ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА ОРГАНИЧЕСКОЙ ПЛЕНКЕ Российский патент 1994 года по МПК H01L29/28 

Изобретение относится к импульсной технике, а более конкретно - к устройствам переключения и может быть использовано при создании элементов памяти оперативных запоминающих устройств статического типа, коммутирующих элементов, индикаторов уровня напряжений в устройствах преобразования сигналов и т. п.

Известны переключатели на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников, например, с использованием гетероперехода халькогенидное стекло-кристаллический полупроводник [1] . Такая структура обладает эффектом переключения на вольт-амперной характеристике (ВАХ). При прямом смещении переключателя устройство переключается в проводящее состояние и появляется вертикальный участок ВАХ, на котором ток растет только за счет расширения шнура тока при сохранении постоянной плотности тока.

К недостаткам такого переключателя следует отнести большую рассеиваемую мощность в режиме включения за счет большой локальной плотности тока. Минимальное значение тока во включенном состоянии составляет два миллиампера. Большая рассеиваемая мощность приводит к недолговечности таких устройств (малому количеству циклов перезаписи информации запоминающих устройств, выгоранию контактов при переключении, что приводит к необратимому увеличению значений тока и напряжения перезаписи информации из-за увеличения межэлектродного расстояния и т. д. ) и невозможности реализовать элементы запоминающих устройств с малым энергопотреблением.

В качестве прототипа выбран переключатель на органической пленке [2] , содержащий последовательно расположенные на подложке из металла (медь или серебро) органическую пленку, сформированную из органического комплексного соединения, состоящего из меди или серебра и тетрацианонафтохинидина, тетрацианоэтилена, дихлорцианоэтилена, дихлорцианобензохинона или тетрацианохинидина толщиной 1-10 мкм, первый электрод из алюминия или хрома, соединенный с внешним выводом, причем вторым электродом является металлическая подложка. Проводимость полученной структуры зависит от приложенного напряжения, состава и толщины пленки и проявляет эффект переключения. Напряжение переключения составляет 3-12 В, коммутируемый ток не менее 30 мА.

К недостаткам прототипа следует отнести высокие значения коммутируемых токов, т. е. большую потребляемую мощность, что не позволяет минимизировать параметр потребляемой мощности, например, при создании элементов запоминающих устройств, а также низкую надежность и недолговечность таких устройств, поскольку относительно высокий ток включения обусловлен локальной неоднородностью его протекания сквозь пленку органического поликристаллического полупроводника, содержащего межзеренные границы и другие локальные неоднородности, а возрастание локальных плотностей тока приводит к локальным перегревам структуры, разрушающим как органический полупроводник, так и тонкопленочные металлические контакты, что в конечном счете существенно ограничивает число циклов переключения такой структуры.

Целью изобретения является снижение потребляемой мощности путем уменьшения плотности токов при достижении гистерезисного переключения на вольт-амперной характеристике.

Цель достигается тем, что в известной конструкции переключателя по прототипу [2] , включающего расположенные на электропроводящей подложке пленку органического полупроводника и металлический электрод к ней, пленка органического полупроводника выполнена из тонкого слоя биологического пигмента меланина с толщиной не более толщины области объемного заряда, а также внесено изменение в конструкцию переключателя, а именно: электропроводящая подложка выполнена из монокристаллического сильнолегированного кремния, в результате чего возникает устойчивое физико-химическое взаимодействие молекул меланина с атомами кремния, и за счет таких взаимодействий тонкая пленка обладает упорядоченной структурой и электрическими свойствами, отличными от свойств изолированной или находящейся между металлическими электродами пленки органического полупроводника. Т. е. на границе меланин-кремний имеется гетеропереход. Использование идентичной или сходной совокупности конструктивных признаков не обнаружено.

Признак использования "органической пленки, сформированной из органического комплексного соединения, состоящего из меди, серебра и тетрацианонафтохинидина, тетрацианоэтилена, дихлорцианоэтилена, дихлорцианобензохинона или тетрацианохинидина толщиной 1-10 мкм, "сходный с признаком" пленка органического полупроводника выполнена из тонкого слоя биологического пигмента меланина с толщиной не более толщины объемного заряда известен из аналога заявляемого решения. Однако сравнение свойств заявляемого и известных решений, обусловленных наличием в них указанных признаков, показало, что в заявляемом решении этот признак: "пленка органического полупроводника выполнена из биологического пигмента меланина с толщиной не более толщины области объемного заряда" обуславливает иное, новое свойство (достигается гистерезисное переключение на вольт-амперных характеристиках в диапазоне напряжений 2,5-5 В при малых плотностях токов).

Положительный эффект заявляемого решения достигается тем, что вследствие гистерезисного типа вольт-амперной характеристики симметрично расположенные от рабочего напряжения пороговые значения напряжений включения и выключения составляют достаточно малый логический размах, зависящий от толщины пленки и составляющий от долей вольта до нескольких вольт, чем и ограничивается потребляемая мощность. С другой стороны, токовая составляющая потребляемой мощности (во включенном состоянии) минимизирована посредством упорядочения структуры органической пленки с помощью структурозадающей полупроводниковой кремниевой подложки, что позволило устранить условия, приводящие к локальным неоднородностям тока по площади структуры, и тем самым повысить долговечность и надежность таких переключателей.

На чертеже приведена конструкция переключателя на органической пленке вертикальное сечение.

Переключатель состоит из подложки 1 из монокристаллического сильнолегированного кремния и расположенных на ней пленки органического полупроводника 2 из биологического пигмента меланина толщиной 800-1400 нм, первого алюминиевого контакта 3 и расположенного на подложке второго алюминиевого контакта 4. В планарной структуре второй алюминиевый контакт 4 изолирован от пленки органического полупроводника 2 и первого алюминиевого контакта 3 островком пленки диэлектрика 5 из двуокиси кремния толщиной 3000 нм. На границе подложки 1 из монокристаллического кремния и пленки органического полупроводника 2 из биологического пигмента меланина имеется гетеропереход 6, образованный за счет взаимодействия свободных радикалов органических молекул меланина с атомами кремния. Для получения устойчивого электрического контакта на границе меланин-монокристаллический кремний пластину кремния подвергают очистке в растворе плавиковой кислоты. Пленку меланина наносят способом центрифугирования пластины с каплей раствора меланина в диметилформамиде (концентрация 0,5% ) и последующей сушкой на воздухе при температуре 150^оС в течение 15 мин. Толщину пленки варьируют изменением концентрации раствора меланина в диметилформамиде. Так, при увеличении концентрации от 0,5 до 1,0% толщина пленки изменяется от 800 до 1400 нм.

Работает переключатель на органической пленке следующим образом. К контактам 3 и 4 прикладывается питающее напряжение через нагрузочное сопротивление. Питающее напряжение выводит устройство в рабочий режим.

Величина рабочего напряжения соответствует среднему значению двух пороговых напряжений переключения в низкоомное и обратно в высокоомное состояние. После установления рабочего напряжения включение переключателя производится увеличением напряжения выше порогового для включения, а выключение - уменьшением напряжения ниже порогового - для выключения. Избыточное напряжение при включении переключателя падает на нагрузочном сопротивлении. Включение и выключение переключателя можно производить приложением импульсов соответственно положительной и отрицательной полярности относительно рабочего напряжения и амплитудной не менее абсолютной величины разности рабочего и порогового напряжений. Величина рабочего напряжения для переключателя с толщиной слоя меланина 800 нм составляет 3,7 В, для переключателя с толщиной слоя меланина 1400 нм - 18 В.

Для структур с толщиной слоя меланина более 1400 нм вольт-амперные характеристики с гистерезисом на наблюдались, поскольку толщина слоя меланина более 1400 нм превышает толщину областей объемного заряда.

Технические преимущества заявляемого объекта в сравнении с прототипом заключаются в малой потребляемой мощности за счет малых плотностей тока при достижении гистерезисного переключения на вольт-амперных характеристиках.

Плотность тока через тонкую пленку меланина в состоянии "Включено" не превышает 2˙10^-2 А/см². При реализации элемента статического оперативного запоминающего устройства в интегральном исполнении оценка потребляемой мощности в состоянии "Включено" составила величину, не превышающую 3 ˙10^-9 Вт/бит.

Использование: изобретение относится к устройствам переключения и может быть использовано при создании элементов памяти статических оперативных запоминающих устройств. Сущность: переключатель содержит функциональную пленку из биологического пигмента меланина толщиной не более толщины области объемного заряда на поверхности электропроводящей подложки из монокристаллического структурообразующего полупроводника - сильнолеригорованного кремния и контакты. 1 ил.

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ НА ОРГАНИЧЕСКОЙ ПЛЕНКЕ, включающий расположенные на электропроводящей подложке пленку органического полупроводника и металлический электрод к ней, отличающийся тем, что пленка органического полупроводника выполнена из тонкого слоя биологического пигмента меланина толщиной не более толщины области объемного заряда, а электропроводящая подложка выполнена из монокристаллического сильно легированного кремния с электродом.