JP5575866B2 - 電気的に作動するスイッチ - Google Patents

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Description

政府の権利に関する陳述
本発明は、米国国防総省国防高等研究事業局によって与えられた契約番号ＨＲ００１１−０５０３−０００１の下で政府の支援を受けて行なわれた。政府は本発明において特定の権利を有する。
本発明は電子スイッチに関し、より詳細には、電気的に作動するスイッチに関する。
過去１０年間に、多くの研究者たちは、分子又は分子スケールの構成要素に基づいて電子回路を構成する見込みに好奇心をそそってきた。分子エレクトロニクスの可能性は、少なくとも部分的に自己集合して有用な回路を構成することができる可能性のある専用デバイスを作り出すことによって、合成化学の能力をエレクトロニクス産業にもたらした。このような展望が、分子の電子的な特性に関する相当数の研究、及びメモリ及び論理回路の幾つかの原理が実際に可能であることを示す実証につながった。
可逆的に切り替えることができ、１０４のＯＮ／ＯＦＦコンダクタンス比を有するナノメートルスケールの交差ワイヤデバイスの切替（スイッチング）に関する研究が既に報告されている。これらのデバイスは、クロスバー回路を構成するために用いられており、超高密度の不揮発性メモリを作り出すための有望な道筋を提供する。ラッチを形成するために使用され得る交差ワイヤスイッチの直列接続も実証されている。そのようなラッチは、論理回路のための、且つ論理回路とメモリとの間で通信するための重要な構成要素である。全体をスイッチのクロスバーアレイから構成することができるか、又はスイッチ及びトランジスタから成るハイブリッド構造として構成することができる新たなロジックファミリが説明されている。これらの新たなロジックファミリは、ＣＭＯＳ回路の計算効率を劇的に高め、それによりトランジスタの小型化を必要とすることなく、性能を数桁向上させることを可能にする可能性を有するか、又は用途によっては、必要に応じて、ＣＭＯＳに取って代わる可能性さえある。しかしながら、現在製造されているデバイスの性能、特にそれらのサイクル特性を向上させることが望ましい。
電気的に作動するスイッチは、第１の電極と、第２の電極と、それらの電極間に配置される活性領域とを備える。その活性領域は、スイッチを通過する電子の流れを制御するためのドーパントとしての役割を果たすイオンを輸送し、且つ受け入れる（host）ための少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの一次活性領域と、一次活性領域（単数または複数）のためのイオンドーパントの供給源を提供するための少なくとも１つの材料を含む二次活性領域とを含むことができる。このスイッチを動作させる方法も提供される。
２つの異なる交差ワイヤを接続する固体スイッチの一例の斜視図である。 クロスバーとしても知られている、図１Ａのスイッチのアレイを示す、図１Ａに類似の図である。 ワイヤの２つのセグメントを接続する固体スイッチの一例の斜視図である。 図２のセグメント化されたワイヤ構成に基づく、例示的な電気的に作動するスイッチの構造を概略的に示す斜視図である。 図１Ａの交差ワイヤ構成に基づく、例示的な電気的に作動するスイッチの構造を概略的に示す斜視図である。 図３Ａのセグメント化されたワイヤ構成に基づく、例示的なスイッチをＯＮ状態に作動させる（又はトグルする）ための初期過程を概略的に示す斜視図である。 当該スイッチをＯＦＦ状態に作動させる（又はトグルする）ための初期過程を概略的に示す斜視図である。 ＯＦＦ状態にある例示的なスイッチの概略図である。 当該スイッチの状態の等価回路図である。 当該スイッチに関連付けられるエネルギーバンド図である。 中間状態にある例示的なスイッチの概略図である。 当該スイッチの状態の等価回路図である。 当該スイッチに関連付けられるエネルギーバンド図である。 ＯＮ状態にある例示的なスイッチの概略図である。 当該スイッチの状態の等価回路図である。 当該スイッチに関連付けられるエネルギーバンド図である。 ドーパントの動きを示す、スイッチの別の実施形態の概略図である。 ドーパントの動きを示す、スイッチの別の実施形態の概略図である。 ドーパントの動きを示す、スイッチの別の実施形態の概略図である。
詳細な説明
図面は、例示のためだけに、本発明の実施形態を示す。当業者は、以下の説明から、本明細書において説明される本発明の原理から逸脱することなく、本明細書において例示される構造及び方法の他の実施形態を利用することができることを容易に理解されよう。
定義
本明細書において用いられる場合、「接合部」に適用されるような用語「自己整合（self-aligned）」は、接合部を形成することがワイヤを交差させるという行為であるので、ワイヤのうちの一方がコーティングされ得るか、又は機能化され得る２本のワイヤが互いに交差する場合にはいつでも、その接合部がスイッチを形成し、及び／又は２本のワイヤ間に他の電気的接続を形成することを意味する。
本明細書において用いられる場合、用語「自己組織化」は、システムの構成要素の特性（identity：固有性）によって、或る幾何学的パターンを自然に採用するシステムを指している。そのシステムは、この構成を採用することによって、そのエネルギーにおいて少なくとも極小値を達成する。
用語「一度だけ構成可能」は、酸化又は還元反応のような不可逆的な過程を介して、スイッチが一度だけその状態を変更することができることを意味する。そのようなスイッチは、例えば、プログラム可能な読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）の基本素子となることができる。
用語「再構成可能」は、酸化又は還元のような可逆的な過程を介して、スイッチが何度でもその状態を変更することができることを意味する。言い換えると、そのスイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）内のメモリビットのように、何度でも開閉することができる。
用語「構成可能」は、「一度だけ構成可能」又は「再構成可能」のいずれかを意味する。
マイクロスケール寸法は、サイズが１μｍ〜数μｍの範囲にある寸法を指している。
サブミクロンスケール寸法は、１μｍ〜０．０４μｍの範囲にある寸法を指している。
ナノメートルスケール寸法は、０．１ナノメートル〜５０ナノメートル（０．０５μｍ）の範囲にある寸法を指している。
ミクロンスケールワイヤ及びサブミクロンスケールワイヤは、幅又は直径が０．０４μｍ〜１０μｍの寸法を有し、高さが数ナノメートル〜１μｍの範囲にあることができ、長さが数μｍ以上である、棒状又は帯状の導体又は半導体を指している。
クロスバーは、１組の平行なワイヤ内の各ワイヤを、第１の組のワイヤと交差する第２の組の平行なワイヤの全ての構成要素に接続することができるスイッチのアレイである（通常、２組のワイヤは互いに垂直であるが、これは必要条件ではない）。
本明細書において用いられる場合、デバイスの機能寸法は、ナノメートル単位の寸法をしている（通常５０ｎｍ未満である）が、横方向寸法は、ナノメートル単位、サブミクロン単位又はミクロン単位となる場合がある。
ナノワイヤ接合部に関する背景
図１Ａは、２つの異なる交差ワイヤ１０２、１０４を接続する固体スイッチ１００の一例を示す。スイッチ接合部１０６を用いて、２つの異なるワイヤ１０２、１０４を接続することができる。スイッチ接合部１０６は、少なくとも１つの材料１０６ａ、具体的には切替可能な分子（即ち、２つの異なる状態においてエネルギー的に相対的に安定している切替可能なセグメント又は部分を有する分子）を含むことができる。そのような分子の例は、現在、分子電子（モレトロニック（moletronic））スイッチングの分野においてよく知られている。一方又は両方のワイヤ１０２、１０４は、金属又は半導体とすることができる。多くの場合、いずれのワイヤも金属、具体的にはプラチナであり、薄いチタン層１０６ｂが、分子１０６ａ上に形成され、その後、そのチタン層上にプラチナの上側ワイヤ１０４が形成される。
図１Ｂは、図１Ａに示される複数の固体スイッチ１００を利用するクロスバーアレイ１１０を示す。図１Ｂに示されるように、概ね平行なワイヤ１０２の第１の層１１２の上に、概ね平行なワイヤ１０４の第２の層１１４が重ねられる。第２の層１１４は、その向きが第１の層１１２のワイヤに概ね垂直であるが、層間の向きの角度は異なってもよい。２つのワイヤ層は格子、即ちクロスバーを形成し、第２の層１１４の各ワイヤ１０４は、第１の層１１２の全てのワイヤ１０２の上に重なり、２本のワイヤ間の最も近い接点を表すワイヤ交差部において、第１の層の各ワイヤと接触する。スイッチ接合部１０６は、ワイヤ１０２、１０４間に配置されるように示される（図面を不明瞭にしないように、３つの係るスイッチ接合部だけが示されるが、ワイヤ１０２とワイヤ１０４との各交差部において１つのスイッチ接合部１０６が形成されることは理解されよう）。そのようなクロスバーは、用途に応じて、ミクロンワイヤ、サブミクロンワイヤ又はナノスケールワイヤから形成され得る。
図中の個々のワイヤは正方形又は長方形の断面を有するように示されるが、ワイヤは、円形、楕円形、又はさらに複雑な断面を有することもできる。ワイヤは、多くの異なる幅又は直径、及びアスペクト比又は偏心を有することもできる。用語「ナノワイヤクロスバー」は、ナノワイヤに加えて、サブマイクロスケールのワイヤ、マイクロスケールのワイヤ又はさらに大きな寸法のワイヤからなる１つ又は複数の層を有するクロスバーを指す場合がある。
図２は、ナノワイヤの２つのセグメントを接続する固体スイッチの一例である。ここでは、ナノワイヤの２つのセグメント１０２、１０４が、スイッチング接合部１０６によって接続され、スイッチング接合部１０６は、いずれも上述したようなスイッチング層１０６ａと、薄いチタン層１０６ｂとを含む。
よく知られているように、そのようなスイッチは、メモリのための（例えば、情報ビット、１又は０を記憶するための）基本素子として、又はフィールドプログラマブルゲートアレイに類似している論理回路内の構成ビットのために、クロスポイントメモリ内の閉じたスイッチ又は開いたスイッチのいずれかとして、或いはワイヤードロジックのプログラマブルロジックアレイのための基本素子として使用され得る。また、これらのスイッチは、多種多様な他の用途においても使い道がある。
電気的に作動するスイッチ
本明細書の教示によれば、マイクロスケール又はナノスケールにおいて構築され得ると共に、多種多様な電子回路内の構成要素として使用され得る改善された電気的に作動するスイッチが提供される。そのスイッチは、さらに大きなクロスバーアレイ内の２本のワイヤとすることができる、図１Ａ及び図１Ｂに示される一対の交差するワイヤのような、２本の異なるワイヤを接続するために使用され得るか、又は図２に示されるように、ワイヤに沿って電流が流れるのを許可するか又は阻止するために、１本のワイヤ内で使用され得る。
その改善されたスイッチは、上述したように、メモリ、スイッチ、並びに論理回路及び論理機能のための基本素子として使用され得る。
それらのスイッチは、以下の特性を有することができる。
（１）そのスイッチの一次活性層又は領域は、電子的に半導体であるか、又は名目的に電子的に絶縁性であり、弱いイオン伝導体でもある材料の薄膜を含む。一次活性材料は、スイッチを通る電子の流れを制御するためのドーパントとしての役割を果たすイオンを輸送し、且つ受け入れることができる。基本的な動作モードは、イオン種をイオン輸送を介して一次材料の内外に輸送させるのに十分に大きな電界（イオンが一次材料内で動くことができるようにするための或るしきい値を超えることができるドリフト電界）をスイッチにわたって印加することである。イオン種は具体的には、一次材料のための電気的なドーパントとしての役割を果たし、それにより、材料の導電率を低い導電率（即ち、ドープされない半導体又は絶縁体−スイッチＯＦＦ構成）から高い導電率（より高い導電率を与えるようにドープされる−スイッチＯＮ構成）に変更するか、又は高い導電率から低い導電率に（スイッチＯＮからスイッチＯＦＦに）変更するイオン種から選択される。さらに、一次材料及びドーパント種は、一次材料の内外にイオンがドリフトすることができるが、あまりにも容易にドリフトしないようにし、スイッチがいずれの状態に設定されるにしても、室温で適度に長い時間、おそらく数年にわたって、スイッチがその状態のままになるのを確実にするように選択される。これは、スイッチが不揮発性であることを、即ち、ドリフト電界が除去された後に、スイッチがその状態を保持するのを確実にすることである。そのスイッチは二端子デバイスであり、スイッチに高いバイアスをかけることによって、電子電流及びイオン電流の両方が流れるのに対して、低いバイアスでは、イオン電流の流れはごくわずかであり、それによりスイッチがその抵抗状態を保持することが可能になる。
（２）二次活性層、又は領域は、一次材料のためのドーパントの供給源である材料の薄膜を含む。これらのドーパントは、水素のような不純物原子、又は一次材料のための電子供与体としての役割を果たすアルカリ又は遷移金属のような、いくつかの他の陽イオン種、或いは一次材料内で帯電し、それ故に、格子のための電子供与体でもある、陰イオン空孔とすることができる。陰イオン種を一次母材の中に押しやることもでき、その陰イオン種は、電子受容体（又は正孔供与体）になるであろう。
（３）一次活性材料は薄膜（一般的には５０ｎｍ未満の厚み）にすることができ、多くの場合に、ナノ結晶性、ナノ多孔性又は非晶質性である。そのようなナノ構造化された材料内のドーパント種の移動度は、粒界、小孔、又は非晶質材料内の局所的な構造欠陥を通して拡散が生じ得るので、バルク結晶材料内よりもはるかに高い。また、その薄膜は非常に薄いので、その導電率を大きく変更するために、薄膜の局所的な領域の内外に十分なドーパントをドリフトさせるのに必要な時間は比較的短い（例えば、拡散過程に必要な時間ｔは、進行する距離の二乗として変化するので、１ナノメートル拡散するのにかかる時間は、１μｍ拡散するのに必要な時間の１００万分の１である）。
（４）スイッチング材料（一次活性材料及び二次活性材料）は、いずれかの側において金属電極又はワイヤと接触するか、或いは一方の側において半導体と、他方の側において金属と接触する。スイッチング材料に金属を接触させることによって、半導体から自由電荷キャリアが枯渇するので、実際には、その材料はドーパントの特性に依存する正味電荷、即ち供与体の場合には正の正味電荷、及び受容体の場合には負の正味電荷を有する。金属−半導体接触領域は、電気的にショットキー障壁に類似している。金属−半導体ショットキー障壁の従来の説明は、材料がナノメートルスケールにおいて構成されるので、構造的及び電気的特性が、半導体−金属接触の理論が展開されてきた長い距離にわたって平均化されないという事実によって変更される。
（５）一次活性材料の中を通る電子の伝導は、電子の量子力学的トンネル効果による。半導体材料が基本的に真性であるとき、トンネル障壁は高く且つ広いので、スイッチを介した導電率は低い（ＯＦＦ状態）。著しい数のドーパント種が半導体内に注入されているとき、トンネル障壁の幅、及びおそらく高さは、帯電した種のポテンシャルによって減少する。この結果として、スイッチの導電率が増加する（ＯＮ状態）。
（６）帯電した種が一次材料の内外に拡散する能力は、スイッチを金属電極又は半導体電極に接続する接触面のうちの１つを非共有結合にする場合に大きく改善される。そのような接触面は、材料内の空隙によって引き起こされ得るか、或いは電極、一次スイッチ材料、又はその両方との共有結合を形成しない分子材料を含む接触面の結果として生じ得る。この共有結合しない接触面は、一次材料内のイオン種のドリフトに必要とされる原子再配列の活性化エネルギーを下げる。この接触面は本質的に極めて薄い絶縁体であり、スイッチの全直列抵抗をほとんど増大させない。
上述されたように、一次活性材料は、本発明を実施する際に有用である特定の特性を有する。材料のこれらの特性のうちの１つは、それが弱いイオン伝導体であることである。弱いイオン伝導体の定義は、スイッチが設計される用途に基づく。格子内の１つの種の移動度及び拡散係数は、「アインシュタインの関係式」を介して、互いに正比例する。従って、格子内のイオン化された種の移動度が非常に高い場合には、拡散係数も非常に高くなる。一般的に、スイッチングデバイスは或る時間にわたって特定の状態、ＯＮ又はＯＦＦに留まることが望ましく、その時間は用途によるが、数分の１秒から数年の範囲になることができる。従って、一実施形態では、スイッチの状態を電圧パルスで意図的に設定することによってではなく、イオン化された種の拡散を介して、デバイスがＯＮからＯＦＦに又はその逆に、偶発的に切り替わるのを避けるために、そのようなデバイスの拡散係数は、所望の安定度を確保するほど十分に低い。従って、「弱いイオン伝導体」は、イオン移動度、ひいては拡散係数が所望の条件下で必要なだけ長くデバイスのＯＮ状態又はＯＦＦ状態の安定性を確保するほど十分に小さいイオン伝導体である（例えば、そのデバイスはドーパントの拡散によって状態を変更しない）。「強いイオン伝導体」は、イオン化された種の移動度が大きく、それゆえ拡散に対して安定していない。
本発明のスイッチ２００’の一実施形態の構造が図３Ａに示されており、これは図２の直列構造を利用する。本発明のスイッチ１００’の別の実施形態の構造が図３Ｂに示されており、これは図１Ａのクロスポイント構造を利用する。
図３Ａ及び図３Ｂは、１つの例示的な電気的に作動するスイッチの構造を概略的に表している。スイッチの活性領域３０６は、２つの主な構成要素、即ち電子的に半導体且つ弱いイオン伝導体層であり、格子間物質、空孔又は不純物として電子供与体をドープされ得る材料である一次活性層、又は一次活性領域３０８と、ドーピング種の供給源及びシンクとしての役割を果たす二次層、又は二次領域３１０とを有する。代案では、一次活性領域３０８の材料は、名目的に絶縁性であり、且つ弱いイオン伝導体とすることができる。以下に説明されるように、活性領域３０６は必要に応じて、非共有結合の接触面として分子層１０６ａを含むことができ、この分子層は複数の分子を含むことができ、係る分子は切替可能であっても、なくてもよい。
図３Ａに示される、スイッチ２００’の一実施形態では、２つの電極１０２、１０４はいずれもＰｔ金属であり、半導電性イオン伝導体３０８はＴｉＯ２であり、ドーパント供給源３１０はＴｉＯ２−ｘであり、オプションの非共有結合接触面は、電極１０２と一次スイッチング材料３０８との間の薄い分子層１０６ａを含む。化学式ＴｉＯ２−ｘは、二酸化チタンに結晶構造内の酸素原子がわずかに不足していることを示す。欠けているＯ原子が存在することになる部位は、正に帯電した空孔である。この場合のドーパント種は酸素空孔である。このスイッチの別の実施形態が、図３Ｂにおいてスイッチ１００’として示されており、図３Ａと同じ活性領域スイッチ構造３０６を有する。
供与体の注入又は放出によって動作するスイッチは、半導体層３０８内の供与体ドーパント部位の数を増減することによって、それぞれＯＮに切り替えられるか（即ち、電気伝導度（導電率）が増加する、図４）、又はＯＦＦに切り替えられる（電気伝導度が減少する、図５）。これらの供与体の部位は、半導体のホスト格子内の格子間陽イオン種、ホスト格子内のイオン空孔、Ｈのような格子間不純物、或いは半導体の電子供与体としての役割を果たす他の格子間または置換型不純物とすることができる。半導体層３０８の厚みは、適度に高いドーピングの半導体内のキャリアの空乏幅よりも薄い（例えば、約１００ｎｍの厚み）ので、これは、薄い半導体が少なくとも一方の側において金属と密着するために、自由キャリアが完全に枯渇することを意味する。電子は、半導体３０８のいずれかの側の金属コンタクト１０２、１０４内にのみ存在する。一例として、１０１８ドーパント原子／ｃｍ３（これは「適度に高い」）のドーピング濃度は、３０ｎｍの空乏層の厚みに相当する。１０２１ｃｍ−３（これは非常に高いドーピングであるが、多くの酸化物の場合に完全に実現可能である）のドーピング濃度は、３ｎｍの空乏層の厚みに相当する。
図４は、スイッチをＯＮ状態に作動させる（又はトグルする）ための初期過程の概略図である。この場合に、イオン化された種のドリフトのためのしきい値電界を超える正のバイアス電圧４２０を接合部の両端に印加することによって、ＴｉＯ２内の酸素空孔のような正に帯電した供与体を、供給源／シンク材料３１０から半導体材料３０８の中へ押しやる。半導体層３０８は、全体的に電荷キャリアを枯渇するので、これは、半導体層３０８が正味の正の電荷を獲得することを意味する。正味の電荷の中性は、金属層１０２、１０４内に存在する電子によって維持される。上述された例の場合に、化学量論的なＴｉＯ２で形成される層３０８が、スイッチの初期（ＯＦＦ状態）を形成する。金属コンタクトと一次半導体との間のポテンシャル差が、Ｐｔ電極間の電流の流れに対するトンネル障壁を形成する。ＴｉＯ２−ｘ層３１０は、相対的に高濃度の空孔を含み、それゆえ、適度に良好な導体である。電極１０４に正の電圧を印加すると、電気化学セルのアノードになる。酸素空孔を、矢印４２２によって示されるように、ＴｉＯ２−ｘ層３１０（酸化される）からＴｉＯ２層３０８（還元される）の中へ押しやる。ＴｉＯ２−ｘ層３１０の導電率への影響は、この領域から少数の空孔しか押し出されないので比較的小さいが、ＴｉＯ２層３０８は空孔がなかった状態からいくつかの空孔がある状態に移行しているので、ＴｉＯ２層３０８の導電率は劇的に増加する（スイッチＯＮ）。
ＯＦＦ状態では、薄い半導体層３０８は本質的に真性であり、例えば、格子内にドーパントはほとんど存在しない。この場合、本質的には半導体３０８の両側にショットキー障壁が存在し、金属フェルミ準位に対する半導体バンドの位置合わせ（alignment）は、種々の物理的及び化学的な問題によるが、概ねミッドギャップである。弱いイオン伝導体でもある、ＴｉＯ２−ｘのような酸化物半導体の場合、デバイスのこのＯＦＦ状態は、「完全に酸化した」状態であり、例えば、材料の化学量論が可能な限りＴｉＯ２に近く、不純物又は欠陥ドーピングがほとんどない状態である。適切に広いバンドギャップを有する半導体の場合、電流を流すための大きなトンネル障壁が存在するので、ＯＦＦスイッチの導電率を下げる。
図５は、スイッチをＯＦＦ状態に作動させる（又はトグルする）ための初期過程の概略図である。イオン化された種（それは空孔とすることができる）のドリフトのためのしきい値電界を超える負のバイアス電圧４２０を接合部の両端に印加することによって、正に帯電した供与体を、半導体材料３０８から供給源／シンク材料３１０の中へ押しやる。半導体層３０８はその正味の正の電荷を失って再び中性になる。上述された例の場合、層内の正味の正の電荷が、電極１０２と１０４との間に電流を流すためのトンネル障壁を狭く且つ低くするので、化学量論からわずかに外れたＴｉＯ２−δが、スイッチの導電性のＯＮ状態を形成する。ＴｉＯ２−ｘ層３１０は、相対的に高い濃度の空孔を含み、それゆえ、依然として適度に良好な導体である。電極１０４に負の電圧を印加すると、電気化学セルのカソードになる。酸素空孔が矢印４２４によって示されるように、ＴｉＯ２−δ層３０８から押しやられ（再びこの層は酸化されてＴｉＯ２になる）、ＴｉＯ２−ｘドーパント供給源層３１０の中に戻される（この層は還元される）。ＴｉＯ２−ｘ層３１０の導電率への影響は比較的小さいが、ＴｉＯ２層３０８の導電率は劇的に減少する（スイッチＯＦＦ）。
いかなる特定の理論にも従うことなく、一次材料を介した伝導は電子の量子力学的トンネル効果によるように見える。半導体材料が本質的に真性であるとき、トンネル障壁は非常に高くなり、ひいてはスイッチを介した導電率は低い（ＯＦＦ状態）。著しい数のドーパント種が半導体の中に注入されると、帯電した種のポテンシャルによって、トンネル障壁は減少することになる。これは、スイッチの導電率を高めることになる（ＯＮ状態）。
図６Ａ〜図６Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃは、様々なスイッチ状態にあるスイッチ２００’の概略図である。各組の図面において、「Ａ」の図はスイッチ２００’の実際の空間を絵にしたもの、即ち図解したものであり、「Ｂ」の図は等価電気回路を表し、「Ｃ」の図はエネルギーバンド図である。
この実施形態では、スイッチの例示的な厚みτは２ｎｍであり、ＴｉＯ２／ＴｉＯ２−ｘ層３０８及び３１０の例示的な全幅ｗ０は３ｎｍである。
図６Ａでは、一例として、スイッチング材料３０８、３１０は、２つのＰｔ電極１０２と１０４との間に挟まれるアナターゼ（二酸化チタンのポリタイプ）ナノ結晶とすることができる。この説明の目的で、このナノ結晶は１．９ｎｍ×１．９ｎｍ×２．９ｎｍの寸法を有し、全部で７５個のアナターゼ単位セル、即ち９００個の原子を含むものと仮定され、それはバンド構造を作り出すには小さいが、量子化学計算にとっては大きいことを示す。この段階ではバンド手法を用いてシステムの電子的な状態の定性的な図を描くことができるが、これはあまりにも文字通りに解釈されるべきではない。このナノ結晶内の単一の不純物原子又は空孔は１０２０ｃｍ−３のドーピング密度をもたらすことになり、そのナノ結晶が２％ほどの酸素空孔（例えば、〜１２）を含むことができると仮定することができる。金属−半導体接触領域は電気的にはショットキー障壁に類似しているが、システムがナノメートルスケールであることによって変更されるので、その電気的特性は、半導体−金属接触の理論が展開された長い距離にわたって平均化されないであろう。
非共有結合領域１０６ａに隣接するＴｉＯ２領域３０８は化学量論的であり、それゆえ大きなトンネル障壁によって示されるように高い抵抗性である。第２の電極１０４に隣接するＴｉＯ２−ｘ領域３１０には極めて酸素が不足しており、それゆえこの領域は高い導電性である。図６Ｃの上にあるバンド図では、接触面６０１、６０３はいずれもショットキー障壁である。左側には金属−絶縁体−半導体接触面６０１があり、右側には金属と、化学量論的なＴｉＯ２の値からバンドギャップが幾分減少している高濃度に供与体をドープされた半導体との間の接触面６０３がある。
図６Ｃの図の左側にあるＰｔ−ＴｉＯ２接触面６０１は、金属電極１０２と半導体３０８との間の非共有結合接触面を表しており、その接触面は介在する分子層１０６ａによって仲介される。この接触面６０１においてポテンシャル障壁が存在することを示すために、粗いバンド図表現が示される。薄膜のこの領域を、化学量論的なＴｉＯ２になるように設計及び形成する。アナターゼの電子親和力は約４．０ｅＶであると推定され、Ｐｔの仕事関数は５．６４ｅＶであるので、この接触面６０１において１．６ｅＶのポテンシャル障壁の高さを推定することができる。Ｐｔフェルミ準位は、アナターゼのミッドギャップ領域の近くにあるはずであり、それは３．２ｅＶのバルクバンドギャップを有するが、量子閉じ込めに起因して、ナノ結晶の場合には広くなる可能性がある。１０２１ｃｍ−３のドーピングレベルの場合であっても、アナターゼでは、空乏長が〜３ｎｍであるので、ナノ結晶は完全に枯渇し、それゆえ正に帯電する。電子はＰｔコンタクト内の狭い領域に存在する。
図６Ａの図の右側には、ナノ結晶に対する第２のＰｔコンタクト１０４がある。一実施形態では、そのシステムを、二酸化チタンのこの領域がかなりの濃度の酸素空孔を有するように設計及び形成する。こうして図６Ａの左から右に動く際に、ＴｉＯ２−ｘ内のｘの値は０〜０．０４ほどの値に移行する。これは伝導帯エッジ付近の状態密度を著しく広くし、それによりバンドギャップを効果的に狭くする多数の供与体状態を作り出すだけの十分に高い濃度の酸素空孔である。これが、図６Ｃのバンド図において、左側に比べてこの接触面６０３におけるポテンシャル障壁が下がることとして示されており、それは、極めて高い濃度の、正に帯電した供与体状態に起因して、バンドギャップが狭くなり、バンドが著しく曲がることによって引き起こされる。
図６Ｃによって示される製造時の状態では、アナターゼのナノ結晶によって表されるポテンシャル障壁６０１は大きく、それゆえ、スイッチのこの状態のコンダクタンスは小さい。これはスイッチＯＦＦ状態である。左側のＰｔ電極１０２が接地され、右側の電極１０４に正の電位が印加され、それがナノスケール電気化学セルのアノードになる場合には、正に帯電した酸素空孔が強制的に、カソードである接地した電極に向かってドリフトすることになる。アノード付近に大きな濃度の空孔が既に存在するという事実は、スイッチをＯＮに切り替えるために、空孔が形成される必要がないことを意味する。ナノ結晶アナターゼにおける酸素空孔の形成のエンタルピーは、空孔ホッピングのための活性化エネルギーよりもはるかに大きいので、スイッチのアノード付近に酸素空孔（又は他の適切な正に帯電したドーパント）が予め存在している構造を有することによって、空孔を電気的に形成するためにスイッチの事前調整中に生じることになる大量のエネルギーの消費が防止される。
スイッチをＯＮに切り替える初期段階を表す図７Ａ〜図７Ｃでは、アノードから酸素空孔を押し出すことは、ＴｉＯ２−ｘが酸化されていることを、即ちｘの値がわずかな量εだけ減少していることを意味する。最初にアノード１０４付近に大きい濃度の空孔があるので、このわずかな酸化は領域３１０の導電率にほとんど影響を及ぼさない。一方、カソード付近にある最初に化学量論的な材料、又は酸化されている材料は還元されており、例えば、その化学量論はここでＴｉＯ２−εである。これは、図７Ｃに示されるように、ナノ結晶の中央にあるエネルギーバンドに著しい影響を及ぼす。電子がナノ結晶の中を突き抜けるための有効な全障壁幅は減少し、導電率が増加する。
バイアスを増加するか、又はさらに長い時間にわたってバイアスがかけられる場合には、さらに多くの酸素空孔が左にドリフトし、図８Ａ〜図８Ｃに示されるように、トンネル障壁がさらに狭くなることになる。ここでは３０８内にさらに多くの空孔があるので、スイッチはここで完全にＯＮ状態にあり、この領域の化学量論はＴｉＯ２−δで表されるようになる。右側の電極１０４における電圧の極性を反転すると、アノード及びカソードの意味が逆になり、酸素空孔がドリフトして右側に戻り、この逆の極性のバイアスが十分に長い時間にわたってかけられる場合には、図６Ａ〜図６Ｃの状態に戻されて、スイッチが再びＯＦＦに切り替わって戻る。
いかなる特定の理論にも従うことなく、デバイス内の非共有結合領域１０６ａの分子は、受動的な役割しか演じないように見える。それらの分子は、第１のＰｔ電極１０２とナノ結晶３０８との間に薄い絶縁性領域を形成し、それにより、ショットキー障壁の形成を助けることができる。ナノ結晶のこの接触面６０１がＰｔ電極に共有結合されないという事実は、本質的に、格子歪みに対応するための内部の自由表面が存在するので、酸素空孔がこの接触面に向かってドリフトするのを容易にすることができる。最後に、ここで提示される結晶３０８、３１０は、ナノ結晶と見なされるが、分子１０６ａの主な役割は、一次活性材料、例えば、二酸化チタン３０８が実際に非晶質であることを確実にすることである。
図６Ｂ、図７Ｂ及び図８Ｂに示されるように、等価回路は直列に接続される２つの抵抗器にすぎない。一方の抵抗器ＲＳは、配線、及び時間と共に変化しないスイッチの任意の構成要素の直列抵抗を表し、可変抵抗器ＲＶ（ｔ）は、印加される電圧、及びその中を通って流れる電流に応じて、時間と共に変化する。オームの法則が当てはまるものと仮定する（数学を著しく複雑にする、実際に生じるトンネル抵抗の代わりに用いる）。
Ｖ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）［ＲＳ＋ＲＶ（ｔ）］ １．
可変抵抗は、ナノ結晶内に存在する化学量論的ＴｉＯ２３０８の幅ｗ（ｔ）に比例する。
ＲＶ（ｔ）＝ρｗ（ｔ）／Ａ ２．
ただし、空孔のドリフト最前部の背後にある材料は本質的に０の抵抗を有するものと見なされ、ρはドープされない二酸化チタンの抵抗率であり、Ａは電流が流れる方向に対して垂直なナノ結晶の面積である。スイッチがＯＦＦであり、ＯＮに切り替えるためにバイアスがかけられる初期条件の場合、ドープされない二酸化チタンの幅の変化率は、ちょうど、ドープされない幅にわたって印加される電界内の空孔ドリフト速度である。
Figure 0005575866
ただし、μＶは二酸化チタン内の酸素空孔の移動度であり、Ｅ（ｔ）はドープされない材料を横切る電界であり、それはちょうど、電圧降下ρｗ（ｔ）Ｉ（ｔ）／Ａを幅ｗ（ｔ）で除算したものであり、マイナス符号は、ドープされない領域の幅が減少しているために現れる。式３を積分すると、これは以下のようになる。
Figure 0005575866
ただし、ｗ０はｔ＝０におけるドープされない二酸化チタンの幅であり、ｗ（ｔ）は、負になることができないように定義される。Ｖ及びＩを関連付ける全式は以下のようになる。
Figure 0005575866
かくして、上記でなされた仮定は、かなり複雑な数学的表現をもたらし、その場合に、スイッチの時刻ｔにおける電圧は、電流及び／又は電圧を時間にわたって積分することを含み、これはスイッチに経路依存性を導入する。式５は、スイッチ動作のための多種多様な記述的方程式を例示しており、本発明は、他の式によって記述されるイオンドリフトのスイッチング機構を含む。例えば、イオンドリフトにとって空間電荷が重要である場合には、式５内の電流への関数依存性が、１乗（Ｉ）まで電流を積分することから、２乗（Ｉ２）まで電流を積分することに移行する。そのようなシステムのための最も効率的な回路モデルは、メモリスタ（memristor）を必要とするかもしれない。図６Ｂから図７Ｂへ及び図８Ｂへ移行する際に一連の等価回路において見られるように、スイッチは閉じているので、ｗ（ｔ）、それゆえＲＶ（ｔ）は、時間と共に小さくなる。即ち、その抵抗は、スイッチをＯＮに切り替えるために下がっていく。
図６Ｃは、両側に金属コンタクト１０２、１０４を有するスイッチのＯＦＦ状態に関するエネルギーバンド図の表現を示す。本質的に、半導体領域３０８ではドーピングがなされていないので、両方の金属−半導体接合部において相対的に高い障壁が存在する。スイッチをトグルすることは厳密には２値動作ではなく、スイッチのコンダクタンスは、いくつのドーパント種が一次材料内に注入されるか、又は形成されるかに応じて、広い範囲にわたって変更され得ることに留意されたい。供与体種は、接合部の両端にバイアス電圧を印加することによって動かされる（代案として、それらの種は、例えばＴｉＯ２を金属で還元してＴｉＯ２−ｘを形成することによって化学的に形成され得るか、又は酸素分子と反応させることによって除去され得る）。かくして、半導体層内に自由キャリアは存在せず、それゆえ、正味の正の電荷が獲得される。この正の電荷の全般的な効果は、金属フェルミ準位に対して半導体のバンドを下方に曲げることであり（図７Ｃ）、それにより、接合部のトンネル障壁が順に下がり、ひいては導電率が増加する。これらのドーパントの形成又は注入は、半導体３０８に隣接して適切な供給源層３１０を有することによって、大きく高められる。この材料３１０は、例えば、半導体３０８に対する原子の供給源又はシンク（例えば、酸化物半導体層内に酸素空孔を形成することを可能にするための、Ｏ原子に対する種々のドーパント種又はシンク）としての役割を果たすことができるイオン伝導体とすることができる。
図７Ｃは、半導体３０８の中に、さらなるドーパント部位を注入し、ＴｉＯ２−εを形成した後のシステムのバンドを示す。この半導体バンドは、枯渇した半導体内で増加した正の電荷によってさらに下方に曲げられており、トンネル障壁がさらに下がり、導電率がさらに増加している。ＴｉＯ２−ｘの場合、格子内のＯ空孔部位は、伝導帯の非常に近くに存在する状態を形成するので、ドーピングレベルが十分に高い場合、ナノ結晶の伝導帯が金属コンタクトのフェルミ準位まで引き下げられるであろう。この段階では、各金属接合部にあるトンネル障壁はさらに薄くなりつつあり、そのシステムの導電率は増加しつつある。これが、スイッチをＯＮに切り替える初期段階である。
図８Ｃでは、さらに多くのドーパント供与体を半導体３０８の中に注入し、ＴｉＯ２−δを形成する。半導体伝導帯は、枯渇した半導体内で増加した正の電荷によって、さらに下方に曲げられており、それにより、トンネル障壁の幅及び高さが減少し、層の導電率が増加している。これは、システムの完全なスイッチＯＮ状態である。
半導体薄膜３０８のドーピングレベルが、抵抗が本質的に０まで降下するほど大きくない限り、スイッチに印加される電圧の極性を反転することによって、供与体ドーパントイオンのドリフトを反転すると共に、それらのイオンを半導体から放出することができる。
半導体層３０８のドーピングは、電圧（イオンドリフトのために任意のエネルギー障壁を超えるための電圧）及び時間（その電圧においてシステムが長く保持されるほど、より多くのドーパントが蓄積する）の両方、又は電流の積分の関数である。
上記の説明において、スイッチは、特定のＯＮ／ＯＦＦ極性を有するように設計及び製造される。過剰な正に帯電したドーパント種を有する電極に正のバイアス電圧を印加することによって、スイッチをＯＮに切り替え、同じ電極に負のバイアス電圧を印加することによって、スイッチをＯＦＦに切り替える。しかしながら、構成可能な極性を有するスイッチを設計及び製造することもでき、例えば、スイッチを含む回路が製造された後に実行される電子的な構成過程中にスイッチのＯＮ／ＯＦＦ極性を決定することもできる。この構成ステップは、フィールドプログラミングとしても知られている。これは、両方の金属電極に隣接する材料がドーピングされず、中間にある材料が過剰なドーパントを有する構造を作り出すことによって果たすことができる。従って、回路の初期のプログラミング段階中に、正のバイアスがかけられた場合にＯＮ電極になることが望まれる電極に、正に帯電したドーパントを引き寄せるための負のバイアス電圧を印加することができ、逆に、負のバイアスがかけられた場合にＯＦＦ電極になることが望まれる電極に、正に帯電したドーパントを押し返すための正の電圧を印加することができる。このようにして、スイッチの上側電極のＯＮ／ＯＦＦ極性が交互になるように、スイッチのアレイを構成することができる。この特定の構成は、例えば、ラッチのアレイを構成している場合に特に有用である。また、ドーパントが全てスイッチの反対側の電極にドリフトするほど十分に長い時間にわたって、ＯＮ電極に正のバイアス電圧を印加することによって、本明細書において開示される任意のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ極性を反転させることもできる。
図９Ａ〜図９Ｃは、上述した構成可能なＯＮ／ＯＦＦ極性スイッチを示しており、ドーパント供給源層３１０が２つの一次活性層３０８と３０８’との間に挟まれる。この実施形態では、スイッチの厚みはＫによって与えられ、ＴｉＯ２層３０８／ＴｉＯ２−ｘ層３１０／ＴｉＯ２層３０８’の全幅はＬによって与えられる。
図９Ａでは、適切なバイアス電圧を印加してスイッチのＯＮ／ＯＦＦ極性を設定することによって、本来ドーパント供給源層３１０内にあるイオン化されたドーパントを、２つの一次活性層３０８、３０８’のいずれかに動かす。
（図９Ａに示されるスイッチの）電極１０４に正のバイアス電圧を印加することによって、正に帯電したドーパント、ＴｉＯ２／ＴｉＯ２−ｘシステムの場合には酸素空孔が、左にドリフトする。これは、電極１０４に後で負のバイアス電圧を印加するときに、スイッチがＯＮになり、電極１０４に正の電圧を印加するときに、スイッチがＯＦＦになるように、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ極性を設定することになる。結果としての構造が図９Ｂに示される。
逆に、（図９Ａに示されるスイッチの）電極１０４に負のバイアス電圧を印加することによって、正に帯電したドーパント、ＴｉＯ２／ＴｉＯ２−ｘシステムの場合には酸素空孔が、右にドリフトする。これは、電極１０４に後で正のバイアス電圧を印加するときに、スイッチがＯＮになり、電極１０４に負の電圧を印加するときに、スイッチがＯＦＦになるように、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ極性を設定することになる。結果としての構造が図９Ｃに示される。かくして、図９Ｂ及び図９Ｃは、ＯＮ／ＯＦＦ極性が逆であるスイッチを表す。
電気的に作動するスイッチの製造
本明細書において開示されるスイッチは、広範な材料堆積及び処理技術を用いて製造され得る。最初に、初期ワイヤ１０２（金属又は半導体）が、フォトリソグラフィ又は電子ビームリソグラフィのような従来の技術を用いて、又はインプリントリソグラフィのようなさらに高度な技術を用いて形成される。これは、図１に示される交差ワイヤ対１００の下側ワイヤ１０２とすることができるか、又は、例えば、図２に示されるような回路の平面に対して垂直な接続２００を形成するためにバイア内に形成されているワイヤ１０２とすることができる。
ここで説明される方式では、形成されるべきスイッチの次の構成要素は、非共有結合接触面材料１０６ａであり、さらに高い機械的な強度が必要とされる場合には、より高い電圧を印加するとスイッチングが遅くなるということを犠牲にして、省くことができる。これは、上述したように、スイッチ２００’（又はスイッチ１００’）のオプションの構成要素である。この場合、或る不活性材料の層１０６ａを堆積する。これは、ラングミュア−ブロジェット（ＬＢ）過程によって形成される単分子膜又は自己組織化単分子膜（Self-Assembled Monolayer：ＳＡＭ）とすることができる。一般に、この分子層１０６ａは、下側電極１０２及びスイッチの一次活性材料３０８への弱いファンデルワールスタイプの結合だけを形成することができる。代案として、この層１０６ａは、冷却された基板上に堆積される氷の薄い層とすることができる。氷を形成するための材料は、アルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスとすることができるか、又は二酸化炭素（ＣＯ２）のような種とすることができる。この場合、氷は、下側電極とスイッチ材料との間の強い化学結合を防ぐ犠牲層であり、処理の流れの中で後にサンプルを加熱して、氷を昇華させることによって、システムから失われる。当業者ならば、電極１０２とスイッチ３０６との間に弱く結合された接触面を形成するための他の方法を容易に思いつくことができる。
次に、一次活性層３０８のための材料を堆積する。これは、クヌーセンセルからの蒸着、るつぼからの電子ビーム蒸着、ターゲットからのスパッタリング、或いは反応前駆物質からの種々の形態の化学蒸着またはビーム成長を含む、多種多様な従来の物理的及び化学的技術によって行われ得る。薄膜は、１〜３０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の厚みにすることができ、ドーパントを含まないように成長され得る。この場合、成長中の構造はスイッチＯＦＦである。薄膜３０８の厚みに応じて、材料内でイオンがドリフトすることができる速度を高めて、イオン注入によるドーピング又は３０８からのイオン放出によるアンドーピングを達成するために、薄膜は、ナノ結晶性、ナノ多孔性又は非晶質性とすることができる。この初期の絶縁性又は低導電率の薄膜３０８に要求される化学組成及び局所的な原子構造を達成するために、堆積速度及び基板温度のような適切な成長条件を選択することができる。
次の層は、一次スイッチング材料３０８のためのドーパント供給源層、即ち二次活性層３１０であり、これも上述した技術のうちのいずれかによって堆積され得る。この材料は、一次活性材料に適切なドーピング種を与えるように選択される。この二次材料３１０は、一次材料３０８と化学的に適合されように選択され、例えば、２つの材料は、互いに化学的に、且つ不可逆的に反応して第３の材料を形成しないようにすべきである。後に構成されることになるスイッチを製造している場合には、二次材料３１０の上に別の層の一次材料３０８’を堆積する。
上述したように、一次活性スイッチング層３０８及び二次活性スイッチング層３１０として使用され得る一対の材料の一例はそれぞれ、ＴｉＯ２及びＴｉＯ２−ｘである。ＴｉＯ２は、約３．２ｅＶのバンドギャップを有する半導体である。この半導体はまた、弱いイオン伝導体でもある。ＴｉＯ２の薄膜は、スイッチＯＦＦ構成を作り出すために必要とされるトンネル障壁を形成することになり、ＴｉＯ２−ｘは、ＴｉＯ２をドーピングし、それを導電性にするための酸素空孔の理想的な供給源を形成する。構成可能なＯＮ／ＯＦＦ極性スイッチを製造することが望ましい場合には、一次活性材料ＴｉＯ２の第２の薄膜３０８’を堆積することができる。
最後に、第２の金属電極１０４は、第１のワイヤ１０２が形成されたのと同じようにして、スイッチの二次活性層３１０又は第２の一次活性層３０８’の上に形成される。システムが交差ワイヤデバイス１００’である場合には、エッチング工程を用いて、デバイスを分離するために、上側ワイヤの下にない堆積されたスイッチング材料を除去する。必要に応じて、１組の下側ワイヤを堆積した後、又は第２の組のワイヤの後に、スイッチの上に平坦な表面を設けるために、平坦化工程を追加することができる。
スイッチデバイスを製造することに関する１つの問題は、ドーパントが異なるタイプの原子の存在であるにしても、格子からの特定の原子の不在（例えば、空孔）であるにしても、材料内のドーパント濃度を注意深く制御することである。ドーパント種は、成長培地内に導入され得るか、又は空孔を引き起こすために１つの成分の量が減らされ得る。別の手法は、母材の高品質且つ純粋な層を成長させ、その後、その母材の上に直接、注意深く決定された量の種を堆積することである。これは、後に母材の中に拡散することになるドーパント種とすることができるか、又は母材の成分のうちの１つと化学的に反応して、ホスト格子内に空孔を引き起こすことになる反応物質とすることができる。そのような手法の一例は、二酸化チタンの高品質且つ純粋な層の上に少量のアルミニウムを堆積することである。アルミニウムは二酸化チタンの酸素と部分的に反応して、アルミナを形成し、二酸化チタンの中に空孔を残す。これは、非常に高濃度にドープされた半導体材料の非常に薄い層を設けるために、半導体産業において現在実施されている「デルタドーピング」に類似した工程である。
スイッチングのための材料の組み合わせ
ドーパント種が、スイッチの活性領域の中にドリフトすることによって注入され、その活性領域から放出されることを可能にするための特性の所望の組み合わせを示す、即ち電子的に半導体又は絶縁体であり、且つ「弱い」イオン伝導体である広範の材料が存在する。一般に、優れたスイッチング材料は、化合物半導体酸化物及び窒化物であるが、半導体硫化物、リン化物、塩化物、セレン化物、ヒ化物及び臭化物もスイッチングを提供する。一般に、半導体を電気的にドーピングすることができる種に関して弱いイオン伝導体でもある任意の半導体材料が、本発明及びその種々の実施形態を実施するのに有効であろう。言い換えると、考えられるスイッチ化合物は、結合への著しいイオン寄与を有する半導体化合物である。良好な組み合わせは、ドープされず、化学量論的である一次活性材料、それゆえ良好な絶縁体と、バイアス電圧が印加されると、一次材料の中にドリフトすることができる高い濃度の陰イオン空孔又は他のドーパント種を含む同じ、又は関連する母材の二次供給源／シンクとの組み合わせである。その概念は、供給源／シンクシステム３１０が高い導電性であり、それゆえ、ドーピング濃度を変更しても、この二次材料の導電率に及ぼす影響は比較的小さいが、一次材料３０８は本質的に真性であるので、わずかな量のドーパントであっても、この材料の導電率に非常に大きな影響を及ぼすことになるというものである。
本発明を実施する際に用いられるスイッチング化合物は一般に、遷移金属並びに希土類金属の酸化物、硫化物、セレン化物、窒化物、リン化物、ヒ化物、塩化物及び臭化物であり、多くの場合に化合物内にアルカリ土類金属が存在している。さらに、互いに類似の化合物から成る種々の合金があり、それらは、互いへの可溶性がある場合には、広範の組成を有することができる。その際、いくつかの陰性元素と２つ、３つ、又はそれ以上の異なる金属原子が化合している混合化合物が存在する。ドーパントは、陰イオン空孔、又は母材内にドープされる異なる原子価の元素とすることができる。
Ｓｉ集積回路技術と適合することができるスイッチにとって、元素Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆを含む材料が特に魅力的である。なぜなら、３つの金属はいずれも主な酸化状態がＳｉと同じ＋４であるためである。従って、これらの元素はＳｉの意図しないドーピングを引き起こさないであろう。これらの化合物はそれぞれ、チタニア、ジルコニア及びハフニアとしても知られており、それぞれの様々なポリタイプに特有の他の名称によっても知られている。
別の実施形態は、対を成すか、又は３つ同時に存在する（例えば、ＴｉｘＺｒｙＨｆｚＯ２、ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）これら３つの酸化物の合金を含む。化合物の関連する集合は、チタン酸塩、ジルコン酸塩、及びハフニウム酸塩を含み、これらは具体的な例ＳｒＴｉＯ３によって表される。ただし、Ｓｒは二価元素ストロンチウムである。そのような多種多様な化合物があり、Ｓｒの代わりに、Ｃａ、Ｂａ及び他の二価元素（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ）が使用されることができ、Ｔｉの代わりにＺｒ及びＨｆが使用され得る。これらの化合物は、ＡＢＯ３化合物として表すことができる。ただし、Ａは少なくとも１つの二価元素であり、ＢはＴｉ、Ｚｒ及びＨｆのうちの少なくとも１つであり、ペロブスカイト構造を有することができる。
ＣａａＳｒｂＢａｃＴｉｘＺｒｙＨｆｚＯ３のような、これらの種々の化合物の合金を利用することもできる。ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。単独で、及びさらに複雑な化合物としても使用され得る、異なる原子価を有する遷移金属及び希土類金属から成る多種多様な他の酸化物もある。いずれの場合においても、イオン化されたドーパント種は、酸素空孔とすることができるか、又は母材の中にドープされる異種原子価（例えば、異なる原子価）の元素とすることができる。
化合物のさらに別の実施形態は、或るイオン結合記号を有する遷移金属の硫化物及びセレン化物を含み、本質的には上述した酸化物のＳ及びＳｅ類似体である。
化合物のさらに別の実施形態は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｃＮ、ＹＮ、ＬａＮ、希土類窒化物、これらの化合物の合金、及びさらに複雑な混合金属窒化物のような、半導体窒化物を含む。
化合物のさらなる実施形態は、種々の遷移金属及び希土類金属、例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ等のリン化物及びヒ化物を含む。
化合物のさらに別の実施形態は、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ及びＡｇＣｌのような半導体ハロゲン化物を含む。
全ての場合に、上記の化合物内の移動性のドーパント種として、陰イオン空孔又は異種原子価元素のいずれかを用いることができる。
また、上記の例から選択される種々の材料又は化合物の副層から一次活性層又は二次活性層を形成することもできる。
種々の実施形態を実施する際に用いられるドーパントは、水素、アルカリ及びアルカリ土類陽イオン、遷移金属陽イオン、希土類陽イオン、酸素陰イオン又は空孔、カルコゲニド陰イオン又は空孔、窒素陰イオン又は空孔、プニクチド陰イオン又は空孔、あるいはハロゲン化物陰イオン又は空孔から成るグループから選択される。
一次材料３０８及び二次材料３１０の組み合わせの具体的な例が、組み合わせ毎に用いられるドーパント種と共に、以下の表に列挙される。本明細書における教示に基づいて、当業者が、教示される利点を提供する一次材料及び二次材料の他の組み合わせを開発することができることは明らかである。
Figure 0005575866
さらに検討すべき事柄
上記で検討されたように、スイッチのコンダクタンスは、広い範囲にわたって変更することができる。以下に説明される実施形態は、本明細書において説明されるスイッチが実際には連続であり、例えば、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に、そしてその逆に、多少は急であるものの、スイッチの抵抗が連続して変化するという事実に関する。これが、スイッチ等価回路の概略図（図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ）に明示されており、その等価回路は、固定抵抗器と直列に接続される可変抵抗器を示す。
電子回路における可変スイッチ又はアナログスイッチの多くの用途がある。
一実施形態では、電子的に設定可能な可変抵抗器をトリマー（trimming：トリミング）抵抗器として用いて、回路のインピーダンスを調整することができる。全ての電子回路には一定量のばらつきがあり、それは、製造される回路が、動作速度、及び信号が回路の中を通って伝搬する遅延時間に関して、わずかに異なる動作パラメータを有することを意味する。従来、この問題は、回路基板内に機械的に調整可能なトリムポットを設置することによって対処されてきた。その特性を最適化するために、回路を試験及び調整するために熟練技師が必要とされた。この最適化は、オシロスコープを用いて回路基板上の種々の試験箇所において電子信号を検査し、その後、ねじ回しを用いて、トリムポットを調整することによって、言い換えると、可変抵抗器の抵抗を変更して、回路のインピーダンスをその最適な性能まで持って来ることによって行われた。これは、回路が正しく機能するのを確実にするために回路を最初に試験する際に必要とされ、更に時間と共に、回路内の種々の素子が変化する可能性があるので、現場において回路を再試験して再調整するために熟練技師が必要とされた。回路の集積化が進むと、集積回路部品の再現性が向上したので、調整するためのこの要件が必要なくなってきた。また、集積回路上にトリムポットを配置する場所がないので、大抵の場合に、集積回路は調整できない。機構サイズがさらに小さくなるにつれて、単原子が機構サイズにおける不確定性の下限を決定するので、部品特性のばらつきが必然的に増加している。従って、次世代の回路は、回路を調整及び最適化することができるようにするために、トリムポットを有する必要があるであろう。実際には、デバイスのばらつきが大きくなると、回路を調整することができない場合には、回路が全く動作しなくなる可能性もある。従って、本発明人らは、集積回路内の種々の位置にあるスイッチを、フィードバック回路と共に用いて、回路が最初にオンされたときに、調整することを可能にするようにするだけでなく、動作中に回路の性能を絶えず最適化することを可能にする。従って、そのようなスイッチ及びフィードバック素子を備える回路は、時間が経っても、絶えず改善することができるはずである。回路内の特定の構成要素が破損したときに、その回路は、スイッチを用いて、自らを再構成及び最適化し直すであろう。従って、そのような回路は、１つの構成要素が破損すると、突然停止するのではなく、時間と共に緩やかに劣化することができるはずである。
別の実施形態では、回路が調整される必要があることに加えて、種々の測定を行なうために、いくつかの回路の動作特性を変更し、特定の信号入力と整合させることも望ましい。例えば、多くの変換器又は測定システムは、「ブリッジ回路」が存在するときに最も良好に動作し、その回路では、差動回路を平衡させて極めて正確な測定を行なうために、可変抵抗器の抵抗値を調整する。一例は、熱電対のための正確な電圧差を測定することであるが、測定のために用いられるブリッジ回路の例が他に多数ある。
さらに別の実施形態では、アナログスイッチの１つの用途は、学習回路又はニューラルネットにある。これらの回路では、トレーニング手順を用いて、特定の入力に対して如何にして反応するかを回路に教える。これは、構成要素の特性を予想される特性と比較すること、及びフィードバック手法を用いて、入力値に応答して、その構成要素の値を再設定することによって行われる。今日、大部分のニューラルネットは、従来の集積回路及び処理ユニットを用いてソフトウエアにおいて実現される。調整可能なアナログスイッチと共にハードウエアにおいて実現される真のニューラルネットは、はるかに効率的であろう。
さらなる実施形態では、不揮発性である連続して調整可能な抵抗を有することによって、他のアナログ回路、及びアナログ・デジタル混在回路を改善することができる。例えば、抵抗器の基礎値が、初期段階において設定され、その後、動作中に、回路の動作条件に応答するために、抵抗を調整する。これは、例えば、温度変化、電源電圧の変動、又は他の変化する環境条件と共に、回路の基本的な動作特性が変化するのを補償するために行われ得る。
これまでの記述は、説明の目的を果たすために、本発明を完全に理解することができるように、特定の用語を用いた。しかしながら、本発明を実施するために、特定の細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の具体的な実施形態のこれまでの記述は、例示及び説明のために提示される。それらの記述は、本発明を網羅的にすること、又は本発明を開示されるものと全く同じ形に限定することは意図していない。上記の教示に鑑みて、多くの修正形態及び変形形態が可能であることは明らかであろう。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最適に説明し、それによって当業者が、意図する特定の用途に適合するように、種々の修正を加えながら、本発明及び種々の実施形態を最大限に利用することができるようにするために図示及び説明される。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって定められることが意図される。

Claims (9)

  1. 構成可能なＯＮ／ＯＦＦ極性を有する電気的に作動するスイッチであって、
    第１の電極と、
    第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される活性領域とを備え、その活性領域は、
    それぞれが前記スイッチを通過する電子の流れを制御するためのイオンドーパントを輸送し、且つ受け入れるための少なくとも１つの材料を含む第１の一次活性領域および第２の一次活性領域と、
    前記第１の一次活性領域と前記第２の一次活性領域との間に配置され、前記第１及び第２の一次活性領域のためのイオンドーパントのソース／シンクを提供するための少なくとも１つの材料を含む二次活性領域とを備え、
    前記イオンドーパントが前記二次活性領域から前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれかに向かって最初にドリフトするようにすることによって、前記スイッチの最初のＯＮ／ＯＦＦ極性が設定され得る、スイッチ。
  2. 前記第１の電極と前記第１の一次活性領域が非共有結合される、請求項１に記載のスイッチ。
  3. ３つの状態が存在し、即ち、
    その最初の状態において、両方の電極に隣接するドーピングされていない半導体が存在し、直列に接続され且つ互いに向かい合っている２つのショットキー障壁をもたらし、それによりデバイスの両方向における電流の流れを有効に阻止し、
    イオンドーパントが前記第１の電極の近くの領域へ注入される第２の状態に切り替えられる場合に、前記第１の電極に隣接する前記ショットキー障壁が低下し、反対の方向に比べて一方の方向にいっそう容易に電流が流れる結果になり、
    イオンドーパントが前記第２の電極の近くの領域へ注入される第３の状態に切り替えられる場合に、前記第２の電極に隣接する前記ショットキー障壁が低下し、容易に流れる電流の方向の逆転という結果になる、請求項１に記載のスイッチ。
  4. 前記二次活性領域の前記イオンドーパントが、前記第１及び第２の一次活性領域の少なくとも１つのための前記少なくとも１つの材料に対する電気的なイオンドーパントとしての役割を果たすものから選択され、それによって、前記第１及び第２の一次活性領域の少なくとも１つの導電率が、相対的に低い導電率から相対的に高い導電率に変更される、請求項１に記載のスイッチ。
  5. 前記二次活性領域の前記少なくとも１つの材料により提供された前記イオンドーパントが、イオン化格子間または置換型不純物原子、陽イオン供与体種、陰イオン空孔、及び陰イオン受容体種からなるグループから選択される、請求項４に記載のスイッチ。
  6. 前記イオンドーパントが、水素、アルカリ及びアルカリ土類陽イオン、遷移金属陽イオン、希土類陽イオン、酸素陰イオン又は空孔、カルコゲニド陰イオン又は空孔、窒素陰イオン又は空孔、プニクチド陰イオン又は空孔、あるいはハロゲン化物陰イオン又は空孔から成るグループから選択される、請求項４に記載のスイッチ。
  7. 前記第１及び第２の一次活性領域の少なくとも１つのための前記少なくとも１つの材料及び前記二次活性領域のための少なくとも１つの材料が、遷移金属、希土類金属及びアルカリ土類金属の酸化物、硫化物、セレン化物、窒化物、リン化物、ヒ化物、塩化物及び臭化物、それらの合金、並びに少なくとも１つの陰性元素と化合する少なくとも２つの異なる金属原子が存在する、混合化合物から成るグループから選択される、請求項１に記載のスイッチ。
  8. 前記第１及び第２の一次活性領域の少なくとも１つのための前記少なくとも１つの材料及び前記二次活性領域のための少なくとも１つの材料が、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、対を成すか又は３つ同時に存在するこれら３つの酸化物の合金、及びＡＢＯ３化合物からなるグループから選択され、ここでＡは少なくとも１つの二価元素であり、ＢはＴｉ、Ｚｒ及びＨｆの少なくとも１つである、請求項７に記載のスイッチ。
  9. 前記第１及び第２の一次活性領域の少なくとも１つのための前記少なくとも１つの材料及び前記二次活性領域のための少なくとも１つの材料が、以下のリストから選択される、即ち
    ＴｉＯ２／ＴｉＯ２−ｘ
    ＺｒＯ２／ＺｒＯ２−ｘ
    ＨｆＯ２／ＨｆＯ２−ｘ
    ＳｒＴｉＯ３／ＳｒＴｉＯ３−ｘ
    ＧａＮ／ＧａＮ１−ｘ
    ＣｕＣｌ／ＣｕＣｌ１−ｘ
    ＧａＮ／ＧａＮ：Ｓ
    請求項７に記載のスイッチ。
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