Brevet FR2094155A1 — publié le 19720204

On s'est considérablement intéressé à l'oxyde de vanadium CVO ) depuis la publication de F. J. florin dans les Physical Review Letters, Volume 3, page 34, de 1959 qui rapportait une transition brutale de sa résistivité électrique à environ 67°C. On a observé dans les oxydes de métaux de transi-5 tion des changements de résistivité d'un ordre de puissance de 4 à 7, et divers oxydes de vanadium, tels que VO, V02 et V203, sous forme de film mince ou de cristaux ont été commutés de leurs états semiconducteurs à leurs états métalliques par une élévation de leurs températures respectives à leurs températures de transition. Des publications représentatives traitant de la 10 conmutation thermique de l'oxyde d'un métal de transition, de l'état de résistivité élevée à l'état de résistivité faible sont': "The Nature of the Metallic State in v2®3 and Re-'-a'ted Oxides" par I. G. Austin and C. E. Turner, publié dans Philosophical Magazine, Vol. 19, no. 161, page 939, Mai 1969. 15 "Transport Properties of Sputtered Vanadium Dioxide Thin Films" - 0. H. Hensler - Journal of Applied Physics, Vol. 19, No 5, Avril 1968, pages 2354-2360- "Thin-Film Switching Eléments of V02" - K. Van Steensel et al - Philips Research Reports 22, 1967, pages 170-177. 20 "Insulating and Metallic States in Transition Métal Oxides" - David Adler - Solid State Physics, Vol. 2T, édité par F. Seitz et al - publié par Academic Press, 196a, pages 1-113. Dans les dispositifs de lrart antérieur, comme on le montre dans les références citées ci-dessus, les transitions d'un état de résistivité élevée -4 25 £p = 10 ftî à un état de résistivité faible (p = ^ 10 £2Î sont réalisées en une fraction de degré centigrade. Par exemple, pour un monocristal de V0_, le rapport, de l'a résistance CR > de l'état semiconducteur à la résistance 2 se de l'état métallique CR^J juste après la température de seuil de 68°C est égaï à 10^. Si le cristal de VO^ n'est pas stœehiométrique, les régions 30 de transition ne seront pas brutales. La conmande par température des dispositifs de commutation, en général, n'est pas souhaitable pour de nombreuses applications industrielles, particulièrement lorsque des vitesses de commutation élevées sont nécessaires, car les temps de relaxation thermiques de tels dispositifs sont élevés, ce qui 35 entraîne une réponse lente.. Pour surmonter une telle difficulté, la présente invention utilise un"champ électrique* en opposition à une commande par température, pour commuter un oxyde de métal de transition de son état semiconducteur à son état métallique. Peu important pour la pratique de l'invention, l'oxyde de métal de transition, et en particulier, l'oxyde de vanadium, 40 soit en masse, ou sous forme d'un film mince, comme on le montre dans l'article 71 15067 2 2094155 de van Steensel et al cité ci-dessus, mis à part que les épaisseurs différentes, la pureté, la stoechiométrie, etc... du matériau choisi peuvent altérer la température de transition', le champ électrique, la brutalité de transition, et les autres caractéristiques de la transition. Lorsque des oxydes de métal 5 de transition profonde sont utilisés, le champ électrique ne peut pénétrer qu'une couche mince d'une telle masse, mais une telle couche peut constituer la région active intéressante. Un dispositif pour effectuer une telle commutation par champ électrique est constitué d'une électrode supportant une couche isolante, telle que 10 du Si02, et l'oxyde de métal de transition, tel que, mais on ne se limite pas à cela, un film de V02 déposé sur le SiQ^. Les régions de source et de drain sont formées par contact avec l'oxyde de métal de transition lors d'étapes préliminaires à la fabrication d'un dispositif à effet de champ. L'unité entière est réchauffée de telle sorte qu'elle soit maintenue à une 5 température peu différente die 6S°C, juste au-dessous de la température de transition de VO^. Ainsi, lorsqu'une alimentation de potentiel est connectée entre l'électrode porte et la source ou le drain du film V02, des densités de charge suffisantes sont induites dans le VO^ pour modifier sa température de transition. Ainsi, dans le voisinage de la température de transition, 20 le champ électrique produit par la polarisation de porte est utilisé pour produire la transition due normalement à un tel changement de température, ce qui amène le- dispositif entier à fonctionner comme un commutateur électrique» D'autres objets., caractéristiques et avantages de la présente invention 25 ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1A représenta schématiquement une réalisation du nouvel interrupteur décrit ici. La figure 1B représente schématiquement un circuit utilisant le nouveau 30 commutateur. La figure 2 représente un diagramme d'énergie d'un oxyde de métal de transition. La figure 3 représente un tracé de la résistance en fonction de la température pour un oxyde de métal de transition caractéristique. 35 La figure 4 montre conment varie le tracé de la figure 3 par l'application d'un champ. Dans la figure 1A on- montre un exemple d'une réalisation de l'invention qui contient un oxyde d'un métal de transition et un isolant avec une électrode porte afin d'utiliser l'effet de champ, semblable à celui utilisé dans 40 les transistors à effet de champ, pour modifier la température de transition 71 15067 3 ,2094155 ou encore dite température critique T. de cet-oxyde de métal. Sur du verre - * Ai G ou un autre substrat isolant 2 sont déposés, à l'aide, des technique classiques de masquage et de dépôt en phase vapeur, deux régions éleetriqtiément conductrices 4 et 6 qui sont utilisées comme „régions source, et-drain,-rëspectivement 5 d'un dispositif à effet de champ que l'on va.construire dessus. Ces régions ont des épaisseurs de.l'ordre de 1000 à 10 000 A. Sur de telles régions on dépose une couche d'oxyde d'un métal de transition 8 dont l'épaisseur est de l'ordre de 1000Â. Une couche isolante 10 de l'odre de 100Â à quelques centaines d'Â est déposée sur la couche 8, cette couche est 10 constituée de SiC^» ^2^3* ou de composés semblables.-Une couche métallique mince 12, est déposée sur ladite couche d'isolement 1Ç, et a une épaisseur de l'ordre de 1000Â,_elle joue le rôle d.'électrode de porte. ' -En fermant l'interrupteur 16, une tension provenant de la batterie 14 est appliquée à l'électrode porte 12, le champ électrique appliqué entraîne 15 l'induction d'une densité de charges importante dans le film d'oxyde de métal de transition 8, ce .qui produit un changement 'dans sa température de transition, et entraîne un passage rapide de son état de résistance élevé à son état de' résistance faible.. Un tel changement de-résistivité: permet la circulation du courant de la batterie 18 à travers le nouveau cûrrfnutateur 20 dans une résistance de charge convenable 20. La; chute de potentiel mesurée par le voltmètre 22 aux bornes de la résistance 20 indiquera le'changement d'état de l'oxyde de métal 8. , , ,, - t ; • • 1 - : ' ' : " Bien que l'on ne soit pas certain de ce qui se produit effectivement lorsque le champ électrique est appliqué-^.-l'..px^de de métal,-onîpertse que 25" ' l'explication suivante facilitera la compréhension du'fojnotionnemént :dtf ' 'dispositif, des figures 1/^_ et ,1B« Si un potentiel négatif est appliqué à l'électrode porte 12. par l'intermédiaire d'une batterie, telle que la batterie 14, lors de la fermeture dë l'interrupteur 16, des charges positives sont induites dans ;l'oxyde de métal '8, et de telles charges positives modifieront.la température de trartsi- 40" tion critique T . Si un potentiel positif est appliqué entre, la -porte -12 C 71 15067 4 2094155 et la région 14, alors des. charges négatives sont induites dans un film d'oxyde de métal 8, et la température de transition critique est modifiée dans un sens opposé à celui d'une polarisation de porte positive. La figure 4 montre corrment la température critique normale T est altérée soit à T ' c c 5 ou T^" selon que la population des porteurs de charge mobile est réduite ou augmentée dans la couche d'oxyde de métal. Bien que le dispositif décrit fonctionne d'une façon semblable à un dispositif à effet de champ, il se distingue en ce qu'il produit un trajet de conductivité nettement meilleur dans son état à résistance faible que 10 dans son état à résistance élevée. Dans un dispositif à effet de champ classique, un changement de potentiel entre l'électrode de porte et le matériau semiconducteur produit un changement proportionnel, plutôt que de seuil. Les matériaux à base d'oxyde de métal de transition sont particulièrement favorables pour actionner un interrupteur à seuil car ils permettent le passage de l'état 15 semiconducteur à l'état métallique en une fraction de degré. Un matériau choisi dans un tel groupe agit comme s'il possédait une bande de valence et une bande de conduction. Lorsque suffisamment de porteurs mobiles sont amenés à se déplacer de la bande de valence à la bande de conduction, il se produit une petite modification structurelle dans le matériau et l'inter-20 valle entre les bandes de conduction et de valence disparaît, de telle sorte que le matériau agit comme un métal. Pour maintenir un tel oxyde de métal dans son état, de condution élevé, l'interrupteur 1B reste fermé de telle sorte que la population de porteurs indùite nécessaire pour effectuer la transition reste. 25 Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 71 15067 5 2094155 REVENDICATIONS 1.- Dispositif à effet de champ du genre comprenant une région source, une région drain séparées l'une de l'autre par un intervalle caractérisé en ce qu'il comporte: 5 une couche d'un oxyde d'un métal de transition, ce dernier qui a la pos sibilité de passer d'un état semiconducteur à un état métallique on réciproquement une certaine température dite critique CT ) remplissant au moins en partie ledit intervalle et venant en contact avec au moins une partie desdites régions source et drain respectivement, ledit oxyde étant maintenu au voisi-10 nage de ladite température critique, une couche isolante recouvrant au moins une partie de ladite couche d'oxyde, une électrode de porte sous forme d'un contact métallique formé sur au moins une partie de ladite couche isolante. 15 2.- Dispositif à effet de champ selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est muni en outre de moyens d'application d'une tension entre ladite électrode de porte et ladite région source et fournir ainsi des charges mobiles audit oxyde et modifier sa température critique afin d'obtenir le basculement de son état donc de sa résistivité. 20 3.- Dispositif à effet de champ selon la revendication 2 dans lequel ledit oxyde est maintenu à une température inférieure à ladite température ctitique. 4.- Dispositif â efiet de champ selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est muni en outre de moyens d'application d'une tension entre ladite électrode de porte et ladite région source et fournir ainsi des charges mobi- 25 les audit oxyde et modifier sa température critique pour commuter ledit oxyde de son état semiconducteur à son état métallique. 5.- Dispositif à effet de champ selon la revendication 2 ou 4 dans lequel ledit oxyde d'un métal de transition est un oxyde de vanadium. 6.- Dispositif à effet de cëèmp selon la revendication Z ou 4 dans lequel 30 l'oxyde d'un métal de transition est remplacé par un chalcogénure d'un métal de transition, ayant la possibilité de passer d'un état semiconducteur à un état métallique.