BE1007902A3

BE1007902A3 - Schakelelement met geheugen voorzien van schottky tunnelbarriere.

Info

Publication number: BE1007902A3
Application number: BE9301444A
Authority: BE
Inventors: Ronald M Wolf; Paulus W M Blom; Marcellinus P C M Krijn
Original assignee: Philips Electronics Nv
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-11-14
Also published as: US5512773A; JPH07202139A; CN1108816A; KR950021480A; EP0660412A1

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een schakelelement voorzien van twee elektrodes (1,2) in de vorm van praktisch evenwijdige platen met daartussen een halfgeleidend diëlektricum (3), waarbij een elektrode (2) een materiaal omvat, dat met het halfgeleidende diëlektricum (3) een Schottky contact vormt, waarbij in bedrijf een ruimteladingsgebied (3') van het Schottky contact een tunnelbarrière voor elektronen vormt. In veel toepassingen is het gewenst dat het schakelelement een bepaalde schakeltoestand als open/dicht gedurende lange tijd vasthoudt. Het schakelelement kan dan bijvoorbeeld als geheugenelement gebruikt worden. Volgens de uitvinding heeft het schakelelement als kenmerk, dat het diëlektricum (3) een ferroëlektrisch materiaal omvat met een remanente polarisatie, die een grootte van de tunnelbarrière beïnvloedt. Hierdoor is bereikt, dat het schakelelement afhankelijk van de remanente polarisatie van het diëlektricum (3) verschillende schakeltoestanden heeft. Deze schakeltoestanden worden vastgehouden totdat de polarisatie van het diëlektricum (3) verandert.

Description

Schakelelement met geheugen voorzien van Schottky tunnelbarriere
De uitvinding heeft betrekking op een schakelelement voorzien van twee elektrodes in de vorm van praktisch evenwijdige platen met daartussen een halfgeleidend dielektricum, waarbij een elektrode een materiaal omvat, dat met het halfgeleidende dielektricum een Schottky contact vormt, waarbij in bedrijf een ruimteladingsgebied van het Schottky contact een tunnelbarriere voor elektronen vormt. De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement.

Uit de Japanse octrooiaanvraag no. 60-182762 is een inrichting van de in aanhef genoemde soort bekend met een eerste elektrode van titaan, een dielektricum van een n-type halfgeleidend oxyde van wolfraam en een tweede elektrode van iridium. Het iridium van de tweede elektrode en het dielektricum vormen een Schottky contact, waarbij een ruimteladingsgebied van dit contact in het diëlektricum de tunnelbarriere vormt voor elektronen, die van de ene naar de andere elektrode getransporteerd worden.

Het bekende schakelelement heeft een geheugen, dat verkregen wordt door verouderen van het schakelelement m. b. v. een spanning over het diëlektricum. Door deze spanning worden ionen door het diëlektricum bewogen. Deze ionen beinvloeden het ruimteladingsgebied van het Schottky contact en dus de tunnelbarrière, zodat schakeltoestanden ontstaan, waarbij meer of minder stroom wordt doorgelaten. De schakeltoestanden worden gedurende een zekere tijd vastgehouden.

De bekende, beschreven inrichting heeft als bezwaar, dat een schakeltoestand van het schakelelement slechts kort wordt vastgehouden, namelijk slechts enkele tientallen seconden.

Met de uitvinding wordt onder meer beoogd, genoemd bezwaar te ondervangen.

Daartoe heeft de inrichting, volgens de uitvinding, als kenmerk, dat het diëlektricum een ferroëlektrisch materiaal omvat met een remanente polarisatie, die een grootte van de tunnelbarrière beinvloedt. Onder grootte van de tunnelbarrière wordt hier verstaan een breedte en hoogte van een potentiaalsprong, die de tunnelbarrière vormt.

Onder remanente polarisatie wordt verstaan, die polarisatie, die het ferroëlektrische

EMI2.1
dielektricum heeft, wanneer over het diëlektricum geen elektrisch veld wordt aangelegd.

Hierdoor is bereikt, dat een schakeltoestand van het schakelelement praktisch onbeperkt kan worden vastgehouden. Vermoed wordt dat het volgende fysische proces een rol speelt. In bedrijf is in een gedeelte van het diëlektricum grenzend aan de elektrode met de hogere werkfunktie een ruimteladingsgebied behorend bij het Schottky contact gevormd. Elektronen kunnen van de ene naar de andere elektrode getransporteerd worden door tunnelen door het ruimteladingsgebied en door transport door het verdere gedeelte van het halfgeleidende diëlektricum. In het ruimteladingsgebied wordt de remanente polarisatie voornamelijk door het grote interne elektrische veld, veroorzaakt door de ruimtelading, bepaald.

Door over de elektrodes een spanning te zetten en zo een additioneel elektrisch veld in het diëlektricum te introduceren kan de remanente polarisatie van het diëlektricum buiten het ruimteladingsgebied en eventueel ook binnen het ruimteladingsgebied veranderd worden. De polarisatierichtingen van het diëlektricum binnen en buiten het ruimteladingsgebied kunnen parallel of antiparallel staan. Wanneer de polarisatierichtingen in en buiten het ruimteladingsgebied parallel staan wordt de dikte van het ruimteladingsgebied kleiner door een sterke kromming van de elektronen energiebanden in het dielektricum. De potentiaalsprong behorend bij de tunnelbarrière wordt dan minder breed en/of hoog. Elektronen kunnen dan makkelijker door het ruimteladingsgebied tunnelen. Het schakelelement is dan "dicht".

Wanneer daarentegen de polarisatierichtingen in en buiten het ruimteladingsgebied antiparallel staan dan wordt de dikte van het ruimteladingsgebied groter en wordt de bandbuiging minder. De potentiaalsprong wordt dan breder en hoger. Elektronen kunnen dan minder gemakkelijk door de Schottky barrière tunnelen. Het schakelelelement staat dan Het schakelelement kent dus verschillende schakeltoestanden.

De schakeltoestand wordt vastgehouden totdat de remanente polarisatie van het diëlektricum buiten het ruimteladingsgebied verandert.

Opgemerkt wordt dat er aanwijzingen zijn dat bepaalde wolfraamoxydes bij zeer lage temperaturen van ca.-130 en bij zeer hoge temperaturen rond ca. 700"C ferroelektrische eigenschappen hebben. Bij normale gebruikstemperaturen heeft wolfraamoxyde echter een monokliene centrosymmetrische struktuur, die niet ferroëlektrisch is. Er is enkele aanwijzing dat het bekende schakelelement op zeer lage of zeer hoge temperaturen gebruikt wordt. Het schakelelement volgens de uitvin-

ding wordt bedreven op temperaturen, zoals gebruikelijk voor halfgeleiderinrichtingen, namelijk op temperaturen gelegen tussen-50 en +250 C.

Opgemerkt wordt verder dat ferroëlektrische schakelelementen, zogenaamde varistors, bekend zijn. Deze schakelelementen houden echter een schakeltoestand niet vast, zij hebben geen geheugen.

Een ferroëlektrische materiaal kan van een polarisatietoestand in een andere gebracht worden door over het materiaal een zodanige spanning te zetten, dat in het ferroelektrische materiaal een elektrisch schakelveld behorend bij dat ferroëlek- trische materiaal overschreden wordt. In het ferroëlektrische materiaal verandert dan de richting van de polarisatie. In het schakelelement volgens de uitvinding wordt het dielektrische materiaal buiten het ruimteladingsgebied van de ene polarisatierichting in de andere geschakeld om verschillende schakeltoestanden te realiseren. Daartoe wordt een spanning over de elektrodes van het schakelelement gezet.

In de praktijk staat een groot deel van deze spanning over het ruimteladingsgebied, namelijk als de potentiaalsprong behorend bij de tunnelbarrière, en slechts een klein deel over het dielektricum buiten het ruimteladingsgebied. De breedte en de hoogte van de potentiaalsprong over het ruimteladingsgebied zijn slechts in geringe mate afhankelijk van de dikte van het gehele dielektricum, waarbij de dikte van het diëlektricum gedefmieerd wordt in een richting loodrecht op de elektrodeplaten. De spanning over het ruimteladingsgebied moet echter beperkt blijven, aangezien bij te hoge spanning over het ruimteladingsgebied doorslag optreedt.

Bij voorkeur heeft het dielektricum een zodanige kleine dikte, dat met een elektrische spanning over de elektrodes een schakelveld van het ferroëlektri- sche materiaal bereikt kan worden in een gebied van het diëlektricum buiten het ruimteladingsgebied zonder dat in het ruimteladingsgebied doorslag optreedt. In de praktijk blijkt dat bij een dikte van het dielektricum kleiner dan 5000 Ä geen problemen met doorslag van het ruimteladingsgebied optreden.

De remanente polarisatie in een ferroëlektrisch materiaal kan verschillende groottes in verschillende richtingen hebben afhankelijk van de struktuur van het diëlektricum. De grootte en de richting van de remanente polarisatie beinvloedt de grootte, d. w. z. de breedte en de hoogte van de potentiaalsprong behorend bij de
Schottky tunnelbarrière. Bij voorkeur is een richting van een grootste component van de remanente polarisatie praktisch loodrecht op deze platen. De richting van deze grootste component van de remanente polarisatie is dan parallel of antiparallel aan het elektrische

veld tussen de elektrodes. Het effect van de remanente polarisatie op de grootte van de tunnelbarriere is dan het grootst.

Een dergelijk materiaal wordt verkregen als het ferroëlektrische diëlektricum epitaxiaal is aangebracht op een elektrode van een metallisch geleidend oxyde. Het ferroëlektrisch diëlektricum kan op verschillende manieren halfgeleidend gemaakt worden, bijvoorbeeld door het aanbrengen van doteringsatomen of door het aanbrengen van lege roosterplaatsen, zogenaamde "vacancies" in niet geleidende metaaloxyden. De groeirichting van het ferroëlektrische dielektricum wordt bij voorkeur zo gekozen, dat een voorkeurspolarisatie as van het ferroëlektrische materiaal, die aangeeft hoe de grootste component van de remanente polarisatie staat, praktisch loodrecht op de platen staat.

Het dielektricum heeft dan een zodanige structuur dat de remanente polarisatie qua grootte maximaal is, terwijl de richting van de polarisatie evenwijdig is aan het aan te leggen elektrische veld tussen de elektrodes.

De metallisch geleidende elektrode en het ferroelektrische diëlektricum kunnen op een niet-kristallijne ondergrond worden aangebracht. Bij voorkeur echter is de metallisch geleidende elektrode aangebracht op een monokristallijn substraat. Het monokristallijne substraat heeft bij voorkeur een redelijke roosterpassing (+-10%) t. o. v. het gebruikte geleidende oxyde van de elektrode en het ferroëlektrische dielektricum. Een epitaxiaal aangebracht ferroëlektrisch diëlektricum is dan relatief eenvoudig te vervaardigen.

In een verdere uitvoeringsvorm omvat het diëlektricum twee of meer ferroëlektrische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Het dielektricum kan bijvoorbeeld in de vorm van twee lagen met verschillende ferroelektrische eigenschappen op een eerste elektrode zijn aangegroeid.

Op deze lagen is dan een tweede elektrode aangebracht. In deze uitvoeringsvorm hoeft slechts het ferroëlektrische diëlektricum behorend bij het Schottky contact halfgeleidend te zijn. In een verdere uitvoeringsvorm is tussen de verschillende ferroelektrische materialen een geleidende laag aangebracht, zodat het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen omvat. Een schakelelement omvat dan bijvoorbeeld een struktuur als MiFMF'Mg, waarbij Ml, M2, M3 geleidende elektrodematerialen zijn en F en F' ferroelektrische halfgeleidende materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Bij voorkeur is hierbij slechts een Schottky contact aanwezig.

Afhankelijk van de grootte en de richting van de

EMI5.1
remanente polarisaties van de ferroëlektrische dielektrica F en F'wordt de stroom groter of kleiner, zodat het schakelelement meer dan twee schakeltoestanden heeft. De aanwezigheid van een elektrode tussen twee dielektrica voorkomt bovendien koppeling van diëlektrische domeinen in de beide ferroëlektrische materialen.

De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement, dat een schakelelement volgens de uitvinding omvat. Bekende geheugenelementen omvatten capaciteiten, waarbij de grootte van lading op de capaciteiten een maat voor de informatie is. De uitlezing van bekende geheugenelementen is lastig. Bij uitlezing wordt een bepaalde spanning op een capaciteit gezet, waarna de lading, die naar de capaciteit stroomt gemeten wordt. De grootte van deze lading is een maat voor de lading, die op de capaciteit aanwezig was. Na uitlezen is de oorspronkelijk aanwezige informatie verdwenen, zodat deze informatie weer op de capaciteit ingeschreven moet worden. Bij een geheugenelement volgens de uitvinding wordt bij het uitlezen een spanning over het schakelelement aangelegd, waarna de stroom door dit element gemeten wordt. Het meten van een stroom is veel eenvoudiger dan het meten van lading.

De informatie in het schakelelement wordt door het uitlezen niet beinvloed. De uitleesprocedure voor een geheugenelement volgens de uitvinding is dus veel eenvoudiger dan de procedure bij een bekend geheugenelement.

De uitvinding wordt in het navolgende, bij wijze van voorbeeld, nader toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld met de bijbehorende schematische tekening. Hierin tonen Fig. 1. een schakelelement volgens de uitvinding.

Fig. 2. een stroom-spannings karakteristiek van een schakelelement volgens de uitvinding.

Fig. 3. een schrijf-lees cyclus voor een geheugenelement volgens de uitvinding.

Fig. 4. een schakelelement volgens de uitvinding, waarbij het dielektricum twee ferroëlektrische materialen met verschillende elektrische schakelvelden omvat.

De figuren zijn zuiver schematisch en niet op schaal getekend. Overeenkomstige delen zijn in de figuren in het algemeen met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

EMI6.1

Figuur 1 toont een schakelelement voorzien van twee elektrodes 1, 2 in de vorm van praktisch evenwijdige platen met daartussen een halfgeleidend diëlektricum 3, waarbij een elektrode 2 een materiaal omvat, dat met het halfgeleidende dielektricum 3 een Schottky contact vormt, waarbij in bedrijf een ruimteladingsgebied 3'van het Schottky contact een tunnelbarriere voor elektronen vormt.

Een dergelijk schakelelement is bekend, waarbij ionen in het dielektricum 3 het ruimteladingsgebied 3'beïnvloeden. De ionen kunnen m. een spanning over de elektrodes 1, 2 van de ene plaats in het dielektricum 3 naar een andere plaats gestuurd worden. Afhankelijk van de plaats van de ionen wordt het ruimteladingsgebied 3'groter of kleiner. Het bekende schakelelement heeft op deze wijze schakeltoestanden, die enkele tientallen seconden vast gehouden kunnen worden. In veel toepassingen is het echter gewenst dat het schakelelement een bepaalde schakeltoestand zoals open/dicht langer vasthoudt. Bovendien is het vaak gewenst dat een schakelelement snel van de ene schakeltoestand in een andere gezet kan worden. Het transport van ionen in het bekende schakelelement is relatief traag.

Volgens de uitvinding omvat het diëlektricum 3 een ferroëlektrisch materiaal met een remanente polarisatie, die een grootte van de tunnelbarriere beinvloed. Het schakelelement heeft dan afhankelijk van de remanente polarisatie van het dielektricum 3 verschillende schakeltoestanden. Hierdoor is bereikt, dat de schakeltoestand van het schakelelement praktisch onbeperkt kan worden vastgehouden. Vermoed wordt dat het volgende fysische proces een rol speelt. In een gedeelte van het dielektricum 3 grenzend aan de elektrode 2 is een ruimteladingsgebied 3'behorend het Schottky contact gevormd. Elektronen kunnen van de ene naar de andere elektrode 1, 2 getransporteerd worden door tunnelen door het ruimteladingsgebied 3'en door transport door het verdere gedeelte 3" het halfgeleidende diëlektricum 3. In het ruimteladingsgebied 3'is het interne elektrische veld t. ruimtelading zeer sterk.

De remanente polarisatie van het ferroëlektrische diëlektricum 3 in het ruimteladingsgebied 3'wordt dan ook door dit sterke elektrische veld bepaald. Door over de elektrodes 1, 2 een spanning te zetten en zo een additioneel elektrisch veld in het diëlektricum 3 te introduceren kan de polarisatie van het verdere gedeelte 3" het diëlektricum 3 buiten het ruimteladingsgebied 3'gericht worden. Deze polarisatie kan parallel of antiparallel aan de polarisatie in het ruimteladingsgebied 3'staan. Wanneer de polarisaties in en buiten het ruimteladingsgebied parallel staan wordt de dikte van het ruimtela-

dingsgebied 3'kleiner door een sterke buiging van de elektronen energiebanden in het diëlektricum 3. Elektronen kunnen dan makkelijker door het ruimteladingsgebied 3' tunnelen. Het schakelelement is dan "dicht".

Wanneer daarentegen de polarisaties in en buiten het ruimteladingsgebied 3'antiparallel staan dan wordt de dikte van het ruimteladingsgebied 3'groter en wordt de bandbuiging minder. Elektronen kunnen dan minder gemakkelijk door de Schottky barrière tunnelen. Het schakelelelement staat dan "open".

Het schakelelement kent dus verschillende schakeltoestanden. De schakeltoestand wordt vastgehouden totdat de remanente polarisatie van het verdere gedeelte 3" van het diëlektricum 3 buiten het ruimteladingsgebied 3'verandert.

Het ferroelektrische diëlektricum 3 kan van een polarisatietoestand in een andere geschakeld worden door over het diëlektricum 3 een zodanige spanning te zetten, dat in het dielektricum 3 een elektrisch schakelveld van het ferroëlektrische materiaal overschreden wordt.

Figuur 2 toont een stroom-spanningskarakteristiek van een schakelelement volgens de uitvinding. Hierbij is tussen elektrode 1 en het diëlektricum 3 een ohms contact gevormd, terwijl tussen elektrode 2 en het diëlektricum 3 het Schottky contact gevormd is. De stroom-spanningskarakteristiek van figuur 2 is opgebouwd uit twee curves 5, 6, die corresponderen met verschillende richtingen van de remanente polarisatie.

Wanneer op het schakelelement geen spanning V staat dan vloeit er geen stroom I door het element (punt 0 in figuur 2). Wanneer de spanning V over het diëlektricum 3 toeneemt en de remanente polarisatie in het dielektricum 3" buiten het ruimteladingsgebied staat parallel aan het aangelegde elektrische veld dan neemt de stroom toe volgens curve 5. Bij punt 8 op curve 5 wordt in het ferroelektrische diëlektricum het schakelveld voor het omschakelen van de polarisatie bereikt. De remanente polarisatie in het ferroëlektrische diëlektricum 3" verandert dan van parallel naar antiparallel aan het elektrische veld. De stroom door het schakelelement neemt dan af tot punt 9 op curve 6 bereikt wordt. Wanneer na het bereiken van punt 9 de spanning afneemt dan volgt de stroom volgens curve 6.

Er loopt dan praktisch geen stroom door het schakelelement, het schakelelement staat open. Wanneer punt 10 op curve 6 bereikt wordt dan is het elektrische veld zo groot, dat de remanente polarisatie van het diëlektricum weer van richting omschakelt. De stroom neemt dan af tot de waarde behorend bij punt 11 op curve 5 bereikt wordt. Indien de spanning verder afneemt zal de stroom afnemen volgens curve 5, totdat het dielektricum bezwijkt. Wanneer na het bereiken van punt 11

de spanning toeneemt dan volgt de stroom volgens curve 5.

In de praktijk wordt het schakelelement geschakeld door een spanningspuls over het dielektricum te zetten, die zodanig groot is dat de remanente polarisatie van het dielektricum verandert. Het schakelelement wordt dan uitgelezen bij spanningen lager dan de spanning behorend bij het schakelveld van de remanente polarisatie.

Figuur 3 toont een schrijf-lees cyclus van het schakelelement. Hierbij staat op de horizontale as de tijd t, terwijl verticaal de spanning V over het schakelelement (Fig.

3a) en de stroom I door het schakelelement (Fig. 3b) is uitgezet. Op tijdstip t=0 wordt op de elektrodes een zodanig grote positieve schrijfpuls Vs gezet, dat het positieve schakelveld van het diëlektricum 3 overschreden wordt. De stroom-spanningsrelatie wordt dan gegeven door curve 6 van figuur 2. Dan wordt voor het uitlezen van de
EMI8.1
schakeltoestand van het schakelelement op de elektrodes 1, 2 een leespuls met een amplitude tussen 0 en Volt gezet (zie figuur 2). Er loopt dan praktisch geen stroom door het schakelelement. Het schakelelement staat open. Op tijdstip t=t, wordt op de elektrodes een zodanig grote negatieve schrijfpuls-Vs gezet, dat het negatieve schakelveld van het dielektricum 3 overschreden wordt, zodat de stroom-spanningsrelatie gegeven wordt door curve 5 van figuur 2.

Dan wordt voor het uitlezen van de schakeltoestand van het schakelelement op de elektrodes 1, 2 wederom de leespuls met een amplitude tussen 0 en-Vt gezet (zie figuur 2). Er loopt dan een relatief grote stroom I door het schakelelelement. Het schakelelement staat dicht.

In het schakelelement volgens de uitvinding wordt het dielektrische materiaal 3" buiten het ruimteladingsgebied 3'van de ene polarisatierichting in de andere geschakeld om verschillende schakeltoestanden te realiseren. Daartoe wordt een spanning over de elektrodes 1, 2 van het schakelelement gezet. In de praktijk staat een groot deel van deze spanning over het ruimteladingsgebied 3'en slechts een klein deel over het dielektricum 3" buiten het ruimteladingsgebied 3'. De dikte van en de spanningsval over het ruimteladingsgebied 3'zijn slechts in geringe mate afhankelijk van de dikte van het gehele dielektricum 3. De spanning over het ruimteladingsgebied 3'moet echter beperkt blijven, aangezien bij te hoge spanning over het ruimteladingsgebied 3'doorslag optreedt.

Bij voorkeur heeft het dielektricum 3 een zodanige kleine dikte, dat met een elektrische spanning over de elektrodes 1, 2 een schakelveld van het ferroëlektrische materiaal bereikt kan worden in een gebied van het diëlektricum 3" buiten het ruimteladingsgebied 3'zonder dat in het ruimteladingsgebied 3'doorslag optreedt. In de

praktijk blijkt dat bij een dikte van het dielektricum kleiner dan 5000 Ä geen problemen met doorslag van het ruimteladingsgebied 3'optreden.

De remanente polarisatie in een ferroëlektrisch materiaal kan verschillende groottes in verschillende richtingen hebben afhankelijk van de struktuur van het diëlektricum 3. De grootte en de richting van de remanente polarisatie beinvloedt de grootte, d. w. z. de breedte en de hoogte van de potentiaalsprong behorend bij de Schottky barrière. Bij voorkeur is de richting 4 van een grootste component van de remanente polarisatie praktisch loodrecht op de platen. De richting 4 van deze grootste component van de remanente polarisatie is dan parallel of antiparallel aan het elektrische veld tussen de elektrodes 1,2. Het effect van de polarisatie op de hoogte en de breedte van de tunnelbarrière is dan het grootst.

Een dergelijk materiaal wordt verkregen als het ferroëlektrische dielektricum 3 epitaxiaal is aangebracht op een elektrode 1 van een metallisch geleidend oxyde.

Er ontstaat dan een ohms contact tussen deze elektrode 1 en het diëlektricum 3. De metallisch geleidende oxydelagen omvatten bijvoorbeeld bekende materialen als lanthaanstrontiumcobaltoxyde, strontiumruthenaat, strontiumvanadaat of gedoopt tinoxyde.

Als halfgeleidend ferroëlektrisch dielektricum 3 kunnen verschillende metaaloxyden gebruikt worden, die bijvoorbeeld door het aanbrengen van doteringsatomen of door het aanbrengen van lege roosterplaatsen, de zogenaamde "vacancies" halfgeleidend zijn. Zo voldoen bijvoorbeeld titanaten met een perovskiet struktuur goed. De groeirichting van het ferroëlektrische dielektricum 3 wordt zo gekozen, dat een voorkeurspolarisatie as van het ferroëlektrische materiaal, die aangeeft hoe de grootste component van de remanente polarisatie staat, praktisch loodrecht op de platen staat. Het diëlektricum 3 heeft dan een zodanige structuur dat de remanente polarisatie qua grootte maximaal is, terwijl de richting 4 van de polarisatie evenwijdig is aan het aan te leggen elektrische veld tussen de elektrodes 1, 2.

De elektrode 1 van metallisch geleidend oxyde en het ferroëlektrische diëlektricum 3 worden m. b. v. standaard technieken als "pulsed laser deposition" (PLD), "sputtering", "molecular beam epitaxy" (MBE) of"metal organic chemical vapour deposition" (MOCVD) aangebracht. De materialen kunnen op een niet- kristallijne ondergrond worden aangebracht. Bij voorkeur echter is de metallisch gelei- dende elektrode aangebracht op een monokristallijn substraat 15. Het monokristallijne substraat 15 heeft bij voorkeur een redelijke roosterpassing (+-10%) t. o. v. het gebruikte geleidende oxyde van de elektrode 1 en het ferroëlektrische diëlektricum 3.

Een epitaxiaal aangebracht ferroelektrisch dielektricum 3 is dan relatief eenvoudig te vervaardigen. Als monokristallijn substraat 15 kan bijvoorbeeld strontiumtitanaat, magnesiumoxyde, magnesiumaluminiumoxyde of lithiumniobaat gebruikt worden. Maar ook substraten 15 van silicium of galliumarseen kunnen met geschikte bufferlagen als bijvoorbeeld PrsO, MgO of yttrium gestabiliseerd zirkoonoxyde (YSZ) gebruikt worden.

Een uitvoeringsvorm van het schakelelement wordt als volgt vervaardigd.

Als substraat 15 wordt een éénkristallijn magnesiumaluminaat kristal gebruikt. Een dergelijk kristal heeft een redelijke passing t. o. v. het als elektrode 1 gebruikt lantaanstrontiumcobaltaat (LaoSrosCoO). Het lantaanstrontiumcobaltaat wordt m. b. v. PLD
EMI10.1
aangebracht bij 600 C onder 0. mbar zuurstofatmosfeer. Als ferroëlektrisch diëlektri- cum 3 wordt een laag loodtitanaat (PbTiOg (PT)) van 2000 Ä aangebracht op dezelfde wijze als het lantaanstrontiumcobaltaat van de elektrode 1 is aangebracht, waarbij een ptype halfgeleidend loodtitanaat gemaakt wordt. De laag 3 heeft dan een epitaxiale structuur. De remanente polarisatie is circa. 75 C/nr'. Op de laag loodtitanaat 3 wordt een goudlaag als elektrode 2 aangebracht. Goud vormt een Schottky contact met het loodtitanaat 3.

De elektrode 2 en het diëlektricum 3 worden dan in patroon gebracht m. b. v. een standaard lithografieproces en door etsen m. b. v. reactive ion etching of m. b. v. Ar"ion etching". De struktuur wordt doorgeëtst tot in de elektrode 1.

Er is dan een schakelelement volgens figuur 1 ontstaan met lanthanstrontiumcobaltaat elektrode 1, een 2000 Ä dik loodtitanaat dielektricum 3 en een goud elektrode 2. De stroom-spanningscurve van een dergelijk schakelelement wordt getoond in figuur 2.

Een tweede uitvoeringsvorm van het schakelelement wordt als volgt vervaardigd. Als substraat 15 wordt een éénkristallijne GaAs plak gebruikt. De GaAs plak wordt voorzien van een bufferlaag MgO. MgO heeft een redelijke passing (7%) t. o. v. als elektrode l gebruikt strontiumruthenaat (SrRu03). Het strontiumruthenaat wordt m. b. v. sputteren aangebracht bij een substraattemperatuur van 600 C in een zuurstofbevattende atmosfeer tot een dikte van 500Á. Op deze elektrode 1 wordt als ferroelektrisch dielektricum een laag van 1000 Ä PbTi03 aangebracht m. b. v. MOCVD bij 700 C en een zuurstof partiaaldruk van 4 mbar. Hierdoor wordt halfgeleidend PbTi03 verkregen. De laag 3 heeft een epitaxiale structuur. De remanente polarisatie is circa 0. 75 C/m2.

Op de laag loodtitanaat 3 wordt een platina laag als elektrode 2 aange-

bracht. Platina heeft een hoge werkfunktie en vormt een Schottky contact wanneer aangebracht op het loodtitanaat van het dielektricum 3. De elektrode 2 en het diëlektricum 3 worden dan in patroon gebracht m. b. v. een standaard lithografleproces en door etsen m. b. v. reactive ion etching of m. b. v. Ar"ion etching". De struktuur wordt doorgeëtst tot in de elektrode 1.

Er is dan een schakelelement volgens figuur 1 ontstaan met een strontiumruthenaat elektrode 1, een 1000 Á dik loodtitanaat halfgeleidend dielektricum 3 en een platina elektrode 2.

In een verdere uitvoeringsvorm omvat het dielektricum 3 meerdere ferroëlektrische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Het schakelelement heeft dan meer dan twee schakeltoestanden. Figuur 4 toont een schakelelement, waarbij het dielektricum 3 in de vorm van twee lagen 3,6 met verschillende ferroelektrische eigenschappen op een eerste elektrode is aangegroeid. Op dit dielektricum 3,6 is een tweede elektrode 2 aangebracht. Als voorbeeld wordt wederom een strontiumtitanaat substraat 15 genomen met een eerste elektrode 1 van strontiumruthenaat. Op deze elektrode 1 wordt met MOCVD een loodzirkoontitanaat laag 3 van 500 Ä aangebracht analoog aan de werkwijze in het eerste uitvoeringsvoorbeeld.

Op deze laag 3 wordt op de in uitvoeringsvoorbeeld 1 beschreven wijze een tweede ferroëlektrische laag 6 van loodtitanaat aangebracht, waarbij op bekende wijze de samenstelling zodanig gekozen wordt dat in deze laag een ander schakelveld en remanente polarisatie gerealiseerd wordt dan in de loodzirkoontitanaat laag 3. Dielektricum 3 heeft een schakelveld van 10'V/m en een remanente polarisatie van 0. 23 C/m2. Diëlektricum 6 heeft een schakelveld van 8 x 106
V/m en een remanente polarisatie van 0. 75 C/m . Een dergelijk schakelelement heeft vier schakeltoestanden afhankelijk van de richting van de remanente polarisatie van de diëlektrica.

Wanneer we de richting 4 van de polarisatie met- > of < -aanduiden voor een polarisatie gericht resp. van elektrode 1 naar 2 of omgekeerd dan zijn de vier schakeltoestanden : no. 1 : diëlektricum 3 - > diëlektricum 6 - > ; no. 2 : diëlektricum 3 -
EMI11.1
> dielektricum 6 < - no. 3 3 < -dielektricum 3 < -dielektricum 6 < -. Bij gelijke grootte van de remanente polarisatie zijn er slechts drie schakeltoestanden, schakeltoestand no. 2 en 3 zijn dan identiek. Het schakelelement kan ook meer dan twee verschillende ferroëlektrische diëlektrica omvatten. Het schakelelement krijgt dan evenredig meer schakeltoestanden.

In een verdere uitvoeringsvorm is tussen de verschillende ferroëlektrische materialen een geleidende laag van LaoSroCoOg aangebracht, zodat het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen omvat. Een schakelelement omvat dan bijvoorbeeld een struktuur als MiFMF'M, waarbij Mi, M , M geleidende elektrodematerialen zijn en F en F'ferroelektrische materialen, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen. Tussen een van de geleidende lagen en het ferroëlektrische diëlektricum is een Schottky contact aanwezig. Afhankelijk van de grootte en de richting van de remanente polarisaties van de ferroëlektrische diëlektrica F en F'wordt de stroom groter of kleiner, zodat het schakelelement meer dan twee schakeltoestanden heeft.

De aanwezigheid van een elektrode tussen twee diëlektrica voorkomt bovendien koppeling van dielektrische domeinen in de beide ferroëlektrische materialen.

De uitvinding heeft ook betrekking op een geheugenelement, dat een schakelelement volgens de uitvinding omvat. Bekende geheugenelementen omvatten capaciteiten, waarbij de grootte van lading op de capaciteiten een maat voor de informatie is. De uitlezing van bekende geheugenelementen is lastig. Bij uitlezing wordt een bepaalde spanning op een capaciteit gezet, waarna de lading, die naar de capaciteit stroomt gemeten wordt. De grootte van deze lading is een maat voor de lading, die op de capaciteit aanwezig was. Na uitlezen is de oorspronkelijk aanwezige informatie verdwenen, zodat de oorspronkelijk aanwezige informatie weer op de capaciteiten ingeschreven moet worden. Bij een geheugenelement volgens de uitvinding wordt bij het uitlezen een spanning op het schakelelement gezet, waarna de stroom door het element gemeten wordt (zie figuur 3).

Het meten van een stroom is veel eenvoudiger dan het meten van lading. De informatie in het schakelelement wordt door het uitlezen niet beinvloed. De uitleesprocedure voor een geheugenelement volgens de uitvinding is dus veel eenvoudiger, dan de procedure bij een bekend geheugenelement.

In de praktijk wordt het geheugenelement van de ene geheugentoestand in een andere geschakeld door een spanningspuls over het dielektricum te zetten, die zodanig groot is dat de remanente polarisatie van het dielektricum, of indien meerdere dielektrica aanwezig zijn, een van de dielektrica, verandert. Het geheugenelement wordt dan uitgelezen door de stroom door het schakelelement te meten bij spanningen lager dan de spanning behorend bij een schakelveld van de remanente polarisatie van het dielektri- cum.

EMI13.1

De uitvinding is niet beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvoorbeelden. Zo kunnen i. een enkel schakelelement vele schakelelementen op het substraat 15 aanwezig zijn, terwijl naast de schakelelementen ook andere elementen als transistoren, weerstanden of condensatoren aanwezig kunnen zijn, met name wanneer een silicium plak als substraat gebruikt wordt. Of met andere woorden het schakelelement kan een onderdeel uitmaken van een geïntegreerde schakeling.

In de uitvoeringsvoorbeelden is tussen een van de elektrodes 1, 2 en het dielektricum een Schottky contact aanwezig, terwijl tussen de andere elektrode en het dielektricum een ohms contact aanwezig is. Het is ook mogelijk dat tussen beide elektrodes en het diëlektricum een Schottky contact aanwezig is. Het schakelelement omvat dan twee in serie geschakelde Schottky barrières. Het diëlektricum moet in zo'n geval voldoende dik zijn om bemvloeding van de bij de Schottky contacten behorende ruimteladingsgebieden door de polarisatie van een gebied buiten de ruimteladingsgebieden mogelijk te maken.

Het ferroëlektrische diëlektricum 3 kan gecombineerd worden met niet ferroëlektrische materialen. Zo kan het diëlektricum 3 een dunne laag ferroëlektrisch materiaal omvatten met daarnaast een halfgeleidende niet ferroelektrische laag. Hierbij kan het niveau, waarop geschakeld wordt beinvloed worden, of het effect van het schakelen kan beinvloed worden. Ook is het mogelijk het ferroëlektrische diëlektricum te combineren met een antiferroëlektrisch dielektricum. Op die wijze is het mogelijk extra schakeltoestanden van het schakelelement te realiseren.

Het schakelelement kan ook als een onderdeel van een transistor gebruikt worden.

Daartoe wordt bijvoorbeeld het schakelelement volgens de uitvinding gecombineerd met halfgeleidende p of n-type gebieden. Er ontstaat dan een struktuur volgens M) met M17 M2 resp. elektrodes 1, 2, met F een halfgeleidend ferroelektrisch diëlektricum en P en N resp. een p- n-type geleidend halfgeleidermateriaal. De elektrode 1 fungeert dan bijvoorbeeld als emitteraansluiting, het p-type gebied als basisgebied en het n-type gebied als collectorgebied. Bovengenoemde transistor heeft een geheugenfunctie, d. ze kan bepaalde schakeltoestanden vasthouden.

Claims

p. v.Conclusies : EMI14.1 1. Schakelelement voorzien van twee elektrodes in de vorm van praktisch evenwijdige platen met daartussen een halfgeleidend diëlektricum, waarbij een elektrode een materiaal omvat, dat met het halfgeleidende diëlektricum een Schottky contact vormt, waarbij in bedrijf een ruimteladingsgebied van het Schottky contact een tunnelbarrière voor elektronen vormt met het kenmerk, dat het dielektricum een ferroëlektrisch materiaal omvat met een remanente polarisatie, die een grootte van de tunnelbarrière beinvloedt.
2. Schakelelement volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het dielektricum een zodanige kleine dikte heeft, dat met een elektrische spanning over de elektrodes een schakelveld van het ferroëlektrische materiaal bereikt kan worden in een gebied van het diëlektricum buiten het ruimteladingsgebied zonder dat in het ruimteladingsgebied doorslag optreedt.
3. Schakelelement volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de dikte van het diëlektricum kleiner dan 5000 Ä
4. Schakelelement volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de richting van een grootste component van de remanente polarisatie praktisch loodrecht op de platen is.
5. Schakelelement volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ferroëlektrische dielektricum epitaxiaal is aangebracht op een elektrode van een metallisch geleidend oxyde.
6. Schakelelement volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de metallisch geleidende elektrode is aangebracht op een monokristallijn substraat.
7. Schakelelement volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het diëlektricum twee of meer ferroelektrische materialen omvat, die bij verschillende elektrische schakelvelden de richting van hun remanente polarisatie veranderen.
8. Schakelelement volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat tussen de verschillende ferroëlektrische materialen een geleidende laag is aangebracht, zodat het schakelelement een aantal in serie geschakelde elementen omvat.
9. Geheugenelement met het kenmerk, dat het geheugenelement een schakelelement volgens een der voorgaande conclusies omvat.