DE112008000800B4 - Dreidimensionale Kreuzschienenarray-Systeme und Verfahren zum Schreiben von Informationen zu dreidimensionalen Kreuzschienenarray-Übergängen und Lesen von in denselben gespeicherten Informationen - Google Patents

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Abstract

Ein konfigurierbares dreidimensionales Kreuzschienenarraysystem (1000, 1100), das folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Kreuzschienenarrays (1002–1004, 1102–1104), wobei jedes Kreuzschienenarray eine erste Schicht von Nanodrähten (702–704), eine zweite Schicht von Nanodrähten (706–708), die die erste Schicht von Nanodrähten überlagert, eine dritte Schicht von Nanodrähten (710–712), die die zweite Schicht von Nanodrähten überlagert, und einen Kreuzschienenübergang (810) umfasst, der an einem Schnittpunkt von drei sich überlagernden Nanodrähten positioniert ist; einen ersten Demultiplexer (1006, 1106), der konfiguriert ist, um zumindest einen Abschnitt der Nanodrähte in der ersten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu adressieren; einen zweiten Demultiplexer (1008, 1108), der konfiguriert ist, um zumindest einen Abschnitt der Nanodrähte in der zweiten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu adressieren; und einen dritten Demultiplexer (1010, 1110), der konfiguriert ist, um ein Signal an zumindest einen Abschnitt der Nanodrähte in der dritten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu liefern.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf Kreuzschienenschaltungen und insbesondere auf dreidimensionale Kreuzschienenarrays gerichtet.
  • Hintergrund
  • Während der vergangenen 50 Jahre wurden die Elektronik- und die Computerindustrie durch stets sinkende Größen grundlegender elektronischer Komponenten, wie beispielsweise Transistoren und Signalleitungen, und durch entsprechend stets steigende Komponentendichten integrierter Schaltungen, einschließlich Prozessoren und elektronische Speicherchips, hart vorangetrieben. Es wird jedoch erwartet, dass bald grundlegende Komponentengrößenbegrenzungen in Halbleiterschaltungsfertigungstechnologien, die auf photolithografischen Verfahren beruhen, erreicht werden. Wenn die Größe von Komponenten sich unter die Auflösungsgrenze von beispielsweise ultraviolettem Licht verringert, müssen technisch weitaus anspruchsvollere und aufwändigere Technologien auf der Basis von energiereicherer Strahlung eingesetzt werden, um kleinere Komponenten unter Verwendung photolithografischer Techniken zu erzeugen. Aufwändige Halbleiterfertigungseinrichtungen müssen eventuell umgebaut werden, um die neuen Techniken zu verwenden. Es wird erwartet, dass viele neue Hindernisse angetroffen werden. Es ist beispielsweise notwendig, Halbleitervorrichtungen durch eine Reihe photolithografischer Schritte zu fertigen, wobei eine präzise Ausrichtung von Masken bei jedem Schritt bezüglich der Komponenten verwendet wird, die bereits an der Oberfläche eines entstehenden Halbleiters gefertigt sind. Wenn sich die Komponentengrößen verringern, wird eine präzise Ausrichtung immer schwieriger und aufwändiger. Als ein weiteres Beispiel können sich die Wahrscheinlichkeiten, dass bestimmte Arten von zufällig verteilten Defekten in Halbleiteroberflächen zu fehlerhaften Halbleitervorrichtungen führen, erhöhen, wenn sich die Größen von Komponenten, die an den Halbleiteroberflächen hergestellt sind, verringern, was zu einem steigenden Anteil fehlerhafter Vorrichtungen während der Herstellung und einer entsprechend niedrigeren Ausbeute eines nützlichen Produkts führt. Letztendlich können verschiedene Quanteneffekte, die sich lediglich bei Abständen auf molekularer Skala ergeben, gegenwärtige Ansätze einer Komponentenfertigung in Halbleitern insgesamt überwältigen.
  • Angesichts dieser Probleme haben Forscher und Entwickler erhebliche Forschungsbemühungen bei einem Fertigen von elektronischen Vorrichtungen auf Submikroskala und Nanoskala unter Verwendung alternativer Technologien aufgewendet. Elektronische Vorrichtungen auf Nanoskala setzen im Allgemeinen Signalleitungen auf Nanoskala mit Breiten, und Komponenten auf Nanoskala mit Abmessungen, von weniger als 100 Nanometern ein. Dichter gefertigte elektronische Vorrichtungen auf Nanoskala setzen eventuell Signalleitungen auf Nanoskala mit Breiten, und Komponenten auf Nanoskala mit Abmessungen, von weniger als 50 Nanometern ein.
  • Obwohl allgemeine Nanodrahttechnologien entwickelt wurden, ist es nicht zwangsläufig einfach, Nanodrahttechnologien einzusetzen, um bestehende Arten von Schaltungen und Strukturen zu miniaturisieren. Während es eventuell möglich ist, miniaturisierte Nanodrahtleitungen ähnlich den viel größeren, gegenwärtigen Schaltungen mühsam aufzubauen, ist es unpraktisch und häufig unmöglich, derartige miniaturisierte Schaltungen unter Verwendung gegenwärtiger Technologien herzustellen. Selbst wenn derartige einfach miniaturisierte Schaltungen auf machbare Weise hergestellt werden könnten, erfordern die viel höheren Komponentendichten, die sich aus einem Kombinieren von Komponenten auf Nanoskala miteinander ergeben, sehr unterschiedliche Strategien, die auf ein Abführen von Abwärme bezogen sind, die durch die Schaltungen erzeugt wird. Zusätzlich können sich die elektrischen Eigenschaften von Substanzen auf Nanoskalenabmessungen dramatisch verändern, so dass unterschiedliche Arten von Ansätzen und Substanzen eventuell zum Fertigen sogar relativ einfacher, gut bekannter Schaltungen und Untersysteme in Nanoskalenabmessungen eingesetzt werden müssen. Entwickler, Hersteller und Nutzer elektronischer Vorrichtungen haben auch einen Bedarf nach Wegen erkannt, um Nanoskalenkomponenten zu konfigurieren, um die Dichte elektronischer Komponenten in elektronischen Vorrichtungen zu erhöhen.
  • Aus der US 2006/0240681 A1 sind in Nanotechnologie implementierte elektronische Schaltungen, wie z. B. Speicher, programmierbare Arrays, Multiplexer und Demultiplexer, beschrieben. Nanodrahtkreuzschienen sind offenbart, die zwei Sätze von parallelen Nanodrähten aufweisen, wobei eine bistabile Bitspeicherschicht dazwischen vorgesehen ist.
  • Zusammenfassung
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf dreidimensionale Kreuzschienenarray-Systeme gerichtet. Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein dreidimensionales Kreuzschienenarray-System eine Mehrzahl von Kreuzschienenarrays, einen ersten Demultiplexer, einen zweiten Demultiplexer und einen dritten Demultiplexer. Jedes Kreuzschienenarray umfasst eine erste Schicht von Nanodrähten, eine zweite Schicht von Nanodrähten, die die erste Schicht von Nanodrähten überlagert, und eine dritte Schicht von Nanodrähten, die die zweite Schicht von Nanodrähten überlagert. Der erste Demultiplexer ist konfiguriert, um Nanodrähte in der ersten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu adressieren, der zweite Demultiplexer ist konfiguriert, um Nanodrähte in der zweiten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu adressieren und der dritte Demultiplexer ist konfiguriert, um ein Signal an die Nanodrähte in der dritten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu liefern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt ein Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienenarray dar.
  • 2 stellt einen Kreuzschienenübergang dar, der zwei Nanodrähte von zwei zusammenhängenden Schichten innerhalb einer Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschiene verbindet.
  • 3 stellt eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschiene dar.
  • 4 zeigt Strom-über-Spannung-Kurven, die Betriebscharakteristika eines rekonfigurierbaren, nichtlinearen Tunnelwiderstands darstellen, der an einem Kreuzschienenübergang positioniert ist.
  • 5 stellt eine isometrische Ansicht eines ersten dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystems dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 6A–6C stellen einen Ansatz zum Konfigurieren von Nanodrahtkreuzschienenübergängen in einem dreidimensionalen Kreuzschienenarray dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 7 stellt ein Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienenarray dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 8 stellt einen ersten Kreuzschienenübergang dar, der Nanodrähte von drei zusammenhängenden Schichten innerhalb einer Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschiene verbindet, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 9A stellt eine schematische Darstellung des in 7 gezeigten Dreischicht-Nanodrahts dar, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 9B stellt eine schematische Darstellung des in 8 gezeigten Kreuzschienenübergangs dar, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 10 stellt eine isometrische Ansicht eines zweiten dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystems dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 11 liefert eine schematische Darstellung des in 10 gezeigten Kreuzschienenarraysystems, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 12A–12D stellen einen Ansatz zum Konfigurieren von Kreuzschienenübergängen des in 11 gezeigten Kreuzschienenarrays dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 13 stellt einen zweiten Kreuzschienenübergang dar, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 14A–14B stellen einen dritten Kreuzschienenübergang dar, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf dreidimensionale Kreuzschienenarraysysteme (Crossbar-Array-Systeme) gerichtet, die konfiguriert sein können, um Information zu speichern und zu verarbeiten. Bestimmte dreidimensionale Kreuzschienenarraysystemausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beruhen auf einer Mehrzahl von Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienen, die in einem ersten Unterabschnitt beschrieben sind. Andere dreidimensionale Kreuzschienenarraysystemausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beruhen auf einer Mehrzahl von Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienen, die in einem zweiten Unterabschnitt beschrieben sind. Im Allgemeinen liefern die dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystemausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine höhere Dichte von Kreuzschienenübergängen als ein einziges Zwei- oder Dreischicht-Kreuzschienenarraysystem, das die gesamte Oberflächenfläche einnimmt.
  • I. Dreidimensionale Kreuzschienenarraysystemausführungsbeispiele basierend auf Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienen
  • A. Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienen
  • 1 stellt ein Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienenarray dar. In 1 ist eine erste Schicht von näherungsweise parallelen Nanodrähten 102 durch eine zweite Schicht von näherungsweise parallelen Nanodrähten 104 überlagert. Die zweite Schicht 104 ist in einer Ausrichtung grob senkrecht zu den Nanodrähten der ersten Schicht 102, obwohl der Ausrichtungswinkel zwischen den Schichten variieren kann. Die zwei Schichten von Nanodrähten bilden ein Gitter oder eine Kreuzschiene, wobei jeder Nanodraht der zweiten Schicht 104 alle der Nanodrähte der ersten Schicht 102 überlagert und in einen engen Kontakt mit jedem Nanodraht der ersten Schicht 102 an Nanodrahtschnittpunkten gelangt, die den engsten Kontakt zwischen zwei Nanodrähten darstellen. Obwohl einzelne Nanodrähte in 1 mit rechteckigen Querschnitten gezeigt sind, können Nanodrähte auch quadratische, kreisförmige, elliptische oder komplexere Querschnitte aufweisen. Die Nanodrähte können auch viele unterschiedliche Breiten oder Durchmesser und Seitenverhältnisse oder Exzentrizitäten aufweisen. Der Begriff „Nanodrahtkreuzschiene” kann sich auf Kreuzschienen mit einer oder mehreren Schichten von Nanodrähten auf Submikrometerskala, Nanodrähten auf Mikrometerskala oder Drähten mit größeren Abmessungen zusätzlich zu Nanodrähten beziehen.
  • Die Nanodrahtschichten können durch mechanische Nanoaufdrucktechniken gefertigt werden. Alternativ können Nanodrähte chemisch synthetisiert werden und als Schichten von näherungsweise parallelen Nanodrähten in einem oder mehreren Bearbeitungsschritten aufgebracht werden, einschließlich Langmuir-Blodgett-Prozessen. Andere alternative Techniken, die auf dem Gebiet zum Fertigen von Nanodrähten gut bekannt sind, können ebenfalls eingesetzt werden. Somit kann eine Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschiene, die eine erste und eine zweite Schicht aufweist, wie es in 1 gezeigt ist, durch irgendeinen von zahlreichen, relativ einfachen Prozessen gefertigt werden. Viele unterschiedliche Arten von leitfähigen und halbleitfähigen Nanodrähten können aus Metall- und Halbleitersubstanzen, aus Kombinationen dieser Arten von Substanzen und aus anderen Arten von Substanzen chemisch synthetisiert werden. Eine Nanodrahtkreuzschiene kann mit Adressdrahtanschlussleitungen auf Mikroskala oder anderen elektronischen Anschlussleitungen durch eine Vielfalt von unterschiedlichen Verfahren verbunden sein, um die Nanodrähte in elektrische Schaltungen einzugliedern.
  • An Nanodrahtschnittpunkten können elektronische Komponenten auf Nanoskala, wie beispielsweise Widerstände und andere geläufige grundlegende elektronische Komponenten gefertigt sein, um zwei überlappende Nanodrähte zu verbinden. Ein Nanodrahtschnittpunkt, der durch elektronische Komponenten verbunden ist, wird ein „Kreuzschienenübergang” oder einfach ein „Übergang” genannt. 2 liefert eine Darstellung eines Kreuzschienenübergangs, der Nanodrähte 202 und 204 von zwei zusammenhängenden Schichten innerhalb einer Nanodrahtkreuzschiene verbindet. Der Kreuzschienenübergang kann einen physischen Kontakt zwischen den zwei Nanodrähten 202 und 204 betreffen oder nicht. Wie es in 2 gezeigt ist, befinden sich die zwei Nanodrähte an dem Überlappungspunkt derselben nicht in einem physischen Kontakt, aber der Zwischenraum zwischen den Nanodrähten 202 und 204 kann durch eine Anzahl von Molekülen überspannt sein, die durch ein Widerstandselement 206 dargestellt sind, das zwischen den zwei Nanodrähten an dem engsten Überlappungspunkt derselben liegt. Das Widerstandselement 206 kann ein oder mehrere Moleküle darstellen, die sich als Widerstand verhalten. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Widerstandselement 206 in einer getrennten Schicht eingebracht sein, die als „Zwischenschicht” bezeichnet wird, die zwischen den Schichten von sich überlappenden Nanodrähten gebildet ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Widerstandselement 206 die aktive Region eines elektromagnetisch betätigten Schalters sein, der in der US 2008/0090337 A1 beschrieben ist.
  • 3 liefert eine schematische Darstellung 300, der in 1 gezeigten Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschiene. Wie es in 3 gezeigt ist, sind die zwei Schichten von Nanodrähten 102 und 104 durch horizontale bzw. vertikale Linien dargestellt. Insbesondere stellen die horizontalen Linien 302–305 die Nanodrähte in der ersten Schicht von Nanodrähten 102 dar und sind mit x0, x1, x2 und x3 etikettiert. Die vertikalen Linien 306–309 stellen Nanodrähte in der zweiten Schicht von Nanodrähten 104 dar und sind mit x0, x1, x2 bzw. x3 etikettiert. Die Widerstandselemente, die an Kreuzschienenübergängen positioniert sind, sind durch Kreise dargestellt, wie beispielsweise einen Kreis 310. Die Nanodrahtetiketten x und y können verwendet werden, um spezielle Kreuzschienenübergänge in der gleichen Weise spezifisch zu identifizieren, wie karthesische Koordinaten x und y verwendet werden, um Punkte in der xy-Ebene zu etikettieren. Der Kreuzschienenübergang 310 beispielsweise weist Koordinaten (x2, y1) auf. Die in 3 gezeigten schematischen Darstellungen werden überall in dem Rest dieses Unterabschnitts verwendet, um verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darzustellen.
  • B. Nanodrahtkreuzschienenübergänge
  • Die Widerstandseigenschaften von Kreuzschienenübergangsmolekülen können gemäß der speziellen Molekularkonfiguration oder dem Elektronenzustand der Kreuzschienenübergangsmoleküle variieren. In einigen Fällen können Veränderungen bei dem Zustand von Kreuzschienenübergangsmolekülen unumkehrbar sein. Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienen, die unumkehrbare Kreuzschienenübergangsmoleküle an Kreuzschienenübergängen aufweisen, können verwendet werden, um programmierbare elektronische Vorrichtungen zu bilden, wie beispielsweise Nur-Lese-Speicher („ROM”-Vorrichtungen; ROM = Read Only Memory). In anderen Fällen können die Kreuzschienenübergangsmoleküle leitfähig sein, aber die Moleküle können durch eine Anlegung sehr hoher Spannungen zusammen mit Abschnitten der Nanodrähte in der Nähe der Kreuzschienenübergänge unumkehrbar beschädigt werden, was zu einem Unterbrechen einer Leitfähigkeit zwischen den zwei Nanodrähten und Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen denselben führt. In noch anderen Fällen können die Kreuzschienenübergangsmoleküle umkehrbar von einem Zustand in einen anderen und zurück übergehen, so dass die Widerstandselemente, die an Kreuzschienenübergängen konfiguriert sind, durch eine Anlegung unterschiedlicher Spannungen an ausgewählte Kreuzschienenübergänge rekonfiguriert oder programmiert werden können. Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienen mit rekonfigurierbaren Kreuzschienenübergangsmolekülen an Kreuzschienenübergängen können verwendet werden, um reprogrammierbare elektronische Vorrichtungen zu bilden, wie beispielsweise einen Direktzugriffspeicher („RAM”, Random Access Memory).
  • Die Moleküle, die einen Kreuzschienenübergang überspannen, wie es in 2 gezeigt ist, können verschiedene unterschiedliche Zustände aufweisen, bei denen die Moleküle resistive, halbleiterähnliche oder leitfähige elektrische Eigenschaften zeigen. Die Zustände und relativen Energien der Zustände der Kreuzschienenübergangsmoleküle können durch ein Anlegen unterschiedlicher Strompegel oder Spannungen an die überlappenden Nanodrähte, die den Kreuzschienenübergang bilden, gesteuert werden. Beispielsweise können bestimmte Zustände eines Kreuzschienenübergangsmoleküls durch ein Anlegen von Spannungen an Nanodrähte eines Kreuzschienenübergangs gesetzt werden. Die angelegten Spannnungen können den Widerstandszustand des Kreuzschienenübergangsmoleküls verändern, wobei bewirkt wird, dass das Kreuzschienenübergangsmolekül in einem Zustand als ein Widerstand mit niedrigem Widerstandswert wirksam ist oder in einem anderen Zustand als ein Widerstand mit hohem Widerstandswert wirksam ist.
  • Kreuzschienenübergangsmoleküle mit linearen und nichtlinearen Widerstandseigenschaften können an Kreuzschienenübergängen gebildet sein, um eine Vielfalt elektronischer Vorrichtungen zu erzeugen. Ein Strom, der zwischen zwei überlappenden Nanodrähten fließt, die durch Kreuzschienenübergangsmoleküle verbunden sind, die als ein linearer Widerstand wirksam sind, kann durch die Strom-Spannungs-Gleichung angenähert werden: I = 1 / RV, wobei
    • R
    ein Widerstandswert der Kreuzschienenübergangsmoleküle ist;
    I
    ein Strom ist, der durch den Kreuzschienenübergang fließt; und
    V
    eine Spannung über den Kreuzschienenübergang ist.
  • Ein Strom, der zwischen zwei überlappenden Nanodrähten fließt, die durch Kreuzschienenübergangsmoleküle verbunden sind, die als ein nichtlinearer Tunnelwiderstand wirksam sind, kann durch die folgende Strom-Spannung-Gleichung modelliert werden: I = 1 / 2(keαV – ke–αV) = ksinh(αV) wobei:
    • k
    die Quasi-Leitfähigkeit des Kreuzschienenübergangs ist; und
    α
    ein Spannungsskalenfaktor ist.
  • Die Quasi-Leitfähigkeit, k, und der Skalenfaktor, α, sind Parameter, die durch die physikalischen Eigenschaften von Kreuzschienenübergangsmolekülen bestimmt sind. Der Skalenfaktor α stellt Widerstandseigenschaften des Kreuzschienenübergangs dar und kann verwendet werden, um Veränderungen bei dem Strom, der durch den Kreuzschienenübergang fließt, basierend auf Veränderungen bei den Spannungen zwischen den sich überlappenden Nanodrähten zu kennzeichnen. Der Parameter k ist analog zu der Leitfähigkeit, g = 1/R, eines linearen Widerstands, wobei R den Widerstandswert darstellt. Ein nichtlinearer Tunnelwiderstand, der gemäß der oben gegebenen Strom-Spannung-Gleichung wirksam ist, wird ein „Tunnelwiderstand” genannt.
  • Rekonfigurierbare lineare Hysterese-Widerstände und nichtlineare Tunnel-Hysterese-Widerstände sind zwei zusätzliche Arten von Widerständen, die an Kreuzschienenübergängen verwendet werden können, um reprogrammierbare elektronische Vorrichtungen zu erzeugen. Diese rekonfigurierbaren Hysterese-Widerstände können verwendet werden, um Bits an Kreuzschienenarrays zu speichern. Beispielsweise können Kreuzschienenarrays, die rekonfigurierbare Hysterese-Widerstände umfassen, als rekonfigurierbare RAMs verwendet werden. 4 zeigt eine Strom-über-Spannung-Kurve („1-V-Kurve”), die die Betriebscharakteristika eines rekonfigurierbaren, nichtlinearen Tunnelwiderstands darstellt, der an einem Kreuzschienenübergang positioniert ist. Ein rekonfigurierbarer, nichtlinearer Tunnelwiderstand, der an einem Kreuzschienenübergang positioniert ist, wird ein „Tunnel-Hysterese-Widerstand” genannt. In 4 stellt die horizontale Linie 402 eine Spannungsachse dar und stellt eine vertikale Linie 404 einer Stromachse dar. Eine I-V-Kurve 406 stellt die Strom-über-Spannung-Beziehung für den Tunnel-Hysterese-Widerstand in einem Niedrigwiderstandszustand dar und eine I-V-Kurve 408 stellt die Strom-über-Spannung-Beziehung für den gleichen Tunnelwiderstand in einem Hochwiderstandszustand dar. Die I-V-Kurven 406 und 408 zeigen qualitativ unterschiedliche Verhaltensregionen. Beispielsweise weist die I-V-Kurve 406 eine lineare Region 410, eine erste Exponentialregion 412 und eine zweite Exponentialregion 414 auf. In der linearen Region 410 ist der Tunnel-Hysterese-Widerstand als ein Linearwiderstandsübergang mit einer angenäherten Leitfähigkeit wirksam, die durch kα gegeben ist. Während der Betrag der Spannung über den Tunnel-Hysterese-Widerstand sich auf Null verringert, ist der Widerstandswert des Tunnel-Hysterese-Widerstands beinahe konstant und verringert sich der Betrag des Stroms, der durch den Tunnel-Hysterese-Widerstand fließt, auf Null. Im Gegensatz dazu zeigt in den Exponentialregionen 412 und 414 die I-V-Kurve 406 eine lineare Strom-über-Spannung-Beziehung. Ein Anlegen von Spannungen, die den Exponentalregionen 412 und 414 entsprechen, verringert den Widerstandswert eines Tunnel-Hysterese-Widerstands und erhöht die Leitfähigkeit exponentiell, was ermöglicht, dass mehr Strom durch den Tunnelwiderstand fließt. In 4 stellen Spannungen V – / dest1, V + / dest1 die minimale bzw. maximale Betriebsspannung dar, die an den Tunnel-Hysterese-Widerstand angelegt werden kann, dargestellt durch die I-V-Kurven 406 und 408. Ein Anlegen von Spannungen außerhalb des Spannungsbereichs [V – / dest1, V + / dest1] zerstört den Kreuzschienenübergang durch ein unumkehrbares Beschädigen der Tunnel-Hysterese-Widerstandsmoleküle, was die Brauchbarkeit der elektrischen Verbindung zwischen überlappenden Nanodrähten zerstört und den Tunnel-Hysterese-Widerstand durch entweder ein permanentes Offen- oder permanentes Geschlossensein unwirksam macht.
  • Der Widerstandszustand eines Tunnel-Hysterese-Widerstands kann durch ein Anlegen von Zustandsübergangsspannungen gesteuert werden, die bewirken, dass der Tunnel-Hysterese-Widerstand zwischen zwei bistabilen Widerstandszuständen abwechselt. Der Niedrigwiderstandszustand, der durch die Kurve 406 dargestellt ist, stellt einen Boole'schen Wert oder Speicherzustand „1” dar und der Hochwiderstandszustand, der durch die Kurve 408 dargestellt ist, stellt einen Boole'schen Wert oder Speicherzustand „0” dar. Spannungen Vw1 und VW0 stellen Schwellenspannungen „1” SCHREIBEN und „2” SCHREIBEN (WRITE ”1” und WRITE ”2”) dar. Der Tunnel-Hysterese-Widerstand, der durch die I-V-Kurven 406 und 408 in 4 dargestellt ist, kann wie folgt betrieben werden. Man betrachte den Tunnel-Hysterese-Widerstand anfänglich in einem Hochwiderstandszustand, der durch die I-V-Kurve 408 dargestellt ist. Der Tunnel-Hysterese-Widerstand kann durch ein Anlegen von Spannungen in einem Spannungsbereich [V – / dest1, Vw1] 420 als ein Hochwiderstandszustand-Widerstand betrieben werden. Ein Anliegen einer Spannung in dem „1”-SCHREIBEN-Spannungsbereich [Vw1, V + / dest1] 422 jedoch bewirkt, dass der Tunnel-Hysterese-Widerstand unmittelbar von dem Hochwiderstandszustand zu dem Niedrigwiderstandszustand übergeht, der durch die I-V-Kurve 406 dargestellt ist. Folglich kann der Tunnel-Hysterese-Widerstand nun durch ein Anlegen von Spannungen in einem Spannungsbereich [Vw0, V + / dest1] 424 als ein Niedrigwiderstandszustand-Widerstand betrieben werden. Durch ein Anlegen einer Spannung in dem „0”-SCHREIBEN-Spannungsbereich [V – / dest1, Vw0] 426 geht der Tunnel-Hysterese-Widerstand von dem Niedrigwiderstandszustand zurück zu dem Hochwiderstandszustand über, der durch die I-V-Kurve 408 dargestellt ist, wie es durch einen Richtungspfeil 428 angegeben ist. Die Änderung bei einem Widerstandszustand eines Tunnel-Hysterese-Widerstands kann als eine Veränderung bei der Quasi-Leitfähigkeit k des Übergangs modelliert werden. Es ist zu beachten, dass lineare Hysterese-Widerstände ein beinahe identisches Hystereseverhalten zeigen und auf ähnliche Weise unter Verwendung von zwei Linien, um den Niedrig- und den Hochwiderstandszustand darzustellen, anstelle der Kurven 406 und 408 dargestellt werden können.
  • C. Dreidimensionale Kreuzschienenarray-Ausführungsbeispiele
  • 5 liefert eine schematische Darstellung eines konfigurierbaren dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystems 500, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie es in 5 gezeigt ist, weist das dreidimensionale Kreuzschienen-Array-System 500 einen Stapel von drei Zweischicht-Kreuzschienenarraysystemen 502–504 und einen Kreuzschienenarray-Demultiplexer 506 auf. Jedes der Zweischicht-Kreuzschienenarraysysteme 502–504 weist ein Kreuzschienenarray und zwei Nanodraht-Demultiplexer auf. Zum Beispiel weist das Kreuzschienenarraysystem 502 ein Kreuzschienenarray 508, das durch eine gepunktete Region dargestellt ist, und zwei Nanodrahtdemultiplexer 509 und 510 auf. Das dreidimensionale Kreuzschienenarraysystem 500 ist durch eine elektrisch isolierende Schicht 512 getragen. Isolierende Schichten 513 und 514 trennen auch die Kreuzschienenarraysysteme 502–504 und verhindern eine elektrische Störung an elektrischen Signalen, die in den Kreuzschienenarrays der Zweischicht-Kreuzschienenarraysysteme 502–504 übertragen werden. Die isolierenden Schichten 512–514 dienen auch dazu, die Nanodrähte der Zweischicht-Kreuzschienenarraysysteme 502–504 zu tragen. Der Kreuzschienenarray-Demultiplexer 506 ist über ein Paar von Signalleitungen mit dem Paar von Demultiplexern jedes Zweischicht-Kreuzschienenarraysystems verbunden. Beispielsweise ist der Kreuzschienenarray-Demultiplexer 506 mit den Demultiplexern 509 und 510 über Signalleitungen 516 bzw. 517 verbunden.
  • Die Materialien, die für die isolierenden Schichten 512–514 ausgewählt sind, hängen von der Art von Materialien ab, die für die Nanodrähte ausgewählt sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise die isolierenden Schichten 512–514 Saphir und Spinell sein, bei denen es sich um geeignete isolierende Substrate für Si-basierte Halbleiternanodrähte handelt, weil diese Isolatoren eine ähnliche Wärmeausdehnung zeigen. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können SiO2 oder ähnliche Polymere ausgewählt sein, um die isolierenden Schichten 512–514 zu fertigen.
  • 6A–6C stellen einen Ansatz zum Konfigurieren von Nanodraht-Kreuzschienenübergängen in einem dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystem 600 dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie es in 6A–6C gezeigt ist, weist das dreidimensionale Kreuzschienenarraysystem 600 drei Zweischicht-Kreuzschienenarraysysteme 602–604 auf. Jedes der Kreuzschienenarraysysteme 602–604 umfasst ein Kreuzschienenarray, einen x-Nanodraht-Demultiplexer und einen y-Nanodraht-Demultiplexer. Das Kreuzschienenarray 603 beispielsweise weist ein 5 × 5-Kreuzschienenarray 606, einen x-Nanodraht-Demultiplexer 607 und einen y-Nanodraht-Demultiplexer 608 auf. Das dreidimensionale Kreuzschienenarraysystem 600 umfasst ferner einen Kreuzschienenarray-Demultiplexer 610. Der Kreuzschienenarray-Demultiplexer 610 ist mit den Demultiplexern von jedem der Kreuzschienenarraysysteme 602–604 über Signalleitungen verbunden. Zum Beispiel verbinden Signalleitungen 612 und 614 den Kreuzschienenarray-Demultiplexer 610 mit dem x- und dem y-Nanodraht-Demultiplexer 607 bzw. 608. In 6A–6C stellen die Kreise Kreuzschienenübergänge dar. Die Kreuzschienenübergänge können nicht-rekonfigurierbare Widerstände, nicht-rekonfigurierbare Tunnel-Widerstände, rekonfigurierbare Widerstände oder rekonfigurierbare Tunnel-Hysteresewiderstände sein, wie es oben in dem Abschnitt I.B. beschrieben ist. Der Widerstandszustand der Kreuzschienenübergangsmoleküle ist durch ausgefüllte und unausgefüllte Kreise dargestellt. Unausgefüllte Kreise in den 6A–6C beispielsweise stellen Kreuzschienenübergangsmoleküle dar, die sich anfänglich in einem Hochwiderstandszustand befinden, während ausgefüllte Kreise Kreuzschienenübergangsmoleküle in einem Niedrigwiderstandszustand darstellen, was bewirkt, dass die Kreuzschienenübergangsmoleküle als Leiter wirksam sind.
  • Jeden Kreuzschienenübergang in dem dreidimensionalen Kreuzschienen-Array-System 600 kann man sich als eine eindeutige Koordinate analog zu einem Punkt in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatenraum aufweisend vorstellen, der durch ein kartesisches Koordinatensystem 612 dargestellt ist. Wie es in 6A–6C gezeigt ist, sind für jedes der Kreuzschienenarraysysteme 602–604 die horizontalen Nanodrähte mit x0, x1, x2, x3 und x4 etikettiert und sind die vertikalen Nanodrähte mit y0, y1, y2, y3 und y4 etikettiert. Die Kreuzschienenarraysysteme 602–604 sind mit z0, z1 bzw. z2 etikettiert. Jeder Kreuzschienenarrayübergang kann durch eine x- und eine y-Nanodrahtadresse und eine z-Kreuzschienenadresse eindeutig identifiziert werden. Zum Beispiel weist der Kreuzschienenübergang 618 eine Nanodrahtadresse von (x1, y3, z1) auf.
  • Wie es in 6A gezeigt ist, sind die Zustände der Kreuzschienenübergänge des dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystems 600 anfänglich durch unausgefüllte Kreise dargestellt. Wie es in 6B gezeigt ist, kann als nächstes auf jeden Kreuzschienenübergang durch ein Anlegen von Nanodrahtadressen und Kreuzschienenadresse an die entsprechenden Demultiplexer eindeutig zugegriffen werden. Die Demultiplexer 607 und 608 empfangen jeweils eine Nanodrahtadresse, die einen speziellen Nanodraht identifiziert, und geben ein entsprechendes Muster von hohen und niedrigen Spannungen oder ein Muster von entgegengesetzt polarisierten Spannungen auf die Nanodrähte des Kreuzschienenarrays aus. Der Nanodraht, der der Nanodrahtadresse entspricht, die durch den Demultiplexer empfangen wird, trägt die höchste Spannungsausgabe. Um beispielsweise den Kreuzschienenübergang (x1, y3, z1) 618 zu konfigurieren, wird eine Nanodrahtadresse, die dem Nanodraht x1 entspricht, in den x-Nanodraht-Demultiplexer 607 eingegeben, wird eine Nanodrahtadresse, die dem Nanodraht y3 entspricht, in den y-Nanodraht-Demultiplexer 608 eingegeben und wird eine Kreuzschienenadresse, die dem Kreuzschienenarraysystem z1 603 entspricht, in den Kreuzschienendemultiplexer 610 eingegeben. Der Kreuzschienendemultiplexer 610 sendet ein Freigabesignal sen an die Demultiplexer 620 und 622. Es ist zu beachten, dass ohne das Freigabesignal der x-Nanodraht-Demultiplexer 607 eine erste SCHREIBEN-Spannung V ' / w nicht an den horizontalen Nanodraht x1 624 anlegen kann und der y-Nanodraht-Demultiplexer 608 eine zweite SCHREIBEN-Spannung V '' / w nicht an den vertikalen Nanodraht y3 626 anlegen kann, um den Zustand des Kreuzschienenübergangs 618 von unausgefüllt zu ausgefüllt zu verändern. Einzelne Kreuzschienenübergänge können durch Schritte konfiguriert werden, die den in 6B gezeigten Schritten ähnlich sind, was zu einem vollständig konfigurierten Nanoskala-Komponentennetzwerk führt, das in 6C gezeigt ist. In 6C stellen ausgefüllte Kreise, wie beispielsweise der ausgefüllte Kreis 618, Kreuzschienenübergänge dar, die durch eine selektive Anlegung von SCHREIBEN-Spannungen konfiguriert wurden. Wie es in 6C gezeigt ist, kann abhängig von der Art von Widerstandsmolekülen, die an den Kreuzschienenübergängen positioniert sind, das dreidimensionale Kreuzschienenarraysystem 600 als ein Abschnitt einer integrierten Schaltung verwendet werden, wie beispielsweise ein RAM und ein ROM. Der Zustand des Kreuzschienenübergangs 618 kann beispielsweise durch ein Anlegen einer Eingangsspannung V ' / i an den Nanodraht x1 626 und einer anderen Spannung V '' / i an den Nanodraht y3 geLESEN werden, um eine Ausgangsspannung V ' / o zu erzeugen. Beispielsweise kann ein niedriger Spannungswert für V ' / o der Binärzahl „0” entsprechen und kann ein hoher Spannungswert für V ' / o der Binärzahl „1” entsprechen. Im allgemeinen weisen die Eingangs- und die Ausgangsspannungen V ' / i, V '' / i und V ' / o verglichen mit den SCHREIBEN-Spannungen V ' / w und V '' / w relativ geringe Beträge auf. Abhängig von den Arten von Nanodrähten, Arten von Dotiermitteln, die in dem Fall von Halbleiternanodrähten eingesetzt werden, und den Arten von Kreuzschienenübergangsmolekülen, die bei der Nanodrahtkreuzschiene eingesetzt werden, können viele unterschiedliche Konfigurationsprozesse verwendet werden, um Nanodrahtkreuzschienen zu nanodrahtbasierten elektrischen Komponentennetzwerken zu konfigurieren.
  • II: Dreidimensionale Kreuzschienenarrraysystem-Ausführungsbeispiele basierend auf Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienen
  • A. Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienen
  • 7 stellt ein Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienenarray 700 dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienenarray 700 weist eine erste Schicht von näherungsweise parallelen Nanodrähten 702–704 auf, die durch eine zweite Schicht von näherungsweise parallelen Nanodrähten 706–708 überlagert sind. Das Nanodrahtkreuzschienenarray 700 umfasst ferner eine dritte Schicht von näherungsweise parallelen Nanodrähten 710–712, die die zweite Schicht von näherungsweise parallelen Nanodrähten 706–708 überlagert. Obwohl der Ausrichtungswinkel zwischen den Schichten variieren kann, wie es in 7 gezeigt ist, sind die Nanodrähte 706–708 in der zweiten Schicht näherungsweise in 60° zu den Nanodrähten 702–704 in der ersten Schicht ausgerichtet und sind die Nanodrähte 710–712 in der dritten Schicht in näherungsweise 60° zu den Nanodrähten 706–708 der zweiten Schicht ausgerichtet. Beispielsweise beträgt der Winkel zwischen dem Nanodraht 704 in der ersten Schicht und dem Nanodraht 707 in der zweiten Schicht näherungsweise 60° und beträgt der Winkel zwischen Nanodraht 707 in der zweiten Schicht und dem Nanodraht 712 in der dritten Schicht ebenfalls näherungsweise 60°. Jeder Nanodraht in der zweiten Schicht überlagert alle der Nanodrähte 702–704 in der ersten Schicht, und jeder Nanodraht in der dritten Schicht überlagert alle Nanodrähte 706–708 in der zweiten Schicht. Obwohl einzelne Nanodrähte in 7 mit rechteckigen Querschnitten gezeigt sind, können Nanodrähte auch quadratische, kreisförmige, elliptische oder komplexere Querschnitte aufweisen. Die Nanodrähte können auch viele unterschiedliche Breiten oder Durchmesser und Seitenverhältnisse oder Exzentrizitäten aufweisen, wie es oben mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Verfahren zum Fertigen der Nanodrähte in Dreischicht-Nanodrähten sind identisch mit diesen, die verwendet werden, um Zweischicht-Nanodrähte zu fertigen, die oben mit Bezug auf 1 beschrieben ist.
  • Wie es oben mit Bezug auf 2 beschrieben ist, können elektronische Komponenten auf Nanoskala, wie beispielsweise Widerstände und andere geläufige grundlegende elektronische Komponenten an bestimmten Kreuzschienenübergängen gefertigt sein. 8 liefert eine Darstellung eines Kreuzschienenübergangs, der Nanodrähte von drei kontinuierlichen Schichten innerhalb einer Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschiene verbindet, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. In 8 stellen Nanodrähte 802, 804 und 806 überlappende Nanodrähte an einem Nanodrahtschnittpunkt einer Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschiene dar. Wie es in 8 gezeigt ist, befinden sich die Nanodrähte 802, 804 und 806 an den engsten Überlappungspunkten derselben nicht in einem physischen Kontakt. Anstelle dessen kann der Zwischenraum zwischen den Nanodrähten 802 und 806 durch einen vierschichtigen Halbleiterkreuzschienenübergang 810 überspannt sein. Die Kreuzschiene weist eine Widerstandsschicht 808, eine erste negativ dotierte Schicht („n-Schicht”) 812, eine positiv dotierte Schicht („p-Schicht”) 813 und eine zweite n-Schicht 814 auf. Die Widerstandsschicht 808 kann ein nicht-rekonfigurierbarer Widerstand, ein nicht-rekonfigurierbarer Tunnelwiderstand, ein rekonfigurierbarer Widerstand oder ein rekonfigurierbarer Tunnel-Hysteresewiderstand sein, wie es oben in dem Abschnitt I.B. beschrieben ist. Die erste n-Schicht 812, die p-Schicht 813 und die zweite n-Schicht 814 bilden einen Bipolarübergangstransistor („BJT”, bipolar junction transistor). Die p-Schicht 813 ist mit positiven Trägern dotiert und befindet sich in elektrischer Kommunikation mit dem Nanodraht 804. Die Konzentration negativer Träger in den n-Schichten 812 und 814 kann unterschiedlich sein. Die p-Schicht 813 und der Nanodraht 804 können als ein Tor (Gate) oder ein Schalter betrieben werden, der verhindert oder ermöglicht, dass Strom zwischen den Nanodrähten 802 und 806 fließt. Eine Schicht 816 ist ein np-Übergang und eine Schicht 817 ist ein pn-Übergang. Einer der Übergänge 816 und 817 kann als ein Vorwärtsvorspannungsübergang dienen, während der andere als ein Rückwärtsvorspannungsübergang dient, der den Fluss von Strom durch den Kreuzschienenübergang 810 verhindert, und man sagt, dass der BJT „aus” ist. Wenn jedoch ein Strom an den Nanodraht 804 angelegt ist, kann Strom durch den BJT fließen und man sagt, dass der Transistor „ein” ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann auch ein Metall-auf-Halbleiter-Feldeffekttransistor („MOSFET”, metal an semiconductor field effect transistor) durch ein Bilden eines dielektrischen Materials, wie beispielsweise SiO2, zwischen dem Nanodraht 804 und der p-Schicht 813 an dem Kreuzschienenübergang 810 gefertigt werden. Wenn eine Spannung an den Nanodraht 804 angelegt ist, kann Strom durch den MOSFET fließen und man sagt, dass der Transistor „ein” ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Widerstandsregion 808 die aktive Region eines elektromagnetisch betätigten Schalters sein, der in der US 2008/0090337 A1 beschrieben ist.
  • 9A liefert eine schematische Darstellung 900 der Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschiene 700, die in 7 gezeigt ist, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie es in 9A gezeigt ist, stellen Leitungen 902–904 die Nanodrähte 702–704 dar, stellen Leitungen 906–908 die Nanodrähte 706–708 dar und stellen Leitungen 910–912 die Nanodrähte 710–712 dar. 9B liefert eine schematische Darstellung der Kreuzschienenübergänge, die in 8 gezeigt sind, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. Wie es in 9B gezeigt ist, stellen Leitungen 920, 922 und 924 entsprechend die Nanodrähte 802, 804 und 806 dar, die in 8 gezeigt sind. Der BJT oder MOSFET, der mit Bezug auf 8 beschrieben ist, ist durch ein Transistorsymbol 926 dargestellt und der Widerstand 808 ist durch ein variables Widerstandssymbol 928 dargestellt.
  • Die elektronischen Eigenschaften der Widerstandskreuzschienenübergangsmoleküle können gemäß der speziellen Molekularkonfiguration oder dem Elektronenzustand der Kreuzschienenübergangsmoleküle variieren. Wie es oben mit Bezug auf den Teilabschnitt I.B. beschrieben ist, sind eventuell Veränderungen bei dem Zustand eines Widerstandskreuzschienenübergangsmoleküls nicht umkehrbar. In bestimmten Fällen können die Kreuzschienenübergangsmoleküle leitfähig sein, aber die Moleküle können zusammen mit Abschnitten der Nanodrähte in der Nähe der Kreuzschienenübergänge durch eine Anlegung sehr hoher Spannungen unumkehrbar beschädigt werden, was zu einem Unterbrechen einer Leitfähigkeit zwischen den zwei Nanodrähten und einem Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen denselben führt. In anderen Fällen können die Widerstandskreuzschienenübergangsmoleküle umkehrbar von einem Zustand zu einem anderen und zurück übergehen, so dass die Widerstandselemente, die an Kreuzschienenübergängen konfiguriert sind, durch eine Anlegung unterschiedlicher Spannungen an ausgewählte Kreuzschienenübergänge rekonfiguriert oder programmiert werden können.
  • B. Dreidimensionale Kreuzschienenarray-Ausführungsbeispiele
  • 10 liefert eine isometrische Darstellung eines dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystems 1000, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie es in 10 gezeigt ist, weist das dreidimensionale Kreuzschienenarraysystem 1000 einen Stapel von drei Dreischicht-Kreuzschienenarrays 1002–1004, einen x-Nanodraht-Demultiplexer 1006, einen y-Nanodraht-Demultiplexer 1008 und einen Kreuzschienenarray-Demultiplexer 1010 auf. Das Kreuzschienenarraysystem 1000 ist durch eine elektrisch isolierende Schicht 1012 getragen. Isolierende Schichten 1013 und 1014 trennen auch die Kreuzschienenarraysysteme 1002–1004 und verhindern eine elektrische Störung von elektrischen Signalen, die in den Kreuzschienenarrays 1002–1004 übertragen werden. Die isolierenden Schichten 1012–1014 dienen ferner dazu, die Nanodrähte der Kreuzschienenarrays 1002–1004 zu tragen. Der x-Nanodraht-Demultiplexer 1006 ist mit den x-Nanodrähten in jedem der Kreuzschienenarrays 1002, 1003 und 1004 verbunden, der y-Nanodraht-Demultiplexer 1006 ist mit den y-Nanodrähten in jedem der Kreuzschienenarrays 1002, 1003 und 1004 verbunden, und der Kreuzschienenarray-Demultiplexer 1010 ist mit den getrennten z-Schichten von Nanodrähten verbunden.
  • Die Materialien, die für die isolierenden Schichten 1012–1014 ausgewählt sind, hängen von der Art von Materialien ab, die für die Nanodrähte ausgewählt sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die isolierenden Schichten 1012–1014 beispielsweise Saphir und Spinell sein, bei denen es sich um geeignete isolierende Substrate für Si-basierte Halbleiter-Nanodrähte handelt, weil diese Isolatoren eine ähnliche Wärmeausdehnung zeigen. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die isolierenden Materialien, die ausgewählt sind, um die isolierenden Schichten 1012–1014 zu fertigen, SiO2 oder ein geeignetes isolierendes Polymer sein.
  • 11 liefert eine schematische Darstellung 1100 des in 10 gezeigten Kreuzschienenarraysystems 1000, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Kreuzschienenarraysystem 1100 weist drei Dreischicht-Kreuzschienenarrays 1102–1104, einen x-Nanodraht-Demultiplexer 1106, einen y-Nanodraht-Demultiplexer 1108 und einen z-Kreuzschienen-Demultiplexer 1110 auf. Jeden Kreuzschienenübergang in dem dreidimensionalen Kreuzschienenarray 1100 kann man sich als eine eindeutige Koordinate analog zu einem Punkt in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatenraum aufweisend vorstellen. Wie es in 11 gezeigt ist, sind in jedem der Kreuzschienenarrays 1102–1104 die x-Schicht-Nanodrähte mit x0, x1 und x2 etikettiert und sind die y-Schicht-Nanodrähte mit y0, y1 und y2 etikettiert. Die z-Schichten jedes Kreuzschienenarrays jedoch sind durch ein einziges Etikett identifiziert. Insbesondere sind alle z-Nanodrähte in dem Kreuzschienenarray 1102 mit z0 etikettiert, sind alle der z-Nanodrähte in dem Kreuzschienenarray 1103 mit z1 etikettiert und sind alle der z-Nanodrähte in dem Kreuzschienenarray 1104 mit z2 etikettiert. Jeder Kreuzschienenschnittpunkt von Nanodrähten weist einen eindeutigen Satz von x-, y- und z-Koordinaten auf. Zum Beispiel weist der Kreuzschienenübergang 1112 Koordinaten von (x2, y1, z0) auf.
  • 12A–12D stellen einen Ansatz zum Konfigurieren von Kreuzschienenübergängen des in 11 gezeigten Kreuzschienenarrays 1100 dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das in 12A–12D gezeigte Beispiel soll einen allgemeinen Prozess darstellen, durch den Nanodrahtkreuzschienenübergänge als nützliche Abschnitte elektronischer Schaltungen konfiguriert werden können. Das zweidimensionale Kreuzschienenarraysystem 1100, das in 11 gezeigt ist, kann beispielsweise eine RAM-Vorrichtung sein, bei der jeder Kreuzschienenübergang verwendet wird, um ein einziges Bit an Informationen zu speichern. Ein Kreuzschienenübergang mit einem reprogrammierbaren Hysteresewiderstand in einem Hochwiderstandszustand kann der Binärzahl „0” entsprechen und ein Kreuzschienenübergang in einem Niedrigwiderstandszustand kann der Binärzahl „1” entsprechen. Die Kreuzschienenübergangsmoleküle können rekonfigurierbare Hysteresewiderstände sein, die umkehrbar von einem Zustand zu einem anderen und zurück übergehen, so dass die Widerstandselemente, die an Kreuzschienenübergängen konfiguriert sind, durch eine Anlegung unterschiedlicher Spannungen an ausgewählte Kreuzschienenübergänge rekonfiguriert oder programmiert werden können. In der folgenden Erörterung wird angenommen, dass jeder Kreuzschienenübergang einen MOSFET und einen rekonfigurierbaren Tunnel-Hysteresewiderstand aufweist. Nicht ausgefüllte Kreise, die an Kreuzschienenübergängen positioniert sind, die in 12A–12D gezeigt sind, stellen rekonfigurierbare Tunnel-Hysteresewiderstände dar, die sich anfänglich in einem Hochwiderstandszustand befinden, und ausgefüllte Kreise stellen Widerstände in einem Niedrigwiderstandszustand dar.
  • Wie es in 12A gezeigt ist, befinden sich anfänglich die Kreuzschienenübergänge des Nanodrahtkreuzschienensystems 1100 in einem Hochwiderstandszustand. Um einen Niedrigwiderstandszustand zu dem Kreuzschienenübergang (x2, y1, z0) 1112 zu SCHREIBEN, wird die x2-Nanodraht-Adresse in den x-Nanodraht-Demultiplexer 1106 eingegeben, wird die y1-Nanodraht-Adresse in den y-Nanodraht-Demultiplexer 1108 eingegeben. Der x-Nanodraht-Demultiplexer 1106 legt eine geeignete Spannung an jeden x-Nanodraht in der Spalte von x2-Nanodrähten an, der y-Nanodraht-Demultiplexer 1108 legt eine geeignete Spannung an jeden y-Nanodraht in der Spalte von y1-Nanodrähten an und der z-Nanodraht-Demultiplexer 1110 legt eine Spannung an jeden Nanodraht in der z0-Schicht von Nanodrähten an, wie es in 12B durch fettgedruckte x2-Nanodrähte 1202–1204 und fettgedruckte y1-Nanodrähte 1206–1208 gezeigt ist. Die Spannungen, die an die x2-Nanodrähte 1202–1204 und die y1-Nanodrähte 1206–1208 angelegt sind, erzeugen Spannungen über die Kreuzschienenübergänge 1112, 1210 und 1212. Der Transistor jedoch, der an jedem der Kreuzschienenübergänge positioniert ist, ist „aus”, es fließt also kein Strom durch die Kreuzschienenübergänge 1112, 1210 und 1212. Wie es in 12C gezeigt ist, bewirkt als nächstes die z0-Schicht-Adresse, die in den z-Kreuzschienenarray-Demultiplexer 1110 eingegeben wird, dass eine Spannung an alle der z0-Schicht-Nanodrähte 1214–1216 angelegt wird, die die MOSFET-Transistoren, die an den Kreuzschienenübergangen in der z0-Schicht positioniert sind, „ein”-schaltet. Um einen Niedrigwiderstandszustand zu dem Kreuzschienenübergang 1112 zu SCHREIBEN, kombinieren sich die Spannungen, die an die Nanodrähte 1204, 1208 und 1216 angelegt sind, um eine Spannung über den Kreuzschienenübergang 1112 mit einem Betrag und einer Polarität zu erzeugen, die in den Spannungsbereich ⌊Vw1, V + / dest1⌋, wie es oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist. Es ist zu beachten, dass der Kreuzschienenübergang 1112 der einzige Kreuzschienenübergang in dem Dreischicht-Kreuzschienenarray 1100 ist, der Spannungen von drei getrennten Nanodrähten empfängt. Spannungen von einem oder zwei gekreuzten Nanodrähten an anderen Kreuzschienenübergängen sind für ein Ändern des Widerstandszustands an diesen Kreuzschienenübergängen unzulänglich. Folglich wird lediglich der Kreuzschienenübergang 1112 in einen Niedrigwiderstandszustand geschaltet, wie es in 12D gezeigt ist. Um einen Hochwiderstandszustand zu dem Kreuzschienenübergang 1112 zu SCHREIBEN, kombinieren sich die Spannungen, die an die Nanodrähte 1204, 1208 und 1216 angelegt sind, um eine Spannung über den Kreuzschienenübergang 1112 mit einem Betrag und einer Polarität zu erzeugen, die in den Spannungsbereich ⌊V – / dest1, Vw0⌋ fällt, wie es oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist.
  • Ein Verfahren zum LESEN eines Widerstandszustands kann identisch mit dem Verfahren SCHREIBEN eines Widerstandszustands zu einem Kreuzschienenübergang sein, außer dass die Spannungen, die an die entsprechenden Nanodrähte angelegt sind, sich kombinieren, um eine Spannung über den entsprechenden Kreuzschienenübergang mit einem Betrag und einer Polarität zu erzeugen, die in einen der Spannungsbereiche ⌊V – / dest1, Vw1⌋ und ⌊Vw0, V + / dest1⌋ fällt, wie es oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist.
  • Es ist zu beachten, dass eine beinahe identische Beschreibung für ein Konfigurieren von Widerständen an Kreuzschienenübergängen eines dreidimensionalen Kreuzschienenarraysystems mit BJTs gilt, die an jedem Kreuzschienenübergang positioniert sind.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt sein soll. Modifikationen innerhalb der Wesensart der Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wäre es beispielsweise für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, die Anzahl von Kreuzschienenschichten zu erweitern, um dreidimensionale Kreuzschienenarraysysteme herzustellen. Insbesondere wäre es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dreidimensionale Kreuzschienenarraysysteme mit vier oder mehr Zweischicht-Nanodraht-Kreuzschienensystemen herzustellen und dreidimensionale Kreuzschienenarraysysteme mit vier oder mehr Dreischicht-Nanodraht-Kreuzschienen herzustellen. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Arten von Kreuzschienenübergangsmolekülen in unterschiedlichen Schichten oder an spezifischen Kreuzschienenübergängen verschieden sein, um eine Vielfalt unterschiedlicher Arten gemischter elektronischer Vorrichtungen zu fertigen. Beispielsweise kann ein dreidimensionales Kreuzschienenarraysystem eine Schicht von rekonfigurierbaren Kreuzschienenübergängen und eine unterschiedliche Schicht mit nicht-rekonfigurierbaren Kreuzschienenübergängen aufweisen, um eine gemischte RAM- und ROM-Vorrichtung zu bilden. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann jede Schicht von sich schneidenden Nanodrähten gemäß der Art von Kreuzschienenübergangsmolekülen partitioniert sein, die für Kreuzschienenübergänge ausgewählt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können pnp-Bipolar-Transistoren an Kreuzschienenübergängen anstelle von npn-Bipolar-Transistoren verwendet werden, wie es in 13 gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können Kondensatoren anstelle von rekonfigurierbaren Hysteresewiderständen an Kreuzschienenübergängen verwendet werden, beispielsweise ein Kondensator 1402, der in 14A–14B gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein MOSFET an dem Kreuzschienenübergang, der in 13 gezeigt ist, durch ein Bilden eines dielektrischen Materials zwischen dem z-Nanodraht und der n-Schicht gefertigt werden und kann durch ein Anlegen einer Spannung an den z-Nanodraht betrieben werden.

Claims (10)

  1. Ein konfigurierbares dreidimensionales Kreuzschienenarraysystem (1000, 1100), das folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Kreuzschienenarrays (1002–1004, 1102–1104), wobei jedes Kreuzschienenarray eine erste Schicht von Nanodrähten (702–704), eine zweite Schicht von Nanodrähten (706–708), die die erste Schicht von Nanodrähten überlagert, eine dritte Schicht von Nanodrähten (710–712), die die zweite Schicht von Nanodrähten überlagert, und einen Kreuzschienenübergang (810) umfasst, der an einem Schnittpunkt von drei sich überlagernden Nanodrähten positioniert ist; einen ersten Demultiplexer (1006, 1106), der konfiguriert ist, um zumindest einen Abschnitt der Nanodrähte in der ersten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu adressieren; einen zweiten Demultiplexer (1008, 1108), der konfiguriert ist, um zumindest einen Abschnitt der Nanodrähte in der zweiten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu adressieren; und einen dritten Demultiplexer (1010, 1110), der konfiguriert ist, um ein Signal an zumindest einen Abschnitt der Nanodrähte in der dritten Schicht von Nanodrähten jedes Kreuzschienenarrays zu liefern.
  2. Das System gemäß Anspruch 1, bei dem jeder Nanodraht in der zweiten Schicht jeden Nanodraht in der ersten Schicht überlagert und jeder Nanodraht in der dritten Schicht jeden Nanodraht in der zweiten Schicht überlagert.
  3. Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Kreuzschienenübergänge ferner Transistoren (812–814) aufweisen, die wirksam mit Nanodrähten in der zweiten Schicht von Nanodrähten (804) verbunden sind und als Schalter betrieben werden können, um den Stromfluss zwischen Nanodrähten in der ersten Schicht von Nanodrähten (802) und Nanodrähten in der dritten Schicht von Nanodrähten (806) zu steuern.
  4. Das System gemäß Anspruch 3, bei dem der Transistor ferner einen der Folgenden aufweist: einen Metall-auf-Halbleiter-Feldeffekttransistor; einen npn-Bipolarübergangstransistor (812–814); und einen pnp-Bipolarübergangstransistor.
  5. Das System gemäß Anspruch 1, bei dem der Kreuzschienenübergang ferner einen der Folgenden aufweist: einen linearen Hysteresewiderstand; einen nichtlinearen Hysteresewiderstand; und einen Kondensator.
  6. Ein System von konfigurierbaren dreidimensionalen Kreuzschienenarrays (500, 600), das folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von zweidimensionalen Kreuzschienen-Speicherarray-Systemen (502–504, 602–604), wobei jedes zweidimensionale Kreuzschienen-Speicherarray-System eine erste Schicht von Nanodrähten (102), die durch einen ersten Demultiplexer (509, 607) adressiert werden, eine zweite Schicht von Nanodrähten (104), die durch einen zweiten Demultiplexer (510, 608) adressiert werden, und einen Kreuzschienenübergang umfasst, der an einem Schnittpunkt von zwei sich überlagernden Nanodrähten positioniert ist; und einen Kreuzschienenarray-Demultiplexer (506, 610), der konfiguriert ist, um ein erstes Freigabesignal an den ersten Demultiplexer jedes zweidimensionalen Kreuzschienenspeicher-Arrays und ein zweites Freigabesignal an den zweiten Demultiplexer jedes zweidimensionalen Kreuzschienen-Speicherarrays zu senden.
  7. Das System gemäß Anspruch 6, bei dem die Nanodrähte der ersten und der zweiten Schicht ferner eines der Folgenden aufweisen: ein leitfähiges Material; und ein Halbleitermaterial.
  8. Das System gemäß Anspruch 6, bei dem jeder Nanodraht in der zweiten Schicht jeden Nanodraht in der ersten Schicht überlagert.
  9. Das System gemäß Anspruch 6, bei dem jeder Nanodraht in der ersten Schicht von Nanodrähten sich in elektrischer Kommunikation mit jedem Nanodraht in der zweiten Schicht von Nanodrähten über einen Widerstandsübergang (206) befindet.
  10. Das System gemäß Anspruch 9, bei dem der Widerstandsübergang (206) ferner einen der Folgenden aufweist: einen linearen Hysteresewiderstand; einen nichtlinearen Hysteresewiderstand; und einen unumkehrbaren Widerstand.
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