(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極、
第２の電極、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された活性領域、
ｉ）前記第１の電極と前記活性領域との界面、又はｉｉ）前記第２の電極と前記活性領域との界面、又はｉｉｉ）前記活性領域と第１及び第２の電極のそれぞれとの界面に局在化されたドーパント、並びに
ｉ）前記活性領域と反対側の表面に第１の電極に隣接して、又はｉｉ）前記活性領域と反対側の表面に第２の電極に隣接して、又はｉｉｉ）前記活性領域と反対側の表面に前記第１及び第２の電極それぞれに隣接して構築されたドーパント導入剤層であって、ｉ）前記第１の電極、又はｉｉ）前記第２の電極、又はｉｉｉ）前記第１及び第２の電極を通した拡散により、前記活性領域の一部分と化学的に反応し、前記界面に、又は前記活性領域内に前記ドーパントを形成するように構成されたドーパント導入剤を含む、ドーパント導入剤層
を備え、
前記ドーパントが、帯電した空孔、アニオン又はカチオンから選択される移動性のドーパントである、電気的に作動するデバイス。
【請求項２】
第１の電極、
第２の電極、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された活性領域、並びに
ｉ）前記第１の電極と前記活性領域との界面、又はｉｉ）前記第２の電極と前記活性領域との界面、又はｉｉｉ）前記活性領域と第１及び第２の電極のそれぞれとの界面に局在化されたドーパント導入剤
を備え、前記ドーパント導入剤は、前記活性領域の一部分と化学的に反応し、前記界面に、又は前記活性領域内にドーパントを形成するように構成され、
前記ドーパントが、帯電した空孔、アニオン又はカチオンから選択される移動性のドーパントである、電気的に作動するデバイス。
【請求項３】
前記ドーパントが、前記界面に局在化された非連続のクラスターである、請求項１又は請求項２に記載の電気的に作動するデバイス。
【請求項４】
前記ドーパントが、前記活性領域内に形成されたチャネル内にある、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気的に作動するデバイス。
【請求項５】
前記ドーパント導入剤層から拡散された、ｉ）前記第１の電極、又はｉｉ）前記第２の電極、又はｉｉｉ）前記第１及び第２の電極の結晶粒界内に存在する少なくともいくつかのドーパント導入剤
を備えている、請求項１、並びに請求項１に直接的又は間接的に従属する請求項３及び請求項４のいずれか一項に記載の電気的に作動するデバイス。
【請求項６】
電気的に作動するデバイスを形成する方法であって、
第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された活性領域を提供し、
ｉ）前記活性領域と反対側の表面に第１の電極に隣接して、又はｉｉ）前記活性領域と反対側の表面に第２の電極に隣接して、又はｉｉｉ）前記活性領域と反対側の表面に前記第１及び第２の電極それぞれに隣接してドーパント導入剤層を構築し、
ｉ）前記ドーパント導入剤層内のドーパント導入剤を、前記第１及び／若しくは第２の電極とそれに隣接する活性領域との界面へと拡散させ、ｉｉ）拡散されたドーパント導入剤を、前記第１及び／若しくは第２の電極に隣接する前記活性領域の一部分と化学的に反応させて、ドーパントをｉ）前記活性領域と前記第１及び／若しくは第２の電極との界面に、又はｉｉ）前記活性領域内に形成することを含み、
前記ドーパントが、帯電した空孔、アニオン又はカチオンから選択される移動性のドーパントである、方法。
【請求項７】
前記ドーパント導入剤を反応させることは、
前記ドーパント導入剤層並びに前記第１及び／又は第２の電極をアニールし、それにより、前記ドーパント導入剤層内の前記ドーパント導入剤の少なくとも一部を、前記第１及び／又は第２の電極の反対側の第２の表面へと拡散させ、
前記活性領域を、前記第１及び／又は第２の電極の前記第２の表面上に堆積させ、それにより、前記第２の表面上で、前記活性領域の前記一部分を前記ドーパント導入剤の前記少なくとも一部と反応させることを含み、
前記アニールが、堆積前、堆積中又は堆積後に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ドーパント導入剤層は、前記活性領域とは反対側の前記第１及び／又は第２の電極の第１の表面上にドーパント導入剤層を構築され、
前記ドーパント導入剤を反応させることは、前記第１及び／又は第２の電極の反対側の第２の表面上に前記活性領域を熱堆積させることによって達成され、それにより、前記ドーパント導入剤層内の前記ドーパント導入剤の前記少なくとも一部が、前記第１及び／又は第２の電極の前記第２の表面へ拡散され、前記活性領域の前記一部分と反応する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
電気的に作動するデバイスを形成する方法であって、
第１の電極、第２の電極、及び前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された活性領域を提供し、
ｉ）前記第１の電極の前記活性領域の側の表面上に、又はｉｉ）前記第２の電極の前記活性領域の側の表面上に、又はｉｉｉ）前記第１及び第２の電極の前記活性領域の側のそれぞれの表面上に、ドーパント導入剤を堆積させ、
前記ドーパント導入剤を前記第１及び／又は第２の電極に隣接する前記活性領域の一部分と化学的に反応させ、ｉ）前記活性領域と前記第１及び／又は第２の電極との界面に、又はｉｉ）前記活性領域内にドーパントを形成すること
を含み、前記ドーパントが、帯電した空孔、アニオン又はカチオンから選択される移動性のドーパントである方法。
【請求項１０】
請求項１、請求項１に直接的又は間接的に従属する請求項３及び請求項４、並びに請求項５のいずれか一項に記載の電気的に作動するデバイスにおけるドーパントの形成を制御する方法であって、
前記ドーパント導入剤の所定の濃度を選択し、
所定量のドーパント導入剤を、拡散によって、前記第１及び／又は第２の電極と当該電極に隣接する前記活性領域との界面に局在化させ、前記ドーパント導入剤を、前記活性領域の一部分と反応させ、ドーパントを形成することを含む、方法。
【請求項１１】
前記局在化が、前記第１及び／又は第２の電極に隣接する前記ドーパント導入剤層からの前記ドーパント導入剤の拡散によって行われ、
前記第１及び／又は第２の電極の厚みの調節、
前記第１及び／又は第２の電極の粒度の調節、
前記拡散を行う温度の調節、
前記拡散を行う時間の長さの調節、又は
前記ドーパント導入剤層の厚みの調節
の少なくとも１つによって前記拡散を制御することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記拡散を制御することによって前記界面における所定の特性を構成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項２、並びに請求項２に直接的又は間接的に従属する請求項３及び請求項４のいずれか一項に記載の電気的に作動するデバイスにおいて、ドーパントの形成を制御する方法であって、
前記ドーパント導入剤の所定の濃度を選択し、
所定量のドーパント導入剤を、堆積によって、前記第１及び／又は第２の電極と当該電極に隣接する前記活性領域との界面に局在化させ、前記ドーパント導入剤を、前記活性領域の一部分と反応させ、ドーパントを形成することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概括的には、電気的に活性の（電気的に作動する）デバイス、及びそのような電気的に活性のデバイスにおけるドーパントの形成を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可逆的に切換え可能であり、ＯＮ−ＯＦＦコンダクタンス比が約１０３であるナノメートルスケールのクロスワイヤスイッチングデバイス（crossed-wire switching device）は、従前より報告されている。そのようなデバイスは、クロスバー回路を構成するために使用され、超高密度の非揮発性メモリの生成のための有望な道筋を提供するものである。ラッチ（論理回路のため及び論理とメモリとのやりとりのための重要な構成要素である）は、クロスワイヤスイッチの直列接続から製造される。スイッチのクロスバーアレイから全体が構成されている又はスイッチ及びトランジスタからなるハイブリッド構造としての新しい論理ファミリーも記述されてきた。これらの新しい論理ファミリーは、ＣＭＯＳ回路の演算効率を劇的に増大させる潜在的可能性を有している。
【０００３】
本開示の態様の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することで明らかになる。それらの詳細な説明及び図面においては、同様の参照番号は、おそらく一致はしないが同様又は類似の構成要素に対応する。簡潔にするために、既に説明した機能を有する参照番号は、次の図面と関連させて説明している場合もあればそうでない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１Ａ】２つの異なるクロスワイヤを接続する、電気的に作動するソリッドステートスイッチ（半導体化スイッチ）の態様の斜視図である。
【図１Ｂ】クロスバーとしても知られる、図１Ａのスイッチのアレイを示す斜視図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｃは、電気的に作動するデバイスの一態様を形成するための方法の一態様を示す概略図であり、図２Ａ及び２Ｄ〜２Ｆは、電気的に作動するデバイスの一態様を形成する方法の別の態様を示す概略図であり、図２Ａ及び２Ｇ〜２Ｉは、電気的に作動するデバイスの一態様を形成する方法のさらに別の態様を示す概略図である。
【図３】電気的に作動するデバイスの別の態様の概略図である。
【図４】電気的に作動するデバイスのさらに別の態様の概略図である。
【図５】図５Ａ〜５Ｃは、電気的に作動するデバイスの別の態様を形成する方法の別の態様を示す概略図である。
【図６】デバイスの一態様のＩ−Ｖループを描いたグラフであり、挿入図は、同じデバイスの初期状態Ｉ−Ｖ曲線を表している。
【図７Ａ】アニールを受けていないデバイス及びアニールを受けたデバイスのＩ−Ｖ曲線を比較したグラフである。
【図７Ｂ】アニールを受けていないデバイス（グラフの上に概略的に示す）についてのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）の深さプロファイルである。
【図７Ｃ】アニールを受けたデバイス（グラフの上に概略的に示す）についてのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）の深さプロファイルである。
【発明の概要】
【０００５】
ここに開示のデバイスの態様は、２つのワイヤ間に配置された活性領域を有する。金属電極と半導体活性領域との間のコンタクト領域は、ショットキーバリアに類似する。いくつかの例では、活性領域とそれと接触させて導入されたドーパント導入剤若しくはドーパント開始剤（dopant initiator）との間の化学的な反応が、所望の濃度の局在化されたドーパントを形成する。当該濃度は、所望の界面特性（例えば、ショットキーバリアの高さ及び／又は幅）及びひいては所望の電気的特性が得られるように調整することができる。別の例では、ドーパント自体が、活性領域に隣接して局在化されている。そのようなドーパントも、所望の界面特性及びひいては所望の電気的特性が得られるように調整することができる。
【０００６】
ここで用いる限り、「ドーパント導入剤」と言う用語は、一般に、活性領域と化学的に反応してドーパントを形成することのできる種を指し、「ドーパント」という用語は、一般に、デバイスの電気的特性を変えることができる種を指す。いくつかの例では、ドーパントは、帯電した活性／移動性のドーパントであり、別の例では、ドーパントは非帯電のドーパントである。活性領域中で電気的に活性／移動性の帯電したドーパントには、例えば、二酸化チタン中の酸素空孔がある。他の帯電したドーパントは、活性領域中での電気的な活性／移動性がより小さく、それは例えば、二酸化チタン中の炭素アニオン又は窒素アニオンである。
【０００７】
この局在化したドーパントは、（活性領域と反応するドーパント導入剤から）形成されるか又は物理的に拡散させ、その場合、（例えばチャネルを形成する）活性領域の内部に、又は（例えば活性領域と電極との界面での連続的な層若しくは非連続的なクラスターを形成する）活性領域の上部及び／又は底部表面に存在するようにする。いずれの例でも、ドーパントは、デバイス内のスイッチイングセンターのためのシードとして機能する。
【０００８】
移動性のドーパントは、電界下でドリフトし、界面特性を変化させる。非帯電のドーパント及び電気的移動性がより小さなドーパントは、一般に、電界下ではドリフトしないが、活性領域と電極との界面に留まる。これらの非帯電の又は移動性がより小さいドーパントは、界面特性を調整するために（デバイス動作中にそれらを変化させることとは対照的）使用される。具体的には、ここに開示のデバイスは、製造の際、所望の電気的特性が得られるように調整することができる。
【０００９】
デバイスの歩留まりは、比較的高く（例えば、約９０％〜約１００％）、このことは、少なくとも１つにはデバイスの信頼性があるということが理由で、有利である。いくつかの態様では、ここに開示のデバイスは、酸化又は還元反応のような可逆的なプロセスを介して複数回その状態を変化させることができるという意味で、再構成可能（reconfigurable）である。言い換えれば、ここに開示のデバイスは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）におけるメモリビットのように、複数回開閉することができる。別の態様では、ここに開示のデバイスは、酸化又は還元反応のような不可逆的なプロセスを介してその状態を１度変化させることができるという意味で、単独で構成可能であるそのようなスイッチは、例えば、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）をベースとすることができる。
【００１０】
以下に別途特定されていなければ、次の定義を適用する。
【００１１】
「接合」に対して用いられる「自己整列」という語は、２つのワイヤ間にスイッチ及び／又は他の電気的接続を形成する接合が生じることを意味し、接合を生成させるのは交差の動作であるから、どちらかが被覆又は機能化されていてよい２つのワイヤがどこで互いに交差するかは関係ない。
【００１２】
ミクロンスケール寸法とは、１マイクロメートル〜数マイクロメートルのサイズの範囲の寸法を指す。サブミクロンスケール寸法とは、１マイクロメートル〜０．０４マイクロメートルの範囲の寸法を指す。ナノメートルスケール寸法とは、０．１ナノメートル〜５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）の範囲の寸法を指す。
【００１３】
ミクロンスケール及びサブミクロンスケールワイヤは、０．０４〜１０マイクロメートルの寸法を有する幅若しくは直径、数ナノメートルからマイクロメートルの範囲であってよい高さ、並びにいくらかの（some）マイクロメートル以上の長さを有するロッド又はリボン形状の導体又は半導体を指す。クロスバーは、スイッチのアレイであって、１組の平行なワイヤの各ワイヤが、第１の組と交わる第２の組みの平行なワイヤのすべての部材と接続している（通常、２組のワイヤが互いに直交するが、これは必要条件ではない）ものである。
【００１４】
ここで用いる限り、デバイスの機能寸法は、ナノメートル（典型的には、５０ｎｍ未満）で測定されるが、横方向の寸法は、ナノメートル、サブミクロン又はミクロンであってよい。
【００１５】
図面を参照して議論する態様において、移動性のドーパント図示する。この図示は例示を目的としており、ここに開示の任意の態様が、上述のように、電気的な移動可能性のより小さいドーパント又は非帯電のドーパントと共に製造されていてよいことを理解されたい
図１Ａ及び１Ｂを参照すると、公知の電気的に作動するソリッドステートスイッチ１０及び公知のクロスバーアレイ１００が示されている。図１Ａでは、２つの異なる交差したワイヤ又は電極１２、１４が、その間にスイッチ接合部１６を有している。スイッチ接合部１６は、第１の活性領域１６ａ及び第２の活性領域１６ｂを含む。一態様では、第１の活性領域１６ａは、格子間物質、空孔若しくは不十分物として電子ドナーでドープできる、電気的に半導性であり且つ弱いイオン性の導体である材料（さらに以下に述べる）である。別の態様では、第１の活性領域１６ａの材料は、名目上電気的に絶縁性であり且つ弱イオン性の導体である。第２の活性領域１６ｂは、ドーピング種のソース及びシンクとして機能する材料である。図１Ａに示すように、スイッチ接合部１６は、非共有性の結合界面として分子層１６ｃも備えていてよく、ここで、分子層１６ｃは、スイッチング可能であってよい又は可能でなくともよい分子を含む。１つの又は両方のワイヤ１２、１４は、金属又は半導体材料であってよい。いくつかの例では、両ワイヤ１２、１４は金属である。
【００１６】
クロスバーアレイ１００は、図１Ａに示すように、電気的に作動する複数のソリッドステートスイッチ１０を含んで形成されていてもよい。図１Ｂに示すように、ほぼ平行なワイヤ１２の第１の層１８には、ほぼ平行なワイヤ１４の第２の層２０が載置されている。第２の層２０の配向は、第１の層１８のワイヤ１２に対してほぼ垂直になっている。しかし、層１８、２０間の配向角度は様々であってよい。ワイヤ１２、１４の２つの層１８、２０は、格子若しくはクロスバーを形成する。第２の層２０の各ワイヤ１４は、第１の層１８の全てのワイヤ１２の上に載置されており、第１の層１８の各ワイヤ１２と、２つのワイヤ１２、１４間の最も密な接触に相当するワイヤ交差部で密な接触をする。スイッチ接合部１６は、ワイヤ１２、１４間に配置されて図示されている。そのような３つのスイッチ接合部１６を図示するが、スイッチ接合部１６が、ワイヤ１２とワイヤ１４との各交差部で形成されていることを理解されたい。そのようなクロスバー１００は、用途に応じて、ミクロンスケールワイヤ、サブミクロンスケールワイヤ又はナノスケールワイヤから製造することができる。
【００１７】
図面中の個々のワイヤ１２、１４は、正方形又は長方形の断面図を有するものとして示されているが、ワイヤは、円形、楕円形又はより複雑な断面を有していてもよい。ワイヤは、多くの異なる幅若しくは直径及びアスペクト比若しくは離心率を有していてもよい。「ナノワイヤクロスバー（nanowire crossbar）」という語は、ナノワイヤに加えて、サブミクロスケールワイヤ、ミクロスケールワイヤ又はより大きな寸法のワイヤの１つ以上の層を有するクロスバーを指してよい。
【００１８】
知られているように、そのようなスイッチは、メモリのためのベースとして（例えば、情報のビット、つまり１又は０の格納）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array）に類似の論理回路における構成ビットのためのクロスポイントメモリにおける閉じた又は開いたスイッチとして、又はワイヤードロジック（結線論理）プログラマブルロジックアレイ（Programmable Logic Array）のためのベースとして使用することができる。これらのスイッチも、広範な他の用途においても使用が見出されている。
【００１９】
図２Ａ〜２Ｉに、電気的に作動するデバイスの一態様１０００を形成する方法の様々な態様を示す。このデバイス１０００は、図２Ｃ、２Ｆ及び２Ｉに示す。そのような装置１０００は、図１Ａに示すデバイス１０と同様に機能する。ここに開示の電気的に作動するデバイス１０００は、マイクロ又はナノスケールで形成されていてよく、広範な電子回路における構成要素として使用することができることを理解されたい。デバイス１０００は、より大きなクロスバーアレイにおける２つのワイヤであってよい２つの異なるワイヤ、例えば図１Ａ〜１Ｂに示す交差するワイヤの対を含んでいてよいし、又はワイヤに沿って電流を流す又は阻止するための単一のワイヤの多数のセグメント（隣接するセグメント間に活性領域を有する）を含んでいてよい。ここに開示のデバイス１０００は、上述のように、メモリ、スイッチ、並びに論理回路及び機能のベースとして使用することができる。
【００２０】
図２Ｃ、２Ｆ及び２１に示すように、このデバイスの態様１０００は、２つのワイヤ／電極１２、１４、それらの間の活性領域２２、並びに活性領域２２の一部分と拡散されたドーパント導入剤２６との化学的な反応から形成される移動性のドーパントを含む（例えば、図２Ｂ、２Ｄ及び２Ｈに図示）。いくつかの例では、ここに記載の移動性のドーパント２４は、活性領域２２の前記一部分と拡散されたドーパント導入剤２６（又は堆積されたドーパント導入剤２６’、図５Ｃ〜５Ａを参照されたい）との化学的な反応の結果形成される層中に含まれていてよいことを理解されたい。
【００２１】
図２Ａでは、１つの電極１２は、基体３０上に構築されたドーパント導入剤層２８上に構築される。基体３０は、任意の望ましい材料であってよく、非限定的に半導体材料を含む。具体的な基体３０材料の非限定的な例は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム又はこれらに類するものを含む。
【００２２】
ドーパント導入剤層２８は、基体３０上に構築され、その中に少なくとも１つのドーパント導入剤２６を含む。一般に、ドーパント導入剤２６は、活性領域２２の部分との化学的な反応によって、活性領域２２のための所望のドーパント（例えば、移動性のドーパント２４）を形成するように選択される。ドーパント導入剤２６と活性領域２２の一部分との化学的な反応（以下にさらに説明する）が移動性のドーパント２４を形成するので、ドーパント導入剤２６の濃度及びドーパント導入剤２６のために選択される材料は、活性領域２２のために使用される材料、活性領域２２の厚み、並びに形成される移動性のドーパント２４の所望の種類及び量に少なくとも部分的に依存する。適切なドーパント導入剤２６の非限定的な例は、チタン、クロム、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、ニオブ、タンタル、マンガン、バナジウム、ジルコニウム、又はハフニウムを含む。１つの非限定的な例では、活性領域２２が二酸化チタンから形成されている場合には、選択されるドーパント導入剤２６は、二酸化チタン中で空孔を生じさせるチタン（移動性のドーパント２４の一例）であってよい。
【００２３】
図２に一連に示す態様では、ドーパント導入剤層２８が基体３０上に構築される。しかし、ドーパント導入剤層２８は他の電極１４上にも構築することができることを理解されたい。この態様は、図３を参照して例示及び説明する。
【００２４】
ドーパント導入剤層２８は、例えば、スパッタリング、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー、化学蒸着（ＣＶＤ）又は原子層堆積（ＡＬＤ）のような任意の適切な技術によって基体３０上に構築することができる。ドーパント導入剤層２８の厚みは、隣接する電極１２、１４を通って拡散するドーパント導入剤２６の量、並びにデバイス１０００の所望のスイッチング特性に少なくとも部分的に依存する。１つの非限定的な例としては、ドーパント導入剤層２８の厚みは約５ナノメートルである。別の非限定的な例では、厚みは、約５ナノメートル〜約３０ナノメートルである。厚みは所望に応じて様々なものであってよいことを理解されたい。一般に、層２８が厚くなるほど、拡散のために利用可能なドーパント導入剤２６は多くなり、拡散するドーパント導入剤２６が多いほど、デバイス抵抗は小さくなる。同様に、層２８が薄くなるほど、拡散のために利用可能なドーパント導入剤２６は少なくなり、拡散するドーパント導入剤が少なくなるほど、デバイス抵抗は大きくなる。
【００２５】
底部電極１２は、ドーパント導入剤層２８上に（且ついくつかの例では、基体３０上に）、フォトリソグラフィ又は電子ビームリソグラフィのような従来の技術を用いて、或いはインプリントリソグラフィのような進歩した技術によって構築することができる。一態様では、底部電極１２の厚みは、約５ｎｍ〜約３０ｎｍである。厚みは、少なくとも、所望の拡散特性及びドーパント導入剤層２８の厚みに少なくとも部分的に依存して、変更可能である。底部電極１２は任意の適切な導電材料、例えば金、白金、タングステン、銅等であってよい。
【００２６】
図２Ｂ及び２Ｃを参照すると、方法の一態様は、活性領域２２の電極１２（図２Ｂに図示）上への熱堆積及び他方の電極１４の活性領域２２（図２Ｃに図示）上への構築を含む。
【００２７】
ここに開示の態様では、活性領域２２は、ドーパントとして作用するイオンを輸送及びホストすることができ、それにより、デバイス１０００を通る電子の流れが制御される。デバイス１０００の動作の基本モードは、デバイス１０００を横切って電界（活性領域２２中のイオンの移動を可能にするためのある閾値を超え得るドリフト電界）を印加することであり、その大きさは、移動性のドーパント２４を活性領域２２内でイオン輸送によって輸送するのに十分なものである。移動性のドーパント２４は、一般に、低導電性（つまり、ドープされていない半導体又は絶縁体、つまりスイッチＯＦＦ構造）から高導電性（より高い導電性を提供するようドープされた、つまりスイッチＯＮ構造）へ、或いは高導電性から低導電性へ（スイッチＯＮからスイッチＯＦＦへ）、活性領域２２の導電性を変化させるイオン種である。具体的には、電界下でのドーパントプロファイルの再構成が、接合部１６の電気的輸送挙動を変化させる。
【００２８】
活性領域２２は、電気的に半導性又は名目上電気的に絶縁性であり且つ弱イオン性の導体である材料の薄膜（例えば、５００ｎｍ以下）であってもよい。弱イオン性の導体という定義は、デバイス１０００が設計される用途に依存することを理解されたい。種についての格子中の移動度及び拡散係数は、「アインシュタインの関係式」により互いに正比例する。よって、イオン化された種の格子中での移動度が極めて高い場合には、拡散係数も高い。一般に、デバイス１０００を、用途に応じて１秒の分数から複数年であってよい時間にわたり、ＯＮ又はＯＦＦの特定の状態に維持することが望ましい。よって、そのようなデバイス１０００のための拡散係数は、一態様では、安定性の所望のレベルを保証するのに十分に低く、それにより、デバイス１０００の状態を電圧パルスによって意図的に設定することによってではなくイオン化種の拡散によってデバイス１０００がＯＮからＯＦＦへ又はその反対に不注意で切り換えられることが回避される。したがって、「弱イオン性の導体」は、イオン移動度及びひいては拡散係数が、デバイス１０００のＯＮ又はＯＦＦ状態の安定性を所望の条件下で必要な時間にわたり保証するのに十分小さい（例えば、デバイス１０００は、移動性のドーパント２４の拡散によって状態が変化しない）ものである。
【００２９】
具体的には、活性領域２２材料及びドーパント導入剤２６（移動性のドーパント２４を形成するもの）を、活性領域２２内へ又は当該領域２２からの移動性のドーパント２４のドリフトが可能であってもそれが容易すぎない程度に選択される。これは、一般に、デバイス１０００が、合理的に長い時間のために設定されるいかなる状態にも維持されることを保証する。このことは、デバイス１０００が非揮発性（つまり、ドリフト電界が除去された後もその状態を保持する）であることにも寄与する。いくつかの例では、デバイス１０００は２端末デバイスである。つまり、高いバイアスをかけることにより、デバイス１０００により電子電流及びイオン電流の流れを生じ、一方、低いバイアスでは、デバイス１０００をその抵抗状態で保持させるイオン電流の流れは無視できる。
【００３０】
活性領域２２の適切な材料の非限定的な例は、ケイ素、遷移金属、希土類金属又はアルカリ土類金属の酸化物、硫化物、セレン化物、窒化物、リン化物、ヒ化物、塩化物及び臭化物を含む。他の適切な材料の例は、さらに以下にも述べる。
【００３１】
特に図２Ｂを参照すると、活性領域２２の熱堆積は、活性領域２２のための材料を電極１２上に堆積させる際に、電極１２及びドーパント導入剤層２８を熱に曝すことによって達成することができる。適切な堆積技術は、従来の物理的及び化学的な技術を含み、それは、クヌーセンセル、るつぼ（crucible）からの電子ビーム（つまりｅビーム）、ターゲットからのスパッタリング、電子ビーム蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシ、原子層堆積、又は反応性の前駆体からの化学的な蒸着若しくはビーム成長様々な他の形態を含む。適切な堆積又は成長条件、例えば速度及び温度は、望ましい化学組成及び活性領域２２のために望ましい局所的な原子構造を達成するために選択することができる。
【００３２】
熱堆積プロセスの際の温度は、ドーパント導入剤層２８中でドーパント導入剤２６のいくらか又は全てが、隣接する電極１２を通ってその表面へと拡散するのに十分なものである。温度を調節することによって、拡散の動的挙動を制御することができ、ドーパント導入剤２６の所望の拡散が達成され得る。温度及びそのような温度に曝す時間は、少なくともある程度は、拡散すべきドーパント導入剤２６及び層１２、２８の厚みにも依存する。一例では、温度範囲は約２００℃〜約４５０℃である。
【００３３】
図２に示す一連の態様では、ドーパント導入剤２６の拡散は、電極１２中の結晶粒界を通ってなされる。具体的には、所望の拡散を達成するために電極１２の結晶粒界を選択することができる。
【００３４】
少なくともいくらかのドーパント導入剤２６が層２８から拡散するので、得られるデバイス１０００中の層２８は、一般に、拡散前の層２８より薄い。
【００３５】
拡散されたドーパント導入剤２６は、電極１２上に構築された活性領域２２の一部分（例えば数ナノメートル以下）と反応する。この化学的な反応は、残りの活性領域２２と電極１２との間の界面で、移動性のドーパント２４をその中に有する層を形成するとと理解されたい。拡散は一般に、電極１２の他の箇所においてよりも電極粒界の箇所において大きいので、その中に移動性のドーパント２４を有する層は、非均一であるか又は非連続となり得る。化学的な反応から得られるドーパント２４の非限定的な例は、格子間物質、空孔又は他の帯電した不純物を含む。そのような移動性のドーパント２４は、正又は負に帯電している。１つの非限定的な例では、チタン（例えば、ドーパント導入剤２６）が、白金電極１２を通って拡散し、二酸化チタン（例えば、活性領域２２）と反応する。この化学的な反応によって、金属酸化物（つまり、活性領域２２）の一部分が還元し、その結果、残りの二酸化チタン活性領域２２と白金電極１２との界面においてＴｉＯ２−ｘ層が形成される。このＴｉＯ２−ｘ層は、結晶構造中に酸素原子の小さな欠陥、並びに失われた酸素原子が、正に帯電した空孔又は移動性のドーパント２４となり得るサイトを有している。
【００３６】
移動性のドーパント２４の形成後、上部電極１４を、活性領域２２上に堆積させる（図２Ｃに示す）。上部電極１４は、底部電極１２と同じ又は異なる材料であってよく、底部電極１２を構築するために使用されるものと同じ又は異なる技術によって構築することができる。１つの例では、上部電極１４は、電子ビーム蒸着装置によって蒸着させる。上部電極の厚みは、一般に、約５ナノメートル〜数百ナノメートルであってもよい。
【００３７】
図２Ｃ、２Ｆ及び２Ｉに示す態様では、金属接点（つまり、上部電極１４）と活性領域２２との間の電位差により、この界面においてトンネルバリアが形成される。このトンネルバリアは、電極１２、１４間の電流をブロックし、これにより、デバイスはＯＦＦ状態となる。ＯＦＦ状態では、デバイス１０００中の１つの界面は、移動性のドーパント２４を含んでおり、オーミック様の接触であって、別の界面は、移動性のドーパント２４があるとしてもほとんど含まず、非オーミック様の接触である。トンネルバリアは、移動性のドーパント２４のドリフトに対するしきい値電界を超える電圧がデバイス１０００に印加されるまで、接合部１６を横切る電子輸送を制限する。ＯＦＦ状態では、活性領域２２は、本質的に真性である。つまり、格子中には極めて少ないドーパント２４しかない。そのような例では、界面接触が接合部１６の電子輸送を支配する。
【００３８】
適切な電圧を印加すると、移動性のドーパント２４は、非オーミック界面に向かってドリフトし、それにより、活性領域２２を横切る局在化されたコンダクタンスチャネル（conductance channels）を生成する。これにより、電子的なトンネルバリアが非オーミック界面で短絡し、デバイスをＯＮにする。逆の電界は、移動性のドーパント２４をオーミック界面へと押し戻し、電子トンネルバリアが活性領域２２と上部電極１４との間の界面で保持される。その初期状態のデバイス１０００の整流配向が、デバイス１０００の極性の切り換えを決定すると理解されたい。具体的には、これらの例で、デバイス１０００の極性は、その初期状態でのデバイス１０００の整流配向を交番させることにより変更させることができる。
【００３９】
１つの非限定的な例では、その初期状態でのデバイス１０００は強く整流されている。具体的には、正に帯電した移動性のドーパント２４、例えばＴｉＯ２−ｘ層中の酸素空孔は、イオン化種のドリフトのためのしきい値電界を超える負のバイアス電圧を接合部１６を横切って印加することによって、活性領域２２内へと駆動される。電極１２と活性領域２２との間の界面に形成された層（例えば、ＴｉＯ２−ｘ層）は、比較的高い濃度の空孔（移動性のドーパント２４）を含み、よって、適度に良好な導体となっている。電圧を電極１２に印加すると、酸素空孔（移動性のドーパント２４）が活性領域２２内に駆動される（還元される）。電極１２と活性領域２２との界面の導電性に対する作用は、比較的小さく、それというのは、この領域から押し出される空孔は少数であるが、活性領域２２の導電性は、空孔がないもの又はいくつかあるという状態から出発するので、劇的に増加する（スイッチＯＮ）ことになるからである。
【００４０】
活性領域２２のドーピングレベルが、抵抗が本質的にゼロに低下するほど大きくならない限り、デバイス１０００に印加される電圧の極性を保持することによって、移動性のドーパント２４のドリフトを保持し、それを活性領域２２から排出することができる。上記した例では、デバイス１０００は、電極１２上で電圧の極性を正の電圧へと反転させることによって、ＯＦＦ状態から再び切り換えられる。
【００４１】
活性領域２２のドーピングは、電圧（イオンドリフトのための任意のエネルギーバリアを超える）及び時間（システムを電圧でより長時間保持するほど、より多くのドーパントが蓄積する）の両方の関数、又は電流の積分であると理解されたい。
【００４２】
上記のスイッチング機構は、ここに記載のデバイス１０００、１０００’（図３に示す）、１０００’’（図４に示す）の動作の仕方を示す一態様ではあるが、スイッチング機構は異なっていてよいことを理解されたい。上述のように、可能なスイッチング機構の別の非限定的な例は、デバイス１０００、１０００’、１０００’’がＯＮ状態にある場合に、底部及び上部電極１２、１４を橋架けする導電性フィラメントを形成する移動性のドーパント２４を有する。この橋架けは、電界又はジュール熱の適用によって破壊され得、それにより、デバイス１０００はＯＦＦ状態へスイッチングされる。図２Ｄ〜２Ｆを参照すると、デバイス１０００を形成するための別の態様が示されている。移動性のドーパント２４の形成は、活性領域２２の堆積の前に、ドーパント導入剤層２８及び電極１２をアニールすることによって導入される。アニール温度（前述の熱堆積温度と同様）は、ドーパント導入剤層２８中のドーパント導入剤２６のいくつかの又は全てが隣接する電極１２を通ってその表面へと拡散するのに十分なものである（図２Ｄに示す）。温度及びそのような温度に曝す時間は、拡散するドーパント導入剤２６の量及び層１２、２８の厚みにも少なくとも部分的に依存する。１つの例では、温度は約２００℃〜約４５０℃である。
【００４３】
アニール後、図２Ｅに示すように、活性領域２２のための材料を、拡散されたドーパント導入剤２６上及び電極１２の露出した任意の表面に堆積させる。活性領域２２のための堆積の技術及び材料は、上述の通りである。構築の際には、拡散されたドーパント導入剤２６と接触している活性領域２２の一部は、それと反応し、残りの活性領域２２と電極１２との間の界面で、移動性のドーパント２４を含む層を形成する。次に、上部電極１４を、図２Ｆに示すように、活性領域２２上に構築することができる。
【００４４】
図２Ｇ〜２Ｉに、デバイス１０００を形成するさらに別の方法の態様を示す。この態様では、活性領域２２が電極１２（図２Ｇ）上に堆積され、次に、構造が、アニールに曝され、それにより、ドーパント導入剤２６の電極１２の表面への拡散が導入される（図２Ｈ）。拡散されたドーパント導入剤２６は、活性領域２２の一部と反応し、それにより移動性のドーパント２４が形成される。次に、上部電極１４を、図２Ｉに示すように、活性領域２２上に構築することができる。
【００４５】
図３に、別のデバイスの態様１０００’を示す。このデバイス１０００’は、図２Ｃ、２Ｆ及び２Ｉに示したデバイス１０００と同様のものであるが、次の点が異なる。すなわち、ドーパント導入剤層２８が上部電極１４上に構築されていて、よって、移動性のドーパント２４が上部電極１４と活性領域２２との間の境界で形成されるが、底部電極１２と活性領域２２との間の境界は非導電性に保たれ、よって、デバイス１０００’がＯＦＦ状態にある場合にはトンネルバリアを形成する。この態様では、デバイス１０００’をＯＮ及びＯＦＦ状態の間でスイッチングするために印加される電圧の極性も、その初期状態でのデバイス１０００’の整流配向によって決定される。図３に示すデバイス１０００’を形成するためには、電極１２を基体３０上に構築し、活性領域２２を電極１２上に構築し、上部電極１４を活性領域２２上に構築し、そして、ドーパント導入剤層２８を電極１４上に構築する。構造は、電極１４を通るドーパント導入剤２６（図３には図示せず）の拡散を導入するようにアニールされる。拡散されたドーパント導入剤２６は、電極１４に隣接する活性領域２２の一部と反応し、それにより、移動性のドーパント２４を含む層が形成される。このアニール温度は、以下に述べるように選択される。
【００４６】
図４に、さらに別のデバイスの態様１０００’’を示す。ドーパント導入剤層２８、２８’を、第１及び第２の（底部及び上部）電極１２、１４のそれぞれに隣接して構築することができる。拡散は、概括的には、アニールによって導入され、移動性のドーパント２４、２４’をその中に有する層は、底部電極１２と活性領域２２との境界及び上部電極１４と活性領域２２との間の境界でそれぞれ形成される。２つの層２８、２８’中のドーパント導入剤２６（図４に図示せず）は、形成される所望の移動性のドーパント２４、２４’に依存して、同じであっても異なっていてもよいことを理解されたい。
【００４７】
図２Ａ〜２Ｉ、図３及び４を参照して説明した態様は、移動性のドーパント２４を利用するものであるが、そのような態様では、帯電しているがより小さい移動可能性を有するドーパント又は帯電していないドーパントも使用できることを理解されたい。帯電しているが移動性の小さいドーパントの形成は、帯電した移動性のドーパント２４の形成と同様である、つまり、活性領域と適切なドーパント導入剤との化学的な反応によって起こる。しかし、帯電していないドーパントを使用する場合には、化学的な反応は起こることはない。そのような例では、帯電していないドーパント（例えば、金、白金、パラジウム、ルテニウム又はそれらに類するもの）の層を、ドーパント導入剤層２８の代わりに使用することができることを理解されたい。拡散を達成する前述の任意の方法を使用して、少なくともいくつかの帯電していないドーパントを、所望の電極１２、１４を通って電極１２、１４と活性領域２２と界面へと移動させることができる。この態様では、拡散された非帯電ドーパントは、活性領域２２と化学的に反応するのではなく、ドーパントとして界面に存在する。
【００４８】
図２Ａ〜２Ｉ、図３及び４に示す様々な態様では、ドーパント導入剤２６の拡散を、様々な技術によって制御できることを理解されたい。そのような制御は、移動性の（又は別の）ドーパント２４の位置及び濃度に対しても制御可能であり、それにより、界面及びデバイスの特性を調整することができる。１つ以上の以下の条件を変更することにより、拡散は様々なものとなり得、よって、形成された移動性のドーパント２４の量を増加又は減少させることができる。拡散は、以下の１つ以上を調節することによって変更することができる。つまり、拡散がそこを通って起こる電極１２、１４の厚みの調節、拡散がそこを通って起こる電極１２、１４の粒度の調節、拡散が達成される温度の調節、拡散が達成される時間長さの調節、又はドーパント導入剤層２８の厚み（及びひいてはドーパント導入剤２６の濃度）の調節。非限定的な例としては、拡散は、拡散がそこを通って起こる電極１２、１４の結晶粒界を増大させること及びドーパント導入剤層２８の厚みを増大させることによって、増大させることができる。
【００４９】
図５Ａ〜５Ｃに、デバイス１０００を形成する方法のさらに別の態様を示す。図５Ａに示すように、電極１２を基体３０上に構築する。電極１２は、任意の所望の材料を形成することができ、前もって、任意の適切な技術によって構築することができる。
【００５０】
図５Ｂに示すこの態様では、ドーパント導入剤２６’を、電極１２の表面上に直接的に堆積する。このような堆積は、スパッタリング、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシ、化学蒸着（ＣＶＤ）又は原子層堆積（ＡＬＤ）によって達成することができる。一態様では、堆積されたドーパント導入剤２６’は、薄層層を形成し、その薄層は、例えば、３ナノメートル厚未満である。ドーパント導入剤２６’の比較的薄い層が望ましく、それにより、活性領域２２の一部のみが反応し、それにより、その中に移動性のドーパント２４を有する層が形成される。
【００５１】
次に、活性領域２２のための材料が、図５Ｃに示すように、堆積されたドーパント導入剤２６’上に及び電極１２の露出した任意の表面上に堆積される。活性領域２２のための任意の材料の堆積のための技術は、上述の通りである。構築の際、堆積されたドーパント導入剤２６’と接触している活性領域２２の一部は、それと反応し、それにより、その中に移動性のドーパント２４を組み込んでいる層が、残りの活性領域２２と電極１２との界面で形成される。次に、上部電極１４を、図５Ｃに示すように、活性領域２２上に構築することができる。
【００５２】
図５Ａ〜５Ｃを参照して説明した態様は移動性のドーパント２４を利用するものであるが、帯電しているが移動性がより小さいドーパント又は非帯電ドーパントもこの態様で使用することができることを理解されたい。帯電し且つより移動性の小さいドーパントが、移動性のドーパント２４と同様に形成される。しかし、非帯電ドーパントを使用する場合、化学的な反応は起こらない。そのような例では、非帯電ドーパント（例えば、金、白金、パラジウム、ルテニウム又はそれらに類するもの）を、ドーパント導入剤２６の代わりに堆積させることができる。この態様では、非帯電ドーパントは、化学的に活性領域２２と反応せず、ドーパントとして界面に存在する。
【００５３】
図５Ｃのデバイス１０００は、図２Ｃ、２Ｆ〜２Ｉに示すものと類似であり、それらのデバイスと同様、いくつかの例で、上部電極１４と活性領域２２と境界は、非導電性であり、デバイス１０００がＯＦＦ状態である時にトンネルバリアを形成する。繰り返しになるが、その初期状態でのデバイス１０００の整流配向は、初期状態における移動性のドーパント２４プロファイルによって決定され、当該プロファイルは、ドーパント導入剤２６が拡散していく場所（底部又は上部の境界）によって決定される。したがって、デバイス１０００を切り換えるために印加される電圧の極性は、移動性のドーパント２４がここに開示の様々な態様の１つのを使用して形成される手法によって決定される。
【００５４】
ここに開示の任意の態様では、活性領域２２のための材料及びドーパント導入剤２６（及びひいては移動性のドーパント２４）の選択は、所望のデバイス１０００、１０００’の特性を達成することに寄与する。そのような材料の幾つかの例は、上述した通りである。しかし、特性の所望の組合せを示す広範な材料、つまり、移動性のドーパント２４がドリフトにより活性領域２２への導入及び活性領域２２からの排出を可能にする電気的半導性又は絶縁性及び弱イオン性の導体があることを理解されたい。いくつかの例では、活性領域２２で使用される金属酸化物のエリンガム図を、ドーパント導入剤２６、２６’を選択するために使用することができる。
【００５５】
一般に、半導体を電気的にドープすることができる移動性のドーパント２４に関連する、弱イオン性の導体でもある任意の半導体性材料（活性領域２２を形成する）は、ここに開示の態様においても機能する。言い換えれば、活性領域２２のための考えられるスイッチ化合物（switch compound）は、結合に著しいイオン性の寄与をもたらす半導性化合物である。非限定的な例では、活性領域２２は、非ドープで且つ化学量論的な、よって良好な絶縁体の材料であって、移動性のドーパント２４は、同じ又は関連する母材の層中に含まれる大きな濃度のアニオン又はカチオン空孔となっている。基本的に、その中に移動性のドーパント２４を有する層は導電性が高く、よって、ドーピング濃度の変化は、この層の導電性に対しては比較的小さな作用を有する。しかし、活性領域２２は本質的に内在するので、少量の移動性のドーパント２４であっても、この領域２２の導電性に極めて劇的な作用を有する。
【００５６】
上述のように、一態様では、活性領域２２のための材料は、遷移金属及び希土類金属の酸化物、硫化物、セレン化物、窒化物、リン化物、ヒ化物、塩化物及び臭化物から選択され、多くの場合、化合物中にアルカリ土類が存在する。さらに、様々な、同様の化合物の互いの合金があり、これらは、互いに相溶性である場合、広範な組成物を提供する。混合された化合物があり、そのうちには、いくつかの数の電気的に陰性の元素と組み合わされた２、３又はより多くの異なる金属原子がある。そのような場合、形成された移動性のドーパント２４は、アニオン空孔又は異なる原子価の元素であってよい。
【００５７】
元素Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆを含む活性領域２２のための材料は、特に有用であり、それというのは、３つの全ての金属の第１の酸化状態が＋４、つまりＳｉと同じであるため、Ｓｉ集積回路技術との互換性若しくは適合性があり得るからである。詳細には、これらの元素は、Ｓｉの意図しないドーピングを生成しない。これらの化合物は、それぞれチタニア、ジルコニア及びハフニアとしても知られており、それぞれの様々なポリタイプに特定の他の名称でも知られている。さらに別の態様は、これらの３つの酸化物の、対での又は３つ全てが同時に存在する合金（例えばＴｉｘＺｒｙＨｆｚＯ２［式中ｘ＋ｙ＋ｚ＝１］）を含む。関連する組の化合物は、チタン酸塩、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩を含み、これらは、特定の例、ＳｒＴｉＯ３［式中、Ｓｒは二価の元素ストロンチウムである］で代表される。そのような様々な化合物があり、Ｃａ、Ｂａ及び他の二価の元素（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ）が、Ｓｒで置き換えられ、Ｚｒ及びＨｆはＴｉで置き換えられていてよい。これらの化合物は、ＡＢＯ３化合物として表すことができ、ここで、Ａは、少なくとも１つの二価元素であり、Ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆの少なくとも１つであり、ペロブスカイト構造を有していてよい。
【００５８】
これらの様々な化合物の合金、例えばＣａａＳｒｂＢａｃＴｉｘＺｒｙＨｆｚＯ３［式中、ａ＋ｂ＋ｃ＝１であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である］も利用することができる。両者とも個々に且つより複雑な化合物として使用できる異なる原子価を有する遷移金属及び希土類金属の他の広範な酸化物もある。個々の場合には、移動性のドーパント２４は、酸素空孔又は異原子価（例えば異なる原子価）の元素であってよい。
【００５９】
活性領域２２に適切な化合物のさらに別の態様は、遷移金属の硫化物及びセレン化物を含み、これは、いくらかのイオン性結合の性質、本質的に上述の酸化物のＳ及びＳｅアナログ（類似物）も有している。活性領域２２に適した化合物のさらに別の態様は、半導体性窒化物、例えばＡＩＮ、ＧａＮ、ＳｃＮ、ＹＮ、ＬａＮ、希土類窒化物及びそれらの化合物の合金、並びにより複雑な混合金属窒化物を含む。またさらに、活性領域２２に適した化合物の態様は、様々な遷移金属及び希土類金属、例えばＳｃ、Ｙ、Ｌａ等の半導体性ハロゲン化物（例えばＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ及びＡｇＣｌ）又はリン化物及びヒ化物を含む。この段落で以下に記載する各例では、アニオン空孔又は異原子価元素が、移動性のドーパント２４として形成されていてよい。
【００６０】
さらに、上記例から選択された異なる材料又は化合物の副層（副次的な下層）を含み得ることを理解されたい。
【００６１】
ここに開示の態様で利用されるドーパントは、水素、アルカリ、アルカリ土類カチオン、遷移金属カチオン、希土類カチオン、酸素アニオン又は空孔、カルコゲナイドアニオン又は空孔、窒素アニオン又は空孔、ニクタイドアニオン又は空孔、或いはハロゲン化物アニオン又は空孔であってよい。上述のように、そのような帯電したドーパントは、活性領域２２の部分とドーパント導入剤２６、２６’との化学的な反応によって形成される。またやはり上述のように、そのような非帯電のドーパントは、活性領域２２と化学的に反応してその形成を導入することなく、拡散又は堆積されていてよい。移動性のドーパントアニオンの特定の非限定的な例は、炭素アニオン、硫黄アニオン、又はリンアニオンを含み、移動性のドーパントカチオンの特定の非限定的な例は、アルミニウムカチオン、ニオブカチオン、銅カチオン及び銀カチオンを含む。
【００６２】
活性領域２２、ドーパント導入剤２６、２６’及び結果として得られるドーパントをそこに含み層の組合せの特定の例を、以下の表に示す。ここに記載の教示に基づいて、当業者が、教示の利益を提供する材料の他の組合せを発展させることができることは明かである。
【００６３】
【表１】
0005645837.tif 000002
【００６４】
本開示の態様をさらに示すために、実施例を以下に示す。この実施例は、例示を目的として提示するものであり、開示の態様の範囲を限定するものとして解釈されるべきものではないことを理解されたい。
【実施例】
【００６５】
ここに記載の１つの方法に基づきデバイスを形成した。チタンドーパント導入剤層及び第１の白金電極を、室温（ＲＴ）での蒸着により、Ｓｉ／ＳｉＯ２（１００ｎｍ）基体上に堆積させた。チタンドーパント導入剤層の厚みは５ｎｍであり、その上に構築させた第１の白金電極の厚みは１５ｎｍであった。ＴｉＯ２層（４０ｎｍ）を、１．５ｍＴｏｒｒのＡｒ中でＴｉＯ２（ルチル）ターゲットからのスパッタ堆積によって、第１の白金電極上に構築した。スパッタ堆積中、基体を、約２７０℃まで加熱した。次に、ＴｉＯ２層を構築した後、第２の白金電極（３０ｎｍ）をｅビーム蒸着装置によって蒸着させた。上部及び底部電極を、金属シャドーマスクを用いて骨形状の構造にパターニングし、５×５μｍ２の面積で交差点接合（crossing point junction）を生成した。
【００６６】
このデバイスの接合の全てを、標準４点プローブ法によって測定した。その際、底部電極は常に接地していた。２００のスイッチングＩ−Ｖループを記録した。簡単に説明するために、そのようなループを図６ではグレーで示す。４００番目のスイッチングループ（図６で黒太字で図示）の後、接合は、さらにスイッチ可能であり、約１０００のＯＮ／ＯＦＦ導電比を保持していた。
【００６７】
初期状態Ｉ−Ｖ曲線（図６の左側に挿入）は、強く整流されている。この整流配向は、第１の白金電極とＴｉＯ２層との（ＴｉＯ２−ｘ層を含む）界面がオーミック様であり、一方、（ＴｉＯ２層の未反応部分を含む）界面はオーミック性であり且つ電子輸送を制御することからよって生じたと確信される。この整流配向は、図６に示すデバイスのスイッチング極性を決定し、その場合、ＯＮの切り換えは負電圧によって達成され、ＯＦＦの切り換えは正電圧によって達成される。
【００６８】
以下に説明する結果は、チタンドーパント導入剤層が第１の白金Ｐｔ電極を通って拡散し、ＴｉＯ２層と反応して、その中に酸素空孔を有するＴｉＯ２−Ｘを形成し、それにより、オーミック様のコンタクトを生成することを示す。
【００６９】
また、スイッチング極性に加えて、デバイス歩留まりは、チタンドーパント導入剤層にも依存すると考えられる。いくつかの結果は、１ｎｍ厚のチタンドーパント導入剤層を有するデバイスは、５ｎｍ厚のチタンドーパント導入剤層を有するデバイスについての結果と比較した場合少なくとも、所望のスイッチ可能なデバイス歩留まりをもたらさないことを示している。より厚いチタンドーパント導入剤層は、チタン１５ｎｍの第１の白金電極の結晶粒界を通って拡散し、ＴｉＯ２層と反応し、それにより、酸素空孔を生成し、スイッチングセンターの局所的なシードを形成するのにのに十分なチタンを提供すると考えられる。
【００７０】
図７Ａ〜７Ｃはさらに、チタンドーパント導入剤層中のチタンが拡散して、ＴｉＯ２層の一部と反応するという概念の根拠となる。図６Ａ〜６Ｃで示されたデータを得るために使用されるデバイスは、以下の層、すなわち、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｔｉ（５ｎｍ）／Ｐｔ電極（３０ｎｍ）／ＴｉＯ２（１５ｎｍ）／Ｐｔ電極（２０ｎｍ）を含む。デバイスをＲＴ（室温）で製造し、ＴｉＯ２層を、Ａｒプラス１０％Ｏ２ガス混合物中のＴｉ金属ターゲットからの反応性スパッタリングによって堆積させた。製造直後のデバイスのＩ−Ｖ曲線は、図６Ａに示すように、ある程度対称的である。これらの結果は、２つの境界がほとんど同一であり、チタンドーパント導入剤層は接合に著しく影響を与えることはない、ということを示唆している。これとは対照的に、２５０℃、空気中での２４時間のアニール後、Ｉ−Ｖ曲線は、より整流性となり、整流配向は、底部境界がオーミック様となったことを示している（図７Ａを参照）。
【００７１】
アニールの結果は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）深さプロファイルを比較することによって、図６Ｂ及び６Ｃに見出すことができる。製造直後の接合（図７Ｂ）における、チタンドーパント導入剤層についてのこの明確なプロファイルピーク（ＳｉＯ２と底部Ｐｔ層との間約５ｎｍ）は、アニール接合（図７Ｃ）においてほとんど消失している。図７Ｃのグラフにおいて概略的に上に示したように、チタンドーパント導入剤層は、白金電極を通って部分的に拡散し、底部電極／ＴｉＯ２層境界に近い空孔を形成し、結果として、オーミック様の底部境界コンタクトが得られる。
【００７２】
項目１：第１の電極、
第２の電極、
第１の電極と第２の電極との間に堆積させた活性領域、及び
ｉ）前記第１の電極と前記活性領域との界面、又はｉｉ）前記第２の電極と前記活性領域との界面、又はｉｉｉ）前記活性領域と前記第１及び第２の電極のそれぞれとの界面で局所化された少なくとも１つのドーパント導入剤又はドーパント
を備えている、電気的に作動するデバイス。
【００７３】
項目２：少なくとも前記ドーパント導入剤が前記界面で局在化され、前記ドーパント導入剤が、前記活性領域の一部と化学的に反応して、ｉ）ドーパントを前記境界で、又はｉｉ）ドーパントを前記活性領域内で形成するように構成されている、項目１に記載された電気的に作動するデバイス。
【００７４】
項目３：ドーパントが、帯電した空孔、アニオン又はカチオンから選択された移動性のドーパントである、項目２で記載された電気的に作動するデバイス。
【００７５】
項目４：ドーパントが、前記界面で局在化された非連続的なクラスターである、項目２又は３に記載された電気的に作動するデバイス。
【００７６】
項目５：前記ドーパントが、前記活性領域で形成されたチャネルである、項目２から４のいずれか１つに記載された電気的に作動するデバイス。
【００７７】
項目６：ｉ）前記活性領域と反対の表面で前記第１の電極に隣接して、又はｉｉ）前記活性領域の反対側の表面で前記第２の電極に隣接して、又はｉｉｉ）前記活性領域と反対側の表面で第１及び第２の電極にそれぞれ隣接して構築されたドーパント導入剤層、並びに
ｉ）前記第１の電極、又はｉｉ）前記第２の電極、又はｉｉｉ）前記第１及び第２の電極の結晶粒界に存在する、前記ドーパント導入剤層から拡散された少なくともいくつかのドーパント導入剤をさらに含む、項目１〜５のいずれか１項に記載された電気的に作動するデバイス。
【００７８】
項目７：少なくとも前記ドーパント導入剤が界面で局在化されており、前記ドーパント導入剤が前記活性領域の一部と化学的に反応し、ドーパントを前記界面で、又はｉｉ）ドーパントを前記活性領域内で形成するよう構成されている、項目６で記載された電気的に作動するデバイス。
【００７９】
項目８：前記ドーパントが、前記界面で局在化された非連続的なクラスターであるか、又は前記ドーパントが、前記活性領域内で形成されたチャネルである、項目７又は８に記載された電気的に作動するデバイス。
【００８０】
項目９：前記ドーパントが、正に帯電しているか又は負に帯電している、項目１〜９のいずれか１つに記載された電気的に作動するデバイス。
【００８１】
項目１０：前記ドーパント導入剤が、チタン、クロム、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、ニオブ、タンタル、マンガン、バナジウム、ジルコニウム又はハフニウムから選択される、項目１〜９のいずれか１つに記載された電気的に作動するデバイス。
【００８２】
項目１１：前記ドーパントが前記界面で局在化されており、当該ドーパントが非帯電ドーパントであり、前記デバイスが、
ｉ）前記活性領域とは反対側の表面で前記第１の電極に隣接して、又はｉｉ）前記活性領域とは反対側の表面で前記第２の電極に隣接して、又はｉｉｉ）前記活性領域とは反対側の表面で前記第１及び第２の電極にそれぞれ隣接して構築された非帯電ドーパントの層、並びに
前記非帯電ドーパント層から拡散され、ｉ）前記第１の電極、又はｉｉ）前記第２の電極、又はｉｉｉ）前記第１及び第２の電極の結晶粒界に存在する、少なくともいくつかの非帯電ドーパントをさらに備えている、項目１で記載された電気的に作動するデバイス。
【００８３】
項目１２：前記活性領域が、ケイ素、遷移金属、希土類金属又はアルカリ土類の酸化物、スルフィド、セレン化物、窒化物、リン化物、ヒ化物、塩化物及び臭化物からなる群から選択される、項目１〜１１のいずれか１つに記載された電気的に作動するデバイス。
【００８４】
項目１３：電極を提供し、
ｉ）非帯電ドーパントを、前記電極とそれに隣接する活性領域との界面へ拡散させ、又はｉｉ）ドーパント導入剤を、前記電極に隣接する活性領域の一部と化学的に反応させて、ｉ）前記活性領域と前記電極との界面で又はｉｉ）前記活性領域内でドーパントを形成させることを含む、請求項１〜１２のいずれか１つに記載された電気的に作動するデバイスを形成する方法。
【００８５】
項目１４：前記電極の第１の表面上に、ドーパント導入剤の層を構築することをさらに含み、前記非帯電ドーパントを拡散させること又は前記ドーパント導入剤を反応させることが、
前記ドーパント導入剤層及び前記少なくとも１つの電極をアニールし、それにより、少なくともいくつかの前記ドーパント導入剤を、前記少なくとも１つの電極の反対側の第２の表面へ前記ドーパント導入剤層内で拡散させること、並びに
前記少なくとも１つの電極の前記第２の表面上に活性領域を堆積させ、それにより、前記活性領域の一部分が、前記第２の表面上で、少なくともいくつかの前記ドーパント導入剤と反応することにより達成され、
前記アニールが、堆積前、堆積中又は堆積後に行われる、項目１３に記載された方法。
【００８６】
項目１５：前記電極の第１の表面上でドーパント導入剤層を構築することをさらに含み、
前記非帯電ドーパントを拡散させること又は前記ドーパント導入剤を反応させることが、前記少なくとも１つの電極の反対側の第２の表面上に前記活性領域を熱堆積させ、それにより、前記ドーパント導入剤層内の少なくともいくつかの前記ドーパント導入剤が、前記少なくとも１つの電極の前記第２の表面に拡散し、前記活性領域の前記一部分と反応することによって達成される、項目１３に記載された方法。
【００８７】
項目１６：前記非帯電ドーパントを拡散させること又は前記ドーパント導入剤を反応させることが、
前記ドーパント導入剤の薄層を前記電極の表面上に堆積させ、
前記活性領域を薄いドーパント導入剤層上に堆積させ、それにより、前記活性領域の前記一部分が、前記薄いドーパント導入剤層内の前記ドーパント導入剤と反応することによって達成される、項目１３に記載された方法。
【００８８】
項目１７：前記活性領域に隣接し且つ前記電極とは反対側の他の電極を構築することをさらに含む、項目１３〜１６のいずれか１項に記載された方法。
【００８９】
項目１８：電気的に作動するデバイスにおけるドーパントの形成を制御する方法であって、
ドーパント導入剤又は非帯電ドーパントの規定濃度を選択し、
規定量の前記ドーパント導入剤又は前記非帯電ドーパントを、拡散又は堆積によって、電極と当該電極に隣接する活性領域との界面で局在化させることを含み、
前記ドーパント導入剤が、前記活性領域の一部分と反応してドーパントを形成するか、又は前記非帯電ドーパントが前記ドーパントとなる、方法。
【００９０】
項目１９：前記局在化させることが、前記電極に隣接するドーパント導入剤層からの前記ドーパント導入剤の拡散により、又は前記電極に隣接する非帯電ドーパント層からの前記非帯電ドーパントの拡散により達成され、
当該方法が、
前記電極の厚みを調節すること、
前記電極の粒度を調節すること、
前記拡散を行う温度を調節すること、
前記拡散を行う時間の長さを調節すること、又は
前記ドーパント導入剤層又は前記非帯電ドーパント層の厚みを調節すること
の少なくとも１つによって、前記拡散を制御することをさらに含む、項目１８に記載された方法。
【００９１】
項目２０：前記拡散によって、前記界面で規定の特性を構成することをさらに含む、項目１８又は１９に記載された方法。
【００９２】
以上、いくつかの態様を詳細に説明したが、当該開示の態様を変更できることは当業者には明かであろう。よって、上記の記載は、限定的なものではなく、例示的なものと認識されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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