CN102959750A - 离子控制的三栅极器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可通过离子运动来开关的三栅极器件。该三栅极器件具有源电极（3）、漏电极（3）以及连接在所述源电极与所述漏电极之间的沟道（2），所述沟道由其电导率能够通过输入和/或输出离子来改变的材料制成。根据本发明，所述三栅极器件包括与栅电极（6）接触的离子池（5），所述离子池与所述沟道连接得使得在给所述栅电极施加电势时所述离子池能够与所述沟道交换离子。已经认识到，在将一起存在于离子池和沟道中的离子在离子池和沟道上分布时，在三栅极器件中可以存储信息。离子在沟道上和在离子池上的分布当且仅当给栅电极施加相应驱动电势时才改变。因此与RRAM不同，不存在“时间－电压困境”。

Description

离子控制的三栅极器件
技术领域
本发明涉及一种可通过离子的运动来开关的三栅极器件。
背景技术
可电擦除可编程只读存储器（EEPROM）已经被确立为非易失性可再写电子数据存储器的标准。该EEPROM通常包括大量具有绝缘栅的场效应晶体管。如果在栅极上存储有电荷，则场效应晶体管导通，这表示逻辑1。如果栅极不含电荷，则场效应晶体管截止，这表示逻辑0。信息通过如下方被写入EEPROM：在通过势垒与栅极绝缘的控制电极上施加高电压脉冲。由此，电子可以克服该势垒，并且可以在栅极上存储电荷或者从栅极再次取出电荷。
不利的是，势垒在每个写入过程中具有高负荷，并且因此经历逐渐的损耗，使得每场效应晶体管的写入过程的次数受到限制。此外，EEPROM的小型化到达了物理极限，因为所存储的电荷通过隧道被丢失的概率随着尺寸的缩小而成指数地升高。必须传输到栅极的电荷的大小是可进行这一点的速度的限制性因素。
因此，作为EEPROM的替代物开发出了电阻存储器（RRAM）。RRAM所基于的是，布置在两个电极之间的活性材料的电阻通过施加高写入电压而在至少两个稳定状态之间改变，并且可以通过施加较小的读取电压而被测量。综述文章（R.Waser, R.Dittmann, G.Staikov, K.Szot的“Redox-Based Resistive Switching Memories-Nanoionic Mechanisms, Prospects, and Challenges”, Advanced Material 21 (25-26),2632-2663(2009)）给出了关于当前开发状态的概况。
在RRAM的情况下的缺点特别是，迄今为止未解决在可用于存储和读取信息的速度与所存储信息的长时间稳定性之间的目标冲突。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种可充当长时间稳定的并且快速的存储器的器件。
根据本发明，该任务通过根据主权利要求的三栅极器件来解决。另外的有利的扩展方案从引用其的从属权利要求中得出。
发明主题
在本发明的范围内，开发出一种三栅极器件。该三栅极器件包括源电极、漏电极以及连接在源电极与漏电极之间的沟道，该沟道由其电导率可通过输入和/或输出离子来改变的材料制成。
在该情形下，也应将电导率理解成可能存在于沟道中的超导特性，其中库珀对代替单电子。在本发明的意义上，也应将p型掺杂的半导体的空穴传导理解成电子电导率。
根据本发明，三栅极器件包括与栅电极接触的离子池，该离子池与沟道连接得使得在给栅电极施加电势时能够与该沟道交换离子。离子池与沟道之间的离子传输在沟道中改变了移动离子的浓度。该掺杂改变了沟道的电导率。对掺杂的小的改变就已经足以多倍地改变沟道的电导率。在此，离子池只要为电子导电的就完全可以同时充当栅电极。
已经认识到，在将一起存在于离子池和沟道中的离子在离子池和沟道上分布时，在三栅极器件中可以存储信息。该信息可以通过如下方式被存放在该器件中：通过在栅电极处施加合适的电势来改变离子的分布。通过测量源电极与漏电极之间的电阻，可以无损地读出该信息。只要离子在栅电极处不存在驱动电势的情况下足够慢地在离子池与沟道之间扩散，该存储器就不是易失性的。
该器件可以存储、擦除和重写数字信息。此外，例如可以在如下状态下编码逻辑1：在该状态下，沟道具有低电阻并且在施加预先给定的读出电压时允许高电流流动。然后，在如下状态下编码逻辑0：在该状态下，沟道具有高电阻，使得在施加读出电压时仅有小电流流动。但是也可以存储任意的中间值。该器件因此也适合作为模拟信息、比如测量数据的存储器。
已经认识到，以该形式的存储解决了电阻存储器（RRAM）的基本目标冲突。常规的电阻存储器是双栅极器件，使得信息的存储和读出都通过给相同的电极施加电压来进行。如果为了存储而施加高的写入电压，则改变了存储材料的电阻。在施加显著更小的读出电压时，该改变表现为由该读出电压驱动的穿过存储器的电流的改变。
写入电压现在由于存储器的尺寸以及电子要求而被限制在几伏。另一方面，读出电压必须足够大，以便能够以足够的信噪比来测量存储材料的电阻。因此，写入和读出电压现在可能彼此处于大致一个数量级。
同时，在电阻存储元件中所力求的是，尽管通过施加写入电压可以在几纳秒内切换，但是其状态在持续施加读取电压的情况下仍然在至少10年内保持稳定。因此，应利用仅仅一个数量级的电压差在特征性的开关时间中形成大致10个数量级的差异。该目标冲突在专业领域中被已知为“电压-时间困境（voltage-time dilemma）”。
根据本发明，为了存储信息设置有附加的栅电极。离子在沟道上和在离子池上的分布于是当且仅当给栅电极施加相应驱动电势时才改变。而施加在源电极与漏电极之间的读出电压对离子的分布没有影响，因为在读出时在沟道与离子池之间不构成电场。因此，也完全不需要为了读取和写入而设置大不相同的电平。开关成本有利地被减小。但是也可以在读出时有比在写入时在离子池与沟道之间流动的电流显著更大的电流流经沟道，而无需由此启动沟道与离子池之间的离子交换。
如果在栅电极处施加比为了发起离子池与沟道之间的离子传输所需的电势更小的电势，则该器件与场效应晶体管类似地充当放大器并且可用作放大器。
在本发明的一个特别有利的扩展方案中，离子池在标准条件下是固体。该固体可以是晶体的、非晶的，但是也可以是例如聚合物。于是，离子基本上仅能通过扩散在离子池内以及在离子池与沟道之间移动。其他传输机制、比如液态或气态离子池的对流比扩散次要。扩散又可通过施加在栅电极处的电势结合温度来控制。
原则上，适于作为离子池的是每种如下的材料：该材料在保持电荷中性的情况下可以向沟道输出阳离子和/或阴离子。尤其是具有至少一种具有可变价的阳离子/阴离子的材料拥有该能力。在这样的阳离子/阴离子处可以松散地结合另一离子类，或者可以为该类离子提供未被占据的位置。该离子类于是可以以相对低的激活能移动，并且可以在离子池与沟道之间交换。尤其是在离子池与沟道之间交换的离子可以在该交换时被氧化或还原或者电离或去电离。
离子池、离子导体和/或沟道有利地具有一种晶体结构，该晶体结构在离子池与沟道之间的离子交换时不改变。离子池、离子导体和/或沟道可替代地也可以是非晶的。
已经认识到，离子池、离子导体以及沟道的许多固体特性、尤其是电子和离子电导率取决于相应的晶体结构。如果通过离子池与沟道之间的离子传输改变了这些材料之一的晶体结构，则固体特性改变。但是排列良好的晶体结构现在通常在制造时以高成本的技术被引入到材料中，但是在运行中不再能自己重新生成。因此，晶体结构在离子池与沟道之间的离子交换的每次恶化意味着相应材料的不可逆转的损耗。因此，当离子池、离子导体和/或沟道的晶体结构要么在运行中不改变、要么一开始就不存在（因为相应的材料是非晶的）时，该器件可以经受特别多次数的写入周期。其特性不依赖于排列良好的晶体结构的非晶材料在制造该器件时提供附加的优点，即工艺参数的选择余地显著更大。
在排列良好的晶体结构中，可以设置如下的位置：所述位置可以被离子占据并也可以再次被让出，而总体上不改变晶体结构。例如，中间晶格位置上的离子可以插到离子池的材料中，该离子可以占据离子池的晶格的空位，或者该离子可以沿着晶体缺陷（比如错位、点缺陷、晶界和叠层缺陷）移动。
离子池在使用温度下以及通过栅电极与沟道之间的电压降预先给定的工作场强下的离子移动性决定性地确定可以用于改变沟道的电导率的速度。
如果离子导体与离子池不相等，则离子池将具有足够高的电子电导率，因此栅电极与沟道之间的电势差在离子导体上显著下降，使得该电势差为离子穿过离子导体的传输提供激活能。
但是如果离子池同时是离子导体，则其将仅具有小的电子电导率，以便不使源电极通过沟道与漏电极短路。为了不抵消通过离子池与沟道之间的离子交换造成的沟道中电子电导率的改变，在该交换时，也充当离子导体的离子池的电子电导率的改变应当比沟道的改变弱至少一个数量级。
尤其是具有高离子电导率的晶体或非晶固体适于作为离子池。在晶体固体的情况下特别有利的是钙钛矿结构，其中晶体由所述钙钛矿结构立方体地或以层的形式组成。这样的材料的示例是SrFeO3-x和LaNiO3-x。
在SrFeO3-x中，铁可以作为2＋、3＋以及甚至4＋出现。在此，氧含量连续地在SrFeO2（Fe2+）经过SrFeO2.5（Fe3+）到SrFeO3（Fe4+）之间变化。在此，晶格发生畸变，但是只要该组成与化学计量组成偏差不过大，则钙钛矿结构就保留。因此，该材料可以吸收或释放显著量的氧，而不在结构上过于改变。针对锂离子或锂离子蓄电池的存储器材料，存在匹配物、比如LiFePO4。替代于LiFePO4中的锂含量，在SrFeO3中改变氧含量，并且为了获得电荷中性，在两种情况下，铁离子都改变其氧化数。
原则上，贵金属特别好地适于作为电极，以便接触作为沟道或离子池的p型导通的氧化物。而非贵金属、比如锂或铝特别好地适于作为电极，以便接触n型导通氧化物（比如铈掺杂的Nd2CuO4）。具有高电导率的氧化物、比如La2CuO4、SrRuO3或LaNiO3是用于电极的可普遍采用的材料。以La2CuO4为例，所述氧化物可以例如用二价阳离子、比如Sr或Ba被p型掺杂，或者用四价阳离子、比如铈被n型掺杂。用外来原子的掺杂于是与通过缺氧或过氧的掺杂相比分别对电子电导率作出明显更大的贡献。因此，正常导电的氧化物的电导率通过用外来原子掺杂而变得基本上不依赖于氧含量。但是电子也可以是高温超导体或者在此详述的材料的组合。
由沟道在源电极与漏电极之间桥接的间隔有利地在20nm至10μm之间、优选在20nm至1μm之间。沟道有利地被构造成具有在3至50nm之间、优选在5至20nm之间的厚度的薄层。这些措施单独地或者以组合形式减小了沟道的电容以及由此减小了为了改变（写入）和测量（读取）其电阻必须传输的电荷量。写入和读取的速度由此有利地得到提高。
在本发明的一个特别有利的扩展方案中，离子池通过具有与沟道相比小至少2个数量级的电子电导率的离子导体与沟道相连接。于是，离子在沟道和离子池上的分布在栅电极处不存在作为驱动力的电势的情况下对于扩展是特别稳定的。针对离子导体的比电阻rL和沟道的比电阻rK，作为经验法则将有下式成立：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中dL和dK是离子导体和沟道的厚度，并且其中l是源电极与漏电极之间的沟道的长度。如果沟道被缩短，则离子导体的所需比电阻rL超比例地下降。只要有利，则该器件可以在横向上被向下缩放，因为由此可以比离子导体使用更多材料。
在本发明的离子池能够与沟道交换氧离子的另一特别有利的扩展方案中，栅电极与沟道之间的电势差特别重要地充当离子交换的驱动力。在所有公知的离子导体中，氧离子在室温下在没有足够强的电场作为驱动力的情况下仅仅不可测量地缓慢扩散。因此，例如具有固体电解质的燃料电池（在所述燃料电池中，作为要通过电解质传导的氧离子的驱动力仅仅有由燃料电池生成的数量级为1伏的电压可用）必须在数量级为800－1000℃的温度下运行。
但是在燃料电池中，离子导体具有几百微米的厚度。而在根据本发明的三栅极器件中，离子导体有利地具有100纳米或更少、优选50纳米或更少并且特别优选30纳米或更少的厚度。100纳米的厚度在离子导体上下降的电压相同的情况下将电场增强千倍。因为该电场为离子传输提供激活能，因此该传输超比例地升高。因此，信息到三栅极器件中的写入在室温下也是可能的。
离子导体的与离子电导率相比明显更小的电子电导率所具有的另一效果是，施加在栅电极处的电势可被完全用于形成离子池与沟道之间的电场。如果离子导体过于良好地传导电子，则电势的一部分被短路并且仅仅有限地可用作离子交换的驱动力。此外，因此防止了沟道通过并联的池而被短路。
尤其是固体电解质分别适于作为离子导体、离子池和/或沟道。已经认识到，恰好固体电解质可以将良好的离子电导率与离子池与沟道之间的良好电子绝缘性相组合。尤其是在具有小电子电导率的每种稳定氧化物中，当在栅电极与沟道之间的电压差为此提供足够强的电场时，原则上可以迫使离子的传输。这样的材料的示例是SrTiO3、Sr1-xBaxTbO3或者Al2O3。
固体电解质有利地是如下的一种材料：在该材料中，氧离子在400℃以上的温度下的扩展的激活能为小于1eV、优选小于0.1eV。这样的材料的示例是钇稳定化的氧化锆（YSZ）和Mn和/或Mg掺杂的LaGaO3。在这样的材料中，氧离子通过与晶格空缺的位置交换而被传输。在此，氧离子必须克服电势势垒。通常使用根据本发明的器件的室温不提供克服该电势势垒的足够的激活能。因此，不发生氧传输，并且写入到该器件中的信息在室温下是长时间稳定的。通过在栅电极处施加电势才在离子导体中生成的电场为离子池与沟道之间的离子交换提供激活能。在此，离子电流遵循等式：，其中I是电流，I0是比例因数，ΔH是用于从被占据的晶格位置到未被占据的晶格位置的跳跃的激活能（数量级为1eV），q是所传输的离子的电荷的绝对值（基本电荷的几倍），d是离子从被占据的晶格位置到未被占据的晶格位置的跳跃距离（数量级为200pm），E是场强，k是波尔兹曼常数，并且T是以开尔文为单位的温度。在低场强的范围中、即例如在作为离子导体的重要应用的高温燃料电池（SOFC）中，该电流近似与场强成比例，并且离子导体遵循欧姆定律。但是在本发明中重要的高场强范围中，电场对激活能作出显著的贡献。此外，场强处于0.1－1GV/m的范围中，也就是说，如果离子在库伦力的方向上跳跃到相邻空位中，则用于该跳跃的能量势垒被减小1/10或更多，这将传输加速了几个数量级。
针对该器件也可以考虑针对在SOFC中的应用具有过高电子电导率的材料。沟道越短，则离子导体的电导率可以越高。激活能在错位、晶界、孪晶、叠层缺陷以及其他膨胀的晶格缺陷处特别小，使得沿着该缺陷的传输变得容易。
固体电解质有利地为非晶材料。该材料有利地不易于结晶，并且在宽的温度范围内是化学稳定的。于是，在固定电解质中原则上不存在晶界、错位以及正好将导致高度改变的特性的其他缺陷位置。因此，固体电解质的特性在空间上是均匀的。如果该材料不易于形成晶体排列，则在大量写入循环以后也不形成所述类型的缺陷位置。因此，固体电解质的特性是长时间稳定的并且在运行中不降级。这样的固体电解质的示例是GdScO3、LaLuO3和HfO2。GdScO3薄层即使在高达1000℃的温度下也是短时间（10s-20s）稳定的并且保持为非晶的。
固体电解质有利地为如下的氧化物：该氧化物具有开放结构、即大的中间晶格位置或在其中离子可漂移的沟道。这样的材料的示例是WO3和CBN-28（Ca0.28Ba0.72Nb2O6）。
离子导体和/或固体电解质有利地具有针对离子的各向异性的移动性。此外，离子导体和/或固体电解质例如包含一维的沟道，在该沟道中可以夹入掺杂材料。但是离子导体和/或固体电解质也可以在不同材料之间包含界面，沿着所述界面离子可以二维地在离子池与沟道之间移动。所述沟道和/或界面有利地基本上与穿过该沟道的电流方向垂直地落到沟道上。于是，离子基本上仅仅在落到所述沟道和/或界面之处被注射到沟道中或者从在落到所述沟道和/或界面之处被排出。因此，例如可以有针对性地影响约瑟夫森接触（Josephson-Kontakt）中的薄弱环节的离子含量，而无需在此改变被薄弱环节隔开的超导电极。
离子的各向异性的移动性可以例如通过离子导体或固体电解质具有层结构来实现，其中离子传输沿着所述层与垂直于所述层的传输相比被促进至少一个数量级。这样的材料的示例是钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-x）以及镧钡铜氧化物（La2CuO4+x）。
如果这样的离子导体或固体电解质应与相邻材料交换离子，则有利的是，与该相邻材料的界面与所述层相交。这可以通过衬底表面的晶体取向与生长参数、尤其是与衬底温度的相互作用来控制。这样的生长工艺由Divin等人（Y.Y.Divin, U.Poppe, C.L.Jia, J.W.Seo, V.Glyantsev, “Epitaxial (101) YBa2Cu3O7 thin films on (103) NdGaO3 substrates”,会议论文“Applied Superconductivity”，西班牙，1999年9月14-17日）描述。
电子电导率通常具有与离子电导率相同的优选方向。
替代于氧离子，也可以使用其他的离子来开关。对于银阳离子合适的固体电解质例如为碘化银、碘化银铷和硫化银。对于碱金属阳离子例如考虑WO3或Na3Zr2Si2PO12(NASICON)。特定的聚合物、比如Nafion具有针对质子的高电导率。
写入取决于所传输的离子的总数。为了达到该总数，可以在较长时间内在栅电极处施加小电压或者可以短时间施加较高电压。离子通过固体电解质的传输在高场强的范围中是非线性效应。如果在固体电解质上有较高电压下降，则每时间单位传输超比例地更高数目的离子。因此，当在栅电极处施加具有较高写入电压的短脉冲时，可以明显提高写入速度。
栅电极和沟道形成电容器，该电容器通过栅电极与沟道之间的电荷传输而被充电。如果离子导体的电阻非常高，则该电容器仅仅非常慢地放电。于是可能有利的是，在施加具有高写入电压的短脉冲以后施加具有明显更小的电压和相反极性的较长脉冲。这使由栅电极和沟道形成的电容器放电，但是使之前在栅电极与沟道之间进行的离子传输仅仅有一小部分可再次倒退，因为该传输在低电压下超比例地更慢地进行。
有利地，离子导体中的电势沿着从离子池到沟道的路径具有非对称的变化曲线。例如在EP 1 012 885 B1中说明了可以对这样的电势景象（Potentiallandschaft）作出何种反应。于是，用于通过离子导体进行离子传输的激活能取决于传输的方向。一方面为了从离子池到沟道的离子传输以及另一方面为了从沟道到离子池的相反离子传输必须提供显著不同的激活能。由此例如从离子池到沟道的离子传输与相反路径相比在能量上可能是优选的。于是存在如下的激活能：在所述激活能的情况下，离子导体基本上仅能在一个方向上让离子通过并且因此充当离子整流器。这例如可以通过由至少3个多层制造离子导体和/或沟道来实现，所述多层的电势变化曲线形成超晶格。
离子池同时可以是离子导体，这简化了三栅极器件的制造。但是由此存在作为其负载状态必须用离子来改变的离子池的特性与作为其化学计量应不改变并且应包含小电子电导率的离子导体的特性之间的目标冲突。在保持电荷中性的情况下可以将阳离子和/或阴离子输出到沟道中并且即便如此也同时包含相对小的电子电导率的材料的示例是LaMnO3、EuScO3-x、EuTiO3-x和LaNiO3-x。该材料的氧含量可以通过阳离子的可变价来改变。
譬如TiO2+x的许多氧化物可以通过提高或降低氧含量从电子n型导体（缺氧，x<0）经过绝缘体（化学计量组成，x＝0）变化到电子p型导体（过氧，x>0）。在本发明的一个特别有利的扩展方案中，沟道因此包含这样一种金属氧化物，其电阻通过贮存或从所述离子池排出离子而改变至少一个数量级。这例如可以如下方式来实现：该金属氧化物在其化学计量组成上是电绝缘体并且在偏离该组成时变为导电的（或者相反）。该金属氧化物有利地具有钙钛矿结构。于是，该金属氧化物可以特别好地作为氧化物单晶上的外延层系统被实现为衬底。例如SrTiO3、LaAlO3、MgO或者NdGaO3适于作为衬底。
因此，如果沟道以及离子池都在1GV/m的场强下针对离子具有至少2*10-8Sm-1的足够电导率，则可以以对存储应用足够的速度在沟道与离子池之间交换离子。具体应用所需的电导率可以利用已知的传输定律从要传输的离子数目、可用的场强、所力求的开关时间以及几何因子中计算出。例如，对于具有约瑟夫森接触的大多数应用（例如在超导量子干涉仪（SQUID）中）而言足够的是比在存储器中显著更长的、直至1分钟数量级的开关时间。
在本发明的一个特别有利的扩展方案中，离子池和沟道包括具有相同的掺杂（例如p型或n型）的半导体，并且离子导体包括具有相反的掺杂的半导体。于是，可以针对沟道、离子池和离子导体使用类似的并且由此在制造时彼此兼容的材料。甚至可以使用相同的材料，使得沟道、离子池和离子导体之间的差异仍然仅仅在于不同的掺杂。于是从化学计量上来看，该差异仅仅存在于所使用的掺杂材料的量，其中氧化物中的掺杂材料的浓度通常仅仅处于百分数范围。沟道与离子导体以及离子导体与离子池之间的pn结可以附加地负责沟道的电绝缘。
在本发明的另一有利的扩展方案中，可以完全放弃离子导体。在该扩展方案中，离子池和沟道包括具有相反掺杂（p型或n型）的半导体。于是，离子池在离子的合适分布的情况下充当沟道的一部分。譬如如果离子池为n型导通的并且沟道为p型导通的，则离子池和沟道的电导率在将氧离子从n型导通区域传输到p型导通区域中时同时升高。如果氧离子在相反方向上传输，则离子池和沟道的电导率相应地同时下降。
在本发明的一个特别有利的扩展方案中，沟道的至少一个片段具有跳变温度，在该跳变温度以下，该片段为超导的。于是，该超导体的根据迄今为止的现有技术通过材料常数确定的特性可以通过在栅电极处施加电势来改变。尤其是可以改变临界电流以及在超过临界电流时产生的常导电阻。因此，例如可以调谐用于太拉赫兹频率的源或探测器或振荡器中的振荡电路。薄膜完全可以在超导与常导状态之间来回切换。根据迄今为止的现有技术，仅能局部地通过电场、磁场或通过激光辐射将超导体和约瑟夫森接触在常导和超导状态之间切换。与根据本发明实现的开关不同，该效应是纯粹电子性质并且因此是易失性的。而根据本发明，可以从超导体中实现具有可调特性的非易失性可逆开关或器件。
该超导片段可以被实现为单晶。源电极与漏电极之间的整个沟道尤其是可以被实现为超导单晶。但是超导片段也可以包含多个缺陷，所述缺陷例如通过如下方式电串联：所述缺陷不与源电极与漏电极之间的电流路径平行。所述缺陷例如可以与电流路径横切。这样的缺陷尤其可以是晶界、叠层缺陷和孪晶。离子从离子导体以及沟道中的传输于是优选地在缺陷处进行，并且开关效应通过晶界的串联而被简化为薄弱环节。缺陷与电流路径的非平行的取向防止了源电极与漏电极之间形成短路。
即使片段不是超导的，例如当其处于其临界温度Tc以上或者更一般地完全不是由超导材料制成时，沟道的电阻决定性地通过给晶界加载离子来确定并且因此可以通过该加载有针对性地被改变。
所述缺陷可替代地也可以与沟道中的电流方向平行延伸。于是，尽管所述缺陷不充当薄弱环节，但是使沟道与离子导体或离子池的离子交换变得容易。
在本发明的另一特别有利的扩展方案中，尤其是通过离子传输的超导特性的开关发挥作用。在该扩展方案中，沟道的在跳变温度以下为超导的两个片段被势垒间隔开，该势垒能够与离子池交换离子。该势垒尤其可以是薄弱环节，使得沟道的两个片段与薄弱环节一起形成约瑟夫森接触。在此，薄弱环节尤其可以存在于超导片段之间的晶界中。势垒的宏观电导率以及在超导片段之间隧穿的库伯对的量子力学势垒高度于是可以通过如下方式来调整：借助于在栅电极处施加合适电势将离子贮存到薄弱环节中或排除离子。尤其是可以通过这种方式来调整作为每个约瑟夫森接触的基本参数的临界电流和常导状态下的电阻。可通过这种方式调谐的约瑟夫森接触可以用在量子电子器件中、尤其是超导量子干涉仪（SQUID）或用于太拉赫兹电子器件的高频器件、例如源（振荡器）或用于0.1至10THz之间的频率范围中的辐射的探测器中。该频率范围中的辐射例如是借助于Hilbert光谱对样本进行化学分析所需的。根据本发明可调谐的约瑟夫森接触也可以用在基于快速单通量量子技术（Rapid Single Flux Quantum-Technologie (RSFQ)）的数字电路中或者用于量子计算机中。
跳变温度有利地高于77K。于是可以利用液氮进行冷却。可用在根据本发明的三栅极器件中的高温超导体的示例是铜酸盐、尤其是化学式为RBa2Cu3O7-x的铜酸盐或者碱土件数掺杂的化学式为R2CuO4+x的铜酸盐，其中R是稀土金属或者稀土金属的组合。R尤其可以是来自组（Y,Nd,Ho,Dy,Tb,Gb,Eu,Sm）的稀土金属。也可以使用Bi氧化物、Ti氧化物和Hg-Cu氧化物作为高温超导体。也可以考虑铁基的磷族元素化合物和氧磷族元素化合物，只要它们达到足够高的跳变温度。迄今为止，针对铁磷族元素化合物达到直至大致55K的跳变温度。
在本发明的另一有利的扩展方案中，沟道包括如下的材料：该材料可以通过改变其氧含量或氟含量从常导体转化为超导体并且优选地还转换成半导体。这样的材料例如为附加地包含一种或多种碱土金属的氧化铁或氧化铜，比如La2CuO4+x、(Sr,Ba,Ca)CuO2+x、La2CuO4Fx或者（Sr,Ba,Ca）CuO2Fx。
沟道、离子池和/或离子导体的特性也可以通过有针对性地生成的缺陷（晶界、错位、叠层缺陷）以及通过有针对性地将晶格取向来调节。因此，例如可以通过如下方式将约瑟夫森接触实现为沟道：将由同一种超导材料制成的具有不同晶体取向的两个片段彼此接界地布置。两个片段之间的晶界于是形成势垒。此外，晶格可以被取向为使得具有高离子移动性的方向与开关场方向重合。
特别地，高温超导铜酸盐特别有利于实现晶界约瑟夫森接触。在该铜酸盐中，氧传输优选地沿着晶界以及在层之间的CuO链平面中进行。如果所述层现在被定向为与沟道与离子导体之间的界面平行、尤其是与衬底的晶体取向平行，则仅仅少的离子穿过沟道和离子导体的超导片段之间的界面。沟道与离子池之间通过离子导体的离子交换于是基本上集中在沟道的超导片段之间的晶界上，该晶界同时形成约瑟夫森接触的薄弱环节。但是恰好该薄弱环节的特性应当通过离子交换来改变。当沟道中的晶界与离子导体中的晶界接界时，可以进一步增强该效应。
薄弱环节的背向离子导体的界面有利地与第二栅电极接触。如果该栅电极也被施加电势，该电势优选地具有与施加在第一栅电极的电势不同的极性，则可以提高在离子导体上总共下降的电压以及因此离子的传输。
沟道、离子池和/或离子导体的材料可以以纯净的形式存在，或者被掺杂合适的元素，以便最优地调整特性、比如电导率或离子电导率。所述材料可以以化学计量组成存在，或者与该组成相比在一种或多种元素、比如氧的含量上被提高或降低。尤其可以有利地将沟道在如下元素的含量上提高或降低：该元素的离子可以在沟道与离子池之间交换。通过这种方式可以预先调整三栅极器件的工作点。于是，通过在栅电极处施加电压可以围绕该工作点改变沟道的特性。
沟道、离子池和/或离子导体可以被实现为衬底上的薄层。所述薄层例如可以通过喷溅（尤其是高压氧喷溅）、汽化渗镀、PLD或VCD来制造。
在本发明的另一特别有利的扩展方案中，沟道包括导电性差至少一个数量级的两种材料之间的导电界层。该界层例如可以是二维电子气。但是其例如也可以通过彼此接界的相互掺杂的材料之间的相互渗透而产生。所述材料尤其可以是半导体。
导电的界层例如在镧铝氧化物（LaAlO3）和锶钛氧化物（SrTiO3）之间形成。该界层不仅具有高的电子移动性，而且同时是极薄的。因此，为了高度改变这样的沟道的电导率，必须仅仅输入或导出小的离子。这在非常短的时间内是可能的，使得具有这样的沟道的器件是特别快的开关。
尤其是当用该器件来实现与常规DRAM类似地破坏性地被读出的存储器时，依赖于尽可能大的开关速度以及由此写入速度。于是需要在每次读出以后重新写入信息。在此，根据本发明的器件中的存储经过非常大数目的写入循环的可逆性也是有利的。
为了使信息到三栅极器件中的写入变得容易，该三栅极器件可以通过给沟道施加提高的电流脉冲或者通过为此设置的单独的发热线路被短时加热。在写入时取决于温度的离子导体尤其是可以同时通过沟道的电阻发热以及通过为了写入施加在栅电极处的电流脉冲被加热。
该器件例如可以以高分辨率的光刻和化学和/或物理刻蚀方法来制造。针对La2CuO4和YBa2Cu3O7-x的合适刻蚀剂例如是溴乙醇溶液。一般而言，无水刻蚀剂是有利的，因为混合氧化物中的一些水合并形成氢氧化物，这损害表面。
该器件有利地在保护气氛下制造。由此避免：沟道、离子池和/或离子导体可能吸收潮气和/或CO2或者来自环境的其他气体。在制造以后并且在向外运输以前，可以给该器件配备例如由锶钛氧化物制成的薄的覆盖层，以便防止吸收潮气以及表面的其他降级。在发明人的试验中，1nm的锶钛氧化物就已经被发现为有效的。
该器件在制造以后在所定义的气氛中被热处理。由此例如可以导致掺杂材料到相应要掺杂的材料中的相互渗透，以便使掺杂均匀地分布在材料中。但是例如也可以用氧离子填充离子池。如果这不能单单用分子氧来实现，则该加载可以通过微波等离子、通过原子氧或者通过臭氧来支持。
一般而言，为了该器件的运行不一定需要离子池、离子导体和沟道之间的界面为绝对清晰的。更确切而言，所有部件也可以被实现为多层或梯度层。
用于离子池、离子导体和沟道的材料通常不是元素，而是化合物。如果所述化合物外延地生长到衬底上，则相应表面具有过量的用于使外延结束的元素。该元素可以充当下一要涂敷的部件的掺杂材料。
作为层涂敷的用于离子传输的材料的亲和性可以在制造该器件时通过在涂敷所述层期间以机械方式张紧衬底来有针对性地被影响。由此例如可以扩宽沿着其传输离子的沟道，这有利于离子传输。
附图说明
下面根据附图进一步阐述本发明的主题，而本发明的主题不受此限制。
图1示出了根据本发明的三栅极器件的实施例的截面图。
图2示出了根据本发明的器件的源电极与漏电极之间的电阻在连续施加绝对值增加并且在极性方面交替的栅极电压以后的改变，其中分别传输了10mC的相同电荷。
图3示出了根据本发明的器件的源电极与漏电极之间的电阻在增加的时长内连续施加在极性方面交替的、绝对值相同的电流以后的改变。
图4示出了两种假设的材料的依赖于场的离子电流的计算，所述材料对于从被占据的晶格位置到下一未被占据的晶格位置的跳跃具有0.4eV或1.3eV的激活能ΔH，这是针对3个不同温度示出的。
图5示出了根据本发明的具有如下沟道的三栅极器件的另一实施例，所述沟道具有各向异性的离子电导率。
图6示出了根据本发明的具有被构造为约瑟夫森接触的沟道的三栅极器件的另一实施例。
具体实施方式
图1以截面图示出了根据本发明的三栅极器件的实施例的草图。在绝缘的衬底1上将沟道2实现为薄层，该沟道2将两个电极3（源电极和漏电极）彼此连接。将离子导体4和离子池5同样作为薄层结构化到沟道2上。离子池与栅电极6接触。如果该栅电极通过馈线7.3被施加电势，则离子池5可以穿过离子导体4与沟道2交换离子，同时离子池同沟道保持电子绝缘。由此改变沟道2的电子电导率。通过这种方式可以在三栅极器件中存放信息。该信息可以通过如下方式被再次读出：给与沟道2相连接的电极3通过馈线7.1和7.2施加读出电压并且测量通过沟道2驱动的电流。该层序列也可以关于衬底倒转，使得栅电极首先被沉积在衬底上并且沟道由此位于上方。
用于下面的测试的器件利用荫罩被制造，通过所述荫罩将层局部受限地沉积在衬底上。
由La2CuO4制成的沟道为2mm宽、5nm厚并且在源电极与漏电极之间桥接1mm的路程。由SrTiO3制成的离子导体大致为10nm厚。源电极、漏电极和栅电极是由良好导电的La1.85Sr0.15CuO4制成的。栅电极同时也是氧离子池。该器件被实现在斜方六面体的LaAlO3(100)衬底上。
在图2中，针对该器件在试验时间上绘出了在给栅电极连续施加绝对值更高的电压以后的源电极与漏电极之间的电阻。在两次施加之间，在栅电极处施加的电压的符号分别变换，使得源电极与漏电极之间的电阻交替地增加和下降。电压分别被选择为使得通过离子导体驱动的电流和脉冲时长的乘积总是得出相同的为10mC的所传输电荷。电流和脉冲时长在每个测量点被记下。
即使传输了相同的电荷，在施加更高电压的情况下，电阻改变也可识别地变得更大。这是证明了离子传输是非线性效应并且离子在较高电压下更好地在离子导体和沟道中分布的证据。
尽管有5000C/m2的所传输的大的电荷密度，源电极与漏电极之间的电阻仅仅改变大致2％。因此，总共可实现的部分离子电导率非常小。本发明将这归因于：所述器件是一种宏观的“概念验证（Proof of Concept）”，其制造还提供了显著的改善可能性，例如通过将组件在横向上向下缩放到微米或者甚至纳米尺寸。
该效应在该小开关幅度的情况下的饱和尤其是指向点开关、例如缺陷。此外，沟道通过制造期间的相互渗透而表现为已掺杂的，由此其电阻意想不到地低并且在百分比上更少地被氧贮存改变。
在图3中用变换的极性来重新开关图2中研究的器件。图2中绘制的指示测量点序列的箭头在图3中为清楚起见被省略。在此，总是有相同的电流流经离子导体，但是在1ms至66s之间的不同长度的时间内发生，使得在较长开关时间中也传输更大的电荷。该器件在1ms中开关总电阻的1％，并且在66s中开关大致4％以上。
在图4示出了针对两种假定材料的根据等式
Figure DEST_PATH_IMAGE003
计算出的依赖于场的离子电流I，所述假定材料针对从被占据的晶格位置到下一未被占据的晶格位置的跳跃具有0.4eV（针对氧离子导体的非常低的值）和1.3eV（针对氧离子导体的相对高的值）的激活能ΔH。该计算是针对三个不同的温度（液氮、室温、SOFC运行温度）执行的。从大致100MV/m起，传输超比例地加速。这大致对应于如下场强：在该场强下，材料电子短路。
认识到，具有低激活能的材料是较为有利的，因为传输在较低场强下就已经被高度加速。材料中可最大实现的场强受到其电子电导率的限制。该电导率越高，则为了保持通过该材料所预先给定的电势差以及由此电场所需的电流越大。该电流随着场强超比例地增加。当材料电子短路时，达到可实现的场强的极限。
图5以透视图示出了根据本发明的三栅极器件的另一实施例的草图。在该实施例中，沟道2和同时充当离子池5的离子导体4被以外延层的形式在单晶衬底上1上实现。为了指示相应晶体取向，衬底1和沟道2的单个单元的界限通过阴影线来表示。沟道材料、比如YBa2Cu3O7-x或者La2CuO4+x的晶体结构以层的形式以高的氧移动性处于优选的、在此突出地绘制的晶体平面E中。这导致高度各向异性的离子电导率。沟道沿着优选的晶体平面E以因子1000比垂直于该平面更好地传导。因此，离子可以在离子导体/池与沟道2之间优选地沿着该平面E被交换。
平面E相对于衬底表面的取向通过衬底表面的晶体取向结合生长参数来确定。有利地，优选的平面E被取向为使得通过在栅电极6处施加电势在离子导体/池中产生的电场可以被分解成线性组合，在该线性组合中，一个成分平行于优选平面E。这也应对离子池4或离子导体5的优选平面E成立，只要离子池4和/或离子导体5同样具有各项异性的离子电导率。
如果沟道材料是YBa2Cu3O7-x，则优选平面E是CuO链平面。如果沟道材料是La2CuO4+x，则优选平面E是由LaO平面之间的中间晶格位置构成的平面。
为了达到源电极与漏电极（未示出）之间的沟道2的低电阻，有利的是，将所示图示中的电极安装在沟道的前沿和后沿处。源电极－漏电极电流于是垂直地流经符号平面。因此，具有示例材料的高电子电导率的平面无中断地处于电流路径中，所述示例材料平行于平面E以高的氧移动性延伸。
图6是根据本发明的透视图形式的三栅极器件的另一实施例的草图。在该实施例中，沟道2被构造成约瑟夫森接触并且以外延层的形式在双晶衬底1上实现。有针对性地生成的晶界K形成超导沟道2中的薄弱环节。该沟道被两个电极3（源电极和漏电极）接触。当在栅电极6处施加电势时，该薄弱环节可以与离子池4或离子导体5交换氧离子。由此可以改变其在置入状态下的电子特性。衬底1和沟道2的单个单元的界限如图5中那样通过阴影线表示。

Claims (30)

1.三栅极器件，具有源电极、漏电极以及连接在所述源电极与所述漏电极之间的沟道，所述沟道由其电导率能够通过输入和/或输出离子来改变的材料制成，
其特征在于，所述三栅极器件包括与栅电极接触的离子池，所述离子池与所述沟道连接得使得在给所述栅电极施加电势时所述离子池能够与所述沟道交换离子。
2.根据前一权利要求所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池在标准条件下是固体。
3.根据前一权利要求所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池具有至少一种带有可变价的阳离子或阴离子。
4.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池通过离子导体与所述沟道连接，所述离子导体比所述沟道的电子导电性差至少一个数量级。
5.根据前一权利要求所述的三栅极器件，其特征在于，穿过离子导体的离子传输的激活能取决于传输方向。
6.根据前面2个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子导体具有100纳米或更小的厚度。
7.根据前面3个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池同时是离子导体。
8.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子导体、所述离子池和/或所述沟道分别具有固体电解质。
9.根据前一权利要求所述的三栅极器件，其特征在于，所述固体电解质为如下的材料：在所述材料中，针对氧离子在400℃以上温度下的扩散的激活能小于1eV、优选小于0.1eV。
10.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子导体和/或所述固体电解质具有针对离子的各向异性的移动性。
11.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道包括如下的金属氧化物：所述金属氧化物的电阻能够通过贮存或从所述离子池排出离子而改变至少一个数量级。
12.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池和所述沟道包括具有相同的掺杂（p型或n型）的半导体，并且所述离子导体包括具有相反的掺杂的半导体。
13.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池和所述沟道包括具有相反的掺杂（p型或n型）的半导体。
14.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，由所述沟道在所述源电极与所述漏电极之间桥接的间隔为20nm至10μm之间。
15.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道被构造成具有3至50nm之间的厚度的薄层。
16.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述离子池能够与所述沟道交换氧离子。
17.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道、所述离子池和/或所述离子导体要么分别具有在所述离子池与所述沟道之间的离子交换时不改变的晶体结构，要么为非晶的。
18.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道的材料相对于其化学计量组成在如下元素的含量上被提高或降低：所述元素的离子能够在所述沟道与所述离子池之间被交换。
19.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道包括导电性差至少一个数量级的两种材料之间的导电界层。
20.根据前述权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道的至少一个片段具有跳变温度，在所述跳变温度下，所述片段为超导的。
21.根据前一权利要求所述的三栅极器件，其特征在于，在所述片段中电串联多个缺陷。
22.根据前面2个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道的在所述跳变温度以下为超导的两个片段被势垒间隔开，所述势垒能够与所述离子池交换离子。
23.根据前一权利要求所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道被构造成约瑟夫森接触，该约瑟夫森接触的薄弱环节为所述势垒。
24.根据前面2个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述片段由相同的超导材料制成，但是具有不同的晶体取向，使得所述片段之间的晶界形成所述势垒。
25.根据前面3个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述片段具有与上面布置所述片段的衬底相同的晶体取向。
26.根据前面6个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述跳变温度高于77K。
27.根据前面7个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道包括铜酸盐、尤其是化学式为RBa2Cu3O7-x的铜酸盐或者掺杂碱土金属的化学式为R2CuO4+x的铜酸盐，其中R是稀土金属或者稀土金属的组合。
28.根据前面8个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道包括由铁-磷族元素化合物或铁-氧磷族元素化合物的族制成的材料。
29.根据前面9个权利要求之一所述的三栅极器件，其特征在于，所述沟道包括如下材料：所述材料能够通过改变其氧含量或氟含量从常导体转化为超导体。
30.量子电子器件、尤其是用于0.1至10THz之间的频率范围中的电磁辐射的超导量子干涉仪或者源或探测器，包括根据前10个权利要求之一所述的三栅极器件。
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