DE69428577T2 - Tunneldiode und Speicheranordnung mit derselben - Google Patents

Tunneldiode und Speicheranordnung mit derselben

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DE69428577T2
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunneldiode wie in der Einleitung von Patentanspruch 1 beschrieben. Die Erfindung bezieht sich ebenso eine Speicheranordnung, die eine derartige Tunneldiode enthält.
  • Eine derartige Tunneldiode ist bekannt aus der Abhandlung von S.M.Sze mit dem Titel "Physics of semiconductor devices", Kapitel 9: Tunnel devices. Die Tunneldiode ist ebenso als MIM-Diode (Metall-Isolator-Metall-Diode) oder MIS-Diode (Metall- Isolator-Halbleiterdiode) bekannt, wobei "Metall" einen gut leitenden Werkstoff bezeichnet. Elektronen können von einer zur anderen Elektrode tunneln, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden gegeben ist, die die Schwellenspannung überschreitet. Die Elektroden können bei einer Spannung unterhalb der Schwellenspannung nicht durch die Barriere tunneln. Derartige Schaltelemente sind für den Einsatz bei hohen Frequenzen sehr gut geeignet.
  • Die beschriebene bekannte Tunneldiode hat den Nachteil, dass sie keinen Speicher besitzt. In vielen Anwendungen ist es wünschenswert, dass die Tunneldiode einen gewissen Schaltzustand, wie offen/geschlossen, unter praktischen Bedingungen, wie beispielsweise der Raumtemperatur, hält. Ferner ist es bei gewissen Anwendungen wünschenswert, dass die Tunneldiode mehr als zwei unterschiedliche Schaltzustände aufweist. Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteilen entgegenzuwirken.
  • Erfindungsgemäß ist das Bauelement zu diesem Zweck gekennzeichnet wie im beschreibenden Teil von Anspruch 1 dargelegt. Es wird dadurch der Effekt erzielt, dass die Tunneldiode in Abhängigkeit von der remanenten Polarisation des Dielektrikums mehr als zwei Schaltzustände aufweist. Der Wert und die Richtung der Polarisation beeinflussen die Barriereebene, oder, in anderen Worten, die Form der Barriere ändert sich durch die remanente Polarisation des ferroelektrischen Dielektrikums. Bei einer gewissen Spannung an den Elektroden können dann je nach Barriereebene mehr oder weniger Elektronen durch das Dielektrikum tunneln, so dass mehr oder weniger Tunnelstrom durch die Tunneldiode fließen kann. Somit hat die Tunneldiode mehrere Schaltzustände. Das ferroelektrische Dielektrikum kann von einem Polarisationszustand in den anderen umgeschaltet werden, indem eine Spannung an das Dielektrikum angelegt wird, so dass in dem Dielektrikum ein elektrisches Schaltfeld des ferroelektrischen Werkstoffs erzielt wird. Der Schaltzustand wird so lange gehalten, bis sich der Polarisationszustand des Dielektrikums ändert. Aufgrund der Tatsache, dass der Isolierwerkstoff zwei oder mehr Schichten unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffs enthält, wobei sich die entsprechenden Richtungen ihrer remanenten Polarisation bei entsprechenden unterschiedlichen elektrischen Feldern ändern, hat die Tunneldiode mehr als zwei Schaltzustände. Der Isolierwerkstoff kann beispielsweise in Form von zwei Schichten mit unterschiedlichen ferroelektrischen Eigenschaften auf einer ersten Elektrode aufgewachsen werden. Eine zweite Elektrode wird dann auf den genannten Schichten geschaffen.
  • Es ist anzumerken, dass ein Bauelement mit zwei Anschlussklemmen und zwei Schaltzuständen, das aus einem ferroelektrischen Werkstoff zwischen zwei leitenden Elektroden besteht, aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 13, Nr. 8, S. 2161, erschienen im Januar 1971, von Esaki et al. bekannt ist. Der ferroelektrische Werkstoff umfasst eine einzige Schicht aus einem einzigen ferroelektrischen Werkstoff, d.h. Wismutniobat. In Applied Physics Letters, Band 63, Nr. 18, S. 2570-2, erschienen im November 1993, legen Eom et al. epitaxiale ferroelektrische Strukturen dar, die PZT und Elektroden aus SrRuO&sub3; beinhalten.
  • Die Dicke des Dielektrikums kann vergleichsweise groß sein, wenn sogenannte Haftstellen im Dielektrikum vorhanden sind, durch die Elektronen durch das Dielektrikum tunneln können (Tunnelung mit Hilfe von Haftstellen, trap assisted tunnelling). Ein derartiges Dielektrikum ist jedoch schwierig reproduzierbar herzustellen. Die Dicke der Schicht aus ferroelektrischem Werkstoff liegt vorzugsweise unter 10 nm (100 Å). Die Tunnelung von Elektronen durch das Dielektrikum ist dann bei vergleichsweise niedrigen Spannungen ohne die Hilfe von Haftstellen möglich. Bei sehr geringen Dicken der Schicht aus ferroelektrischem Material erhält man keine Diodenkennlinie mehr, da sich die Diode stattdessen wie ein fester, niederohmiger Widerstand verhält. Die Dicke der Schicht aus ferroelektrischem Material ist vorzugsweise größer als 2 nm (20 Å), damit eine Diodenkennlinie erzielt wird.
  • Die remanente Polarisation in der Schicht aus ferroelektrischem Werkstoff kann je nach Struktur der Schicht unterschiedliche Werte in unterschiedlichen Richtungen haben. Der Wert und die Richtung der remanenten Polarisation verstärkt oder schwächt den Einfluss eines zwischen den Elektroden anzulegenden elektrischen Feldes und beeinflusst somit die Barriereebene und den Tunnelstrom. Die beiden Elektroden haben vorzugsweise die Form praktisch paralleler Platten, und die Richtung der größten Komponente der remanenten Polarisation steht im wesentlichen senkrecht zu den Platten. Wird nun eine Spannung an die Elektroden angelegt, ist die Richtung dieser größten Komponente der remanenten Polarisation parallel oder antiparallel zu dem elektrischen Feld zwischen den Elektroden. Die Auswirkung der Polarisation auf die Ebene und die Breite der Barriere ist dann am größten. Einen derartigen Werkstoff erhält man, wenn die Schicht aus ferroelektrischem Werkstoff, d.h. das ferroelektrische Dielektrikum, epitaxial auf eine Elektrode aus einem monokristallinen, metallisch leitenden Oxid aufgebracht ist. Die Wachstumsrichtung der Schicht aus ferroelektrischem Werkstoff wird dann so gewählt, dass eine bevorzugte Polarisationsachse des ferroelektrischen Werkstoffs, die die Richtung der größten Komponente der remanenten Polarisation anzeigt, im Wesentlichen senkrecht zu den Platten steht. Das Dielektrikum weist dann eine Struktur auf, bei der die remanente Polarisation am größten ist, während die Richtung der Polarisation parallel zu dem zwischen den Elektroden anzulegenden elektrischen Feld liegt. Die metallisch leitenden Oxidschichten enthalten beispielsweise bekannte monokristalline Werkstoffe, wie Lanthan-Strontium-Kobalt-Oxid, Strontium-Ruthenat, Strontium-Vanadat oder indiumdotiertes Zinnoxid. Die Elektrode des metallisch leitenden Oxids und das ferroelektrische Dielektrikum werden durch standardmäßige Verfahren, wie beispielsweise Impulslaserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD), Sputtern, Molekularstrahl-Epitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) oder metallorganisches Abscheiden aus der Gasphase (metal organic chemical vapour deposition, MOCVD), hergestellt. Die Werkstoffe können auf ein amorphes Substrat aufgebracht werden; die metallisch leitende Elektrode wird jedoch vorzugsweise auf ein monokristallines Substrat aufgebracht. Die monokristallinen Substrate weisen vorzugsweise eine annehmbare Gitterpassung (+-10%) mit den verwendeten leitenden Oxiden und dem ferroelektrischen Dielektrikum auf. Es ist dann vergleichsweise einfach, ein ferroelektrisches Dielektrikum epitaxial zu schaffen. Beispiele für Werkstoffe, die als monokristallines Substrat verwendet werden können, sind Strontiumtitanat, Magnesiumoxid, Magnesium-Aluminium-Oxid oder Lithiumniobat. Es können jedoch auch Substrate aus Silizium- oder Galliumarsenid mit geeigneten Pufferschichten, wie beispielsweise Pr&sub6;O&sub1;&sub1; oder CeO&sub2;, verwendet werden.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Tunneldiode eine Elektrode, auf die eine Schicht aus einem ferroelektrischen Werkstoff mit einer Elektrode mehr als einmal aufgebracht wurde, so dass die Tunneldiode eine Anzahl in Reihe geschalteter Dioden umfasst. Das Dielektrikum muss nicht immer die gleiche Dicke aufweisen. Da das Dielektrikum vergleichsweise dünn ist, um einen Tunnelstrom zu ermöglichen, kann gelegentlich aufgrund von kleinen Löchern, sogenannter "Pinholes", ein Kurzschluss zwischen den Elektroden in einem Dielektrikum zwischen zwei Elektroden auftreten. Ein Kurzschluss zwischen den Elektroden bedeutet den Ausfall der Tunneldiode, falls ein einziges Dielektrikum vorhanden ist. Bei der erfindungsgemäßen Tunneldiode ist die Existenz von "Pinholes" in einem einzigen Dielektrikum nicht länger verhängnisvoll für die Tunneldiode. Die Zuverlässigkeit der Tunneldiode nimmt entsprechend zu.
  • Wenn die Tunneldiode eine Anzahl von in Reihe geschalteten Bauelementen enthält und erfindungsgemäß mehr als zwei unterschiedliche Schaltzustände erwünscht sind, bestehen die Schichten aus unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffen, die die Richtung ihrer remanenten Polarisation bei unterschiedlichen elektrischen Schaltfeldern ändern. Die Tunneldiode verfügt dann über mehr als zwei Schaltzustände. Eine Tunneldiode umfasst dann beispielsweise eine Anordnung, wie MFMF'M oder M(FMF'M)n, wobei F und F' ferroelektrische Werkstoffe sind, die die Richtung ihrer remanenten Polarisation bei unterschiedlichen elektrischen Schaltfeldern ändern, und M eine Elektrode darstellt, während der Index n anzeigt, dass die Kombination aus ferroelektrischen Dielektrika und Elektroden n-mal wiederholt wird, wodurch eine Reihenschaltung aus Bauelementen entsteht. In Abhängigkeit von dem Wert und der Richtung der remanenten Polarisationen der ferroelektrischen Dielektrika F und F', nimmt der Tunnelstrom zu oder ab. Die Tunneldiode verfügt dann über mehr als zwei Schaltzustände. Eine derartige Tunneldiode ist höchst zuverlässig. Aufgrund der zusätzlichen Existenz einer Elektrode zwischen zwei Dielektrika wird die Kopplung von dielektrischen Bereichen in den beiden ferroelektrischen Werkstoffen verhindert.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Speicherelement, das eine erfindungsgemäße Tunneldiode enthält. Bekannte Speicherelemente enthalten Kapazitäten, wobei der Wert der Ladung auf jeder Kapazität ein Maß für die Informationen ist. Das Auslesen aus bekannten Speicherelementen ist schwierig. Während des Auslesens wird eine gewisse Spannung an eine Kapazität angelegt und danach die zur Kapazität fließende Ladung gemessen. Der Wert dieser Ladung ist ein Maß für die Ladung, die in der Kapazität vorlag. Nach dem Auslesen sind die ursprünglich vorhandenen Informationen verschwunden, so dass sie erneut in die Kapazität geschrieben werden müssen. Bei einem erfindungsgemäßen Speicherelement wird während des Auslesens eine Spannung an das Speicherelement angelegt und danach der durch das Bauelement fließende Strom gemessen. Das Messen eines Stromes ist wesentlich einfacher als das Messen einer Ladung. Die Informationen in dem Speicherelement werden durch das Auslesen nicht beeinträchtigt. Der Auslesevorgang für ein erfindungsgemäßes Speicherelement ist daher wesentlich einfacher als der Vorgang für ein bekanntes Speicherelement. Da die Tunneldiode mehr als zwei Schaltzustände aufweist, ist das Bauelement besonders für spezielle Anwendungen geeignet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Tunneldiode mit einem Isolierwerkstoff, der einen ferroelektrischen Werkstoff enthält,
  • Fig. 2 eine Strom-Spannungs-Kennlinie für eine Tunneldiode mit einem Isolierwerkstoff, der nicht ferroelektrisch ist,
  • Fig. 3 eine Strom-Spannungs-Kennlinie für eine Tunneldiode mit einem Isolierwerkstoff, der einen ferroelektrischen Werkstoff enthält,
  • Fig. 4 Schreib-Lese-Zyklen für eine Speicheranordnung mit der Tunneldiode aus Fig. 1,
  • Fig. 5 eine erfindungsgemäße Tunneldiode, bei der der Isolierwerkstoff zwei ferroelektrische Werkstoffe mit unterschiedlichen elektrischen Schaltfeldern enthält; und
  • Fig. 6 eine erfindungsgemäße Tunneldiode, die eine Anzahl von in Reihe geschalteten Bauelementen aus Fig. 5 enthält.
  • Fig. 1 zeigt eine Tunneldiode, die folgendes umfasst: zwei Elektroden 1,2 in Form von im Wesentlichen parallelen Platten, ein dazwischen liegendes, isolierendes Dielektrikum 3, das eine Barriere mit einer Barriereebene für Elektronen bildet und dessen Dicke derart ist, dass Elektronen bei einer Spannung über der Schwellenspannung durch die Barriere von der einen zur anderen Elektrode tunneln können. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Speicherelement.
  • Eine derartige Diode ist als Tunnelbauelement oder MIM-Diode (Metall- Isolator-Metall-Diode) oder MIS-Diode (Metall-Isolator-Halbleiterdiode) bekannt. Die Bezeichnung "Metall" bedeutet hier "gut leitender Werkstoff". Da der Transport der Ladung in Tunnelbauelementen durch Elektronen ausgeführt wird, sind derartige Schaltelemente schnell, so dass sich Tunneldioden sehr gut für den Einsatz bei hohen Frequenzen eignen. Fig. 2 zeigt eine Kennlinie einer MIM-Diode, in der der Strom I durch die Diode als Funktion der Spannung V an den Elektroden 1, 2 dargestellt ist. Die Strom-Spannungs- Kennlinie ist bei zwei identischen Elektroden um Null Volt symmetrisch.
  • Die bekannte Tunneldiode besitzt keinen Speicher. Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, dass die Tunneldiode einen gewissen Schaltzustand, wie offen/geschlossen, unter praktischen Bedingungen wie der Raumtemperatur, hält. Dies bedeutet, dass in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Diode mehr als ein Wert des Stroms durch die Tunneldiode für eine gegebene Spannung an den Elektroden 1, 2 möglich ist.
  • Wenn das Dielektrikum 3 eine Schicht aus einem Werkstoff enthält, der bei Raumtemperatur ferroelektrisch mit einer remanenten Polarisation ist, die die Barriereebene beeinflusst, weist die Tunneldiode in Abhängigkeit von der remanenten Polarisation des Dielektrikums zahlreiche Schaltzustände auf. Der Wert und die Richtung der Polarisation stärken oder schwächen den Einfluss eines zwischen den Elektroden anzulegenden elektrischen Feldes und beeinflussen somit die Barriere und den Tunnelstrom. Die Polarisation des Dielektrikums kann parallel oder antiparallel zu einem zwischen den Elektroden anzulegenden elektrischen Feld erfolgen. Bei einer gegebenen Spannung an den Elektroden kann daher mehr oder weniger Tunnelstrom in Abhängigkeit davon durch die Tunneldiode fließen, ob die remanente Polarisation des ferroelektrischen Dielektrikums parallel oder antiparallel zu dem elektrischen Feld in dem Dielektrikum 3 ist. Die Tunneldiode verfügt dann über zwei unterschiedliche Schaltzustände. Das ferroelektrische Dielektrikum kann von dem einen Polarisationszustand in einen anderen umgeschaltet werden, indem eine Spannung an das Dielektrikum angelegt wird, so dass ein elektrisches Schaltfeld des ferroelektrischen Werkstoffs in dem Dielektrikum überschritten wird. Da der Schaltzustand von der remanenten Polarisation des Dielektrikums bestimmt wird, wird dieser Schaltzustand gehalten, bis sich der Polarisationszustand des Dielektrikums ändert. Fig. 3 zeigt eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Tunneldiode mit zwei identischen Elektroden. Diese Strom-Spannungs-Kennlinie besteht aus zwei Kurven 5,6, die den unterschiedlichen Richtungen der remanenten Polarisation entsprechen.
  • Wenn keine Spannung V an der Tunneldiode anliegt, fließt kein Strom I durch das Bauelement (Punkt 0 in Fig. 3). Nimmt die Spannung V am Dielektrikum 3 zu und wirkt die remanente Polarisation dem Einfluss des elektrischen Feldes entgegen (die Polarisation ist dann antiparallel zu dem angelegten elektrischen Feld), steigt der Strom in Übereinstimmung mit der Kurve 5. Das Schaltfeld zum Umschalten der Polarisation wird im ferroelektrischen Dielektrikum bei Punkt 8 auf der Kurve 5 erreicht. Die remanente Polarisation in dem ferroelektrischen Dielektrikum ändert sich dann von antiparallel zu parallel im Bezug auf das elektrische Feld. Der Strom durch die Tunneldiode steigt dann, bis Punkt 9 auf der Kurve 6 erreicht ist. Steigt die Spannung weiter an, nimmt der Strom in Übereinstimmung mit Kurve 6 zu, bis das Dielektrikum durchschlägt. Fällt die Spannung nach Erreichen des Punktes 9 ab, folgt der Strom der Kurve 6. Ist der Punkt 10 auf der Kurve 6 erreicht, ist das elektrische Feld so groß geworden, dass sich die Richtung der Polarisation des Dielektrikums wieder ändert. Der Strom nimmt dann ab, bis der zu Punkt 11 auf der Kurve 5 gehörige Wert erreicht ist. Fällt die Spannung weiter ab, nimmt der Strom entlang der Kurve 5 ab, bis das Dielekirikum durchschlägt. Steigt die Spannung nach Erreichen des Punktes 11 an, folgt der Strom der Kurve 5.
  • In der Praxis wird eine Tunneldiode geschaltet, indem ein Spannungsimpuls mit einem Wert an das Dielektrikum angelegt wird, der bewirkt, dass sich die remanente Polarisation des Dielektrikums ändert. Die Tunneldiode wird dann bei niedrigeren Spannungen als derjenigen ausgelesen, die zu dem Schaltfeld der remanenten Polarisation gehört.
  • Fig. 4 zeigt Schreib-Lese-Zyklen der Tunneldiode. Die Zeit t ist auf der horizontalen Achse und der Strom I durch die Tunneldiode auf der vertikalen Achse aufgetragen. Zum Zeitpunkt t = 0 wird ein positiver Spannungsimpuls mit einem derartigen Wert an die Elektroden angelegt, dass das Schaltfeld des Dielektrikums 3 überschritten wird, so dass die Polarisationsrichtung parallel zum elektrischen Feld für positive Spannungen an den Elektroden ist (Kurve 6, Fig. 3). Zum Auslesen des Schaltzustandes der Tunneldiode wird eine Rechteckspannung mit einer Amplitude zwischen 0 und +Vt an die Elektroden 1, 2 angelegt (siehe Fig. 3). Ein vergleichsweise starker Strom fließt dann durch die Tunneldiode. Die Tunneldiode ist geschlossen. Zum Zeitpunkt t = ts wird ein negativer Spannungsimpuls mit einem derartigen Wert an die Elektroden angelegt, dass das Schaltfeld des Dielektrikums 3 überschritten wird, so dass die Polarisationsrichtung antiparallel zu dem elektrischen Feld für positive Spannungen an den Elektroden ist (Kurve 5, Fig. 3). Zum Auslesen des Schaltzustandes der Tunneldiode wird eine Rechteckspannung mit einer Amplitude zwischen 0 und +V~ an die Elektroden 1, 2 angelegt (siehe Fig. 3). Ein vergleichsweise schwacher Strom I fließt dann durch die Tunneldiode. Die Tunneldiode ist geöffnet.
  • Das Dielektrikum kann vergleichsweise dick sein, wenn sogenannte Haftstellen in dem Dielektrikum vorhanden sind, durch die Elektronen durch das Dielektrikum tunneln können ("trap assisted tunnelling"). Ein derartiges Dielektrikum ist jedoch schwierig herzustellen. Die Dicke des Dielektrikums liegt vorzugsweise unter 10 nm (100 Å). Die Tunnelung von Elektronen durch das Dielektrikum 3 ist dann bei vergleichsweise niedrigen Spannungen ohne die Hilfe von Haftstellen möglich.
  • Der Wert und die Richtung der remanenten Polarisation stärken oder schwächen den Einfluss eines zwischen den Elektroden 1, 2 anzulegenden elektrischen Feldes und beeinflussen somit die Barriere und den Tunnelstrom. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Tunneldiode verwendet, in der die beiden Elektroden 1, 2 die Form von zwei ebenen, parallelen Platten haben. Erfindungsgemäß ist die Richtung 4 der größten Komponente der remanenten Polarisation im Wesentlichen parallel zu diesen Platten. Die Richtung 4 der remanenten Polarisation ist dann parallel oder antiparallel zu dem elektrischen Feld. Die Auswirkung der Polarisation auf den Wert der Barriere ist dann am größten.
  • Einen zusätzlichen Vorteil erzielt man, wenn das ferroelektrische Dielektrikum 3 epitaxial auf eine Elektrode 1 aus monokristallinem, metallisch leitendem Oxid aufgebracht wird. Das Dielektrikum 3 ist dann so ausgelegt, dass der Wert der remanenten Polarisation am größten ist, während die Polarisationsrichtung 4 parallel zu dem zwischen den Elektroden 1, 2 anzulegenden Feld ist. Die metallisch leitenden Oxidschichten enthalten beispielsweise monokristalline Werkstoffe wie Lanthan-Strontium-Kobalt-Oxid, Strontium-Ruthenat, Strontium-Vanadat oder indiumdotiertes Zinnoxid. Die Elektrode 1 aus metallisch leitendem Oxid und das ferroelektrische Dielektrikum 3 werden durch standardmäßige Verfahren, wie beispielsweise Impulslaserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD), Sputtern, Molekularstrahl-Epitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) oder metallorganisches Abscheiden aus der Gasphase (metal organic chemical vapour deposition, MOCVD), hergestellt.
  • Die Werkstoffe können auf ein amorphes Substrat 15 aufgebracht werden. Die metallisch leitende Elektrode 1 wird jedoch vorzugsweise auf ein monokristallines Substrat 15 aufgebracht. Die monokristallinen Substrate weisen vorzugsweise eine annehmbare Passung (Gitterversetzung +-10%) mit den verwendeten leitenden Oxiden der Elektrode 1 und dem ferroelektrischen Dielektrikum 3 auf. Es ist dann vergleichsweise einfach, ein ferroelektrisches Dielektrikum 3 epitaxial zu schaffen. Beispiele für Werkstoffe, die als monokristallines Substrat 15 verwendet werden können, sind Strontiumtitanat, Magnesiumoxid, Magnesium-Aluminium-Oxid oder Lithiumniobat. Es können jedoch auch Substrate aus Silizium- oder Galliumarsenid mit geeigneten Pufferschichten, wie beispielsweise Pr&sub6;O&sub1;&sub1; oder CeO&sub2;, verwendet werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Tunneldiode wird folgendermaßen hergestellt. Ein monokristalliner Strontiumtitanatkristall wird für das Substrat 15 verwendet. Ein derartiger Kristall verfügt über eine annehmbare Passung (1,5%) im Vergleich zu dem für die Elektrode 1 verwendeten Strontiumruthenat. Das Strontiumruthenat wird bei 650ºC in einer Sauerstoffatmosphäre mit 0,2 mbar durch PLD aufgebracht. Eine 8 nm (80 Å) dicke Schicht aus monokristallinem Blei-Zirkon-Titanat (PZT) wird als ferroelektrisches Dielektrikum 3 in der gleichen Art wie das Strontiumruthenat auf die Elektrode 1 aufgebracht. Eine typische Zusammensetzung von durch das obengenannte Verfahren hergestelltem Blei-Zirkon-Titanat ist PbZr0,05Ti0,95O&sub3;. Die Schicht 3 hat dann eine epitaxiale Struktur. Die remanente Polarisation beträgt ca. 75 uC/m². Eine zweite Schicht aus Strontiumruthenat wird so aufgebracht, dass sie die zweite Elektrode 2 auf der Blei-Zirkon-Titanat-Schicht 3 in der gleichen Weise wie für die Elektrode 1 bildet. Die Elektrode 2 und das Dielektrikum 3 werden dann mittels eines standardmäßigen Lithographieverfahrens und durch Ätzen, d.h. einen RIE-Prozess (reactive ion etching) oder Ar-Ionenätzen strukturiert. Die Struktur wird in die Elektrode 1 durchgeätzt.
  • Eine Tunneldiode, wie in Fig. 1 gezeigt, wurde dann mit Strontiumruthenat-Elektroden 1, 2 und einem 8 nm (80 Å) dicken Blei-Zirkon-Titanat-Dielektrikum 3 hergestellt. Die Schaltpunkte 8, 10 aus Fig. 3 liegen in einem derartigen Bauelement bei ca. 0,1 V.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tunneldiode enthält das Dielektrikum 3 mehrere ferroelektrische Werkstoffe, die die Richtung ihrer remanenten Polarisation bei unterschiedlichen elektrischen Schaltfeldern ändern. Die Tunneldiode verfügt dann über mehr als zwei Schaltzustände. Fig. 5 zeigt eine Tunneldiode, in der das Dielektrikum 3 auf einer ersten Elektrode in Form von zwei Schichten 3, 6 mit unterschiedlichen ferroelektrischen Eigenschaften aufgewachsen wurde. Auf diesem Dielektrikum 3, 6 wird eine zweite Elektrode 2 geschaffen. Als Beispiel wird wieder ein Strontium-Titanat-Substrat 15 mit einer ersten Elektrode 1 aus Strontiumruthenat genommen. Eine 5 nm (50 Å) dicke Blei-Zirkon-Titanat-Schicht 3 wird in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel auf die Elektrode 1 aufgebracht. Eine zweite ferroelektrische Schicht 6 aus Blei-Zirkon-Titanat wird auf diese Schicht 3 in der für das Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Art aufgebracht, wobei die Zusammensetzung in bekannter Weise so gewählt wird, dass verglichen mit der Blei-Zirkon-Titanat- Schicht 3 ein anderes Schaltfeld und eine remanente Polarisation in dieser Schicht erzielt wird. Das Dielektrikum 3 hat ein Schaltfeld von 100 kV/cm und eine remanente Polarisation von 75 uC/cm². Das Dielektrikum 6 weist ein Schaltfeld von 30 kV/cm und eine remanente Polarisation von 25 uC/cm² auf. Eine derartige Tunneldiode besitzt vier Schaltzustände in Abhängigkeit von den Richtungen der remanenten Polarisation der Dielektrika. Wenn wir die Polarisationsrichtung 4 mit -> und < - für eine von der Elektrode 1 zur Elektrode 2 bzw. umgekehrt gerichtete Polarisation angeben, sind die vier Schaltzustände: Nr. 1: Dielektrikum 3 -> Dielektrikum 6 -> ; Nr. 2: Dielektrikum 3 -> Dielektrikum 6 < -; Nr. 3: Dielektrikum 3 < - Dielektrikum 6 -> ; Nr. 4: Dielektrikum 3 < - Dielektrikum 6 < -. Haben die remanenten Polarisationen den gleichen Wert, existieren nur drei Schaltzustände; die Schaltzustände Nr. 2 und 3 sind identisch. Die Tunneldiode kann alternativ mehr als zwei unterschiedliche ferroelektrische Dielektrika aufweisen. In diesem Fall verfügt die Tunneldiode über entsprechend mehr Schaltzustände.
  • Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Tunneldiode eine Elektrode 1 enthält, auf die ein ferroelektrisches Dielektrikum 3 mit einer Elektrode 2 mehr als einmal aufgebracht wurde, so dass die Tunneldiode eine Anzahl von in Reihe geschalteten Bauelementen 20 umfasst. Da das Dielektrikum 3 vergleichsweise dünn ist, damit ein Tunnelstrom fließen kann, kann aufgrund von "Pinholes" manchmal ein Kurzschluss zwischen den Elektroden in einem Dielektrikum 3 zwischen zwei Elektroden 1, 2 oder 2, 2 auftreten. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn die Dicke des Dielektrikums geringer als 2 nm (20 Å) ist. Bei einem einzigen Dielektrikum 3 bewirkt ein Kurzschluss zwischen den Elektroden den Ausfall der Tunneldiode. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Tunneldiode ist die Existenz von "Pinholes" in einem einzigen Dielektrikum 3 nicht mehr verhängnisvoll für die Tunneldiode. Die Zuverlässigkeit der Tunneldiode nimmt daher zu. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, dass die Schaltspannung des Bauelements n-mal höher als die Schaltspannung einer Tunneldiode mit einem Bauelement 20 ist. Die Tunneldiode kann somit an eine gewünschte Schaltspannung angepasst werden.
  • Da zwei unterschiedliche Schaltzustände gewünscht sind, enthalten die Dielektrika 3 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6 unterschiedliche ferroelektrische Werkstoffe, die die Richtung ihrer remanenten Polarisation bei unterschiedlichen elektrischen Schaltfeldern ändern. Die Tunneldiode verfügt dann über mehr als zwei Schaltzustände. Eine Tunneldiode umfasst dann beispielsweise eine Anordnung, wie MFMF'M oder M(FMF'M)n, wobei F und F' ferroelektrische Werkstoffe sind, die die Richtung ihrer remanenten Polarisation bei unterschiedlichen elektrischen Schaltfeldern ändern, und M eine Elektrode darstellt, während der Index n anzeigt, dass die Kombination aus ferroelektrischen Dielektrika und Elektroden n-mal wiederholt wird, wodurch eine Reihenschaltung aus Bauelementen entsteht. In Abhängigkeit von dem Wert und der Richtung der remanenten Polarisationen der ferroelektrischen Dielektrika F und F', nimmt der Tunnelstrom zu oder ab, so dass die Tunneldiode dann über mehr als zwei Schaltzustände verfügt. Die in Bezug auf das Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 beschriebenen ferroelektrischen Dielektrika können auch bei diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden.
  • Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Speicherelement, das eine erfindungsgemäße Tunneldiode enthält. Bekannte Speicherelemente enthalten viele Kapazitäten, wobei der Wert der Ladung auf den Kapazitäten ein Maß für die Informationen ist. Das Auslesen aus bekannten Speicherelementen ist schwierig. Während des Auslesens wird eine gewisse Spannung an eine Kapazität angelegt und danach die zur Kapazität fließende Ladung gemessen. Der Wert dieser Ladung ist ein Maß für die Ladung, die in der Kapazität vorlag. Nach dem Auslesen sind die ursprünglich vorhandenen Informationen verschwunden, so dass sie erneut in die Kapazität geschrieben werden müssen. Bei einem erfindungsgemäßen Speicherelement wird während des Auslesens eine Spannung an das Speicherelement angelegt und danach der durch das Bauelement fließende Strom gemessen (siehe Fig. 4). Das Messen eines Stromes ist wesentlich einfacher als das Messen einer Ladung. Die Informationen in dem Speicherelement werden durch das Auslesen nichtbeeinträchtigt. Der Auslesevorgang für ein erfindungsgemäßes Speicherelement ist daher wesentlich einfacher als der Vorgang für ein bekanntes Speicherelement.
  • In der Praxis wird ein Speicherelement von einem Speicherzustand in einen anderen umgeschaltet, indem ein Spannungsimpuls mit einem derartigen Wert an das Dielektrikum angelegt wird, dass sich die remanente Polarisation des Dielektrikums oder, falls mehrere Dielektrika existieren, eines der Dielektrika ändert. Das Speicherelement wird dann durch Messen des Stroms durch die Tunneldiode bei Spannungen ausgelesen, die niedriger als die zu dem Schaltfeld der remanenten Polarisation des Dielektrikums 3 gehörigen Spannung sind.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. Somit können anstelle einer einzigen Tunneldiode viele Tunneldioden auf dem Substrat 15 vorhanden sein, während neben den Tunneldioden auch weitere Bauelemente, wie Transistoren, Widerstände oder Kondensatoren existieren können. Mit anderen Worten: Die Tunneldiode kann Teil einer integrierten Schaltung sein.
  • Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf symmetrische Tunneldioden. Alternativ können jedoch andere Werkstoffe für die Elektrode 1 und die Elektrode 2 verwendet werden, beispielsweise ein leitendes Oxid für die Elektrode 1 und ein Metall für die Elektrode 2. Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer derartigen Tunneldiode ist asymmetrisch.
  • Das ferroelektrische Dielektrikum kann mit nichtferroelektrischen Werkstoffen kombiniert werden. Somit kann das Dielektrikum 3 eine dünne Schicht aus ferroelektrischem Werkstoff und zusätzlich eine dünne isolierende oder halbleitende Schicht enthalten. Der Spannungspegel, bei dem das Umschalten erfolgt, oder die Auswirkung der Umschaltung, d.h. der Wert des Stromes durch die Tunneldiode, kann dadurch beeinflusst werden. Es ist ferner möglich, das ferroelektrische Dielektrikum mit einem antiferroelektrischen Dielektrikum zu kombinieren. Auf diese Weise können zusätzliche Schaltzustände für die Tunneldiode geschaffen werden. Die Tunneldiode kann ferner als Bauelement eines Tunneltransistors eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise eine erfindungsgemäße Tunneldiode, dargestellt durch MFM (mit M: Elektrode 1, F: ferroelektrische Dielektrika, M: Elektrode 2) mit einem MIM (mit I: isolierendes Dielektrikum) zu einem Tunneltransistor kombiniert werden, dargestellt durch M&sub1;FM&sub2;IM&sub3;, wobei auf einer erfindungsgemäßen Tunneldiode ein zusätzliches Dielektrikum und eine dritte Elektrode aufgebracht werden. Die Elektrode 2(M&sub2;) der erfindungsgemäßen Tunneldiode ist dann gleichzeitig eine Elektrode des MIM. Es wird somit ein Tunneltransistor geschaffen, bei dem der Emitteranschluss durch M&sub1;, die Elektrode 1 des MFM, der Basisanschluss durch M&sub2;, die Elektrode 2 des MFM, die gleichzeitig eine Elektrode des MIM bildet, und der Kollektoranschluss durch M&sub3;, die weitere Elektrode des MIM, gebildet werden. Es ist ferner möglich, die erfindungsgemäße Tunneldiode mit p- oder n-leitenden Halbleiterbereichen zu kombinieren. Es entsteht dann eine MFPNM-Struktur, wobei P und N ein p- bzw. ein n-leitender Halbleiterwerkstoff sind. In diesem Fall fungiert die Elektrode 1 als Emitteranschluss, der p-leitende Bereich als Basis und der n-leitende Bereich als Kollektor. Die obengenannten Tunneltransistoren besitzen eine Speicherfunktion, d.h. sie können gewisse Schaltzustände halten.

Claims (8)

1. Tunneldiode mit zwei metallisch leitenden Elektroden (1, 2) mit einem dazwischen liegenden isolierenden Werkstoff (3), der eine Barriere mit einer Barriereebene für Elektronen bildet und eine Dicke aufweist, die es Elektronen ermöglicht, durch die Barriere von der einen (1) zur anderen (2) Elektrode (1, 2) bei einer Spannung zu tunneln, die höher als eine Schwellenspannung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Werkstoff (3) zwei oder mehr Schichten (3, 6) aus unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffen enthält, deren entsprechende Richtungen ihrer remanenten Polarisation sich bei unterschiedlichen elektrischen Feldern ändern.
2. Tunneldiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Schichten (3, 6) aus unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffen unter 10 nm (100 Å) liegt.
3. Tunneldiode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Schichten (3, 6) aus unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffen über 2 nm (20 Å) liegt.
4. Tunneldiode nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass die Richtung der größten Komponente der remanenten Polarisation der unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffe senkrecht zu den leitenden Elektroden steht.
5. Tunneldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (3, 6) aus unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffen epitaxial zur ersten leitenden Elektrode (1) aufgebracht sind, und dass die erste leitende Elektrode (1) ein monokristallines, metallisch leitendes Oxid enthält.
6. Tunneldiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste metallisch leitende Elektrode (1) auf einem monokristallinen Substrat (15) aufgebracht ist.
7. Tunneldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten leitenden Elektrode (1) ein Stapel aus Schichten vorliegt, der abwechselnd zwei oder mehr Schichten (3, 6) aus unterschiedlichen ferroelektrischen Werkstoffen gefolgt von einer leitenden Elektrode (2) enthält, wobei die letzte leitende Elektrode (2) des Stapels die zweite leitende Elektrode (2) bildet.
8. Speicheranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranordnung eine Tunneldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
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