АКТИВНОЕ ПОЛЕВОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ ИЛИ ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО С ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТЬЮ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2013 года по МПК H01L51/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится в основном к использованию натуральных целлюлозных волокон, синтетических волокон или их физических и химических смесей, объединенных водородными связями и с использованием смолы, обычно называемых бумагой различного вида и состава, в качестве одновременно несущего основания и составного элемента полевых транзисторов n-типа или р-типа с эффектом памяти, способных по меньшей мере в течение 20 часов сохранять электрические и ионные заряды, образующиеся под воздействием электрического поля, и удалять эту информацию при приложении электрического поля, равного по напряженности, но противоположного по знаку электрическому полю, использованному для записи информации. То есть, к использованию бумаги в качестве активного компонента запоминающих полевых транзисторов, в которых активная область дискретного канала (1) состоит из многокомпонентного оксида, например из легированного галлием и индием оксида цинка, легированного индием оксида цинка, легированного цинком оксида олова, легированного галлием и оловом оксида цинка, арсенида цинка и оксидов мышьяка, оксида серебра и оксида алюминия или легированного медью алюмината цинка, с содержанием указанных компонентов от 0,1% до 99,9%, при этом диэлектрик (2) состоит из массива бумаги на основе целлюлозных волокон, на который нанесен полупроводник, с возможностью чрезвычайного увеличения способности к удержанию ионных и электрических зарядов в ответ на воздействие в виде ступенчатого импульса напряжения и по существу полного разряда (удаления информации) сразу после приложения электрического напряжения, равного по величине, но противоположного по направлению напряжению, использованному для сохранения информации, в которых симметричные области истока и стока (5) состоят из металлического сплава титана с золотом или титана с алюминием, или хрома с алюминием, или серебра с алюминием, или из оксидного вырожденного полупроводника с высокой проводимостью, такого как легированный цинком оксид галлия, с пропорциями в составе от 0,1% до 99,9%, обеспечивающего возможность интеграции содержащих полупроводник волокон, при этом соответствующие контактные поверхности между слоями могут содержать модифицирующую их (4) пленку наноразмерной толщины, и в которых имеется непрерывный электрод (3) затвора, к которому прикладывается ступенчатое напряжение для сохранения или стирания электрических зарядов, и который выполнен из любых из образующих области стока или истока материалов, но расположен на другой стороне листа бумаги.

Настоящее изобретение основывается на том, что бумага на основе целлюлозы, состоящая из целлюлозных волокон, соединенных химическим образом водородными связями или посредством сжатия, с различной толщиной (от 1 мкм до 8000 мкм), используется в устройствах в качестве одновременно несущего основания и интегрального составного элемента, способного обеспечить необходимую электрическую изоляцию между металлом и дискретно нанесенным на волокна активным полупроводником, так что в отсутствие приложения электрического поля электрические заряды не перемещаются через волокна, а наоборот, накапливаются на двух его контактных поверхностях, физически соприкасающихся с электродом (3) затвора и областью (3) канала, состоящей из многокомпонентного активного оксидного полупроводника, дискретно нанесенного на волокна, с обеспечением возможности удерживать указанные заряды в течение одного или нескольких сот часов после снятия инициирующего воздействия, в зависимости от количества имеющихся волокон, их распределения, степени уплотнения, а также вида покрытия на указанных поверхностях, выполненного либо непосредственно из материалов, образующих, соответственно, непрерывный электрод затвора или дискретную область канала, либо с использованием нанослоя модификации (4).

В настоящем изобретении при нанесении любых материалов на бумагу, состоящую из целлюлозных волокон, называемую далее просто бумагой, необходимо, чтобы способы изготовления этих пленок осуществлялись при низких температурах, в частности при температурах ниже 200°C, или без превышения указанной температуры при их отжиге.

Изготовленные таким образом запоминающие транзисторы могут быть использованы в области оптоэлектроники и электроники, в частности, при создании электронных схем и систем с временной энергонезависимой памятью, схем сдвиговых регистров с записью, логических схем, цифровых схем, в кольцевых генераторах для памяти устройств радиочастотной идентификации, в частности, с использованием того преимущества, что функцию несущего основания, причем гибкого и обеспечивающего возможность одноразового использования, выполняет сама бумага.

Устройства, создание которых является задачей настоящего изобретения, могут быть выполнены с защитным слоем или корпусированием, изготовленным, например, из фторида магния, при этом в качестве активных полупроводниковых компонентов области канала возможно использование органических полупроводников, таких как N,N′-дифенил-N,N-бис[3-метилфенил]-1,1′-бифенил-4,4′-диамин; трис(8-гидроксихинолинат).

В раскрываемом изобретении материалы, наносимые на бумагу для образования готового устройства, могут быть изготовлены с использованием способов физического, химического и физико-химического реактивного или нереактивного нанесения тонких пленок атомного масштаба, осуществляемых при температурах, близких к комнатной температуре, а именно, посредством следующих способов:

катодного напыления при постоянном токе или токе высокой частоты;

терморезистивного или электроннолучевого вакуумного испарения;

химического разложения газообразных веществ с использованием или без использования плазмы высокой частоты или сверхвысокой частоты;

резистивного нагрева в вакууме;

выращивания эпитаксиальных слоев;

струйной печати;

с использованием химической эмульсии.

Перечисленные способы позволяют выполнять управляемое выращивание пленок толщиной от 1 нм до 50 мкм из органических и неорганических материалов, причем без повреждения бумаги или нарушения электронных характеристик нанесенного материала.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении описан способ изготовления электронного или оптоэлектронного устройства на основе полевого транзистора с активным оксидным полупроводником, обладающего энергонезависимой памятью и содержащего называемую бумагой (2) тонкую пленку на основе натуральных целлюлозных волокон, синтетических или смешанных волокон, выполняющую в указанном устройстве функцию диэлектрика.

В предпочтительном варианте осуществления указанная пленка (2) выполняет в устройстве также функцию подложки, обеспечивая таким образом самостоятельность указанного устройства.

Еще более предпочтительный вариант осуществления предусматривает присоединение к устройству по меньшей мере одного дополнительного компонента органического или неорганического происхождения с электрическими характеристиками металла (3, 5), полупроводника (1), изолятора (6) или пассивирующих пленок (4), посредством дискретного или непрерывного нанесения их на поверхность обеих сторон бумаги в виде однокомпонентных структур, композитных двухкомпонентных структур или многослойных структур.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления предусмотрено, что присоединение компонентов происходит при температурах, близких к комнатной температуре, с возможностью их отжига при температурах до 200°C.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления компоненты наносят по меньшей мере одним из следующих способов: терморезистивным или электроннолучевым вакуумным испарением; напылением при постоянном токе или токе высокой частоты, или сверхвысокой частоты, с использованием или без использования магнетрона; химическим разложением газообразных веществ с использованием или без использования высокой частоты или сверхвысокой частоты; струйной печатью; химическим нанесением эмульсии.

Другой предпочтительный вариант осуществления предусматривает возможность нанесения по меньшей мере одного проводящего компонента (3, 5), содержащего проводящие органические или неорганические материалы, такие как металл или оксидные полупроводники с высокой проводимостью, толщиной до 30 мкм.

Еще более предпочтительный вариант осуществления предусматривает нанесение по меньшей мере одного полупроводникового компонента (1), содержащего либо ковалентный неорганический материал, либо однокомпонентный или многокомпонентный неорганический ионный материал, либо органический материал толщиной от 1 нм до 50 мкм, предпочтительно кремниевые сплавы или многокомпонентные оксиды на основе цинка.

Другой предпочтительный вариант осуществления предусматривает, что для изготовления вырожденного полупроводника используют ионный оксид, обеспечивающий возможность соединения волокон с покрытием с активным оксидным полупроводником на выводах области канала, используемым в качестве областей (5) стока и истока, с выполнением предпочтительно на основе оксидных сплавов цинка и индия.

Еще один вариант осуществления предусматривает получение структур, имеющих основу металлический электрод (3) - бумага на основе волокон (2) - полупроводник (1), в которых бумага из натуральной или синтетической, или смешанной целлюлозы функционирует в качестве как диэлектрика, так и элемента, способного индуцировать и сохранять заряды в волокне, в активном полупроводнике или на контактной поверхности между полупроводником и бумагой.

Другой предпочтительный вариант осуществления предусматривает, что перед нанесением любого другого компонента готового устройства на бумаге из натуральной, синтетической или смешанной целлюлозы изготавливают пассивирующий или модифицирующий слой (4).

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления предусмотрена возможность выполнения пассивации или модификации на основе либо ковалентного диэлектрического материала, либо ионного диэлектрического материала, имеющих высокое удельное электрическое сопротивление и толщину от 1 нм до 500 нм, что на два порядка величины меньше толщины образующих бумагу волокон.

Другой вариант осуществления предусматривает, в частности, корпусирование готового устройства диэлектриком (6) толщиной до 30 мкм.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления пленка (2) содержит натуральные целлюлозные волокна или синтетические волокна, изготовленные посредством регенерации, растворения или смешанных способов, или смесь синтетических и натуральных волокон, с обеспечением возможности спонтанной электрической поляризации, при которой диэлектрик, сходным с электретами образом, сохраняет квазипостоянные заряды независимо от наличия приложенного электрического поля.

В другом варианте осуществления целлюлозные волокна бумаги (2) помещают в смолу или ионное клеящее вещество с возможностью регулировки электроотрицательности, предпочтительно добавлением катионных частиц, например, алюминия.

В раскрываемом изобретении также описано электронное или оптоэлектронное устройство на основе активных полупроводниковых полевых транзисторов с энергонезависимой памятью, содержащее называемую бумагой (2) тонкую пленку на основе натуральных целлюлозных волокон, синтетических или смешанных волокон, выполняющую в указанном устройстве функцию диэлектрика.

Другой вариант осуществления раскрываемого изобретения предусматривает, что пленка (2) выполняет в устройстве также функцию подложки, обеспечивая таким образом самостоятельность указанного устройства.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления предусмотрено наличие по меньшей мере одного дополнительного компонента органического или неорганического происхождения с электрическими свойствами металла (3, 5), полупроводника (1), изолятора (6) и модифицирующего слоя (4) в виде единых или дискретных структур, двухкомпонентных композитов или многослойных структур, дискретно или непрерывно нанесенных на поверхность обеих сторон бумаги.

В другом варианте осуществления по меньшей мере один проводниковый компонент (3, 5) содержит органический или неорганический проводящий материал, металл или оксидный полупроводник с высокой проводимостью, толщиной до 30 мкм.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления по меньшей мере один полупроводниковый компонент (1) содержит неорганический ковалентный материал или простой неорганический ионный материал, или неорганический ионный композитный материал, или органический материал толщиной от 1 нм до 30 мкм, предпочтительно оксиды или кремниевые сплавы или многокомпонентные оксиды на основе цинка.

Другой предпочтительный вариант осуществления предусматривает использование в качестве вырожденного полупроводника ионного оксида, обеспечивающего возможность соединения волокон с покрытием с активным оксидным полупроводником на выводах области канала, используемым в качестве областей (5) стока и истока, с выполнением предпочтительно на основе оксидных сплавов цинка и индия.

Еще один предпочтительный вариант осуществления содержит структуры типа металлический электрод (3) - состоящая из волокон (2) бумага - полупроводник (1), в которых бумага из натуральной, синтетической или смешанной целлюлозы функционирует одновременно в качестве диэлектрика и элемента, способного индуцировать и сохранять заряды в волокне, в активном полупроводнике или контактной поверхности полупроводник - бумага.

В другом предпочтительном варианте осуществления непосредственно на бумаге (2) имеется модифицирующий или пассивирующий слой (4), нанесенный до нанесения любого другого компонента готового устройства.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления пассивирующий или модифицирующий слой (4) нанесен в виде ковалентного или ионного диэлектрического материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, толщиной, в частности, до 500 нм, что более чем на два порядка величины меньше толщины образующих бумагу волокон.

В другом предпочтительном варианте осуществления готовое устройство корпусировано диэлектриком (6) толщиной до 30 мкм.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления устройства выполнены в виде транзистора n-типа или р-типа, способного при воздействии соответственно положительного или отрицательного ступенчатого напряжения, приложенного к электроду (3) затвора, сохранять электрические и ионные заряды вдоль образующих бумагу (2) волокон в зависимости от их электроотрицательности, а также удерживать накопленные заряды после снятия приложенного к электроду затвора напряжения, функционирующего таким образом по принципу работы транзисторов с так называемым плавающим затвором.

В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрена возможность полного удаления или стирания записанной вдоль волокон бумаги информации посредством приложения напряжения по меньшей мере той же величины, что и у напряжения, использованного для записи информации, но имеющего противоположный знак.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, в частности, выполнение устройства со способностью сохранять в одной и той же области различную информацию, записанную путем приложения ступенчатого напряжения различной амплитуды, причем с возможностью выборочного различения устройством указанной информации.

В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрена возможность непрерывного накапливания сохраняемой информации посредством приложения ступенчатого напряжения различной амплитуды к электроду (3) затвора, выполненного непрерывным или дискретным и расположенного на поверхности бумаги (2), противоположной поверхности, содержащей активный полупроводник (1).

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления предусмотрено неполное удаление сохраненной информации, если приложенное напряжение противоположного знака меньше по величине напряжения, использованного для записи информации.

В другом предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что на полупроводниковом слое (1) устройств имеются два материала, нанесенные на каждой из сторон области канала, обладающие совершенно одинаковой высокой электронной проводимостью, расположенные друг от друга на расстоянии от 10 нм до 500 мкм, и представляющие собой соответственно область стока и область (5) истока, таким образом, что обеспечивается соединение волокон бумаги (2), содержащих активный полупроводник на оксидной или не оксидной основе.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления области истока и стока содержат расположенный между ними непрерывный органический или неорганический ионный полупроводник с проводимостями по меньшей мере на три порядка величины выше, чем у размещенного на волокнах бумаги активного полупроводникового материала, на который они нанесены, называемого областью (1) канала, с толщинами, зависящими от толщины волокон бумаги, содержащей образующий активную область канала активный полупроводник, и равными предпочтительно от 1 нм до 500 нм.

В другом предпочтительном варианте осуществления вместо нанесенного на волокна бумаги активного полупроводника имеется комплементарная пара из двух дискретных полупроводников (1, 7) р-типа и n-типа или наоборот, расположенных рядом друг с другом на расстоянии от 50 нм до 10 мкм, и образующих устройство, называемое в дальнейшем комплементарным.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления оба полупроводника (1, 7) соединены между собой относительно тем же материалом, что используется в качестве стока и истока, выполняет при этом функцию общего электрода и содержит два дополнительных вывода (5) со сходными электронными параметрами, нанесенные независимым образом на каждом из конечных участков областей канала, с обеспечением соединения между волокнами (2), содержащими соответствующие активные полупроводники (1, 7), называемые истоком или стоком, или наоборот.

Другой вариант осуществления дополнительно предусматривает, что указанные два транзистора, образующие комплементарное устройство, никогда не находятся во включенном состоянии одновременно.

Еще один вариант осуществления раскрываемого изобретения дополнительно предусматривает возможность стирания хранимой информации при приложении напряжения, равного по величине или амплитуде напряжению, использованному для сохранения информации на электроде (3) затвора, но имеющего противоположный знак.

В другом предпочтительном варианте осуществления указанная бумага (2) содержит натуральные или синтетические целлюлозные волокна, или смешанные волокна, изготовленные посредством регенерации, растворения, или смешанным способом, с возможностью спонтанной электрической поляризации, при которой диэлектрик, сходным с электретами образом, сохраняет квазипостоянные заряды независимо от наличия приложенного электрического поля.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления целлюлозные волокна бумаги (2) помещены в ионную смолу или клей с возможностью регулировки электроотрицательности, предпочтительно посредством добавления катионных частиц, например, алюминия.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Что касается применения, нет сведений об использовании бумаги, выполняющей одновременно функции несущего основания и электронного компонента активных устройств, а именно полевого транзистора с энергонезависимой памятью, и известно только ее применение либо в качестве основания, либо в качестве пассивного диэлектрика в электрических конденсаторах.

Настоящее изобретение позволяет использовать бумагу из натуральной, синтетической или смешанной целлюлозы не только для выполнения статических функций или функций обычной подложки для других активных и динамических компонентов, но и в качестве высокотехнологичного компонента, позволяющего изготавливать недорогие электронные устройства и, в конечном счете, одноразовые электронные устройства.

Изобретение расширяет область применения бумаги, в дополнение к ее использованию только при выполнении рисунков/записей.

Для осуществления этой задачи необходимо комбинировать отдельные способы изготовления таким образом, чтобы обеспечивать соответствие нанесенного материала требованиям к прочности сцепления, механической упругости, химической стойкости, электронным и оптическим свойствам, выполняя управление на трех уровнях: способы изготовления; функциональные возможности материала и устройства; их интеграция с волокнами, смолой и клеящим веществом, выполняющими функцию основы и образующими ключевой элемент памяти.

В процессе изготовления осуществляют подготовку бумаги для обеспечения заданного распределения волокон, помещенных в смолу или ионный клей, регулировку электроотрицательности которых выполняют предпочтительно добавлением катионных частиц, например, алюминия, а также степени ее уплотненности, определяющей значение ее диэлектрической постоянной и, соответственно, конечную емкость устройства, в состав которого, она будет интегрирована. Кроме того, в процессе изготовления бумаги необходимо управлять природой электростатических зарядов, сохраняемых вне зависимости от наличия приложенного электрического поля, обусловленной ионной природой используемых смолы и клеящего вещества, преобразующих полученную структуру таким образом, что с точки зрения удержания электростатического заряда она приобретает свойства, аналогичные свойствам электретов.

Кроме того, для подготовки к нанесению покрытий из материалов, необходимых для получения готового устройства, может потребоваться обработка поверхностей обеих сторон бумаги. Такая подготовка может представлять собой обычную обработку поверхности бумаги кислородной плазмой с последующим нанесением тонкого покрытия в виде наноразмерной диэлектрической пленки или без такового, в зависимости от степени уплотнения бумаги и требуемой способности к сохранению заряда.

Для обеспечения вышеуказанных функциональных возможностей наносимые на обе стороны бумаги материалы должны быть органическими или неорганическими материалами со свойствами металла, полупроводника и диэлектрика.

При изготовлении непрерывных или дискретных электрических контактов, называемых электродом затвора, или при изготовлении областей (5) стока и истока применяется один из вышеуказанных способов (3) с использованием таких металлов, как серебро, алюминий, медь, титан, золото, хром и платина, или любого металлического сплава вышеуказанных элементов, или покрытия из него в виде последовательных слоев, осуществляемых нанесением на дискретные или непрерывные активные полупроводники, используемые в качестве канального слоя, например, многокомпонентный оксидный полупроводник, пленки с удельным сопротивлением, приблизительно равным или меньшим 10^-4 Ом·см. Помимо металлов, для изготовления тех же элементов (3) или (5) возможно использовать любой вырожденный оксидный полупроводник, такой как оксид олова, оксид цинка и оксид индия, легированный оловом индий, легированный галлием оксид цинка, легированный алюминием оксид цинка, имеющий удельное сопротивление менее 10^-3 Ом·см или органический полупроводник с проводящими свойствами металла, такой как P-dot.

В качестве активных полупроводников n-типа или р-типа для изготовления дискретных или непрерывных областей канала (1) возможно использовать органические или неорганические ионные активные материалы. Среди органических полупроводниковых материалов следует особо отметить, в частности, следующие: тетрацен, пентацен, фталоцианин меди, фталоцианин с оксидом титана и фталоцианин цинка, обладающие удельным сопротивлением 10¹²-10^-4 Ом·см.

Если в качестве дискретного или непрерывного активного полупроводника в канальном слое устройства используются ионные неорганические полупроводники, то они должны быть выполнены преимущественно на основе нанокомпозитных оксидов или многокомпонентных оксидов, таких как оксид цинка, оксид олова, оксид индия, оксид титана, оксид меди, оксид алюминия, медь с оксидом алюминия, оксид никеля, оксид рутения, оксид кадмия, оксид тантала, многокомпонентные оксиды индия и цинка, многокомпонентные оксиды галлия, индия и цинка, многокомпонентные оксиды галлия, цинка и олова, многокомпонентные оксиды меди и алюминия, многокомпонентные оксиды серебра и меди, многокомпонентные оксиды титана, многокомпонентные оксиды индия и галлия, многокомпонентные оксиды олова и галлия, многокомпонентные оксиды меди, цинка, олова и серебра, с любым процентным соотношением составляющих элементов от 0,1% до 99,9%, удельным сопротивлением 10¹⁴-10^-4 Ом·см и толщиной до 500 нм.

В качестве материалов с очень высоким удельным сопротивлением для пассивации или модификации поверхностей контакта между наносимыми материалами и волокнами (4) используются в основном оксиды или композиты на основе нитридов толщиной от 1 нм до 1000 нм, такие как диоксид кремния или нитрид кремния, или фторид магния, или смеси гафния и окиси алюминия или диоксида кремния, или органический материал, или другой однокомпонентный или многослойный материал, такой как оксид тантала, оксид гафния, диоксид циркония, оксид иттрия, оксид алюминия, или оксидные композиты, например гафний/оксид тантала, алюминий/оксид тантала, гафний/оксид алюминия; диоксид кремния/пентаоксид тантала, иттрия и тантала; цирконий/пентаоксид тантала/диоксид кремния, алюминий/оксид титана или полиметилметакрилат (РММА), или поли(октадецил)метакрилат (РОМА), или майлар, при этом обработка любого из указанных материалов осуществляется при температурах от минус 20°C до плюс 200°C, с обеспечением не только чрезвычайно плотных и плоских поверхностей указанных материалов, но и того, что их структура приобретает аморфность, или свойства наноструктуры.

Выбор наиболее подходящего материала или материалов будет зависеть от заданного времени сохранения зарядов, а также от их способности обеспечивать необходимый рабочий коэффициент относительно образующего канал материала и, таким образом необходимую электрическую изоляцию, при этом пространственное расположение и геометрия указанного составного элемента устройства задается посредством стандартного литографского способа или с использованием маски, или способом, известным как обратная литография.

Изобретение предназначено для изготовления следующих устройств:

1) полупроводниковых структур типа металл - диэлектрик - полупроводник (МДП-структур), таких как конденсаторы, способные сохранять электрические заряды в течение от одного часа до сотен часов, в которых материал изоляции/емкости, участвующий в процессе сохранения электрических зарядов и одновременно с этим являющийся основанием устройства, представляет собой лист бумаги, выполненный из отдельных волокон, и содержащий сходный с металлом электрод (3) затвора, размещенный на поверхности одной из сторон бумаги, при этом на другой стороне бумаги размещен активный органический или неорганический полупроводник, нанесенный с использованием любого из указанных выше способов ((1), (2), (3));

2) полевых транзисторов n-типа и р-типа с эффектом энергонезависимой памяти (фиг.3-5), в которых диэлектриком и запоминающей средой или накопителем зарядов является бумага, образованная из слоев волокон, распределенных по различным механически сжатым слоям и соединенных смолами и связывающими веществами (2); активным полупроводником, образующим область канала, является ионный неорганический полупроводник или органический полупроводник (1), дискретно осажденный на поверхность волокон, при этом области истока и стока выполнены, соответственно на основе оксида с высокой проводимостью или металла, или органического полупроводника (4) с высокой проводимостью, посредством которого осуществляется интеграция. Конфигурация таких устройств, показанная на фиг.2, предусматривает, что канал (1) нанесен либо непосредственно на образованную аккумулирующими волокнами (2) бумагу, либо на модифицирующий контактные поверхности слой, нанесенный перед этим на бумагу (4), вместе с пленками, образующими области (5) истока и стока, при этом на поверхности другой стороны бумаги (2) имеется непрерывный или дискретный электрод (3) затвора, нанесенный на указанную поверхность либо непосредственно, либо с использованием модифицирующего слоя, состоящего из металла или оксида с высокой проводимостью, или органического материала с высокой проводимостью, такого, в частности, как тетрацен, пентацен, фталоцианин меди, фталоцианин с оксидом титана и фталоцианин цинка. Эти устройства имеют значения подвижности носителей тока, превышающие 0,5 см²/(Вс), отношения уровня сигнала во включенном и выключенном состояниях, превышающие или равные 10⁴, значения времени сохранения заряда, превышающие один час, положительное пороговое рабочее напряжение для транзисторов n-типа и отрицательное для транзисторов р-типа, при этом они функционируют либо в режиме обогащения, либо в режиме обеднения и могут иметь или не иметь корпусирование (6). То есть, в случае если устройство не находится во включенном состоянии без наличия приложенного напряжения, то для перевода его во включенное состояние необходимо приложить напряжение. В этих устройствах запись информации (удержание электрических зарядов благодаря скоплению электронов или отрицательных ионов вблизи электрода затвора или вблизи области канала, в зависимости от того, обладает ли полупроводник канала проводимостью, соответственно, р-типа или n-типа, а также в зависимости от свойств используемой смолы) выполняется приложением напряжения, превышающего по абсолютной величине пороговое рабочее напряжение устройства, при этом количество накопленных зарядов пропорционально величине приложенного напряжения, непрерывно меняющейся от равной пороговому напряжению минимальной величины, до максимальной величины, соответствующей области стоко-затворной характеристики устройства, в которой наступает насыщение тока стока в области канала, и таким образом максимуму индуцированных и накопленных устройством зарядов (как электронных, так и ионных). Для удаления всей сохраненной информации (преобразованной в сохраненные электрические и ионные заряды) необходимо приложить напряжение, равное по величине, но противоположное по знаку напряжению, использованному для записи (сохранения зарядов) информации. Это позволяет в одном и том же пространстве посредством использования разных значений ступенчатого напряжения или приложенного к электроду затвора напряжения сохранять и записывать различную информацию, которая может быть выборочно различена устройством;

3) устройств типа КМОП (CMOS) или с комплементарных устройств с затвором Шоттки (CMESFET) с энергонезависимой памятью, в которых материал, используемый в качестве одновременно подложки и диэлектрика, и обеспечивающий возможность сохранять или индуцировать электрические и ионные заряды, представляет собой состоящую из дискретных волокон бумагу, при этом интегрированные в устройства комплементарные полупроводники n-типа и р-типа являются либо неорганическим ионным полупроводником, либо органическими полупроводниками, либо любыми возможными гибридными сочетаниями указанных материалов, нанесенными на образующие бумагу волокна, как показано на фиг.6. То есть, для изготовления устройства на основе двух полевых транзисторов, один из которых р-типа, а другой n-типа, с общим затвором, с одним общим (исток и сток или наоборот) и двумя независимым выводами, в котором при приложении положительного напряжения транзистор (1) n-типа переходит во включенное состояние и происходит запись информации, а транзистор (7) р-типа переходит в выключенное состояние и происходит удаление информации, причем при приложении отрицательного напряжения происходит обратное.

Задачей настоящего изобретения является создание нового принципа применения бумаги на основе целлюлозы и новых ионных неорганических полупроводников и органических полупроводников или называемой гибридной комбинации обоих полупроводников для использования в устройствах с энергонезависимой памятью, обладающих свойствами, неизвестными из уровня техники или существующих патентных документов. Иными словами, изобретение относится к структуре МДП-конденсаторов для применения в энергонезависимой памяти или в полевых транзисторах с эффектом энергонезависимой памяти, или в КМОП (CMOS)-устройствах с эффектом энергонезависимой памяти, в которых бумага является как основанием, так и обеспечивающим сохранение заряда активным элементом, а также к их сочетаниям с использованием неорганических полупроводников на основе многокомпонентных оксидов или органических полупроводников, или сочетаний обоих полупроводников.

В результате поиска, проведенного в нескольких патентных базах данных, установлено отсутствие публикаций или заявок на патентную защиту, касающихся каких-либо способов, устройств и систем, использующих функциональные возможности бумаги, являющейся предметом настоящего изобретения.

Новаторским является принцип, на котором основано настоящее изобретение, и хотя варианты его осуществления реализуемы посредством известных способов, его новизна относится к области расширения возможностей применения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ниже описывается уровень техники настоящего изобретения, а также приводятся ссылки на предшествующие настоящему изобретению патентные документы, которые могут быть с ним сопоставлены.

Что касается производства, проектирования или применения, отсутствуют сведения о какой-либо деятельности, которая была бы связана или соотносилась бы с предметом настоящего изобретения касательно его аспектов, относящихся к интегрированным способам, устройствам и системам.

В результате патентного поиска были выявлены приводимые ниже патентные документы и ссылки на уровень техники, в которых, однако, не рассматривается использование основания из целлюлозы для одновременного выполнения функций подложки и электронного компонента с эффектом памяти.

1. Зарегистрированная в 2008 году национальная патентная заявка №103951 относится к использованию бумаги на основе целлюлозы или бумаги биоорганического происхождения в качестве несущего основания для производства электронных устройств и систем, однако не имеет отношения к ее интеграции при изготовлении и в качестве подложки электронных устройств и систем с эффектом памяти. Таким образом, в национальном патентном документе №103951 бумага является простым несущим основанием электронных устройств, изготавливаемых любым традиционным способом с использованием ковалентного полупроводника или органических и неорганических ионных полупроводников, в том числе соответствующих металлических соединений. Единственное сходство между настоящим изобретением и упомянутым выше изобретением состоит в аналогичности способов обработки материалов, лежащих в основе изготовления устройств. С другой стороны, эффект памяти, заявленный в национальном патентном документе №103951, относится к наносимым на бумагу электрохромным материалам, сохраняющим свою степень окисления (окисления или восстановления) после устранения инициирующего электрического воздействия. Этот эффект имеет обратимый характер. Однако указанный эффект памяти не имеет отношения к настоящему изобретению, в котором эффект энергонезависимой памяти связан с собственными свойствами бумаги, а также с новым принципом построения электронных устройств на основе интеграции различных целлюлозных волокон, на которые нанесены активные полупроводники, и интеграция поверхности которых осуществляется посредством контактов с металлическими свойствами, обеспечивающих возможность соединения всех волокон, и соответствующих активных полупроводников на той же поверхности бумаги, при этом основой управления, обеспечивающей возможность индукции зарядов, является непрерывный электрод затвора, нанесенный на другую сторону бумаги, к которому прикладывается ступенчатый электрический импульс, позволяющий записывать, считывать, перезаписывать или удалять информацию, сохраняемую и накапливаемую в указанной совокупности волокон, результатом чего является наличие или отсутствие протекания тока в образованной активным полупроводником области канала.

2. Патентный документ США №3617372, зарегистрированный в 1967 году, относится к электропроводящей бумаге для получения электростатических изображений, причем в объеме рабочей области бумаги выполняются действия, обеспечивающие содержание в ней полимерных цепей гидроксиэтиловой и гидроксипропиловой группы для придания бумаге свойств, позволяющих использовать ее для фиксации изображений и для бесконтактной печати. Указанный патентный документ не является действующим. Он относился к бумаге в объеме, включающем фиксацию изображений и запись изображений, что совершенно не относится к предмету настоящего изобретения.

3. Патентный документ Японии №JP2003123559 "Способ и устройство для изготовления прозрачной проводящей пленки, прозрачная проводящая пленка и электронная бумага" описывает изготовление при низких температурах прозрачных и проводящих пленок, известных как оксид индия и олова (ITO) (или оксид цинка ZnO), посредством химического парофазного осаждения с применением плазмы и использованием газообразных форм йодида индия и хлорида олова (нитрат цинка (Zn(NO₃)2.6H₂O)) в кислородной атмосфере, с использованием или без использования инертного газа, например, аргона, наносимых на мембраны из полимера политиофена или другого материала на органической основе, для использования в так называемой электронной бумаге (е-бумага). Таким образом обеспечивается возможность перезаписи буквенно-цифровых символов или изображений на гибкой пленке на основе прозрачного проводящего оксида, нанесенного на органическую подложку. В этом случае прозрачный проводящий оксид предназначен, например, для использования в качестве электрода для приложения электрических полей, управляющих оттенками изображения, получаемого, например, в результате ориентации жидких кристаллов. Указанный патентный документ относится к способу получения пленок, системы на их основе, а также к физико-механическим характеристикам пленок, получаемых таким путем, например, адгезией. То есть, задачей указанного изобретения является обеспечение возможности изготовления органических подложек из проводящих оксидов для обычного использования в качестве электродов, при этом указанный документ не содержит сведений об использовании бумаги на основе целлюлозы в качестве одновременно электронного компонента с эффектом памяти и основания устройства, в состав которого она входит.

4. В патентном документе США №US2006/0132894 раскрыто нанесение прозрачных проводящих оксидов на обе поверхности электронной бумаги, для применения в основном в целях, аналогичных описанным в документе JP2003123559. Иными словами, в указанном документе речь идет об использовании технологий, применяемых в дисплеях, а именно в жидких кристаллах современных гибких дисплеев, изготавливаемых на основе органических материалов. Таким образом, формула указанного патентного документа включает в свой объем оборудование, использующееся как для обработки, так и для удержания изображения на органических гибких подложках, в том числе управление непроводящими частицами, размещенными непосредственно внутри самой бумаги или под полученными оксидами, с возможностью изменения степени их пропускания посредством приложения электрического поля. Эта задача не входит в объем раскрываемого здесь изобретения.

5. Патентный документ Канады №СА682814 "Электропроводящая бумага и способ ее изготовления" относится к промышленному изготовлению проводящей бумаги, в частности, включению в ее объем проводящих волокон, имеющих или не имеющих металлическое покрытие и распределенных случайным образом в связующей целлюлозной массе. Это не входит в объем раскрываемого здесь изобретения, поскольку оно не содержит манипуляций со структурой бумаги.

6. Патентный документ США №US2003/0192664A1 "Использование при изготовлении бумаги основанных на виниламине полимеров с ионными полимерными микрогранулами с поперечными связями", относится к способу изготовления бумаги и ее компонентов, а именно, к использованию органических ионных добавок, способствующих дренажу и удержанию жидкости в бумаге. Этот патентный документ не входит в объем раскрываемого изобретения.

7. Патентный документ США №US2004/0249055A1 "Латексное покрытие бумаги, использующее ионный мономер", относится к наносимому на бумагу покрытию, содержащему сополимеры на основе ионных мономеров, или к включению указанных мономеров в бумажную массу для оптимизации устойчивости и удержания жидкости, что не входит в объем настоящего изобретения.

8. Патентный документ Канады №СА767053 "Электропроводящая бумага" относится к нанесению на целлюлозную бумагу проводящей оболочки, покрытой изолирующим фотопроводящим материалом, связанному с добавлением цеолитов, обеспечивающему удельное электрическое сопротивление менее 10¹² Ом·см, для образования и сохранения электростатических зарядов при распечатывании информации. Это не входит в объем раскрываемого изобретения, согласно которому бумага одновременно предназначена для использования в качестве диэлектрика, способного сохранять заряды и для выполнения функции основания различных компонентов, образующих устройство на обеих сторонах бумаги.

9. Патентный документ Канады №СА898082 "Полимерные четвертичные производные 4-винилпиридина в электропроводящей бумаге" относится к использованию четвертичных полимеров с возможностью нанесения на них фотопроводящих покрытий, позволяющих изготавливать бумагу для применения в электростатических копировальных аппаратах. Это не входит в объем настоящего изобретения.

10. Патентный документ Канады №СА922140 "Электропроводящая бумага" относится к электропроводящей бумаге, по меньшей мере на 75% состоящей из полимеров и предназначенной для использования в технологиях воспроизведения изображений. Указанный патентный документ защищает все составы, содержащие структуры радикалов приведенного ниже типа:

Это не входит в объем настоящего изобретения.

На основе вышесказанного можно сделать вывод об отсутствии публикаций или патентных заявок, относящихся к устройству и способу, раскрываемых в настоящем изобретении.

Указанные патентные документы и ссылки относятся к уровню техники, с которой может быть связано и настоящее изобретение, при этом имеются некоторые отдаленные точки соприкосновения в отношении способа и материалов, используемых в качестве проводников на пластифицированных поверхностях, а также способов, осуществляемых в некоторых случаях при комнатной температуре. Тем не менее, отсутствуют сведения о существовании работ, патентов или патентных заявок, в которых бы предлагалось использование бумаги на целлюлозной основе одновременно в качестве компонента активных устройств с эффектом памяти и в качестве несущей основы таких устройств, их производных или соединений.

В настоящем изобретении обеспечена интеграция различных способов с целью создания самостоятельных полевых электронных устройств с эффектом энергонезависимой памяти, содержащих бумагу на основе целлюлозы, ее соединения или производные, определяющие окончательные функциональные свойства этих устройств и систем, выполняемых с возможностью электрической изоляции электрода затвора, который содержит пленку со свойствами металла и к которому приложено управляющее напряжение, или на котором записывается информация от другого полупроводникового электрода, называемого каналом, в котором одни заряды индуктируются, а другие заряды, такие как ионный заряд, захватываются на покрытых активным полупроводником волокнах, для последующего удержания или удаления, причем их циркуляция обусловлена поляризацией на двух симметричных выводах, называемых соответственно истоком и стоком, нанесенных на краевые участки канала последнего полупроводника, при этом для удаления сохраненной информации требуется приложить напряжение, равное ему по абсолютной величине, но имеющее противоположный знак, что обеспечивает устройство возможностью выборочного записывания или стирания информации. На настоящий момент не имеется сведений о попытках лабораторного или промышленного изготовления указанных устройств. Основной задачей настоящего изобретения является создание гибридного устройства, обладающего новыми свойствами, а также создание таких возможностей применения раскрываемого изобретения, которые отсутствуют в системах, известных из уровня техники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 схематично показана базовая структура некорпусированного конденсатора, состоящего из металла, диэлектрика и полупроводника, называемого МДП-конденсатором, компоненты которого обозначены следующими номерами позиций:

1 - наносимый на волокна органический или неорганический ионный активный полупроводник n-типа или р-типа;

2 - бумага на основе натуральной или синтетической целлюлозы, или их сочетаний, соединенная в единое целое химическим (смола и клеящее вещество) или механическим путем, и выполняющая одновременно функции накапливающего заряд дискретного диэлектрика и несущего основания электронного компонента;

3 - электрод затвора, функционирующий в качестве непрерывного электрического контакта, а также выполняющий функцию электрода, изготовленный из металла или металлического сплава, или последовательным нанесением двух металлов или оксидного полупроводника с высокой проводимостью, или органического материала с высокой проводимостью.

4 - пассивирующий или модифицирующий контактную поверхность слой, расположенный на по меньшей мере одной контактной поверхности бумаги.

На фиг.2 схематично показан полевой транзистор n-типа или р-типа с эффектом энергонезависимой памяти, выполненный с нанесением или без нанесения материалов модифицирующего слоя на обеих поверхностях бумаги, используемой в качестве диэлектрика с эффектом памяти, причем области стока и истока нанесены на активный полупроводник, нанесенный на волокна, с обеспечением интеграции и соединения различных волокон, где:

5 - область стока и истока транзистора с полевым эффектом, состоящая из органического полупроводника с высокой проводимостью, такого как P-dot или металла, или оксидного полупроводника с высокой проводимостью в однокомпонентном, композитном или многокомпонентном виде.

6 - слой корпусирования, пассивация поверхности.

На фиг.3 схематично показано некорпусированное полевое КМОП (CMOS)-устройство с эффектом энергонезависимой памяти, содержащее модифицирующие слои между нанесенными материалами и обеими поверхностями используемой в качестве диэлектрика бумаги, в котором активные полупроводники р-типа и n-типа или наоборот по меньшей мере частично перекрывают области стока и истока, при этом:

7 - область канала, тип полупроводника которой является комплементарным полупроводнику канала 1, то есть, если он является полупроводником n-типа, то комплементарный компонент будет р-типа, и наоборот.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение позволяет использовать бумагу на основе целлюлозы или целлюлозных композитов различной плотности и состава для создания устройств энергонезависимой памяти, в которых указанная бумага и ее волокна, одновременно с функцией несущего основания одиночных или интегрированных электронных и оптоэлектронных устройств, выполняют функцию диэлектрика, способного удерживать или индуцировать электрические и ионные заряды в устройствах с полевым эффектом на основе многокомпонентных оксидных полупроводников или органических полупроводников в одиночном или гибридном виде, используемых для изготовления электрода затвора, области канала, дискретных областей стока и истока устройств р-типа или n-типа, или в комплементарных конфигурациях р-типа и n-типа, работающих в режимах обогащения или обеднения, с приспособлением совместимых способов изготовления к заявляемому способу таким образом, чтобы не повредить бумагу остальных компонентов не электронной памяти. С этой целью все способы осуществляют при температурах ниже 200°C, при этом те из них, которые, в частности, выполняются на поверхности бумаги, могут быть осуществлены при таких низких температурах, как минус 20°C.

В соответствии с вышесказанным, в раскрываемом изобретении предлагается ряд действий и способов, которые посредством современных инновационных технологий изготовления позволяют создавать новые устройства и системы, в состав которых бумага входит и в качестве несущего основания и в качестве электронного компонента, способного удерживать или индуцировать электрические заряды в одиночных или комплементарных полевых устройствах р-типа или n-типа с эффектом энергонезависимой памяти. То есть, в таком комплементарном устройстве, в котором одновременно используются два устройства: одно с проводимостью р-типа, другое с проводимостью n-типа, функционирующие под управлением одного и того же электрода затвора, но с использованием различных областей канала (одной - на основе полупроводника р-типа, другой - на основе полупроводника n-типа) и имеющие общие области истока и стока или наоборот, и отдельные для каждой области исток и сток, с размерами до 925 мкм.

А) МДП-конденсатор с возможностью сохранения электрического заряда

На фиг.1 изображен конденсатор со структурой типа металл-диэлектрик-полупроводник, называемой МДП-структурой, в котором на контактных поверхностях обеих сторон бумаги (2) при необходимости возможно выполнение пассивирования посредством специальной обработки в кислородной плазме или нанесения пленки, имеющей нанометровый масштаб (4) размеров и большое сопротивление. Электрод затвора (3) с фиг.1 может представлять собой непрерывный или дискретный металл или металлический сплав на основе из вырожденных оксидных полупроводников. В любом случае, в качестве активного полупроводника может использоваться органический или неорганический ионный полупроводник (1), нанесенный на образующие бумагу волокна. Изготовление любого составного компонента устройства осуществимо традиционными физическими, химическими или физико-химическими способами нанесения покрытий, например, такими как приведены ниже.

Принцип работы устройства основан на так называемом полевом эффекте, при котором аккумулирование зарядов и/или накопление зарядов вдоль волокон и окружающих смол зависит от характера связи волокон по слоям, составляющим бумажную массу, электроотрицательности бумаги, а также электрического поля, приложенного к электроду затвора. Напряжение, позволяющее сохранять информацию (электрические заряды) должно превышать минимальное напряжение, необходимое для индуцирования электрических зарядов через бумагу к активному полупроводнику, при этом его величина составляет от 0,2 вольт до 100 вольт и зависит по существу от толщины бумаги и степени уплотнения целлюлозных волокон. Длительность сохранения или удержания электрических зарядов может варьироваться от 30 минут до сотен часов, в зависимости от приложенного электрического поля, толщины бумаги, количества образующих бумагу целлюлозных волокон, удельного сопротивления полупроводника, электроотрицательности волокон, присутствующих в бумаге статических ионных зарядов, а также от того, выполнялась ли пассивирующая обработка поверхности и было ли устройство корпусировано.

В) Способ изготовления МДП-конденсатора с возможностью сохранения электрического заряда

На первом этапе, независимо от типа и плотности используемой бумаги, ее поверхность необходимо обработать и подготовить с учетом ее текстуры и предстоящего изготовления непрерывных пленок. Для этого выполняют следующее:

a) либо в течение 10 минут обе поверхности бумаги обрабатывают с использованием УФ - излучения;

b) либо обе поверхности бумаги подвергают обработке с помощью плазменного разряда высокой частоты или плазменного разряда постоянного тока, осуществляемой в атмосфере кислорода, аргона, азота или ксенона в соотношениях до 95:5, давлениях 1-10^-2 Па, в течение 5-15 минут, с использованием плотности мощности от 0,01 до 3 Вт/см²;

c) либо наносят тонкую пассивирующую пленку, которая может быть керамической или нанокомпозитной, или многокомпонентной пленкой, оксидированным или нитридным композитом толщиной от 2 до 200 нм;

d) либо очищают поверхность струей азота/водорода для удаления свободных наночастиц и активации поверхности (путем смешивания с водорода с азотом).

По завершении подготовки поверхности бумаги или подложки ее помещают в производственную среду, в которой, в зависимости от поставленной задачи, выполняют различные этапы.

i) Металлический электрод (3) с фиг.1 выполняют в виде непрерывной пленки из неорганического металлического или проводящего оксидного или органического материала, такого как P-dot, с удельным электрическим сопротивлением ниже 10^-3 Ом·см, нанесенной посредством любого из перечисленных ниже способов:

I) терморезистивным испарением в вакууме или электроннолучевым испарением в вакуумной атмосфере при давлениях ниже 10^-3 Па, с использованием систем, в которых температура подложки регулируется охлаждением от -20°C до 200°C. Минимальная толщина для использования составляет около 10 нм. Осуществление и выполнение этого способа возможно в непрерывном режиме («с катушки на катушку»), при этом расстояние между подложкой и нитью накаливания зависит от размера используемого листа бумаги и составляет предпочтительно от 25 до 50 см;

II) катодным напылением с помощью магнетрона (с использованием постоянного тока или тока высокой частоты (ВЧ) или тока сверхвысокой частоты (СВЧ)) в атмосфере аргона с добавлением в процессе изготовления кислорода, или без такового, с регулируемой (охлаждением) температурой подложки, при вакуумном давлении от 1 Па до 10^-1 Па, причем с возможностью изменения расстояния мишень - подложка в пределах от 5 см до 15 см, в зависимости от размеров используемой мишени и размеров бумаги для нанесения пленки;

III) струйной печатью с использованием химического раствора, содержащего предназначенные для нанесения органические или неорганические компоненты, с минимальной толщиной нанесенного материала 10 нм;

IV) скоростным нанесением химической эмульсии химического раствора с содержанием предназначенных для нанесения элементов, с толщинами до 400 нм.

ii) При изготовлении органического или неорганического ионного активного полупроводника (1) с фиг.1 и 2 его наносят на образующие бумагу волокна посредством одного из следующих способов:

V) катодным напылением при помощи магнетрона (с использованием постоянного тока или ВЧ, или СВЧ), в реактивной окислительной атмосфере, с использованием металлических или керамических подложек с различными составами и степенью чистоты. При этом возможно использовать давления вакуума от 1 Па до 10^-1 Па; и расстояния мишень - подложка от 5 см до 15 см, в зависимости от размеров используемой мишени и размеров листа бумаги для нанесения покрытия. Толщина составляет примерно от 1 нм до 5000 нм;

VI) вакуумным термическим испарением, либо резистивным, либо электроннолучевым способом, с керамических/оксидных материалов, содержащих металлические элементы для нанесения покрытия, осуществляемое при давлениях вакуума ниже 10^-3 Па, после выполнения операций, описанных для этого способа выше.

VII) химическим разложением пара с использованием плазмы высокой частоты или СВЧ. В этом случае наносимые элементы находятся в газообразной форме, используются давления 10-200 Па, плотности мощности 0,03-2 Вт/см² и частота возбуждения от 13,56 МГц до 60 МГц. Эффективная толщина активного полупроводника составляет примерно от 10 до 800 нм;

VIII) струйной печатью с использованием химического раствора, содержащего органические или неорганические компоненты, с минимальной толщиной нанесенных материалов от 1 нм до 500 нм;

IX) скоростным нанесением химического раствора, содержащего предназначенные для нанесения элементы, с толщиной нанесенных материалов 1-500 нм.

iii) Модифицирующий слой (4) или оболочку (6) корпуса с фиг.1 изготавливают посредством способа, описанного в пункте ii), с использованием материалов того же типа, но обладающих электрическим сопротивлением по меньшей мере на 3 порядка величины выше, чему у любого из активных полупроводников.

С) Изготовление и построение полевых транзисторов с эффектом энергонезависимой памяти

В данном разделе раскрывается изготовление корпусированных или некорпусированных полевых транзисторов n-типа или р-типа с эффектом энергонезависимой памяти, с модифицирующим слоем на контактных поверхностях бумаги, как в качестве примера показано на фиг.2, или без такового, работающих в режиме обогащения или в режиме обеднения, то есть выполненных с возможностью, в зависимости от наличия или отсутствия подачи напряжения на электрод затвора, переходить во включенное состояние или в режим записи информации. Функция бумаги в указанном устройстве с полевым эффектом состоит в обеспечении электрической изоляции, необходимой для осуществления индуцирования электрических зарядов на поверхности контакта бумага-полупроводник и сохранения или удержания зарядов при отсутствии приложенного к электроду затвора напряжения, до тех пор, пока к электроду затвора не будет приложено другое напряжение, равное по величине, но противоположное по знаку. Если приложено напряжение, которое не подходит для удаления сохраненной информации, то интенсивность процесса накопления электрических зарядов либо возрастает (при приложении к электроду затвора напряжений с тем же знаком, что и у напряжения, использованного для сохранения информации, но отличных от указанного напряжения по величине в большую или меньшую сторону), либо уменьшается (при приложении к электроду затвора напряжений, противоположных по знаку напряжению, приложенному к электроду затвора для сохранения электрических зарядов, и имеющих меньшую по сравнению с указанным напряжением абсолютную величину), либо прекращается (при приложении к электроду затвора напряжений, противоположных по знаку напряжению, приложенному к электроду затвора для сохранения электрических зарядов, и по меньшей мере равных указанному напряжению по абсолютной величине). На фиг.2 схематически показан полевой транзистор с эффектом энергонезависимой памяти, в котором волокна распределены в виде различных слоев и помещены в смолу и клеящее вещество, и в котором имеется также пассивация или модификация контактных поверхностей.

Для изготовления наносимой на волокна области (1) канала с фиг.2 используется активный ионный полупроводник с проводимостью р-типа или n-типа, представляющий собой по существу многокомпонентные материалы, такие как оксид цинка, соединенный с алюминием оксид цинка, соединенный с фтором оксид олова или оксид меди, или оксид кадмия, или оксид серебра, или композитные сплавы из индия и молибдена, или композитные сплавы из олова и индия, композитные сплавы из индия и цинка, или композитные сплавы из цинка и галлия, или композитные сплавы из индия, цинка и галлия, или композитные сплавы из индия, цинка и серебра, или композитные сплавы из индия, цинка и циркония, или композитные сплавы из индия, цинка и меди, или композитные сплавы из индия, цинка и кадмия, или композитные сплавы из индия, цинка и олова или композитные сплавы из галлия, цинка и олова, или композитные сплавы из индия, цинка и молибдена, или композитные сплавы из гафния или титана или оксида алюминия или оксида тантала, в составах, содержащих от 0,1% до 99,9% указанных компонентов, с удельным сопротивлением, составляющим 10¹¹-10⁰ Ом·см, зависящим от состава и парциального давления кислорода, используемого в процессе изготовления. Все используемые способы описаны в пункте ii раздела А). Эффективная толщина областей канала составляет 1-500 нм, что значительно, по меньшей мере на один порядок величины, меньше толщины образующих бумагу волокон.

Для изготовления областей (5) истока и стока с фиг.2, расположенных друг от друга на расстоянии от 10 нм до 500 мкм, используют тот же полупроводник, что был описан выше, но с меньшим удельным сопротивлением, составляющим 5-10^-6 Ом·см, или металлы, или сплавы металлов, или многослойные или слоистые структуры, содержащие следующие материалы: титан, алюминий, золото, серебро, хром или молибден, обладающие удельным сопротивлением менее 5 Ом·см, при этом используются те же способы, посредством которых обеспечивается возможность взаимосвязи и соединения содержащих активный полупроводник волокон. Эффективная толщина областей стока и истока составляет от 1 нм до 30000 нм, в зависимости от того, требуется ли интеграция в одиночное волокно, или интеграция и соединение различных содержащих активный полупроводник волокон в одном и том же слое.

Слои, используемые для выполнения модификации или пассивации, или корпусирования, аналогичны указанным в разделе А.

D) Изготовление КМОП (CMOS)-устройств с энергонезависимой памятью

В данном примере рассмотрено одновременное использование двух полевых транзисторов, один из которых, с номером позиции 1 на фиг.3, является транзистором n-типа, работающим в режиме обогащения, а другой, с номером позиции 7. является либо работающим в качестве динамической нагрузки транзистором р-типа, также в режиме обогащения, либо транзистором n-типа, работающим в режиме обеднения, изготовленным согласно вышеизложенному, с пассивирующим слоем на одной или обеих сторонах поверхности бумаги или без такового, что соответствует изготовлению устройства, называемому КМОП (CMOS)-устройством, обладающим энергонезависимой памятью. В схеме такого типа оба транзистора никогда не бывают активированы одновременно, что позволяет использовать ее при построении цифровых схем и логических элементов, способных сохранять электрические заряды. Используемый способ изготовления и толщина различных компонентов совпадают с теми, что были описаны выше для изготовления полевых транзисторов с эффектом энергонезависимой памяти.

Следует понимать, что конкретные реализации указанных устройств и полупроводниковых схем, а также вышеописанные примеры их применения являются лишь возможными вариантами осуществления, приведенными в основном для лучшего пояснения принципов раскрываемого изобретения, относящегося к созданию новых запоминающих устройств, в которых основным компонентом являются волокна бумаги. Приводимые выше варианты осуществления допускают изменения и модификации, не отступающие по существу от идеи и принципа настоящего изобретения. Все такие изменения и модификации должны считаться раскрытыми в данном описании, а также входящими в объем изобретения и защищенными формулой раскрываемого изобретения.

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

К основным отраслям, в которых в настоящее время возможно применение устройств и интегральных схем, изготовленных согласно настоящему изобретению, относятся вся электронная промышленность, полупроводниковая промышленность, производство запоминающих и сходных с запоминающими устройств, производство логических схем, производство измерительного оборудования и датчиков, медицинская и биотехническая промышленность, производство оптоэлектроники, а также микро- и наноэлектроники. Устройства на основе настоящего изобретения предназначены для непосредственного применения в любой электронной технике на основе полевых устройств с эффектом памяти, в том числе, например, в схемах передачи и запоминания информации (запоминающие устройства на сдвиговых регистрах, динамические ОЗУ (RAM)), при построении логических схем, а именно схем буферного и счетного типа; в том числе, конденсаторов большой емкости.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание устройства или устройств, изготавливаемых с использованием несложных и недорогих способов, причем с применением способов, согласующихся с низкотемпературным изготовлением тонких пленок на обеих сторонах бумаги на основе целлюлозы, что позволяет создавать электронную бумагу (paper-е) и, соответственно, экологичную электронику будущего.

При этом не потребуется значительных инвестиций в исследования и разработку подходящего способа изготовления, поскольку необходимые для этого технологические способы согласуются со способами, уже применяемыми в электронной, или оптоэлектронной, или полупроводниковой промышленности, а именно со способами катодного напыления с нанесением покрытия на большие площади или термического испарения, или со способами золь-гель или струйной печати,.

Технические преимущества, предоставляемые настоящим изобретением, обеспечивают возможность активного использования бумаги не только статичным, но и динамическим образом, то есть одновременно в качестве подложки и активного компонента изготовленных на ее основе электронных устройств с энергонезависимой памятью.

Хотя выше было дано подробное описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что возможны различные вариации, замены и изменения, не выходящие за рамки настоящего изобретения, причем даже без наличия всех вышеуказанных преимуществ. Помимо представленных в раскрываемом изобретении иллюстративных вариантов осуществления изобретения, существует множество других вариантов его реализации и комбинаций осуществления, также входящих в объем настоящего изобретения. Кроме того, технологии, конструкции, элементы и способы, описанные и проиллюстрированные в предпочтительном варианте осуществления в качестве отдельных или независимых, могут быть совмещены или интегрированы с другими технологиями, конструкциями, элементами или способами, оставаясь при этом в рамках настоящего изобретения. Хотя для описания настоящего изобретения были приведены несколько вариантов осуществления, указанные варианты могут быть изменены в пределах объема применения настоящего изобретения. Другие примеры вариантов, замен и изменений будут очевидны для специалистов в данной области, и могут быть осуществлены без отступления от сущности настоящего изобретения, оставаясь в объеме настоящего изобретения.

Изобретение относится к использованию и изготовлению материалов на основе натуральных целлюлозных волокон, синтетических волокон или смешанных волокон в качестве несущего основания и средства сохранения или накопителя электронных и ионных зарядов в самостоятельных дискретных или комплементарных полевых транзисторах с энергонезависимой памятью. В способе изготовления активного полевого полупроводникового электронного или оптоэлектроиного устройства с энергонезависимой памятью в состав диэлектрика устройства включают бумагу, содержащую натуральные волокна на основе целлюлозы, синтетические волокна или их сочетания, которые помещают в ионную смолу или клей, а для регулировки электроотрицательности добавляют катионные частицы, например, алюминия, при этом указанные волокна остаются дискретными и соединены химически или механически, на указанную бумагу наносят слой активного полупроводника толщиной по меньшей мере в десять раз меньше толщины волоконной структуры указанной бумаги. Изобретение обеспечивает возможность использования бумаги одновременно в качестве подложки и активного компонента изготовленных на ее основе электронных устройств с энергонезависимой памятью. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления активного полевого полупроводникового электронного или оптоэлектронного устройства с энергонезависимой памятью, содержащий следующие этапы:
в состав диэлектрика указанного устройства включают бумагу (2), содержащую натуральные волокна на основе целлюлозы, синтетические волокна или их сочетания, причем указанные волокна бумаги (2) помещают в ионную смолу или клей, регулировку электроотрицательности которых осуществляют путем добавления катионных частиц, например алюминия, при этом указанные волокна остаются дискретными и соединены химически или механически;
на указанную бумагу наносят слой (1) активного полупроводника толщиной по меньшей мере в десять раз меньше толщины волоконной структуры указанной бумаги.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором величинами электроотрицательности и диэлектрической постоянной бумаги управляют посредством спонтанной электрической поляризации волокон, добавления катионных частиц, например алюминия, регулировки плотности бумаги или сочетания этих способов.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, дополнительно содержащий этап изготовления бумаги, на котором указанные волокна соединяют в слои с использованием по меньше мере одного связующего вещества.

4. Способ по любому из пп.1 или 2, дополнительно содержащий на этапе изготовления бумаги шаг, на котором указанные волокна соединяют в слои посредством механического сжатия.

5. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором указанную пленку (2) используют в качестве подложки указанного устройства, обеспечивающей автономность указанного устройства.

6. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором полупроводник наносят таким образом, чтобы посредством имеющих покрытие дискретных волокон обеспечить возможность соединения между конечными участками области канала (1), представляющими собой области стока и истока (5).

7. Способ по любому из пп.1 или 2, дополнительно содержащий по меньшей мере один этап, на котором на одну или на обе поверхности бумаги наносят компоненты органического или неорганического происхождения с электрическими характеристиками металла (3, 5), полупроводник (1), изолятор (6) или модификацию (4) в виде однокомпонентных, композитных или многослойных двухкомпонентных структур, изготовленных дискретным или непрерывным образом, с образованием активных устройств с комплементарными структурами металл оксид полупроводники, КМОП (CMOS) структурами.

8. Способ по любому из пп.1 или 2, содержащий этап, на котором указанные образующие готовые устройства компоненты изготавливают известным традиционным химическим или физическим способом, или сочетанием таких способов, например напылением, способами с использованием распыления и химической эмульсии, осуществляемыми при комнатной температуре, с возможностью отжига указанных компонентов при температуре до 200°С.

9. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором наносят по меньшей мере один полупроводниковый компонент, такой как:
а) канал (1), содержащий ковалентный неорганический материал или однокомпонентный или композитный ионный материал, или органический материал толщиной от 1 им до 5 мкм, предпочтительно кремниевые сплавы или многокомпонентные оксиды на основе цинка;
b) сток и исток (3, 5) на основе органических или неорганических материалов с высокой проводимостью, сходных по своим свойствам с металлами;
c) диэлектрик (6) толщиной до 30 мкм, для обеспечения защиты от внешнего воздействия.

10. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором на указанной бумаге на основе натуральной или синтетической целлюлозы или их сочетаний перед нанесением любого другого компонента готового устройства выполняют пассивирующий или модифицирующий слой (4).

11. Активное полевое полупроводниковое электронное или оптоэлектронное устройство с энергонезависимой памятью, содержащее:
бумагу (2), выполняющую в указанном устройстве функцию диэлектрика и накопителя зарядов, содержащую натуральные волокна на основе целлюлозы, синтетические волокна или их сочетания, помещенные в ионную смолу или клей с возможностью регулировки электроотрицательности путем добавления катионных частиц, например алюминия, причем указанные волокна остаются дискретными и соединены химически или механически; нанесенный на указанную бумагу слой (1) активного полупроводника по меньшей мере в десять раз тоньше волоконной структуры указанной бумаги.

12. Устройство по п.11, полученное способом по любому из пп.1-10.

13. Устройство по любому из пп.11 или 12, в котором толщина бумаги превышает 10 мкм.

14. Устройство по любому из пп.11 или 12, выполненное с возможностью непрерывного накопления сохраненной информации посредством приложения различных напряжений, положительных или отрицательных, различной амплитуды к непрерывному или дискретному электроду затвора (3), размещенному на той стороне бумаги (2), которая противоположна стороне, содержащей активный полупроводник (1), причем с возможностью удерживать заряды после снятия напряжения, и функционирующее таким образом по принципу работы транзистора с плавающим затвором.

15. Устройство по любому из пп.11 или 12, содержащее комплементарную пару из двух дискретных полупроводников р-типа и n-типа или наоборот, и образующее таким образом комплементарное устройство.