專利名稱：可編程金屬化元件結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種可編程金屬化元件，它包括快離子導(dǎo)體、多個電極和形成在電極之間的快離子導(dǎo)體表面上的壓控金屬結(jié)構(gòu)(或枝晶)，本發(fā)明尤其涉及諸如電子存儲器、可編程電阻器和電容器、集成光學(xué)器件和傳感器等使用可編程金屬化元件的器件。
背景技術(shù)：
和技術(shù)問題存儲器件為了以二進制數(shù)據(jù)的形式存儲信息，在電子系統(tǒng)和計算機中使用存儲器件?？梢园堰@些存儲器件表征為各種類型，每一種類型的存儲器件都有與之相關(guān)聯(lián)的各種優(yōu)缺點。
例如，可以在個人電腦中發(fā)現(xiàn)的隨機存取存儲器(“RAM”)是一種易失性半導(dǎo)體存儲器；換句話說，如果把電源斷開或去掉，則丟失已存儲的數(shù)據(jù)。動態(tài)RAM(“DRAM”)尤其是易失性的，因為每隔數(shù)個微秒就要對它“更新”(即，再充電)，以保持已存儲的數(shù)據(jù)。只要電源保持著，則靜態(tài)RAM(“SRAM”)在一次寫入后將保持?jǐn)?shù)據(jù)；然而，一當(dāng)斷開電源，數(shù)據(jù)就丟失了。于是，在這些易失性存儲結(jié)構(gòu)中，只有在連至系統(tǒng)的電源不斷開時，才能保持信息。
CD-ROM是非易失性存儲器的一個例子。CD-ROM大得足以包含很長的音頻和視頻段；然而，只能從該存儲器讀取信息但不能向它寫入信息。于是，一當(dāng)在制造期間對CD-ROM編了程，則不能再用新的信息對其再編程。
諸如磁性存儲裝置(即，軟盤、硬盤和磁帶)等其他存儲裝置以及諸如光盤等其他系統(tǒng)是非易失性的，它們具有極大的容量，并且能夠被多次寫入。
可惜，這些存儲裝置的物理尺寸較大，對沖擊/振動敏感，需要昂貴的機械驅(qū)動裝置，以及要消耗比較大的功率。這些不利的方面使得這些存儲裝置對于諸如膝上型和掌上型電腦和個人數(shù)字助手(PDA)等低功率便攜式應(yīng)用不理想。
由于小型、低功率便攜式計算機系統(tǒng)(對于這些系統(tǒng)，已存儲在其中的信息要經(jīng)常改變)的數(shù)量迅速增加，因此已經(jīng)普遍使用讀/寫半導(dǎo)體存儲器。此外，由于這些便攜式系統(tǒng)在電源斷開時需要存儲數(shù)據(jù)，因此需要非易失性存儲器件。在這些電腦中，最簡單的可編程半導(dǎo)體非易失性存儲器件是可編程只讀存儲器(“PROM”)。最基本的PROM使用可熔斷鏈的陣列；一當(dāng)對PROM編好程，就不能對它再編程。這是寫一次讀多次(“WORM”)存儲器的一個例子。可擦PROM(“EPROM”)是可改變的，但在每次重寫之前要進行擦除步驟，該步驟包括將EPROM在紫外線下曝光。電可擦PROM(“EEPROM”或“E2PROM”)可能是傳統(tǒng)的非易失性半導(dǎo)體存儲器中最理想的，因為能夠?qū)λ鼘懚啻?。快擦寫存儲?它是另一種類型的EEPROM)具有比低密度的傳統(tǒng)的EEPROM更大的容量，但它們不耐久。EEOPROM的一個主要問題是它們固有的復(fù)雜性。在這些存儲器件中使用的浮柵存儲元件難于制造并且要使用相當(dāng)大數(shù)量的半導(dǎo)體不動產(chǎn)。還有，電路設(shè)計必須承受對器件編程所需的高電壓。這意味著與其他的數(shù)據(jù)存儲裝置相比，EEPROM存儲容量的每一位的成本極高。EEPROM的另一個缺點是，雖然不連接電源它們能保留數(shù)據(jù)，但它們需要較大數(shù)量的功率進行編程。對于由電池供電的小型便攜式系統(tǒng)而言，這種功率消耗值得考慮。
近來，對基于鐵電材料的另一種非易失性存儲器技術(shù)給予了很大的關(guān)注。可惜，仍然有大量的問題與這種數(shù)據(jù)存儲方法相關(guān)聯(lián)，這妨礙了鐵電材料的廣泛應(yīng)用，所述的各種問題包括非理想的存儲特性和制造極為困難。
因此，考慮到與上述傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲裝置相關(guān)聯(lián)的各種問題，非常需要一種讀/寫存儲器技術(shù)和器件，它既具有固有的簡單性，生產(chǎn)成本又不昂貴。還有，這種存儲器技術(shù)應(yīng)該通過在低電壓下工作同時提供高的存儲密度、非易失性和低制造成本來滿足新一代便攜式電腦裝置的要求。
可編程無源和有源元件電子電路簡直可以包括數(shù)百萬個元件。一般，把這些元件歸入兩個不同的類別，即，無源元件和有源元件。諸如電阻器和電容器等無源元件具有與之相關(guān)聯(lián)的相對恒定的電學(xué)值。另一方面，如此設(shè)計諸如晶體管等有源元件的電學(xué)值，使得當(dāng)把電壓或電流施加至控制電極時改變其值。
由于這兩種類型元件的廣泛使用，因此很希望有一種成本低的器件，它可以完成無源元件和有源元件兩者的功能。例如，很希望有這樣一種器件，通過改變其電阻和電容，它響應(yīng)于施加的信號起著有源元件的作用，而在另一個實施例中，同一個器件起著可被預(yù)編程的無源元件的作用(即，在完成編程后，器件“記住”了改變)。可以在許多種不同的應(yīng)用(從通信設(shè)備中的調(diào)諧電路到音頻系統(tǒng)的音量控制)中提供這樣的器件。光學(xué)器件近來，對于諸如用于膝上型電腦的顯示裝置、高清晰度電視(“HDTV”)、空間光調(diào)制器等等的光學(xué)器件有巨大的需求。非常需要有成本低而易于制造的器件，這些器件可用于這樣的光學(xué)裝置中，例如作為阻擋光通過光學(xué)元件的通路的快門，或者作為可以把掃描入射光束反射在或不反射在屏上或其他目標(biāo)上的鏡子。傳感器由于人們相信，例如，輻射會引起人體的皮膚癌和其他損害作用，因此，對于紫外輻射和其他形式的輻射的測量很重要。
相應(yīng)地，希望有易于制造的器件，它可在成本低的用于短波長輻射(諸如紫外輻射(10-7-10-8米)、x-射線(10-9-10-11米)和伽馬射線(10-11-10-14米))的波長傳感器或傳感器陣列中使用。結(jié)論由于諸如存儲器件、可編程電阻器和電容器器件、電光器件和傳感器等器件的廣泛使用，除了其他器件之外，還很希望有成本低和易于制造的器件，它可用在所有這些不同的應(yīng)用中。
發(fā)明概要按照本發(fā)明的一個例示的實施例，一種可編程金屬化元件(“PMC”)包括快離子導(dǎo)體(諸如硫?qū)倩?金屬離子)和至少兩個電極(例如，一個陽極和一個陰極)，所述電極包括導(dǎo)電材料，并且設(shè)置在快離子導(dǎo)體的表面，相互隔開設(shè)定的距離。這里所指的硫?qū)倩锊牧习ㄋ心切┌颉⑽?或碲的化合物。在一個較佳的實施例中，快離子導(dǎo)體包括硫?qū)倩锖廷褡寤颌蜃褰饘?最好是三硫化二砷-銀)，陽極包括銀而陰極包括鋁或其他導(dǎo)電材料。當(dāng)把電壓施加至陽極和陰極時，從陰極沿快離子導(dǎo)體的表面向陽極快速生長非易失性的金屬枝晶。枝晶的生長速率是施加的電壓和時間的函數(shù)；通過去除電壓可以停止枝晶的生長，或者通過顛倒在陽極和陰極處的電壓極性可以使枝晶向陰極縮回。枝晶長度的改變影響PMC的電阻和電容。
按照本發(fā)明的一個方面，把PMC用作存儲器件。說得詳細些，在一段時間內(nèi)，把恒定的或脈沖的偏壓施加至陰極和陽極，產(chǎn)生某一長度的枝晶。諸如電阻和電容等可測量的電參量與這個枝晶長度相關(guān)聯(lián)。在一個較佳的實施例中，模擬值或數(shù)字值都可以在器件中存儲。
按照本發(fā)明的另一個方面，把PMC用作可編程的電阻器/電容器器件，其中，通過在適當(dāng)?shù)臅r間間隔內(nèi)施加DC電壓，對特定的電阻或電容值編程。
按照本發(fā)明的又一個方面，電光器件包括具有寬度較寬的電極的PMC。當(dāng)將大電壓施加至電極時，產(chǎn)生枝晶“片”，它起著阻擋通過光學(xué)元件的光線通路的快門作用，或起著將掃描的入射光束偏轉(zhuǎn)在或不偏轉(zhuǎn)在屏上或其他目標(biāo)上的鏡子的作用。
按照本發(fā)明的又一個方面，把PMC用作短波長輻射傳感器。由于金屬枝晶的生長速率和消失速率對某些波長敏感，因此能夠把枝晶的生長速率的差異與人射輻射的強度相聯(lián)系。
附圖概述下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中

圖1A是按照本發(fā)明的一個實施例的可編程金屬化元件橫向結(jié)構(gòu)的平面圖；圖1B是沿圖1A的直線1-1取的截面圖；圖2是示出在一個例示的可編程金屬化元件中電阻和時間的關(guān)系的曲線圖；圖3是示出在一個例示的可編程金屬化元件結(jié)構(gòu)中電容和時間的關(guān)系的曲線圖；圖4A是按照本發(fā)明的另一個實施例的可編程金屬化元件豎向結(jié)構(gòu)的平面圖；圖4B是沿圖4A的直線2-2取的截面圖；圖5A是按照本發(fā)明的例示的橫向型存儲器件的平面圖；圖5B是沿圖5A的直線5-5取的截面圖；圖5C是按照本發(fā)明的另一個實施例的橫向存儲器件的截面圖；圖5D是按照本發(fā)明的又一個實施例的橫向存儲器件的截面圖；圖5E是按照本發(fā)明的再一個實施例的橫向存儲器件的截面圖；
圖6A是按照本發(fā)明的例示的豎向型存儲器件的平面圖；圖6B是沿圖6A的直線6-6取的截面圖；圖7A是按照本發(fā)明的可編程電阻/電容器件的例示實施例的平面圖；圖7B是沿圖7A的直線7-7取的截面圖；圖8A是按照本發(fā)明的另一個實施例的可編程電阻/電容器件的平面圖；圖8B是沿圖8A的直線8-8取的截面圖；圖9A是按照本發(fā)明的例示的電光器件的平面圖；圖9B是沿圖9A的直線9-9取的電光器件的截面圖；圖10A是按照本發(fā)明的例示的輻射傳感器的平面圖；圖10B是沿圖10A的直線10-10取的傳感器的截面圖；較佳的例示實施例的詳細描述1．可編程金屬化元件參看圖1A和圖1B，示出按照本發(fā)明的一個實施例的橫向或水平結(jié)構(gòu)的例示的可編程金屬化元件(“PMC”)。圖1A是PMC10的平面圖，而圖1B是沿圖3A的直線1-1取的PMC10的截面圖。PMC10包括快離子導(dǎo)體12和設(shè)置在快離子導(dǎo)體12的表面的多個電極13和14(例如，陰極13和陽極14)?？梢栽诳祀x子導(dǎo)體12的底部、在電極13和14(未示出)之上或者在這兩處可選地提供支承基片11，以對器件10給出添加的強度和剛性?；?1可以合適地包括，例如，塑料、玻璃或者半導(dǎo)體材料。
繼續(xù)參看圖1A和1B，快離子導(dǎo)體12包括固體電解質(zhì)、含金屬離子的玻璃、含金屬離子的非晶半導(dǎo)體、硫族化物-金屬離子，等等。就最廣義而言，按照本發(fā)明，硫族化物材料包括任何一種包含硫、硒和/或碲的化合物，不管它是三元、四元或是更多元的化合物。在一個較佳的實施例中，快離子導(dǎo)體12包括硫族化物-金屬離子組合，硫族化物材料是從包括砷、鍺、硒、碲、鉍、鎳、硫、釙和鋅的組中選出的(最好是硫化砷、硫化鍺或硒化鍺)，而金屬包括各種Ⅰ族或Ⅱ族金屬(最好是銀、銅、鋅或它們的組合)。硫族化物-金屬離子組合可以通過光致分解(photodissolution)、通過來自包括硫族化物和金屬的源的淀積、或者通過本領(lǐng)域中的其他已知的方法獲得。
繼續(xù)參照圖1A和1B，在一個最佳實施例中，快離子導(dǎo)體12包括三硫化二砷-銀(“As2S3-Ag”)。通過使用波長小于500納米的光照射銀薄膜和As2S3層將銀引入As2S3。如果有足夠的銀，則過程導(dǎo)致形成三元化合物，它在化學(xué)計量方面類似于礦物smithite(AgAsS2)，它是一種穩(wěn)定的非晶材料。最好在硫族化物的表面上淀積足夠的銀，以形成遍及硫族化物層的平衡相。雖然快離子導(dǎo)體12不在平衡相時PMC10可以工作，但PMC10的工作需要相當(dāng)高的電壓。
繼續(xù)參照圖1A和1B，把電極13和14相互隔開而合適地安排在快離子導(dǎo)體12的表面上，形成距離d1，它最好在數(shù)百個微米至百分之幾個微米之間。電極13和14可以包括任何導(dǎo)電材料，它將產(chǎn)生用于在快離子導(dǎo)體12中快速輸運金屬離子的電場。當(dāng)把電壓施加于電極13和14時，從電極13(即，陰極)生長出金屬枝晶15，該電極連接至電源的負極。枝晶15通過從固溶液在陰極13上析出陽離子(例如，銀離子)而生長，而陽離子的析出是由強的局部電場造成的。可以允許枝晶15橫跨快離子導(dǎo)體12的表面生長，直至它碰到相對的電極14，由此封閉了間隙而完成了電路。另外，可以在枝晶15到達陽極14之前通過去除電壓源或者在陽極之前設(shè)置物理的壁壘而使該枝晶的生長中止。只要枝晶15沒有碰到相對的電極14，通過顛倒電極13和14的電壓，可以很容易地停止其生長和使其回縮。枝晶15的長度的改變影響PMC10的電阻和電容；然后這些改變很容易用本領(lǐng)域中已知的簡單的電路檢測出來。枝晶15的另一個重要的特征是其非易失性；當(dāng)把電壓從電極13和14去除時，金屬枝晶15保持不變。
繼續(xù)參見圖1A和1B，在快離子導(dǎo)體12包括As2S3-Ag的一個較佳的實施例中，陽極14包括銀，諸如固體銀層或銀-鋁雙層；由于陽極14起著犧牲電極(sacrificial electrode)的作用，這允許在較弱的電場下有快速的枝晶生長。陰極13可以是固體銀層、鋁層或銀鋁雙層，而在某些結(jié)構(gòu)中，鋁是較好的材料。如果電極13和14包括銀(例如，純銀或鋁-銀雙層)，則枝晶15將從與電源的負側(cè)連接的電極生長；當(dāng)顛倒電壓時，先前的枝晶消失或回縮，并從相對的電極生長新的枝晶?；蛘?，如果陰極13包括鋁而陽極14包括純銀或銀-鋁雙層，則枝晶15將只從陰極13生長；當(dāng)顛倒電壓極性時，枝晶15將向陰極13回縮，而從相對的電極14將幾乎不生長枝晶。如果陽極14或者陰極13和陽極14包括鋁或另一種不消失的金屬(例如，金)，則枝晶15的生長變得極慢，并且需要高的施加電壓。
繼續(xù)參見圖1A和1B，枝晶15的生長速率是施加電壓和時間的函數(shù)。低的電壓導(dǎo)致相當(dāng)慢的生長，而較高的電壓產(chǎn)生極其快速的生長。在幾何尺寸小(即，寬度為幾個微米)的器件中，在大約0.5伏到1.0伏范圍內(nèi)的電壓產(chǎn)生單個的枝晶結(jié)構(gòu)，其生長速率大于10-3m/s，而電壓超過10伏能夠在電極13和14之間產(chǎn)生“片狀”枝晶15，而不是單個枝晶。
繼續(xù)參見圖1A和1B，可以在快離子導(dǎo)體12以及電極13和14上設(shè)置一層柔軟的聚合物(諸如聚亞酰胺或酚醛樹脂)覆蓋層(未示出)，以保護PMC10免受潮或免遭物理損壞，同時仍允許枝晶15生長。
現(xiàn)在參照圖2和3，曲線圖分別示出PMC中的電阻與時間以及電容與時間的關(guān)系。用來獲得這些結(jié)果的PMC是一個較大的器件(即，從電極至電極大約12微米)；盡管如此，這些結(jié)果提供了PMC的一般電學(xué)特性的相當(dāng)好的概貌。
具體參見圖2，曲線32表示PMC的電阻與時間之間的關(guān)系。在把任何電壓施加至PMC的電極之前，PMC的電阻大約是2.65兆歐。當(dāng)把0.7伏的小電壓作為一系列0.5秒的脈沖施加至電極時，PMC的電阻顯示出與把電壓施加至電極的時間長短成反比關(guān)系。例如，在施加電壓4.5秒后，電阻值大約減小了550K歐，而到達2.1兆歐。當(dāng)使用較小的PMC器件或較大的電壓時，電阻值的改變更大。
現(xiàn)在參見圖3，曲線42示出PMC的電容與時間的關(guān)系。在施加0.7伏偏置電壓大約0.5秒后，PMC器件有大約0.45皮法的電容。當(dāng)把0.7伏的電壓作為一系列0.5秒的脈沖施加至電極時，在4.5秒后，PMC的電容迅速增加至大約0.9皮法。如果使用較小的PMC器件或施加較大的電壓，則電容增加得更多。
現(xiàn)在參見圖4A和4B，它們描述了按照本發(fā)明的另一個實施例的豎向結(jié)構(gòu)的PMC20。雖然圖1A和1B的橫向結(jié)構(gòu)便于制造并且相關(guān)聯(lián)的制造成本較低，但豎向結(jié)構(gòu)的好處是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊得多的器件。圖4A是豎向結(jié)構(gòu)的PMC20的平面圖，而圖4B是沿圖4A的直線2-2取的PMC20的截面圖。
繼續(xù)參見圖4A和4B，使電極23(例如，陰極)和電極24(例如，陽極)在平行的平面內(nèi)相互隔開。把快離子導(dǎo)體22設(shè)置在(或者說夾在)電極23和24之間。當(dāng)把電壓施加至陰極23時，枝晶25從陰極23沿快離子導(dǎo)體22的表面向陽極24生長。在一個較佳的實施例中，在鄰近電極24或23之處設(shè)置支承基片21，以支承PMC并對其提供剛性。Ⅱ．金屬枝晶存儲器如上所述，可以在各種不同的技術(shù)中使用PMC。這些應(yīng)用之一是在存儲器件中。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5A和5B，它們示出了橫向或水平結(jié)構(gòu)的例示的存儲器元件或金屬枝晶存儲器(“MDM”)元件50。圖5A是MDM50的平面圖，而圖5是沿圖5A的直線5-5取的MDM50的截面圖。在所描述的這個實施例中，MDM50包括基片51，它對存儲器元件或器件提供物理的支承。如果基片51是不絕緣的或者與MDM50中使用的材料不相容，則可以在基片51上設(shè)置絕緣層56以使MDM50的有源部分與基片51絕緣。其次，在基片51上(或者在絕緣層56上，如果使用它的話)形成快離子導(dǎo)體52。對于快離子導(dǎo)體52適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以對可以與元件50相鄰的存儲器元件或器件提供隔離?？祀x子導(dǎo)體52的尺寸(例如，長度、寬度和厚度)將部分地確定MDM50的電學(xué)特性。例如，如果快離子導(dǎo)體52較薄，并且其長度大于其寬度，則MDM50的電阻值將要比如果快離子導(dǎo)體52較厚，并且其寬度大于其長度時的電阻值大。
繼續(xù)參見圖5A和5B，把電極材料淀積在快離子導(dǎo)體52上，并且適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以形成電極53(例如，陰極)和電極54(例如，陽極)。當(dāng)把電壓施加至電極53和54時，枝晶55從陰極53沿快離子導(dǎo)體52的表面向陽極54生長。電極53和54的尺寸和形狀將影響器件50的電學(xué)特性。例如，如果電極53較窄，或者變?yōu)橐粋€點，則電極53周圍的電場較強，因而枝晶55的生長迅速。另一方面，如果電極53具有較寬的結(jié)構(gòu)，則在電極53處的電場較弱，因而從電極53長出的枝晶55的生長速率較慢。
繼續(xù)參見圖5A和5B，接著在器件50上淀積絕緣層59。此絕緣層防止MDM50的有源區(qū)域受到機械損壞或化學(xué)污染。然后在絕緣層59中適當(dāng)?shù)卦O(shè)置孔35，從而允許接點57和接點58分別與電極53和電極54電氣耦合。
繼續(xù)參見圖5A和5B，熟悉本領(lǐng)域的人將理解，對于構(gòu)造橫向MDM器件而言，這不是唯一可能的結(jié)構(gòu)或方法。例如，對于MDM50的另一種結(jié)構(gòu)可以包括在基片51上形成電極53和54，并且在這些電極上形成快離子導(dǎo)體52。在這種結(jié)構(gòu)中，枝晶55將沿基片51和快離子導(dǎo)體52之間的界面生長。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向考慮圖5C，在那里所示的器件與圖5A和5B的存儲器元件或金屬枝晶存儲器元件相似，但在其中設(shè)置有附加電極。具體而言，參看圖5C,MDM元件250包括支承快離子導(dǎo)體252的絕緣層/基片部分251。如具有圖5和5B的結(jié)構(gòu)的情形那樣，對于快離子導(dǎo)體252適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以提供與多個相鄰的元件或器件的隔離。接著淀積電極材料并且對其形成圖案，以形成用作陰極的電極253和用作陽極的電極254。當(dāng)把電壓施加至陰極253和陽極254時，如圖5C所示，枝晶255沿快離子導(dǎo)體252的表面向電極254生長。如具有圖5A和5B的結(jié)構(gòu)的情形那樣，提供接點257和258以分別與陰極253和陽極254接觸。此外，如圖5C所示，提供兩個附加電極260和262，它們帶有各自的接點264和266。雖然在圖5C中示出兩個電極260和262，但實際上，按照本發(fā)明的這一方面，可以提供這兩個電極中的一個或另一個或者二個都提供。
按照本實施例，在與枝晶255同一平面內(nèi)提供附加電極260和/或262，并且被如圖5C所示的材料270隔開，該材料可以是電介質(zhì)材料或電阻材料。在電介質(zhì)材料的情形下，使用圖5C的器件將在電極253和電極260之間、在電極253和電極262之間、在電極260和262之間、以及當(dāng)然在電極253和254之間呈現(xiàn)可編程電容。在各個電極之間的可編程電容通過枝晶255的生長程度來編程。
在材料270是電阻材料的情形下，根據(jù)枝晶生長的程度，器件將呈現(xiàn)相應(yīng)的可編程電阻。具體而言，在電極253和260之間、在電極253和262之間、在電極260和262之間、以及當(dāng)然在電極253和254之間存在可編程電阻。所有的電阻的大小將取決于在電極253和254之間生長的枝晶的長度。
示于圖5C的器件與示于圖5A和5B的只有兩個電極的器件相比，可以提供幾個優(yōu)點。具體而言，能夠在除了電極253和254之外的任何的電極組合之間施加直流偏置電壓，而不改變枝晶的長度，因而不改變器件的電容和/或電阻。這對于在存儲器陣列和其他電子電路中的應(yīng)用具有重要的意義。這些相同的考慮和優(yōu)點適用于三電極器件，而不是四電極器件。把枝晶生長局限于在電極253和254之間發(fā)生，而不在其他任何的電極之間發(fā)生。所以電極253和254是器件的編程端子，而其他的電極是器件的輸出端子。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向考慮圖5D，該圖以截面圖示出類似于圖5C器件的器件，但在枝晶平面的上方(而不是在同一平面內(nèi))提供附加電極。如圖5D所示，MDM元件350包括支承快離子導(dǎo)體352的絕緣層/基片部分351。如在具有圖5A、5B和5C的結(jié)構(gòu)的情形那樣，對快離子導(dǎo)體352適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以提供與多個相鄰的元件或器件的隔離。接著淀積電極材料并對其形成圖案，以形成用作陰極的電極353和用作陽極的電極354。當(dāng)把電壓施加至陰極353和陽極354時，枝晶355沿快離子導(dǎo)體352的表面向電極354生長。分別提供接觸陰極353和陽極354的接點357和358。此外，能夠提供一個或兩個附加電極，這些電極360之一示于圖5D，它位于枝晶355的平面的上方，并具有接點364。按照本實施例，附加電極360被示于圖5D的材料隔開，該材料可以是電介質(zhì)材料或電阻材料。在電介質(zhì)材料的情形下，示于圖5D的器件在電極353和電極360之間、在所示的電極360和快離子導(dǎo)體(未示出)下方的另一個電極362(如果有的話)之間、在電極360和電極354之間、以及當(dāng)然在電極353和354之間將呈現(xiàn)可編程電容。在各個電極之間的可編程電容根據(jù)枝晶355的生長程度編程。
在材料370是電阻材料的情形下，根據(jù)枝晶生長的程度，器件將呈現(xiàn)相應(yīng)的可編程電阻。具體而言，在電極353和360之間、在電極453和362(如果有的話)之間、在電極360和362(如果有的話)之間、以及當(dāng)然在電極353和354之間存在可編程電阻。所有電阻的大小將取決于在電極353和354之間生長的枝晶的長度。
如圖5C的器件那樣，示于圖5D的器件與圖5A和5B的只有兩個電極的器件相比能夠提供幾個優(yōu)點。具體而言，能夠在除了電極353和354之外的任何的電極組合之間施加直流偏置電壓，而不改變枝晶的長度，因而不改變器件的電容和/或電阻。這對于在存儲器陣列和其他電子電路的應(yīng)用中使用器件具有重要的意義。這些相同的考慮和優(yōu)點適用于三電極器件以及四電極器件。把枝晶生長局限于在電極353和354之間發(fā)生，而不在其他任何的電極之間發(fā)生。所以電極353和354是器件的編程端子，而其他的電極是器件的輸出端子。
現(xiàn)在參看圖5E，該圖示出類似于圖5D的器件的器件，但其中在枝晶平面下方的平面中提供附加電極。在圖5E中，MDM元件450包括支承快離子導(dǎo)體452的絕緣層/基片部分451。如在以前的實施例中那樣，對快離子導(dǎo)體452適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以提供與多個相鄰的元件或器件的隔離。接著淀積電極材料并且對其形成圖案，以形成用作陰極的電極453和用作陽極的電極454。當(dāng)把電壓施加至陰極453和陽極454時，枝晶455沿快離子導(dǎo)體452的表面向電極454生長。分別提供接觸陰極453和陽極454的接點457和458。此外，能夠提供一個或兩個附加電極，這些電極460之一示于圖5E，它位于枝晶455的平面的下方。在圖5E中沒有具體示出至電極460的電氣接點，但如熟悉本領(lǐng)域的人所知道的那樣，通過貫穿基片451和絕緣層456的絕緣或隔離的通孔，或者通過從相對的方向(即，通過部分470，它可以是電介質(zhì)材料或電阻材料)延伸入電極460的適當(dāng)?shù)慕^緣或隔離的通孔，能夠適當(dāng)?shù)刈鞒鲞@個接點。在電介質(zhì)材料的情形下，示于圖5E的器件在電極453和電極460之間、在所示的電極460和快離子導(dǎo)體上方的另一個電極462(未示出，并且如果有的話)之間、在電極460和電極454之間、以及當(dāng)然在電極453和454之間將呈現(xiàn)可編程電容。在各個電極之間的可編程電容根據(jù)枝晶455的生長程度編程。
在材料470是電阻材料的情形下，根據(jù)枝晶生長的程度，器件將呈現(xiàn)相應(yīng)的可編程電阻。具體而言，在電極453和460之間、在電極453和462(如果有的話)之間、在電極460和462(如果有的話)之間、以及當(dāng)然在電極453和454之間存在可編程電阻。所有電阻的大小將取決于在電極453和454之間生長的枝晶的長度。
如圖5C和5D的器件那樣，示于圖5E的器件與圖5A和5B的只有兩個電極的器件相比能夠提供幾個優(yōu)點。具體而言，能夠在除了電極453和454之外的任何的電極組合之間施加直流偏置電壓，而不改變枝晶的長度，因而不改變器件的電容和/或電阻。這對于在存儲器陣列和其他電子電路的應(yīng)用中使用器件具有重要的意義。這些相同的考慮和優(yōu)點適用于三電極器件以及四電極器件。把枝晶生長局限于在電極453和454之間發(fā)生，而不在其他任何的電極之間發(fā)生。所以電極453和454是器件的編程端子，而其他的電極是器件的輸出端子。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖6A和6B，它們示出豎向結(jié)構(gòu)的MDM60的例示的實施例。圖6A是MDM60的平面圖，而圖6B是沿圖6A的直線6-6取的截面圖。
繼續(xù)參見圖6A和6B,MDM60包括為存儲器元件或器件提供物理支承的基片61，以及(如果合適)絕緣層68，用以使基片61與MDM60的有源部分絕緣。
繼續(xù)參見圖6A和6B，在絕緣層68上形成電極63。接著，在電極63的一部分上淀積絕緣層66和形成圖案，并使用本領(lǐng)域中已知的處理技術(shù)以形成通孔69。通孔69起著容納MDM60的有源區(qū)域的作用。接著，使用傳統(tǒng)的技術(shù)在通孔69內(nèi)淀積快離子導(dǎo)體62，從而由通孔69的頂部向下延伸至電極63，在那里它被電耦合。此后，使用通孔填充物67(諸如不妨礙枝晶生長的柔軟的絕緣材料)來填充通孔69的未填充的部分，以保護通孔并且防止通孔69被上覆層或材料填充。
繼續(xù)參看圖6A和6B，接著形成電極64，從而至少使電極64的一部分與快離子導(dǎo)體62電氣接觸。電極64最好形成在與由電極63形成的平面平行的平面上，并且成直角。藉助于絕緣層66使電極64避免與電極63直接電氣接觸。當(dāng)把電壓施加至電極63和64時，枝晶65在快離子導(dǎo)體62的表面上并且沿通孔69的內(nèi)部豎向生長，枝晶65從陰極(例如，電極63)向陽極(例如，電極64)延伸。
繼續(xù)參看圖6A和6B,MDM60的豎向結(jié)構(gòu)要比圖5A和5B的水平結(jié)構(gòu)的MDM緊湊得多，因此可以將它看成“高密度”結(jié)構(gòu)，因為在單位面積上可以制造出更多的MDM元件。例如，采用豎直的方式，可以把多個交替的陽極和陰極層加以層疊，并將快離子導(dǎo)體插在其間，以極大地增加存儲容量。采用單個的豎向結(jié)構(gòu)，存儲密度可以超過25Mb/cm2，而采用陽極-陰極-陽極結(jié)構(gòu)，這些密度還要加倍。在這樣的結(jié)構(gòu)中，最大存儲密度受到列譯碼器電路和行譯碼器電路的尺寸和復(fù)雜性的限制。然而，如果把MDM存儲疊層制造在集成電路上，則可把整個半導(dǎo)體芯片的面積用于行/列譯碼器電路、讀出放大器以及數(shù)據(jù)管理電路，因為MDM元件將不使用任何的硅不動產(chǎn)。這將使存儲密度達到許多個Gb/cm2。以這種方式使用，MDM基本上是一種增添技術(shù)，它將容量和功能添加至現(xiàn)有的硅集成電路技術(shù)。圖5和6的例示的MDM代表了與傳統(tǒng)的基于硅的微電子學(xué)的顯著的背離。對于MDM的工作不需要硅，除非把控制電子電路合并在同一塊芯片上。還有，MDM的整個制造過程與即使是最基本的半導(dǎo)體處理技術(shù)相比也要簡單得多。由于處理技術(shù)簡單以及材料成本適中，因此MDM以遠低于其他存儲器器件的生產(chǎn)成本提供存儲器器件。
1．PROM和反熔斷絲應(yīng)用繼續(xù)參看圖5和6，能夠把MDM50和60用作PROM型的存儲器器件。大多數(shù)當(dāng)前的PROM使用可熔斷鏈，它們在編程期間被破壞或燒斷。一旦鏈被破壞，就不能對它進行修改。本發(fā)明的MDM提供了形成連接的能力，而不是破壞連接。由于這樣能給出更大的余地和靈活性，因此更合乎需要；例如，即使形成了一根錯誤的鏈(即，枝晶)，總能把這根鏈象一根傳統(tǒng)的熔斷絲那樣燒斷。還有，MDM的枝晶能夠經(jīng)受多次形成/破壞循環(huán)；于是，可以作多次再編程循環(huán)。
也可將本發(fā)明的MDM用于可編程邏輯陣列(“PLA”)。在PLA中，形成諸如門或加法器等邏輯元件的塊，但未連接。形成連接以適合特殊的數(shù)量不大的應(yīng)用(例如，定制芯片設(shè)計被證明是不合算的應(yīng)用)。按照傳統(tǒng)的做法，不同的邏輯元件之間的最終連接是在生產(chǎn)廠形成的。然而，本發(fā)明的MDM將允許對這些PLA器件進行“現(xiàn)場編程”，因為比較容易用金屬枝晶以電的方式確定芯片上各部分之間的硬連接。
在使用冗余技術(shù)的集成電路中也可發(fā)現(xiàn)反熔斷絲，以對付由處理引起的缺陷和使用中的故障。例如，諸如64兆字節(jié)DRAM等復(fù)雜的高密度的電路，其芯片裝有比實際使用的存儲器更多的存儲器。如果在處理期間芯片的一部分被損壞或在工作時失效，則使備用的存儲器在線以作補償。典型地，這一過程由在存儲器芯片上的邏輯門進行控制，并需要不斷進行自測和電再配置?？梢园寻凑毡景l(fā)明的MDM合并在這樣的存儲器芯片中，以在需要時在芯片內(nèi)適當(dāng)?shù)匦纬尚碌倪B接。
按照本發(fā)明，用施加恒定的或脈沖的偏置電壓至MDM的電極以促使枝晶生長的辦法把數(shù)據(jù)寫至PROM構(gòu)造的MDM(“MDM-PROM”)。允許金屬枝晶到達陽極，由此形成低阻反熔斷絲連接。此連接改變了存儲器系統(tǒng)的電阻和電容。于是，藉助于以小電流(即，小得破壞不了枝晶的電流)通過枝晶連接，可以容易地“讀取”MDM-PROM存儲器元件。藉助于以大電流通過枝晶，從而破壞枝晶和斷開連接，完成對MDM-PROM的“擦除”。如果在MDM的相對的電極之間還有足夠的金屬離子材料，則以后可以生長出新的枝晶作為合適的連接。
在MDM-PROM中，在用枝晶連接的兩個電極之間的電性質(zhì)的變化是如此之大，以至在MDM元件處不需要晶體管。不管采用橫向結(jié)構(gòu)的還是豎向結(jié)構(gòu)的MDM，情形都是如此。在豎向或高密度結(jié)構(gòu)中，存儲器元件的尺寸變得只是陽極/快離子導(dǎo)體/陰極的幾何形狀的函數(shù)。這個幾何形狀允許本發(fā)明的存儲器是可以獲得的最緊湊的電學(xué)式存儲裝置，它要比需要把晶體管作為存儲元件的一部分的浮柵存儲器或鐵電存儲器緊湊得多。此外，可以在化學(xué)和機械性質(zhì)實際上穩(wěn)定的襯底材料上形成橫向和豎向MDM結(jié)構(gòu)；如果附加電路需要用硅，則可就在硅襯底上形成MDM。
2．EPROM應(yīng)用繼續(xù)參看圖5和6，產(chǎn)生和控制一個電學(xué)參數(shù)(諸如電阻或電容)的非易失性改變允許本發(fā)明的MDM可以用于許多應(yīng)用中，不然的話，它們將使用傳統(tǒng)的EEPROM或FLASH技術(shù)。本發(fā)明提供的優(yōu)于現(xiàn)有的EEPROM和FLASH存儲器的優(yōu)點包括較低的生產(chǎn)成本以及使用容易適合各種應(yīng)用的柔性制造技術(shù)的能力。MDM對于成本很有關(guān)系的應(yīng)用(諸如智能卡、電子貨物標(biāo)記)特別有利。還有，在塑料卡片上直接形成存儲器的能力是在這些應(yīng)用中的主要優(yōu)點，因為對于所有其他的半導(dǎo)體存儲器而言這是不可能的。
還有，按照本發(fā)明的MDM器件，可以把存儲器元件的尺寸縮至小于數(shù)個平方微米，器件的有源部分小于一微米。這比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)具有顯著的優(yōu)點，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)中，每個器件及其相關(guān)聯(lián)的互連能夠占據(jù)數(shù)十個平方微米。
按照本發(fā)明的另一個實施例，在EEPROM構(gòu)造的MDM(“EEPROM-MDM”)中使用通過晶體管(pass transistor)，以向EEPROM器件提供DRAM型的密度?；蛘?，替代硅通過晶體管可以使用MDM器件或者分開的二極管或薄膜晶體管(“TFT”)的材料以防止在具有多個器件的陣列中的元件至元件的短路。
按照本發(fā)明，通過施加恒定的或脈沖的偏置電壓至MDM的電極以引起枝晶生長的辦法，可以向MDM-EEPROM寫入數(shù)據(jù)。枝晶的生長使器件的電阻和電容都改變，而它們都容易測量。在MDM-EEPROM中，可以靠近陽極設(shè)置絕緣勢壘(諸如氧化物壁)，以防止枝晶在施加電壓時到達陽極與陽極電氣耦合。于是通過施加小的交流信號至MDM器件(即，陽極和陰極輪換)，可以容易地“讀取”MDM-EEPROM。這個交流信號(它前后“擺動”枝晶，但不使枝晶完全生長或回縮)導(dǎo)致在低或高狀態(tài)附近的電容和電阻的動態(tài)改變。對MDM-EEPROM“重寫”或“擦除”僅僅涉及施加偏置電壓，該電壓與枝晶生長的方向相反(即，顛倒陽極和陰極)。在一個較佳的實施例中(其中，一個電極包括鋁而另一個電極包括銀)，枝晶將只從鋁電極生長出來，或者向鋁電極回縮；在回縮情形下，不從銀電極生長出新的枝晶。
由于MDM元件呈現(xiàn)很強的非易失性特性，并且由于枝晶的位置(因而電阻和電容)是施加電壓的大小和持續(xù)時間的函數(shù)，因此多狀態(tài)或n狀態(tài)邏輯存儲也是可能的。在這種存儲方案中，在每個元件中可以保持多于兩個值(即，二進制)；于是，大大地增加了總的存儲密度。例如，4狀態(tài)存儲(通過使用四個枝晶位置，這是可能的)允許對于相同的存儲元件尺寸使單位面積的存儲容量加倍。于是，按照本發(fā)明，MDM可以存儲模擬量(不是數(shù)字量)的連續(xù)統(tǒng)。在傳統(tǒng)的存儲器技術(shù)中，模擬量的存儲如果不是不可能的話那也是極為困難的。
3．軍事和航天應(yīng)用本發(fā)明具有許多特性，它們導(dǎo)致了其他潛在的使用領(lǐng)域。所有的讀/寫電子存儲器都基于電荷存儲的原理。在DRAM中，電荷只存儲幾個微秒，在EEPROM中，電荷可存儲數(shù)年?？上?，有各種過程(諸如電離輻射)能夠改變此電荷。例如，在軍事和空間應(yīng)用中，當(dāng)α粒子通過典型的半導(dǎo)體器件時，該粒子在半導(dǎo)體器件中留下改變電荷的帶電軌跡。在存儲器技術(shù)的情形下，這導(dǎo)致軟錯誤和數(shù)據(jù)訛誤。另一方面，本發(fā)明不依賴于電荷存儲，而依賴于材料的物理變化，這些材料不受比較大的輻射劑量的影響。換句話說，本發(fā)明是耐輻射的(radiation hard)。這就為軍事和空間系統(tǒng)以及許多高度完善的商業(yè)系統(tǒng)(諸如飛機和導(dǎo)航系統(tǒng))提供了顯著的優(yōu)點。
4．綜合神經(jīng)系統(tǒng)本發(fā)明的另一個應(yīng)用是在綜合神經(jīng)系統(tǒng)(“SNS”)中。SNS裝置基于人腦的工作，并且將會成為下一代的計算和控制裝置。SNS裝置依賴于在作為“學(xué)習(xí)”過程的元件之間進行連接的能力。在最活動的電路節(jié)點(即，在大多數(shù)時間內(nèi)有信號存在的那些節(jié)點)之間形成連接。通過施加輸入，對系統(tǒng)進行“訓(xùn)練”，這導(dǎo)致硬線邏輯的形式。然而，用傳統(tǒng)的基于硅的器件來達到這種類型的系統(tǒng)是極其困難的。另一方面，按照本發(fā)明，SNS系統(tǒng)包括MDM。由于枝晶的形成取決于電壓信號的存在，連接自然地在最活動的節(jié)點之間形成，因為枝晶向著加有電壓的電極生長。此外，連接的強度(受其電容的支配)將取決于輸入的強度。這種可引導(dǎo)的模擬存儲器效應(yīng)是本發(fā)明的另一個顯著的方面。Ⅲ．可編程電阻/電容器件現(xiàn)在參看圖7和8，它們示出按照本發(fā)明的一種例示的可編程電阻/電容(“PR/C”)器件。圖7A和7B分別是橫向型器件的平面和截面圖。圖8A和8B分別是按照本發(fā)明的另一個實施例的豎向型PR/C器件的平面和截面圖。
具體參看圖7A和7B，它們以橫向或水平的結(jié)構(gòu)示出一個例示的PR/C器件70。圖7A是PR/C70的平面圖，而圖7B是沿圖7A的直線5-5取的截面圖。在這個例示的實施例中，PR/C70包括為PR/C器件提供物理支承的基片71。如果基片71是不絕緣的，或者與在PR/C70使用的材料不相容，則可以在基片71上設(shè)置絕緣層76，以使PR/C70的有源部分與基片71隔離。接著，在基片71上形成(或在絕緣層76上形成，如果使用絕緣層76的話)快離子導(dǎo)體72。對快離子導(dǎo)體72適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以在相鄰的PR/C之間或其他器件之間提供隔離?？祀x子導(dǎo)體72的尺寸(例如，長度、寬度和厚度)將影響PR/C70的電學(xué)特性。例如，如果快離子導(dǎo)體72較薄，并且其長度大于其寬度，則PR/C70的電阻值將要比如果快離子導(dǎo)體72較厚，并且其寬度大于其長度時的電阻值大。
繼續(xù)參見圖7A和7B，把電極材料淀積在快離子導(dǎo)體72上，并且適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以形成電極73(例如，陰極)和電極74(例如，陽極)。當(dāng)把電壓施加至電極73和74時，枝晶75從陰極73沿快離子導(dǎo)體72的表面向陽極74生長。電極73和74的尺寸和形狀將影響器件70的特性。例如，如果電極73較窄，或者變?yōu)橐粋€點，則電場較強，因而從電極73長出枝晶75的生長迅速。另一方面，如果電極73具有較寬的結(jié)構(gòu)，則在電極73處的電場較弱，因而從電極73長出的枝晶55的生長較慢。
繼續(xù)參見圖7A和7B，接著在器件70上淀積絕緣層79。此絕緣層防止PR/C70的有源區(qū)域受到機械損壞或化學(xué)污染。然后在絕緣層79中適當(dāng)?shù)卦O(shè)置孔125，從而允許接點77和接點78分別與電極73和電極74電氣耦合。
繼續(xù)參見圖7A和7B，熟悉本領(lǐng)域的人將理解，對于構(gòu)造橫向PR/C器件而言，這不是唯一可能的結(jié)構(gòu)或方法。例如，對于PR/C70的另一種結(jié)構(gòu)包括在基片71上形成電極73和74，接著在這些電極的頂部形成快離子導(dǎo)體72。在這種情形中，枝晶75將沿基片71和快離子導(dǎo)體72之間的界面生長。
如在前面結(jié)合圖5C、5D和5E所討論的并且集中注意力在金屬枝晶存儲器(MDM)那樣，按照本發(fā)明的一些實施例的器件除了包括兩個用于對枝晶生長編程的電極之外還包括一個或數(shù)個電極，它或它們可用作器件的“輸出端”。在圖5C、5D和5D中描述了這些電極，并且可以把同樣的結(jié)構(gòu)用于在除了存儲器元件之外的范圍內(nèi)提供可編程電容和電阻元件，以及把它應(yīng)用于使用電容和電阻的任何地方。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖8A和8B，它們示出豎向結(jié)構(gòu)的PR/C80。圖8A是PR/C80的平面圖，而圖8B是沿圖8A的直線8-8取的PR/C80的截面圖。
繼續(xù)參見圖8A和8B,PR/C80包括為可編程元件或器件提供物理支承的基片81，以及(如果合適)絕緣層88，用以使基片81與PR/C80的有源部分絕緣。然后在絕緣層88上形成電極83。接著，在電極83的一部分上淀積絕緣層86并形成圖案，并使用本領(lǐng)域中已知的處理技術(shù)形成通孔89。通孔89起著容納PR/C80的有源區(qū)域的作用。接著，使用傳統(tǒng)的技術(shù)在通孔89內(nèi)淀積快離子導(dǎo)體82，從而由通孔89的頂部向下延伸至電極83，在那里它被電耦合。此后，使用通孔填充物87(諸如不妨礙枝晶生長的柔軟的絕緣材料)來填充通孔89的未填充的部分，以保護通孔89并且防止要在其上方形成的電極填充通孔89。
繼續(xù)參看圖8A和8B，接著形成覆蓋電極84，從而至少使電極84的一部分與快離子導(dǎo)體82電氣接觸。電極84最好形成在與由電極83形成的平面平行的平面上，并且成直角。藉助于絕緣層86使電極84避免與電極83直接電氣接觸。當(dāng)把電壓施加至電極83和84時，枝晶85在快離子導(dǎo)體82的表面上并且沿通孔89的內(nèi)部豎向生長，枝晶85從陰極(例如，電極83)向陽極(例如，電極84)延伸。
繼續(xù)參看圖8A和8B,PR/C80的豎向結(jié)構(gòu)要比圖7A和7B的水平結(jié)構(gòu)的PR/C緊湊得多，因此可以將它看成“高密度”結(jié)構(gòu)，因為可以在單位面積上制造出更多的PR/C元件。例如，采用豎直的方式，可以把多個交替的陽極和陰極層加以層疊，并將快離子導(dǎo)體插在其間，以極大地增加單位面積的元件數(shù)。
現(xiàn)在參看圖7和8，典型地構(gòu)造本發(fā)明的PR/C器件，從而比圖5和6的MDM器件的尺寸大些，于是可以得到較大的參數(shù)變化。使用直流電壓，對本發(fā)明的PR/C器件“編程”；因此，小信號交流電壓將不影響枝晶條件，因而電阻或電容將不變。一般，可以把這些可編程器件用作調(diào)諧電路(例如，通信系統(tǒng)中的頻率選擇、音調(diào)控制和音頻系統(tǒng)、壓控濾波電路)、壓控振蕩器(“VCO”)、信號電平(例如，音量控制)、自動增益控制(“AGC”)、等等。
繼續(xù)參看圖7和8，例示的PR/C代表與傳統(tǒng)的基于硅的微電子學(xué)的顯著背離。事實上，對于PR/C的工作甚至不需要硅。還有，總的制造過程與即使是最基本的半導(dǎo)體處理技術(shù)相比也要簡單得多。簡單的處理技術(shù)與合理的材料成本以低廉的生產(chǎn)成本提供器件。Ⅳ．電光器件按照本發(fā)明，通過在高的施加電壓下使用在寬的電極之間的寬的枝晶生長，也可把PMC器件引入電光應(yīng)用中。
現(xiàn)在參看圖9A和9B，它們示出例示的光學(xué)器件90，其中，圖9A是光學(xué)器件90的平面圖，而圖9B是沿圖9A的直線9-9取的光學(xué)器件90的截面圖。在例示的實施例中，器件90包括對光學(xué)器件提供機械支承的基片91。接著，在基片91上形成快離子導(dǎo)體92，對快離子導(dǎo)體92適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以在相鄰的元件之間或其他的器件之間提供隔離。
繼續(xù)參看圖9A和9B，接著把電極材料淀積在快離子導(dǎo)體92上，并對其適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以形成電極93(例如，陰極)和電極94(例如，陽極)。電極93和94的結(jié)構(gòu)的寬度要比圖5A和5B的水平MDM的電極的寬度寬得多。當(dāng)把一個大的電壓(即，大于5伏的電壓)施加至電極93和94時，產(chǎn)生一“片”金屬枝晶95，從陰極93沿快離子導(dǎo)體92的表面向電極94生長出枝晶95。枝晶片95可以用作快門，以阻擋通過光學(xué)元件的光線通路，或作為鏡子，以反射入射在光學(xué)器件90的背面或正面的光線。
繼續(xù)參看圖9A和9B，在枝晶95上形成透明窗99。然后分別將接點97和98電氣耦合至電極93和94。
繼續(xù)參看圖9A和9B，熟悉本領(lǐng)域的人將理解，為構(gòu)造按照本發(fā)明的電光器件，還有其他可能的結(jié)構(gòu)和方法。Ⅴ．光和短波長輻射傳感器現(xiàn)在參看圖10A和10B，它們描述一種光和短波長輻射傳感器100，其中，圖10A代表傳感器100的平面圖，而圖10B表示沿圖10A的直線10-10取的傳感器100的截面圖。
繼續(xù)參看圖10A和10B，傳感器100包括對傳感器器件提供支承的基片101。如果基片101是不絕緣的，或者與用于傳感器100中的材料不相容，則可在基片101上設(shè)置絕緣層106，以使傳感器100的有源部分和基片101隔離。接著，在基片101上形成(或者在絕緣層106上形成，如果使用該絕緣層的話)快離子導(dǎo)體102。快離子導(dǎo)體102的尺寸(例如，長度、寬度和厚度)將部分地確定傳感器100的電學(xué)特性。例如，如果快離子導(dǎo)體102較薄，并且其長度大于其寬度，則傳感器100的電阻值將要比如果快離子導(dǎo)體72較厚，并且其寬度大于其長度時的電阻值大。
繼續(xù)參見圖10A和10B，把電極材料淀積在快離子導(dǎo)體102上，并且適當(dāng)?shù)匦纬蓤D案，以形成電極103(例如，陰極)和電極104(例如，陽極)。當(dāng)把電壓施加至電極103和104時，枝晶105從陰極103沿快離子導(dǎo)體102的表面向陽極104生長。電極103和104的尺寸和形狀將影響傳感器100的特性。例如，如果電極103較窄，或者變?yōu)橐粋€點，則電場較強，因而從電極103長出的枝晶55生長迅速。另一方面，如果電極103具有較寬的結(jié)構(gòu)，則在電極103處的電場較弱，因而從電極103長出的枝晶105的生長速率較慢。
繼續(xù)參見圖10A和10B，接著在電極103和104和為枝晶105保留的區(qū)域上形成透明窗109。然后在窗109中適當(dāng)?shù)卦O(shè)置孔145，從而允許接點107和接點108分別與電極103和電極104電氣耦合。
繼續(xù)參看圖10A和10B，短波長輻射110通過窗109進入傳感器100。枝晶105的生長和回縮速率對在橙光到紫光范圍內(nèi)的可見光以及更短波長的輻射(特別是紫外輻射)敏感；枝晶105的生長速率對于低于紫外輻射的波長很不敏感。入射在透明窗109上的短波長的光110在枝晶105生長或回縮期間增加了金屬的離子化，因而縮短了枝晶105生長或回縮的時間。該時間差別可用電子裝置檢測，從而使之與入射輻射的強度相關(guān)。
繼續(xù)參看圖10A和10B，熟悉本領(lǐng)域的人將理解，對于構(gòu)造傳感器器件而言，這不是唯一可能的結(jié)構(gòu)或方法。例如，對于傳感器100的另一種結(jié)構(gòu)可以包括在基片101上形成電極103和104，然后在這些電極的頂部形成快離子導(dǎo)體102。在這種結(jié)構(gòu)中，枝晶105將沿基片101和快離子導(dǎo)體102之間的界面生長。Ⅴ．結(jié)論于是，按照本發(fā)明，得到一種成本低、容易制造的器件，它可以在各種應(yīng)用(諸如存儲器器件、可編程電阻器和電容器器件、光學(xué)器件、傳感器，等等)中使用。
雖然這里本發(fā)明是在附圖的范圍內(nèi)陳述的，但應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于所示的具體形式。例如，可以對如在這里陳述的PMC作出設(shè)計、構(gòu)造和實現(xiàn)方面的各種其他的變更、變化和提高，而不偏離在所附的權(quán)利要求書中所陳述的精神和范圍。還有，熟悉本領(lǐng)域的人將理解除了給出的具體例子之外，對于PMC器件還存在各種其他的應(yīng)用和使用。
權(quán)利要求
Ⅰ．可編程金屬化元件1．一種可編程金屬化元件，其特征在于包括由快離子導(dǎo)體材料構(gòu)成的，在其內(nèi)設(shè)有金屬離子的本體；多個淀積在所述材料本體上的導(dǎo)電電極，所述電極適合于具有施加在兩個所述電極之間的第一電壓，以在對所述兩個電極施加第一電壓時，從所述兩個電極的負電極向兩個所述電極的正電極生長金屬枝晶來對所述元件編程。2．如權(quán)利要求1所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述兩個電極適合于具有對所述兩個電極施加的，與所述第一電壓極性相反的第二電壓，以在對所述兩個電極施加所述第二電壓時，逆轉(zhuǎn)金屬枝晶的生長。3．如權(quán)利要求1所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述元件包括插在所述兩個電極之間以禁止金屬枝晶生長的電絕緣材料，從而從一個電極生長的金屬枝晶不能生長至與另一個電極接觸之處。4．如權(quán)利要求1所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體由包含金屬離子的玻璃構(gòu)成。5．如權(quán)利要求1所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體由從包括硫、硒和碲的組中選出的硫?qū)倩?金屬離子材料構(gòu)成。6．如權(quán)利要求5所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述硫?qū)倩?金屬離子材料包括從包括ⅠB族和ⅡB族金屬的組中選出的一種金屬。7．如權(quán)利要求5所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述硫?qū)倩?金屬離子材料包括從包括銀、銅和鋅的組中選出的一種金屬。8．如權(quán)利要求1所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體由包括三硫化二砷-銀的硫?qū)倩?金屬離子材料構(gòu)成。9．如權(quán)利要求1所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體包括AgAsS2。10．一種構(gòu)成可編程金屬化元件的方法，其特征在于，包括下述步驟提供由在其內(nèi)設(shè)置金屬離子的快離子導(dǎo)體材料構(gòu)成的本體；以及提供淀積在所述材料本體上的多個金屬電極。11．如權(quán)利要求10所述的對可編程金屬化元件編程的方法，其特征在于，包括這樣的附加步驟，即，在一段預(yù)定的時間內(nèi)，在所述多個電極的兩個電極之間施加第一電壓，以建立負電極和正電極，從而在施加電壓的預(yù)定時間期間，從所述負電極至正電極生長出金屬枝晶。12．如權(quán)利要求11所述的改變對可編程金屬化元件編程的方法，其特征在于，所述方法為在一段預(yù)定的時間內(nèi)施加第二電壓至所述兩個電極。13．如權(quán)利要求12所述的改變對可編程金屬化元件編程的方法，其特征在于，所述方法為施加與所述第一電壓極性相同的第二電壓，以從所述負電極至所述正電極進一步生長金屬枝晶。14．如權(quán)利要求12所述的改變對可編程金屬化元件編程的方法，其特征在于，所述方法為施加與所述第一電壓極性相反的第二電壓，以逆轉(zhuǎn)金屬枝晶的生長。15．一種具有可編程電學(xué)特性的元件，其特征在于，包括具有表面的快離子導(dǎo)體材料；設(shè)置在所述表面上的陽極；設(shè)置在所述表面上，與所述陽極隔開一設(shè)定距離的陰極；在所述表面上形成，并且電耦合至所述陰極的枝晶，所述枝晶具有確定所述元件的電學(xué)特性的長度，并且所述長度可由施加在所述陽極和所述陰極之間的電壓而改變。16．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體材料由從包括硫、硒和碲的組中選出的硫?qū)倩锊牧蠘?gòu)成。17．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體材料由從包括硫、硒和碲的組中選出的材料和從元素周期表的ⅠB族或ⅡB中選出的金屬。18．如權(quán)利要求17所述的元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體包括三硫化二砷-銀。19．如權(quán)利要求17所述的元件，其特征在于，所述陽極包括從包括銀、銅和鋅的組中選出的金屬，而所述陰極包括鋁。20．如權(quán)利要求19所述的元件，其特征在于，所述陽極包括銀-鋁雙層而所述陰極包括鋁。21．如權(quán)利要求20所述的元件，其特征在于，在所述陽極和所述陰極之間的所述設(shè)定距離在幾百個微米至百分之幾個微米之間。22．如權(quán)利要求17所述的元件，其特征在于，把所述快離子導(dǎo)體材料設(shè)置在所述陽極和所述陰極之間，所述陽極和所述陰極構(gòu)成平行平面。23．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，所述元件還包括支承基片，用于對所述元件提供強度和剛性。24．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，當(dāng)跨過所述陰極和所述陽極施加所述電壓時，所述枝晶的所述長度增加，而當(dāng)所述電壓逆轉(zhuǎn)時，所述枝晶的所述長度減少。25．如權(quán)利要求24所述的元件，其特征在于，當(dāng)所述電壓為大約0.5至1.0伏時，所述枝晶的所述長度以大于10-3m/s的速率增加或減少。26．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，當(dāng)去除所述電壓時，所述枝晶保持不變。27．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，所述元件還包括電路，用于在合適的時間間隔測量與所述枝晶的所述長度有關(guān)的電學(xué)特性。28．如權(quán)利要求15所述的元件，其特征在于，所述元件還包括在所述快離子導(dǎo)體材料、所述陽極、所述陰極和所述枝晶的至少一部分上的一層，用于防止所述元件損壞同時還允許所述枝晶的所述長度改變。29．一種構(gòu)成可編程元件的方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟提供具有表面的快離子導(dǎo)體材料；在所述表面上形成陽極；在所述表面上形成陰極，它與所述陽極隔開設(shè)定的距離；在所述表面上形成非易失性枝晶，所述枝晶電耦合至所述陰極，并且所述枝晶具有確定所述可編程元件的電學(xué)特性的長度。30．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述提供快離子導(dǎo)體材料的步驟包括提供從包括硫、硒和碲的組中選出的硫?qū)倩锖蛷脑刂芷诒淼蘑馚族或ⅡB族選出的金屬。31．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述提供快離子導(dǎo)體材料的步驟包括提供三硫化二砷-銀材料。32．如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，提供所述三硫化二砷-銀材料的步驟包括這樣的步驟，即，使用波長小于500納米的光照射銀薄膜和三硫化二砷層。33．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，形成所述陽極的所述步驟包括形成用從包括銀、銅和鋅的組中選出的材料制成的陽極，而形成所述陰極的步驟包括形成用導(dǎo)電材料制成的陰極。34．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，形成所述陰極的步驟包括在平行于所述陽極的平面內(nèi)形成所述陰極。35．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述方法還包括這樣的步驟，即，提供支承基片，以對所述可編程元件提供強度和剛性。36．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述方法還包括這樣的步驟，即，提供用于在合適的時間間隔測量與所述枝晶的所述長度有關(guān)的電學(xué)特性的電路。37．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述方法還包括這樣的步驟，即，在所述快離子導(dǎo)體材料、所述陽極、所述陰極和所述枝晶的至少一部分上提供一層，用于防止所述元件損壞同時還允許所述枝晶的所述長度改變。38．如權(quán)利要求29所述的對元件編程的方法，其特征在于，所述方法包括這樣的步驟，即，跨過所述陽極和所述陰極施加電壓，從而增加或減少所述枝晶的所述長度。39．一種可編程金屬化元件，其特征在于所述元件包括由快離子導(dǎo)體材料構(gòu)成的，在其內(nèi)設(shè)有金屬離子的本體；淀積在所述材料本體上的陰極和陽極，所述陰極和陽極適合于具有施加在它們之間的第一電壓，以在對它們施加所述第一電壓時，根據(jù)從所述陰極向所述陽極的金屬枝晶的生長來對所述元件編程，并且還包括設(shè)置在所述本體上的至少一個附加電極，用絕緣材料把所述至少一個附加電極與所述金屬枝晶和所述快離子導(dǎo)體隔離，由此在所述陰極、陽極和至少一個附加電極的任何兩個電極之間測量的電學(xué)特性根據(jù)所述金屬枝晶的生長而變化。40．如權(quán)利要求39所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體材料是從包括硫、硒和碲的組中選出的硫?qū)倩铮鼋饘匐x子是由從包括銀、銅和鋅的組中選出的金屬形成的。41．如權(quán)利要求40所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述絕緣材料包括電介質(zhì)，從而根據(jù)所述金屬枝晶的生長改變的電學(xué)特性是電容。42．如權(quán)利要求40所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述絕緣材料包括電阻材料，從而根據(jù)所述金屬枝晶的生長改變的電學(xué)特性是電阻。43．一種可編程金屬化元件，其特征在于所述元件包括由快離子導(dǎo)體材料構(gòu)成的本體，所述快離子導(dǎo)體材料由從包括硫、硒和碲的組中選出的硫?qū)倩锊牧辖M成，并且具有在所述快離子導(dǎo)體中設(shè)置的從包括銀、銅和鋅的組中選出的金屬離子；淀積在所述材料本體上的陰極和陽極，所述陰極和陽極適合于具有施加在它們之間的第一電壓，以在對它們施加所述第一電壓時，根據(jù)從所述陰極向所述陽極的金屬枝晶的生長來對所述元件編程，并且還包括在所述本體中的至少兩個附加電極，用材料把所述兩個附加電極與所述金屬枝晶和所述快離子導(dǎo)體隔離，由此在所述陰極、陽極和兩個附加電極的任何兩個電極之間測量的電學(xué)特性根據(jù)所述金屬枝晶的生長而變化。44．如權(quán)利要求43所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述絕緣材料包括電介質(zhì)，從而根據(jù)所述金屬枝晶的生長改變的電學(xué)特性是電容。45．如權(quán)利要求43所述的可編程金屬化元件，其特征在于，所述絕緣材料包括電阻材料，從而根據(jù)所述金屬枝晶的生長改變的電學(xué)特性是電阻。
Ⅱ．金屬枝晶存儲器46．一種非易失性存儲器元件，其特征在于，所述元件包括如權(quán)利要求1-9、15-28和39-45的任何一條所述的可編程金屬化元件。47．一種形成非易失性存儲器元件的方法，其特征在于，所述方法包括如權(quán)利要求10-14和29-38的任何一條所述的形成可編程金屬化元件的步驟。
Ⅲ．可編程電阻/電容器件48．一種可編程電阻元件，其特征在于，所述元件包括如權(quán)利要求1-9、15-28和39-45的任何一條所述的可編程金屬化元件。49．一種形成可編程電阻元件的方法，其特征在于，所述方法包括如權(quán)利要求10-14和29-38的任何一條所述的形成可編程金屬化元件的步驟。50．一種可編程電容元件，其特征在于，所述元件包括如權(quán)利要求1-9、15-28和39-45的任何一條所述的可編程金屬化元件。51．一種形成可編程電容元件的方法，其特征在于，所述方法包括如權(quán)利要求10-14和29-38的任何一條所述的形成可編程金屬化元件的步驟。
Ⅳ．電光器件52．一種用于在光透射模式和光阻擋或反射模式之間切換的光學(xué)器件，其特征在于，所述器件包括如權(quán)利要求1-9、15-28和39-45的任何一條所述的可編程金屬化元件，其中，施加電壓以形成金屬枝晶的的兩個電極具有較大的橫向尺寸，并且用于生長具有較大橫向尺寸的所述金屬枝晶，并且在所述器件中，所述快離子導(dǎo)體具有對某個波長的光透明的至少一部分，從而對所述枝晶的形成的編程將有選擇地阻擋和不阻擋通過所述快離子導(dǎo)體的光透射。53．一種形成光開關(guān)的方法，其特征在于，所述方法包括如權(quán)利要求10-14和29-38的任何一條所述的形成可編程金屬化元件的步驟，其中，施加電壓以對金屬枝晶的生長進行編程的兩個電極具有較大的橫向尺寸，并且在所述器件中，所述快離子導(dǎo)體具有對某個波長的光透明的至少一部分，從而有選擇地控制所述枝晶的生長，以阻擋和不阻擋所述快離子導(dǎo)體的透明部分，使之起著與通過所述透明部分的光有關(guān)的光開關(guān)的作用。
Ⅴ．光和短波長輻射傳感器54．一種輻射傳感器，其特征在于，所述輻射傳感器包括如權(quán)利要求1-9、15-28和39-45的任何一條所述的可編程金屬化元件，其中，所述快離子導(dǎo)體具有對光和短波長輻射透明的部分，該部分在所述快離子導(dǎo)體中的一個位置處形成，該位置與在所述兩個電極之間的枝晶生長的軸線成一直線，對所述兩個電極施加電壓，以對枝晶生長編程，由此響應(yīng)于在所述兩個電極之間預(yù)定施加的電壓，所述金屬枝晶的生長和消失的速率取決于入射在所述快離子導(dǎo)體的所述透明部分的光或輻射，從而所述可編程金屬化元件起著光或輻射傳感器的作用。55．一種形成輻射傳感器的方法，所述方法包括如權(quán)利要求10-14和29-38的任何一條所述的形成可編程金屬化元件的步驟，其中，所述快離子導(dǎo)體具有對光或短波長輻射透明的至少一個部分，把預(yù)定電壓一直施加于所述兩個電極，由此所述枝晶的生長和消失速率起著指示入射光或短波長輻射的數(shù)量或強度的作用。
全文摘要
一種可編程金屬化元件(“PMC”)包括諸如硫族化物－金屬離子的快離子導(dǎo)體和多個電極(例如,一個陽極和一個陰極);它們設(shè)置在快離子導(dǎo)體的表面,并且相互隔開設(shè)定的距離?？祀x子導(dǎo)體最好包括硫族化物以及ⅠB族或ⅡB族金屬;陽極最好包括銀,而陰極最好包括鋁或其他導(dǎo)體。當(dāng)把電壓施加于陽極和陰極時,從陰極沿快離子導(dǎo)體的表面向陽極生長出非易失性的金屬枝晶。枝晶的生長速率是施加的電壓和時間的函數(shù)。枝晶的生長可以通過把電壓去除而停止,并且通過倒轉(zhuǎn)在陽極和陰極處的電壓極性可以使枝晶回縮。枝晶長度的變化影響PMC的電阻和電容?？梢园裀MC合并入各種技術(shù),諸如存儲器器件、可編程電阻器/電容器器件、光學(xué)器件、傳感器等等?？梢蕴峁┏帢O和陽極之外的附加電極,以在檢測電學(xué)特性(它取決于枝晶的大小)時用作器件的輸出端或附加輸出端。
文檔編號H01L21/822GK1226990SQ97196865
公開日1999年8月25日 申請日期1997年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月30日
發(fā)明者邁克爾·N·科齊茨基, 威廉·C·韋斯特 申請人:愛克遜技術(shù)有限公司, 亞利桑那州立大學(xué)董事會