Leitfähigkeit ein Tensor 2. Stufe. Zum Beispiel wurde in V02-Dünnfilmen für Transport entlang der <001 >-Richtung und entlang der <010>-Richtung
Leitfähigkeitsunterschiede von mehr als 41 gefunden (Kittiwatanakul, Salinporn u.a.:
Transport Anisotropy of Epitaxial V02 films grown on (100) Ti02.
www.virginia.edu/inauguration/posters/1.1 1 .Physcial.Kittiwatanakul.Wolf.pdf.).
[0010] Der Entzug von Wärme geht bei festen thermochromen Materialien durch
Wärmeübertragung, zum Beispiel mittels Wärmeleitung und Wärmestrahlung,
entsprechend einem Temperaturgradienten vonstatten. Die entscheidenden
Einflussfaktoren sind dabei durch den Wärmeleitkoeffizienten, den
Wärmeübergangskoeffizienten und die Wärmekapazität gegeben. [001 1 ] Ausgangspunkt für die theoretische Beschreibung der Wärmeübertragung in einem festen thermochromen Material ist die Wärmeleitungsgleichung für die Temperatur unter Verwendung der Materialkonstanten des thermochromen Materials, zum Beispiel der Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte des Materials. Zur eindeutigen Bestimmung des zeit- und ortsabhängigen Temperaturprofils müssen außerdem die zeitliche und räumliche Verteilung der Wärmequellen sowie
Randbedingungen berücksichtigt werden.
[0012] Oxidische thermochrome Materialien können mittels verschiedener Techniken, zum
Beispiel mittels Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, chemischer Gasphasendeposition und mittels gepulster Laserplasmaabscheidung, hergestellt werden.
[0013] Der ON/OFF-Schalter ist ein Bauelement, zum Beispiel ein Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekt-Transistor (MOSFET), dessen Widerstand im ON-Zustand niedrig und dessen Widerstand im OFF-Zustand hoch ist.
[0014] Gekreuzte Leiterbahnen (Crossbar-Array) stellen eine neue Bauteilarchitektur dar. In einem Crossbar-Array ist die strukturierte oder ganzflächige funktionale Schicht zwischen den gekreuzten Leiterbahnen eingebettet. Möchte man eine Zelle auslesen, die aktuell einen hohen elektrischen Widerstand aufweist (OFF-Zustand) und gibt es in der Umgebung dieser OFF-Zelle andere Zellen mit geringem Widerstand (ON-Zustand), so könnte der Strom (sneak current), einen Schleichweg durch diese ON-Zellen nehmen. Diese
Schleichströme limitieren für ein Material mit gegebenem ON/OFF-Widerstandsverhältnis das Herunterskalieren des Crossbar-Arrays.
[0015] Der Mott-Transistor ist ein Feldeffekt-Transistor (FET) mit einem Kanal, welcher aus einem Mott-Isolator besteht und einen Mott-Übergang zwischen isolierend (OFF-Zustand) und metallisch leitend (ON-Zustand) zeigt. Der Mott-Übergang und damit die Leitfähigkeit des Kanals kann durch ein am Gate angelegtes Potential kontrolliert werden. Bisher wurde noch kein Mott-Transistor realisiert.
[0016] Metamaterial sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in ihrem Inneren speziell angefertigte mikroskopische Strukturen aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien aufweisen, die für den negativen Brechungsindex des Metamaterials verantwortlich sind. Ein Beispiel für ein THz-Metamaterial, das heißt von einem Material mit negativem
Brechungsindex im THz-Bereich, auf der Basis von thermochromen Materialien sind AuA 02-Hybridstrukturen (Kyoung, J. S.: Active terahertz metamaterials: Nano-slot antennas on V02 thin films. physica Status solidi (8) 201 1 , Heft 4, Seiten 1227-1230). [0017] Metall-Isolator-Halbleiter-Dioden (MOS) zur Detektion von Licht werden auf der Basis von GaN für die Detektion von UV-Licht, auf der Basis von GaAs zur Detektion von IR-Licht und auf der Basis von Silizium zur Detektion von Licht im sichtbaren Spektralbereich (400 nm - 1000 nm) eingesetzt. Die Photosensitivität von MOS-Dioden wird durch elektrisch aktive Störstellen an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Isolator limitiert.
[0018] Mittels Photodetektoren wird Licht hauptsächlich durch Messung eines Photostroms
nachgewiesen. Der Nachteil ist, dass zum Nachweis des Photostroms, welcher von photogenerierten Ladungsträgern im dotierten Halbleiter verursacht wird, die
Isolatorschicht in MOS-Dioden nicht dicker als 30 nm sein darf. Kapazitiv arbeitende Photodetektoren weisen Licht hauptsächlich durch Messung der Photokapazität von MOS- Dioden unter Lichteinfall nach. Der Nachteil ist, dass die gemessene Photokapazität nicht direkt mit der Zahl der photogenerierten Ladungsträger korreliert und dass die
Photokapazität nicht sensitiv von der Beleuchtungsstärke abhängt.
Aufgabe der Erfindung
[0019] Die Aufgabe der Erfindung ist die Anordnung eines mikro- und /oder nanoelektronischen Systems, und dessen Verwendung als Schalter oder Heizer durch lokale Änderung der Leitfähigkeit und der Temperatur einzelner Bereiche in mikro- und /oder
nanoelektronischen Systemen oder zur Erhöhung der Photosensitivität von Metall-Isolator- Halbleiterdioden.
Grundzüge des Lösungsweges
[0020] Ausgangspunkt bildet ein System aus einer oder mehreren Komponenten, die aus
thermochromen Material mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen. Damit können Einzel- oder Mehrschichtsysteme aufgebaut werden, die in sich strukturiert ausgeführt sein können.
[0021 ] Idealerweise werden thermochrome Komponenten verwendet, die verschiedene
Leitfähigkeitsphasen bei Raumtemperatur bzw. Betriebstemperatur besitzen. Die
Verwendung einer thermochromen Komponente mit nur einer Leitfähigkeitsphase ist in Verbindung mit einer isolierenden Komponente möglich.
[0022] Als thermochrome Komponenten 2, 2' werden vorteilhafterweise V02 und/oder V02:{AI, Ga} und/oder V02:{W,F} verwendet.
[0023] Als nicht thermochrome Komponenten 1 können nicht thermochrome Oxiden mit hoher
Dielektrizitätskonstante, beispielsweise LaLu03, LaSc03, LaY03, La03 oder eine Mischung La:{Lu,Sc,Y}:03, oder nicht thermochrome Oxiden mit niedriger Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Al203, Si02 und/oder MgO, verwendet werden.
[0024] An einzelne oder alle thermochrome Komponenten können jeweils mindestens ein
Oberflächenkontakt und mindestens ein weiterer Kontakt angebracht sein. Beim Anlegen einer Spannung an die Kontakte erhöht sich die Temperatur der stromdurchflossenen thermochromen Komponente(n) durch Zufuhr von Joulescher Wärme lokal. Übersteigt der Spannungsabfall einen Schwellwert, dann kann die Temperatur lokal über die
thermochrome Schalttemperatur TT erhöht werden und die Leitfähigkeitsphase der erwärmten thermochromen Komponente(n) ändert sich abrupt, zum Beispiel bei der Größe eines normalen integrierten Bauelements für eine thermochrome Komponente aus V02 innerhalb von weniger als 10fs.
[0025] Die hier angegebenen MOS-Dioden zur Verwendung als Photodetektor mit erhöhter
Photosensitivität verwenden als Isolatorschicht eine Kombination aus einem
thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem und einer weiteren Schicht aus einem nicht thermochromen Material auf einem gering dotierten (1014 bis 1016 Dotanden je cm3) Halbleitermaterial. Diese kombinierte Isolatorschicht weist gegenüber Isolatorschichten, welche aus nur einem nicht thermochromen Material bestehen, wesentliche Vorteile auf.
[0026] Zum ersten können im thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem zusätzliche
Ladungsträger durch Lichtabsorption generiert werden. Diese Ladungsträger ändern die Kapazität des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems und können außerdem über Drift- und Diffusionsprozesse in den dotierten Halbleiter gelangen und auch die Kapazität des Halbleitermaterials ändern.
[0027] Zum zweiten wird beim Anlegen einer Spannung zwischen dem Vorderseiten- und
Rückseitenkontakt der MOS-Dioden der Spannungsabfall im Halbleitermaterial durch den Spannungsabfall über dem thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem geändert. Die Photosensitivität eienr MOS-Diode hängt von der Position des Ferminiveaus an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Isolatorschicht in Bezug auf die Position des Ladungsneutralitätspunktes ab [P. Bidzinski et al., Impact of Interface States and Bulk Carrier Lifetime on photocapacitance of metal/insulator/GaN structure for ultraviolet light detection, Japn. J. ofAppl. P ys. 50 (201 1 ) 04DF08]. Die relative Lage dieser beiden Energieniveaus kann in einer MOS-Diode mit kombinierter Isolatorschicht durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Vorderseiten- und Rückseitenkontakt sehr effektiv gegeneinander verschoben werden. [0028] Zum dritten kann die effektiv wirksame Fläche des Vorderseitenkontaktes bei Bestrahlung des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems vergrößert werden.
[0029] Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem
elektrischen Bauelement, wobei die Komponenten des Einzel- und Mehrschichtsystems teilweise oder vollständig aus thermochromen Material mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen und wobei die Komponenten des Einzel- und Mehrschichtsystems unstrukturiert oder in sich strukturiert ausgeführt sind.
[0030] Als thermochromes Material für die Komponenten des Einzel- oder Mehrschichtsystems können beispielsweise V02 und/oder V02:{AI,Ga} und/oder V02:{W,F} verwendet werden. Beispielsweise können als nicht thermochromes Material für die Komponenten des Einzeloder Mehrschichtsystems nicht thermochrome Oxide mit hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise LaLu03, LaSc03, LaY03, La03 oder eine Mischung La:{Lu,Sc,Y}:03, und/oder nicht thermochrome Oxide mit niedriger Dielektrizitätskonstante, beispielsweise AI203, Si02 und/oder MgO, verwendet werden.
[0031 ] Weiterhin kann jede Komponente des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems für sich lokal verspannt oder in seiner chemischen Komposition variieren, wodurch sich damit bei Betriebstemperatur des elektrischen Bauelements eine unterschiedliche stabile Leitfähigkeitsphase in jeder thermochromen Komponente des Einzel- oder
Mehrschichtsystems einstellen kann. Die lokale Verspannung im Einzel- oder
Mehrschichtsystem im elektrischen Bauelement kann beispielsweise zeitlich und räumlich veränderlich mittels Piezoelement erfolgen.
[0032] Die lokale Temperatur im Einzel- oder Mehrschichtsystem im elektrischen Bauelement kann mit einem Peltierelement verändert werden.
[0033] Die lokale Leitfähigkeit im Einzel- oder Mehrschichtsystem kann durch die Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, zum Beispiel mittels monochromatischer Bestrahlung durch eine Laserdiode, verändert werden
[0034] In einer Variante befindet sich mindestens eine thermochrome Komponente des Einzeloder Mehrschichtsystems zwischen mindestens einem elektrisch leitenden
Oberflächenkontakt und mindestens einem weiteren elektrisch leitenden Kontakt, die an dem Einzel- oder Mehrschichtsystem angebracht sind.
[0035] Vorteilhafterweise sind alle Kontakte sehr gut elektrisch leitend. Weiterhin sind
vorteilhafterweise die Materialien mit unterschiedlichen Leitfähigkeitsphasen im Bereich zwischen den Kontakten und außerhalb der Kontakte angeordnet. Dadurch bildet sich beim Anlegen einer Spannung zwischen zwei Kontakten ein elektrisches Feld im Bereich zwischen den Kontakten, da die Leitfähigkeit im Bereich außerhalb der Kontakte geringer als die Leitfähigkeit im Bereich zwischen den Kontakten ist.
[0036] In einer anderen Variante befindet sich mindestens eine thermochrome Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems zwischen mindestens einem elektrisch leitenden
Oberflächenkontakt, der an dem Einzel- oder Mehrschichtsystem angebracht ist.
[0037] Alle Kontakte können strukturiert ausgeführt sein.
[0038] In dem elektrischen Bauelement ist in Reihe und/oder parallel zu mindestens einer
thermochromen Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems ein anderer
elektrischer ohmscher, induktiver und/oder kapazitiver Widerstand integriert, und dadurch übernimmt das Einzel- oder Mehrschichtsystem die Funktion eines Auswahltransistors oder einer kapazitiv arbeitenden Fotodetektors.
[0039] Der eingefügte elektrische ohmsche Widerstand kann ein Phase Change Speichermaterial und/oder ein MRAM und/oder ein anderes elektrisches Widerstandsmaterial sein und der Bereich zwischen den Kontakten ist von einem thermisch und elektrisch isolierenden Material umgeben.
[0040] Die räumliche Ausdehnung der lokalen Leitfähigkeitsphasen in dem Einzel- oder
Mehrschichtsystem kann rotationssymmetrisch zur maximalen elektrischen Feldstärke des sich zwischen den jeweiligen Kontakten ausbildenden elektrischen Feldes sein.
[0041 ] Vorteilhafterweise ist im Einzel- oder Mehrschichtsystem das Material mit geringer
Leitfähigkeit 1 elektrisch und thermisch vom thermochromen Material mit hoher
Leitfähigkeit 2,2' isoliert.
[0042] In dem Bereich, in dem ein magnetisches Feld erzeugt werden kann, ist ein
magnetisierbares Einzel- oder Mehrschichtsystem integriert, wobei der Magnetowiderstand des magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems von der Magnetisierung der einzelnen Schichten abhängt. Idealerweise ist dieses magnetisierbare Einzel- oder Mehrschichtsystem vom elektrischen Element separat elektrisch kontaktiert.
[0043] In Reihe und/oder parallel zu mindestens einem Kontaktpaar kann ein anderer elektrischer ohmscher, induktiver und/oder kapazitiver Widerstand angeschlossen sein, sodass das Einzel- oder Mehrschichtsystem die Funktion eines zeitlich veränderlichen Kondensators übernimmt. [0044] Die Herstellung der Komponenten des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems in einem elektrischen Bauelement kann mittels Schichtwachstum, Lithographie und/oder Ionenimplantation.
[0045] Das elektrische Bauelements mit den thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystem kann als elektrischen Schalter und/oder optischen Schalter und/oder zur
Magnetfelderzeugung verwendet werden, wobei die Temperatur des elektrischen
Bauelements lokal geändert wird.
[0046] Eine weitere Verwendungsmöglichkeit ist zum lokalen Heizen, wobei die Temperatur durch Stromfluss in einem Bereich zwischen zwei Kontakten erhöht wird und beim Überschreiten der thermochromen Sprungtemperatur TT die Leitfähigkeit des thermochromen Materials im thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystem sich um mehrere Größenordnungen ändert.
[0047] Eine weitere Verwendungsmöglichkeit ist zum Abkühlung des lokal durch Stromfluss
erwärmten Bereiches durch die Wärmeübergangskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit und die Temperatur der angrenzenden Komponenten des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems sowie der Umgebung bestimmt wird.
[0048] Weiterhin kann das elektrische Bauelement mit dem thermochromen Einzel- oder
Mehrschichtsystem zur lokalen Leitfähigkeits- und/oder Temperaturänderung in einem optischen Schalter verwendet werden, wobei die thermochromen Komponenten des Einzel- oder Mehrschichtsystems mit elektromagnetischen Wellen einer definierten Wellenlänge und einer definierten Intensität gepulst und/oder kontinuierlich bestrahlt werden und deren Leitfähigkeit durch Absorption der elektromagnetischen Wellen um mehrere Größenordnungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Intensität der lokal absorbierten elektromagnetischen Wellen geändert werden kann.
[0049] Bei der Verwendung zur lokalen Leitfähigkeits- und/oder Temperaturänderung in einem optischen Schalter kann durch kontinuierliche und/oder gepulste Bestrahlung die
Leitfähigkeit in der bestrahlten thermochromen Komponente des elektrischen Bauelements lokal ändert werden und sich dadurch der Stromfluss zwischen den Kontakten
kontinuierlich und/oder gepulst verändert werden und/oder erst ermöglicht werden.
[0050] Dadurch ist der kontinuierliche oder/und gepulste Betrieb von mindestens einem anderen in Reihe geschalteten, stromgetriebenen Bauelement und/oder von mindestens einem anderen parallel geschalteten, spannungsgetriebenen Bauelement erst ermöglicht werden. [0051 ] Weiterhin kann das thermochrome Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement kann zur zeitabhängigen Erzeugung und Manipulation von magnetischen Feldern in mindestens einer Einzelschicht des magnetisierbaren Einzel- oder
Mehrschichtsystems im angrenzenden Bereich der lokalen Leitfähigkeitsphase des elektrischen Bauelements genutzt werden, wobei die Magnetisierung im magnetisierbaren Einzel-oder Mehrschichtsystems mittels Stromfluss durch die lokalen Leitfähigkeitsphasen des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems des elektrischen Bauelements erzeugt und verändert wird und sich damit der Gesamtwiderstand des magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems, das innerhalb oder außerhalb des elektrischen
Bauelements angeordnet ist, ändert.
[0052] Eine weitere Verwendungsmöglichkeit ist zum lokalen Aushärten von
temperaturempfindlichen Materialien oder zur Clusterbildung von Nano- oder
Mikrostrukturen, die auf die Oberfläche des elektrischen Bauelements in der Nähe des oberflächennah befindlichen thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems des elektrischen Bauelements aufgebracht wurden.
[0053] Das thermochrome Einzel- oder Mehrschichtsystem kann auch als Auswahltransistor in einem Cross-Bar-Array für Widerstandsbauelemente verwendet werden.
[0054] Eine Verwendung als zeitlich veränderliche Kapazität ist beispielsweise in einem
Schwingkreis möglich.
[0055] Eine Verwendung als kapazitiv arbeitender Photodetektor ist ebenfalls möglich, wobei der Photodetektor einzeln oder als Cross-Bar-Array ausgeführt sein kann.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
[0056] Die Ausführungsbeispiele werden mit Abbildungen beschrieben. Die einzelnen
Abbildungen zeigen:
[0057] Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Einzel- oder Mehrschichtsystems mit optionalen Kontakten und optionalem weiteren integrierten elektrischen Bauelement.
[0058] Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Einzel- und Mehrschichtsystems mit dotiertem Substrat und Isolatorschicht und optionalen Kontakten am Mehrschichtsystem und am dotierten Substrat.
[0059] Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit der Strukturierung der verwendeten Kontakte. [0060] Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die lokale Leitfähigkeit durch Beleuchtung verändert wird.
[0061 ] Fig. 5 bis Fig. 6 zeigen Aufbauvarianten unter Verwendung von strukturierten Bereichen des Schichtsystems
[0062] Fig. 7 bis Fig. 8 zeigen Aufbauvarianten unter Verwendung von zwei verschiedenen in sich strukturierten thermochromen Komponenten und optionalem weiteren integrierten elektrischen Bauelement.
[0063] Fig. 9 bis Fig. 10 verdeutlichen die Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb eines
thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems.
[0064] Fig. 1 1 zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung von lokal außen angebrachten Peltierelementen.
[0065] Fig. 12 zeigt das lokale Aufbringen von Nanostrukturen in einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit bei Erwärmung verdampft.
Ausführungsbeispiele
[0066] Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Einzel- oder Mehrschichtsystems auf einem
Substrat/Trägermaterial 3 mit optionalem Oberflächenkontakt 4 und einem optionalen zugehörigen Gegenkontakt 5 und optionalem weiteren integrierten, in Reihe oder parallel geschaltetem Widerstandsbauelementen 8, wobei der Oberflächenkontakt 4 und der zugehörige Gegenkontakt 5 an gegenüberliegenden Seiten oder an derselben Seite des Einzel- oder Mehrschichtsystems angeordnet sind. Die Temperatur in Bereichen 1 des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems, in denen sich durch Anlegen einer Spannung an den Oberflächenkontakt 4 und den zugehörigen Gegenkontakt 5 keine elektrischen Feldlinien 7 ausbreiten und/oder in denen keine einfallenden
elektromagnetischen Wellen 11 (beispielsweise Infrarot-, sichtbares, ultraviolettes (Laser)- Licht), im weiteren Text auch als Licht bezeichnet, 11 absorbiert wird beträgt Ti und liegt vorzugsweise unterhalb der thermochromen Sprungtemperatur TT. Die Temperatur in Bereichen 2, 2' des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems, in denen sich elektrische Feldlinien 7 ausbreiten und/oder in denen einfallendes Licht 11 absorbiert wird beträgt T2 und liegt vorzugsweise oberhalb der thermochromen Sprungtemperatur TT. Die Spannung zwischen den Kontakten 4 und 5 und/oder die Intensität des einfallenden Lichtes 11 im thermochromen Material 2,2' mit unterschiedlichen thermochromen
Sprungtemperaturen TT und TT' und unterschiedlichen stabilen Leitfähigkeitsphasen bei einer gegebenen Temperatur, welche größer als TT' und kleiner als TT ist, muss einen von der Kontaktgeometrie und den dielektrischen Eigenschaften des Einzel- oder
Mehrschichtsystems abhängigen Schwellwert überschreiten, damit sich die
Leitfähigkeitsphase mit der hohen Leitfähigkeit im Material des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems mit der thermochromen Sprungtemperatur TT' einstellt und damit das in Reihe oder parallel geschaltete Widerstandsbauelement 8 lokal angesteuert wird (Fig. 1 a) und (Fig. 1 b) und/oder damit der oberflächennahe Bereich des Einzel- oder
Mehrschichtsystems mit stabiler Leitfähigkeitsphase mit der höheren Leitfähigkeit (Fig. 1 c) als lokaler Heizer verwendet werden kann.
[0067] Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Einzel- und Mehrschichtsystems 1 mit dotiertem Substrat 3' und Isolatorschicht 19 und optionalen Kontakten am Einzel- und
Mehrschichtsystem und am dotierten Substrat 3' mit optionalem Oberflächenkontakt 4 und einem optionalen zugehörigen Gegenkontakt 5, welcher am dotiertem Halbleitermaterial 3' angebracht ist. Die Dicke der Isolatorschicht beträgt mindestens 10 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 35 nm bis 500 nm, Die Dicke des thermochromen Materials beträgt mindestens 10 nm bis 1000 nm, vorzugsweise 50 nm bis 500 nm. An der Grenzfläche GTI zwischen Isolatorschicht 19 und dem Bereich 1 und/oder dem Bereich 2, 2' und an der Grenzfläche GIS zwischen Isolatorschicht 19 und dotiertem Halbleitermaterial 3' kann sich die Position des Valenz- und Leitungsbandes auf der Energieskala sprunghaft ändern. Speziell der Potentialsprung an GTI verursacht eine Änderung der Gesamtkapazität zwischen dem Oberflächenkontakt 4 und dem Gegenkontakt 5. Die Gesamtkapazität ohne Beleuchtung setzt sich aus der Kapazität CT aus dem Bereich 1 und/oder dem Bereich 2,2', der Kapazität Ci der Isolatorschicht 19 und der Kapazität Cs des dotierten Halbleitermaterials 3' zusammen (a). Mit Beleuchtung ändert sich die Kapazität CT aus dem Bereich 1 und/oder dem Bereich 2,2', die Kapazität Ci' der Isolatorschicht 19 und die Kapazität Cs des dotierten Halbleitermaterials 3' (b).Die Kapazitätsänderung hängt von der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe und von der Intensität des einfallenden Lichtes bzw. der einfallenden elektromagnetischen Welle 11 ab. Die größte Kapazitätsänderung ist im dotierten Halbleitermaterial aufgrund der Generation von photogenerierten Ladungsträgern im dotierten Halbleitermaterial nahe der Grenzfläche GIS zwischen Isolatorschicht 19 und dotiertem Halbleitermaterial 3' zu erwarten.
[0068] Durch Definition eines Cross-Bar Arrays mit strukturierten metallisch leitendem
Oberflächenkontakt 4 und zugehörigem gegenüberliegenden, um 90° gedrehten
Gegenkontakt 5 wird der Spannungs-Schwellwert zur lokalen Temperaturänderung nur in Bereichen 2 des thermochromen Materials zwischen Kreuzungspunkten des Cross-Bar Arrays überschritten Fig. 3a). Zur Reduzierung von Kriechströmen zwischen nicht gegenüberliegenden Kreuzungspunkten des Cross-Bar Arrays (Crosstalk) wird vorzugsweise eine hochisolierende Komponente im Bereich 1 des thermochromen Einzeloder Mehrschichtsystem außerhalb der Kreuzungspunkte mittels Dotierung Fig. 3b) und/oder mittels Verspannung unter Nutzung von tensilen bzw. kompressiven Stress verursachenden Schichten oder Piezo-Elementen eingebracht. Die Leitfähigkeit des thermochromen oder nicht thermochromen Materials im Bereich 1 ändert sich nicht oder nur geringfügig. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung der Definition des Cross-Bar-Arrays ist, dass die lokalen Schalter für die Widerstandsbauelemente 8 an den Kreuzungspunkten des Cross-Bar-Arrays wie Auswahltransistoren funktionieren, jedoch nicht separat strukturiert, kontaktiert und über eine separate Spannung gesteuert werden müssen. Man spart bei der Herstellung von Cross-Bar-Arrays mit einem thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem alle Prozessschritte zur Herstellung von
Auswahltransistoren. Dadurch verringern sich die Herstellungskosten.
[0069] Durch die Verwendung von thermochromen Materialien mit verschiedenen
Sprungtemperaturen T2 und T2' kann die Spannung (Fig. 3b), welche über das elektrische Widerstandsbauelement 8 abfällt, kontrolliert eingestellt werden.
[0070] Die Strukturierung der metallisch leitenden Top- 4 und/oder Bottomelektrode 5 erfolgt derart, dass die Intensität des Lichts 1 1 aus einem optischen Element nach Passieren der strukturierten Elektroden 4, 5 im angrenzenden thermochromen Material 2' unterschiedlich ist und dadurch im Bereich der elektrischen Feldlinien 7 die Leitfähigkeit exponentiell abfällt, siehe Fig. 4. Damit ist der Spannungsschwellwert zum Erwärmen des
thermochromen Materials 2 über seine Sprungtemperatur nahe der strukturierten metallisch leitenden Elektrode 4, 5 am geringsten. Ein nachgeschaltetes
Widerstandsbauelement 8 kann durch Lichteinfall 1 1 und/oder durch Anlegen einer konstanten elektrischen Spannung zwischen den beiden Kontakten 4, 5 mit Licht geschaltet werden. Vorzugsweise sollten am elektrischen Element statt der metallisch leitenden Top- und Bottomelektroden auch transparente leitende Oxide verwendet werden.
[0071 ] Fig. 5 und Fig. 6 zeigen den prinzipiellen Aufbau des Einzel- und Mehrschichtsystems 1 mit dotiertem Halbleitermaterial 3', 3" und Isolatorschicht 19 und optionalen Kontakten am Einzel- und Mehrschichtsystem und am dotierten Halbleitermaterial 3', 3" mit strukturiertem optionalen Oberflächenkontakt 4 und einem optionalen zugehörigen Gegenkontakt 5, welcher an der Unterseite des dotierten Halbleitermaterials 3', 3" angebracht ist. Mit Beleuchtung ändert sich die Kapazität CT aus dem Bereich 1 und/oder dem Bereich 2,2', die Kapazität Ci der Isolatorschicht 19 und die Kapazität Cs des dotierten
Halbleitermaterials 3' (Fig. 5b). Die Kapazitätsänderung hängt von der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe und von der Intensität des einfallenden Lichtes bzw. der einfallenden elektromagnetischen Welle 11 ab und kann durch die Dicke sowie die thermochromen und dielektrischen Eigenschaften des strukturierten Bereiches 2,2' eingestellt werden. Über die Dotierung des Halbleiters 3" kann die Gesamtkapazität ohne und mit Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung genau eingestellt werden. Die Dotierung des Halbleitermaterials 3" bestimmt auch die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche GIS.
[0072] Die Strukturierung der Isolatorschicht 19 kann lithographisch oder durch physikalisches Ätzen erfolgen, Durch die Strukturierung des Bereiches 2, 2' und des
Oberflächenkontaktes 4 wird die Fläche des Oberflächenkontaktes 4 von der Ausdehnung der Leitfähigkeitsphase mit hoher Leitfähigkeit separiert.
[0073] Fig. 6 zeigt wie die Bereiche 2, 2' vor dem Aufbringen des Oberflächenkontaktes 4
strukturiert werden, damit der Oberflächenkontakt 4 auf der gleichen Höhe wie die
Oberfläche der Bereiche 2, 2" abschließt. Bei dieser Anordnung sind Streueffekte aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten reduziert.
[0074] Die größte Kapazitätsänderung unter Bestrahlung einer MOS-Diode ist im dotierten
Halbleitermaterial aufgrund der Generation von photogenerierten Ladungsträgern im dotierten Halbleitermaterial nahe der Grenzfläche GIS zwischen Isolatorschicht 19 und dotiertem Halbleitermaterial 3' zu erwarten.
[0075] Als weiteres Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 7 und Fig. 8, kann ein anderes
elektrisches Bauelement parallel oder in Reihe zu einer thermochromen Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystem integriert werden. Durch Wahl des Volumens, der Verspannung und der chemischen Komposition des thermochromen Materials im Bereich 2 zwischen zwei Kontakten, lässt sich die am integrierten elektrischen Bauelement anliegende Spannung vor und nach dem Ändern der Leitfähigkeitsphase der
thermochromen Komponente des Einzel- und Mehrschichtsystem einstellen. Vorzugsweise wird für den Bereich 1 kein thermochromes Material verwendet, weil in diesem Bereich keine Änderung der Leitfähigkeitsphase erwünscht ist. Ein Hauptvorteil ist die
Kompatibilität des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems mit der Mikroelektronik und die Gestaltung des räumlichen Verlaufes des Stromflusses durch den Tensor der elektrischen Leitfähigkeit und des die Stromleitung verursachenden elektrischen Feldes. Der Bereich 1 kann auch aus einem anderen thermochromen Material mit im Vergleich zu Bereich 2 unterschiedlicher stabiler Leitfähigkeitsphase bestehen. Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Aufbauvarianten des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems auf einem Substrat/Trägermaterial 3 unter Verwendung von zwei verschiedenen in sich strukturierten Komponenten 1 und 2 mit unterschiedlichen stabilen Leitfähigkeitsphasen, wobei sich die Leitfähigkeit im Bereich 1 nur geringfügig und die Leitfähigkeit im Bereich 2 stark ändern kann. In Reihe oder parallel zum thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem ist optional ein Widerstandsbauelement 8 integriert.
[0076] Durch Verwendung von thermochromen Materialien mit unterschiedlichen stabilen
Leitfähigkeitsphasen bei Betriebstemperatur und Anbringen von Kontakten an die
Komponenten des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems mit einer höheren Leitfähigkeit 2 als die umgebenden Komponenten 1 , wird beim Übersteigen eines
Spannungsschwellwertes die Temperatur lokal über die thermochrome Schalttemperatur TT erhöht werden. Im Bereich 2 stellt sich eine stabile Leitfähigkeitsphase mit erhöhter Leitfähigkeit ein, siehe Fig. 7 linker Teil.
[0077] In Serie geschalten kann die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit den
Auswahltransistor für ein resistives magnetisierbares Mehrschichtsystem mit separater Top- und Bottomelektrode 15 (Fig. 7 mittlerer Teil) ersetzen. Das nachgeschaltete
Widerstandbauelement 15 kann digital geschalten werden.
[0078] In Serie geschalten kann die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit den
Auswahltransistor für ein resistiv schaltendes Element ersetzen. Das schaltende Element kann zum Beispiel ein Chalkogenid 12 mit einem durch Erwärmung im Bereich des
Stromdurchflusses aufgeschmolzenen Bereich 12' mit separater Top- und Bottomelektrode 15 sein, siehe Fig. 7 rechter Teil. Integrierten Phase Change Materialien 12, 12' können über ein thermochromes Material mit einer hohen Leitfähigkeit sehr hohe Stromdichten bei gleichzeitiger thermischer Isolation durch Einbettung in eine Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems mit geringer Leitfähigkeit zugeführt werden.
[0079] Die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit 2 kann in Serie mit einem resistiven magnetisierbares Mehrschichtsystem 15, welches aus zwei durch eine nichtleitende Schicht getrennte magnetisierbaren Schichten unterschiedlicher Dicke mit der
Magnetisierung MQ und Mu mit einem Oberflächenkontakt 4 und einem zugehörigen Gegenkontakt 5 geschalten werden (Fig. 8). Für die thermochrome Komponente werden die gleichen Kontakte 4, 5 verwendet. Ein Stromfluss durch die thermochrome
Komponente 2 und durch das magnetisierbare Mehrschichtsystem 15 kann zu einer Ummagnetisierung der dünneren der beiden magnetisierbaren Schichten mit der
Magnetisierung MQ aufgrund des Spin-Tranfer-Torque-Effektes führen. [0080] Ein weiteres Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 9 linker Teil. Der Strom I durch die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit 2 erzeugt eine magnetische Feldstärke H(r) = I/(2nr) im Abstand r von der stromdurchflossenen thermochromen Komponente. Die magnetische Flussdichte B(r) kann lokal sowohl innerhalb als auch außerhalb des elektrischen Elements durch den Stromfluss in einer thermochromen Komponente mit hoher Leitfähigkeit 2 des elektrischen Elements beeinflusst werden. Die magnetischen Feldlinien 13 verlaufen senkrecht zur Stromflussrichtung. Die magnetische Flussdichte B(r) im Abstand r beträgt μ0 *μΓ *Η mit der magnetischen Feldkonstanten μ0=4π*10"7 Vs/Am und der materialabhängigen relativen Permeabilität μΓ des Materials, in dem die magnetische Feldstärke H erzeugt wird. Die relative Permeabilität eines Hohlraumes oder Luftspaltes 16 beträgt näherungsweise 1. Zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte wird das thermochrome Material mit hoher Leitfähigkeit in eine isolierende Komponente des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems eingebettet, deren relative Permeabilität größer als 1 ist. Durch vektorielle Überlagerung der magnetischen Feldstärken Hi, i=1 ,2,.. von verschiedenen stromdurchflossenen thermochromen Komponenten mit hoher
Leitfähigkeit kann ein zeit- und richtungsabhängiges Magnetfeld eingestellt werden.
[0081 ] Die Magnetisierung eines am Ort des zeit- und richtungsabhängigen Magnetfeldes
eingebetteten magnetisierbaren Materials 14 (Fig. 9 rechter Teil) kann durch Änderung der Magnetfeldrichtung geändert werden. Ist der Abstand des magnetisierbaren Materials von den stromdurchflossenen thermochromen Komponenten mit hoher Leitfähigkeit 2,2' sehr groß, reicht möglicherweise die Stärke des Magnetfeldes nicht aus, um in diesem magnetisierbaren Material 14 Sättigungsmagnetisierung Ms zu erreichen.
[0082] Integration eines magnetisierbaren Mehrschichtsystems 14 mit einem vom Magnetfeld abhängigen Widerstand in isolierende Bereiche 1 des thermochromen Einzel- und
Mehrschichtsystems mit einer relativen Permeabilität größer als 1 mit zeit- und
richtungsabhängigen Magnetfeldern. Magnetisierung einzelner Schichten des
magnetisierbaren Mehrschichtsystems durch vektorielle Überlagerung von verschiedenen, stromdurchflossenen thermochromen Komponenten 2, 2' mit hoher Leitfähigkeit Fig. 10. Ein weiterer Vorteil ist die zeitlich und/oder räumlich veränderliche Erzeugbarkeit von Magnetfeldern, d. h. man kann mit dem thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem die Magnetisierung mindestens einer Einzelschicht eines integrierten magnetisierbaren Mehrschichtsystems mittels Stromfluss verändern und damit den Gesamtwiderstand des magnetisierbaren Mehrschichtsystems ändern. [0083] Die Temperatur Τι, TY, T2, T2' wird an den Rändern des thermochromen Einzel- oder
Mehrschichtsystems mittels Peltierelementen 9 (Kühlen oder Heizen) konstant gehalten, siehe Fig. 1 1 . Damit werden die Randbedingungen zur Bestimmung des zeit- und ortsabhängigen Temperaturprofils im Einzel- oder Mehrschichtsystem kontrolliert sowie der ortsabhängige Spannungs-Schwellwert für Joule Heating (Switchen) zum lokalen
Erwärmen des thermochromen Materials über seine thermochrome Sprungtemperatur erhöht (Kühlen) oder erniedrigt (Heizen). Befindet sich das Peltierelement zwischen der thermochromen Komponente und einem Kontakt, dann kann in der thermochromen Komponente zwischen beiden Kontakten die Temperatur graduell und die lokale
Leitfähigkeit des thermochromen Materials um mehrere Größenordnungen geändert sein.
[0084] Fig. 12 zeigt eine Verwendung eines elektrischen Elements mit oberflächennahem bzw. die Oberfläche bildenden thermochromen Material 2,2' zur Bearbeitung
temperaturempfindlichen Materialien durch lokale Erwärmung. Dazu werden die temperaturempfindlichen Materialien 18 auf die Oberfläche des elektrischen Elements aufgebracht. Als temperaturempfindliche Materialien kommen beispielsweise Lacke, Biomaterialien oder Polyelektrolyte in Frage. Die Veränderung der Leitfähigkeit und der Temperatur des thermochromen Materials 2' kann durch Lichteinfall 11 , vorzugsweise auf der Rückseite beispielsweise mit Hilfe eines Transducers 17, vgl. Fig. 12, oder des thermochromen Materials 2 - nicht in Fig. 12 dargestellt - über elektrische Kontakte erfolgen.
[0085] In Fig. 12 werden beispielsweise Nano- und Mikrostrukturen in einer Flüssigkeit 18 auf die Oberseite des elektrischen Elements aufgebracht. Während der Bestrahlung mit Licht 11 des elektrischen Elements, vorzugsweise lokal mittels Transducer 17 von der Unterseite des elektrischen Elements wird das elektrische Element erwärmt. Die Absorption des Lichts soll durch die thermochromen Komponenten mit hoher Leitfähigkeit 2' des elektrischen Elements erfolgen. Durch die lokale Erwärmung verdunstet die Flüssigkeit und die Nano- und Mikrostrukturen können lokal Cluster 18' ausbilden. Der Vorteil der sanft thermischen Trocknung der temperaturempfindlichen Materialien und speziell der in Flüssigkeit gelösten Nano- und Mikrostrukturen ist, dass diese bei der Trocknung nicht zerstört werden können, und damit hauchdünne Filme der temperaturempfindlichen Materialien und speziell hauchdünne Cluster der Nano- und Mikrostrukturen erzeugt werden können. Diese getrockneten temperaturempfindlichen Materialien können nach der Trocknung einfach vom elektrischen Element ablöst werden. Bezugszeichen
I Bereich mit thermochromen oder nicht thermochromen Material, dessen Leitfähigkeit sich nicht oder nur geringfügig ändert
2, 2' Thermochromes Material mit unterschiedlichen, stabilen
Leitfähigkeitsphasen bei Betriebstemperatur, d.h. Bereich dessen Leitfähigkeit sich im Vergleich zu Bereich 1 stark ändert.
3 Substrat / Trägermaterial
3', 3" Dotiertes Halbleitermaterial
5 Zugehöriger Gegenkontakt (beispielsweise Bottomelektrode)
6 Bereich zwischen zwei Kontakten, in dem sich bei angelegter
Spannung an die beiden Kontakte ein elektrisches Feld ausbildet und Strom fließen kann.
7 Elektrische Feldlinien
8 Widerstandsbauelement
9 Peltierelement
10 Piezoelement
I I Einfallendes Licht bzw. einfallende elektromagnetische Wellen
12, 12' Chalkogenid (12' - der durch Erwärmen aufgeschmolzene Bereich)
13 Magnetische Feldlinien
14 Magnetisierbares Material
15 Magnetisierbares Mehrschichtsystem mit separater Top- und
Bottomelektrode
16 Hohlraum oder Luftspalt
17 Transducer
18, 18' temperaturempfindliches Materials auf der Oberfläche vor und nach der lokalen thermischen Behandlung
M, M0,MU Magnetisierung des magnetisierbaren Materials 14
Ms Sättigungsmagnetisierung des magnetisierbaren Materials 14
T0 Temperatur des Substrats 3
T-i , T-i Temperatur in Bereichen des thermochromen Einzel- oder
Mehrschichtsystems, in denen sich keine elektrischen Feldlinien 7 beim Anlegen einer Spannung ausbilden. T2, T2 Temperatur in Bereichen des thermochromen Einzel- oder
Mehrschichtsystems, in denen sich elektrischen Feldlinien 7 beim Anlegen einer Spannung ausbilden.
TT Thermochrome Sprungtemperatur
PL, BL, WL Programmier-, Bit- und Wordleitung
I, , l2 Strom
V, V1, V2 Spannung
r, r1 , r2 Abstand des stromdurchflossenen, thermochromen Materials 2 von der Position, an der die magnetische Feldstärke H(r) verändert werden soll
H, H, magnetische Feldstärke
B, B, magnetische Flussdichte
19 Isolatorschicht auf dotiertem Halbleitermaterial 3'
19s strukturierte Isolatorschicht auf dotiertem Halbleitermaterial 3'
GTI Grenzfläche zwischen Isolatorschicht 19 und Bereich 1 und/oder
Bereich 2, 2'
GIS Grenzfläche zwischen Isolatorschicht 19 und dotiertem
Halbleitermaterial 3'
C, CT, Cl, Kapazität des Schichtsystems ohne Beleuchtung bestehend aus dem CS dotierten Substrat 3' mit der Kapazität CS, aus der Isolatorschicht 19 mit der Kapazität Cl und aus dem Bereich 1 und/oder Bereich 2,2' mit der Kapazität CT
C\ CT', Cl', Kapazität des Schichtsystems mit Beleuchtung bestehend aus dem CS' dotierten Substrat 3' mit der Kapazität CS', aus der Isolatorschicht 19 mit der Kapazität Cl' und aus dem Bereich 1 und/oder Bereich 2,2' mit der Kapazität CT'
CT's, CT,s' Kapazität eines strukturierten Bereiches 1 und/oder eines
strukturierten Bereiches 2,2' mit und ohne Beleuchtung
Cl's, Cl,s' Kapazität einer strukturierten Isolatorschicht 19 mit und ohne
Beleuchtung

Claims

Thermochromes Einzel- und Mehrschichtsystem, dessen Herstellung und Verwendung Patentansprüche
1 . Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement, wobei die
Komponenten des Einzel- und Mehrschichtsystems teilweise oder vollständig aus thermochromen Material mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen und wobei die Komponenten des Einzel- und Mehrschichtsystems unstrukturiert oder in sich strukturiert ausgeführt sind.
2. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als thermochromes Material für die Komponenten des Einzel- oder Mehrschichtsystems V02 und/oder V02:{AI,Ga} und/oder V02:{W,F} verwendet wird.
3. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als nicht thermochromes Material für die Komponenten des Einzel- oder Mehrschichtsystems nicht thermochrome Oxide mit hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise LaLu03, LaSc03, LaY03, La03 oder eine Mischung La:{Lu,Sc,Y}:03, und/oder nicht thermochrome Oxide mit niedriger
Dielektrizitätskonstante, beispielsweise Al203, Si02 und/oder MgO, verwendet werden.
4. Einzel- oder Mehrschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Komponente des thermochromen Einzel- oder
Mehrschichtsystems für sich lokal verspannt oder in seiner chemischen Komposition variieren kann, und sich damit bei Betriebstemperatur des elektrischen Bauelements eine unterschiedliche stabile Leitfähigkeitsphase in jeder thermochromen Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems einstellen kann.
5. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verspannung im Einzel- oder Mehrschichtsystem im elektrischen Bauelement zeitlich und räumlich veränderlich mittels Piezoelement erfolgt.
6. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lokale Temperatur im Einzel- oder
Mehrschichtsystem im elektrischen Bauelement mit einem Peltierelement verändert werden kann.
7. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lokale Leitfähigkeit im Einzel- oder Mehrschichtsystem durch die Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, zum Beispiel mittels monochromatischer Bestrahlung durch eine Laserdiode, verändert werden kann und die räumliche Ausdehnung des Bereiches, dessen Leitfähigkeit geändert wird, von der Wellenlänge und der Intensität der elektromagnetischen Wellen abhängt.
8. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine thermochrome Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems zwischen mindestens einem elektrisch leitenden Oberflächenkontakt und mindestens einem weiteren elektrisch leitenden Kontakt, die an dem Einzel- oder Mehrschichtsystem angebracht sind, befindet, wobei einzelne oder alle Kontakte strukturiert ausgeführt sein können.
9. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine thermochrome Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems zwischen mindestens einem elektrisch leitenden Oberflächenkontakt, der an dem Einzel- oder Mehrschichtsystem angebracht ist, und einem weiteren Kontakt, der nicht an dem Einzel- oder
Mehrschichtsystem angebracht ist, befindet, wobei einzelne oder alle Kontakte strukturiert ausgeführt sein können.
10. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach Anspruch 8, wobei alle Kontakte sehr gut elektrisch leitend sind und Materialien mit
unterschiedlichen Leitfähigkeitsphasen im Bereich zwischen den Kontakten und außerhalb der Kontakte verwendet werden, wobei sich beim Anlegen einer Spannung zwischen zwei Kontakten ein elektrisches Feld im Bereich zwischen den Kontakten ausbildet, da die Leitfähigkeit im Bereich außerhalb der Kontakte geringer als die Leitfähigkeit im Bereich zwischen den Kontakten ist.
1 1 . Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe und/oder parallel zu mindestens einer thermochromen Komponente des Einzel- oder Mehrschichtsystems ein anderer elektrischer ohmscher, induktiver und/oder kapazitiver Widerstand integriert ist und dass das Einzel- oder Mehrschichtsystem die Funktion eines
Auswahltransistors oder einer kapazitiv arbeitenden Fotodetektors übernimmt.
12. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der eingefügte elektrische ohmsche Widerstand ein Phase Change Speichermaterial und/oder ein MRAM und/oder ein anderes
elektrisches Widerstandsmaterial ist und der Bereich zwischen den Kontakten von einem thermisch und elektrisch isolierenden Material umgeben ist.
13. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 12, wobei die räumliche Ausdehnung der lokalen Leitfähigkeitsphasen in dem Einzel- oder Mehrschichtsystem rotationssymmetrisch zur maximalen elektrischen Feldstärke des sich zwischen den jeweiligen Kontakten ausbildenden elektrischen Feldes ist.
14. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 13, wobei im Einzel- oder Mehrschichtsystem das Material mit geringer Leitfähigkeit 1 elektrisch und thermisch vom thermochromen Material mit hoher Leitfähigkeit 2,2' isoliert ist.
15. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis 14, wobei in dem Bereich, in dem ein magnetisches Feld erzeugt werden kann, ein magnetisierbares Einzel- oder Mehrschichtsystem integriert ist, wobei der Magnetowiderstand des magnetisierbaren Einzel- oder
Mehrschichtsystems von der Magnetisierung der einzelnen Schichten abhängt, und wobei dieses magnetisierbare Einzel- oder Mehrschichtsystem vom elektrischen Element separat elektrisch kontaktiert ist.
16. Einzel- oder Mehrschichtsystem in einem elektrischen Bauelement nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe und/oder parallel zu mindestens einem Kontaktpaar ein anderer elektrischer ohmscher, induktiver und/oder kapazitiver Widerstand angeschlossen ist und dass das Einzel- oder Mehrschichtsystem die Funktion eines zeitlich veränderlichen Kondensators übernimmt
17. Herstellung der Komponenten des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems in einem elektrischen Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mittels Schichtwachstum, Lithographie und/oder Ionenimplantation.
18. Verwendung des elektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 als elektrischen Schalter und/oder optischen Schalter und/oder zur Magnetfelderzeugung, wobei die Temperatur des elektrischen Bauelements lokal geändert wird..
19. Verwendung nach Anspruch 18 zum lokalen Heizen, wobei die Temperatur durch
Stromfluss in einem Bereich zwischen zwei Kontakten erhöht wird und beim
Überschreiten der thermochromen Sprungtemperatur TT die Leitfähigkeit des thermochromen Materials im thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystem sich um mehrere Größenordnungen ändert.
20. Verwendung nach Anspruch 18, wobei die Abkühlung des lokal durch Stromfluss
erwärmten Bereiches durch die Wärmeübergangskoeffizienten und die
Wärmeleitfähigkeit und die Temperatur der angrenzenden Komponenten des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems sowie der Umgebung bestimmt wird.
21 . Verwendung nach Anspruch 18 zur lokalen Leitfähigkeits- und/oder
Temperaturänderung in einem optischen Schalter, wobei die thermochromen
Komponenten des Einzel- oder Mehrschichtsystems mit elektromagnetischen Wellen einer definierten Wellenlänge und einer definierten Intensität gepulst und/oder kontinuierlich bestrahlt werden und deren Leitfähigkeit durch Absorption der elektromagnetischen Wellen um mehrere Größenordnungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Intensität der lokal absorbierten elektromagnetischen Wellen geändert werden kann.
22. Verwendung nach Anspruch 21 zur lokalen Leitfähigkeits- und/oder
Temperaturänderung in einem optischen Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch kontinuierliche und/oder gepulste Bestrahlung die Leitfähigkeit in der bestrahlten thermochromen Komponente des elektrischen Bauelements lokal ändert und dadurch der Stromfluss zwischen den Kontakten kontinuierlich und/oder gepulst geändert werden kann und/oder erst ermöglicht wird.
23. Verwendung nach Anspruch 22 zum kontinuierlichen und/oder gepulsten Betrieb von mindestens einem anderen in Reihe geschalteten, stromgetriebenen Bauelement und/oder von mindestens einem anderen parallel geschalteten, spannungsgetriebenen Bauelement.
24. Verwendung nach Anspruch 18 zur lokalen zeitabhängigen Erzeugung und
Manipulation von magnetischen Feldern in mindestens einer Einzelschicht des magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems gemäß Anspruch 15 im
angrenzenden Bereich der lokalen Leitfähigkeitsphase des elektrischen Bauelements, wobei die Magnetisierung im magnetisierbaren Einzel-oder Mehrschichtsystems mittels Stromfluss durch die lokalen Leitfähigkeitsphasen des thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems des elektrischen Bauelements erzeugt und verändert wird und sich damit der Gesamtwiderstand des magnetisierbaren Einzel- oder
Mehrschichtsystems, das innerhalb oder außerhalb des elektrischen Bauelements angeordnet ist, ändert.
25. Verwendung nach Anspruch 18 zum lokalen Aushärten von temperaturempfindlichen Materialien oder zur Clusterbildung von Nano- oder Mikrostrukturen, die auf die Oberfläche des elektrischen Bauelements in der Nähe des oberflächennah befindlichen thermochromen Einzel- oder Mehrschichtsystems des elektrischen Bauelements aufgebracht wurden.
26. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, als Auswahltransistor in einem
Cross-Bar-Array für Widerstandsbauelemente.
27. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einem der Ansprüche 9 bis 16 als zeitlich veränderliche Kapazität, beispielsweise in einem Schwingkreis.
28. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als kapazitiv arbeitender
Photodetektor, wobei der Photodetektor einzeln oder als Cross-Bar-Array ausgeführt sein kann.
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