變?nèi)荻O管、制備變?nèi)荻O管的方法、以及具有這種變?nèi)荻O管的存儲(chǔ)器和檢測(cè)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及變?nèi)荻O管、用于制備該變?nèi)荻O管的方法、以及具有這種變?nèi)荻O管的存儲(chǔ)器和檢測(cè)器，其中，所述變?nèi)荻O管具有第一電極和第二電極以及接觸式布置在這兩個(gè)電極之間的層布置，并且其中，所述層布置在從第一電極向第二電極的方向上相繼具有由鐵電材料制成的層和由介電材料制成的具有帶電雜質(zhì)的電絕緣層。
【專利說(shuō)明】變?nèi)荻O管、制備變?nèi)荻O管的方法、從及具有送種變?nèi)荻O 管的存儲(chǔ)器和檢測(cè)器
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種變?nèi)荻O管、一種用于制備變?nèi)荻O管的方法、一種具有至少一 個(gè)運(yùn)種變?nèi)荻O管的用于信息存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器、W及一種具有至少一個(gè)運(yùn)種變?nèi)荻O管的用 于福射檢測(cè)的檢測(cè)器;其中所述變?nèi)荻O管具有多層系統(tǒng)(Me虹schichtsystem)。
[0002] 變?nèi)荻O管能夠借助于電壓的施加實(shí)現(xiàn)它的電容的變化，其中變?nèi)荻O管可W例 如借助于由不同的滲雜的半導(dǎo)體材料制成的多層系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造。
[0003] 作為另一示例，由絕緣體及滲雜半導(dǎo)體組成的多層系統(tǒng)，例如P型娃上的Si化，其 帶有在該絕緣體上的金屬觸頭和在該滲雜半導(dǎo)體上的金屬觸頭，該多層系統(tǒng)具有如下電 容:此電容取決于在該絕緣體與該滲雜半導(dǎo)體之間邊界處該滲雜半導(dǎo)體中的空間電荷區(qū)和 該絕緣體的介電屬性。該電容能夠通過(guò)從外部向絕緣體上的金屬觸頭及滲雜半導(dǎo)體上的金 屬觸頭施加電壓而受控制。在該絕緣體中、在該絕緣體與該滲雜半導(dǎo)體之間的界面處、W及 在該滲雜半導(dǎo)體中可能形成缺陷(Defekte)。由于運(yùn)種缺陷，用測(cè)試頻率fac的交流電壓所測(cè) 得的該多層系統(tǒng)的電容就取決于測(cè)試頻率fa。。用能量大于該滲雜半導(dǎo)體的電子帶隙 (elektronische BancHUcke化g的光進(jìn)行福射時(shí)，該滲雜半導(dǎo)體中的空間電荷區(qū)的范圍縮 減并且該多層系統(tǒng)的電容增大。
[0004] 此外，金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還被用于電荷禪合器件(CCD)和固態(tài)圖像傳感器 中。用光進(jìn)行福射時(shí)，基于光生電荷載子對(duì)滲雜半導(dǎo)體中的電荷積聚進(jìn)行檢測(cè)。由于金屬- 絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中缺陷的連續(xù)的重新分配，金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電容在福射下 不穩(wěn)定并且無(wú)法在CCD和固態(tài)圖像傳感器中用作檢測(cè)信號(hào)。
[0005] 帶有鐵電電介體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可W用作鐵電存儲(chǔ)器，其中源極-漏極-電流值 (Sour ce-化ain-Stromwer t)用作所存儲(chǔ)信息的讀出值。然而，流經(jīng)鐵電電介體的漏電流 (Leckstr0men)使鐵電電介體的極化狀態(tài)退化，因而運(yùn)種存儲(chǔ)器相對(duì)具有易失性。
[0006] US 5 524 092 A描述了作為存儲(chǔ)器裝置的變?nèi)荻O管，其中所述變?nèi)荻O管具有 兩個(gè)電極W及布置于其間的層序列，該層序列由鐵電材料制成的層、導(dǎo)電金屬或?qū)щ姷?娃制成的作為粘合阻擋層的層、W及滲雜半導(dǎo)體材料制成的層組成。
[0007] 在《C曰P曰cit曰nce-volt曰ge and retention characteristics of Pt/SrBi2T曰2O9/ Hf〇2/Si structures with v曰rious buffer 1曰yer thickness》(Pt/SrBi2T曰2〇9/Hf〇2/Si結(jié) 構(gòu)在各種緩沖層厚度下的電容電壓及保持特性）（Tang等人所著，Appl ied Physics Letters(應(yīng)用物理快報(bào)），2009年第94卷第212907頁(yè)）中，二極管結(jié)構(gòu)W金屬、作為鐵電體的 S巧i2Ta2〇9、作為絕緣體的冊(cè)化、針對(duì)不同絕緣體厚度的半導(dǎo)體所組成的材料順序?yàn)樘卣鳎?其中確定，具有較薄冊(cè)化層的結(jié)構(gòu)鑒于保持性是更適宜的。
[000引 US 5 751 049 A描述了具有金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的紅外檢測(cè)器。
[0009]本發(fā)明提供一種構(gòu)造簡(jiǎn)單的變?nèi)荻O管，其電容特性利用極小的耗能而可變地且 非易失性地可調(diào)節(jié)。此外，本發(fā)明還提供一種用于制備運(yùn)種變?nèi)荻O管的方法。此外，本發(fā) 明還提供一種利用運(yùn)種變?nèi)荻O管作為存儲(chǔ)器元件用于存儲(chǔ)信息的構(gòu)造簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器，其 中所述存儲(chǔ)器利用極小的耗能可高速寫入和讀取。最后，本發(fā)明還提供一種利用運(yùn)種變?nèi)?二極管作為敏感元件用于檢測(cè)粒子福射或波福射的檢測(cè)器。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種變?nèi)荻O管形式的電子元器件，即一種具有可 變式可調(diào)電容的電子元器件。該變?nèi)荻O管具有用于該變?nèi)荻O管的電接觸的第一電極及 第二電極。該變?nèi)荻O管還具有接觸式布置于第一電極與第二電極之間的層布置 (Schichtanordnung)，其中該層布置在從第一電極向第二電極的方向上相繼具有鐵電材料 制成的層(也稱作"鐵電層"）和介電材料制成的電絕緣層(也稱作"介電層"或"絕緣體層"）。 介電材料制成的層被構(gòu)造成具有帶電雜質(zhì)巧巧rsteilen)(即，在介電材料制成的層中存在 帶電雜質(zhì)）。鐵電材料可W是例如多鐵性(multiferroisches)材料。
[0011] 介電層優(yōu)選直接接觸式布置在鐵電層上。例如可W設(shè)計(jì)成:所述層布置由鐵電層 及介電層組成。
[0012] 根據(jù)一種實(shí)施方式，所述層布置還另外具有滲雜半導(dǎo)體材料制成的層(也稱作"半 導(dǎo)體層"或"半導(dǎo)電層"）。根據(jù)該實(shí)施方式，介電層布置于鐵電層與半導(dǎo)電層之間，因此，所 述層布置在從第一電極向第二電極的方向上相繼具有鐵電材料制成的層、介電材料制成的 層、和滲雜半導(dǎo)體材料制成的層?？蒞特別設(shè)計(jì)成:所述層布置由鐵電層、介電層和半導(dǎo)電 層組成。
[0013] 所述層布置借助所述兩個(gè)電極而進(jìn)行電接觸，其中第一電極接觸式布置于所述層 布置的一邊緣層上，并且第二電極接觸式布置于所述層布置的另一邊緣層上。因此，依據(jù)所 述層布置的配置，可W例如設(shè)計(jì)成:第一電極接觸式布置于鐵電層上，并且第二電極(在不 存在半導(dǎo)電層的情況下）布置于介電層上或（在存在半導(dǎo)電層的情況下）布置于半導(dǎo)電層 上。第一電極也稱作前電極、頂電極或前觸頭。第二電極也稱作對(duì)向電極、底電極、對(duì)向觸頭 或底觸頭。
[0014] 通過(guò)在運(yùn)兩個(gè)電極之間施加電壓，能夠影響鐵電材料自發(fā)極化的方向。施加的電 壓在經(jīng)過(guò)鐵電層時(shí)會(huì)發(fā)生下降，倘若該下降引起的電場(chǎng)大于鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng) (Koerz出yfelds賭ke)，則根據(jù)該電場(chǎng)的方向進(jìn)行基本上完整的極化定向，其中鐵電材料 的極化可W通過(guò)所施加電壓的換極(Umpolen)而換極。運(yùn)種足W超過(guò)鐵電層之矯頑場(chǎng)強(qiáng)的 電壓在下文中也稱作切換電壓或?qū)戨妷骸?br>[0015] 經(jīng)證實(shí)，變?nèi)荻O管的電容或電容特性隨著運(yùn)種切換電壓的量值(其中切換電壓 的量值始終足W超過(guò)鐵電層之矯頑場(chǎng)強(qiáng))和極性而發(fā)生非易失性變化，亦即借助于運(yùn)種切 換電壓的暫時(shí)的或長(zhǎng)時(shí)的施加，對(duì)取決于該切換電壓之量值和極性的值或狀態(tài)連續(xù)可調(diào)。
[0016] 據(jù)目前所知，例如在鐵電層中存在的極化會(huì)影響到郵鄰的介電層中的帶電雜質(zhì)， 其中運(yùn)種雜質(zhì)根據(jù)其電荷(量值及符號(hào))在電荷重屯、的相應(yīng)變化下?lián)Q位(umpositionied) (例如轉(zhuǎn)向和/或轉(zhuǎn)移）。因此，例如介電層中帶電雜質(zhì)的電荷重屯、在第一極化方向的呈現(xiàn)時(shí) 具有相比在第二極化方向的呈現(xiàn)時(shí)不同的位置，其中電荷重屯、的運(yùn)種變化伴隨變?nèi)荻O管 的電容或電容特性的變化（即，電容二極管在鐵電層之兩個(gè)極化方向的呈現(xiàn)時(shí)具有不同的 電容-電壓特性曲線）。對(duì)此，替代地或另外地，電容特性不僅經(jīng)由所施加電壓之極性的變化 而發(fā)生變化，而且也經(jīng)由所施加電壓之量值的變化而發(fā)生變化。
[0017] 因此，根據(jù)本發(fā)明的變?nèi)荻O管可W通過(guò)不同切換電壓的（臨時(shí)性或持續(xù)性)施 加一一其中切換電壓在量值和/或極性方面有所不同一一從而非易失性地處于電容或電容 特性各不相同的不同切換狀態(tài)。在此情形下，運(yùn)種切換電壓的量值卻始終大到足W超過(guò)所 述鐵電層的矯頑場(chǎng)強(qiáng)（即，切換電壓的量值大到使得:在對(duì)變?nèi)荻O管的電極加載切換電壓 時(shí)，因電壓經(jīng)過(guò)鐵電層發(fā)生壓降而引起的電場(chǎng)大于鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)）。
[0018] 特別地，變?nèi)荻O管可W通過(guò)第一切換電壓的施加而處于第一切換狀態(tài)，通過(guò)第 二切換電壓的施加而處于第二切換狀態(tài)，其中第一及第二切換電壓的量值至少大到使得在 鐵電材料制成的層中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，并且其中第一切換電壓相比第二切換電壓 具有不同的量值和/或不同的極性。
[0019] 據(jù)此，根據(jù)本發(fā)明的變?nèi)荻O管可W例如通過(guò)第一極性的第一切換電壓的施加而 處于第一切換狀態(tài)，并且通過(guò)第二極性的第二切換電壓的施加而處于第二切換狀態(tài)，其中 第二極性反向于第一極性，并且其中第一及第二切換電壓的量值至少大到使得在鐵電材料 制成的層中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)。第一及第二切換電壓也稱作第一或第二寫電壓。
[0020] 在此情形下，相應(yīng)的直流電壓脈沖足W使鐵電材料的極化發(fā)生換極，即無(wú)持續(xù)施 加的電壓。在兩個(gè)電極上施加外部直流電壓之后，鐵電層的極化狀態(tài)得W穩(wěn)定，原因是:不 會(huì)有漏電流流過(guò)作為絕緣體層起效的介電層，因而不會(huì)削減極化電荷。
[0021] 在存在半導(dǎo)電層的情況下，變?nèi)荻O管的總電容還通過(guò)半導(dǎo)電層的空間電荷區(qū)的 電容來(lái)確定，其中該電容分量可W特別取決于射到半導(dǎo)電材料上的福射。
[0022] 變?nèi)荻O管的電容特性隨其切換狀態(tài)發(fā)生變化，其中例如變?nèi)荻O管在第一切換 狀態(tài)中或從第一切換狀態(tài)出發(fā)相比在第二切換狀態(tài)中或從第二切換狀態(tài)出發(fā)具有不同的 電容-電壓特性曲線(CV特性曲線）。在直流電壓V下變?nèi)荻O管的電容C可W采取已知方式 借助于在兩個(gè)電極上施加直流電壓V并在直流電壓V上疊加小幅值的交流電壓Va。進(jìn)行測(cè)定， 其中CV特性曲線借助于持續(xù)施加直流電壓V進(jìn)行測(cè)定。
[0023] 特別地，帶有可選的半導(dǎo)電層的變?nèi)荻O管的CV特性曲線具有最低點(diǎn)，其中該最 低點(diǎn)的位置隨變?nèi)荻O管的切換狀態(tài)發(fā)生變化。故而，例如在給定第一及第二切換狀態(tài)的 情況下，CV特性曲線在第一切換狀態(tài)中或從第一切換狀態(tài)出發(fā)具有最低點(diǎn)Ml = (Ul,min; Cl,min),并且在第二切換狀態(tài)中或從第二切換狀態(tài)出發(fā)具有最低點(diǎn)M2=化2,min;C2,min),其中 Ui,min為各最低點(diǎn)的直流電壓值且Ci,min為各最低點(diǎn)的電容值(i = 1，2 )。在此情形下，電壓值 Ul,min及化,min在量值上基本小于第一及第二切換電壓（即，在電壓Ul,min及化,min下，經(jīng)過(guò)鐵電 層導(dǎo)致的壓降不足W超過(guò)矯頑場(chǎng)強(qiáng)）。
[0024] 由于變?nèi)荻O管在其電容特性的變化下可W借助于直流電壓脈沖在不同切換狀 態(tài)之間來(lái)回切換，其中由于功能用作絕緣體的介電層無(wú)需電流來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，故而變?nèi)荻O 管的電容能夠W極小的能耗得到調(diào)節(jié)。由于借助于介電層抑制了漏電流，運(yùn)從而避免鐵電 層的極化電荷產(chǎn)生削減，因此所設(shè)的切換狀態(tài)在時(shí)間上穩(wěn)定，即非易失。
[0025] 根據(jù)一種實(shí)施方式，所述介電層的厚度為至少5nm，優(yōu)選至少50加1。通過(guò)介電層的 運(yùn)種厚度，有效抑制電流流經(jīng)該層。此外，通過(guò)運(yùn)種足夠厚的厚度，確保在測(cè)量技術(shù)方面可 穩(wěn)妥檢測(cè)到電荷重屯、的轉(zhuǎn)移(或由此伴隨發(fā)生的電容變化）。
[0026] 鐵電層在極化狀態(tài)下（即在施加矯頑場(chǎng)強(qiáng)后），在其界面或邊緣面上具有取決于材 料的極化表面電荷密度（即每單位面積的極化電荷）。介電層具有預(yù)定體電荷密度（即每單 位體積的電荷)的帶電雜質(zhì)。
[0027] 根據(jù)一種實(shí)施方式，鐵電層及介電層的材料和厚度選取成使得:介電層的體電荷 密度與厚度之乘積的量值至多等于鐵電層的極化表面電荷密度的量值。由此，介電層中的 電荷重屯、能夠依據(jù)鐵電層的極化狀態(tài)發(fā)生尤其顯著的變化。
[0028] 特別是可W設(shè)計(jì)成，鐵電層及介電層的厚度(及材料)與第一或第二切換電壓配合 成使得鐵電層在第一或第二切換電壓施加于其界面上之后具有第一或第二極化表面電荷 密度(其中運(yùn)兩種表面電荷密度可W是相同的），并且其中介電層的厚度被調(diào)節(jié)成使得介電 層的體電荷密度與厚度之乘積在量值上至多等于第一和第二極化表面電荷密度的兩個(gè)值 中的較小值。
[0029] 作為具有在IR-VIS-UV光譜區(qū)間內(nèi)的電子帶隙的半導(dǎo)體材料，可W采用例如娃 (Si)、錯(cuò)(Ge)、神化嫁(GaAs)、氮化嫁(GaN)、憐化嫁(GaP)、碳化娃(SiC)、蹄化鋒(ZnTe)及氧 化鋒(ZnO)。電子帶隙在室溫下對(duì)于娃為1. lOeV，對(duì)于錯(cuò)為0.75eV，對(duì)于神化嫁為1.43eV，對(duì) 于氮化嫁為3.37eV，對(duì)于憐化嫁為2.26eV，對(duì)于碳化娃為2.39-2.33eV，對(duì)于蹄化鋒為 2.40eV，W及對(duì)于氧化鋒為3.37eV。
[0030] 作為介電材料(在本文中也稱作絕緣體），可W采用例如具有比二氧化娃(Si〇2)的 靜態(tài)介電常數(shù)更小的靜態(tài)介電常數(shù)的低k絕緣體。低k絕緣體包括例如氨娃酸鹽類 (胖曰33日'31：(^;1!'-5;[13日3911；[0皿]1)、聚酷亞胺。〇15^1111(1日）及硅膠（5;[1;[。日旨日1日）。靜態(tài)介電常 數(shù)對(duì)于氨娃酸鹽類為2.9-3.1，對(duì)于聚酷亞胺為3.1-3.4，W及對(duì)于硅膠為2.0-2.5。
[0031] 還可W設(shè)計(jì)成，使用例如二氧化娃(Si〇2)、氮化娃(Si3N4)、氮氧化娃(SiOxNy)及氧 化侶(Ah化)或其組合作為具有中等靜態(tài)介電常數(shù)的電介體或絕緣體。靜態(tài)介電常數(shù)對(duì)于二 氧化娃為3.8，對(duì)于氮化娃為5.5-9.4，對(duì)于氮氧化娃為3.9-7.0，W及對(duì)于氧化侶為7.6- 8.6。
[0032] 作為具有中等靜態(tài)介電常數(shù)的其它絕緣體，可W設(shè)計(jì)成使用例如氧化給化f〇2)、 氧化粗(Ta地5)及二氧化鐵(Ti〇2)或其組合。靜態(tài)介電常數(shù)對(duì)于氧化給為25,對(duì)于氧化粗為 24-28，W及對(duì)于二氧化鐵為50-100。
[0033] 作為鐵電材料，可W設(shè)計(jì)成使用例如鐵酸祕(mì)(BiFe〇3)、儘酸錠(YMn〇3)和/或儘酸祕(mì) (BiMn化）。在鐵電體居里溫度之上，鐵電材料是壓電性材料并失去其極化狀態(tài)。鐵電體居里 溫度(極化電荷)在Bi化〇3情況下為1100K(90-95yC/cm2)，在YMn〇3情況下為913K-1270K(1化 C/cm2)，W及在BiMn〇3情況下為 105K(9yC/cm2)。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，變?nèi)荻O管的不同切換狀態(tài)功能用作（fungieren)不同 的存儲(chǔ)器狀態(tài)。因此，例如第一及第二切換狀態(tài)可W功能用作二進(jìn)制的存儲(chǔ)器狀態(tài)。據(jù)此， 本發(fā)明提供一種用于存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器裝置或存儲(chǔ)器，其中該存儲(chǔ)器裝置具有一個(gè)或多個(gè) 根據(jù)前述實(shí)施方案所述的變?nèi)荻O管作為存儲(chǔ)器元件。
[0035] 該存儲(chǔ)器裝置可W特別地構(gòu)造成使得:通過(guò)其在第一與第二電極之間可施加不同 的寫電壓，其中不同的寫電壓在量值和/或極性方面有所不同，從而使變?nèi)荻O管借助于不 同的寫電壓的施加而處于相屬的（zugeh6rige)不同的存儲(chǔ)器狀態(tài)中。在此情形下，每種寫 電壓的量值都至少大到使得在鐵電材料制成的層中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)。
[0036] 據(jù)此，該存儲(chǔ)器裝置可W被構(gòu)造成使得:通過(guò)其在第一電極與第二電極之間可施 加至少第一及第二寫電壓，其中第一與第二寫電壓的量值至少大到使得在鐵電材料制成的 層中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，并且其中第一寫電壓相比第二寫電壓具有不同的量值和/ 或不同的極性，從而使得變?nèi)荻O管可借助于第一寫電壓的施加而處于具有第一電容特性 的功能用作第一存儲(chǔ)器狀態(tài)的第一切換狀態(tài)，并可借助于第二寫電壓的施加而處于具有第 二電容特性的功能用作第二存儲(chǔ)器狀態(tài)的第二切換狀態(tài)。
[0037] 優(yōu)選地，第一寫電壓的極性反向于第二寫電壓的極性，從而使得變?nèi)荻O管在由 此得到的兩種存儲(chǔ)器狀態(tài)中具有鐵電層的反向極化。
[0038] 然而還可W設(shè)計(jì)成，該存儲(chǔ)器裝置被構(gòu)造成使得:通過(guò)極性相同、但電壓量值不同 的寫電壓，實(shí)現(xiàn)多種不同的存儲(chǔ)器狀態(tài)。特別是可W設(shè)計(jì)成，第一及第二寫電壓具有相同的 極性和不同的電壓量值。
[0039] 另外還可W設(shè)計(jì)成兩個(gè)W上不同的寫電壓，從而使得變?nèi)荻O管借助存儲(chǔ)器裝置 而能夠處于兩個(gè)W上的存儲(chǔ)器狀態(tài)中，并由此能夠功能用作多重電容式 (multikapazitives)存儲(chǔ)器元件。
[0040] 該存儲(chǔ)器裝置可W進(jìn)一步被構(gòu)造成使得:借助于對(duì)變?nèi)荻O管的電容的檢測(cè)，由 其無(wú)電流地可檢測(cè)或可讀取變?nèi)荻O管的存儲(chǔ)器狀態(tài)。
[0041] 舉例而言，如前所述的變?nèi)荻O管的電容-電壓特性曲線在第一切換狀態(tài)或第一 存儲(chǔ)器狀態(tài)中在第一最低點(diǎn)直流電壓化,min下具有最低點(diǎn)，并且在第二切換狀態(tài)或第二存儲(chǔ) 器狀態(tài)中在第二最低點(diǎn)直流電壓化,min下具有最低點(diǎn)，其中存儲(chǔ)器裝置可W被構(gòu)造成用于檢 測(cè)在該第一或第二最低點(diǎn)直流電壓時(shí)變?nèi)荻O管的電容。由于在化,min或化,min下對(duì)該存儲(chǔ) 器狀態(tài)進(jìn)行讀取，讀取所需的能耗能夠被保持在較低水平，此外還確保了變?nèi)荻O管的切 換狀態(tài)不受讀取的影響（因?yàn)樵谧x電壓化,min或化,min下，鐵電層中的電場(chǎng)明顯小于矯頑場(chǎng) 強(qiáng))。
[0042] 該存儲(chǔ)器裝置為了借助于上述機(jī)制進(jìn)行變?nèi)荻O管的寫入和/或讀取，可W具有 例如控制單元。控制單元可W構(gòu)造成例如用于變?nèi)荻O管的寫入，方法是借助于向變?nèi)荻?極管的電極加載第一或第二寫電壓，從而使得變?nèi)荻O管能夠借助于控制單元而確切地處 于第一或第二切換狀態(tài)。
[0043] 控制單元還可W構(gòu)造用于變?nèi)荻O管（的切換狀態(tài)或存儲(chǔ)器狀態(tài))的讀取，方法是 借助于檢測(cè)二極管的電容特性或電容并且將檢測(cè)到的電容指配給各切換狀態(tài)。在此情形 下，優(yōu)選在化,min或化,min作為讀電壓的情況下檢測(cè)電容，即借助于在兩個(gè)電極上施加值為 化,min或化,min的直流電壓并在該直流電壓上疊加小幅值的交流電壓Vac(其中交流電壓的幅 值尤其要小到使得由所施加的直流電壓及交流電壓所產(chǎn)生的總幅值不足W超過(guò)鐵電體的 矯頑場(chǎng)強(qiáng)）。
[0044] 變?nèi)荻O管的電容特性會(huì)受到射于其上的福射的影響，因此，通過(guò)對(duì)當(dāng)前電容特 性的檢測(cè)，可W推斷出福射的情況。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，據(jù)此提供一種用于檢測(cè)福射的檢測(cè)器，該檢測(cè)器具有一 個(gè)或多個(gè)根據(jù)前述實(shí)施方案所述的變?nèi)荻O管作為檢測(cè)器元件或測(cè)量變量拾取器。在此， 福射可W由粒子福射或電磁福射發(fā)出。
[0046] 所述檢測(cè)器可W(例如借助于相應(yīng)構(gòu)造的控制單元)被構(gòu)造成使得:可由其在第一 與第二電極之間施加切換電壓，其中該切換電壓的量值至少大到使得在兩個(gè)電極上施加切 換電壓時(shí)在鐵電材料制成的層中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，如此使得變?nèi)荻O管借助于切 換電壓的施加而處于具有特定電容特性的預(yù)定切換狀態(tài)。
[0047] 所述檢測(cè)器可W構(gòu)造用于檢測(cè)變?nèi)荻O管的電容或電容特性并且基于檢測(cè)到的 電容或電容特性來(lái)表征福射。檢測(cè)二極管的當(dāng)前電容特性可W類似于上述處理方法來(lái)進(jìn) 行。所述表征可w例如借助于將檢測(cè)到的電容特性與一個(gè)或多個(gè)作為基準(zhǔn)保存的基準(zhǔn)特性 做對(duì)比來(lái)進(jìn)行。
[004引運(yùn)樣就能例如確定，變?nèi)荻O管的CV特性曲線的最低點(diǎn)Ml=化,min;Cl,min)或M2 = (化,min;C2,min)的位置隨著射到變?nèi)荻O管上的電磁福射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度而變化。此外，變?nèi)?二極管的CV特性曲線的最低點(diǎn)Ml =化,min;Cl,min)或M2=(U2,min;C2,min)的位置隨著射到變?nèi)?二極管上的粒子的類型、能量及數(shù)目而變化。因此，所述檢測(cè)器(例如借助于控制單元)可W 被構(gòu)造成使得:基于檢測(cè)到的電容特性，特別是基于變?nèi)荻O管的CV特性曲線的最低點(diǎn)的 位置，由其來(lái)表征射到變?nèi)荻O管上的波福射或粒子福射。可W特別設(shè)計(jì)成，所述檢測(cè)器或 控制單元被構(gòu)造成使得：由其對(duì)變?nèi)荻O管的CV特性曲線的最低點(diǎn)的位置進(jìn)行檢測(cè)，并且 基于檢測(cè)到的最低點(diǎn)位置，由其檢測(cè)出射到變?nèi)荻O管上的電磁福射的波長(zhǎng)和/或強(qiáng)度。
[0049] 作為另一示例，針對(duì)電磁福射的預(yù)定波長(zhǎng)λ，電容-電壓特性曲線的最低點(diǎn)的電壓 值Ul,min或化,min恒定，然而其中隨著福射強(qiáng)度漸增，各最低點(diǎn)的電容值(Cl,min或C2,min)轉(zhuǎn)移到 更大的值。因此，針對(duì)預(yù)定的波長(zhǎng)，可W借助于對(duì)CV特性曲線的最低點(diǎn)的電容值的檢測(cè)，從 而檢測(cè)福射強(qiáng)度。對(duì)此，可W例如設(shè)計(jì)成，為變?nèi)荻O管前置濾譜器，用于濾出預(yù)定的波長(zhǎng)。
[0050] 因此，無(wú)論是將變?nèi)荻O管用作存儲(chǔ)器元件還是用作檢測(cè)器元件，都只進(jìn)行電容 式的無(wú)電流測(cè)量，運(yùn)與電流測(cè)量相比，能夠明顯減少能耗且明顯縮短存取時(shí)間，并且能夠降 低工作所需的冷卻功率。
[0051] 所述存儲(chǔ)器裝置和檢測(cè)器可W具有呈交叉陣列（Crossbar-Array)的多個(gè)根據(jù)本 發(fā)明的變?nèi)荻O管。交叉陣列代表半導(dǎo)體技術(shù)中的一種新型元器件架構(gòu)，并且可W用作在 功能層的正面及背面上的結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電觸頭。在交叉陣列中，結(jié)構(gòu)化的或完全扁平的功能層 嵌入在交叉陣列之間。倘若想要讀取某個(gè)單元格的電容，則在交叉點(diǎn)處形成單元格的兩條 導(dǎo)體軌跡上施加測(cè)試頻率fa。的讀電壓。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的另外一方面，還提供一種用于制備根據(jù)前述實(shí)施方式之一的變?nèi)荻?極管的方法。根據(jù)該方法，首先在室溫下將鐵電材料W非晶相涂覆于介電層上(例如借助于 磁控瓣射或借助于脈沖激光等離子體沉積），隨后借助于光能輸入(例如借助于閃光燈或激 光)進(jìn)行再結(jié)晶。由此，在電介體中和酌情在半導(dǎo)體材料中的熱輸入(Wiirmee虹tag)可W 保持在較低水平，并且可W避免損傷。
[0053] 可W設(shè)計(jì)成，在涂覆鐵電材料之前將介電層進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，從而使得在涂覆所 述鐵電材料時(shí)，涂敷層同樣被相應(yīng)地結(jié)構(gòu)化。此外，還可W設(shè)計(jì)成，在涂覆鐵電材料之前增 加介電層中的帶電雜質(zhì)的數(shù)目，例如在交叉陣列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)處借助于離子注入，從而使 得不同交叉點(diǎn)的電容-電壓特性曲線同樣呈現(xiàn)出相應(yīng)的不同。
[0054] 根據(jù)本發(fā)明的變?nèi)荻O管由此可W例如具有電極-鐵電體-電介體-電極結(jié)構(gòu)形式 的多層系統(tǒng)，其中變?nèi)荻O管具有非易失性且福射敏感的電容。在電介體與第二電極之間 優(yōu)選另外布置有半導(dǎo)體材料，因此在下文中僅詳細(xì)闡明存在半導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)。介電層或絕 緣體層特別構(gòu)造為在絕緣體中具有大量帶電雜質(zhì)的厚絕緣體層，在電極與絕緣體之間的鐵 電層用于使絕緣體中的帶電雜質(zhì)在空間上穩(wěn)定和定位。
[0055] 在電極-鐵電體-絕緣體-半導(dǎo)體-電極結(jié)構(gòu)上施加外部電壓之后，鐵電層的極化狀 態(tài)穩(wěn)定，原因是無(wú)漏電流流過(guò)厚的絕緣體層從而不會(huì)削減極化電荷。電極-鐵電體-絕緣體- 半導(dǎo)體-電極結(jié)構(gòu)的CV特性曲線在無(wú)福射和有福射的情況下都可量化，原因是絕緣體中的 帶電雜質(zhì)的電荷重屯、依據(jù)鐵電層的極化狀態(tài)是穩(wěn)定的。
[0056] 切換電壓或?qū)戨妷菏硅F電層極化并且使絕緣體中的電荷重屯、發(fā)生變化并穩(wěn)定。在 施加讀電壓后，通過(guò)對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量，從而從變?nèi)荻O管的平帶區(qū)的區(qū)域中讀取信息。存儲(chǔ) 器狀態(tài)，即鐵電層的極化狀態(tài)及由此決定的穩(wěn)定的電荷重屯、的位置，在讀電壓下通過(guò)電容 的測(cè)量后不發(fā)生變化。
[0057] 該布置可W用作為存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的電容式存儲(chǔ)器和作為電容式福射檢測(cè)器。該 布置可W例如使用至少一個(gè)透電磁波和/或透粒子的電極情況下在受到電磁波和/或粒子 福射時(shí)用作對(duì)于該福射的檢測(cè)器。射到該布置上的電磁波主要改變絕緣體內(nèi)雜質(zhì)的占位及 半導(dǎo)體中滲雜原子的占位。射到該布置上的粒子可W改變鐵電層的極化狀態(tài)、絕緣體層中 雜質(zhì)的濃度和/或分布W及半導(dǎo)體的滲雜性。作為用途，可W設(shè)計(jì)為例如非易失性光電容傳 感器、光檢測(cè)器及CCD/CM0S傳感器、鐵電存儲(chǔ)器及粒子檢測(cè)器。
[0058] 所述技術(shù)相對(duì)于例如常規(guī)的CCD傳感器的優(yōu)勢(shì)在于，例如，（a)將非易失性電容作 為直接讀出的參數(shù)，而并非電荷或電流(從而可W例如W約1000為系數(shù)進(jìn)行更快的讀取且 W約1000為系數(shù)實(shí)現(xiàn)更低的能耗）；（b)讀出參數(shù)與波長(zhǎng)和強(qiáng)度具有相關(guān)性，由此與使用濾 色器的當(dāng)前需要相比，敏感度更高且干擾更??；（C)能夠同時(shí)在每一個(gè)檢測(cè)器單元格上獨(dú)立 讀取電容，而并非一系列逐行讀取，由此提高讀取速度；W及(d)通過(guò)沉積非晶相鐵電材料 (例如Bi化化)并隨后進(jìn)行再結(jié)晶（例如借助于閃光燈退火工藝)而簡(jiǎn)單制備鐵電層。
[0059] 下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例闡明本發(fā)明，其中相同或相似的特征配有相同的附圖標(biāo) 記;在此示意地圖示出：
[0060] 圖la和圖lb示出在施加量值不足W超過(guò)矯頑場(chǎng)強(qiáng)的電壓VI情況下具有非易失性 且福射敏感性電容的多層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)；
[0061] 圖2a和圖化示出在施加量值足W超過(guò)矯頑場(chǎng)強(qiáng)的電壓+V2后的多層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和 狀態(tài)；
[0062] 圖3a和圖3b示出在施加量值足W超過(guò)矯頑場(chǎng)強(qiáng)的電壓-V2后的多層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和 狀態(tài)；
[0063] 圖4曰、圖4bl、圖4b2和圖4c示出在施加電壓+V2、+V2j及-V2、-V2j后的多層系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)和狀態(tài)W及各自相屬的電容-電壓特性曲線；
[0064] 圖5a、圖化1、圖加2和圖5c示出多層系統(tǒng)的電容在具有電容最低點(diǎn)Ml和M2的電壓 點(diǎn)上的穩(wěn)定性；
[0065] 圖6曰、圖6b和圖6c示出在電磁波福射下施加電壓+V2和-V2時(shí)的多層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和 狀態(tài)W及相屬的電容-電壓特性曲線；
[0066] 圖7曰、圖7bl、圖7b2和圖7c示出在單色電磁波福射下多層系統(tǒng)的電容在具有電容 最低點(diǎn)Ml和M2的電壓點(diǎn)上的穩(wěn)定性；
[0067] 圖8曰、圖8b和圖8c示出在粒子福射下施加電壓+V2和-V2時(shí)的多層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和狀 態(tài)W及針對(duì)多層系統(tǒng)的正面上透粒子的電極的可能結(jié)構(gòu)方案；
[0068] 圖9曰、圖9b和圖9c示出交叉陣列結(jié)構(gòu)中的多層系統(tǒng)W及所用觸頭和鐵電材料的可 能結(jié)構(gòu)方案；
[0069] 圖10a、圖10b和圖10c示出另一種交叉陣列結(jié)構(gòu)中的多層系統(tǒng)W及所用觸頭、鐵電 材料和絕緣體的可能結(jié)構(gòu)方案；
[0070] 圖11a、圖11b和圖11c示出又一種交叉陣列結(jié)構(gòu)中的多層系統(tǒng)w及所用觸頭和鐵 電材料的可能結(jié)構(gòu)方案；W及
[0071] 圖12a、圖12b和圖12c示出再一種交叉陣列結(jié)構(gòu)中的多層系統(tǒng)W及所用觸頭、鐵電 材料和絕緣體的可能結(jié)構(gòu)方案。
[0072] 圖la和圖lb示出根據(jù)一種實(shí)施方式的多層系統(tǒng)或呈多層系統(tǒng)形式的變?nèi)荻O管1 的基本結(jié)構(gòu)。變?nèi)荻O管1具有層布置，該層布置具有鐵電材料(在此例如BiFe化)制成的層 1F、介電材料(在此例如SiN)制成的電絕緣層19、和滲雜半導(dǎo)體材料(在此例如p-Si)制成的 層15。介電層19具有帶電雜質(zhì)1C(在此例如，呈外來(lái)原子形式的帶正電雜質(zhì)，其在BiFe化層 的涂覆期間被引入SiN層中）。
[0073] 變?nèi)荻O管1還具有第一電極4及第二電極5,其中第一電極4接觸式附裝于鐵電層 1F上并且第二電極5接觸式附裝于滲雜半導(dǎo)體層15上，使得變?nèi)荻O管1在從第一電極4向 第二電極5的方向上相繼具有鐵電層1F、介電層或絕緣體層19、和滲雜半導(dǎo)體層15。
[0074] 多層系統(tǒng)的總電容由絕緣體層19的非易失性電容Cl和滲雜半導(dǎo)體15的空間電荷 區(qū)的非易失性的且取決于福射的電容Cs、Csii共同組成(其中Cs表示空間電荷區(qū)在無(wú)射入的 福射11情況下的電容，W及Csii表示空間電荷區(qū)在射入的福射11情況下的電容）。在圖中，將 電容Ci、Cs、Csn圖示為等效電路圖。
[0075] 在前觸頭4和相屬的對(duì)向觸頭5上施加電壓VI時(shí)，主要是滲雜半導(dǎo)體15的空間電荷 區(qū)的電容Cs、Csii發(fā)生變化。多層系統(tǒng)可W附裝在基底3上。
[0076] 鐵電材料也總是具有壓電性。在沒(méi)有從外部施加的電壓VI的情況下，鐵電（壓電） 材料1F中也會(huì)自發(fā)(非自發(fā))形成電極化，但運(yùn)種電極化僅局部變化。鐵電層1F在區(qū)域2F中 與前觸頭4接觸。利用自外部施加的電壓VI，在鐵電（壓電)材料1F的區(qū)域2F中自發(fā)(非自發(fā)） 形成電極化(在圖中，在鐵電層1F的區(qū)域2F中通過(guò)短劃線所示的箭頭來(lái)圖示）。基于鐵電材 料1F的區(qū)域2F中的電極化，在多層系統(tǒng)中，在鐵電（壓電)材料的區(qū)域2F中形成電場(chǎng)線7F，在 絕緣體19的區(qū)域中形成電場(chǎng)線71，并且在滲雜半導(dǎo)體15的區(qū)域中形成電場(chǎng)線7S。
[0077] 施加的電壓VI經(jīng)過(guò)鐵電層的區(qū)域2F會(huì)發(fā)生壓降，倘若由此產(chǎn)生的電場(chǎng)小于鐵電材 料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，則鐵電材料1F在區(qū)域2F內(nèi)并不會(huì)發(fā)生均勻電極化且電場(chǎng)線7F不具方向性。 在運(yùn)種情況下，在鐵電區(qū)域2F內(nèi)的電場(chǎng)7F不會(huì)影響絕緣體19中電荷1C的分布。在鐵電材料 1F的電極化電荷足夠大量的情況下，絕緣體19中電荷1C的分布雖然穩(wěn)定，但絕緣體19中電 荷1C的電荷重屯、并不會(huì)向鐵電層1F與絕緣體層19之間的界面GFI的方向轉(zhuǎn)移，也不會(huì)向絕 緣體層19與滲雜半導(dǎo)體材料15之間的界面GIS的方向轉(zhuǎn)移。
[0078] 圖la圖示無(wú)福射的情況，圖化圖示變?nèi)荻O管1被11W電磁波福射的情況。在用11W 電磁波一一其能量大于滲雜半導(dǎo)體15的電子帶隙一一福射多層系統(tǒng)時(shí)，滲雜半導(dǎo)體15的電 容從Cs變成Csii。
[0079] 圖2a示出在前觸頭4上施加正電壓+V2時(shí)的多層系統(tǒng)，其中因施加的電壓+V2在經(jīng) 過(guò)鐵電層1F的區(qū)域2即寸下降所引起的電場(chǎng)(通過(guò)電壓的量值的相應(yīng)調(diào)節(jié))大于鐵電材料的 矯頑場(chǎng)強(qiáng)，使得鐵電材料1F在區(qū)域2F內(nèi)發(fā)生均勻電極化且電場(chǎng)線7F全部呈現(xiàn)相同的方向。 在運(yùn)種情況下，鐵電材料1F的區(qū)域2F內(nèi)的電場(chǎng)7F影響絕緣體19中電荷1C的分布。在根據(jù)圖 2a的示例中，通過(guò)W正極在第一電極4上并且負(fù)極在第二電極5上來(lái)施加電壓+V2,正電荷1C 向絕緣體層19與滲雜半導(dǎo)體材料15之間的界面GIS的方向轉(zhuǎn)移，運(yùn)種轉(zhuǎn)移伴隨著相屬的電 荷重屯、的相應(yīng)轉(zhuǎn)移。介電層19中帶電雜質(zhì)的電荷重屯、的轉(zhuǎn)移在圖中用介電層19旁左側(cè)所示 的箭頭來(lái)圖示。在鐵電材料1F的電極化電荷足夠大量的情況下，絕緣體19中帶電雜質(zhì)1C的 定位穩(wěn)定。只要從外部施加的電壓VI未改變鐵電材料1F的區(qū)域2F內(nèi)的電極化，絕緣體19中 帶電雜質(zhì)1C的定位就會(huì)一直保持穩(wěn)定。
[0080] 圖化圖示出，在施加電壓+V2之后，在用11W電磁波一一其能量大于滲雜半導(dǎo)體15 的電子帶隙一一對(duì)多層系統(tǒng)進(jìn)行福射時(shí)，帶電雜質(zhì)1C的電荷重屯、向界面GIS的方向轉(zhuǎn)移，并 且滲雜半導(dǎo)體15的電容從Cs變成Csii。
[0081] 圖3a示出在前觸頭4上施加負(fù)電壓-V2時(shí)的多層系統(tǒng)，其中因施加的電壓-V2在經(jīng) 過(guò)區(qū)域2即寸下降所引起的電場(chǎng)大于鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，W致鐵電材料1F在區(qū)域2F內(nèi)發(fā)生 均勻電極化且電場(chǎng)線7F全部呈現(xiàn)相同的方向。在運(yùn)種情況下，鐵電材料1F的區(qū)域2F內(nèi)的電 場(chǎng)7F影響絕緣體19中帶電雜質(zhì)1C的定位。在根據(jù)圖3a的示例中，通過(guò)W負(fù)極在第一電極4上 并且正極在第二電極5上來(lái)施加電壓-V2,正電荷1C向鐵電層1F與絕緣體層19之間的界面 GFI的方向轉(zhuǎn)移。在鐵電材料1F的電極化電荷足夠大量的情況下，絕緣體19中電荷1C的分布 穩(wěn)定。只要從外部施加的電壓VI未改變鐵電材料1F的區(qū)域2F內(nèi)的電極化，絕緣體19中電荷 1C的分布就會(huì)一直保持穩(wěn)定。
[0082] 圖3b圖示出，在施加電壓-V2之后，在用11W電磁波一一其能量大于滲雜半導(dǎo)體15 的電子帶隙一一對(duì)帶有向界面GFI方向轉(zhuǎn)移的電荷1C的多層系統(tǒng)進(jìn)行福射時(shí)，滲雜半導(dǎo)體 15的電容從Cs變成Csii。
[0083] 圖4bl示出依據(jù)從外部所施加電壓V的起始點(diǎn)，多層系統(tǒng)在無(wú)福射情況下的兩條不 同的電容-電壓(CV)特性曲線。為了檢測(cè)在電壓V下的電容C，向該多層系統(tǒng)的電極加載直流 電壓V并且向該直流電壓疊加交流電壓Vac,從系統(tǒng)的響應(yīng)中通過(guò)已知方式確定電容。
[0084] 倘若最初在正面觸頭4與背面觸頭5之間施加負(fù)電壓-V2(圖3a和圖4a)，舉例而言， 正電荷1C向絕緣體層19與區(qū)域1F和/或區(qū)域2F之間的界面GFI的方向轉(zhuǎn)移并且平帶電壓 (Flaclibandspannung)小于絕緣體19中電荷1C均勻分布情況下的平帶電壓。相應(yīng)的CV曲線 具有巧低點(diǎn)Ml二化1,min ; Cl,min)。
[0085] 倘若最初在正面觸頭4與背面觸頭5之間施加正電壓+V2(圖2a和圖4c)，舉例而言， 正電荷1C向絕緣體層19與滲雜半導(dǎo)體材料15之間的界面GIS的方向轉(zhuǎn)移并且平帶電壓大于 絕緣體19中電荷1C均勻分布情況下的平帶電壓。相應(yīng)的CV曲線具有最低點(diǎn)M2=(U2,min; C2,min) 〇
[0086] 鐵電材料的電極化電荷越多、絕緣體19中電荷IC的濃度越大、W及絕緣體19越厚， 則對(duì)于絕緣體19中電荷1C運(yùn)兩種可能的極限分布的平帶電壓的差異就越大。在該圖中，絕 緣體層19的厚度為例如50nm，由此確?？煽康碾娊^緣性和帶電雜質(zhì)1C的電荷重屯、的可有效 檢測(cè)的幾何轉(zhuǎn)移。此外，鐵電層1F及介電層19的厚度選取成使得:帶電雜質(zhì)1C的體電荷密度 與介電層19的厚度之乘積在量值上至多等于鐵電層1F在極化狀態(tài)下的極化表面電荷密度， 由此能夠?qū)崿F(xiàn)介電層19中的帶電雜質(zhì)1C的電荷重屯、依據(jù)鐵電層1F的極化狀態(tài)而發(fā)生顯著 變化。
[0087] 圖4b2示出變?nèi)荻O管1針對(duì)多個(gè)不同切換電壓-V2j(其中j = l，2,3,4)的CV特性 曲線，所述多個(gè)切換電壓雖具有同一極性但具有不同的電壓量值，同時(shí)示出針對(duì)切換電壓+ V2的CV特性曲線，該切換電壓+V2具有與切換電壓-V2如目反的極性。如圖可見，針對(duì)切換電 壓-V2 j的CV特性曲線具有相互之間明確區(qū)分的最低點(diǎn)Ml j，而針對(duì)切換電壓+V2的CV特性曲 線則具有最低點(diǎn)M2。
[008引圖5a至圖5c示出，如何通過(guò)一次性地(einmaliges)施加幅值-V2(圖5a)或幅值+V2 (圖5c)的電壓脈沖，該電壓脈沖超過(guò)鐵電層1F的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，從而對(duì)絕緣體19中電荷1C的兩 種可能的極限分布進(jìn)行調(diào)整。運(yùn)種電壓脈沖在下文中稱作切換電壓或?qū)戨妷篣write。圖化1示 出，在施加具有較小值的直流電壓(DC電壓)化,min或化,min時(shí)，在該電壓下CV曲線具有最低點(diǎn) Ml或最低點(diǎn)M2，多層系統(tǒng)的電容沒(méi)有變化。
[0089] 舉例而言，倘若施加寫電壓脈沖-V2,則多層系統(tǒng)的CV曲線具有最低點(diǎn)Ml，并且W 最低點(diǎn)Ml的讀電壓Uread = Ul,min所讀出的電容小于W最低點(diǎn)M2的讀電壓Uread =化,min所讀出 的電容。與之相反，倘若施加寫電壓脈沖+V2,則多層系統(tǒng)的CV曲線具有最低點(diǎn)M2,并且W最 低點(diǎn)M2的讀電壓Uread =化,min所讀出的電容小于W最低點(diǎn)Ml的讀電壓Uread =化,min所讀出的 電容。圖5b2示出，絕緣體19中電荷1C的兩種可能的極限分布均W非易失的方式來(lái)調(diào)節(jié)，并 且在施加讀電壓后時(shí)間標(biāo)度超過(guò)300分鐘后依然沒(méi)有發(fā)生變化。
[0090] 因此，變?nèi)荻O管1能夠借助于第一切換電壓-V2的施加而處于穩(wěn)定的第一切換狀 態(tài)，并且借助于第二切換電壓+V2的施加而處于穩(wěn)定的第二切換狀態(tài)，其中運(yùn)兩種切換狀態(tài) 具有不同的電容特性。切換電壓也稱作寫電壓。
[0091] 據(jù)此，變?nèi)荻O管1能夠例如功能用作用于存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的存儲(chǔ)器元件，其中第 一及第二切換狀態(tài)功能用作第一或第二存儲(chǔ)器狀態(tài)，并且其中存儲(chǔ)器狀態(tài)的讀取可W借助 于在電壓化,min或化,min下檢測(cè)變?nèi)荻O管的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0092] 圖6a至圖6c圖示出針對(duì)入射福射的不同波長(zhǎng)、依據(jù)從外部施加的電壓V的起始點(diǎn)， 多層系統(tǒng)在11W電磁波的福射下處于第一及第二切換狀態(tài)時(shí)的電容-電壓(CV)特性曲線。倘 若最初在正面觸頭4與背面觸頭5之間施加負(fù)電壓-V2(圖6a)，舉例而言，正電荷1C向鐵電層 1F與絕緣體層19之間的界面GFI的方向轉(zhuǎn)移，并且平帶電壓小于絕緣體19中電荷1C均勻分 布情況下的平帶電壓。相應(yīng)的CV曲線具有最低點(diǎn)Ml，并且該最低點(diǎn)的位置取決于所用光的 波長(zhǎng)Μ圖化）。
[0093] 倘若最初在正面觸頭4與背面觸頭5之間施加正電壓+V2(圖6c)，舉例而言，正電荷 1C向絕緣體層19與滲雜半導(dǎo)體材料15之間的界面GIS的方向轉(zhuǎn)移，并且平帶電壓大于絕緣 體19中電荷1C均勻分布情況下的平帶電壓。相應(yīng)的CV曲線具有最低點(diǎn)M2,并且該最低點(diǎn)的 位置取決于所用光的波長(zhǎng)λ(圖6b)。
[0094] 舉例而言，在采用BiFe化作為鐵電材料、SiN作為帶正電荷帶電雜質(zhì)的形式）的 絕緣體、W及P型娃作為半導(dǎo)體材料的情況下，在強(qiáng)度相等但波長(zhǎng)λ不等的單色光福射下，最 低點(diǎn)Ml及最低點(diǎn)M2隨波長(zhǎng)λ的增加而向更小的電壓值轉(zhuǎn)移（圖化）。作為另一示例，在采用 BiFe化作為鐵電材料、SiN作為帶正電荷的絕緣體、W及Ρ型娃作為半導(dǎo)體材料的情況下，在 強(qiáng)度不等但波長(zhǎng)λ相等的單色光福射下，最低點(diǎn)Ml及最低點(diǎn)M2處、在電壓值化,min或化,min保 持等同時(shí)電容值Cl,min或C2,min隨強(qiáng)度增加而向更大值轉(zhuǎn)移（圖中未示）。在最低點(diǎn)Ml及最低 點(diǎn)M2處的電容值可W通過(guò)光強(qiáng)度的變化從而在最小電容值(無(wú)福射)與最大可能的電容值 (飽和福射)之間的值域內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0095] 為了更好地檢測(cè)福射，可W例如配置待檢測(cè)福射可穿透的頂電極4和/或?qū)ο螂姌O 5。
[0096] 圖7a至圖7c示出，如何在單色光(在此，波長(zhǎng)λ = 300皿)及恒定的光強(qiáng)度的福射下， 通過(guò)一次性地施加幅值-V2 (圖7a)或幅值+V2 (圖7c)的電壓脈沖從而對(duì)絕緣體19中電荷1C 的兩種可能的極限分布進(jìn)行調(diào)節(jié)。該電壓脈沖又稱作寫電壓Uwrite。圖7bl示出，在施加具有 小值的直流電壓化,min或化,min時(shí)，此時(shí)CV曲線在λ = 300ηπ?的福射下具有最低點(diǎn)Ml或最低點(diǎn) M2,多層系統(tǒng)的電容沒(méi)有變化。舉例而言，倘若施加寫電壓脈沖-V2,則多層系統(tǒng)的CV曲線具 有最低點(diǎn)Ml，并且W最低點(diǎn)Ml的讀電壓Uread =化,min所讀出的電容小于W最低點(diǎn)M2的讀電壓 Uread =化,min所讀出的電容。舉例而言，倘若施加寫電壓脈沖+V2，則多層系統(tǒng)的CV曲線具有 最低點(diǎn)M2,并且W最低點(diǎn)M2的讀電壓Uread = U2,min所讀出的電容小于W最低點(diǎn)Ml的讀電壓 Uread = Ul,min所讀出的電容。圖7b2示出，同樣在λ=300ηπι的福射下，絕緣體19中電荷1C的兩 種可能的極限分布均W非易失方式得W調(diào)節(jié)，并且通過(guò)讀電壓的施加在時(shí)間標(biāo)度超過(guò)300 分鐘上沒(méi)有發(fā)生變化。
[0097] 圖8a至圖8c示出具有粒子可穿透的頂觸頭4(圖8b)的多層系統(tǒng)。通過(guò)施加幅值-V2 (圖8a)或幅值+V2 (圖8c)的寫脈沖IWite，再次對(duì)絕緣體19中電荷IC的兩種可能的極限分布 進(jìn)行調(diào)節(jié)。絕緣體19中電荷1C在粒子11T福射下的每一項(xiàng)變化一一例如數(shù)目、電荷狀態(tài)和/ 或分布一一影響變?nèi)荻O管1的多層系統(tǒng)的運(yùn)兩條可區(qū)分的電容-電壓曲線。
[0098] 帶電粒子可W在鐵電材料2F的電場(chǎng)7F中被加速或減速。此外，絕緣體中雜質(zhì)1C的 電荷重屯、的位置會(huì)通過(guò)在絕緣體中額外的帶電粒子的引入而受影響。舉例而言，可W在絕 緣體上涂敷鐵電層1F之前通過(guò)離子注入從而將稀±離子引入絕緣體中。倘若待檢測(cè)的粒子 改變稀±離子的電荷狀態(tài)，則絕緣體19中電荷1C的極限分布也被改變。
[0099] 據(jù)此，變?nèi)荻O管1可W例如功能用作用于檢測(cè)射于其上的福射的檢測(cè)器元件，其 中該檢測(cè)器元件借助于第一切換電壓-V2或第二切換電壓+V2的加載而可處于特定狀態(tài)，并 且其中，借助于檢測(cè)和評(píng)估當(dāng)前的電容特性(例如CV特性曲線的最低點(diǎn)的位置），可表征射 于變?nèi)荻O管上的福射。
[0100] 如果對(duì)頂觸頭4W及底觸頭5實(shí)施結(jié)構(gòu)化，則多層系統(tǒng)絕緣體中的電荷1C的控制在 局部達(dá)成。圖9至圖12各示出具有結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電表面觸頭4及相屬的呈90°旋轉(zhuǎn)對(duì)置的對(duì)向觸 頭5的交叉陣列。根據(jù)本發(fā)明的交叉陣列的定義布置的優(yōu)點(diǎn)在于，可W在每一交叉點(diǎn)上同時(shí) 局部讀取非易失性的且對(duì)福射敏感的電容。
[0101] 所示的布置各包括半導(dǎo)體15、絕緣體19、及鐵電層1F。鐵電層1F可W通過(guò)薄層生長(zhǎng) 例如借助于磁控瓣射或借助于脈沖激光等離子體沉積在350°C至1000°C之間的生長(zhǎng)溫度下 進(jìn)行制備。而優(yōu)點(diǎn)在于，鐵電層1F在室溫下借助于磁控瓣射或借助于脈沖激光等離子體沉 積W非晶相進(jìn)行制備，并且隨后借助于FLA(閃光燈退火)在毫秒的時(shí)間標(biāo)度上進(jìn)行再結(jié)晶。 由此，進(jìn)入滲雜半導(dǎo)體及基底3中的熱輸入被顯著減少。在半導(dǎo)體上附裝背面電極5,在鐵電 層上附裝正面電極4。絕緣體19包含大量帶電雜質(zhì)1C。絕緣體的厚度為至少Inm。絕緣體的厚 度優(yōu)選在50皿和500皿之間的范圍中。鐵電層1F可W通過(guò)在正面電極4與背面電極5之間電 壓的施加而被電極化，使得:正（負(fù)）極化電荷在鐵電層與半導(dǎo)體之間的界面上形成，并且負(fù) (正)極化電荷在鐵電層與絕緣體之間形成。鐵電層中的極化電荷引起帶電雜質(zhì)1C的漂移。 漂移雜質(zhì)的電荷重屯、是穩(wěn)定的。該電荷重屯、針對(duì)鐵電層的兩種極化狀態(tài)而不同。整個(gè)布置 的電容-電壓曲線(C-V)類似于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的C-V曲線并且取決于絕緣體中電 荷重屯、的位置。在鐵電層與介電層之間的界面GFI內(nèi)和在介電層與半導(dǎo)電層之間的界面GIS 內(nèi)的雜質(zhì)的電荷狀態(tài)在變?nèi)荻O管中是穩(wěn)定的。在被稱作金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的平帶 電壓的電壓區(qū)間內(nèi)，兩條電容-電壓曲線之間的差異極大。在聚積和反轉(zhuǎn)(Akkumulation und Inversion)的電壓區(qū)間內(nèi)，該兩條C-V曲線的值接近。
[0102] 根據(jù)該示例，變?nèi)荻O管的多層系統(tǒng)具有：由電極、作為鐵電體的BiFe化、作為電 介體的SiN、作為滲雜半導(dǎo)體的p-Si、電極組成的材料順序。然而，例如還可W設(shè)計(jì)成，取代 作為鐵電體的BWe化，采用ΥΜη化作為鐵電體。電極可W例如由侶或金組成;特別是可W設(shè)計(jì) 成，第一電極由侶組成并且第二電極由金組成。
[0103] 圖中所示的布置可W用作用于存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的電容器。寫電壓使鐵電層極化并 且使絕緣體中的兩個(gè)電荷重屯、之一穩(wěn)定。在施加讀電壓后，信息通過(guò)測(cè)量電容而從平帶區(qū) 的區(qū)域中讀取。存儲(chǔ)器狀態(tài)，即鐵電層的極化狀態(tài)W及穩(wěn)定化的電荷重屯、的位置，通過(guò)在讀 電壓下電容的測(cè)量而不被變化。
[0104] 圖中所示的布置還可W例如在使用至少一個(gè)透電磁波和/或透粒子的電極4,5的 情況下，在受到電磁波和/或粒子福射時(shí)用作用于檢測(cè)該福射的檢測(cè)器。在單色照明下，在 電磁波的波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，C-V曲線的電壓值化,min和化,min發(fā)生變化，在運(yùn)兩個(gè)電壓下兩條 C-V曲線分別出現(xiàn)最低點(diǎn)。在波長(zhǎng)保持等同時(shí)，提高光強(qiáng)度，則C-V曲線在電壓值化,min或 化,min下的電容Cl,min或C2,min的值增大，在運(yùn)兩個(gè)電壓下兩條C-V曲線分別出現(xiàn)最低點(diǎn)，而各 最低點(diǎn)處的電壓值不發(fā)生變化。射到該布置上的粒子不僅可W改變鐵電層的極化狀態(tài)、絕 緣體層中雜質(zhì)的濃度和分布，而且還改變半導(dǎo)體的滲雜性。有利的是，鐵電層的極化狀態(tài)通 過(guò)粒子福射而發(fā)生改變。通過(guò)重復(fù)的寫脈沖，鐵電層的極化可W在粒子檢測(cè)后重新建立。
[0105] 在布置作為單像素時(shí)有利的是，例如，光電容的變化對(duì)應(yīng)于光譜響應(yīng)并且在照明 強(qiáng)度恒定的情況下與標(biāo)準(zhǔn)CCD相比較下僅取決于電磁波的波長(zhǎng)，而并不取決于信號(hào)整合時(shí) 間(在標(biāo)準(zhǔn)CCD中光生電荷的累積和照明布置的光電容的測(cè)量）。
[0106] 在布置呈像素陣列時(shí)有利的是，例如，可W在高達(dá)數(shù)兆赫(MHz)的測(cè)試頻率下實(shí)現(xiàn) 同時(shí)讀取每一像素的光電容。由此，每分鐘可W采集高達(dá)1百萬(wàn)至1千萬(wàn)的圖像(而在標(biāo)準(zhǔn) CCD中逐行讀取光生電荷限制能讀取信息所用的頻率）。由于每個(gè)像素都與相鄰像素具有可 隔離性，因此在光電容的并行讀取時(shí)布置的橫向分辨率大于標(biāo)準(zhǔn)CCD的橫向分辨率(特別是 由于像素陣列的一行中的像素?zé)o需電連接）。像素的光電容在關(guān)閉電磁波的福射后會(huì)重新 回到原始值，即回到像素在黑暗狀況下的光電容的值(而在標(biāo)準(zhǔn)CCD中，必須實(shí)行重置操作 才能避免累積的光生電荷溢出）。
[0107] 附圖標(biāo)記列表
[010引 1 變?nèi)荻O管
[0109] 1F 由鐵電材料制成的層
[0110] 2F 鐵電層被第一電極覆蓋的部分
[0111] 3 基底
[0112] 4 第一電極/前觸頭
[0113] 5 第二電極/對(duì)向觸頭
[0114] 7F 鐵電層中的電場(chǎng)線
[0115] 71 介電層中的電場(chǎng)線
[0116] 7S 半導(dǎo)電層中的電場(chǎng)線
[0117] 11 福射
[0118] IIW 電磁波福射
[0119] 11T 粒子福射
[0120] 15 由滲雜半導(dǎo)體材料制成的層
[0121] 19 由介電材料制成的層
[0122] 1C 介電層中的帶電雜質(zhì)
[0123] Cl 介電層的電容
[0124] Cs 半導(dǎo)電層的空間電荷區(qū)在無(wú)福射情況下的電容
[0125] Csii 半導(dǎo)電層的空間電荷區(qū)在福射情況下的電容
[01%] GFI 鐵電層與介電層之間的界面
[0127] GIS 介電層與半導(dǎo)電層之間的界面
[0128] -V2,-V2j 從外部向變?nèi)荻O管的兩個(gè)電極施加的電壓，負(fù)極在前觸頭，量 值超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，
[0129] +V2,+V2j 從外部向變?nèi)荻O管的兩個(gè)電極施加的電壓，正極在前觸頭，量 值超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，
[0130] 將電壓-V2，-V2j施加到變?nèi)荻O管的電極之后，變?nèi)荻O管的電 容電壓特性曲線的最低點(diǎn)，
[0131] M2,M2j 將電壓+V2，+V2j施加到變?nèi)荻O管的電極之后，變?nèi)荻O管的電 容電壓特性曲線的最低點(diǎn)，
[0132] Ui.Min Uij.Min 用于在電容特性曲線最低點(diǎn)Ml,Mlj處讀取電容的直流讀電壓
[0133] 化,min化j,min 用于在電容特性曲線最低點(diǎn)M2，M2j處讀取電容的直流讀電壓
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種變?nèi)荻O管(1)，具有： -第一電極(4)和第二電極(5)，以及 -接觸式布置于所述第一電極(4)與所述第二電極(5)之間的層布置，其特征在于， -所述層布置在從所述第一電極(4)向所述第二電極(5)的方向上相繼具有由鐵電材料 制成的層（1F)和由介電材料制成的電絕緣層（19)，其中，所述由介電材料制成的層（19)具 有帶電雜質(zhì)（1C)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變?nèi)荻O管，其中，所述層布置在從所述第一電極(4)向所述 第二電極(5)的方向上相繼具有所述由鐵電材料制成的層（1F)、所述由介電材料制成的層 (19)、和由摻雜半導(dǎo)體材料制成的層(15)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變?nèi)荻O管，其中，所述由介電材料制成的層（19)的厚度 為至少5nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的變?nèi)荻O管，其中，所述由鐵電材料制成的層 (1F)在極化狀態(tài)下在其界面(GFI)上具有極化表面電荷密度，其中，所述由介電材料制成的 層（19)具有在帶電雜質(zhì)（1C)上的體電荷密度，并且其中，所述由介電材料制成的層（19)的 厚度設(shè)計(jì)成使得:所述由介電材料制成的層(19)的所述厚度與所述體電荷密度之乘積在量 值上至多等于所述由鐵電材料制成的層(1F)的所述極化表面電荷密度。5. -種用于存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器裝置，具有至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的 變?nèi)荻O管（1)作為存儲(chǔ)器元件。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲(chǔ)器裝置，其中，所述存儲(chǔ)器裝置被構(gòu)造成使得由其在所述 第一電極(4)與所述第二電極(5)之間可施加至少第一寫電壓(-V2，-V2J和第二寫電壓(+ V2，+V2〇,其中，所述第一寫電壓和所述第二寫電壓的量值至少大到使得在所述由鐵電材 料制成的層（1F)中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，并且其中，所述第一寫電壓相比所述第二寫 電壓具有不同的量值和/或不同的極性，從而使得所述變?nèi)荻O管（1)借助于所述第一寫電 壓(-V2，-V2J的施加而可處于具有第一電容特性的第一存儲(chǔ)器狀態(tài)，并且借助于所述第二 寫電壓(+V2，+V2j)的施加而可處于具有第二電容特性的第二存儲(chǔ)器狀態(tài)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)器裝置，其中，所述存儲(chǔ)器裝置被構(gòu)造成使得：由其借助 于所述變?nèi)荻O管（1)的電容的檢測(cè)而可檢測(cè)所述變?nèi)荻O管的存儲(chǔ)器狀態(tài)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的存儲(chǔ)器裝置，其中，所述變?nèi)荻O管（1)的電容-電壓特性曲線 在第一切換狀態(tài)中在第一最低點(diǎn)直流電壓下具有最低點(diǎn)(Ml，Mlj)并且在第 二切換狀態(tài)中在第二最低點(diǎn)直流電壓(U 2,min)下具有最低點(diǎn)(M2)，并且其中，所述存儲(chǔ)器裝 置被構(gòu)造成用于檢測(cè)所述變?nèi)荻O管在所述第一最低點(diǎn)直流電壓或所述第二最低點(diǎn)直流 電壓下的電容。9. 一種用于檢測(cè)輻射（11)的檢測(cè)器，具有至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的 變?nèi)荻O管（1)作為檢測(cè)器元件。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的檢測(cè)器，其中，所述輻射（11)是粒子輻射（11T)或電磁輻射 (llff)〇11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的檢測(cè)器，其中，所述檢測(cè)器被構(gòu)造用于檢測(cè)所述變?nèi)荻?極管（1)的電容并基于所檢測(cè)的電容來(lái)表征所述輻射(11)。12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的檢測(cè)器，其中，所述檢測(cè)器被構(gòu)造成使得由其 在所述第一電極(4)與所述第二電極(5)之間可施加切換電壓(+V2，-V2)，其中，所述切換電 壓的量值至少大到使得在所述由鐵電材料制成的層（1F)中超過(guò)鐵電材料的矯頑場(chǎng)強(qiáng)，從而 使得所述變?nèi)荻O管（1)借助于所述切換電壓的施加而可處于具有特定電容特性的預(yù)定切 換狀態(tài)。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的檢測(cè)器，其中，所述變?nèi)荻O管的電容-電壓特性曲線在所 述預(yù)定切換狀態(tài)中具有最低點(diǎn)(M1，M2)，并且其中，所述檢測(cè)器被構(gòu)造用于基于所述最低點(diǎn) 的位置來(lái)表征輻射。14. 一種用于制備變?nèi)荻O管（1)的方法，包括下列步驟： -預(yù)備由介電材料制成的電絕緣層（19)，其中，所述由介電材料制成的層具有帶電雜質(zhì) (1C)， -在所述由介電材料制成的層(19)上，涂覆呈非晶相的由鐵電材料制成的層(1F)，以及 -借助于光能輸入，使所述由鐵電材料制成的層(1F)再結(jié)晶。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，在室溫下進(jìn)行所述由鐵電材料制成的層（1F)的 涂覆。
【文檔編號(hào)】H01L27/10GK106062954SQ201580010134
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2015年1月26日
【發(fā)明人】海德瑪麗·施密特, 伊洛娜·斯克魯帕, 斯拉沃米爾·普魯康爾, 達(dá)尼洛·比格爾, 阿格涅什卡·鮑格斯, 拉維恩·塞爾瓦拉
【申請(qǐng)人】赫姆霍茲-森德拉姆德雷斯頓-羅森多夫研究中心