專利名稱：有幾個(gè)穩(wěn)定開關(guān)狀態(tài)的隧道二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道二極管，它有二個(gè)中間帶有絕緣介質(zhì)的金屬導(dǎo)電電極，構(gòu)成對(duì)電子具有一定勢(shì)壘高度的勢(shì)壘，而且該勢(shì)壘有一厚度從而在其電壓高于閾值電壓時(shí)電子能穿過勢(shì)壘從一電極到另一電極。本發(fā)明還涉及存儲(chǔ)元件。
這樣的隧道二極管已在S.M.Sze所著半導(dǎo)體器件物理學(xué)的第九章隧道器件中公開。此隧道二極管也稱為MIM(“金屬-絕緣體-金屬”)二極管或MIS(“金屬-絕緣體-半導(dǎo)體”)二極管，這里“金屬”應(yīng)理解為指優(yōu)良導(dǎo)體材料。在兩電極間加上超過閾值電壓的電壓后，電子能穿過隧道從一電極到另一電極。電壓低于閾值電壓時(shí)電子不能跨越勢(shì)壘。這樣的開關(guān)元件非常適用于高頻。
此公知的隧道二極管的缺點(diǎn)是無存儲(chǔ)性能，在許多應(yīng)用中希望隧道二極管保持一定的開關(guān)狀態(tài)，例如在室溫的實(shí)際條件下開/關(guān)。
本發(fā)明的目的是要克服所說的缺點(diǎn)。
按照本發(fā)明，用以達(dá)到此目的器件的特征是，該介質(zhì)包括一在室溫下為鐵電體的材料層，帶有影響勢(shì)壘高度的剩余極化。
從而使隧道二極管按照介質(zhì)的剩余極化有幾個(gè)開關(guān)狀態(tài)。極化的數(shù)值和方向影響勢(shì)壘高度，或者換言之，通過鐵電體介質(zhì)的剩余極化改變勢(shì)壘的形狀。在電極上加某一電壓，電子穿過介質(zhì)要取決于勢(shì)壘高度，所以或多或少的隧道電流能流過隧道二極管。因此此隧道二極管有幾個(gè)開關(guān)狀態(tài)。此鐵電體介質(zhì)可以從一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種極化狀態(tài)，由于電壓加到電介質(zhì)從而使鐵電體材料的開關(guān)電場(chǎng)在介質(zhì)中得到。此開關(guān)狀態(tài)保持到介質(zhì)的極化狀態(tài)改變。
如果介質(zhì)中存在所謂“陷阱”，經(jīng)它電子能穿過介質(zhì)(“有助于建立隧道效應(yīng)的陷阱”)，則介質(zhì)的厚度可以較大。然而這樣的介質(zhì)難以用可重復(fù)的方式制造。鐵電體材料層的厚度最好小于100 。不借助陷阱在較低電壓下建立電子貫穿介質(zhì)的隧道是可能的。很薄的鐵電體材料層已不再能獲得二極管特性，而被有一定的低電阻性能的二極管代替。鐵電體材料層的厚度最好大于1 以獲得二極管特性。
鐵電體材料層中的剩余極化取決于層的結(jié)構(gòu)在不同方向可以有不同的值。剩余極化的大小和方向增強(qiáng)或減弱，影響加在電極之間的電場(chǎng)，因而影響勢(shì)壘高度和隧道電流。兩電極最好采用幾乎是平行板的形狀，剩余極化最大分量的方向?qū)嵸|(zhì)上與板垂直。當(dāng)電壓跨接在兩電極上時(shí)，剩余極化最大分量的方向與電極間的電場(chǎng)平行或逆平行。此時(shí)極化效應(yīng)對(duì)勢(shì)壘的高度和寬度的影響處于最大。當(dāng)鐵電體材料層，即鐵電體介質(zhì)在單晶金屬導(dǎo)電氧化物的電極上外延生長(zhǎng)時(shí)，能得到這樣的材料。鐵電體材料層的生長(zhǎng)方向要如此選擇，鐵電體材料的優(yōu)選的極化軸，即指向剩余極化的最大分量方向，實(shí)質(zhì)上與板垂直。極化方向與加到電極之間的電場(chǎng)平行的，介質(zhì)有這樣一種結(jié)構(gòu)，即剩余極化處于最大狀態(tài)。此金屬導(dǎo)電氧化物層包括諸如鑭-鍶-鈷氧化物、釕酸鍶、釩酸鍶、或摻雜銦的氧化錫等公知的單晶材料。金屬導(dǎo)電氧化物和鐵電體介質(zhì)用諸如脈沖激光沉積(PLD)、濺射、分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)等標(biāo)準(zhǔn)工藝制得。此材料可提供在非晶基底上，而金屬導(dǎo)電電極最好提供在單晶基底上。單晶基底最好與所用的導(dǎo)電氧化物和鐵電體介質(zhì)一起有令人滿意的晶格配合(+-10%)。用外延法提供鐵電體提質(zhì)是較簡(jiǎn)單的。用于單晶基底的材料實(shí)例有鈦酸鍶、氧化鎂。鎂-鋁氧化物或鈮酸鋰等。然而硅或鎵的砷化物的基底也可以使用適合的緩沖層，例如Pr6O11或CeO2。
在另一個(gè)實(shí)施例中，介質(zhì)包括在不同的開關(guān)電場(chǎng)改變它們的剩余極化方向的二個(gè)或多個(gè)鐵電體材料層。隧道二極管有二個(gè)以上的開關(guān)狀態(tài)。此介質(zhì)可以，例如在第一電極上以兩層不同性質(zhì)的鐵電體的方式生長(zhǎng)。在所說的層上還提供第二電極。
在另一個(gè)實(shí)施例中，隧道二極管包括一電極，其上不只一次地提供了一層鐵電體材料和一電極，所以隧道二極管包括幾個(gè)串聯(lián)連接的二極管。這種隧道二極管有M(FM)n結(jié)構(gòu)，這里M代表電極，F(xiàn)代表鐵電體介質(zhì)，而指數(shù)n表示包括鐵電體介質(zhì)F和電極M的組合(FM)重復(fù)幾次，從而建立MFM單元的串聯(lián)電路。介質(zhì)厚度每次不必相同。為了有可能提供隧道電流介質(zhì)較薄，由于在兩電極間的介質(zhì)中的所謂針孔，有時(shí)電極間會(huì)發(fā)生短路。電極之間的短路意味著在單一介質(zhì)的情況下隧道二極管失效。在按照此實(shí)施例的隧道二極管中，在單一介質(zhì)中針孔的出現(xiàn)對(duì)隧道二極管不再是致命的。因此使隧道二極管可靠性提高。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)隧道二極管包括若干串聯(lián)連接的元件時(shí)，并要求二種以上不同的開關(guān)時(shí)，由不同的鐵電體材料組成的層，在不同的開關(guān)電場(chǎng)能改變它們的剩余極化方向。此隧道二極管有二種以上的開關(guān)狀態(tài)。隧道二極管包括例如MFMF′M或M(FMF′M)這樣的結(jié)構(gòu)，這里F和F′是能在不同開關(guān)電場(chǎng)改變它們的剩余極化方向的鐵氧體材料。隧道電流將隨鐵電體介質(zhì)F和F′的剩余化的大小和方向而增加或減少。隧道二極管有二種以上的開關(guān)狀態(tài)。這樣的隧道二極管有高的可靠性。在兩介質(zhì)間另外存在的電極防止在兩種鐵電體材料中介質(zhì)區(qū)域的連接。
本發(fā)明還涉及到包括本發(fā)明的隧道二極管的存儲(chǔ)元件。公知的存儲(chǔ)元件包括電容，在每個(gè)電容上電荷量可計(jì)量信息量。公知的存儲(chǔ)元件的讀出是困難的。在讀出期間將一定電壓加到電容，隨后測(cè)量流向電容的電荷。這種電荷的數(shù)量是電容中存在的電荷的度量。在讀出之后，最初存在的信息已消失，所以要把它再次寫入電容中。在按照本發(fā)明的存儲(chǔ)元件中，在讀出期間將電壓加到存儲(chǔ)元件上，隨后測(cè)量通過元件的電流。測(cè)量電流比測(cè)量電荷容易得多。存儲(chǔ)元件中的信息不受讀出的影響。本發(fā)明的存儲(chǔ)元件的讀出過程比已知的存儲(chǔ)元件的讀出過程簡(jiǎn)單得多。
下面將參照附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。


圖1示出本發(fā)明的隧道二極管;
圖2示出已知的隧道二極管的電流-電壓特性;
圖3示出本發(fā)明的隧道二極管的電流-電壓特性;
圖4示出本發(fā)明的存儲(chǔ)元件的寫入-讀出周期;
圖5示出本發(fā)明的隧道二極管，其中介質(zhì)包括具有不同的開關(guān)電場(chǎng)的二種鐵電體材料;
圖6示出本發(fā)明的隧道二極管，它包括若干串聯(lián)連接的單元。
各圖僅是示意圖，未按比例描繪。相應(yīng)的元件在圖中用同樣的參考數(shù)碼標(biāo)出。
圖1示出有兩個(gè)實(shí)質(zhì)上為平行板型電極1，2的隧道二極管，兩電板間有絕緣介質(zhì)3，構(gòu)成對(duì)電子來說有一勢(shì)壘高度的勢(shì)壘，而且此勢(shì)壘有一厚度，以便在電壓高于閾值電壓時(shí)電子能穿過勢(shì)壘從一電極到另一電極。此發(fā)明也涉及存儲(chǔ)元件。
這樣的二極管，像隧道二極管或MIM(金屬-絕緣體-金屬)二極管或MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)二極管已經(jīng)公知。此術(shù)語金屬應(yīng)理解為指良導(dǎo)電材料。由于在隧道器件中電荷遷移由電子完成，這樣的開關(guān)元件是高速的，因而隧道二極管特適用于高頻。圖2示出一種MIM二極管的電流-電壓特性，其中通過二極管的電流I是作為加在電極1，2上的電壓的函數(shù)繪出。在兩電極相同的情況下此電流-電壓特性是繞零伏軸對(duì)稱的。
已知的隧道二極管無存儲(chǔ)性能。在許多應(yīng)用情況下希望隧道二極管在室溫這樣的實(shí)際條件下保持一定的開關(guān)狀態(tài)，例如打開/閉合。這意味著根據(jù)二極管的開關(guān)狀態(tài)，在電極1，2上加一給定的電壓，有一個(gè)以上的電流值的電流通過隧道二極管是可能的。
按照本發(fā)明，介質(zhì)3包括一鐵電鐵材料層，在室溫下具有影響勢(shì)壘高度的剩余極化。隧道二極管有許多種取決于介質(zhì)的剩余極化的開關(guān)狀態(tài)。極化的大小和方向增強(qiáng)或減弱了加到兩電極間電場(chǎng)的影響，因此影響勢(shì)壘和隧道電流。介質(zhì)的極化對(duì)加到兩電極間電場(chǎng)可以是平行的或逆平行的。在電極上加一定的電壓，或多或少都會(huì)有隧道電流流過隧道二極管，這取決于鐵電體的剩余極化對(duì)介質(zhì)3中的電場(chǎng)是平行的還是逆平行的。隧道二極管有二種不同的開關(guān)狀態(tài)。由于加上電壓，鐵電體介質(zhì)可以從一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種極化狀態(tài)，這就在介質(zhì)中超過鐵電體材料的開關(guān)電場(chǎng)。由于開關(guān)狀態(tài)由介質(zhì)的剩余極化來確定，所以這種開關(guān)狀態(tài)保持到介質(zhì)的極化狀態(tài)改變。圖3示出按照本發(fā)明的具有二個(gè)相同電極隧道二極管的電流-電壓特性。這種電流-電壓特性曲線由二條相應(yīng)于不同的剩余極化條件的曲線5，6組成。
當(dāng)電壓V未加到隧道二極管時(shí)，就沒有電流流過該元件(圖3中O點(diǎn))。當(dāng)電壓V加到介質(zhì)3上，剩余極化抵消了電場(chǎng)影響(極化與所加的電場(chǎng)逆平行)時(shí)，電流按曲線5上升。在鐵電體介質(zhì)中用以轉(zhuǎn)換極化的開關(guān)電場(chǎng)表示在曲線5上的點(diǎn)8。鐵電體介質(zhì)中的剩余極化相對(duì)于電場(chǎng)從逆平行改變到平行。通過隧道二極管的電流上升直到到達(dá)曲線6上的點(diǎn)9。當(dāng)電壓進(jìn)一步增加時(shí)，電流將按曲線6上升直到介質(zhì)擊穿。在到達(dá)點(diǎn)9后電壓下降時(shí)，電流將隨曲線6下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)曲線6上的點(diǎn)10時(shí)，電場(chǎng)變得如此強(qiáng)以致介質(zhì)的極化再次改變方向。然后電流下降直到到達(dá)曲線5上點(diǎn)11處的數(shù)值。當(dāng)電壓繼續(xù)下降時(shí)，電流將沿曲線5下降直到介質(zhì)擊穿。如在到達(dá)點(diǎn)11后電壓上升，電流將隨曲線5上升。
事實(shí)上，由于電壓脈沖以能使介質(zhì)的剩余極化改變的數(shù)值加到介質(zhì)，隧道二極管轉(zhuǎn)換通斷狀態(tài)。然后隧道二極管在低于剩余極化的開關(guān)電場(chǎng)的電壓下讀出。
圖4示出隧道二極管的寫-讀周期。水平軸代表時(shí)間t，垂直軸表示通過隧道二極管的電流I。在t＝0瞬間，正電壓脈沖以這樣數(shù)值加到電極，以致超過介質(zhì)3的開關(guān)電場(chǎng)，所以極化方向平行于正電壓加到電板上的電場(chǎng)圖3曲線6)。為了讀出隧道二極管的開關(guān)狀態(tài)，將幅度在O和Vt之間的方波電壓加到電極1，2(見圖3)。然后一較強(qiáng)的電流流過隧道二極管。此隧道二極管閉合。在t＝t3瞬間，負(fù)電壓脈沖以這樣的大小加到電極，以致超過介質(zhì)3的開關(guān)電場(chǎng)，所以極化方向與正電壓加到電極的電場(chǎng)逆平行(圖3曲線5)。為了讀出隧道二極管是否開關(guān)元件，將幅度在O和Vt之間的方波加到電極1，2(見圖3)。然后一較弱的電流流過隧道二極管。隧道二極管被打開。如果在介質(zhì)中有所謂陷阱，通過它電子能穿過介質(zhì)，介質(zhì)的厚度可以較大(“有助于隧道效應(yīng)的陷阱”)。然而這種介質(zhì)是難以制造的。介質(zhì)3的厚度最好選擇得小于100 。不使用陷阱就可能在較低電壓下使電子穿過介質(zhì)3的隧道效應(yīng)。
剩余極化的大小和方向能增強(qiáng)或減弱在電極1，2間所加電場(chǎng)的影響，因此要影響勢(shì)壘和隧道電流。在一實(shí)施例中，使用了其兩電極為兩個(gè)平直的平行板形式的隧道二極管。按照本發(fā)明，剩余極化的最大分量的方向4與電場(chǎng)平行或逆平行。極化對(duì)勢(shì)壘大小的影響是在最大值。
當(dāng)在單晶金屬導(dǎo)電氧化物的電極1上外延鐵電體介質(zhì)3時(shí)，可獲得一另外的優(yōu)點(diǎn)。介質(zhì)3有這樣一種結(jié)構(gòu)，使剩余極化的值是最大值，而極化方向4與加到電極1，2之間的電場(chǎng)平行。金屬導(dǎo)電由氧化物層包括諸如鑭-鍶-鈷氧化物、釕酸鍶、釩酸鍶、或摻雜銦的氧化錫。金屬導(dǎo)電氧化物的電極1和鐵電體介質(zhì)3用昭脈沖激光沉積(PLD)、濺射、分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)等標(biāo)準(zhǔn)的工藝方法提供。
材料可以提供在非晶基底15上。然而金屬導(dǎo)電電極1最好提供在單晶基底15上。這樣的單晶基度最好與所用的電極1的導(dǎo)電氧化物和鐵電體介質(zhì)3有令人滿意的配合(晶格位錯(cuò)+-10%)。提供一外延的鐵電體介質(zhì)3是較簡(jiǎn)單的。可用于單晶基底15的材料是，例如，鈦酸鍶、氧化鎂、鎂-鋁氧化物或鈮酸鋰等。也可以使用具有諸如Pr6O11或CeO2這樣適當(dāng)緩沖層的硅或砷化鎵基底。
按下述方法制造隧道二極管?；?5使用單晶鈦酸鍶晶體。這樣的晶體相對(duì)電極所用的釕酸鍶有滿意的匹配(1.5%)。釕酸鍶是用PLD法在650℃0.2毫巴大氣壓的氧氣氛中形成。以像形成電極1的釕酸鍶同樣的方法形成一層單晶鈦酸鉛-鋯(PZT)作為鐵氧體介質(zhì)3。用上述工藝得到的典型的鈦酸鉛鋯組合物是PbZ0.05Ti0.95O3。層3有一外延結(jié)構(gòu)。殘余極化約為75μC/cm2。以形成電極1類似的方法形成第二層釕酸鍶，以構(gòu)成第二電極2。借助標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝并通過蝕刻即反應(yīng)離子蝕刻或氬離子蝕刻構(gòu)圖成電極2和質(zhì)介質(zhì)3。此結(jié)構(gòu)被蝕刻成電極2。
用釕酸鍶電極1，2和80 厚的鈦酸鉛鋯介質(zhì)3形成圖1所示的隧道二極管。圖3中的開關(guān)點(diǎn)8、10在這種元件中約為0.1V。
在另一實(shí)施例中，介質(zhì)3包括在不同的開關(guān)電場(chǎng)能改變它們的殘余極化方向的若干鐵電體材料。隧道二極管有二種以上的開關(guān)狀態(tài)。圖5示出一種隧道二極管，其中介質(zhì)3以具有不同的鐵電體性質(zhì)的3，6兩層的形式生長(zhǎng)在第一電極上。第二電極2形成在介質(zhì)3，6上。作為一種實(shí)施例，鈦酸鍶基底15上再次形成釕酸鍶制的第一電極1。50 的鈦酸鉛鋯層3用第一實(shí)施例類似的方法形成在此電極1上。鈦酸鉛鋯組成的第二鐵電體層6以實(shí)施例1所述的方法形成在層3上，以公知的方式如此來選擇組合物以便與鈦酸鋯組成的層3相比不同開關(guān)電場(chǎng)和剩余極化在這層中完成。介質(zhì)3有100kV/cm的開關(guān)電場(chǎng)和25μC/cm2的殘余極化。介質(zhì)6有30kV/cm的開關(guān)電場(chǎng)和25μC/cm2的殘余極化。這樣的隧道二極管有取決于介質(zhì)的剩余極化方向的四種開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)我們指示極化方向4具有→和←的從電極1指向電極2的極化或者反之也這樣時(shí)，則四個(gè)開關(guān)狀態(tài)分別是NO.1介質(zhì)3->介質(zhì)3－>介質(zhì)6－>,NO.2介質(zhì)3->介質(zhì)6<-;NO.3介質(zhì)3<-介質(zhì)6->;NO.4介質(zhì)3<-介質(zhì)6<-。如果極化有相同數(shù)值，僅有三個(gè)開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)NO.2和NO.3是一樣的。隧道二極管可以交替地有二種以上的不同的鐵電體介質(zhì)。在那種情況下隧道二極管將有相應(yīng)的多種開關(guān)狀態(tài)。
圖6示出又一實(shí)施例，其中隧道二極管包括電極1，帶電極2的鐵電體介質(zhì)3不止一次的形成在電極1上。因而隧道二極管包括多個(gè)串聯(lián)連接的單元20。隧道二極管有M(FM)n結(jié)構(gòu)，這里M是電極1，2，F(xiàn)是鐵電體介質(zhì)3，指數(shù)n是表示包括鐵電體介質(zhì)F和電極M的組合體20(FM)重復(fù)n次。由于可能產(chǎn)生電源隧道電源的介質(zhì)3較薄，所以在介質(zhì)3中兩電極1，2或2，2間有時(shí)會(huì)因針孔發(fā)生極間短路。如果介質(zhì)的厚度小于20 就將更易發(fā)生。用單一的介質(zhì)3，電極間短路意味著隧道二極管失效。
在此隧道二極管的實(shí)施例中，在單一介質(zhì)3中存在針對(duì)隧道二極管來說已不再是致命的了。因而使隧道二極管的可靠性提高。一附加的優(yōu)點(diǎn)是元件的開關(guān)電壓變成由一個(gè)元件20構(gòu)成的隧道二極管的開關(guān)電壓的n倍那么高。因此，此隧道二極管可以適用于所要求的開關(guān)電壓。
如果要求二種以上的不同的開關(guān)狀態(tài)，則圖6實(shí)施例的介質(zhì)3包括在不同的開關(guān)電場(chǎng)能改變它們的殘余極化方向的不同的鐵電體材料。于是此隧道二極管有二種以上的開關(guān)狀態(tài)。一種隧道二極管有例如MFMF′M或M(FMF′M)n結(jié)構(gòu)，這里F和F′是能在不同的開關(guān)電場(chǎng)改變它們的剩余極化方向的鐵電體材料。隧道電流取決于鐵電體介質(zhì)F和OF′的剩余極化的大小和方向變得更強(qiáng)或更弱，所以此隧道二極管有二種以上的開關(guān)狀態(tài)。參照?qǐng)D5實(shí)施例的上述鐵電體介質(zhì)也可以用于本實(shí)施例。
本發(fā)明也涉及到包括按照本發(fā)明的隧道二極管的存儲(chǔ)元件。公知的存儲(chǔ)元件包括許多電容，電容上的電荷數(shù)值是信息的量度。公知的存儲(chǔ)元件的讀出是困難的。在讀出期間，將一定的電壓加給電容，然后測(cè)量流向電容的電荷。此電荷的數(shù)值是電容器中已有的電荷的量度。在讀出之后，原有的信息已消失，所以原有的信息再次被寫進(jìn)電容器。在本發(fā)明的存儲(chǔ)元件中，在讀出期間將電壓加到存儲(chǔ)元件，隨后測(cè)量通過存儲(chǔ)元件的電流(見圖4)。測(cè)量電流比例量電荷更簡(jiǎn)單。存儲(chǔ)元件中的信息不受讀出的影響。本發(fā)明的存儲(chǔ)元件的讀出過程比公知存儲(chǔ)元件的讀出過程簡(jiǎn)單得多。
實(shí)際上，存儲(chǔ)元件從一種存儲(chǔ)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種存儲(chǔ)狀態(tài)，即加到該介質(zhì)的電壓脈沖值使介質(zhì)的剩余極化改變，或在幾個(gè)介質(zhì)時(shí)使其中一個(gè)介質(zhì)的剩余極化改變。通過在低于介質(zhì)3的剩余極化的開關(guān)電場(chǎng)所處于的電壓下測(cè)量通過隧道二極管的電流來讀出此存儲(chǔ)元件。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例?？捎迷诨?5上的許多隧道二極管代替簡(jiǎn)單的隧道二極管，而在此隧道二極管旁邊還可以有諸如晶體管、電阻、電容器等其它元件。換言之，隧道二極管可以構(gòu)成集成電路一部分。
所述實(shí)施例涉及對(duì)稱的隧道二極管。然而另一方面，電極1和電極2可用不同的材料，例如電極1用導(dǎo)電氧化物，電極2用金屬。這樣的隧道二極管的電流-電壓特性曲線是對(duì)稱的。
鐵電體介質(zhì)可與非鐵電體材料組合。因此介質(zhì)3可由一薄層鐵電體材料和外加一薄的絕緣或半導(dǎo)體層組成。由此開關(guān)的電壓電平可以受到影響，或開關(guān)的效果，即通過隧道二極管的電流值可以受影響。使鐵電體介質(zhì)與非鐵電體介質(zhì)組合也是可能的。用這種方法去完成隧道二極的更多的開關(guān)狀態(tài)也是可能的。隧道二極管還可以用作隧道晶體管元件。為此目的，例如本發(fā)明的用MFM(M-電極1，F(xiàn)-鐵電體介質(zhì)，M-電極2)代表的隧道二極管與MIM(I代表絕緣介質(zhì))一起組合成一用M1FM2IM3代表的隧道晶體管，附加的介質(zhì)和第三電極形成在本發(fā)明的隧道二極管上。本發(fā)明的隧道二極管的電極2(M2)同時(shí)是MIM的電極。由此構(gòu)成隧道晶體管，其中發(fā)射極接點(diǎn)用M1即MFM的電極1構(gòu)成，基極接點(diǎn)用M2即MFM的電極2構(gòu)成，它同時(shí)構(gòu)成MIM的電極，集電極接點(diǎn)用M3即MIM的另一電極構(gòu)成。使本發(fā)明的隧道二極管與半導(dǎo)體P-或n-型區(qū)組合也是可能的。于是出現(xiàn)了一種MFPNM結(jié)構(gòu)，它分別具有P和N即P-和n-型導(dǎo)電半導(dǎo)體材料。在這種情況下，電極1作為發(fā)射極接點(diǎn)，P-型區(qū)作為基區(qū)，n-型區(qū)作為集電區(qū)。上述隧道晶體管有存儲(chǔ)功能，即它們能保持一定的開關(guān)狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種隧道二極管，它有二個(gè)金屬導(dǎo)電電極，電極間有絕緣介質(zhì)，對(duì)電子來說構(gòu)成具有一勢(shì)壘高度的勢(shì)壘，此勢(shì)壘有一厚度從而使電子在電壓高于閾值電壓時(shí)，能穿過勢(shì)壘從一電極到另一電極，其特征在于介質(zhì)包括一層鐵電體材料，在室溫下具有能影響勢(shì)壘高度的剩余極化。
2.按照權(quán)利要求1所說的隧道二極管，其特征在于鐵電體材料層的厚度小于100 。
3.按照權(quán)利要求1，2中任一權(quán)利要求的隧道二極管，其特征在于鐵電體材料層的厚度大于20 。
4.按照以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的隧道二極管，其特征在于剩余極化的最大分量的方向?qū)嵸|(zhì)上垂直于板。
5.按照以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的隧道二極管，其特征在于鐵電體材料層用外延法形成在單晶金屬導(dǎo)電氧化物的電極上。
6.按照權(quán)利要求5所說的隧道二極管，其特征在于金屬導(dǎo)電電極形成在單晶基底上。
7.按照以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的隧道二極管，其特征在于介質(zhì)包括二層或多層鐵電體材料，此鐵電體材料能在不同的開關(guān)電場(chǎng)改變它們的剩余極化的方向。
8.按照以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的隧道二極管，其特征在于此隧道二極管包括一電極，帶電極的鐵電體材料層不止一次地形成在該電極上，從而使此隧道二極管包括多個(gè)串聯(lián)連接的二極管。
9.按照權(quán)利要求8所說的隧道二極管，其特征在于所說的層包括在不同的開關(guān)電場(chǎng)能改變它們的剩余極化方向的不同的鐵電體材料。
10.一種存儲(chǔ)元件，其特征在于此存儲(chǔ)元件包括以上權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所說的隧道二極管元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隧道二極管，它有二個(gè)金屬導(dǎo)電電極(1，2)，電極間有絕緣介質(zhì)(3)，對(duì)電子構(gòu)成一定的勢(shì)壘高度，勢(shì)壘的厚度使電子能穿過勢(shì)壘從一電極到另一電極。在許多應(yīng)用中希望隧道二極管保持一定的開關(guān)狀態(tài)。本發(fā)明的隧道二極管的特征是介質(zhì)(3)包括一層鐵電體材料，此材料在室溫下具有影響勢(shì)壘高度的剩余極化。因而此隧道二極管有與介質(zhì)(3)的剩余極化有關(guān)的許多開關(guān)狀態(tài)。此開關(guān)狀態(tài)一直保持到介質(zhì)(3)的極化改變。
文檔編號(hào)G11C11/56GK1109639SQ9411309
公開日1995年10月4日 申請(qǐng)日期1994年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月10日
發(fā)明者R·M·沃爾夫, P·W·M·布羅姆, M·P·C·M·克里恩 申請(qǐng)人:菲利浦電子有限公司