(57)【要約】カルコゲナイド材料を含む多端子電界デバイス。このデバイスは、第１の端子、第２の端子、および電界効果端子を含む。電界効果端子にゲート信号を印加することによって、第１の端子と第２の端子の間でカルコゲナイド材料中を流れる電流を変調し、かつ／または、第１の端子と第２の端子の間のカルコゲナイド材料の保持電圧または保持電流を変化する。このデバイスを回路およびネットワーク内で相互接続デバイスとして使用して、回路素子またはネットワーク素子間の電流量を調節することができる。
2006525678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルコゲナイド材料と、
前記カルコゲナイド材料に接続された第１の端子と、
前記カルコゲナイド材料に接続された第２の端子と、
前記カルコゲナイド材料に接続された電界効果端子とを含む電界効果デバイス。
【請求項２】
前記カルコゲナイド材料が導電状態にある、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記カルコゲナイド材料の前記導電状態が、前記第１の端子と第２の端子の間で電圧を印加することによって形成される、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記カルコゲナイド材料の前記導電状態が、導電性フィラメントを含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記電界効果端子に供給されるゲート信号が、前記フィラメントの幅または断面積を変化させる、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記電界効果端子に供給されるゲート信号が、前記カルコゲナイド材料の保持電流または保持電圧を変化させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記電界効果端子に供給されるゲート信号が、前記カルコゲナイド材料中を流れる電流を変調する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ゲート信号が前記電界効果端子から生じる電界を形成し、前記電界が前記カルコゲナイド材料中を流れる前記電流の前記変調をもたらす、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ゲート信号が電圧または電流の形で供給される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記ゲート信号が光信号の形で供給される、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ゲート信号が、前記電界効果端子に電荷を追加、または該端子から電荷を除去する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ゲート信号が交流信号またはパルス信号である、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記カルコゲナイド材料が、Ｓ、ＳｅおよびＴｅからなる群から選択された元素を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記カルコゲナイド材料が、さらにＧｅまたはＳｂを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記カルコゲナイド材料が、さらにＡｓまたはＳｉを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記カルコゲナイド材料が、さらにＡｌ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｐ、およびＯからなる群から選択された元素を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記カルコゲナイドがさらに遷移金属を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記電界効果端子が絶縁材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記電界効果端子が、前記絶縁材料と物理的に接触しているが前記カルコゲナイド材料とは物理的に接触していない導電材料を含む、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第１の端子、第２の端子、または電界効果端子の少なくとも１つが、カルコゲナイド材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１の端子、前記第２の端子、および前記電界効果端子が同一平面上にない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
さらに、前記カルコゲナイド材料に接続された１つまたは複数の追加の端子を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記１つまたは複数の追加の端子の少なくとも１つが、電界効果端子である、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
請求項１に記載のデバイスを提供するステップと、
前記電界端子に信号を供給するステップとを含む、電流変調方法。
【請求項２５】
第１の素子と、第２の素子と、前記第１の素子と第２の素子とを接続する相互接続素子とを含む回路であって、前記相互接続素子が、前記第１の端子と第２の端子の間を流れる電流を制御し、前記相互接続素子が請求項１に記載のデバイスを含む回路。
【請求項２６】
さらに、前記相互接続素子の前記電界効果端子に接続されるとともに前記電界効果端子に信号を供給する第３の素子を含み、前記信号が前記第１の素子と第２の素子の間を流れる電流の前記制御をもたらす、請求項２５に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００３年３月１０日出願の特許出願第１０／３８４９９４号の一部継続出願であり、その開示を参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、一般に、電流を調節する電子デバイスに関する。より詳細には、本発明は、トランジスタのような特性を示すカルコゲナイド・デバイスに関する。より詳細には、本発明は、ゲート端子に電気信号を印加することによってデバイスのソース端子とドレイン端子の間の電流量を調整する多端子カルコゲナイド・デバイスに関する。
【０００３】
（発明の背景）
今日の電子デバイスは、従来のシリコン技術に依存している。シリコン技術を用いて、最新のコンピュータや消費者用電子製品を製造するのに必要な電子構成部品（例えばトランジスタ、ダイオード、スイッチ、メモリ、集積回路、およびプロセッサー）を製造することができる。シリコン・ベースの電子回路が市場で目覚しい成功を遂げてきており、日常生活の簡便化に大いに役立ってきた。
【０００４】
ここ数十年にわたるシリコン・ベース電子回路の成長は、製造の際のデバイス小型化の大幅な進歩によって推進されてきた。小型化傾向は、長年の間、数多くのシリコン技術世代にわたってムーアの法則に忠実に従ってきた。デバイスの機構寸法が縮小するにつれて、一定のシリコン・ウェーハにこれまでより多くのデバイスを含むことが可能になり、コンピュータや電子製品の性能や速度の改善を実現することが可能になる。
【０００５】
演算処理能力および機能面での今後の改善は、現在ではシリコン技術の引き続く改善に基づいているので、近年では、シリコン・ベースの電子デバイスの小型化の継続予測に関する議論が大いになされてきている。コンピュータ産業はシリコンの性能限界に急速に迫りつつあると考える共通の認識が高まってきている。今日の製造技術での機構寸法は０．１８ミクロンであり、このサイズは今後、約０．１０ミクロンまで縮小できると予想されている。しかし、機構寸法のこれ以上の縮小は難しいと考えられる。というのは、約０．１０ミクロン未満の寸法では、シリコンの基本的な作動性質に変化をきたすからである。より具体的には、シリコン・デバイスの寸法が数十ナノメートル以下にまで縮小すると、シリコンの作動性質は量子論的領域に入り、もはや巨視的現象を支配する古典物理学の法則に従っては機能しなくなる。量子論的領域では、エネルギー状態は、連続的ではなく、量子化され、トンネリングなどの現象により、多数のデバイスにわたる電子の非局在化が生じる。トンネリングの影響としては、あるデバイスから隣接するデバイスに電子が移るための漏電や、あるデバイスの状態が隣接するデバイスの状態に影響を及ぼすためのデバイスの独立性の喪失が含まれる。また、シリコンの基本的動作の変化に加えて、シリコン・デバイスの寸法のさらなる縮小により、深刻な技術的難題が提起されることにもなる。機構寸法のさらなる小型化を実現するには、フォトリソグラフィなどの製造方法の新たな革新が必要となる。
【０００６】
他に２つのシリコン技術の欠点が認識されている。第１の点は、機構寸法が縮小するにつれて、新たな製造設備を設置し稼動させる費用が指数関数的に増大してきたことである。例えば、今日の０．１８ミクロンの機構寸法では、新しい半導体製造設備を建築する費用は１０億ドルを超える。この費用は、デバイスがさらに小型化され、不純物やプロセス汚染の影響をより受けやすくなるにつれて増大する一方である。
【０００７】
第２の点は、現在のコンピュータではいくつかの演算処理が依然としてほぼ解決不可能であるので、シリコン・ベースのコンピュータの機能に本質的な限界があるのではないかという認識が高まりつつあることである。例として、因数分解、並列演算、パターン認識、および連想記憶が挙げられる。同様に、人間や他の生物では直観的に容易に行える作業の多くが、従来のコンピュータで実施するには煩雑で難しく、しばしば実行不可能である。
【０００８】
今後の演算処理について考えると、これまでよりも高度な応用分野に対処できる新しい機能性を備えた新規なコンピュータの必要が考えられる。適合性、順応性があり、推論能力、および思考能力に従って動作する新しいコンピュータが必要である。従来のコンピュータの、柔軟性が無く盲目的な問題解決方法に限定されないコンピュータが求められている。従来と異なり、矛盾すると思われる状況に直面しても複数の情報源からの情報を識別して理にかなった出力をもたらす能力を備える、状況の変化に対応できるコンピュータが求められている。知能コンピュータおよび知能デバイスを実現するには、従来のコンピュータの基礎となっているシリコン技術の現在の性能およびその将来予測される性能を超える機能が必要となる。したがって、汎用コンピュータおよびタスク特有の演算プロセッサーを含む新たな非シリコン演算処理媒体に少なくとも部分的に基づいた、新たな革命的な演算処理体系が求められている。この目標を達成するために、非シリコン・ベースの電子デバイスおよび構成部品の開発、それらの相互接続戦略、ならびにこれらのデバイスおよび構成部品を従来のシリコンとインターフェイス出来る技術が求められている。
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、今日のシリコン・ベースの従来式コンピュータよりも優れた機能を有する新規なコンピュータおよびプロセッサーを作製するのに使用できる電子デバイスを提供する。本発明のデバイスは、シリコンではなく、高抵抗状態と導電状態との間で可逆的に変換可能なカルコゲナイド相変化材料をベースとする。これらの状態間での変換は、閾値エネルギーに達するか、またはそれを超える量のエネルギーを相変化材料に供給することによって引き起こされる。高抵抗状態にあるカルコゲナイド材料に外部源から少なくとも閾値量のエネルギーを印加すると、その材料の少なくとも一部分が導電状態に転移する。この導電状態は、最小量の外部エネルギーがこの材料に供給される限り持続する。外部エネルギーが途絶えると、この材料は高抵抗状態に戻る。
【００１０】
本発明のデバイスは、該デバイスを他のデバイス、回路素子、外部エネルギー供給源、またはエネルギー吸収源に接続するための端子を３つまたは３つ以上含む。これらの端子には、外部デバイスまたは外部源から電気エネルギーまたは信号を受け取るとともにそれをカルコゲナイド材料に供給する入力端子、ならびにカルコゲナイド材料から電気エネルギーまたは信号を外部デバイスに送達する出力端子が含まれ得る。本発明のデバイスは、１つまたは複数の入力端子および１つまたは複数の出力端子を含むことができる。カルコゲナイド材料では、その導電度によって、一方の端子に供給された信号がデバイスのもう一方の端子に伝達、通信、または他の形で信号が誘起される程度が決まる。
【００１１】
本発明のデバイスは、ある容積のカルコゲナイド材料、およびその材料と電気的に接続している３つまたは３つ以上の端子を含む。本発明の好ましい実施形態では、カルコゲナイド材料とどちらも電気的に接続しているソース端子とドレイン端子との間を流れる電流が、やはりカルコゲナイド材料と電気的に接続しているゲート端子に電気信号を印加することによって制御される。ソースとドレインの間を流れる電流は、カルコゲナイド材料の導電状態にある部分を通って流れ、ゲート信号が導電状態にあるカルコゲナイド材料の比率を変調することによって、全電流量を変調する。導電状態にあるカルコゲナイド材料の比率を増大させることによって、ソースからドレインに流れる電流を増大させることができ、その逆も同様である。したがって、本発明のデバイスは、非シリコン材料においてトランジスタのような電流増幅作用を実現するものである。
【００１２】
一実施形態では、ゲート端子に供給される電気信号が、２つの非ゲート端子の間でカルコゲナイド材料中を通って流れる電流に影響を及ぼす、カルコゲナイド材料と電気的に接続しているゲート端子を含む３つまたは３つ以上の端子を有する電界効果カルコゲナイド・デバイスが提供される。
【００１３】
別の実施形態では、ゲート端子に供給される光信号が、２つの非ゲート端子の間でカルコゲナイド材料中を通って流れる電流に影響を及ぼす、カルコゲナイド材料と電気的に接続しているゲート端子を含む３つまたは３つ以上の端子を有する電界効果カルコゲナイド・デバイスが提供される。
【００１４】
本発明のデバイスは、他のデバイスまたは回路素子に連結してネットワークを形成することができる。ネットワークでは、本発明のデバイスを相互接続デバイスとして使用して、ネットワーク内のデバイスまたは回路素子間を流れる電流量を調節することができる。
【００１５】
（詳細な説明）
本発明は、カルコゲナイド材料をベースとする電界効果電子デバイスを提供する。カルコゲナイド材料の特性は先に論じた通りであり、ＯＴＳ（オボニック閾値スイッチ）デバイスで利用されているような転移効果を含む。ＯＴＳについては、米国特許第５５４３７３７号、同第５６９４１４６号、および同第５７５７４４６号（それらの開示を引用により本明細書に組み込む）、ならびにS. R. Ovshinskyの「Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures（無秩序構造における可逆電気転移現象）」、Physical Review Letters、第２１巻、１４５０〜１４５３ページ（１９６９年）、S. R. OvshinskyおよびH.Fritzscheの「Amorphous Semiconductors for Switching, Memory, and Imaging Applications（スイッチング、記憶、および画像形成に応用するための非晶質半導体）」、IEEE Transactions on Electron Devices  ＥＤ第２０巻、９１〜１０５ページ（１９７３年）（それらの開示を引用により本明細書に組み込む）を含むいくつかの学術論文に記載されている。
【００１６】
本発明のデバイスに関係するカルコゲナイド材料の電気的転移特性および電流特性を図１に概略的に示す。この図は、カルコゲナイド材料の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。図１に示すカルコゲナイドの特性は、間隔を置いて配設された２つの電極がカルコゲナイド材料と接触しており、電流Ｉがこれら２つの電極の間を流れる電流に相当する簡単な２端子デバイス構成を使って説明するのが便利である。同様の特性が、本発明の多端子デバイスの端子対にも見られる。図１の電流−電圧曲線は、カルコゲナイド材料中を流れる電流を、電極によって材料に印加される電圧の関数として示す。この材料の電流−電圧特性は、印加電圧の極性に関して対称形である。以下のカルコゲナイドの転移動作について簡単に説明するために、便宜上、図１の電流−電圧プロットの第１象限（電流および電圧がどちらも正である部分）について考えることとする。極性を説明する同様の説明が電流−電圧プロットの第３象限についても当てはまる。
【００１７】
本発明によるカルコゲナイド材料の電流−電圧曲線は、高抵抗分枝（ｂｒａｎｃｈ）および導電分枝を含む。これらの分枝は図１に示してある。高抵抗分枝は、材料に印加される電圧が増大しても、材料中を流れる電流がほんの僅かしか増大しない分枝に相当する。この分枝は、電流−電圧プロットでは小さい傾斜を示し、図１の第１象限および第３象限ではほぼ水平な線として示されている。導電分枝は、材料に印加される電圧が増大すると、材料中を流れる電流が大幅に増大する分枝に相当する。この分枝は、電流−電圧プロットで大きい傾斜を示し、図１の第１象限および第３象限ではほぼ垂直な線として示されている。図１に示す高抵抗分枝および導電分枝の特定の傾斜は、例示的なものであって限定的なものではなく、実際の傾斜は、カルコゲナイド材料の化学組成、厚さなど、ならびに周囲の回路素子の抵抗、容量などのパラメータによって決まることになる。実際の傾斜がどうであれ、導電分枝は、必ず高抵抗分枝よりも大きい（急勾配の）傾斜を示さねばならない。デバイス状態が、カルコゲナイド材料が電流−電圧曲線の高抵抗分枝上のある点に示されるような状態にある場合、カルコゲナイド材料またはデバイスは高抵抗状態にあると言う。デバイス状態が、カルコゲナイド材料が電流−電圧曲線の導電分枝上のある点に示されるような状態にある場合、カルコゲナイド材料またはデバイスは導電状態にあると言う。
【００１８】
本発明によるカルコゲナイド材料が電流を通す能力は、図１を参照して説明することができる。まず、２端子デバイス構成で端子間に電圧差がない無い場合について考えてみる。カルコゲナイド材料に電圧が印加されていない場合、この材料は高抵抗状態にあり、電流は流れない。この状態は、図１に示す電流−電圧プロットの原点に相当する。印加される電圧が増大していっても、閾値電圧（図１の第１象限のＶｔで示す）までは、カルコゲナイドは高抵抗状態のままである。０からＶｔまでの印加電圧では、電流−電圧曲線の傾斜は小さく、カルコゲナイド材料が高い電気抵抗を有することを示し、用語「高抵抗分枝」で示す状況は、電流−電圧曲線のこの部分を説明するために使用するものである。高い抵抗とは低い導電度を意味し、したがって、材料中を流れる電流は、印加電圧が増大していってもほんの僅かしか増大しない。
【００１９】
印加電圧が閾値電圧に等しいかまたはそれを超えると、カルコゲナイド材料は、電流−電圧曲線の高抵抗分枝から導電分枝に変換または転移する。転移現象はほぼ瞬時に起こり、図１の点線で示す。転移するとすぐにデバイス電圧は大幅に低減し、デバイス電流は、デバイス電圧の変化に著しく敏感になる。カルコゲナイド材料は、図１のＩｈで示す最小電流が維持される限り導電分枝にとどまる。Ｉｈをデバイス保持電流、関連する電圧Ｖｈをデバイス保持電圧と呼ぶこととする。デバイス状態が変化して電流がＩｈ未満になった場合、この材料は通常、電流−電圧プロットの高抵抗分枝に戻り、導電分枝における作動を再開するには閾値電圧を再度印加する必要がある。電流がほんの一瞬だけ（例えばカルコゲナイド材料の回復時間よりも短い間）Ｉｈより低くなった場合には、電流がＩｈまたはそれ以上まで回復したとき、カルコゲナイドの導電状態は即座に回復出来る。カルコゲナイド材料の回復時間については、参照により上記で本明細書に組み込んだ論文「Amorphous Semiconductors for Switching, Memory, and Imaging Applications（スイッチング、記憶、および画像形成に応用するための非晶質半導体)」で論じられている。
同様の転移挙動が、図１に示す電流−電圧プロットの第３象限でも生じる。図示のものは、第３象限における電流−電圧曲線の負極性を示しており、第３象限における転移挙動および電流特性は、第１象限について上記で説明したものと同様である。例えば、第３象限における負の閾値電圧の大きさよりも大きい電圧を印加することにより、抵抗分枝から導電分枝への変換または転移が誘起される。
【００２０】
本発明の電界効果デバイスは、図１に示すような電流−電圧曲線の導電分枝上のある点によってその特性を記述することができるカルコゲナイド材料中を流れる電流を変調する。本発明のデバイスでは、カルコゲナイド材料が導電状態にあるとき、ゲート端子に供給される信号を用いて、カルコゲナイド材料中を一方の非ゲート端子からもう一方の非ゲート端子と流れる電流を変調する。ゲート端子によって行われる電流変調は、閾値電圧Ｖｔｈを印加した際にカルコゲナイド材料が高抵抗状態から導電状態に変換する現象に適用可能な現象論的モデルによって説明することができる。このモデルによると、閾値電圧を印加することによってカルコゲナイド材料内に導電性チャネルまたは導電性フィラメントが形成される。典型的なデバイス構成では、カルコゲナイド材料と電気的に接続している２つの端子間で、ある電圧差が加えられ、それらの２つの端子間でカルコゲナイド材料内に導電性フィラメントが形成される。閾値電圧では、カルコゲナイド材料のある部分に生じる電界は、絶縁破壊または電子なだれを誘起するほど十分に高くなり、その結果電子が原子から解放されて導電性の高いプラズマ状の電荷キャリアのフィラメントが形成される。電子の一部は、結合電子軌道または孤立電子対軌道として原子に束縛されているのではなく、非束縛状態になり高い移動性を有するようになる。その結果、導電性チャネルまたは導電性フィラメントが形成される。導電性フィラメントは、通常は高抵抗性のあるカルコゲナイド材料内で導電性の部分即ち導電容積を構成する。導電性フィラメントは、閾値電圧がその間で印加されるデバイス端子の間にわたってカルコゲナイド材料中を延び、それらの端子間で低抵抗の電流経路を形成する。カルコゲナイド材料のフィラメント以外の部分は、依然として高抵抗性を有する。電流は抵抗の極小の通路を通過するので、導電性フィラメントの存在によってカルコゲナイド材料が導電性を有するようになり、導電状態が確立される。導電性フィラメントの形成は、カルコゲナイド材料が高抵抗状態から導電状態に変換する基礎となるそのものの現象である。
【００２１】
導電性フィラメントは、デバイス電流が保持電流またはそれ以上の電流値に保たれる限りデバイス端子間で維持される。導電性フィラメントは、導電分枝上の全ての状態において存在するが、フィラメントの断面積は、導電分枝に沿った点ごとで様々に異なる。フィラメントの断面積とは、電流方向に対して直角の方向を指す。導電分枝内の作動条件に応じて、フィラメントは狭いことも、または広いこともある。印加電圧が導電分枝に沿って増大するにつれて、フィラメントの断面積は拡大する。拡大されたフィラメントは、カルコゲナイド材料のより広い部分または容積が導電状態にあり、高い導電度を有することを示す。したがって、電流がその間を流れる両端子に印加される電圧差が増大するにつれて、カルコゲナイド材料は、電流−電圧曲線の導電分枝で示されるように、より大きな電流を維持することができる。導電分枝で作動するカルコゲナイド材料に印加される電圧を変化させることによって、電流と直角方向のフィラメントの幅即ち厚さを変化することができる。したがって、導電状態にあるカルコゲナイド材料の断面積およびカルコゲナイド材料の電流輸送量は、導電分枝に沿って電圧が増大するにつれて増大する。導電分枝上で作動する力ルコゲナイド材料に印加される電圧を変化させることの終局的効果は、導電部分と高抵抗部分の容積比を変化させることである。導電容積比が増大するにつれて、カルコゲナイド材料に電流が流れる容量が増大する。
【００２２】
２端子カルコゲナイド・デバイスでは、両端子間に印加される電圧を用いてカルコゲナイド材料の電流輸送能力を、したがってデバイス中を流れる電流を制御または変調する。本発明の電界効果デバイスでは、３つ以上の端子がカルコゲナイド材料と直接または間接的に電気的に接続され、少なくとも１つの端子は電界効果端子であり、電界効果端子に供給される信号によって、他の２つ端子間でカルコゲナイド材料中を流れる電流を変調する電界がカルコゲナイド材料内またはその近傍に形成される。電界効果端子に供給される信号はまた、他の端子間の電圧、カルコゲナイド材料上または該材料内の電荷分布や極性など、他の電気特性をも変化させることができる。本発明のデバイスでは、電界効果端子から生じる電界は、電界効果端子からカルコゲナイド材料に電流を流したり、キャリアを注入したりすることによって発生するのではなく、電界端子における電荷の静的または動的な蓄積または抽出によって発生する。電界効果端子における電荷は、電界効果端子内または該端子の表面上に存在することができる。本発明のデバイスの電界効果端子とカルコゲナイド材料との間の電気的な接続は、本発明のデバイスの電界効果端子からカルコゲナイド材料に、または、カルコゲナイド材料から電界効果端子には電流が流れないという意味で間接的である。本発明による電界効果端子は、本明細書ではゲート端子またはゲートと称することもある。電流がその間を流れる２つの端子は、本明細書では非ゲート端子と称することがある。電流がその間を流れる２つの端子はまた、本明細書ではソース端子およびドレイン端子と称することもあり、その場合、電流は、ソース端子で発生または供給され、カルコゲナイド材料中を流れ、ドレイン端子から流れ出る。各非ゲート端子と本発明のデバイスのカルコゲナイド材料との間の電気的な接続は、非ゲート端子からカルコゲナイド材料に、または、カルコゲナイド材料から非ゲート端子に電流が流れることができるという意味で直接的である。本発明によるゲート端子および非ゲート端子は、本発明の電界効果デバイス内のカルコゲナイド材料に電流を送る、または該材料から電流を受け取る能力の存在（または不在）によって区別される。本発明のデバイスの好ましい実施形態では、カルコゲナイド材料が導電状態にあるとき、ゲート端子に供給される信号によって、ソース端子とドレイン端子の間を流れる電流を変調し、またはその他の形で影響を及ぼす電界が形成される。
【００２３】
本発明によるデバイスの典型的な構造を図２に示す。このデバイスは、カルコゲナイド材料１００と、ソース端子１１０と、ドレイン端子１２０と、絶縁層１３０および導電層１４０を含むゲート端子１５０とを含む。端子１１０、１２０、および１５０は、カルコゲナイド材料１００に接続されるとともに該材料と電気的に接続している。端子１１０および１２０は、金属などの導電材料から形成される。端子１１０および１２０と、カルコゲナイド材料との間の電気的な接続は、電流が各端子とカルコゲナイド材料との間で流れることができるという意味で直接的である。ゲート端子１５０とカルコゲナイドとの間の電気的な接続は、（起こり得る偶発的な漏れ電流を除き）電流がゲート端子とカルコゲナイド材料との間を流れるのではなく、ゲート信号によってゲート端子の所で形成される電界を介して、ゲート端子とカルコゲナイド材料との間で相互作用が生じるという意味で間接的である。好ましい実施形態では、ゲート端子の所で形成される電界は、ゲート信号によって、ゲート端子内もしくは該端子上に形成、蓄積され、または該端子から除去された、あるいはその他の形でゲート端子内もしくは該端子上に導入、または該端子から抽出された電荷に起因するものである。絶縁層１３０は、電流がゲート端子からカルコゲナイド材料に流れるのを防止するバリア層として働く。したがって、絶縁層１３０は、電流が導電材料から本発明のデバイスの作動中のカルコゲナイドに流れるのを阻止するが、導電材料１４０中に存在する電界がカルコゲナイド材料に影響を及ぼすことができるほど十分に薄い。したがって、端子１５０は、本発明による電界効果端子の実施形態である。
【００２４】
作動するには、端子１１０と端子１２０の間で電圧を印加し、それによってカルコゲナイド材料１００に電圧を供給することができる。上述のように、印加電圧がカルコゲナイド材料の閾値電圧に達するかまたはそれを超えると、カルコゲナイド材料は導電状態に変換され、フィラメント状の導電部分がその中に形成される。カルコゲナイド材料が導電状態にあるとき、ゲート端子に信号が存在しない場合は、端子１１０と端子１２０の間を流れる電流は、上述のカルコゲナイド材料の電流−電圧曲線の導電分枝の電流−電圧特性にしたがって、端子１１０と端子１２０の間で印加される電圧によって決定される。
【００２５】
ゲート端子１５０にゲート信号（例えば電流または電圧）を印加することにより、カルコゲナイド材料１００中にまで延びることもあるカルコゲナイド材料の導電性フィラメント状部分に影響を及ぼし、かつ／またはカルコゲナイド材料中を流れる電流を変調する電界が形成される。より具体的には、、ゲート端子１５０から生じる電界は、導電性フィラメント状部分のサイズを、ゲート信号が存在しない場合に比較して拡大または縮小することができる。カルコゲナイド材料の導電性フィラメント状部分の拡大は、導電状態にあるカルコゲナイド材料の容積比の増大に対応し、一方、カルコゲナイド材料の導電性フィラメント状部分の縮小は、導電状態にあるカルコゲナイド材料の容積比の低減に対応する。拡大効果または縮小効果は、カルコゲナイド材料の導電部分の直径、幅、断面積などに現れる。導電部分が拡大または縮小するにつれて、カルコゲナイド材料中を通って輸送または維持される電流は変化し、したがって変調されることになる。本発明のデバイスのカルコゲナイド材料の導電性フィラメント状部分に影響を及ぼすことができるゲート信号の能力は、従来のシリコン・ベース電界効果トランジスタ（例えばＪＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴ）において、空乏領域の範囲を変動させて電流輸送チャネルの幅を制御することによって電流に影響を及ぼすゲート信号の能力とよく似ている。導電性フィラメント状部分の拡大または縮小はまた、カルコゲナイド材料内もしくは該材料全体にわたる、または該材料に接続された端子間の、電圧差の変化、または電荷濃度もしくは電荷分布の変化を伴うこともある。
【００２６】
特定の理論に拘泥するものではないが、本発明者らは、ゲート端子から広がる電界が、導電性フィラメント内における電荷キャリアの発生および再結合に関連するプロセスに影響を及ぼすことによって、導電性フィラメントの断面積を変化させると考えている。上述したように、導電性フィラメントは、閾値電圧に応答して、カルコゲン元素および／またはカルコゲナイド材料の組成に含まれる変性元素の孤立電子対または結合電子軌道から電子が解放されることによって形成されるカルコゲナイド材料の導電部分に相当する。導電性フィラメントは、電圧が印加されると空間を容易に移動できるようになる高移動性を有する自由または非束縛電荷キャリアを含む。導電性フィラメントの拡大または縮小とは、導電状態にあるカルコゲナイド材料の容積比に変化をもたらすフィラメントの断面積の増大または縮小である。ゲート信号の存在下における導電容積比の増大は、導電性フィラメントが拡大するにつれてカルコゲナイド材料がそこに組み込まれた際に、追加の電子が該材料から遊離し、孤立電子対または結合電子軌道にある束縛状態から非束縛状態に変換されることを意味する。ゲート信号の存在下における導電容積比の減少は、導電性フィラメント内のいくつかの電子が、原子の孤立電子対または結合軌道にある電子空孔（ホール）と再結合し、非結合状態から結合状態に変換されることを意味する。
【００２７】
特定の理論に拘泥するものではないが、本発明者らは、本発明のデバイスでは、ゲート信号によって形成された電界から生じる静電力が、非束縛電子の発生および再結合に影響を及ぼし、それによって導電性フィラメントの断面積およびカルコゲナイド材料の電流輸送量に影響を及ぼすのではないかと推論している。導電性フィラメントは、非束縛電子すなわち自由電子のプラズマ状集合体で構成されている。このような電子の集合体はすべて、ゲート信号によって形成された電界によって生じる静電引力および／または静電斥力の影響を受ける。正のゲート信号によって、電子を含むフィラメントに静電引力が生じ、負のゲート信号によって静電斥力が生じる。これらの静電力は、互いに反対の方向に導電性フィラメントの非束縛電子に影響を及ぼし、ゲートにより誘起される導電性フィラメントの拡大および縮小の原因になる。
【００２８】
導電性フィラメントの拡大および縮小は、主として導電性フィラメントと周囲のカルコゲナイド材料の高抵抗部分との間の境界で起こる。フィラメントの拡大は、フィラメントに隣接する原子の孤立電子対軌道または原子結合状態にある電子の転換を含み、それらの電子の結合エネルギーを弱める静電力によって促進される。ゲート信号が存在しない場合、或いは２端子デバイス構成では、フィラメントの拡大は、ソース端子とドレイン端子の間の印加電圧を増大させることによってもたらされる。この電圧の増大によって、電子遊離を促進する強電界が形成されることにより、かつ／またはフィラメント内に存在する非束縛電子の平均エネルギーが増大することにより、更に電子が遊離し、それによって導電性フィラメントの電子と、導電性フィラメント状部分に隣接するカルコゲナイド材料の高抵抗部分にある原子の孤立電子対および結合軌道上の束縛電子との衝突電離プロセスが促進される。フィラメント拡大の際に、衝突または電界により誘起されるトラップまたは格子欠陥のイオン化もまた、更に電荷キャリアの増加をもたらし得る。
【００２９】
本発明の多端子デバイスでは、ゲート信号によってもたらされる静電力が、導電性フィラメントの近傍にあるカルコゲナイド材料の高抵抗部分に存在する原子の孤立電子対または結合電子軌道上の電子の結合エネルギー、ならびに衝突電離を誘起する導電性フィラメント内の非束縛電子の運動エネルギーに影響を及ぼす。ゲート信号によって生成される束縛電子の結合エネルギーを低下させる静電力により、または非束縛電子の運動エネルギーの増大によって、フィラメントの拡大が促進される。ゲート信号によって生成される、束縛電子の結合エネルギーを増加させる静電力により、または非束縛電子の運動エネルギーの減少によって、フィラメントの縮小が促進される。
【００３０】
特定の理論に拘泥するものではないが、本発明者らは、フィラメントの拡大および縮小の一モデルとして、カルコゲナイド材料の導電性フィラメント状部分と、その周囲の高抵抗部分との境界で動的平衡をもたらす機構を想定している。動的平衡状態では、導電性非束縛電子を生じる孤立電子対軌道、結合電子軌道、または格子欠陥状態からの束縛電子の遊離（すなわち自由キャリアの発生）が、孤立電子対軌道、結合電子軌道、または格子欠陥状態に存在するホール（電子空孔）と非束縛電子との再結合によって平衡を保っている。ゲート信号によってもたらされる静電力は、この平衡を変更し、遊離効率がより高くなる（これによりフィラメントが拡大する）ように、または再結合効率がより高くなる（これによりフィラメントが縮小する）ようにバイアスすることができる。例えば、孤立電子対もしくは結合電子軌道として束縛されている電子により高い結合エネルギーをもたらすか或いは非束縛電子により低い運動エネルギーをもたらすゲート信号では、電子の遊離がそれほど活発でなくなるので、平衡は、再結合およびフィラメント縮小の方向にバイアスされることになる。同様に、束縛電子により低い結合エネルギーをもたらすか或いは非束縛電子により高い運動エネルギーをもたらすゲート信号では、電子の遊離がより活発になるので、平衡は、遊離およびフィラメント拡大の方向にバイアスされることになる。したがって、デバイス構造にゲート端子を含めることにより、カルコゲナイド・デバイスの２つの非ゲート端子（例えばソースおよびドレイン）の間を流れる電流を、変調し、または他の形でそれに影響を及ぼすために、印加電圧以外の自由度がもたらされることになる。信号をゲート端子に印加してフィラメントの拡大または縮小を誘起する静電力を生じさせることにより、対応する２端子構成で予期される電流よりも大きくまたは小さい電流レベルが実現可能である。
【００３１】
ゲート信号は、また、フィラメントの大きさおよび電流量の変化に加えて、カルコゲナイド材料の保持電流および／または保持電圧を制御するための機構をも提供することができる。上述のように、保持電流および保持電圧は、カルコゲナイド材料内で導電性フィラメントを維持するのに必要な最小電流条件および最小電圧条件に対応する。これら保持条件では、導電性フィラメントは、プラズマ状導電性フィラメント状態を維持するのに必要最小限のサイズ、寸法、容積または断面積を有する。これら保持条件でのフィラメントの状態は、フィラメントの臨界状態と呼ぶことができる。電流または電圧が降下して保持値を下回る場合、電荷キャリアの再結合によりフィラメントが消失するので、カルコゲナイド材料は導電状態から高抵抗状態に変換する。２端子カルコゲナイド・デバイスでは、保持電流および保持電圧は、カルコゲナイド材料の化学組成、その厚さなどによって決定され、所与のデバイス構成ごとに固定される。本発明の多端子デバイスでは、ゲート信号を用いて、所与のデバイス構成においてカルコゲナイド材料の保持電流および／または保持電圧を変化させることができる。
【００３２】
ゲート信号によって誘起されるフィラメント状部分の拡大効果は、保持電流および／または保持電圧の低減をもたらすことがある。上述のように、２つの非ゲート端子（例えばソース端子およびドレイン端子）の間に特定の電圧が印加される場合にも、適当なゲート信号によって導電性フィラメントの拡大が可能となる。ゲート信号が存在しない状態で、２つの非ゲート端子の間で印加される特定の電圧が保持電圧に一致する場合、フィラメントは臨界状態にある。続いて適当なゲート信号が印加されると、フィラメントは、ゲート信号がない状態での臨界状態の寸法よりも拡大することになる。したがって、フィラメントはもはや臨界状態ではなく、この状態は、たとえ２つの非ゲート端子の間に印加される電圧が低減し、ゲート信号が存在しない場合の保持値を下回っても、拡大性ゲート信号が存在する限り持続可能である。拡大性ゲート信号が存在する場合に印加電圧がこのように低減すると、フィラメントの縮小を引き起こし、ゲート信号によって誘起される拡大と拮抗する。拡大性ゲート信号の存在下で印加電圧が徐々に低減されるにつれて、フィラメントは縮小し、最終的には新たな保持条件を規定する新たな臨界条件に達する。この新たな臨界条件では、保持電流および／または保持電圧は、ゲート信号が存在しない場合のカルコゲナイド材料の保持電流および／または保持電圧よりも低い。これらの新たな保持条件は、ゲート信号の強さに依存し、その値を下回るとゲート信号の存在下でもフィラメントがもはや持続不可能となる新たな最小電流値および最小電圧値を決定する。同様に、フィラメントの縮小をもたらすゲート信号を用いて、保持電圧および／または保持電流を増大させることもできる。縮小性ゲート信号を印加することにより、例えば、ゲート信号が存在しない場合に保持条件で動作するカルコゲナイド材料のフィラメントの消失を誘起することができる。
【００３３】
ゲート信号は、一定信号または時変信号である。一定ゲート信号の印加は、ゲート信号が存在しない場合での電流量および／または保持条件に比べて、電流量および／または保持条件に一定したシフトをもたらし、一方、時変ゲート信号の印加は、ゲート信号が存在しない場合での電流量および／または保持条件に比べて、電流量および／または保持条件に振動型シフトまたは時変型シフトをもたらす。一定ゲート信号は、直流電圧または長期電圧パルスである。時変ゲート信号は、交流電圧または短期電圧パルスである。
【００３４】
本発明によるゲート信号は、ゲート端子からカルコゲナイド材料に電流を流さずとも電界を形成し、この電界を用いるとカルコゲナイド材料中の導電性フィラメントの特性に影響を及ぼすことができる。上述のように、ゲート信号は、電圧または電荷などの電気信号であることができる。また、光信号は振動電界を有する電磁信号であるので、ゲート信号は光信号でも良い。光源からの電界をカルコゲナイド材料の高抵抗部分または導電部分に作用させることによって、束縛電荷キャリアの遊離率または非束縛電荷キャリアの再結合率に影響を及ぼすことによりフィラメントを拡大または縮小することができる電界をカルコゲナイド材料内に誘起することができる。適当な光源には、白熱灯、レーザ、ダイオード、光ファイバもしくは光導波管によって供給される光、またはＳｅを含有するものを含めた発光カルコゲナイド材料によって供給される光が含まれる。連続モードで作動する光源もパルス化モードで作動する光源も本発明の範囲に含まれる。
【００３５】
光ゲート信号を使用する実施形態では、物理的なゲート端子はあってもなくてもよい。光ゲート信号は、カルコゲナイド材料またはそのある部分に直接印加することができる。光ゲート信号は、また、カルコゲナイド材料と相互作用可能な電界をその上に誘起するために物理的なゲート端子に印加することもできる。ゲート端子が物理的に存在する場合、光ゲート信号と電気ゲート信号とを組み合わせて使用することができ、かかる実施形態は本発明の範囲に含まれる。好ましい実施形態では、電気ゲート信号または光ゲート信号によって形成される電界は、物理的ゲート端子内もしくは該端子上、あるいはカルコゲナイド材料内もしくは該材料上で形成、除去、追加、離脱または他の形で誘起された電荷に起因する。
【００３６】
図２に示す実施形態は、カルコゲナイド材料と直接電気的に接続している第１の端子および第２の端子と、カルコゲナイド材料と間接的に電気的に接続している電界効果端子とを有する３端子デバイスである。この実施形態では、上述のように、電界効果端子を用いて、第１の端子と第２の端子との間でカルコゲナイド材料中を流れる電流を変調すること、または第１の端子と第２の端子との間のカルコゲナイド材料の保持電流および／または保持電圧を変化させることができる。第１の端子および第２の端子は、非ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子、または非電界端子と呼ぶこともできる。また、端子は電極と呼ぶこともでき、単一の層または化学組成物を含む端子、ならびに２つ以上の層を含む端子を含むことができる。
【００３７】
好ましい実施形態では、非ゲート端子は導電材料を含み、電界効果端子は絶縁隔膜層と組み合わさった導電材料を含み、この隔膜材料はデバイスのカルコゲナイド材料と接触している。さらに別の実施形態では、ゲートまたは非ゲート端子は、カルコゲナイド材料を含むことができる。カルコゲナイド端子はまた、カルコゲナイド材料上に配設された導電層、または、２つの導電材料の間に配設されたカルコゲナイド材料を含むことができる。これらの実施形態では、カルコゲナイド端子は、端子に含まれるカルコゲナイド材料の抵抗率によって端子の導電度が制御されるオボニック閾値スイッチなどの２端子カルコゲナイド・デバイスあることができる。記憶型カルコゲナイド材料を使用することもできる。これらの実施形態では、カルコゲナイド端子は、カルコゲナイド材料が高抵抗状態にあるか導電状態にあるかに応じて、高抵抗性または導電性を有することができる。導電性カルコゲナイド端子は、本発明の電界効果デバイスの作動するカルコゲナイド材料に電流を流すことができ、したがって非ゲート端子の実施形態である。高抵抗カルコゲナイド材料は、本発明の電界効果デバイスの作動するカルコゲナイド材料に電流が流れるのを阻止または防止し、したがってゲートまたは電界効果端子の実施形態である。
【００３８】
３つ以上の端子を有する実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。これらの実施形態では、複数のソース端子、ドレイン端子、ゲート端子、非ゲート端子などを有するデバイスが本発明の範囲に含まれる。１つのソース端子、１つのドレイン端子、および２つ以上のゲート端子を有する実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。これらの実施形態では、２つ以上のゲート端子はそれぞれ、ソース端子とドレイン端子の間を流れる電流および／またはカルコゲナイド材料の保持条件に影響を及ぼすことができる。複数のゲート端子はそれぞれ、単独で、または他のゲート端子と共同して機能し、それによって導電性フィラメントに影響を及ぼすことができる。複数のソース端子および／または複数のドレイン端子を有する実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。かかる実施形態では、２対以上のソース端子とドレイン端子の間で電圧を印加することにより、間隔を置いて分離された、または重なり合った複数の様々な導電性フィラメントを生じることができる。これらの実施形態では、ゲート信号を印加することにより、個々の導電性フィラメントまたはそれらの組合せに影響を及ぼすことができる。特定の導電性フィラメントに対するゲート端子の相対的な影響力は、導電性フィラメントの位置における、ゲート端子から生じる電界の強度に依存する。この強度は、導電性フィラメントがゲート端子に対してどれだけ近接しているかに依存する。フィラメントがゲート端子に近づくほど、ゲート端子のゲート信号によってフィラメントが影響を受ける電界がより強くなるとともに、ゲート端子のフィラメントに対する影響もより強くなる。複数のフィラメントを維持できる実施形態では、１つまたは複数のゲート信号を印加することによって、フィラメントの拡大によって間隔を置いて分離されたフィラメントを重ね合わせる、または、フィラメントの縮小によって重なり合ったフィラメントを分離または分解することができる。本発明の好ましい実施形態は、どんな非ゲート端子対の間の電流もカルコゲナイド材料中を流れるが、カルコゲナイド材料からゲート端子に、あるいはゲート端子からカルコゲナイド材料には電流が流れないという意味で、それぞれの端子が互いに電気的に絶縁されているものである。
【００３９】
本発明のデバイスの端子は、様々な空間構成で配置することができる。例えば、全ての端子を、共通平面または層或いは２次元回路に設けることができる。あるいは、１つまたは複数の端子を、他の端子が存在する平面以外に配置することもできる。例えば、本発明による３端子デバイスでは、共通水平層に２つの端子およびカルコゲナイド材料を設け、第３の端子はその層に対して垂直に配設することができる。かかる構成によって、垂直方向の相互接続能力がもたらされる。３つ以上の端子を有するデバイスに関する同様の実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。
【００４０】
本発明の電界効果デバイスは、他のデバイスまたは素子と組み合わせて回路またはネットワークを形成することができる。一実施形態では、本発明のデバイスは、２つ以上の素子間で相互接続デバイスとして使用することができる。この実施形態では、本発明のデバイスは、２つ以上の相互接続された素子の間を流れる電流量を調節する。本発明の電界効果デバイスは、例えば、２つの回路素子を相互接続することができる。この例では、本発明の電界効果デバイスは、ゲート端子、ソース端子、およびドレイン端子を含むことができ、この場合、１つの回路素子がソース端子に接続されるとともに、別の回路素子がドレイン端子に接続される。相互接続された回路素子によって供給される電圧は、ソース端子とドレイン端子間の印加電圧となり、この印加電圧が閾値電圧を超える場合、本発明の電界効果デバイスのカルコゲナイド材料は導電状態になり、一方の回路から他方の回路素子に電流が導電性フィラメントを経由して本発明の電界効果デバイスのカルコゲナイド材料中を流れることができる。この例の電界効果デバイスにゲート信号を印加することにより、導電性フィラメントの拡大または縮小によって、相互接続された２つの回路素子間の電流量を調節する方法が提供される。フィラメントの拡大によって、相互接続された２つの素子間により多くの電流が流れるようになり、一方、フィラメントの縮小によって、相互接続されたデバイス間に電流が流れるのが阻止されることになる。ゲート信号はまた、本発明の電界効果デバイスのカルコゲナイド材料を導電状態から高抵抗状態に変換することができ、それによって、相互接続された２つの回路素子間に電流が流れるのを実質的に防止することができる。
【００４１】
１つの電界効果端子が、ソース端子およびドレイン端子の１つまたは複数の対に相互接続された回路素子間を流れる電流を変調する、２つ以上のソース端子および／またはドレイン端子を有する、上記に対応する実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。本発明による電界効果デバイスは、例えば、複数のソース端子、１つのドレイン端子、および１つの電界効果端子を含むこともでき、この場合、異なる回路またはネットワーク素子がソース端子およびドレイン端子に相互接続され、電界効果端子が１つまたは複数のソース端子と、１つのドレイン端子との間の電流量を調節する。ゲート端子が、１つまたは複数のソース端子と１つまたは複数のドレイン端子との間を流れる電流に影響を及ぼす、複数のドレイン端子を有する同様の実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。ゲート端子のそれぞれがソース端子およびドレイン端子の１つまたは複数の対の間を流れる電流に影響を及ぼすことができる複数のゲート端子を有する実施形態もまた、本発明の範囲に含まれる。本発明のどの実施形態においても、１つまたは複数の電界効果端子は、電流量を調節することに加えて、非電界効果端子のどんな対の間でも、カルコゲナイド材料の保持電流および／または保持電圧を変化することができる。
【００４２】
本発明の多端子デバイスを相互接続デバイスとして回路またはネットワーク内に組み込む実施形態では、電界効果端子に供給されるゲート信号は、外部エネルギー源（例えば、電流または電圧パルス発生器、光源など）から直接信号として供給すること、またはゲート端子に相互接続された回路もしくはネットワーク素子から供給することができる。後者の実施形態では、ゲート信号は、ゲート端子に相互接続された素子から生成され、相互接続されたこの素子の作動によって、非ゲート端子の１つまたは複数の対の間の電流量または保持条件が調節される。
【００４３】
相互接続された回路素子またはネットワーク素子には、トランジスタ、ダイオード、シリコン・デバイス、他のカルコゲナイド・デバイスなど単一のデバイス、ならびに複数のこれらのデバイスを含む回路またはネットワークが含まれる。回路素子またはネットワーク素子の相互接続は、２次元構成、または垂直もしくは３次元構成とすることができる。１つまたは複数の端子は、垂直またはその他の形でカルコゲナイド材料または他の端子とは同一平面でないように配設することができる。例えば、ゲート信号は、カルコゲナイド材料またはソース端子および／またはドレイン端子が配置された平面に対し直交する端子またはデバイスから供給することができる。
【００４４】
本発明は、一般に、別々に、または互いに協働して、または他のデバイスと協働して、または回路もしくはネットワーク内の素子として作動する多端子電界効果カルコゲナイド・デバイスを提供する。本発明のデバイスは、一般に、カルコゲナイド材料に接続した電界効果端子を使用するものであり、この端子にゲート信号を供給することによってカルコゲナイド材料の電気的特性、または、該カルコゲナイド材料に接続された２つ以上の非ゲート端子間の電気的な相互作用に影響を及ぼすことができる。本発明のデバイスの電界効果端子にゲート信号を供給することによって、２つ以上の非ゲート端子間の電流、電圧、または各端子における電荷分布などに影響を及ぼすことができる。
【００４５】
多数の化学組成のカルコゲナイド材料が、本発明の多端子電界効果デバイスに含まれ得る。代表的なカルコゲナイド材料は、周期律表のＶＩ族（カルコゲン元素）のうちの１つまたは複数の元素を含む材料、および場合によっては、ＩＩＩ族、ＩＶ族またはＶ族のうちの１つまたは複数の化学変性剤を含む材料である。Ｓ、ＳｅおよびＴｅのうちの一元素または一つ以上が本発明のデバイスの活性材料に含まれる最も一般的なカルコゲン元素である。これらのカルコゲン元素は、二価結合および孤立電子対の存在を特徴とする。二価結合のために、カルコゲン元素が化合すると鎖構造および環構造が形成されることになり、それによってカルコゲナイド材料が形成され、その孤立電子対が導電性フィラメントを形成する電子源となる。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５などのＧｅ、Ｓｂおよび／またはＴｅを含む材料が本発明によるカルコゲナイド材料の例である。
【００４６】
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｉ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂなどの三価変性剤および四価変性剤が、カルコゲン元素の鎖構造および環構造に入り、分岐点および架橋点となる。カルコゲナイド材料の構造的剛性は架橋の程度に依存し、この構造的剛性に基づき、カルコゲナイド材料の結晶化能力、またはその他の構造的再構成能力に従って、該材料を閾値材料と記憶材料の２タイプのいずれかに大きく分類することができる。
【００４７】
そのどちらのタイプのカルコゲナイド材料も、図１のような挙動を示すが、フィラメント形成に対する構造上の性質が異なる。閾値材料は、一般により高い濃度の変性剤を有し、記憶材料よりも強く架橋されている。したがって、閾値材料は構造的により剛性がある。閾値材料は非晶質であり、その構造の剛性が高いために、核を形成して結晶相を成長させるのに必要な原子の再構成が抑制されるので、ほとんどまたは全く結晶化することはない。閾値材料は、転移後に印加電圧を除去しても非晶質のままである。
【００４８】
一方、記憶材料は、架橋が弱く、完全にまたは部分的に結晶化しやすい。非晶質記憶材料は、上記の図１で説明したように、閾値電圧の存在下でフィラメントを形成する。しかし、この記憶材料は、導電分枝上の状態では、核を形成し結晶相を成長させることができる。結晶相の容積比は、記憶材料中を流れる電流の大きさおよび時間によって決まる。形成される結晶相はすべて、転移後に印加電圧を除去しても存続する。デバイス作動条件を適切に選択することによって、カルコゲナイド記憶材料の非晶質−結晶質転移は、何サイクルにもわたって可逆となる。カルコゲナイド記憶材料については、米国特許第５１６６７５８号、同第５２９６７１６号、同第５５３４７１１号、同第５５３６９４７号、同第５５９６５２２号、および同第６０８７６７４号に説明されており、これらの開示を参照により本明細書に組み込む。
【００４９】
本明細書に記載の開示および考察は例示的なものであり、本発明の実施を限定するものではない。本発明の多数の等価物および変形態様は本発明の範囲に含まれると考えられる。前述の開示と共に全ての等価物を含めて、以下の特許請求の範囲に本発明の範囲を定義する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】カルコゲナイド材料の電流−電圧特性を示す図である。
【図２】本発明による３端子電界効果カルコゲナイド・デバイスの一実施形態の概略図である。
【図１】
2006525678.tif 000003
【図２】
2006525678.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月17日(2006.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電フィラメントを含む導電状態と、高抵抗状態とを有するカルコゲナイド材料と、
前記カルコゲナイド材料に接続された第１の端子と、
前記カルコゲナイド材料に接続された第２の端子と、
前記カルコゲナイド材料に接続された電界効果端子とを含む電界効果デバイスであって、
前記導電状態が、前記第１の端子と第２の端子の間で電圧を印加することにより、前記導電状態から形成されるデバイス。
【請求項２】
前記電界効果端子に供給されるゲート信号が、前記フィラメントの幅または断面積を変化させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記電界効果端子に供給されるゲート信号が、前記カルコゲナイド材料の保持電流または保持電圧を変化させる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記電界効果端子に供給されるゲート信号が、前記カルコゲナイド材料中を流れる電流を変調する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ゲート信号が前記電界効果端子から生じる電界を形成し、前記電界が前記カルコゲナイド材料中を流れる前記電流の前記変調をもたらす、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ゲート信号が電圧または電流の形で供給される、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ゲート信号が光信号の形で供給される、請求項４に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ゲート信号が、前記電界効果端子に電荷を追加、または該端子から電荷を除去する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ゲート信号が交流信号またはパルス信号である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記電界効果端子が絶縁材料および導電材料を含み、
前記導電材料が前記絶縁材料と物理的に接触しているが前記カルコゲナイド材料とは物理的に接触していない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
第１の素子と、第２の素子と、前記第１の素子と第２の素子とを接続する相互接続素子とを含む回路であって、
前記相互接続素子が前記第１の素子と第２の素子の間を流れる電流を制御し、前記相互接続素子が請求項１に記載のデバイスを含む回路。
【請求項１２】
前記相互接続素子の前記電界効果端子に接続されるとともに前記電界効果端子に信号を供給する第３の素子をさらに、含み、前記信号が前記第１の素子と第２の素子の間を流れる電流の前記制御をもたらす、請求項１１に記載の回路。
【国際調査報告】
2006525678.tif 000005
2006525678.tif 000006