专利名称：场效应硫属化物装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及调控电流的电子装置。更具体来说，本发明涉及具有类晶体管(transistor-like)特性的硫属化物装置(Chalcogenidedevice)。更具体来说，本发明属于多端子的硫属化物装置，其中在门极端子处施加的电信号可调制该装置的源极端子和漏极端子之间的电流。
背景技术：
当前的电子装置建立在常规的硅技术基础上。利用硅技术，人们可以制造出生产现代计算机和消费电子品所需的电子元件(如晶体管、二极管、开关、存储器、集成电路和处理器)。硅基电子设备在市场上已经取得了显著的成功，并且其提供了许多便利，大大方便了日常生活。
在过去的数十年中，硅基电子装置的发展在生产过程使装置小型化方面具有大幅进步。对于许多代的硅技术来说，多年来小型化趋势忠实遵循着摩尔定律。随着装置形体尺寸的减小，在给定面积的硅片上比以往集成更多的装置并且在计算机和电子产品中获得提高的性能和速度已成为可能。
由于在计算能力和功能方面的进一步改进是基于目前硅技术进一步提高的基础之上的，因而近来许多人预测硅基电子装置将继续小型化。越来越多的人相信计算机工业正迅速地接近硅的性能极限。当前制造技术中的形体尺寸(feature size)在0.18微米，预计将来其能够减小到大约0.10微米。然而，形体尺寸的进一步减小被认为将带来问题，因为在0.10微米以下会导致硅的根本性质发生改变。更确切地说，当硅装置的尺寸减小到数十纳米以下时，硅就进入了量子体系状态并且不再按照支配宏观物质的经典物理学那样运作。在量子体系中，能态是量子化的而并非连续的，并且诸如隧道效应的现象导致了电子横跨许多装置发生离域。隧道效应的结果包括当电子从一个装置逃逸到邻近的装置中时发生的电流泄露以及当一个装置的状态影响了邻近装置的状态时装置独立性的降低。除了硅性质的根本改变之外，硅装置尺寸的进一步减小还会引起难以克服的技术难题。人们需要创新的制造方法例如光刻法以便获得更小的形体尺寸。
硅技术中的另外两个缺点已经得到确认。首先，随着形体尺寸的减小，安装和操作新制造的装置的成本会成指数规律地增加。例如，以当前0.18微米的形体尺寸，建立一套新的半导体生产装置的成本已超过十亿美元。随着装置变得更小型并且对杂质和加工污染物更加敏感，该成本只会增加。
其次，人们越来越认识到硅基计算机的功能具有内在的局限性，因为某些计算仍然在很大程度上不遵循现代计算机的解决方案。实例包括因式分解、并行计算、模式识别和联想记忆。类似地，凭人类和其它生物有机体的意愿和直觉执行的许多任务对传统的计算机来说执行起来很困难、繁琐并经常是不可能的。
对未来计算技术的设想表明需要具有新功能的新型计算机来处理比以往更加深奥的应用问题。人们需要适应性强并且灵活、而且能根据推理和智能进行工作的新型计算机。需要不受限于传统计算机的僵化、强力解决问题的方法的计算机。取而代之，需要能够对不断变化的情形作出反应并能够辨别多个来源的信息以提供合理的输出结果，甚至在面对看似矛盾的情况时也能如此运算的计算机。达到智能计算机和装置所需的功能超出了以硅技术为基础的常规计算机的当前和计划执行能力。因此，需要一种新型和革命性的计算模式，至少部分基于新型的非硅质计算介质，其包括通用计算机和特定任务计算装置。为实现该目标，需要非硅基电子装置和元件的发展和互联策略，并且使这些装置和元件与常规的硅具有接口。
发明概述本发明提供了能用于构建比当前的硅基常规计算机具有更多功能的新型计算机和计算装置的电子装置。该装置不是基于硅，而是基于能够在电阻性状态和导电性状态之间可逆变换的硫属化物相变材料。通过向该相变材料提供能量达到或超过阈值能量的量，就可以实现状态之间的变换。从外部能源向硫属化物材料的电阻性状态施加至少阈值量的能量，造成了至少部分材料转换成为导电性状态。只要向该材料提供最小量的外部能量，该导电性状态就会持续下去。一旦外部能量终止，该材料则回到电阻性状态。
本装置包括三个或更多个端子用以将该装置与其它的装置、电路元件或外部能源或接收器相连接。该端子可包括用于接收来自外部装置或电源的电能或信号并将其提供给硫属化物材料的输入端，以及用于从该硫属化物材料向外部装置传递电能或信号的输出端。本装置可包括一个或多个输入端子以及一个或多个输出端子。该硫属化物材料通过其导电性决定了向一个端子提供的信号向该装置的另一个端子发送、传达或以其它方式引起信号的程度。
本装置包括了大量的硫属化物材料以及三个或更多个与其电连接的端子。在本发明的优选实施方案中，通过向门极端子施加电信号来控制源极端子和漏极端子之间流过的电流，其中源极端子和漏极端子都与硫属化物材料电连接，门极端子也与硫属化物材料电连接。源极和漏极之间通过的电流流过处于导电性状态的硫属化物材料部分，而门极信号通过调制处于导电性状态的硫属化物材料的比例从而调制总的电流。通过提高处于导电性状态的硫属化物材料的比例，从源极向漏极流过的电流会增加，反之亦然。因此本装置提供了在非硅质材料中的晶体管样电流放大性能。
在一个实施方案中，提供了具有三个或更多个端子，包括门极端子的场效应硫属化物装置，其电连接着硫属化物材料，其中向门极端子提供的电信号影响通过两个非门极端子之间的硫属化物材料的电流。
在另一个实施方案中，提供了具有三个或更多个端子，包括门极端子的场效应硫属化物装置，其电连接着硫属化物材料，其中向门极端子提供的光学信号影响通过两个非门极端子之间的硫属化物材料的电流。
本装置可与其它的装置或电路元件连接形成网络。在网络中，本装置可用作互连装置以调控在网络中的装置或电路元件之间流动的电流。
附图简述
图1.硫属化物材料的I-V特征。
图2.根据本发明的三端子场效应硫属化物装置的实施方案的示意图。
发明详述本发明提供了基于硫属化物材料的场效应电子装置。硫属化物材料的特性先前已经讨论过，其中包括转换效应，例如在OTS(双向阈值开关)装置中所采用的那些特性。OTS曾记载在美国专利No.5543737、5694146和5757446中，其公开内容在此引入参考，以及一些期刊论文中，包括S.R.Ovshinsky的“Reversible ElectricalSwitching Phenomena in Disordered Structures”，Physical ReviewLetters，第21卷，1450-1453页(1969)；S.R.Ovshinsky和H.Fritzsche“Amorphous Semiconductors for Switching，Memory，and ImangingApplications”，IEEE Transactions on Electron Devices，第ED-20卷，91-105页(1973)；其公开内容在此引入参考。
图1中示意性地说明了本装置中包括的硫属化物材料的电转换和电流特征，其表示的是硫属化物材料的I-V(电流-电压)特征。在图1中所描绘的硫属化物特征可以简化考虑成一种简单的两端子装置构造，其中两个间隔设置的电极与硫属化物材料接触，电流I对应于通过这两个电极之间的电流。本发明的多端子装置中的成对端子具有类似的特征。图1的I-V曲线表明通过硫属化物材料的电流作为由电极向该材料所施加电压的函数。该材料的I-V特征与施加电压的极性相对称。为简便起见，在以下对硫属化物转换特性的简要讨论中我们只考虑图1的I-V曲线图的第一象限(电流和电压均为正的部分)。类似的极性说明可应用于该I-V曲线图的第三象限。
根据本发明的硫属化物材料的I-V曲线包括电阻性分支和导电性分支。这些分支在图1中标明。电阻性分支对应于那条通过材料的电流随着对该材料施加电压的增加仅缓慢增加的分支。该分支在I-V曲线图中呈现的斜率较小并且看上去更接近于图1的一和三象限中的横轴。导电性分支对应于那条通过材料的电流随着对该材料施加电压的增加而显著增加的分支。该分支在I-V曲线图中呈现的斜率较大并且看上去更接近于图1的一和三象限中的纵轴。图1中所示的该电阻性和导电性分支的特定斜率为示例性的而非限制性的，实际的斜率将取决于该硫属化物材料的化学组成、厚度等等，以及周围电路元件的参数，例如电阻、电容等等。无论实际斜率如何，导电性分支必须表现出比电阻性分支更大(更陡)的斜率。当装置的状态为，可由该I-V曲线电阻性分支上的一点来描述该硫属化物材料时，则可以说该硫属化物材料或装置处于电阻性状态。当装置的状态为，可由该I-V曲线导电性分支上的一点来描述该硫属化物材料时，则可以说该硫属化物材料或装置处于导电性状态。
根据本发明的硫属化物材料的载流能力可参见图1所示。我们首先考虑两端子装置的构造，其中端子之间不存在电压差。当没有向该硫属化物材料施加电压时，该材料处于电阻性状态，没有电流流过。该状态对应于图1所示的I-V曲线图中的原点。随着所施加电压的增加，该硫属化物保持在电阻性状态，直到达到阈值电压(在图1的第一象限中表示为Vt)。所施加电压在0至Vt之间时I-V曲线的斜率值很小，表明该硫属化物材料具有高电阻，间接反映在用于描述这部分I-V曲线的术语“电阻性分支”上。高电阻意味着低导电性，结果使流过材料的电流随着所施加电压的增加仅微弱地增加。
当所施加的电压等于或超过阈值电压时，硫属化物材料则从I-V曲线中的电阻性分支转变或转换到导电性分支。这种转换过程几乎是瞬间发生的，由图1中的虚线表示出。转换之后，装置的电压显著下降，并且装置的电流变得对装置电压的变化更加敏感。只要保持最小电流，图1中标示为Ih，该硫属化物材料就保持处于导电性分支。我们将Ih视为该装置的保持电流，而相关的电压Vh为保持电压。如果装置的状态改变，使电流变得小于Ih，则该材料通常返回到I-V曲线图的电阻性分支，并需要再施加阈值电压以恢复导电性分支上的操作。如果电流仅瞬时地(例如，时间短于该硫属化物材料的恢复时间)降低到Ih以下，在电流回到或超过Ih时该硫属化物的导电性状态则可能恢复。硫属化物材料的恢复时间曾在文章“AmorphousSemiconductors for Switching，Memory，and Imaging Applications”中有所讨论，上文中曾引入作为参考。
图1所示的I-V曲线图的第三象限中也发生类似的转换性质。如果人们已知第三象限中I-V曲线为负极性的话，则在该第三象限中的转换状况和电流特性类似于上述第一象限中的情况。例如，所施加电压值大于第三象限中的负阈值时，则引起从电阻性分支到导电性分支的转变或转换。
本场效应装置可调制通过硫属化物材料的电流，该硫属化物材料的性质用如图1所示的I-V曲线的导电性分支上的一点进行说明。在该装置中，当硫属化物材料处于导电性状态时，向门极端子提供的信号可用于调制从一个非门极端子通过硫属化物材料到另一个非门极端子的电流。由门极端子对电流的调制可以用现象学模型的内容来描述，该模型适用于通过施加阈值电压Vth，将硫属化物材料从电阻性状态转换到导电性状态。根据该模型，施加的阈值电压造成在该硫属化物材料中形成导电性通道或纤维。在典型的装置构型中，向与硫属化物材料电连接的两端子之间施加电压差，在这两端子之间的硫化物材料内就形成了导电性纤维。在阈值电压下，硫属化物材料部分受到的电场足够高以引起击穿或雪崩效应，从而使电子从原子中逸出形成高度导电性的等离子样的载荷子纤维。一些电子不再以键或孤对轨道的形式束缚到原子上，而变得无束缚和高度移动性。结果，形成了导电轨道或纤维。该导电纤维构成了其它电阻性硫属化物材料内的导电部分或体积。导电性纤维延伸穿过该装置端子之间的硫属化物材料，其中该硫属化物材料上施加了阈值电压并在那些端子之间提供了电流的低电阻通道。该纤维之外的硫属化物材料部分保持着电阻性。由于电流横穿最小电阻的通路，因而导电纤维的存在提供了该硫属化物材料的导电性并建立了导电性状态。导电性纤维的产生是硫属化物材料从电阻性状态转变成导电性状态的基础条件。
只要装置的电流保持在或高于所述保持电流，该装置的端子之间就会保持有导电性纤维。导电性纤维存在于沿该导电性分支的所有点上，但是沿着该导电性分支的不同点上该纤维的横截面积有所不同。该纤维的横截面积与横向于电流方向的方向相关。根据导电性分支内的工作条件，纤维可窄可宽。由于所施加的电压沿该导电性分支增加，纤维的横截面随着所施加电压的增加而增大。增大的纤维表明有更大部分或体积的硫属化物材料处于导电性状态并呈现出高导电性。结果，随着向电流通过的端子上施加的电压差的增加，该硫属化物材料可承受住更大的电流，如所述I-V曲线的导电性分支所示。向处于导电性分支状态下工作的硫属化物材料上施加的电压的变化可改变横向于电流方向的纤维的宽度或厚度。结果，在导电状态下硫属化物材料的横截面积以及硫属化物材料的载流能力随着导电分支上电压的增加而增大。改变导电性分支状态下工作的硫属化物材料上所施加电压的实际结果是改变了导电性和电阻性部分的体积分数。随着导电性体积分数的增加，硫属化物材料通过电流的能力增加。
在两端子的硫属化物装置中，向端子上施加的电压用于控制或调制硫属化物材料的载流能力，并因而控制或调制通过该装置的电流。在本发明的场效应装置中，三个或更多个端子直接或间接地与硫属化物材料连接并电连通，其中至少一个端子为场效应端子，并且向该场效应端子施加的信号在该硫属化物材料内或附近产生了电场，该信号用以调制通过另两个端子之间的硫属化物材料的电流。向场效应端子提供的信号还可以改变其它的电学特性，例如在其它端子之间的电压，硫属化物材料上或内部的电荷分布或者极性。在本装置中，从场效应端子上发出的电场不是由场效应端子到硫属化物的电流或载流子注入产生的，而是由于该场效应端子上静态或动态的电荷积聚或撤消而形成的。场效应端子处的电荷可以在该场效应端子的内部或表面上。本装置的场效应端子与硫属化物材料之间的电连接为间接式的，其是指电流不从场效应端子和硫属化物材料中流出或者从本装置的硫属化物材料流向场效应端子。根据本发明的场效应端子这里还可以称作门极端子或门极。电流在其间通过的端子这里可以称作非门极端子。电流在其间通过的端子这里还可以称作源极或漏极端子，其中电流来自或提供于源极端子处，通过硫属化物材料并从漏极端子处流出。本装置的非门极端子与硫属化物材料之间的电连接为直接式的，其是指电流可从非门极端子流向硫属化物材料，或者从硫属化物材料流向非门极端子。根据本发明的门极或非门极端子根据其是否能够(或不能)向本场效应装置中的硫属化物材料发送或接收来自其的电流而区别开。在本装置的优选实施方案中，门极端子处提供的信号形成了电场，当硫属化物材料处于导电性状态时，其可以调制或以其它方式影响在源极和漏极端子之间通过的电流。
根据本发明的典型装置结构如图2所示。该装置包括硫属化物材料100，源极端子110，漏极端子120，以及包括绝缘层130和导电层140的门极端子150。端子110、120和150与硫属化物材料100连接并电连通。端子110和120由导电性材料如金属构成。端子110和120与硫属化物材料之间的电连接为直接式的，其是指电流可在各个端子和硫属化物材料之间流动。门极端子150与硫属化物之间的电连接为间接式的，其是指电流(除了可能会偶尔泄露的电流之外)不在门极端子和硫属化物材料之间流动，而是使门极端子和硫属化物材料之间的相互作用通过门极信号在门极端子处产生的电场而存在。在优选实施方案中，门极端子处产生的电场来自于在其中或其上形成或聚集的电荷，或者从其上移去的电荷，或者通过门极信号以其它方式引入其中或其上或者从其上撤消的电荷。绝缘层130起着阻隔层的作用以防止电流从门极端子流向硫属化物材料。因此绝缘层130抑制了电流从导电性材料向本装置的工作硫属化物流动，不过其足够薄以使存在于导电性材料140中的电场可影响该硫属化物材料。因而端子150是根据本发明的场效应端子的实施方案。
在工作时，可在端子110和120之间施加电压，从而在硫属化物材料100上提供电压。如上文中所述，当施加的电压达到或超过该硫属化物材料的阈值电压时，该硫属化物材料转变成导电性状态并且其中形成了纤维导电性部分。在门极端子处不存在信号的情况下，当硫属化物材料处于导电性状态时，端子110和120之间流过的电流取决于在端子110和120之间施加的电压，如上文中所述其受到硫属化物材料I-V曲线的导电性分支的I-V特征的控制。
向门极端子150施加门极信号(例如电流或电压)提供了可延伸入硫属化物材料100内的电场，从而影响该硫属化物材料的导电纤维部分，和/或调制通过硫属化物材料的电流。更具体来说，从门极端子150发出的电场相对于其没有门极信号时的尺寸可扩大或缩小导电纤维部分。硫属化物材料的导电纤维部分的膨胀对应于处于导电性状态的硫属化物材料体积分数的增加，而硫属化物材料的导电纤维部分的收缩对应于处于导电性状态的硫属化物材料体积分数的减小。膨胀或收缩的结果可反映在该硫属化物材料导电部分的直径、宽度、横截面积等等上。随着导电部分的膨胀或收缩，该硫属化物材料承载、通过或支持的电流随之改变并被调制。门极信号影响本装置硫属化物材料的导电性纤维部分的能力暗示了门极信号影响常规硅基场效应晶体管(例如JFET或MOSFET)中电流的能力，在常规场效应晶体管中是通过耗尽区程度的变化来控制载流通道的宽度而实现的。导电纤维部分的膨胀或收缩还可能伴随着电压差的改变或者硫属化物材料或与其相连的端子内或之间的电荷浓度或分布的改变。
尽管不希望受到理论的约束，本发明者仍相信从门极端子发出的电场通过影响导电性纤维中与载荷子的产生或再结合相关的过程而改变了导电性纤维的横截面。如上文中所指出，导电性纤维对应于硫属化物材料的导电性部分，其形成是由于电子从硫属化物材料组合物中包含的调节元件和/或硫族元素的孤对或成键轨道中释放出来而对阈值电压的响应。导电性纤维包括具有高度移动性的自由或未结合的载荷子，当存在施加电压时其在空间上很容易迁移。导电性纤维的膨胀或收缩涉及纤维横截面的增加或减小，其会导致处于导电性状态的硫属化物材料体积分数的变化。在存在门极信号时导电性体积分数的增加意味着，有更多的电子随着其膨胀加入导电性纤维，从硫属化物材料中释放出来并从孤对或成键轨道中的成键状态转变成未成键状态。在存在门极信号时导电性体积分数的减小意味着，导电纤维中的一些电子再次与原子的孤对或成键轨道中的电子空位(空穴)结合并从未成键状态转变成成键状态。
尽管不希望受到理论的约束，本发明者仍然推定由于门极信号提供的电场产生的静电力影响了未结合电子的产生和再结合，从而影响了本装置中硫属化物材料的导电性纤维横截面和载流能力。该导电纤维构成了未结合或自由电子的等离子样集合。任何这种电子的集合都易于受到由门极信号所提供的电场产生的静电引力和/或斥力的影响。正门极信号导致与含电子纤维的静电引力，而负门极信号导致了静电斥力。这些静电力不利地影响了导电纤维的未成键电子，并造成了导电纤维发生门极引发的膨胀和收缩。
导电性纤维的膨胀和收缩主要出现在该硫属化物材料的导电性纤维与周围电阻性部分之间的边界上。纤维膨胀包括该纤维附近原子的孤对轨道或键中电子的转变，能削弱那些电子成键能的静电力有助于此。当不存在门极信号时，或者在两端子的装置构造中，纤维膨胀受到源极和漏极端子之间所施加电压的增加的影响。通过提供更大的电场强度以帮助电子释放，和/或通过增加纤维中现有未成键电子的平均能量，从而有助于导电性纤维电子与处于导电性纤维部分附近的硫属化物材料的电阻性部分中的原子的孤对和成键轨道中的成键电子的碰撞电离过程，所述增加的电压导致了更多电子的释放。势阱或缺陷电离诱导的碰撞或电场还可以有助于在纤维膨胀的过程中形成更多的载荷子。
在本发明的多端子装置中，门极信号提供的静电力影响了导电性纤维附近硫属化物材料的电阻性部分中的原子的孤对或成键轨道中的电子结合能，以及引起碰撞电离的导电性纤维中的未成键电子的动能。由导致成键电子结合能减少或未成键电子动能增加的门极信号产生的静电力可促进纤维的膨胀。由导致成键电子结合能增加或未成键电子动能减少的门极信号产生的静电力可促进纤维的收缩。
尽管不希望受到理论的约束，本发明者仍设想了作为一个纤维膨胀和收缩模型的机制，其中在该硫属化物材料的导电性纤维部分与周围电阻性部分的边界处存在动态的平衡。在该动态平衡中，成键电子从孤对轨道、成键轨道或缺失状态的释放(或游离载体的生成)从而提供了导电性的未成键电子，与未成键电子和孤对轨道、成键轨道或缺失状态中空穴(电子空位)的再结合相平衡。由门极信号提供的静电力可改变该平衡状态，使其偏向更大的释放效率(其使得纤维膨胀)或者更大的再结合效率(其使得纤维收缩)。例如，可使电子与孤对或成键轨道的结合能较高或者使未成键电子的动能较低的门极信号将使平衡偏向再结合和纤维收缩，因为电子的释放在能量上变得较为不利。类似地，可使成键电子的结合能较低或者使未成键电子的动能较高的门极信号将使平衡偏向释放和纤维膨胀，因为电子的释放在能量上变得较有利。因而除了施加电压调制或以其它方式影响通过硫属化物装置的两个非门极(例如源极和漏极)端子之间的电流之外，在装置构造中包括门极端子还引入了一种自由程度。通过向门极端子施加信号以提供可引起纤维膨胀或收缩的静电力，可达到比预计相当于两端子构造中的电流更高或更低的电流水平。
除了改变纤维尺寸和电流，门极信号还可提供控制硫属化物材料的保持电流和/或保持电压的机制。如上文中所述，保持电流和保持电压对应于在硫属化物材料内保持导电性纤维的最小电流和电压条件。在保持条件下，导电性纤维的大小、尺寸、体积或横截面对应于保持该等离子样导电性纤维状态所需的最小值。处于保持条件下的纤维状态可称作纤维的临界态。如果电流或电压低于该保持值，由于载荷子的再结合，随着纤维瓦解，硫属化物材料就从导电性状态转变成电阻性状态。在两端子的硫属化物装置中，由硫属化物材料的化学组成、其厚度等等来确立保持电流和电压，并对于给定的装置构造来说该值是固定的。在本发明的多端子装置中，门极信号可用于改变给定装置构造中的硫属化物材料的保持电流和/或保持电压。
由门极信号引发的纤维膨胀可能伴随着保持电流和/或电压的减小。如上文所述，对于两个非门极端子(例如源极和漏极端子)之间施加的特定电压来说，适当的门极信号可以使导电性纤维膨胀。如果在两个非门极端子之间施加的特定电压与无门极信号时的保持电压相对应，则该纤维处于临界态。随后施加的适当门极信号将导致纤维膨胀得超出无门极信号时临界态的尺寸。从而该纤维不再处于临界态，并且当门极信号膨胀时其可以保持该状态，甚至向两个非门极端子之间施加的电压减小到在无门极信号时的保持值以下时也能够保持。在存在膨胀的门极信号时，所施加电压的这种减小会导致纤维的收缩，其与门极信号引起的膨胀相反。在扩大门极信号存在下，随着施加电压减小程度的逐渐减小，纤维收缩并最终达到新的临界态，其限定了新的保持条件，其中保持电流和/或电压小于无门极信号时材料的保持电流和/或电压。该新的保持条件取决于门极信号的强度，并且决定了新的最小电流和电压值，低于该值时纤维不再在门极信号存在的情况下保持该状态。以类似的方式，导致纤维收缩的门极信号可用于提高保持电压和/或电流。例如，施加收缩的门极信号可引起无门极信号时在保持条件下工作的材料中纤维的瓦解。
门极信号可以是恒定的信号或者为随时间变化的信号。施加恒定的门极信号可提供相对于无门极信号时的电流和/或保持条件而恒定改变的电流和/或保持条件，而施加随时间变化的门极信号可提供相对于无门极信号时的电流和/或保持条件而波动的或随时间变化的电流和/或保持条件。恒定的门极信号可以为直流电压或长时电压脉冲。随时间变化的门极信号可以为交流电压或者短时电压脉冲。
本发明的门极信号提供了一种电场，其不提供从门极端子流向硫属化物材料的电流，可用于影响硫属化物材料中的导电性纤维的特性。如上文中所述，门极信号可以为电信号，如电压或电荷。门极信号还可以为光学信号，因为光学信号是一种具有振荡电场的电磁性信号。从光源到硫属化物材料的电阻性或导电性部分的耦合可在硫属化物材料内感应生成电场，其通过影响成键载荷子的释放速率或未成键的载荷子的再结合速率而导致纤维膨胀或收缩。适合的光源包括白炽灯、激光器、二极管、由光纤或波导提供的光、或者由光学硫属化物材料包括含Se的光学硫属化物材料提供的光。以连续模式或脉冲模式工作的光源属于本发明的范围之内。
在采用光学门极信号的实施方案中，可以存在或不存在物理性的门极端子。光学门极信号可以直接加到硫属化物材料或其部分之上。光学门极信号还可以加到物理性的门极端子上以在其上面感应生成能与该硫属化物材料相互作用的电场。如果存在物理性的门极端子，则可以采用光学门极信号和电学门极信号的组合，该实施方案属于本发明的范围。在优选的实施方案中，由电学或光学门极信号产生的电场源自物理性门极端子之中或之上或者硫属化物材料之上或之内形成、移走、加上、撤消或以其它方式感应的电荷。
图2所描绘的实施方案是一种三端子装置，具有与硫属化物材料直接电连接的第一端子和第二端子以及与硫属化物材料间接电连接的场效应端子。在该实施方案中，场效应端子可用于调制通过第一和第二端子之间的硫属化物材料的电流，或者改变第一和第二端子之间的硫属化物材料的保持电流和/或电压，如上文中所述。该第一和第二端子还可以被称作非门极端子，源极和漏极端子，或者非场效应端子。端子还可以被称为电极，其可以包括含有单个层或化学组合物的端子以及含有两层或多层的端子。
在优选的实施方案中，非门极端子包括导电性材料，场效应端子包括与绝缘性隔离层相结合的导电性材料，其中所述隔离材料与装置的硫属化物材料接触。而在另一个实施方案中，门极或非门极端子可包括硫属化物材料。硫属化物端子还可以包括沉积在硫属化物材料上或者置于两层导电材料之间的硫属化物材料之上的导电层。在这些实施方案中，硫属化物端子可以为两端子硫属化物装置，如OvonicThreshold Switch，其中端子的导电性通过该端子中包含的硫属化物材料的电阻率来控制。也可以采用存储式硫属化物材料。在这些实施方案中，硫属化物端子可以是电阻性的或者导电性的，这取决于该硫属化物材料是否处于电阻性或导电性状态。导电性硫属化物端子可以使电流流向本场效应装置的工作硫属化物材料，因此其是非门极端子的实施方案。电阻性硫属化物端子抑制或防止电流流向本场效应装置的工作硫属化物材料，因此其是门极或场效应端子的实施方案。
具有三个以上端子的实施方案也在本发明的范围之内。在这些实施方案中，具有多个源极、漏极、门极、非门极等端子的装置在本发明的范围之内。具有源极端子、漏极端子和两个或更多个门极端子的实施方案也在本发明的范围之内。在这些实施方案中，两个或更多个门极端子中的每个都可影响源极端子和漏极端子之间流过的电流和/或该硫属化物材料的保持条件。多个门极端子中的每个可以单独地起作用或者与其它的门极端子协同作用以影响导电性纤维。具有多个源极端子和/或多个漏极端子的实施方案也在本发明的范围之内。在这些实施方案中，向一对以上的源极和漏极端子之间施加电压可产生多个导电性纤维，其中不同的导电性纤维在空间上间隔开或者重叠。在这些实施方案中施加的门极信号可以影响单个的导电性纤维或者其组合。门极端子对特定的导电性纤维的相对影响力取决于在该导电性纤维位置处从门极端子发出的电场强度。而该强度又取决于导电性纤维相对于该门极端子的空间接近程度。纤维越接近于门极端子，由于该门极端子处的门极信号，其受到的电场越强，并且该门极端子对纤维的影响越大。在可以保持多个纤维的实施方案中，通过引发纤维膨胀，施加的一个或多个门极信号可能引起在空间上间隔开的纤维发生重叠，或者通过引发纤维收缩，使重叠的纤维可能分开或分解开。本发明的优选实施方案为，不同的端子彼此电绝缘，其意思是在任何一对非门极端子之间流过的电流出现在硫属化物材料中，并且没有电流通过该硫属化物材料流向或者来自于门极端子。
本装置的端子可以处于各种空间构造中。例如，所有的端子可以位于同一个平面或层内，或者二维电路中。或者，一个或多个端子可以设置在其它端子所在的平面之外。例如，根据本发明的三端子装置可以有两个端子和硫属化物材料处于同一水平层中，而第三个端子相对于该层垂直设置。这种构造具有垂直互连能力。具有三个以上端子的装置的类似实施方案也在本发明的范围之内。
本场效应装置可以与其它的装置或元件结合形成电路或网络。在一个实施方案中，本装置可用作两个或多个元件之间的互联装置。在该实施方案中，本装置可调控两个或多个互联元件之间流过的电流。例如，本场效应装置可以互联两个电路元件。在该实施方案中，本场效应装置可以包括门极端子、源极端子和漏极端子，其中一个电路元件与该源极端子连接着，而另一个电路元件与该漏极端子连接着。由该互连电路元件提供的电压构成了向源极和漏极端子之间施加的电压，如果所施加的电压超过了阈值电压，则本场效应装置的硫属化物材料被置于导电性状态，并且电流可通过本场效应装置的硫属化物材料借助于导电性纤维从一个电路流向另一个电路元件。通过导电性纤维的膨胀或者收缩，向该实施例的场效应装置施加的门极信号提供了对两个互连电路元件之间流过的电流进行调控的方式。纤维的膨胀使得更多的电流在这两个互联元件之间流动，而纤维的收缩抑制了电流在互连装置之间流动。门极信号也可以使本场效应装置从导电性状态转变成电阻性状态，从而基本上防止电流在两个互连电路元件之间流动。
具有一个以上源极和/或漏极端子的相应实施方案也在本发明的范围之内，其中场效应端子可调制与一对或多对源极和漏极端子互连的电路元件之间流过的电流。例如，根据本发明的场效应装置可包括多个源极端子，一个漏极端子和一个场效应端子，其中不同的电路或网络元件与该源极和漏极端子互连，并且其中场效应端子可调控在一个或多个源极端子和漏极端子之间流过的电流。具有多个漏极端子的类似实施方案也在本发明的范围之内，其中门极端子可影响在一个或多个源极端子和一个或多个漏极端子之间流过的电流。在本发明范围之内的还有具有多个门极端子的实施方案，其中每个门极端子可以影响在一对或多对源极和漏极端子之间流过的电流。在本发明的任一实施方案中，除了调制电流之外，一个或多个场效应端子还可以改变在任一对非场效应端子之间的硫属化物材料的保持电流和/或电压。
在含有本发明的多端子装置以作为电路或网络中的互连装置的实施方案中，向场效应端子提供的门极信号可以作为来自于外部能源(例如电流或电压脉冲发生器、光源等等)的直接信号提供，也可以由与门极端子互连的电路或网络元件来提供。在后一种情况的实施方案中，门极信号由与该门极端子互连的元件产生，而该互联元件的运行可调控一对或多对非门极端子之间的电流流动或者保持条件。
互连电路或网络元件包括单个的装置，例如晶体管、二极管、硅装置、其它的硫属化物装置等等，以及由多个这类装置构成的电路或网络。电路或网络元件的互联可以是二维构造或者垂直式的或者为三维构造。可以垂直或者以其它非共面于硫属化物材料或其它端子的方式设置一个或多个端子。例如，可由与硫属化物材料或源极和/或漏极所在的平面正交的端子或装置来提供门极信号。
本发明主要提供了多端子的场效应硫属化物装置，其可以独自工作或者彼此联合或与其它的装置联合工作，或者作为电路或网络内的元件工作。本装置主要采用了与硫属化物材料连接的场效应端子，可向其提供门极信号来影响硫属化物材料的电学特性，或者与该硫属化物材料连接的两个或多个非门极端子之间的电相互作用。通过向本装置的场效应端子提供门极信号，可以影响非门极端子之间或之处的电流、电压、电荷分布等等。
本发明的多端子场效应装置中可包括有多种化学组成的硫属化物材料。代表性的硫属化物材料包括周期表第VI栏(硫族元素)的一种或多种元素和任选的第III、IV或V栏的一种或多种改性剂。S、Se和Te中的一种或多种是本装置的活性材料中所包含的最常用的硫族元素。硫族元素的特征在于其成二价键和存在孤对电子。成二价键在与硫族元素结合形成硫属化物材料时导致形成链状和环状的结构，孤对电子提供了形成导电纤维时的电子来源。根据本发明的硫属化物的实例有，包括Ge、Sb、和/或Te的材料，如Ge2Sb2Te5。
三价和四价的改性剂如Al、Ga、In、Ge、Sn、Si、P、As和Sb可进入硫族元素的链状或环状结构中，并提供了支链化和交联的位点。硫属化物材料的结构刚度取决于交联的程度，并且根据它们形成晶体或其它结构重排的能力，其使得硫属化物材料主要分为两类阈值材料和存储材料。
两种类型的硫属化物材料所表现出的性质如图1中所示，不过其对纤维形成时的响应在结构上有所不同。阈值材料主要具有较高浓度的改性剂，并且比存储材料的交联化程度更高。它们因而具有更刚性的结构。阈值材料是无定形的并且很少或不表现出结晶的趋势，因为形成晶核和晶相生长所需的原子重排由于其结构的刚性而受到抑制。在转换之后去掉所施加的电压，阈值材料可保持无定形状态。
存储材料正相反，其交联程度小并且更易于形成全部或部分结晶。在存在如上文图1中所述的阈值电压时，无定形的存储材料可形成纤维。然而，一旦处于导电性分支，该存储材料可形成晶核并且晶相得以生长。晶相的体积分数取决于通过该存储材料的电流值和时间。在转换之后去掉所施加的电压，任何形成的晶相可以保持。通过适当地选择装置的运行条件，硫属化物存储材料的无定形-晶体变换变得可在多个循环中可逆地进行。硫属化物存储材料已在美国专利No.5166758、5296716、5534711、5536947、5596522和6087674中有所记载，其公开内容在此引入作为参考。
这里所列的公开和讨论内容是说明性的，而并非对本发明应用的限制。在本发明的范围之内很显然其具有许多等同方案和变形方案。以下权利要求，包括其等同方案，加上前述的公开内容构成对本发明范围的限定。
权利要求
1.一种场效应装置，包括硫属化物材料；与所述硫属化物材料连接的第一端子；与所述硫属化物材料连接的第二端子；以及与所述硫属化物材料连接的场效应端子。
2.权利要求1所述的装置，其中所述硫属化物材料处于导电性状态。
3.权利要求2所述的装置，其中所述硫属化物材料的所述导电性状态通过向所述第一和第二端子之间施加电压而形成。
4.权利要求2所述的装置，其中所述硫属化物材料的所述导电性状态包括导电性纤维。
5.权利要求4所述的装置，其中向所述场效应端子提供的门极信号改变所述纤维的宽度或横截面。
6.权利要求1所述的装置，其中向所述场效应端子提供的门极信号改变所述硫属化物材料的保持电流或保持电压。
7.权利要求1所述的装置，其中向所述场效应端子提供的门极信号调制通过所述硫属化物材料的电流。
8.权利要求7所述的装置，其中所述门极信号生成从所述场效应端子发出的电场，所述电场影响对通过所述硫属化物材料的电流的所述调制。
9.权利要求7所述的装置，其中所述门极信号以电压或电流的形式提供。
10.权利要求7所述的装置，其中所述门极信号以光学信号的形式提供。
11.权利要求7所述的装置，其中所述门极信号增加或减少了来自于所述场效应端子的电荷。
12.权利要求7所述的装置，其中所述门极信号为交变或脉冲信号。
13.权利要求1所述的装置，其中所述硫属化物材料包括选自S、Se和Te的元素。
14.权利要求1所述的装置，其中所述硫属化物材料进一步包括Ge或Sb。
15.权利要求1所述的装置，其中所述硫属化物材料进一步包括As或Si。
16.权利要求1所述的装置，其中所述硫属化物材料进一步包括选自Al、In、Bi、Pb、Sn、P和O的元素。
17.权利要求1所述的装置，其中所述硫属化物进一步包括过渡金属。
18.权利要求1所述的装置，其中所述场效应端子包括绝缘材料。
19.权利要求18所述的装置，其中所述场效应端子进一步包括导电性材料，所述导电性材料与所述绝缘材料物理接触，所述导电性材料不与所述硫属化物材料物理接触。
20.权利要求1所述的装置，其中所述第一、所述第二或所述场效应端子中的至少一个包括硫属化物材料。
21.权利要求1所述的装置，其中所述第一、所述第二或所述场效应端子不共面。
22.权利要求1所述的装置，进一步包括一个或多个与所述硫属化物材料连接的其它端子。
23.权利要求22所述的装置，其中所述一个或多个其它端子中的至少一个为场效应端子。
24.一种调制电流的方法，包括步骤提供权利要求1所述的装置；以及向所述场效应端子提供信号。
25.一种电路，包括第一元件、第二元件以及与所述第一和第二元件连接的互连元件，所述互连元件控制着通过所述第一和第二元件之间的电流，所述互连元件包括权利要求1所述的装置。
26.权利要求25所述的电路，进一步包括第三元件，所述第三元件连接着所述互连元件的场效应端子，所述第三元件向所述场效应端子提供信号，所述信号影响对所述第一和第二元件之间通过的电流的所述控制。
全文摘要
包括硫属化物材料的多端子场装置。该装置包括第一端子、第二端子和场效应端子。向场效应端子施加的门极信号可调制流过第一和第二端子之间的硫属化物材料的电流，和/或改变该第一和第二端子之间的硫属化物材料的保持电压或电流。该装置可用作电路和网络中的互连装置，用以调控在电路或网络元件之间流动的电流。
文档编号H01L47/00GK1813361SQ200480018276
公开日2006年8月2日 申请日期2004年4月23日 优先权日2003年4月30日
发明者S·R·奥夫欣斯基 申请人:能源变换设备有限公司