CN100367528C - 具储存效应的开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新的开关装置，该开关装置具有置于第一和第二电极之间的活性区域，该活性区域包括一分子系统和分布于该系统中的离子复合物。设有控制电极用来控制应用于该活性区域的电场，当应用具有预定极性和强度的电场经预定时间后，该活性区域切换于高阻抗状态和低阻抗状态之间。

Description

具储存效应的开关装置
相关内容
有关该主题的技术内容揭露于美国申请专利号为60/289,057，标题为“电性可定址的储存器开关”，申请日为2001年5月7日。
技术领域
本发明有关于一种开关装置，更具体而言，是一种具有储存功能的开关装置，其中储存/开关装置可被定址，且开关状态可由外部所施加的电场来反转。
背景技术
众所周知，各类电性可定址的储存器装置是用于计算机的资料储存。其中，大多数该类装置将数据位作为电荷储存在电容器内。电荷的状态可被读出，且其输出信号输送至计算机之中央处理器内以用于控制程序。多数该类装置要求复杂的硅化处理步骤，且根据储存类型而需设计专用的装置构造。
各个储存装置的不同在于其速度及资料保留特性。动态随机存取存储器(DRAM)是易失储存器，其特征在于其能进行破坏性地读取。此表示，必须一直要供电压给储存器的位(bit)，否则资料会消失。而且，每一储存装置具有与的相关的晶体管。静态随机存取存储器(SRAM)将资料储存在双稳态多谐振荡器内，且一般包含交叉相连的反相器。之所以称“静态”，是因为只要得电的情况下，其一直保留着值。而称的为“易失”的原因是，当失电的情况下，资料内容会丢失，这正好与ROM相反。通常，SRAM速度更快于DRAM，但每一位需要几个晶体管(大约6个)，使得与DRAM相比较而言，在同等的面积上SRAM所占用的位数要少得多。
可擦写只读存储器(EPROM)是属于储存装置类的，其资料的存取是由储存在绝缘(浮点，“floating”)MOS电晶体栅极上的电荷所确定的。绝缘足够好的话，在失电的情况下，几乎可无限期地保留电荷。可擦写只读存储器(EPROM)通过射入电荷至浮点栅极的方式来进行编程，所使用的技术乃基于沟道(tunnel)效应。这需比正常操作(通常12V-25V)时的电压要高。浮点栅极可通过紫外线照射或电的作用而失电(EEPROM)。通常，在系统运行中，可个别地檫除及改写位或字节(bytes or words)。EEPROM比RAM更昂贵，但其集成度却比RAM小。故EEPROM适合储存少量且无需经常更动的资料。另一所知的非易失储存装置是磁铁式的RAM(Fe-RAM)，其中，各个储存单元并不需要专用的电晶体。
因而，有必要提供一用于资料储存及资料处理的装置，其具有易生产、成本低，且可达到预计的储存和/或开关效果。
发明内容
本发明提供一种新的开关装置，其包含第一及第二电极；置于第一及第二电极间的活性区域，且该活性区域包括一分子系统；及一用以控制施加在活性区域的电场的控制极。其中，离子复合物(ioniccomplexes)可分布在该分子系统中，且该离子复合物在该电场的作用下分解。
本发明的一实施例中，经控制电场以使活性区域在高阻抗状态(断开状态)与低阻抗状态(接通状态)之间作切换。于断开状态与接通状态间可作反复的切换，是通过在预定时间内施加极性及强度均预先给定的电场来实现的。
具体来说，当在控制极与第一及第二电极之间施加第一极性的电压时，可将活性区域从断开状态(高阻抗状态)切换至接通状态(低阻抗状态)。因此，在第一及第二电极之间形成有导电信道。而当在控制极与第一及第二电极之间施加与第一极性相反的第二极性的电压时，可将活性区域切换回断开状态。
离子复合物在外加电场的作用下分解，因而改变了装置的导电能力。分子矩阵可为聚合共轭化合物、芳香族与杂环分子、如酞菁(phthalocyanines)和卟啉(porphyrins)的准一维合成物，及如NbSe3的各向异性无机物质(anisotropic inorganic material)。每一离子复合物可包括，如钠及氯离子，或铯及氯离子。
本发明的一实施例中，活性区域可提供稳态与亚稳态的操作模式。在稳态的操作模式中，开关装置于接通状态与断开状态间作切换所需的电场强度高于在亚稳态操作模式的电场强度。在稳态模式中活性区域的接通阻值低于亚稳态模式，而稳态模式中的资料储存时间及开关时间要长于亚稳态模式。
本发明的一实施例中，开关装置的第一及第二电极可形成在绝缘基板上。活性区域也可形成在基板上，使得与第一及第二电极电性接触。控制极可形成于覆盖在活性区域的绝缘层上。
本发明的另一实施例中，并非要有绝缘基板。活性区域可夹置于第一电极与第二电极之间。控制极可形成于覆盖在第一电极的绝缘层上。
本发明的另一实施例中，提供一储存开关，其具有一栅极端；至少两信号端；及一活性组件，该活性组件包括一分子系统及分布在分子系统内的离子复合物，其中，该离子复合物在外部施加的电场的作用下分解。该活性组件电性连接在两信号端间，并回应施加在栅极端的信号而在接通状态与断开状态作切换。
本发明还提供一种用于切换装置的方法，该装置具有一控制端、一对信号端及一电性连接在该对信号端之间的活性组件，且该活性组件包括一分子系统以及分布在该分子系统内的离子复合物，该方法包含以下步骤：将具第一极性的信号施加至该控制端，以使该装置从断开状态切换至接通状态，且该活性组件在该接通状态下的阻值低于在该断开状态下的阻值，其中，该第一极性相关于该对信号端，该离子复合物在外部施加的电场的作用下分解。
当同时参见随附的图式时，本发明之前述和其它特征、观点清楚地指明于下述的详细说明。
附图说明
以下的图式示例性地描述本发明的某些实施例。所描述的实施例应理解成用以阐释本发明的本质，并未加以限制。
图1a-1d为于不同操作状态下由分子合成的储存单元的简化结构图。
图2为本发明的一实施例中开关装置处于断开状态的示意图。
图3为图2中的开关装置处于接通状态时的示意图。
图4为本发明的另一实施例中开关装置处于接通状态下的示意图。
具体实施方式
本发明所提出及解决的问题即提供一种新的开关装置，其可具备储存功能。本发明克服了上述的问题，且多半是通过引入活性区域的方式来实现，此活性区域即电性连接在一对信号端之间。当在预定时间内于控制端与信号极之间施加一量值及极性均预先给定的电压时，此活性区域即成导电状态并电性连接两信号端。
活性区域表现出可作反复开关及储存的效能，使其应用于人眼可见的装置中。该活性区域是由分子系统制成，且在整个分子系统中分布有离子复合物。这些分布于分子系统中的离子复合物在施加电场作用下分离。
在一维空间中，活性区域分子状态的合成物表现出结构及电方面的不稳定，并能静态及动态地控制分子系统的传导性能。储存及开关的机理似乎与一维分子系统在结构及电方面的不稳定有关，并也与在外部电场的作用下分子分离和/或原子移位有关。
分子电子学的发展激发人们更详细地研究分子薄膜的电物理特性，分子薄膜的电物理特性提供了新的物理效应，并为电开关及储存应用带来了新的技术。虽然此在20世纪60年代已进行首次报导，但至今仍未有大众所普遍认同的解释。这大部分要归因于所得到的结果并不具有反复性，即便是使用了同样的化合物也是如此。
大量不同的物质可作为分子的合成物。以下即说明此些典型的物质，其讨论于Yu H.Krieger的文章中，标题为“Structural Instability ofOne-Dimensional Systems As A Physical Principle Underlying TheFunctioning of Molecular Electronic Devices”，Journal of StructuralChemistry，Vol.40，NO.4，1999(Yu H.Krieger)，可一并加以参考。
许多分子储存器开关可包括一维导电分子系统，此些导电分子系统表现出结构上的不稳定(佩尔斯胁强应力，Peierls-effect)。且这些分子储存器开关往往具有S状(凹角形，reentrant)电压-电流特性并带有储存功能。此些储存器开关的电阻值可在几十欧姆至几百欧姆之间，阻值大小与开关状态有关。
而此种分子系统的组织结构具有两种突出之类型。第一类为柱状线型共轭聚合物(strands of linear conjugated polymers)，此结构相互之间连结弱，且其共有部分的排列组织得也差。第二类为晶体结构，其中，个体分子形成一维柱状(one-dimensional columns)，且同一柱状分子间的相互作用要比不同柱状分子间的相互作用来得更活跃。近来，此两类分子系统已被综合。
聚合共轭系统(Ployconjugated systems)主要包括聚乙烯(polyvinylene)，也就是，具有非环状共轭系统的聚合物，其中，结构的一维特征是由线型巨分子共轭机制予以标示出来。聚乙炔(polyacetylene)是此类聚合物的典型代表。其电子构造是许多其它共轭聚合物的模型。
另一大类的分子化合物是由芳香族与杂环分子形成，此类分子化合物因分子间的π键结而具有高导电性。这样的分子系统则称为π复合物或电荷转移复合物，其结构包含绝缘一维柱状物或具有声称利于开关储存应用的电物理特性的条状物。分子电荷转移复合物是由两个分子形成的施体-受体系统；一个具有施体特性，而另一个则具有受体特性。在已确切定义且具有一维结构的复合物中，四-氰基-基-二甲烷(tetra-cyano-quino-dimethane，TCNQ)是具未饱和键结的平面分子，安置于晶体内作为平行堆迭而形成准一维系统。
在另一类一维系统中，阳离子是动态无规则的。其包含具通用公式(TMTSF)2X的分子化合物。K2Pt(CN)4Br0.3×3H2O(KCP)类中的过渡金属盐也是具混合价准一维复合物中的典型代表，其如同酞菁和卟啉。而且，纯无机化合物，如NbSe3，也是很好例子来说明具准一维结构的化合物。
如图1a-1d所示为本发明的一实施例形成部分简化分子储存单元(MC)的分子合成物。分子合成物包括准一维(或至少结构上及电性上是各向异性的)的分子矩阵(matrix)，其中，离子复合物分布在矩阵内。在上述的实施例所述的准一维系统，如聚苯乙炔(ployphenylacetylene)的聚合物共轭化合物，可用作具各向异性的分子矩阵。离子复合物可为盐，如氯化钠(NaCl)、氯化铯(CsCl)，或其它任何在施加电场的作用下可分离的物质。如图1a-1d所示，在本实施例中，具各向异性的分子矩阵是由类似链状的分子以朝与电极表面相垂直的方向排列而成。然而，这些分子或各向异性的“信道”也可有其它的朝向，其只要如图1a-1d所示能够使电荷分离即可。
然而不受限于理论，以下即可确切说明分子合成物传导率变化的机理。如图1a-1d所示，分子薄膜内的电子开关，其特征在于，其存在两个稳定的状态，即一高阻抗状态(断开状态)和一低阻抗状态(接通状态)。在断开状态下的阻抗通常要高于几十MΩ。当所施加的电场强度超过一初始值时，便将开关从断开状态切换至接通状态。而在开通状态下的阻抗要低于几百Ω。当所施加的电场极性反转后，即将开关从接通状态切换回断开状态。
可识别两种储存单元的操作模式：亚稳态模式(图1b)和稳态模式(图1c)。操作储存单元的稳态模式，其特征可为：在断开状态与接通状态之间作切换所用的初始电压量高(在约3-10V之间的范围内)，处于接通状态下的阻抗低(低于100Ω)，开关时间长(1ms以上)及储存时间长(两个月以上)。一些储存单元在储存六年后仍表现出实质未有变化的电特性。
相反，储存单元的亚稳态模式，其特征在于，在断开状态与接通状态之间作切换所用的初始电压量低(在约0.1-0.5V之间的范围内)，处于接通状态下的阻抗高(所涵盖范围广，约1kΩ～1MΩ)，开关时间短(小于1μs)及储存时间短(在约10s至几小时之间)。
图1a即说明其断开状态，其中，假设各向异性分子矩阵本身为一良好的绝缘体，则其导电率实质上为0。如图1b所示，当施加一外电场E时，钠盐(sodium salt)则分解成钠离子及氯离子，且离子会移出其在各向异性分子矩阵内的最初位置，使得在接通状态下的导电率增至亚稳定状态。再增加所施加的电场，离子变得愈发激烈地分离开来(图1c)，同时接通状态下的导电率还会进一步增长，并达至以上所说的稳定状态。而若在长时间内施加一非常大电场，则阴离子与阳离子会在电极端聚集起来(图1d)，使得在接通状态下的导电率因缺乏移动电荷(在断开状态下)而急剧下降。
就目前所知，在上述例子中，产生导电的电荷并非是钠离子及氯离子(离子导电)，而是物质中存有电子和/或空穴。电子和/或空穴可通过称为“变射程跳跃式导电”(variable range hopping conduction)过程而在物质移动。看起来象是钠离子及氯离子在影响着电位势(potentialbarrier)，以至增大了载子的移动率。然而，理论上未被理解之处，并非用以限制本说明书所要求保护的范围。
如图2和3所示，在本发明的实施例中，门控(gate-controlled)开关装置即采用了如图1中所得到的观察。请参考图2，在本发明的一实施例中，可定址的开关装置20包括绝缘基板21，如玻璃基板或蓝宝石(sapphire)基板，及在基板21上形成的电极22，24，电极22，24即类似于场效应电晶体中的(FET)源极和漏极。而在电极22，24上沉积一活性层28，此活性层28即由如图1a-1d所述的那种合成物制成。在上述合成物构成的层28上沉积一类似于场效应电晶体(FET)中栅极氧化层的绝缘层27，之后便在绝缘层27上形成栅极26，该栅极26可由如铝制成。若各自在栅极26与电极22，24之间所施加的电压低于初始值时，请结合图1a-1d所示，此初始值即为将活性区域28从断开状态切换至接通状态所需的电压量，则合成物层28处于绝缘状态，且在电极22，24之间没有电流流过。
如图3所示，当在栅极26与电极22，24间施加所施加的栅极正电压VG高于初始值时，离子态的氯化钠复合物分解成钠离子与氯离子，且带负电荷的氯离子更加集中到栅极附近，而带正电荷的钠离子则更多集中到合成物层28与绝缘基板21间的交接面处。例如，要将装置26切换到导电状态(即接通状态)，可在栅极26上施加0V电压，在电极22上施加-5V，而在电极24上可施加10V电压。
换句话说，电场引起了化合物中的正电荷朝绝缘基板附近集聚。由上所述，这些正电荷好比促使化合物的导电，因而在活性层28上形成了导电信道，电荷可通过此导电信道而在电极22与电极24之间流通。因此，当电场施加于栅极时，装置20便切换到导电状态。活性层28的高导电状态可持续几秒，甚至几个月或几年不等，其与化合物是否处于亚稳态模式或稳态模式有关。
装置20可回到并储存(restore)无导电状态(即断开状态)，其可通过在栅极26与电极22，24之间施加一反向电压(或负电压)的方式实现。例如，要将装置20切换到断开状态时，可在栅极上施加-20V的电压，而在电极22，24上各自施加-5V和-10V的电压。
因此，上述的布置方式产生了一具有储存功能的开关或一储存器开关，其可用作一储存装置或一开关装置。当装置20用作储存装置时，其写入即可通过在栅极26与电极22之间施加电压的方式来实现，而读取即通过检测电极22，24之间的导电率来实现。
请参考图4，本发明的另一实施例中，开关装置40是在图2，3所示的装置20做了些修改，使得由图1a-1d所示的合成物制成的活性层48直接设置在底端电极42与顶端电极44之间，而可省去使用基板。电极42可为一储存装置或开关装置的一行电极，而电极44为装置的一列电极。栅极46可形成于电极44的顶部，一绝缘层47设置于其间，以在栅极46与电极44间提供绝缘之用。
同样，如同图2中所示的实施例，当在栅极46与电极42之间所施加的正电压VG使其在电极44上的正电势相对于电极42上来的多时，离子态的氯化钠合成物便分解成钠离子与氯离子。带负电荷的氯离子更加集中到顶端电极44附近，而带正电荷的钠离子则更多集中到底端电极42附近。因此，合成物层48的导电率增加，使得电流能在电极42与电极44之间流通。此一状态即为装置40的接通状态。
装置40可回到并储存(restore)其无导电状态(即断开状态)，其通过在栅极46与电极42之间施加一反向电压(或负电压)的方式实现。装置40可为三接点储存装置，其中，写入周期内即在栅极46与电极42之间施加电压。装置40也可读取，其通过在电极42和电极44之间检测导电率的方式实现。
本发明已结合上述的较佳实施例来加以揭露，任何熟习此项技艺的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如后述的申请专利范围所列。

Claims (50)

1.一种开关装置，其包含：
一第一及第二电极；
一设置在第一及第二电极间的活性区域，且该活性区域包括一分子系统以及分布在该分子系统内的离子复合物；以及
一用以控制施加在活性区域的电场的控制极，其中，该离子复合物在该电场的作用下分解。
2.如权利要求1所述的开关装置，其中，该活性区域具有一接通状态和一断开状态。
3.如权利要求2所述的开关装置，其中，该电场被控制，以使活性区域在接通状态与断开状态之间作切换。
4.如权利要求2所述的开关装置，其中，该活性区域被配置成当在控制极与第一及第二电极间施加一具第一极性的电压时，从断开状态切换至接通状态。
5.如权利要求4所述的开关装置，其中，该活性区域被配置成当在控制极与第一及第二电极间施加一具与第一极性相反的第二极性的电压时，从接通状态切换至断开状态。
6.如权利要求2所述的开关装置，其中，该活性区域被配置成在接通状态下于第一及第二电极间提供一传导信道。
7.如权利要求1所述的开关装置，其中，该活性区域具有一低阻抗状态和一高阻抗状态。
8.如权利要求7所述的开关装置，其中，该电场被控制，以使活性区域在低阻抗状态与高阻抗状态之间切换。
9.如权利要求7所述的开关装置，其中，该活性区域被配置成当在控制极与第一及第二电极间施加一具第一极性的电压时，从高阻抗状态切换至低阻抗状态。
10.如权利要求9所述的开关装置，其中，该活性区域被配置成当在控制极与第一及第二电极间施加一具与第一极性相反的第二极性的电压时，从低阻抗状态切换至高阻抗状态。
11.如权利要求3所述的开关装置，其中，该活性区域被配置以提供第一操作模式与第二操作模式。
12.如权利要求11所述的开关装置，其中，该活性区域在该第一操作模式下处于接通状态的阻值小于在该第二操作模式下的阻值。
13.如权利要求11所述的开关装置，其中，在该第一操作模式下接通状态与断开状态间的切换时间大于在该第二操作模式下的时间。
14.如权利要求11所述的开关装置，其中，该第一操作模式下切换活性区域所需的电场强度高于在该第二操作模式下的电场强度。
15.如权利要求1所述的开关装置，其中，每一离子复合物包括钠离子和氯离子。
16.如权利要求1所述的开关装置，其中，每一离子复合物包括铯离子和氯离子。
17.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括一准一维分子矩阵。
18.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括一结构及电性各向异性的分子矩阵。
19.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括一聚合物共轭化合物。
20.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括芳香族分子。
21.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括杂环分子。
22.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括卟啉。
23.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括酞菁。
24.如权利要求1所述的开关装置，其中，该分子系统包括各向异性无机物质。
25.如权利要求1所述的开关装置，进一步包含一绝缘层，其邻近控制极。
26.如权利要求25所述的开关装置，其中，该绝缘层夹置于控制极与活性区域之间。
27.如权利要求26所述的开关装置，进一步包含一基板。
28.如权利要求27所述的开关装置，其中，第一及第二电极设置在基板上。
29.如权利要求28所述的开关装置，其中，该活性区域设置在基板上，且电接触第一及第二电极。
30.如权利要求25所述的开关装置，其中，该绝缘层夹置于控制极与第一电极之间。
31.如权利要求30所述的开关装置，其中，该活性区域夹置于第一电极与第二电极之间。
32.一种储存器开关，其包含：
一栅极端，
至少两信号端，以及
一活性组件，其电性连接在两信号端之间，并回应施加在栅极端的信号而在接通状态与断开状态间作切换，且活性组件包括一分子系统和分布于该分子系统内的离子复合物，其中，该离子复合物在外部施加的电场的作用下分解。
33.如权利要求32所述的储存器开关，其中，该活性组件在接通状态下的阻值低于在断开状态下的阻值。
34.如权利要求32所述的储存器开关，其中，该活性组件被配置成当施加在活性组件的该电场的强度超过一初始值时，在接通状态与断开状态间作切换。
35.如权利要求34所述的储存器开关，其中，该活性组件被配置成当所施加的该电场具有第一极性时，从断开状态切换至接通状态。
36.如权利要求35所述的储存器开关，其中，该活性组件被配置成当所施加的该电场具有与第一极性相反的第二极性时，从接通状态切换至断开状态。
37.如权利要求32所述的储存器开关，其中，对活性组件施加的该电场提供该储存器开关的定址。
38.如权利要求32所述的储存器开关，进一步包含一绝缘基板。
39.如权利要求38所述的储存器开关，其中，该两信号端设置在基板上。
40.如权利要求39所述的储存器开关，其中，该活性组件设置在基板上两信号端间。
41.如权利要求40所述的储存器开关，进一步包含设置于栅极端与活性组件间的绝缘层。
42.如权利要求32所述的储存器开关，进一步包含一绝缘层设置于栅极端与其中之一的信号端之间。
43.如权利要求42所述的储存器开关，其中，该活性组件设置于两信号端之间。
44.如权利要求32所述的储存器开关，其中，包含第一与第二切换模式。
45.如权利要求44所述的储存器开关，其中，在该第一切换模式下施加在活性组件上用以切换储存器开关的电场强度高于在该第二切换模式下的电场强度。
46.如权利要求45所述的储存器开关，其中，在该第一切换模式下的切换时间高于在该第二切换模式下的切换时间。
47.如权利要求45所述的储存器开关，其中，在该第一切换模式下的资料储存时间高于在该第二切换模式下的储存时间。
48.如权利要求32所述的储存器开关，其中，每一离子复合物包括钠离子和氯离子。
49.一种用于切换装置的方法，该装置具有一控制端、一对信号端及一电性连接在该对信号端之间的活性组件，且该活性组件包括一分子系统以及分布在该分子系统内的离子复合物，该方法包含以下步骤：
将具第一极性的信号施加至该控制端，以使该装置从断开状态切换至接通状态，且该活性组件在该接通状态下的阻值低于在该断开状态下的阻值，其中，该第一极性相关于该对信号端，该离子复合物在外部施加的电场的作用下分解。
50.如权利要求49所述的切换装置的方法，进一步包含将具第二极性的信号施加至该控制端，以使该装置从接通状态切换至断开状态，该第二极性相关于信号端并与该第一极性相反。
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