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1. (WO2012003821) IONICALLY CONTROLLED THREE-GATE COMPONENT
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters


B e s c h r e i b u n g Ionisch gesteuertes Dreitorbauelement Die Erfindung betrifft ein welches durch die Bewegung von Ionen bar Stand der Technik Elektrisch löschbare programmierbare Festwertspeicher haben sich als Standard für nichtflüchtige wiederbeschreibbare elektronische Datenspeicher Sie umfassen in der Regel eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren mit isolierten Ist auf dem Gate eine Ladung ist der Feldeffekttransistor was eine logische 1 Enthält das Gate keine sperrt der was eine logische 0 Informationen werden in das EEPROM indem an eine die durch eine Barriere gegen das Gate isoliert ein hoher Spannungspuls angelegt durch können Elektronen die Barriere und es kann eine Ladung auf dem Gate gespeichert oder von diesem wieder abgezogen Nachteilig wird die Barriere bei jedem Schreibvorgang hoch belastet und ist daher einem gressiven Verschleiß so dass die Zahl der Schreibvorgange pro tor begrenzt Zudem stößt die Miniaturisierung von EEPROMs an physikalische da die dass die gespeicherte Ladung durch Tunneln verloren mit der Verkleinerung der Abmessungen exponentiell Die Größe der die auf das Gate transportiert werden ist der begrenzende Faktor für die mit der dies erfolgen Als Alternative zu EEPROMs wurden daher resistive Speicher RRAMs beruhen dass der elektrische Widerstand eines zwischen zwei Elektroden ten aktiven Materials durch Anlegen einer hohen Schreibspannung zwischen mindestens zwei stabilen Zuständen verändert und durch Anlegen einer geringeren Auslesespannung gemessen werden Der Resistive Switching Memories Nanoionic and ced Materials 21 gibt einen Überblick über den aktuellen Nachteilig gibt es speziell bei RRAMs einen bislang nicht gelösten Zielkonflikt zwischen der mit der Information gespeichert und ausgelesen werden und der Langzeitstabilität der gespeicherten Aufgabe und Lösung Es ist daher die Aufgabe der ein Bauelement zur Verfügung zu das sowohl als langzeitstabiler als auch schneller Speicher fungieren Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dreitorbauelement gemäß Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Gegenstand der Erfindung Im Rahmen der Erfindung wurde ein Dreitorbauelement Dieses umfasst eine eine und einen zwischen die und die geschalteten Kanal aus einem dessen elektronische Leitfähigkeit durch Abführung von Ionen veränderlich Unter der elektronischen Leitfähigkeit werden in diesem Zusammenhang auch die schaften einer eventuell im Kanal vorhandenen Supraleitung bei der an die Stelle von Einzel elektronen Auch die Löcherleitung in einem leiter wird als elektronische Leitfähigkeit im Sinne dieser Erfindung Erfindungsgemäß umfasst das Dreitorbauelement ein mit einer kontaktiertes welches derart in Verbindung mit dem Kanal dass es bei gung der mit einem Potential Ionen mit dem Kanal auszutauschen Der Transport von Ionen zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal ändert im Kanal die Konzentration der mobilen Diese Dotierung ändert die Leitfähigkeit des Eine kleine Änderung der Dotierung reicht bereits um die Leitfähigkeit des Kanals um ein Vielfaches zu Dabei kann durchaus das lonenreservoir gleichzeitig als sofern es elektronisch leitfähig Es wurde dass in der Verteilung der insgesamt in lonenreservoir und Kanal denen Ionen auf lonenreservoir und Kanal Information in dem Dreitorbauelement gespeichert werden Die Information kann im Bauelement hinterlegt indem durch Anlegen eines geeigneten Potentials an die die Verteilung der Ionen geändert Durch Messung des elektrischen Widerstands zwischen der und der Elektrode kann diese Information nicht destruktiv ausgelesen Sofern die Ionen in Abwesenheit eines treibenden Potentials an der hinreichend langsam sehen dem Ionenreservoir und dem Kanal ist dieser Speicher nicht Das Bauelement kann digitale Information löschen und Dazu kann beispielsweise eine logische 1 in dem Zustand kodiert in dem der Kanal einen niedrigen elektrischen Widerstand hat und bei Anlegen einer vorgegebenen Auslesespannung einen hen Strom fließen Eine logische 0 ist dann in dem Zustand in dem der Kanal einen hohen elektrischen Widerstand so dass beim Anlegen der Auslesespannung nur ein geringer Strom Es können aber auch beliebige Zwischenwerte gespeichert Das Bauelement ist somit auch als Speicher für analoge wie beispielsweise Es wurde dass mit dieser Form der Speicherung ein grundlegender Zielkonflikt der resistiven Speicher gelöst Herkömmliche resistive Speicher sind so dass sowohl das Speichern als auch das Auslesen von Information durch das legen von Spannungen an die gleichen Elektroden Wird zum Speichern eine hohe Schreibspannung ändert sich der Widerstand des Diese Änderung manifestiert sich beim Anlegen einer deutlich geringeren Auslesespannung in einer Änderung des von dieser Auslesespannung durch den Speicher getriebenen Die Schreibspannung ist nun durch die Abmessungen des Speichers und elektronische dernisse auf wenige Volt Auf der anderen Seite muss die Auslesespannung chend groß um mit einem ausreichenden Signal Verhältnis den Widerstand des Speichermaterials messen zu Somit können und Auslesespannung nur um etwa eine Größenordnung auseinander Zugleich wird bei dem resistiven Speicherelement dass es sich zwar durch gen der Schreibspannung innerhalb weniger Nanosekunden umschalten dass sein stand aber auch bei ständigem Anliegen der Lesespannung über mindestens 10 Jahre stabil Mit einem Spannungsunterschied von nur einer Größenordnung soll somit ein schied von etwa 10 Größenordnungen in den charakteristischen Schaltzeiten begründet Dieser Zielkonflikt ist in der Fachwelt Erfindungsgemäß ist für das Speichern von Information die zusätzliche Die Verteilung der Ionen auf den Kanal und auf das Ionenreservoir ändert sich dann und nur wenn ein entsprechendes treibendes Potential an der angelegt Die zwischen und angelegte Auslesespannung ist auf die Verteilung der Ionen dagegen ohne da beim Auslesen kein elektrisches Feld schen dem Kanal und dem Ionenreservoir aufgebaut Dementsprechend ist es auch gar nicht zum Lesen und zum Schreiben stark unterschiedliche Spannungspegel Der Schaltungsaufwand wird vorteilhaft Es kann aber auch beim sen ein Strom durch den Kanal der wesentlich größer ist als der beim Schreiben sehen Ionenreservoir und Kanal fließende ohne dass hierdurch ein Ionenaustausch zwischen Kanal und Ionenreservoir in Gang gesetzt Wird an die ein geringeres Potential angelegt als notwendig um einen Ionentransport zwischen Ionenreservoir und Kanal so wirkt das Bauelement log einem Feldeffekttransistor als Verstärker und kann als solcher verwendet In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ionenreservoir bei Normbedingungen ein Dieser kann aber auch beispielsweise ein Polymer Dann können sich die Ionen im Wesentlichen nur durch Diffusion innerhalb des Ionenreservoirs sowie zwischen Ionenreservoir und Kanal Andere wie beispielsweise die Konvektion eines flüssigen oder gasförmigen sind der Diffusion Die Diffusion wiederum ist durch das an der Elektrode anliegende Potential in Verbindung mit der Temperatur Als lonenreservoir ist prinzipiell jedes Material das unter Erhalt der lität Kationen Anionen in den Kanal abgeben Diese Fähigkeit besitzt sondere ein das mindestens ein Anion mit variabler Valenz An nem solchen Anion kann eine weitere lonensorte lose gebunden oder es kann ein unbesetzter Platz für ein Ion dieser Sorte Diese Ionensorte ist dann mit gleichsweise geringer Aktivierungsenergie beweglich und kann zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal ausgetauscht Insbesondere kann das das zwischen lonenreservoir und Kanal ausgetauscht bei diesem Austausch oxidiert oder reduziert ionisiert oder deionisiert Vorteilhaft weisen das der Ionenleiter der Kanal eine Kristall struktur die sich beim Austausch von Ionen zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal nicht Das der Ionenleiter der Kanal können alternativ auch amorph Es wurde dass viele Festkörpereigenschaften des des Ionenleiters sowie des insbesondere die elektronische und ionische von der gen Kristallstruktur Wird durch den Transport von Ionen zwischen dem servoir und dem Kanal die Kristallstruktur eines dieser Materialien verändern sich die Eine wohlgeordnete Kristallstruktur wird nun aber in der Regel mit aufwändigen Techniken bei der Herstellung in das Material kann sich aber im Betrieb nicht mehr selbsttätig Jede Verschlechterung der Kristallstruktur beim Austausch von Ionen zwischen lonenreservoir und Kanal bedeutet somit eine le Abnutzung des jeweiligen Somit kann das Bauelement eine besonders große Zahl von Schreibzyklen wenn die Kristallstruktur des des leiters des Kanals sich entweder im Betrieb nicht ändert oder von vornherein weil das jeweilige Material amorph Amorphe deren Eigenschaften nicht an einer wohlgeordneten Kristallstruktur bieten bei der Herstellung des Bauelements den zusätzlichen dass der Spielraum für die Prozessparameter wesentlich größer In einer wohlgeordneten Kristallstruktur können Plätze vorgesehen die Ionen aufnehmen und auch wieder abgeben ohne die Kristall struktur insgesamt zu weise können die Ionen auf Zwischengitterplätzen in das Material des Ionenreservoirs kaliert sie können auf Leerstellen im Kristallgitter des Ionenreservoirs oder sie können entlang von Kristalldefekten Korngrenzen und mobil Die Ionenbeweglichkeit des Ionenreservoirs bei der Einsatztemperatur und der durch den Spannungsabfall zwischen der und dem Kanal vorgegebenen ke bestimmt maßgeblich über die mit der die Leitfähigkeit des Kanals ändert werden Ist der Ionenleiter nicht mit dem lonenreservoir so sollte das lonenreservoir eine hinreichend hohe elektronische Leitfähigkeit damit die Potentialdifferenz schen der und dem Kanal im Wesentlichen über dem Ionenleiter so dass sie die Aktivierungsenergie für den Transport von Ionen durch den Ionenleiter Ist das Ionenreservoir jedoch zugleich so sollte es nur eine geringe elektronische Leitfähigkeit um den Strompfad von der durch den Kanal zur nicht Um die durch den Austausch von Ionen zwischen dem Ionenreservoir und dem Kanal bewirkte Änderung der elektronischen Leitfähigkeit im Kanal nicht zu sollte sich bei diesem Austausch die elektronische Leitfähigkeit des auch als Ionenleiter fungierenden Ionenservoirs um mindestens eine Größenordnung cher ändern als die des Insbesondere sind kristalline oder amorphe Festkörper mit hoher Ionenleitfähigkeit als reservoir Unter den kristallinen Festkörpern sind perowskitische aus nen der Kristall kubisch oder in Form von Lagen zusammengesetzt besonders Beispiele für derartige Materialien sind und In kann das Eisen als und sogar Der Sauerstoffgehalt variiert dabei kontinuierlich zwischen SrFeO2 über zu SrFeO3 Das tallgitter wird dabei aber die Perovskitstruktur bleibt solange die mensetzung nicht zu weit von der stöchiometri sehen Zusammensetzung Das rial kann somit erhebliche Mengen an Sauerstoff aufnehmen oder ohne sich rell zu stark zu Es besteht eine Parallele zu den Speichermaterialien für Ionen in wie Statt des Lithiumgehalts in LiFePO4 wird in SrFeO3 der Sauerstoffgehalt und um die Ladungsneutralität zu ändert in beiden Fällen das seine Grundsätzlich sind Edelmetalle besonders gut als Elektroden um ein Oxid als Kanal oder Ionenreservoir zu Dagegen sind unedle Metalle wie Indium oder Aluminium besonders gut als Elektroden um ein Oxid spielsweise zu Oxide mit hoher elektrischer wie SrRuO3 oder sind universell einsetzbare Materialien für Diese Oxide am Beispiel von beispielsweise mit zweiwertigen nen wie Sr oder Ba oder aber mit vierwertigen Kationen wie Die Dotierung mit den Fremdatomen leistet dann jeweils einen deutlich größeren Beitrag zur elektronischen Leitfähigkeit als die Dotierung durch Sauerstoffdefizit oder Somit wird die Leitfähigkeit normal leitender Oxide durch die Dotierung mit Fremdatomen im sentlichen unabhängig vom Die Elektroden können aber auch tursupraleiter sein oder Kombinationen der hier aufgeführten Materialien Vorteilhaft beträgt der durch den Kanal überbrückte Abstand zwischen der und der zwischen 20 nm und 10 bevorzugt zwischen 20 nm und 1 Vorteilhaft ist der Kanal als dünne Schicht mit einer Dicke zwischen 3 und 50 bevorzugt zwischen 5 und 20 Diese Maßnahmen verringern einzeln oder in on die Kapazität des Kanals und damit die die sowohl zur Änderung als auch zur Messung seines elektrischen Widerstands transportiert den Die Geschwindigkeit des Schreibens und des Lesens ist dadurch vorteilhaft In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das lonenreservoir über einen der eine um mindestens 2 Größenordnungen geringere elektronische Leitfähigkeit hat als der mit dem Kanal Dann ist die Verteilung der Ionen auf Kanal und lonenreservoir in Abwesenheit eines Potentials an der als treibende Kraft für die Diffusion besonders Als Faustformel sollte für die spezifischen Widerstände rL des Ionenleiters und rK des Kanals worin dL und dK die Dicken von Ionenleiter und Kanal sind und worin 1 die Länge des Kanals zwischen und Wird der Kanal nimmt der tige spezifische Widerstand rL des Ionenleiters überproportional Insofern ist es das Bauelement lateral weil dadurch mehr Materialien als lonenleiter verwendbar Der Potentialdifferenz zwischen und Kanal kommt in einer weiteren ders vorteilhaften Ausgestaltung der in der das lonenreservoir Sauerstoffionen mit dem Kanal auszutauschen besondere Bedeutung als treibende Kraft für den tausch In allen bekannten Ionenleitern diffundieren Sauerstoffionen bei Raumtemperatur ohne ein hinreichend starkes elektrisches Feld als treibende Kraft nur unmessbar Daher müssen beispielsweise Brennstoffzellen mit bei denen als bende Kraft für die durch den Elektrolyten zu leitenden Sauerstoffionen nur die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung in der Größenordnung 1 Volt zur Verfügung bei Temperaturen in der Größenordnung betrieben In einer Brennstoffzelle hat der Ionenleiter jedoch eine Dicke von mehreren 100 Im erfindungsgemäßen Dreitorbauelement weist der Ionenleiter dagegen vorteilhaft eine Dicke von 100 Nanometern oder bevorzugt von 50 Nanometern oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 30 Nanometern oder weniger Eine Dicke von 100 metern verstärkt bei gleicher über dem Ionenleiter abfallender Spannung das elektrische Feld um das Weil dieses elektrische Feld die Aktivierungsenergie für den nentransport steigt der Transport überproportional Somit ist das Schreiben von formation in das Dreitorbauelement auch bei Raumtemperatur Eine im Vergleich zur ionischen Leitfähigkeit deutlich geringere elektronische Leitfähigkeit des Ionenleiters hat die weitere dass ein an die angelegtes Potential vollständig für die Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen Ionenreservoir und Kanal genutzt werden Leitet der Ionenleiter Elektronen zu so wird das Potential zum Teil kurzgeschlossen und steht nur noch eingeschränkt als treibende Kraft für den Austausch von Ionen zur Außerdem wird so dass der Kanal durch das parallel schaltete Reservoir kurzgeschlossen Als als Ionenreservoir als Kanal ist insbesondere jeweils ein elektrolyt Es wurde dass gerade ein Festkörperelektrolyt eine gute ionische Leitfähigkeit mit einer guten elektronischen Isolation zwischen Ionenreservoir und Kanal kombinieren Speziell in jedem stabilen Oxid mit geringer elektronischer Leitfähigkeit kann prinzipiell der Transport von Ionen erzwungen wenn die Potentialdifferenz schen der und dem Kanal hierfür ein hinreichend starkes elektrisches Feld Beispiele für solche Materialien sind oder Al2O3 Vorteilhaft ist der Festkörperelektrolyt ein in dem die Aktivierungsenergie für die Diffusion von Sauerstoffionen bei Temperaturen oberhalb 400 weniger als 1 bevorzugt weniger als Beispiele für solche Materialien sind konoxid und In einem solchen Material werden Sauerstoffionen durch Platzwechsel mit Gitterlücken Dabei müssen sie eine tentialbarriere bei der das erfindungsgemäße Bauelement in der Regel eingesetzt liefert keine hinreichende Aktivierungsenergie für die dung dieser Daher findet kein Sauerstofftransport statt und eine in das element geschriebene Information ist bei Raumtemperatur lange Zeit Erst ein durch Anlegen eines Potentials an die erzeugtes elektrisches Feld im Ionenleiter fert die Aktivierungsenergie für den Austausch von Ionen zwischen Ionenreservoir und Der Ionenstrom folgt dabei der Gleichung I I0 wobei I der I0 ein ΔΗ die Aktivierungsenergie für den Sprung von einem besetzten zu einem unbesetzten Gitterplatz 1 q der Betrag der Ladung des transportierten Ions der d die Sprungdistanz des Ions von einem besetzten in einen unbesetzten Gitterplatz 200 E die k die Boltzmannkonstante und T die Temperatur in Kelvin Im Bereich niedriger zum Beispiel in Hochtemperaturbrennstoffzellen als wichtige Anwendung von ist der Strom annähernd proportional zur Feldstärke und der Ionenleiter folgt dem Im für die vorliegende Erfindung relevanten Bereich hoher ke liefert jedoch das elektrische Feld einen signifikanten Beitrag zur Die Feldstärke liegt dazu im Bereich von wenn ein Ion in eine benachbarte Leerstelle in Richtung der ist die Energiebarriere für den Sprung um oder mehr was den Transport um Größenordnungen Für das Bauelement kommen auch Materialien in die für Anwendungen in SOFC eine zu hohe elektronische Leitfähigkeit Je kürzer der Kanal desto höher kann die Leitfähigkeit des lonenleiters Die Aktivierungsenergie ist an Stapelfehlern und anderen ausgedehnten Gitterdefekten besonders so dass der Transport entlang dieser Defekte erleichtert Vorteilhaft ist der Festkörperelektrolyt ein amorphes Vorteilhaft neigt dieses nicht zur Kristallisation und ist in einem weiten Temperaturbereich chemisch Dann gibt es im Festkörperelektrolyten prinzipiell keine Versetzungen und andere welche punktuell zu stark veränderten Eigenschaften fuhren Seine Eigenschaften sind also räumlich Wenn das Material nicht dazu eine kristalline Ordnung bilden sich Fehlstellen der genannten Art auch nach einer hohen Anzahl zyklen Seine Eigenschaften sind somit langzeitstabil und degradieren im Betrieb Beispiele für solche Festkörperelektrolyten sind LaLuO3 und Dünnschichten sind auch bei Temperaturen bis 1000 kurzzeitig stabil und ben Vorteilhaft ist der Festkörperelektrolyt ein Oxid mit offener großen gitterplätzen oder in denen Ionen driften Beispiele für solche Materialien sind WO3 und Vorteilhaft weist der Ionenleiter der Festkörperelektrolyt eine anisotrope für Ionen Dazu kann er beispielsweise eindimensionale Kanäle in denen Dotierstoffe interkaliert Er kann aber auch Grenzflächen zwischen verschiedenen rialien entlang derer sich Ionen in zwei Dimensionen zwischen dem Ionenreservoir und dem Kanal bewegen Vorteilhaft treffen die Kanäle Grenzflächen im Wesentlichen senkrecht zur Stromrichtung durch den Kanal auf den Dann werden nen im Wesentlichen nur dort in den Kanal injiziert oder von dort wo die Kanäle Grenzflächen So kann beispielsweise der Ionengehalt des in einem gezielt beeinflusst ohne dass dabei die supraleitenden die durch das getrennt verändert Eine anisotrope Beweglichkeit für Ionen kann beispielsweise realisiert indem der nenleiter Festkörperelektrolyt eine Lagenstruktur wobei der ionische Transport entlang dieser Lagen gegenüber dem Transport senkrecht zu diesen Lagen mindestens um ne Größenordnung begünstigt Beispiele für solche Materialien sind Kupferoxid sowie Wenn ein solcher Ionenleiter Festkörperelektrolyt Ionen mit einem benachbarten al austauschen ist es wenn die Grenzfläche zu dem benachbarten Material die Lagen Dies lässt sich durch die Kristallorientierung der Substratoberfläche im sammenspiel mit den insbesondere mit der Ein solcher Wachstumsprozess ist in Divin et YBa2Cu3O7 thin films on NdGa03 Die elektronische Leitfähigkeit weist in der Regel die gleichen Vorzugsrichtungen auf wie die ionische Statt können auch andere Ionen zum Schalten benutzt Geeignete für sind zum Beispiel Iodid und Für kommen beispielsweise WO3 oder Na3Zr2Si2PO12 in Bestimmte Polymere wie Nafion haben eine hohe Leitfähigkeit für Für das Schreiben kommt es auf die Gesamtzahl der transportierten Ionen Um diese samtzahl zu kann über längere Zeit eine geringe Spannung an die angelegt oder es kann für kurze Zeit eine höhere Spannung angelegt Der Transport von Ionen durch einen Festkörperelektrolyten ist im Bereich hoher Feldstärke ein nichtlinearer Fällt eine höhere Spannung über dem Festkörperelektrolyten wird pro Zeiteinheit eine überproportional höhere Anzahl Ionen Somit kann die geschwindigkeit deutlich gesteigert wenn ein kurzer Puls mit einer höheren spannung an die angelegt und Kanal bilden einen der durch den Ladungstransport schen und Kanal aufgeladen Ist der elektronische Widerstand des leiters sehr entlädt sich dieser Kondensator nur sehr Dann kann es vorteilhaft nach dem Anlegen des kurzen Pulses mit der hohen Schreibspannung einen längeren Puls mit deutlich geringerer Spannung und entgegengesetzter Polarität Dies lädt den aus und Kanal gebildeten macht aber den zuvor ten Ionentransport zwischen und Kanal nur zu einem geringen Anteil wieder weil dieser Transport bei geringen Spannungen überproportional langsamer Vorteilhaft hat das Potential im Ionenleiter entlang des Weges vom lonenreservoir zum Kanal einen asymmetrischen Wie eine solche Potentiallandschaft realisiert werden ist beispielsweise in der EP 1 012 885 B1 Dann hängt die Aktivierungsenergie für den Ionentransport durch den lonenleiter von der Richtung des Transports Für den nentransport vom lonenreservoir zum Kanal einerseits und für den umgekehrten port vom Kanal zum lonenreservoir andererseits sind signifikant verschiedene energien Hierdurch kann beispielsweise der Ionentransport vom lonenreservoir zum Kanal gegenüber dem umgekehrten Weg energetisch bevorzugt Es gibt dann bei denen der Ionenleiter im Wesentlichen nur in einer Richtung für Ionen durchlässig ist und somit als Ionengleichrichter Dies lässt sich beispielsweise indem der Ionenleiter der Kanal aus mindestens 3 Multilagen gefertigt deren Potentialverläufe ein Übergitter Das Ionenreservoir kann zugleich Ionenleiter was die Herstellung des ments Es besteht dann jedoch ein Zielkonflikt zwischen der Eigenschaft als dessen Beladungszustand mit Ionen veränderlich sein und der Eigenschaft als der seine Stöchiometrie nicht ändern und eine geringe elektronische keit behalten Beispiele für die unter Erhalt der Ladungsneutralität nen Anionen in den Kanal abgeben können und trotzdem gleichzeitig eine gleichsweise geringe elektronische Leitfähigkeit sind und Der Sauerstoffgehalt dieser Materialien kann durch variable Valenz eines ons geändert Viele wie etwa können durch Erhöhung oder Erniedrigung des halts von elektronischem über Isolator zu elektronischem verwandelt In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kanal her ein dessen elektronischer Widerstand durch oder Auslagerung von Ionen aus dem Ionenreservoir um mindestens eine Größenordnung veränderlich Dies lässt sich beispielsweise indem das Metalloxid in seiner stöchiometrischen zung ein elektronischer Isolator ist und bei Abweichung von dieser Zusammensetzung leitend wird Vorteilhaft weist dieses Metalloxid eine Perowskitstruktur Es kann dann besonders gut als epitaktisches Schichtsystem auf einem als strat realisiert Als Substrat sind beispielsweise MgO oder NdGaO3 Damit Ionen zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir mit einer für gen hinreichenden Geschwindigkeit ausgetauscht werden sollten sowohl der Kanal als auch das Ionenreservoir eine hinreichende Leitfähigkeit für die Ionen von mindestens bei einer Feldstärke von 1 Die notwendige Leitfähigkeit für eine konkrete Anwendung lässt sich mit den bekannten Transportgesetzen aus der zu tierenden Anzahl von der zur Verfügung stehenden der angestrebten zeit sowie geometrischen Faktoren Beispielsweise genügen für die meisten wendungen mit einem wie zum Beispiel in einem supraleitenden Quant ninterferometer wesentlich längere Schaltzeiten als in einem bis in die Größenordnung von 1 In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen das lonenreservoir und der Kanal Halbleiter mit gleichgerichteten Dotierungen und der lonenleiter umfasst einen Halbleiter mit der entgegengesetzten Dann können für nenreservoir und lonenleiter ähnliche und damit bei der Fertigung zueinander kompatible terialien verwendet Es kann sogar das gleiche Material verwendet so dass der Unterschied zwischen lonenreservoir und Ionenleiter nur noch in den lichen Dotierungen Stöchiometrisch gesehen besteht dieser Unterschied dann nur in Mengen der verwendeten wobei die Konzentration an Dotierstoffen bei Oxiden in der Regel lediglich im Prozentbereich Die zwischen Kanal und leiter sowie zwischen lonenleiter und lonenreservoir können zusätzlich für elektrische on des Kanals In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auf einen Ionenleiter ganz verzichtet Das lonenreservoir und der Kanal umfassen in dieser Ausgestaltung leiter mit entgegengesetzten Dotierungen Dann kann das lonenreservoir bei neter Verteilung der Ionen als Teil des Kanals Ist etwa das lonenreservoir und der Kanal so steigt die Leitfähigkeit von lonenreservoir und Kanal wenn Sauerstoffionen vom ins Gebiet transportiert Werden Sauerstoffionen in umgekehrter Richtung sinkt dementsprechend die keit von lonenreservoir und Kanal In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Abschnitt des Kanals eine Sprungtemperatur unterhalb der er supraleitend Dann können die genschaften dieses die nach dem bisherigen Stand der Technik durch konstanten festgelegt durch Anlegen eines Potentials an die Elektrode geändert Insbesondere können der kritische Strom und der normalleitende der sich beim Überschreiten des kritischen Stroms geändert So können se Schwingkreise in Quellen oder Detektoren Oszillatoren für durchgestimmt Ein Dünnfilm kann gar zwischen dem supraleitenden und dem malleitenden Zustand und hergeschaltet Nach dem bisherigen Stand der Technik konnten Supraleiter und lediglich lokal durch ein elektrisches ein Magnetfeld oder durch Laserbestrahlung zwischen dem normalleitenden und dem tenden Zustand geschaltet Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäß ermöglichten Schalten waren diese Effekte rein elektronischer Natur und daher Erfindungsgemäß lassen sich dagegen nichtflüchtige reversible Schalter oder Bauelemente mit einstellbaren genschaften aus Supraleitern Der supraleitende Abschnitt kann als Einkristall realisiert Insbesondere kann der gesamte Kanal zwischen und als supraleitender Einkristall realisiert Der supraleitende Abschnitt kann aber auch eine Mehrzahl von die elektrisch in Reihe geschaltet beispielsweise indem sie nicht parallel zum Strompfad zwischen und Sie können insbesondere quer zu sem Strompfad Solche Defekte können insbesondere Stapel fehler und Zwillingsgrenzen Der Transport von Ionen aus dem Ionenleiter und den Kanal findet dann bevorzugt an den Defekten und der Schalteffekt ist durch die Serienschaltung der Korngrenzen als Die nicht parallele Orientierung der Defekte zum Strompfad dass ein Kurzschluss zwischen und Auch wenn der Abschnitt nicht supraleitend beispielsweise wenn er sich oberhalb seiner kritischen Temperatur Tc befindet oder ganz allgemein überhaupt nicht aus einem den Material wird der elektrische Widerstand des Kanals maßgeblich durch die dung der Korngrenzen mit Ionen bestimmt und kann somit über die Beladung gezielt variiert Die Defekte können alternativ auch parallel zur Stromrichtung im Kanal Dann können sie zwar nicht als jedoch den Ionenaustausch des Kanals mit dem Ionenleiter Ionenreservoir Das Schalten supraleitender Eigenschaften durch Ionentransport kommt insbesondere in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zum In dieser staltung sind zwei Abschnitte des die unterhalb einer Sprungtemperatur supraleitend durch eine Barriere die Ionen mit dem Ionenreservoir auszutauschen Insbesondere kann die Barriere ein so dass die beiden Abschnitte des Kanals zusammen mit dem einen Dabei kann das link insbesondere in einer Komgrenze zwischen den supraleitenden Abschnitten Sowohl die makroskopische Leitfähigkeit der Barriere als auch die quantenmechanische rierenhöhe für die zwischen den supraleitenden Abschnitten tunnelnden sind dann durch und Auslagern von Ionen in den mittels Anlegen des passenden Potentials an der Insbesondere der kritische Strom und der stand im normalleitenden Zustand als die grundlegenden Parameter eines jeden Kontakts lassen sich auf diese Weise Solchermaßen durchstimmbare Kontakte können in quantenelektronischen insbesondere in supraleitenden Quanteninterferometern oder in für die beispielsweise in Quellen oder Detektoren für Strahlung im quenzbereich zwischen und 10 Verwendung Strahlung in diesem bereich wird beispielsweise für die chemische Analyse von Proben mittels Spektroskopie Erfindungsgemäß durchstimmbare können auch in digitalen Schaltungen auf der Basis der Rapid Single Flux oder in Quantencomputern Verwendung Die Sprungtemperatur liegt vorteilhaft oberhalb von 77 Dann ist eine Kühlung mit gem Stickstoff Beispiele für die in dem mäßen Dreitorbauelement verwendet werden sind insbesondere Kuprate der Formel oder Kuprate der Formel worin R ein tenerdmetall oder eine Kombination von Seltenerdmetallen R kann insbesondere ein tenerdmetall aus der Gruppe Auch und Oxide können als Hochtemperatursupraleiter verwendet Auch Pniktide und tide auf Eisenbasis kommen in falls sie eine ausreichend hohe Sprungtemperatur Für Eisenpniktide wurden bisher Sprungtemperaturen bis hinauf zu etwa 55 K In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kanal ein das durch eine Veränderung seines Sauerstoffgehalts oder Fluorgehalts von einem ter in einen Supraleiter und besonders bevorzugt auch in einen Halbleiter verwandelt werden Solche Materialien sind beispielsweise oder die zusätzlich ein oder mehrere Erdalkalimetalle wie etwa La2CuO4Fx oder Die Eigenschaften von Ionenreservoir Ionenleiter können durch gezielt zeugte Defekte und durch gezielte Orientierung des Kristallgitters maßgeschneidert So kann zum Beispiel ein als Kanal realisiert indem zwei Abschnitte aus ein und demselben supraleitenden al mit unterschiedlichen Kristallorientierungen aneinander angrenzend angeordnet Die Korngrenze zwischen den beiden Abschnitten bildet dann die Außerdem kann das Kristallgitter so orientiert dass die Richtung mit hoher Ionenbeweglichkeit mit der Speziell die hochtemperatursupraleitenden Kuprate sind besonders vorteilhaft für die sierung eines In diesen Kupraten findet der transport bevorzugt entlang von Korngrenzen sowie in den zwischen den Lagen Sind die Lagen nun parallel zur Grenzfläche zwischen Kanal und Ionenleiter insbesondere parallel zur Kristallorientierung des können nur wenige nen die Grenzfläche zwischen den supraleitenden Abschnitten des Kanals und dem Ionenleiter Der Ionenaustausch zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir über den leiter konzentriert sich dann im Wesentlichen auf die Korngrenze zwischen den den Abschnitten des die zugleich das des de die Eigenschaften dieses aber sollen durch den Ionenaustausch verändert Der Effekt kann noch verstärkt wenn die Korngrenze im Kanal an eine grenze im Ionenleiter Vorteilhaft ist die dem lonenleiter abgewandte Grenzfläche des mit einer zweiten Wird auch diese Elektrode mit einem Potential das bevorzugt eine andere Polarität aufweist als das an der ersten angelegte kann die insgesamt über dem lonenleiter abfallende Spannung und damit der port von Ionen erhöht Die Materialien von Ionenreservoir Ionenleiter können in reiner Form gen oder aber mit geeigneten Elementen dotiert um die wie etwa die elektrische Leitfähigkeit oder die optimal Sie können in chiometrischer Zusammensetzung vorliegen oder aber gegenüber dieser Zusammensetzung im Gehalt eines oder mehrerer wie beispielsweise erhöht oder erniedrigt Insbesondere kann vorteilhaft der Kanal im Gehalt desjenigen Elements erhöht oder niedrigt dessen Ionen zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir ausgetauscht werden Auf diese Weise kann ein Arbeitspunkt des Dreitorbauelements voreingestellt Durch Anlegen einer Spannung an die können dann die Eigenschaften des Kanals um diesen Arbeitspunkt herum variiert Ionenreservoir Ionenleiter können als dünne Schichten auf einem Substrat realisiert Sie können beispielsweise durch Sputtern PLD oder CVD hergestellt In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kanal eine ge Grenzschicht zwischen zwei um mindestens eine Größenordnung schlechter leitenden Diese Grenzschicht kann beispielsweise ein zweidimensionales Elektronengas Sie kann aber auch beispielsweise durch Interdiffusion zwischen aneinander grenzenden terialien die sich gegenseitig Diese Materialien können insbesondere Halbleiter Eine leitfähige Grenzschicht entsteht beispielsweise zwischen und Sie hat nicht nur eine hohe elektronische sondern ist gleichzeitig auch extrem Somit müssen nur wenige Ionen oder abgeführt um die Leitfähigkeit eines solchen Kanals sehr stark zu Dies ist in sehr kurzer Zeit so dass das Bauelement mit einem solchen Kanal ein ders schneller Schalter Auf eine möglichst große und damit Schreibgeschwindigkeit kommt es insbesondere wenn mit dem Bauelement ein Speicher realisiert der analog dem herkömmlichen DRAM destruktiv ausgelesen Dann ist es die Information nach jedem lesen erneut Hierbei ist auch die Reversibilität der Speicherung in dem dungsgemäßen Bauelement über eine sehr große Anzahl von Schreibzyklen von Um das Schreiben von Information in das Dreitorbauelement zu kann dieses durch Beaufschlagung des Kanals mit einem erhöhten Strompuls oder durch eine hierfür gesehene separate Heizleitung kurzzeitig erwärmt Der auf dessen ratur es beim Schreiben kann insbesondere zeitgleich durch resistives Heizen des Kanals und durch den für das Schreiben an die angelegten Strompuls erwärmt Das Bauelement kann beispielsweise mit hochauflösender Lithografie und chemischem physikalischen Ätzverfahren hergestellt Ein geeignetes Ätzmittel für La2CuO4 und ist ethanolische Generell sind wasserfreie mittel von da einige der Mischoxide hydrolysieren und Hydroxide was die Oberfläche Vorteilhaft wird das Bauelement unter Schutzgasatmosphäre Dadurch wird dass der das Ionenreservoir der Ionenleiter Feuchtigkeit CO2 oder andere Gase aus der Umgebung aufnehmen Nach der Herstellung und vor dem Ausschleusen kann das Bauelement mit einer dünnen beispielsweise aus versehen um die Aufnahme von Feuchtigkeit und sonstige Degradationen der Oberfläche zu Bereits 1 nm hat sich in den Versuchen der Erfinder als wirksam Das Bauelement kann nach der Herstellung in definierter Atmosphäre wärmebehandelt Dadurch kann beispielsweise eine Interdiffusion von Dotierstoffen in das jeweilige zu dotierende Material herbeigeführt um die Dotierung homogen im Material zu Es kann aber auch das beispielsweise mit aufgefüllt Wenn dies mit molekularem Sauerstoff allein nicht möglich kann die Beladung durch ein durch atomaren Sauerstoff oder durch Ozon unterstützt Generell ist es für das Funktionieren des Bauelements nicht zwingend dass die Grenzflächen zwischen lonenleiter und Kanal absolut scharf Vielmehr können alle Komponenten auch als Multilagen oder Gradientenschichten realisiert Bei den Materialien für Ionenleiter und Kanal handelt es sich in aller Regel nicht um sondern um Werden diese Verbindungen epitaktisch auf ein Substrat so weist die jeweilige Oberfläche einen Überschuss an gen Element mit dem die Epitaxie beendet Dieses Element kann als Dotierstoff für die nächste aufzubringende Komponente Die Affinität von als Schichten aufgebrachten Materialien für den Ionentransport kann bei der Herstellung des Bauelements gezielt beeinflusst indem das Substrat während des Aufbringens der Schichten mechanisch verspannt Dadurch können beispielsweise entlang derer Ionen transportiert aufgeweitet was den Ionentransport Spezieller Beschreibungsteil Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt Es ist Figur 1 Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Figur Änderung des Widerstands zwischen und eines erfmdungsgemäßen Bauelements nach sukzessiver Beaufschlagung mit betragsmäßig zunehmenden und in der Polarität alternierenden wobei jeweils die gleiche Ladung von 10 mC transportiert Figur Änderung des Widerstands zwischen und eines erfindungsgemäßen Bauelements nach sukzessiver Beaufschlagung mit in der tät alternierenden Strömen gleichen Betrags für eine zunehmende Figur Berechnung des feldabhängigen Ionenstroms I für zwei hypothetische Materialien mit einer Aktivierungsenergie ΔΗ von eV eV für den Sprung von einem besetzten Gitterplatz zum nächsten unbesetzten dargestellt für drei schiedene Figur Weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements mit einem der eine anisotrope Ionenleitfähigkeit Figur Weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements mit einem der als ausgebildet Figur 1 zeigt eine Skizze eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen ments im Auf einem isolierenden Substrat 1 ist der Kanal der zwei Elektroden 3 und miteinander als dünne Schicht Auf den Kanal 2 sind ein Ionenleiter 4 und ein lonenreservoir 5 ebenfalls als dünne Schichten Das lonenreservoir ist mit einer Gate 6 Wird diese Elektrode über die Zuleitung mit einem Potential so kann das lonenreservoir 5 durch den Ionenleiter 4 hindurch Ionen mit dem Kanal 2 während es nisch von dem Kanal isoliert Dadurch ändert sich die elektronische Leitfähigkeit des Kanals Auf diese Weise kann Information in dem Dreitorbauelement hinterlegt Die Information kann wieder ausgelesen indem die mit dem Kanal 2 verbundenen troden 3 über die Zuleitungen und mit einer Auslesespannung beaufschlagt werden und der durch den Kanal 2 getriebene Strom gemessen Die Schichtfolge kann auch züglich des Substrats invertiert sodass die zuerst auf dem Substrat niert wird und der Kanal somit oben Die für die folgenden Tests verwendeten Bauelemente wurden mit Schattenmasken durch welche die Schichten auf dem Substrat örtlich begrenzt abgeschieden Der Kanal aus La2CuO4 war 2 mm 5 nm dick und überbrückte zwischen Elektrode und eine Strecke von 1 Der Ionenleiter aus SrTiO3 war etwa 10 nm und waren aus gut leitendem La1 Die stellte gleichzeitig auch das lonenreservoir Das Bauelement wurde auf einem rhomboedrischen LaAIO3 Substrat In Figur 2 ist für dieses Bauelement der Widerstand zwischen und Elektrode nach sukzessiver Beaufschlagung der Elektrode mit betragsmäßig höheren Spannungen über der Versuchszeit Zwischen zwei Beaufschlagungen wechselte jeweils das Vorzeichen der an die angelegten so dass der stand zwischen und abwechselnd und Die Spannungen wurden jeweils so dass das Produkt aus dem durch den Ionenleiter triebenen Strom und der Pulsdauer immer die gleiche transportierte Ladung von 10 mC Strom und Pulsdauer sind an jedem Messpunkt Die Widerstandsänderung wird mit höherer angelegter Spannung erkennbar obwohl die gleiche Ladung transportiert Dies ist ein Beweis dass der Transport der Ionen ein nichtlinearer Effekt ist und sich die Ionen bei höherer Spannung besser im Ionenleiter und im Kanal Trotz der großen transportierten Ladungsdichte von 5000 ändert sich der Widerstand zwischen und nur um etwa 2 Damit ist die insgesamt erzielbare partielle ionische Leitfähigkeit sehr Die Erfinder führen dies darauf dass es sich bei dem Bauelement um einen of sen Herstellung noch erhebliches Verbesserungspotential zum Beispiel indem man das Bauteil lateral auf oder sogar Insbesondere deutet die Sättigung des Effekts bei dieser kleinen Schaltamplitude auf elles Schalten zum Beispiel an Der Kanal scheint außerdem durch on während der Herstellung dotiert worden zu wodurch sein Widerstand unerwartet niedrig und prozentual weniger durch Sauerstoffeinlagerung veränderlich In Figur 3 wurde das in Figur 2 untersuchte Bauelement erneut mit wechselnden Polaritäten Die in Figur 2 eingezeichneten die die Abfolge der Messpunkte sind in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit Dabei floss stets der gleiche Strom durch den aber für unterschiedlich lange Zeiten zwischen 1 ms und 66 so dass in längeren Schaltzeiten auch eine größere Ladung transportiert Das element schaltet in 1 ms um 1 des und in 66 s schaltet es um etwas mehr als In Figur 4 ist der gemäß der Gleichung I I0 berechnete abhängige lonenstrom I für zwei hypothetische Materialien mit einer Aktivierungsenergie ΔΗ von eV niedriger Wert für und eV hoher Wert für für den Sprung von einem besetzten Gitterplatz zum nächsten unbesetzten Gitterplatz Die Rechnung wurde für drei verschiedene Temperaturen Ab etwa 100 ist der Transport überproportional Dies entspricht in etwa den bei denen das Material elektronisch Man dass ein Material mit niedriger Aktivierungsenergie günstiger weil der Transport schon bei geringerer Feldstärke stark beschleunigt Die maximal im Material zielbare Feldstärke ist durch dessen elektronische Leitfähigkeit Je höher diese fähigkeit desto größer ist der der benötigt um eine vorgegebene ferenz und damit Feldstärke über das Material Dieser Strom nimmt mit der Feldstärke überproportional Die Grenze für die erzielbare Feldstärke ist wenn das Material elektronisch Figur 5 zeigt eine Skizze eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen torbauelements in perspektivischer In diesem Ausführungsbeispiel sind der Kanal 2 und der Ionenleiter der zugleich als Ionenreservoir 5 in Form von epitaktischen Schichten auf einem einkristallinen Substrat 1 Die Grenzen der Einheitszellen von Substrat 1 und Kanal 2 sind zur Verdeutlichung der jeweiligen Kristallorientierungen durch die Schraffur Die Kristallstruktur des wie zum Beispiel oder ist schichtartig mit hoher Sauerstoffbeweglichkeit in hier getönt eingezeichneten Kristallebenen Dies führt zu einer stark anisotropen Der Kanal leitet entlang der bevorzugten Kristallebenen E um einen Faktor 1000 besser als senkrecht zu diesen Dementsprechend können Ionen zwischen dem und dem Kanal 2 bevorzugt entlang dieser Ebenen E ausgetauscht Die Orientierung der Ebenen E relativ zur Substratoberfläche wird durch die an der orientierung der Substratoberfläche im Zusammenspiel mit den Wachstumsparametern Vorteilhaft sind die bevorzugten Ebenen E so dass sich das durch Anlegen eines Potentials an die 6 im einstellende elektrische Feld in eine Linearkombination zerlegen in der eine Komponente parallel zu den bevorzugten Ebenen E Dies sollte auch für die bevorzugten Ebenen E des Ionenreservoirs 4 nenleiters 5 sofern das Ionenreservoir 4 der Ionenleiter 5 ebenfalls anisotrope Ionenleitfähigkeiten Ist das Kanalmaterial sind die bevorzugten Ebenen E die Ist das Kanalmaterial sind die bevorzugten Ebenen E Ebenen aus plätzen zwischen den Um einen niedrigen elektronischen Widerstand des Kanals 2 zwischen und Elektrode zu ist es die Elektroden in der gezeigten Abbildung an der und Hinterkante des Kanals Der fließt dann senkrecht durch die So liegen die Ebenen mit hoher elektronischer Leitfähigkeit der die parallel zu den Ebenen E mit hoher weglichkeit ohne Unterbrechung im Figur 6 ist eine Skizze eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen bauelements in perspektivischer In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kanal 2 als ausgebildet und in Form von epitaktischen Schichten auf einem Substrat 1 Eine gezielt erzeugte Korngrenze K bildet das im den Kanal Der Kanal ist durch zwei Elektroden 3 und Das kann mit dem Ionenreservoir 4 Ionenleiter 5 wenn ein Potential an die 6 angelegt Dadurch lassen sich seine elektronischen Eigenschaften im eingebauten Zustand Die Grenzen der heitszellen von Substrat 1 und Kanal 2 sind wie in Figur 5 durch die Schraffur insufficientOCRQuality