Тонкопленочный переключатель

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Белорусский государственный университетгосударственный(57) Тонкопленочный переключатель, включающий подложку с проводящим слоем и подключенными к нему двумя электродами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит управляющий электрод, контактирующий с поверхностью подложки, выполненной из органического полимера, а проводящий слой сформирован в объеме подложки путем ионной имплантации.(56) 1. Андреев В.П. Репрограммируемые постоянные запоминающие устройства на основе стеклообразных полупроводников.-М. Радио и связь, 1986. 2.2013822, МПК 01 29/28, 1994 (прототип). Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при создании коммутирующих элементов, элементов памяти статических ОЗУ, в устройствах преобразования сигналов, индикаторов напряжений и т.п. Известны переключатели на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников, например, с использованием гетероперехода халькогенидное стекло - кристаллический полупроводник 1. Такая структура обладает эффектом переключения на вольт-амперной характеристике (ВАХ). При прямом смещении переключателя устройство переключается в проводящее состояние, и появляется вертикальный участок ВАХ, на котором ток растет только за счет расширения шнура тока при сохранении постоянной плотности тока. К недостаткам такого переключателя следует отнести большую рассеиваемую мощность в режиме включения за счет большой локальной плотности тока. Большая рассеиваемая мощность приводит к недолговечности таких устройств и невозможности реализации элементов запоминающих устройств с малым энергопотреблением. В качестве прототипа выбран переключатель на органической пленке 2, содержащий последовательно расположенные на подложке из сильнолегированного кремния пленку органического полупроводника из биологического пигмента меланина толщиной 800-1400 нм и двух алюминиевых контактов. Первый алюминиевый контакт расположен на пленке меланина, а второй контакт расположен на кремниевой подложке. В планарной структуре второй алюминиевый контакт изолирован от пленки органического полупроводника и первого алюминиевого контакта островком пленки диэлектрика из двуокиси кремния толщиной 3000 нм. На границе подложки и пленки меланина имеется гетеропереход, образованный за счет взаимодействия свободных радикалов органических молекул меланина с атомами кремния. 2259 1 К недостаткам прототипа следует отнести низкую надежность и долговечность таких устройств в силу поликристаллической структуры пигмента меланина, а также относительно сложную технологию изготовления переключателя. Задачей изобретения является получение нового класса приборов переключения, работающих на переменном токе. Это достигается тем, что в полимерной пленке, например, полиэтилена, полиэтилентерефталата или полиамида, методом имплантации ионов бора, азота, сурьмы и т. п. , создается тонкий пироуглеродный проводящий слой, залегающий на некоторой глубине, необходимой для создания поверхностного изолирующего слоя. Механизм образования проводящего слоя в полимерном материале при использовании метода ионной имплантации имеет следующие особенности. При ионной бомбардировке полимеров в конце трека движения иона, вследствие его торможения и термоляции, образуется полая капля, обогащенная углеродом, на глубине, определяемой энергией налетающих ионов. При дозах внедрения ионов выше 21016 ион/см 2 происходит перекрытие углеродных капель и значительно возрастает электропроводность имплантированного слоя за счет проводимости по -электронам углеродных образований. Имплантированные ионы создают большое число дефектов, но, как показали экспериментальные и расчетные данные, они не могут создавать сами по себе канал проводимости. В приповерхностной области полимерного материала образуется тонкий(150 - 200 нм) пироуглеродный проводящий слой, глубина залегания которого определяется энергией внедряемых ионов, а толщина этого проводящего слоя определяется разбросом пробега ионов в материале. При дальнейшем увеличении энергии ионов происходит заглубление проводящего углеродного слоя внутрь полимера, и он оказывается отделенным от поверхности пористым диэлектрическим слоем. Проводимость имплантированного канала также зависит от типа материала и определяется процентной концентрацией углерода в модифицированном слое полимера. Так, например, установленная методомконцентрация углерода в поврежденном слое, толщина которого сравнима с пробегом ионов, достигает 65 атомарныхдля полиэтилена, имплантированного бором дозой 1016 ион/см 2, и 75 ат. для полиамида, имплантированного аналогичной дозой ионов сурьмы, против 33 ат. в неимплантированных полимерах. Во всех имплантированных образцах содержание водорода значительно уменьшалось (в полиамиде - вплоть до 15 ат.). Уменьшение содержания водорода связано с дегидрированием полимера при имплантации и уходом легколетучих газообразных компонент из объема образца (СН 4 и др). Следовательно, при имплантации различных полимеров в них происходят качественные изменения одной природы - образование углеродных кластеров различных размеров, т.е. графитизация приповерхностного слоя. Вследствие имплантации растет удельная электропроводность полимерного материала. При практической реализации переключателя на основе различных материалов, облученных одинаковой дозой однотипных ионов, наблюдается разброс проводимостей имплантированных каналов и напряжений запирания каналов. Это зависит, главным образом, от концентрации углеродных образований в слое и величины свободного пробега ионов в материале, т.е. определяется глубиной залегания слоя и его проводимостью. Общее же поведение канала проводимости для всех полимерных материалов остается аналогичным, что указывает на единые механизмы проводимости в имплантированных слоях. Таким образом, путем изменения дозы имплантируемых ионов, можно получать пироуглеродные слои различной проводимости, а изменяя энергию и вид ионов - управлять глубиной залегания слоя. Толщина имплантированного проводящего слоя столь мала, что его можно считать квазидвумерным. Это обстоятельство создает предпосылку для управления проводимостью имплантированного канала посредством изменения внешнего запирающего потенциала. С другой стороны, поскольку углеродные включения расположены в слое дискретно,то перенос носителей заряда осуществляется, в основном, за счет прыжкового механизма под воздействием внешнего переменного электрического поля. Таким образом, обеспечивается работа устройства только на переменном токе. На фигуре приведена конструкция тонкопленочного переключателя (вертикальное сечение). Переключатель состоит из органической пленки 1, в которой, методом ионной имплантации бора, азота или сурьмы с энергией порядка 21016 ион/см 2, создан тонкий пироуглеродный проводящий слой 2, залегающий на глубине порядка 450 нм от поверхности пленки. Электроды 3 и 4 выполнены из серебряной пасты и для обеспечения большей площади контакта нанесены на косые торцевые срезы переключателя. Поверх пористого изолирующего слоя 5 нанесен электрод 6 из серебряной пасты, выполняющий функции управляющего. 2259 1 Работает переключатель следующим образом. На электроды 3 и 4 подается переменное напряжение питания частотой более 0,1 кГц через нагрузочное сопротивление. Величина рабочего напряжения соответствует такому значению, при котором происходит устойчивое переключение из низкоомного состояния в высокоомное и обратно. При отсутствии потенциала на управляющем электроде 6 переключатель находится в низкоомном состоянии. При подаче на электрод 6 управляющего потенциала, равного или большего по амплитудному значению действующего потенциала на любом из рабочих электродов 3 или 4, переключатель переходит в высокоомное состояние. Выключение переключателя в низкоомное состояние происходит путем снятия потенциала с электрода 6. Величина рабочего напряжения для переключателя с толщиной проводящего слоя 150-200 нм, залеганием последнего на глубине 450 нм от поверхности и расстоянием между управляющим и рабочими электродами около 1 мм, составляет 15 В. Величина сопротивления канала при этом изменяется не менее, чем на два порядка. Для снижения величины рабочего напряжения, необходимо уменьшать зазор между управляющим и рабочими электродами. В отличие от аналога и прототипа, прибор работает только на переменном токе и управляется сигналом любой полярности. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.