-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine ferroelektrische Datenverarbeitungsvorrichtung,
insbesondere zum Verarbeiten und/oder Speichern von Daten mit aktiver
oder passiver elektrischer Adressierung, umfassend ein Datenträgermedium
in der Form eines Dünnfilms
aus ferroelektrischem Material, wobei das ferroelektrische Material
durch ein aufgebrachtes elektrisches Feld einen ersten oder einen
zweiten Polarisierungszustand erreichen kann, indem es von einem
ungeordneten Zustand zu einem der Polarisierungszustände oder
von dem ersten zu dem zweiten Polarisierungszustand oder umgekehrt
geschaltet wird, wobei das ferroelektrische Material Verknüpfungselemente
umfasst, wobei ein einem Verknüpfungselement
zugewiesener Polarisierungszustand einen logischen Wert des Verknüpfungselements
darstellt, wobei der ferroelektrische, dünne Film als Schicht vorgesehen
ist, wobei eine erste und eine zweite Elektrodenstruktur jeweils
im Wesentlichen zueinander parallele streifenartige Elektroden aufweisen,
derart, dass die Elektrodenstrukturen in ihrem Verhältnis zueinander
eine im Wesentlichen orthogonale x,y-Matrix bilden, wobei die Elektroden
in der ersten Elektrodenstruktur die Spalten der Elektrodenmatrix
oder die x-Elektroden und die Elektroden in der zweiten Elektrodenstruktur
die Zeilen der Elektrodenmatrix oder die y-Elektroden bilden, wobei
ein Bereich des ferroelektrischen, dünnen Films an der Überlappung
zwischen einer x-Elektrode und einer y-Elektrode der Elektrodenmatrix
ein Verknüpfungselement
derart bildet, dass die Verknüpfungselemente
gemeinsam eine elektrisch angeschlossene passive Matrix in der Datenverarbeitungsvorrichtung
bilden.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
der ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung sowie ein Verfahren
zum Auslesen bei der Adressierung von Verknüpfungselementen in einer ferroelektrischen
Datenverarbeitungsvorrichtung, insbesondere einer ferroelektrische
Datenverarbeitungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, worin das Verfahren
ein Protokoll zum Auslesen unterstützt und Schritte für das jeweilige
Auslesen, Verifizieren und Rücksetzen
umfasst.
-
Schließlich betrifft
die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung.
-
Ganz
allgemein betrifft die Erfindung Datenverarbeitungsvorrichtungen
mit Verknüpfungselementen, die
in einem ferromagnetischen Material implementiert sind. Es darf
unterstellt werden, dass das Phänomen der
Ferroelektrizität
in diesem Zusammenhang Fachleuten bekannt ist, da das Gebiet umfänglich in
der Literatur behandelt ist, beispielsweise in J. M. Herbert, Ferroelectric
Transducers and Sensors, Gordon and Breach, 1982, wo auf den Seiten
126 bis 130 vorgeschlagen wird, einen ferroelektrischen Speicher
zu verwenden, der auf Einkristallen aus Bariumtitanat basiert, die
zwischen orthogonalen Elektroden in einer x,y-Elektrodenmatrix vorgesehen
sind. Der Autor zieht die Schlussfolgerung, dass es in Verbindung
mit der Verwendung von ferroelektrischen Einkristallen für die Informationsspeicherung
auf diese einfache Weise beträchtliche
praktische Schwierigkeiten gibt. Hinsichtlich kürzlich veröffentlichter Übersichtsliteratur
kann Bezug auf R. G. Kepler und R. A. Anderson, Advances in Physics,
Band 41, Nr. 1, Seiten 1 bis 57 (1992), genommen werden.
-
Um
die Entwicklung von ferroelektrischen Speichern in einem historischen
Zusammenhang zu erläutern,
kann Bezug auf eine Abhandlung von W. J. Merz und J. R. Anderson
mit dem Titel "Ferroelektric
Storage Devices",
genommen werden, die im September 1955 veröffentlicht wurde (Bell Lab.
Records, 1: 335–342 (1955))
und die die Verwendung von anorganischen ferroelektrischen, kristallinen
Materialien, insbesondere von Bariumtitanat, in Speicher- und Schaltvorrichtungen
offenbart. Die Autoren schlagen insbesondere eine ferroelektrische
Speichervorrichtung vor, die auf diesem Material basiert, wobei
letzteres als planare 50 bis 100 μm
dicke Platte zwischen sich überlappenden
Sätzen
paralleler Elektroden vorgesehen ist, wobei ein Satz der Elektroden
zu den Elektroden des anderen Satzes orthogonal ist und so in Bereichen
des ferroelektrischen Materials zwischen den überlappenden Elektroden ferroelektrische
Speicherzellen gebildet werden. Sie offenbaren also eine ferroelektrische
Vorrichtung mit einer passiven Elektrodenmatrix zum Adressieren
(siehe 10 ihrer Abhandlung), wobei
sie die allgemeine Anordnung aller späteren ferroelektrischen Speichervorrichtungen
mit einer Adressierung auf der Basis einer Matrix vorwegnehmen.
Sie deuten sogar die Verwendung von Transistoren zum Schalten an,
aber die Bildung einer aktiven Speicherzelle mit einem Schalttransistor
und ausreichend kleiner Abmessung wäre vor dem Aufkommen von beispielsweise
integrierten Feldeffekttransistoren kaum praktikabel gewesen.
-
Wie
vorstehend erwähnt,
ist das Datenträgermedium
ein ferroelektrisches Material in der Form eines dünnen Films.
Solche ferroelektrischen Dünnenfilme,
die entweder anorganische, keramische Materialien, Polymere oder
Flüssigkristalle
sein können,
sind seit einiger Zeit bekannt, und es wird in diesem Zusammenhang auf
den vorstehend erwähnten
Artikel von Kepler und Anderson Bezug genommen. Es sind beispielsweise
aus J. F. Scott, Ferroelectric memories, Physics World, Februar
1995, Seiten 46 bis 50, Datenspeichervorrichtungen auf der Grundlage
von ferroelektrischen Speichermaterialien bekannt. Sie haben alle
gemeinsam, dass mindestens ein Transistor in jeder Bitposition oder
Speicherzelle notwendig ist. Bei den üblichsten Ausführungsformen
wird das ferroelektrische Material als Dielektrikum in der zugehörigen Speicherschaltung
verwendet und umfasst einen bitspeichernden Kondensator. Aufgrund
der hohen dielektrischen Konstante ferroelektrischem Materialien
kann der Kondensator sehr viel kleiner ausgeführt werden als es sonst möglich wäre, und diese
sorgt zusätzlich
für eine
ziemlich überlegene
Ladungs-Lebenszeit.
Vor kurzem hat sich die Entwicklung auf eine andere Eigenschaft
ferroelektrischer Materialien konzentriert, nämlich ihre Fähigkeit,
elektrisch polarisiert zu werden, wenn sie kurz einem starken elektrischen
Feld ausgesetzt werden. Während
des Polarisierungsprozesses erreichen die Dipole des ferroelektrischen
Materials eine bevorzugte Orientierung, und das ist etwas, was zu
einem makroskopischen Dipolmoment führt, das nach dem Entfernen
des polarisierenden Felds aufrechterhalten bleibt. Indem so das
ferroelektrische Material in der Gatterelektrodenstruktur eines
Feldeffekttransistors in der Speicherzellenschaltung aufgenommen
wird, können
die Transkonduktanzcharakteristiken der Transistoren durch Steuern
des Polarisierungszustands des ferroelektrischen Materials gesteuert
werden. Der letztere kann beispielsweise durch polarisierende Felder
mit einer Richtung geschaltet werden, die entweder einen Transkonduktanzzustand "Ein" oder "Aus" im Transistor bewirkt.
-
Das
EP Patent Nr. 0 721 189 offenbart einen ferroelektrischen Speicher
mit in einer Elektrodenmatrix vorgesehenen, diskreten Speicherzellen.
Zusätzlich
zu einem diskreten, ferroelektrischen Kondensator umfasst jede Speicherzelle
auch Schaltmittel, vorzugsweise in der Form mindestens eines Transistors.
Die diskreten Speicherzellen bilden folglich keine passive Matrix.
Unter diskreten Speicherzellen soll hier verstanden werden, dass
der ferroelektrische Kondensator durch eine diskrete Komponente
derart gebildet ist, dass das ferroelektrische Material keine kontinuierliche
Schicht in der Matrix bilden kann. Es sind getrennte Daten- und Auswahlleitungen
vorgesehen, und das Auslesen einer gespeicherten Dateninformation
kann in der Strom- oder Spannungsbetriebsart auf Datenleitungen,
die für
diesen Zweck vorgesehen sind, stattfinden, jedoch gemäß einem
relativ komplizierten Protokoll, wie es beispielsweise im Patentanspruch
6 offenbart ist. Es muss auch bemerkt werden, dass die Anzahl von
Speicherzellen, die in einer Datensignalleitung verbunden sind, eingestellt
werden muss, um während
des Auslesens parasitäre
Kapazität
an jeder Datensignalleitung aufzunehmen bzw. anzupassen, derart,
dass die Spannungsänderung
in einer der Datensignalleitungen auf ein Minimum herabgesetzt wird.
-
Das
US-Patent Nr. 5,592,409 betrifft einen nichtflüchtigen, ferroelektrischen
Speicher, bei dem Daten ohne Zerstörung ausgelesen werden können. Die
Speicherzellen sind in einer aktiven Matrix enthalten und sind darin
als Transistorstrukturen ausgebildet, wobei die Gatterelektrode
eine der Elektroden in einem ferroelektrischen Kondensator bildet.
Es ist ersichtlich, dass die ferroelektrischen Kondensatoren diskrete
Komponenten sind. Die Polarisierung des Kondensators findet auf
eine wohlbekannte Weise statt; jedoch ist es aufgrund des Auslesens,
das in der Strombetriebsart stattfindet, der Drainstrom, der detektiert
wird, und zwar um zu verhindern, dass die gespeicherten Daten gelöscht werden.
-
Selbst
wenn die Verwendung von ferroelektrischen Materialien wie vorstehend
erwähnt
für die
Speicherung von Daten beträchtliche
Verbesserungen im Verhältnis
zu alternativen Technologien darstellt, ist der grundlegenden Aufbau
von Speichern auf ferroelektrischer Basis auf die Verwendung von
aktiven Mikroschaltungen gerichtet, die in jeder Speicherzelle enthalten
sind. Dies hat negative Auswirkungen auf die erzielbare Datenspeicherdichte,
d. h. die Anzahl der Bits, die auf einem gegebenen Oberflächenareal
gespeichert werden können,
wie auch auf die Kosten für
jedes gespeicherte Bit, was teilweise auf die komplizierte Herstellungstechnologie
und die Verwendung aktiver halbleitender Komponenten zurückgeführt werden
könnte.
-
In
jüngster
Zeit wurden Vorschläge
einer Rückkehr
zu ferroelektrischen Speichervorrichtungen gemacht, die als Speicherzellenanordnung
in einer passiven Elektrodenmatrix ausgestaltet sind. So offenbart
das US-Patent Nr. 5,329,485 (Y. Isono & al.), auf das sich der Oberbegriff
von Anspruch 1 stützt,
ein Speicherelement und eine Matrixspeicherzellenanordnung mit Speicherzellen,
die jeweils ein bipolares Schaltelement mit nichtlinearer Leitfähigkeit
aufweisen, das durch eine Mehrschichtenstruktur gebildet ist, die
Schreib-/Leseoperationen eines Polarisierungszustands an einem ferroelektrischen
Körper
durchführt,
der ein Aufzeichnungsmedium der Speicherzelle darstellt. Das Schaltelement
besitzt die Form eines isolierenden Films, der als Schaltelement
wirkt, um Ladungen in einem ladungsakkumulierenden, ferroelektrischen
Kondensator zu akkumulieren, der die eigentliche Speicherzelle bildet.
Der isolierende Film, der insbesondere ein Polyimidfilm sein kann,
gestattet es, dass ein direkter Tunnelstrom fließt, wenn eine Spannung, die
einen vorbestimmten Wert übersteigt,
an den isolierenden Film angelegt wird. Wenn die Spannung abgeschaltet
wird, gewinnt der Film seine isolierende Eigenschaft zurück und hält die Ladungen
dadurch aufrecht, dass er deren Abfließen verhindert. Gemäß Isono & al. soll der
Film nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften aufweisen und für eine hohe
Schreibgeschwindigkeit ohne eine hohe Betriebsspannung sorgen, da
ein großer
Teil des Antriebsstroms des isolierenden Films ein direkter Tunnelstrom
ist. Dies ermöglicht
auch eine hohe Integrationsdichte der Speicherzellen, während der
Schaltfilm, der eine Diodengrenz- oder -sperrschicht in der Speicherzelle
bildet, ein Nebensprechen zwischen den Zellen verringert.
-
Das
US-Patent Nr. 5,375,085 offenbart ein weiteres Beispiel eines ferroelektrischen
Speichers in der Form einer ferroelektrischen, integrierten Schaltung,
die mit einer passiven Elektrodenmatrix realisiert ist, wobei eine
ferroelektrische Schicht zwischen den Elektrodensätzen, die
die im Wesentlichen orthogonale Matrix bilden, vorgesehen ist. Wie üblich, ist
die Speicherzelle im Bereich der ferroelektrischen Schicht zwischen
der überlappenden
Elektrode eines jeden Elektrodensatzes gebildet. Indem eine Isolierschicht über der
Elektrodenmatrix vorgesehen ist, kann eine zweite Elektrodenmatrix
auf der ersteren angeordnet werden usw., wodurch so eine gestapelte
Struktur gebildet wird, die eine volumetrische, dreidimensionale,
ferroelektrische, integrierte Schaltung mit einer passiven Matrixadressierung
bildet. Dies ist jedoch bereits aus dem vorstehend erwähnten US-Patent
Nr. 5,329,485 bekannt, siehe beispielsweise Spalte 14, Z. 31–36.
-
Des
weiteren könnte
auch erwähnt
werden, dass das Adressieren einer passiven Matrix für den Fall ferroelektrischer
Flüssigkristallelemente
natürlich
gut bekannt ist, wo es beispielsweise bei Flüssigkristallanzeigen verwendet
wird. In dieser Hinsicht kann beispielsweise auf das US-Patent 5,500,749
(Inaba & al.)
verwiesen werden.
-
Es
wurde auch gezeigt, dass ferroelektrische Polymermaterialien in
löschbaren
optischen Speichern verwendet werden können. Beispielsweise sind Vorrichtungen
für die
ultraschnelle, nichtflüchtige
Informationsspeicherung mit ferroelektrischen Polymeren als aktive
Speicherelemente offenbart (IBM Technical Disclosure Bulletin 37:
421–424
(Nr. 11 (1994)). Bei bevorzugten Ausführungsformen werden Poly(vinylidenfluorid)-(PVDF-)
oder PVDF-Trifluorethylen-(PVDF-TrFE-)Copolymere als ferroelektrisches
Material eingesetzt, da diese Polymere als sehr dünne Filme
erhalten werden können
und Ansprechzeiten von besser als 350 Pikosekunden besitzen. Die
ferroelektrischen Polymere können
im Gatter einer dynamischen oder statischen Standard-RAM-Anordnung
verwendet werden. Die grundlegendste Informationsspeichervorrichtung,
die vorgeschlagen wurde, besteht aus einem ferroelektrischen, dünnen Film,
wobei ein Satz paralleler leitender Elektroden an einer Seite angeordnet
ist und ein orthogonaler Satz leitender Elektroden an der anderen
Seite angeordnet ist. Die einzelnen Speicherzellen sind an den Verbindungsstellen
von sich gegenüberliegenden
Elektroden ausgebildet. Ein Stapel aus zweidimensionalen passiven
Anordnungen dieser Art kann durch wechselweises Abscheiden von leitenden
Streifen und ferroelektrischem Material hergestellt werden, um eine
dreidimensionale Anordnung aus ferroelektrischen Kondensatoren aufzubauen,
die sich leicht vertikal auf einer integrierten Schaltung mit adressierenden
Logikabfühlverstärkern stapeln
lassen und so einen volumetrischen oder dreidimensionalen, ferroelektrischen
Speicher ergeben.
-
Des
weiteren hat M. Date & al.
in dem Aufsatz "Opto-ferroelectric
Memories using Vinylidene Fluoride und Trifluoroethylene Copolymers", IEEE Trans. Electr.
Ins., Band 24, Nr. 3, Juni 1989, Seiten 537 bis 540 ein Datenmedium
vorgeschlagen, das ein mit Farbstoff dotiertes Vinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer
mit einer Dicke von 2 μm
umfasst, das auf einer sich drehenden mit ITO beschichteten Glasplatte
abgeschieden wird. Die Information wird in Form von Sequenzen positiver
und negativer Polarisationen geschrieben, die durch Bestrahlung
mit einem fokussierten Laserstrahl mit einem Durchmesser von etwa
5 μm in
Gegenwart von vorzeichensteuernden, elektrischen Feldern erzeugt
werden. Die Daten werden pyroelektrisch durch Abtasten mit einem
Laserstrahl ausgelesen. Ein Träger-/Rauschverhältnis von
48 dB wurde unter Verwendung einer sich regelmäßig wiederholenden Datenfolge
in der Form eines 0/1-Zustands mit einer Teilung von 20 μm und unter
Verwendung einer Laserenergie von 20 mW und einer Feldstärke von
25 mV/m erhalten. Die Lesegeschwindigkeit betrug dann 100 mm/s.
-
Der
Gegenstand der Erfindung ist somit die Schaffung einer einfachen
Logikarchitektur, die zur Verwirklichung von entweder bistabilen
Schaltern oder Speicherzellen in einer Datenverarbeitungsvorrichtung
verwendet werden kann, oder die Schaffung einer rein ferroelektrischen
Datenspeichervorrichtung, die die Möglichkeit bietet, eine sehr
große
Anzahl von Bits in einer Bereichseinheit zu speichern und die gleichzeitig
auf einfache Weise in einem großen
Volumen und mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann, sodass
die vorstehend erwähnten
Nachteile der bekannten Dünnfilm-Vorrichtungen
vermieden werden.
-
Erfindungsgemäß wird dieser
Gegenstand erhalten und der entsprechende Vorteil erzielt mit einer
ferroelektrischen Datenverarbeitungsanlage, wie in Anspruch 1 angegeben,
einem Verfahren zur Herstellung einer ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung,
wie in Anspruch 9 angegeben, und einem Verfahren zum Auslesen, wie
in Anspruch 12 angegeben.
-
Vorteilhafterweise
bildet ein Verknüpfungselement
einen bistabilen Schalter in einer Datenverarbeitungseinrichtung
oder eine Speicherzelle in einer Datenspeichereinrichtung.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Elektrodenstrukturen und der ferroelektrische,
dünne Film
auf einem Substrat angeordnet.
-
Erfindungsgemäß ist der
ferroelektrische Dünnfilm
vorteilhafterweise aus einem keramischen Material oder einem ferroelektrischen
Flüssigkristallmaterial
oder einem Polymer, wobei das Polymer vorzugsweise Polyvinylidenfluorid
ist, oder einem Copolymer gebildet, wobei das Copolymer vorzugsweise
ein Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymer ist.
-
Im
Verfahren zur Herstellung der ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung
ist es erfindungsgemäß vorteilhaft,
dass das Substrat aus einem kristallinen, polykristallinen oder
amorphen, halbleitenden Material, beispielsweise Silicium, gebildet
ist.
-
Vorteilhafterweise
kann eine kontinuierliche Schicht aus einem elektrisch isolierenden
Material zwischen dem Substrat und der ersten Elektrodenstruktur
aufgebracht werden, bevor die erste Elektrodenstruktur auf dem Substrat
aufgebracht wird.
-
In
einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens zum Auslesen wird die Rückstellung nach dem Lesen ohne
Verifikation durchgeführt,
indem eine Spannung entgegengesetzter Polarität zu derjenigen der Lesespannung
nur in dem Fall angelegt wird, dass im Leseschritt ein hohes Stromsignal
detektiert wird.
-
In
einer zweiten Ausführungsform
des Verfahrens für
das Auslesen wird die Rückstellung
nach dem Lesen zusammen mit der Verifikation durchgeführt, indem
eine Spannung der selben Polarität
wie derjenigen der Lesespannung nur in dem Fall angelegt wird, dass
im Leseschritt ein niedriges Stromsignal detektiert wird.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Auslesen ist es besonders bevorzugt, eine Spannung anzulegen,
die zwischen den Elektroden des Verknüpfungselements eine Feldstärke erzeugt,
die mehr als zweimal so hoch ist wie das Koerzitivfeld des ferroelektrischen
Materials. Vorteilhafterweise wird die angelegte Spannung in den
Lese- und/oder Verifikationsschritten als Sägezahnspannung oder Schwellenspannung
erzeugt.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Auslesen ist es besonders bevorzugt, dass die Stromdetektion
im Leseschritt entweder durch Abtasten im Zeitbereich oder in einem
Zeitfenster in Abhängigkeit
von der Sättigungszeitkonstante
der Polarisierung stattfindet. Vorteilhafterweise findet die Stromerfassung,
insbesondere im letzteren Fall, durch einen Pegelvergleich statt.
-
Die
Datenverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird in
einer volumetrischen Datenverarbeitungs- oder -speichervorrichtung
verwendet.
-
Die
Erfindung wird nachstehend detaillierter im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen
sowohl der Datenverarbeitungsvorrichtung als auch des Verfahrens
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt, in denen
zeigen:
-
1 eine
Ausführungsform
einer ferroelektrischen Datenverarbeitungseinrichtung gemäß Stand
der Technik in Aufsicht;
-
2 die
Datenverarbeitungseinrichtung gemäß Stand der Technik von 1 in
einem schematischen Schnitt entlang der Linie A-A von 1;
-
3a eine
Aufsicht auf ein Verknüpfungselement
der Datenverarbeitungseinrichtung gemäß Stand der Technik in 1;
-
3b schematisch
die Polarisierung des Verknüpfungselements
von 3a;
-
4 eine
Ausführungsform
der Datenverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in
Aufsicht;
-
5 die
Datenverarbeitungsvorrichtung von 4 in einem
schematischen Schnitt entlang der Linie A-A von 4;
-
6a eine
Aufsicht auf ein Verknüpfungselement
in der Datenverarbeitungsvorrichtung von 4;
-
6b schematisch
die Polarisierung des Verknüpfungselements
in der Datenverarbeitungsvorrichtung von 4;
-
7 eine
typische Hystereseschleife für
die Polarisierung eines ferroelektrischen Copolymermaterials, wie
es in der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung
verwendet wird;
-
8 ein
Diagramm des Zeitverhaltens eines aufgefundenen Ausgangssignals
aus der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung;
-
9 ein
Diagramm der Schaltcharakteristiken eines ferroelektrischen Copolymermaterials;
-
10 schematisch
und perspektivisch die Datenverarbeitungsvorrichtung der 4 als
x,y-Elektrodenmatrix mit x = y = 5; und
-
11 die
Datenverarbeitungsvorrichtung entsprechend derjenigen von 10 und
in gestapelten Schichten angeordnet, um eine volumetrische Konfiguration
zu implementieren.
-
Nachstehend
sollen Ausführungsform-Beispiele
der erfindungsgemäßen ferroelektrischen
Datenverarbeitungsvorrichtung im Zusammenhang mit Datenverarbeitungsvorrichtungen
offenbart werden, in denen das Verknüpfungselement als Speicherzellen
konfiguriert ist, d. h. in denen die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit eine
Datenspeichervorrichtung verwirklicht ist. Damit vergleichbar soll
nachstehend nur Bezug auf den Einsatz passiver elektrischer Adressierung
des einzelnen Verknüpfungselements
genommen werden. – Bevor
die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch detaillierter erörtert
wird, soll eine ferroelektrische Datenspeichervorrichtung des Stands
der Technik, wie in 1 gezeigt, kurz beschrieben
werden.
-
1 zeigt
die Datenspeichereinrichtung des Stands der Technik mit einem ferroelektrischen,
dünnen Film 1,
der zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenstruktur ausgebildet
ist. Die erste und die zweite Elektrodenstruktur bilden, wie in
der Draufsicht von 1 gezeigt, eine zweidimensionale
x,y-Matrix mit den Elektroden 2 der
ersten Elektrodenstruktur als Spalten in der Matrix oder x-Elektroden
und den Elektroden 3 in der zweiten Elektrodenstruktur
als Zeilen in der Matrix oder y-Elektroden.
Die Elektroden 2, 3 sind mit jeweiligen Treiber-
und Steuerschaltungen 5 zum Treiben der Elektroden und
der Detektion von Ausgangssignalen verbunden.
-
Die
Elektroden 2, 3 und der ferroelektrische, dünne Film
sind, wie im Schnitt in 2 entlang der Linie A-A von 1 gezeigt,
in einer Sandwichkonfiguration zwischen einem nicht gezeigten darüberliegenden
und darunterliegenden Substrat angeord net, das beispielsweise aus
kristallinem Silicium bestehen kann. Um der Klarheit willen sind
die Substrate auch in 1 weggelassen. Zwischen den
jeweiligen Substraten und den Elektroden 2, 3 und
dem ferroelektrischen, dünnen
Film 1 können
nicht gezeigte Schichten aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen
sein. Da die Substrate selbst aus Halbleitermaterial hergestellt
wurden, können die
Treiber- und Steuerschaltungen 5 in vorteilhafter Weise
integriert mit den Substraten mit einer kompatiblen Technologie
hergestellt werden, beispielsweise entlang eines Seitenrands der
Datenverarbeitungsvorrichtung wie vorgeschlagen.
-
3a liefert
eine Vergrößerung des überlappenden
Kreuzungspunkts zwischen einer x-Elektrode 2 und einer
y-Elektrode 3 sowie des aktiven Bereichs 4, der
ein Verknüpfungselement
in dem ferroelektrischen, dünnen
Film 1 bildet. Dieser aktive Bereich 4 wird, wenn
an die Elektroden 2, 3 eine Treiberspannung angelegt wird,
die ein elektrisches Feld zwischen der x-Elektrode und der y-Elektrode 3 erzeugt,
elektrisch in einer Richtung polarisiert, die durch das Vorzeichen
der Treiberspannung oder der Polarisierungsspannung bestimmt ist. Das
Verknüpfungselement 4 mit
dem aktiven Bereich in dem ferroelektrischen, dünnen Film 1 zwischen
den Elektroden 2, 3 entlang der Linie B-B in 3a wird
in 3b schematisch im polarisierten Zustand gezeigt, der
eine Polarisierung in der Richtung "nach oben" mit sich bringt, die beispielsweise
der positiven Polarisierung entsprechen kann und deshalb einen Zustand
logisch 0 oder logisch 1 in dem Verknüpfungselement 4 oder
in der Speicherzelle darstellt, das bzw. die in dem Volumen des
ferroelektrischen, dünnen
Films 1 in dem überlappenden
Kreuzungsbereich zwischen der x-Elektrode 2 und der y-Elektrode 3 gebildet
ist. Die Feststellung des Polarisierungszustands, d. h. ob er positiv
oder negativ ist, kann nun ziemlich einfach stattfinden, indem das
Verknüpfungselement 4 passiv
mit einer Spannung angesteuert wird und indem der Polarisierungszustand
durch die Ladungsübertragung
zwischen den Elektroden 2, 3 während des Ansteuerns und damit
im Strommodus als repräsentativ
für einen
bestimmten logischen Zustand im Verknüpfungselement 4 detektiert wird.
Das Ausgangssignal wird durch die Steuerschaltungen registriert
und entspricht dem Lesen des Logikwerts, der dem Verknüpfungselement 4 oder
der Speicherzelle durch seinen bzw. ihren gegenwärtigen Polarisierungszustand
zugewiesen ist. Dies soll jedoch detaillierter im Zusammenhang mit
der nachfolgenden Beschreibung des Ansteuerns der Datenverarbeitungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung erörtert werden.
-
Eine
erfindungsgemäße Datenverarbeitungsvorrichtung
ist in 4 gezeigt. Hier sind die Elektrodenstrukturen
in einer Brückenkonfiguration
realisiert, die jedoch als solche aus der NO Patentanmeldung 973390, eingereicht
am 17. Juni 1997 und auf den vorliegenden Anmelder lautend, bekannt
ist. (Die entsprechende PCT-Anmeldung NO98/00212 wurde mittlerweile
als WO 99/08325 veröffentlicht).
Wie zuvor sind die Elektroden 2, 3 in jeder Struktur übereinander
in einer matrixartigen Konfiguration und zwischen nicht gezeigten
Substraten angeordnet, die wiederum aus kristallinem Silicium bestehen
können,
wie dies durch den Schnitt in 5 entlang
der Linie A-A in 4 gezeigt ist. Im Gegensatz
zur Vorrichtung des Stands der Technik ist der ferroelektrische
Dünnfilm 1 jedoch über den
Elektrodenstrukturen vorhanden. Die Elektroden 2 der ersten Elektrodenstruktur
sind von den Elektroden 3 in der zweiten Elektrodenstruktur
elektrisch isoliert, indem eine Schicht 6 aus elektrisch
isolierendem Material an der Kreuzung zwischen den Elektroden 2, 3 vorgesehen
ist. Der aktive Bereich im ferroelektrischen, dünnen Film 1, der ja
das Verknüpfungselement 4 selbst
enthält,
erscheint daher wie in der Draufsicht von 6a und
im Schnitt in 6b entlang der Linie B-B von 6a gezeigt.
In 6b ist außerdem
die Polarisierung des aktiven Bereichs für eine 3b entsprechende
Polarisierung gezeigt, wobei jedoch die Feldlinien entlang den Seitenrändern der
Isolierschicht im aktiven Bereich gebogen sind. Die Treiber- und
Steuerschaltungen können
in Halbleitertechnologie realisiert und in dem nicht gezeigten Halbleitersubstrat
oder als separate Schaltungsmodule 5 vorgesehen sind, die
entlang der Seitenränder
der Matrix, wie durch 4 und 5 offenbart,
angeordnet sind.
-
Bei
der Herstellung der in 4 und 5 gezeigten
Ausführungsform
wird die erste Elektrodenstruktur auf einem Substrat abgeschieden
und dann mit einer isolierenden Schicht 6 abge deckt. Auf
die Oberseite der isolierenden Schicht 6 wird nun die zweite
Elektrodenstruktur derart abgeschieden, dass die erste und die zweite
Elektrodenstruktur wiederum eine zweidimensionale Matrixkonfiguration
bilden, in der die x-Elektroden 2 die Spalten und die y-Elektroden 3 die
Zeilen sind. In den Bereichen, in denen die isolierende Schicht 6 nicht von
den Elektroden 3 der zweiten Elektrodenstruktur abgedeckt
ist, wird das isolierende Material nun derart weggeätzt, dass
die Elektroden 2 in der ersten Elektrodenstruktur am Kreuzungspunkt
der Elektroden noch vollständig
von den Elektroden 3 der zweiten Elektrodenstruktur elektrisch
isoliert, jedoch im übrigen
freigelegt sind. Der ferroelektrische, dünne Film 1 wird nun über den
Elektrodenstrukturen angeordnet, bevor alle Teile außerdem möglicherweise
auch durch ein darüberliegendes
Substrat abgedeckt werden. Ansonsten ist die Ausführungsform
derjenigen, die für
die Vorrichtung des Stands der Technik in 1 und 2 gezeigt
ist, vollständig
gleich. Ein Vorteil der Ausführungsform
von 4 und 5 ist es, dass die Elektrodenstrukturen und
die dazugehörigen
Verbindungen und Treiber- und Steuerschaltungen auf beispielsweise
kristallinen Siliciumsubstraten angeordnet werden, bevor der ferroelektrische,
dünne Film
aufgebracht wird. Daher können die
unterschiedlichen Verfahrensschritte, die zur Herstellung der aktiven
Schaltungselemente in Halbleitertechnologie gehören, ohne Beeinträchtigung
des ferroelektrischen, dünnen
Films durchgeführt
werden, der beispielsweise ein Polymer mit einer begrenzten Temperaturtoleranz
sein kann.
-
Es
gibt eine Anzahl von ferroelektrischen Materialien, die für den ferroelektrischen
Dünnfilm
eingesetzt werden können.
Das ferroelektrische Material kann beispielsweise ein anorganisches,
keramisches Material wie Bleizirconattitanat, ein ferroelektrisches
Flüssigkristallmaterial
oder dünne
Filme aus Polymeren sein. Ein Fall des letztgenannten ist ein Copolymer
aus Vinylidenfluorid (VF2 oder VDF genannt) und Trifluorethylen (C2F3H, TFE genannt),
in dem der relative Gehalt jeder Komponente im dünnen Film variabel ist, um
unterschiedliche Eigenschaften zu erreichen. Solche Copolymere können typischerweise
ein niedriges Koerzitivfeld aufweisen und eine eher quadratische Hystereseschleife
zeigen als dies bei reinen Vinylidenfluoridpolymeren der Fall ist.
-
Die
Schaltcharakteristiken ferroelektrischer Polymere, die als Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymere
realisiert sind, werden in einem Aufsatz von Y. Tajitsu & al. mit dem Titel "Investigation of
Switching Characteristics of Vinyliden Fluoride/Trifluoroethylene
Copolymers in Relation to their Structures" (Japanese Journal of Applied Physics,
26, Seiten 554–560
(1987)) erörtert
und sollen als allgemeine Bezugnahme im Zusammenhang mit der nachfolgenden
Beschreibung des Adressierens bzw. Aussteuerns eines Verknüpfungselements
oder einer Speicherzelle in der erfindungsgemäßen ferroelektrischen Datenverarbeitungsvorrichtung angesehen
werden.
-
7 zeigt
die Hystereseschleife für
die Polarisierung eines ferroelektrischen, dünnen Films, der beispielsweise
aus Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymer hergestellt ist.
-
Die
Polarisierung in C/m2 ist auf der y-Achse
und die Feldstärke
zwischen den Elektroden in V/m auf der x-Achse angegeben. Der ferroelektrische
Dünnfilm
zwischen den Elektroden befindet sich anfänglich in einem ungeordneten
oder unpolarisierten Zustand und wird polarisiert, wenn eine Spannung
an die Elektroden angelegt wird, die eine Feldstärke zwischen den Elektroden
erzeugt, die größer ist
als das Koerzitivfeld des ferroelektrischen Materials. Das ferroelektrische
Material erreicht in Abhängigkeit
vom Vorzeichen der Polarisierungsspannung eine elektrische Polarisierung
mit bevorzugter Orientierung "nach
oben", die durch
den Punkt I auf der Hystereseschleife dargestellt ist oder "nach unten", die durch den Punkt
II auf der Hystereseschleife dargestellt ist. Die Polarisierungszustände I und
II können
auch zur Darstellung einer logischen 0 oder einer logischen 1 oder
umgekehrt verwendet werden. Es ist anzumerken, dass die Begriffe "positiv", negativ", "nach oben", "nach unten" selbstverständlich als
in üblicher
Weise normativ angesehen werden müssen, da sie bestimmt werden,
sobald eine Bestimmung im Hinblick darauf erfolgt ist, was als positive
oder negative Elektrode oder die Polarisierung "nach oben" oder die Polarisierung "nach unten" angesehen wird.
Eine entsprechende Übereinkunft
gilt für
die Wahl im Hinblick darauf, welcher Polarisierungszustand als logische
1 oder logische 0 angesehen werden soll, und dies sollte nicht zu
Problemen führen,
vorausgesetzt, dass ein festgelegtes Protokoll strikt beachtet wird.
-
Folglich
kann ein Verknüpfungselement
aus einem ferroelektrischen Material, das sich in einem von zwei
Polarisierungszuständen
befindet, eine logische 0 oder 1 oder eine binäre 0 oder 1 darstellen und
entweder als bistabile Schalter in einer Datenverarbeitungsvorrichtung
oder als Speicherzellen bei einer Datenspeichervorrichtung implementiert
werden. Die Polarisierung des Verknüpfungselements bis zu einem
bestimmten Zustand stellt mit anderen Worten das Schreiben von Daten
in dieses Verknüpfungselement
dar.
-
Es
darf erwähnt
werden, dass die Polarisierung von geeigneten ferroelektrischen
Materialien, die in einem Verknüpfungselement
verwendet werden, infolge der Wahl von geeigneten ferroelektrischen
Materialien und die Verwendung einer entsprechend hohen Feldstärke durch
die Polarisierungsspannung, die an die Elektroden des Verknüpfungselements
angelegt wird, bei Raumtemperatur und mit hoher Geschwindigkeit
stattfinden kann. Wenn das ferroelektrische Material als dünner Film
eingesetzt wird, beinhaltet dies eine Reihe von Vorteilen. Sobald
dem Verknüpfungselement,
d. h. dem ferroelektrischen Dünnfilm-Material
in dem Verknüpfungselement,
eine bevorzugte Polarisation verliehen wurde, dauert dieser Polarisierungszustand
bei Raumtemperatur eine unbegrenzte Zeitspanne und auf jeden Fall
viele Jahre lang an, sofern der Polarisierungszustand nicht unter
Verwendung eines Polarisierungsfelds mit entgegengesetztem Vorzeichen
umgekehrt wird. Eine Löschung
des Polarisierungszustands kann in Analogie zu einer ferromagnetischen
Entmagnetisierung stattfinden, indem man das Verknüpfungselement
durch ein cyclisches Depolarisierungsfeld führt. Ein starkes Erwärmen des
Verknüpfungselements
kann ebenfalls zu einer Zerstörung
des Polarisierungszustands führen, indem
die elektrischen Dipole ihre bevorzugte Orientierung verlieren.
-
Die
Polarisierungsrichtung entlang der Hystereseschleife während des
Anlegens eines Polarisierungsfelds ist durch die Pfeile zwischen
den Punkten I und IV und V und VI angegeben.
-
Das
Auslesen von Daten aus dem Verknüpfungselement
soll nachstehend etwas detaillierter und auch im Zusammenhang mit
der in 7 gezeigten Hystereseschleife erörtert werden.
Wiederum sollen Bezugnahmen auf Ausdrücke wie logische 0 und logische
1 oder "nach oben" oder "nach unten" vermieden werden,
und es soll nur von positiver oder negativer Polarisierung gesprochen
werden, die jeweils vom Bereich der Hystereseschleife, der sich
oberhalb der x-Achse befindet, und vom Bereich der Hystereseschleife,
der sich unterhalb der x-Achse befindet, repräsentiert wird. Falls sich das
Verknüpfungselement
nun in einem positiven Polarisierungszustand befindet, dargestellt
durch den Punkt I auf der Hystereseschleife, findet das Auslesen
statt, indem an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, die
vorzugsweise eine Feldstärke
von etwa dem Doppelten des Koerzitivfelds oder mehr erzeugt. Die
Polarisierung des Verknüpfungselements
bewegt sich dann vom Punkt I zu III, vorausgesetzt, dass die Lesespannung
ein positives Vorzeichen hat. Aufgrund der Form der Hystereseschleife,
die in diesem Fall beinahe quadratisch ist, führt eine Änderung des Polarisierungszustands von
I nach III zu einer völlig
unbedeutenden Ladungsübertragung
zwischen den Elektroden, und durch die Detektion einer Ladungsübertragung
zwischen den Elektroden in der angeschlossenen Steuerschaltung erhält man ein
sehr schwaches Stromsignal. Falls sich das Verknüpfungselement jedoch in einem
negativen Polarisierungszustand befindet, dargestellt durch den
Punkt II auf der Hystereseschleife, steigt der detektierte ausgehende
Strom beim Anlegen einer positiven Spannung an die Elektroden zum
Auslesen erst insignifikant an und liefert ansschließend einen
sehr scharf definierten Übergangs-Stromimpuls, der
den Verlauf zwischen den Punkten V und VI auf der Hystereseschleife
darstellt, wo die Ladungsübertragung
groß ist.
Zwischen den Punkten I und II auf der Hystereseschleife impliziert
der Umstand einer relativ flachen Hystereseschleife mit anderen
Worten, dass sich die Polarisierung während des Anlegens eines positiven
Spannungsfelds nur sehr wenig ändert,
während
die Änderung
beim Anlegen einer entsprechenden positiven Spannung, wenn sich
das logische Speicherelement an Punkt II auf der Hystereseschleife
befindet, eine sehr große Änderung
der Polarisierung verursacht, wobei insbesondere ein beträchtlicher
Teil der Änderung
zwischen den Punkten V und VI auf dem steilsten Bereich der Hystereseschleife
und außerdem
innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums stattfindet, und das ist etwas,
was zu dem vorstehend erwähnten,
vorübergehenden
Stromfluss als detektiertem Ausgangssignal führt. Dies macht es auch einfach,
beim Auslesen zwischen beispielsweise einer logischen 0, die durch
den Polarisierungszustand im Punkt I auf der Hystereseschleife dargestellt
ist, und einer logischen 1, die entsprechend durch den Punkt II
auf der Hystereseschleife dargestellt ist, zu unterscheiden. Die
Punkte III und IV auf der Hystereseschleife stellen den Sättigungszustand
für die
jeweilige positive und negative Polarisierung dar, und wenn das
angelegte elektrische Feld entfernt wird, fällt die Polarisierung auf der
Hystereseschleife jeweils von III auf I und von IV auf II zurück. Es sollte
selbstverständlich
klar sein, dass das Feld gemäß der hier
befolgten Konvention positiv sein muss, damit die Polarisierung
von I auf III gebracht werden kann, während es für das Verschieben der Polarisierung
vom Zustand II auf IV selbstverständlich entsprechend negativ sein
muss.
-
Es
sei hier darauf hingewiesen, dass das Auslesen oder die Detektion
des Polarisierungszustands bei II löschend ist, da das Verknüpfungselement
nach dem Auslesen in einen von Punkt III repräsentierten Polarisierungszustand
kommt und danach in den stabilen Zustand bei I zurückfällt. Falls
das Auslesen des Polarisierungszustands stattgefunden hat, als sich
das Verknüpfungselement
bereits in I befand, wird dieser Polarisierungszustand selbstverständlich beibehalten.
Nach einem Auslesen der Datenspeichervorrichtung auf der Grundlage
der erfindungsgemäßen ferroelektrischen
Speicherzellen können
die Informationen folglich als durch alle Speicherzellen in der
Speichereinrichtung, die sich in dem gleichen Logikzustand befinden,
sei dies 0 oder 1, gelöscht
erachtet werden. In der Praxis entspricht dies selbstverständlich dem
Löschen
von Informationen und muss keine negativen Folgen haben, falls die
gespeicherten Informationen nur einmal gelesen werden sollen oder
falls bei einer bestimmten Anwendung nur ein Auslesen erforderlich
ist. Falls die ursprünglichen
Informationen jedoch noch gespeichert bleiben sollen, ist allerdings
eine Rückstellung
oder Auffrischung notwendig. Dies kann dadurch stattfinden, dass
das Verknüpfungselement,
das sich ursprünglich
im Polarisierungszustand II befand, das sich jedoch nach dem Auslesen
im Polarisierungszustand I befindet, zurück in den Polarisierungszustand
II geschaltet wird, indem eine negative Spannung für das Rückstellen
und vorzugsweise mit der gleichen Feldstärke wie beim Auslesen angelegt
wird. Die Polarisierung wird dann entlang der Hystereseschleife
von I nach IV stattfinden, wo das Feld abgeschaltet wird und das
Verknüpfungselement
auf den ursprünglichen
Polarisierungzustand bei II zurückfällt. Das
Rückstellen
eines Verknüpfungselements
auf den ursprünglichen
Polarisierungszustand nach einem Auslesen, das diesen Zustand gelöscht hat,
kann automatisch durch geeignete Verifikations- und Überwachungsverfahren,
die über
die Steuerschaltungen der Datenverarbeitungsvorrichtung implementiert
werden und beispielsweise gemäß einem
Ausleseprotokoll softwaregesteuert sein können, stattfinden. Beispielsweise
wird bei der Rückstellung
des Polarisierungszustands von I auf II, mit anderen Worten dem
Schalten des Polarisierungszustands I auf den Polarisierungszustand
II, mit dem Übergang
noch einmal ein Stromsignal ausgegeben, und dieses kann dann das
Verifikationssignal bilden. Ein korrektes Auslesen des Polarisierungszustands
I kann auch entweder durch Anlegen einer Spannung mit dem entgegengesetzten
Vorzeichen an das Verknüpfungselement
und Lesen eines starken Stromsignals verifiziert werden, aber dann
wird das Verknüpfungselement
von I auf II geschaltet und muss folglich zurückgestellt werden. Mit anderen
Worten wird schnell realisiert, dass in Abhängigkeit von den anfänglichen
Polarisierungszuständen
und einer möglichen
Zerstörung
während
des Auslesens die Verwendung von Verifikationsverfahren und Rückstellverfahren
austauschbar ist. Um dies leichter zu zeigen, sei Bezug auf die
beigefügte Tabelle
genommen, die die bevorzugten Betriebsarten für das Auslesen, die Verifikation
und/oder die Rückstellung
offenbart, wobei die Polarität
der angelegten Spannung wie anwendbar angegeben ist, sowie die sich ergebenden
Stromimpulse als niedrig oder hoch bezeichnet sind in Übereinstimmung
damit, ob sich der Polarisierungszustand entlang der Schleife von
I nach III, möglicherweise
von IV nach II oder von I nach IV, möglicherweise von II nach III ändert.
-
Das
Verfahren für
das Auslesen von Daten, wie hier erörtert, wird trotz der Löschung als
sehr vorteilhaft angesehen, wenn ferroelektrische Materialien mit
einer fast quadratischen Hystereseschleife verwendet werden, wie
es der Fall bei VDF-TFE ist, da es eine zuverlässige Detektion und Verifikation
liefert und die Rückstellung
teilweise spontan oder in Kombination mit der Verifikation stattfindet.
Eine reine Niedersignalfeststellung, beispielsweise zwischen II
und V, ist in diesem Fall im Hinblick auf die Unterscheidung problematischer und
erfordert eine genaue Steuerung der Lesespannung. Falls die Hystereseschleife
im Gegenteil dazu einen sanfteren Verlauf zwischen II und V und
zwischen V und VI zeigt, kann dennoch eine Niedersignalfeststellung verwendet
und eine zuverlässige
Detektion erhalten werden, ohne dass der Sättigungszustand III erreicht
wird, während
das Fehlen einer scharfen Spannungsschwelle bei V es leicht macht,
ein löschendes
Auslesen zu vermeiden.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist die Form der Hystereseschleife, die materialabhängig ist,
für die
Antwort wichtig, die bei einem Auslesen detektiert wird. Wie die
Hystereseschleife in 7 gezeigt ist, ist es vorteilhaft, dass
die Lesespannung oder das angelegte elektrische Feld, das für die Detektion
des Polarisierungszustands verwendet wird, die Form einer Schwellenspannung
besitzt, d. h. sofort ihren Maximalwert erreicht. In Abhängigkeit
von der Polarisierungsantwort und/oder der Zeitkonstante der Polarisierung
kann die Verwendung einer Rampenspannung gerechtfertigt sein, d.
h. einer Spannung, die kontinuierlich auf den gewünschten
Maximalwert steigt, der vorzugsweise doppelt so hoch wie das Koerzitivfeld
oder etwas höher
ist.
-
-
Bei
einer passiv ansteuerbaren Elektrodenmatrix können Verschiebungsströme und hochohmige Stromkomponenten
erzeugt werden. Diese können
ein schwaches Ausgangssignal in der Strombetriebsart maskieren,
wie es bei der Detektion des Polarisierungszustands I erscheint,
während
ein Übergangs-Signal, wie
es bei der Detektion des Polarisierungszustands II erhalten wird,
klar unterscheidbar ist, da die Verschiebungsströme bei üblichen dielektrischen Materialien
linear mit der Feldstärke
variieren und bei Anlegung der Spannung unveränderlich erscheinen, was auch
der Fall bei hochohmigen Komponenten ist. Die hochohmigen Stromkomponenten
sind des weiteren vorhanden, so lange das Feld an das Verknüpfungselement
angelegt wird. Folglich ist es in jedem Fall möglich, mit einer klaren Unterscheidung
zwischen dem Polarisierungszustand I oder dem Polarisierungszustand
II zu unterscheiden. Durch die Detektion des Polarisierungszustands II
auf der Hystereseschleife und die Verwendung einer positiven Lesespannung
bewegt sich die Polarisierung von II nach III, und der ausgehende
Strom, der Verschiebungsstrom und die hochohmige Stromkomponente zeigen
eine Reaktion wie in 8 dargestellt. Der Übergang
im ausgehenden Strom erreicht eine Spitze mit einer Verzögerung Δt nach Anlegung
der Lesespannung und erscheint in einem Zeitfenster ts,
das in Abhängigkeit
vom Vorzeichen des Felds einem der beiden steilsten Bereiche der
Hystereseschleife von 7 entspricht. Wie man erkennen
kann, unterscheidet sich das Stromsignal in Relation zum Verschiebungsstrom
und die hochohmige Stromkomponente deutlich. Die Detektion kann
durch Abtasten oder als Pegelvergleich, beispielsweise im Zeitfenster
ts, stattfinden, das hier beispielsweise
zwischen V und VI auf der Hystereseschleife fällt. Die Position des Zeitfensters
auf einer Zeitskala hängt
von der Polarisierungsantwort für
eine gegebene Lesespannung und den Polarisierungseigenschaften des
ferroelektrischen Materials und den Dünnfilm-Parametern ab.
-
Ein
weiteres interessantes Merkmal bei der Verwendung eines ferroelektrischen
Materials auf der Basis von Vinylidenfluorid-/Trifluorethylen-Copolymeren
VDF-TFE ist, dass ihre Schaltcharakteristiken von der elektrischen
Feldstärke
abhängen,
d. h. von der Elektrodenspannung. Folglich beeinflusst eine hohe
Polarisierungsspannung die Schaltzeit eines Verknüpfungselements, das
in diesem ferroelektrischen Material realisiert ist, derart, dass
die Schaltzeit umso höher
ist, je höher
die elektrische Feldstärke
ist. Typische Schalteigenschaften für ein Vinyliden-/Trifluorethylen-Copolymer
sind in 9 gezeigt, in der die Beziehung
zwischen der Schaltzeit und der elektrischen Flussdichte D bzw.
ihrer Ableitung δD/δlog t für unterschiedliche
Feldstärken ausgedrückt ist,
wobei τs durch den Zeitpunkt gegeben ist, zu dem
die Ableitung ein Maximum wird. Es ist ersichtlich, dass, wenn das
Koerzitivfeld dieses Copolymers etwa 40 MV/m beträgt, eine
Feldstärke
von 100 MV/m, d. h. fast dem Zweieinhalbfachen der Koerzitivfelder,
zu einer Schaltzeit von 10–5 s führt, während die Schaltzeit
für die
Feldstärke,
die nur unbedeutend oberhalb derjenigen des Koerzitivfelds liegt,
nämlich
42 MV/m, zu einer Schaltzeit von etwa 5 s führt. Die Schaltzeit wird mit
anderen Worten durch eine solche Erhöhung der Feldstärke um 5
oder 6 Größenordnungen
verringert. Andererseits ist es aus unterschiedlichen Gründen nicht
wünschenswert,
eine zu hohe Feldstärke
zu verwenden, unter anderem deshalb, um unerwünschte Streukapazitäten oder
Kriechströme
im Matrixnetzwerk und Entladungen durch den Dünnfilm hindurch zu vermeiden.
-
Falls
die erfindungsgemäße Datenverarbeitungsvorrichtung
durch Impedanzrauschen belastet ist, ist es möglich, stromverstärkende Zeilentreiber
vorzusehen, die mit den Verknüpfungselementen
verbunden sind, um eine Rauschfestigkeit beim Treiben für das Auslesen
oder Schalten sicherzustellen. Solche Zeilentreiber könnten möglicherweise
durch die Lese-/Verifikations-/Rückstellspannung
oder über
eine getrennte Versorgungsleitung angetrieben werden.
-
Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung
gemäß 4 ist
perspektivisch in 10 gezeigt, wobei jedoch mögliche Substrate
und isolierende Schichten weggelassen sind. Sie erscheint in 10 als
Planare x,y-Elektrodenmatrix,
wobei die Verknüpfungselemente
an jedem überlappenden
Kreuzungspunkt zwischen den Elektroden 2, 3 in
der ersten und der zweiten Elektrodenstruktur gebildet sind, die
hier durch das Isoliermaterial 6 gegeneinander isoliert
sind. Eine Planare Matrixgestaltung dieser Art kann schichtweise
ge stapelt sein, um eine volumetrische (dreidimensionale) Datenverarbeitungsvorrichtung
mit k gestapelten planaren Strukturen Si,
.. Sk, wie in 11 gezeigt,
zu ergeben. Dann müssen
Schichten 7 des elektrisch isolierenden Materials zwischen
jeder planaren Struktur S vorgesehen werden, was im Schnitt grob
wie in 11 gezeigt erscheint. Die Elektroden 2, 3 können mit
nicht gezeigten Adressier- und Feststellungsleitungen, d. h. Strom-
und Spannungssammelschienen verbunden sein, die beispielsweise in
einer für diesen
Zweck hergestellten Halbleitervorrichtung entlang der Seitenränder der
volumetrischen Vorrichtung vorhanden sind oder, falls die Vorrichtung
als Hybridvorrichtung auf Siliciumsubstraten integriert ist, direkt
zu einer Treiberspannung und Steuersignalleitungen führen, die
mit Treiber- und Steuereinheiten verbunden sind, die im Siliciumsubstrat
in kompatibler Halbleitertechnologie implementiert sind. Das Aussteuern
und Detektieren kann beispielsweise in einem Zeitmultiplex oder
durch Verwendung einer Logik, die jedes einzelne Verknüpfungselement
ansteuert, stattfinden. Die Anzahl der Logikadressen ist dann das
Produkt der Anzahl der gestapelten Matrixstrukturen oder Schichten,
der Anzahl der Zeilen und der Anzahl der Spalten in jeder Matrixstruktur.
Die Anzahl der separaten Adressen ist die Summe der Anzahl der x-
und y-Elektroden in einer Schicht S und der Anzahl der Schichten
Si, .. Sk in der
Vorrichtung. Die Kombination der zeitmultiplex-basierten und logischen
Ansteuerung kann daneben auch verwendet werden, um ein massives
paralleles Ansteuern zu realisieren, das für sehr hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeiten
sorgen könnte.
In dieser Hinsicht kann auch Bezug genommen werden auf die Erörterung
von volumetrisch implementierten Datenverarbeitungsvorrichtungen,
wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung PCT/NO97/00154
der vorliegenden Anmelderin offenbart sind, oder auf die Erörterung
von gestapelten Elektrodenvorrichtungen, wie sie in der veröffentlichten
internationalen Patentanmeldung WO98/58383 der Anmelderin der vorliegenden
Anmeldung offenbart sind.
-
Es
ist für
Fachleute offensichtlich, dass die Verknüpfungselemente, die entweder
als bistabile Schalter oder als Speicherzellen realisiert sind,
verwendet werden können,
um Logikgatter zu konfigurieren, oder als Schalter in Prozessornetzwerken
und arithmetischen Registern enthalten sein können, gegebenenfalls integriert
mit den Verknüpfungselementen,
die als Speichermodule realisiert sind, oder dass die Verknüpfungselemente
alle als Speicherzellen derart realisiert sind, dass die Vorrichtung
von 11 eine volumetrische Datenvorrichtung mit einer
hohen Speicherdichte ist. Mit der Verwendung von ferroelektrischen
dünnen
Filmen ist es möglich,
Filmdicken im Bereich von etwa 100 nm und entsprechende Elektrodenabmessungen
zu erzielen, und das ist etwas, was impliziert, dass die Spannungen
zur Erzeugung der notwendigen Feldstärken im Bereich von etwa 10
Volt liegen. Auf 1 μm2 ist es dann möglich, etwa 100 Verknüpfungselemente
oder Speicherzellen zu realisieren, also etwas, was eine beträchtliche
Verbesserung der Datenspeicherdichte im Vergleich zu Datenspeichervorrichtungen
der ROM oder RAM-Typen impliziert, die auf herkömmlicher Halbleitertechnologie
basieren.
