Сегнетоэлектрическое устройство обработки данных

Сегнетоэлектрическое устройство обработки данных

Реферат

 

Изобретение относится к устройствам обработки и/или хранения данных с активной или пассивной электрической адресацией. Техническим результатом является обеспечение возможности сохранения большого числа битов на единице площади. Устройство содержит носитель данных в виде тонкой пленки сегнетоэлектрического материала, средство процессора данных, средство хранения данных. При изготовлении указанного устройства на подложку последовательно наносят первую электродную структуру, слой изолирующего материала, второй электродный слой, удаляют изолирующий слой в тех местах, которые не покрыты второй электродной структурой, и осуществляют нанесение сегнетоэлектрической тонкой пленки в виде непрерывного или структурированного слоя поверх электродных структур. Способ считывания описывает особенности считывания данных с носителя информации указанного устройства. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Настоящее изобретение относится к сегнетоэлектрическому устройству обработки данных, в частности, для обработки и/или хранения данных с активной или пассивной электрической адресацией, содержащему носитель данных в виде тонкой пленки сегнетоэлектрического материала, в котором сегнетоэлектрический материал посредством приложенного электрического поля может устанавливаться в первое или второе состояние поляризации при переключении из разупорядоченного состояния в одно из состояний поляризации, или из первого во второе состояние поляризации или наоборот, при этом сегнетоэлектрический материал содержит логические элементы, состояние поляризации, присвоенное логическому элементу, представляет логическое значение логического элемента, причем сегнетоэлектрическая тонкая пленка обеспечивается в виде непрерывного или структурированного слоя, каждая из первой и второй электродных структур содержит по существу взаимно параллельные лентоподобные электроды, так, что электродные структуры взаимно образуют по существу ортогональную х,у-матрицу, электроды в первой электродной структуре составляют столбцы электродной матрицы или х-электроды, а электроды во второй электродной структуре составляют строки электродной матрицы или у-электроды, часть сегнетоэлектрической тонкой пленки в месте наложения между х-электродом и у-электродом электродной матрицы образует логический элемент такой, что логические элементы совместно образуют электрически связанную пассивную матрицу в устройстве обработки данных.

Настоящее изобретение также относится к способу изготовления сегнетоэлектрического устройства обработки данных, а также к способу считывания при адресации логических элементов в сегнетоэлектрическом устройстве обработки данных, в частности в сегнетоэлектрическом устройстве обработки данных согласно пунктам 1-9 формулы изобретения, причем способ поддерживает протокол считывания и содержит этапы считывания, проверки и сброса. Наконец, изобретение относится к использованию сегнетоэлектрического устройства обработки данных согласно изобретению.

В основном изобретение относится к устройствам обработки данных с логическими элементами, внедренными в сегнетоэлектрический материал. В этой связи предполагается, что явления сегнетоэлектричества известны специалистам, поскольку эта область всесторонне изучена в литературе, например в работе J. M. Herbert, Ferroelectric Transducers and Sensors, Gordon and Breach, 1982, где на стр.126-130 описано использование сегнетоэлектрической памяти на основе монокристаллов титаната бария, предусмотренных между ортогональными электродами в электродной х,у-матрице. Автор заключает, что имеются существенные практические трудности, связанные с использованием сегнетоэлектрических монокристаллов для хранения информации этим простым способом. Можно также сослаться на работу R.G. Kepler and R.A. Anderson, Advances in Physics, Vol. 41, No.1, pp.1-57 (1992).

Чтобы проиллюстрировать развитие сегнетоэлектрических запоминающих устройств в историческом контексте, можно сослаться на работу W.J. Merz, J. R. Anderson, "Ferroelectric Storage Devices", Sept. 1955 (Bell Lab. Records, 1:335-342 (1955)), которая раскрывает использование неорганических сегнетоэлектрических прозрачных материалов, в частности титаната бария, в запоминающих устройствах и устройствах переключения. В частности, предлагается сегнетоэлектрическое запоминающее устройство на основе этого материала в виде планарной пластины толщиной 50-100 мкм между перекрывающимися наборами параллельных электродов, причем один набор электродов ортогонален электродам другого набора, и таким образом обеспечиваются сегнетоэлектрические ячейки памяти в частях сегнетоэлектрического материала между перекрывающимися электродами. Таким образом, описано сегнетоэлектрическое устройство с пассивной электродной матрицей для адресации (см. фиг.10 упомянутой статьи), прогнозирующее общую схему всех последующих сегнетоэлектрических запоминающих устройств с адресацией на матричной основе. Имеется даже косвенное указание на использование транзисторов для переключения, но формирование активных ячеек памяти с переключающим транзистором с достаточно малыми габаритами вряд ли могло быть практически реализовано до появления интегральных полевых транзисторов.

Как упоминалось выше, носитель данных представляет собой сегнетоэлектрический материал в виде тонкой пленки. Такие сегнетоэлектрические тонкие пленки, которые могут быть как неорганическими, керамическими материалами, полимерами, так и жидкими кристаллами, известны в течение ряда лет, и в этой связи можно сослаться на вышеупомянутую статью Kepler и Anderson. Например, из публикации J. F. Scott, Ferroelectric memories, Physics World, February 1995, pp.46-50, известны устройства хранения данных, основанные на сегнетоэлектрических запоминающих материалах. Общим для них является то, что в каждом местоположении бита или в ячейке памяти необходим до меньшей мере один транзистор. В наиболее общих вариантах осуществления сегнетоэлектрический материал используется как диэлектрик в соответствующей схеме памяти и содержит конденсатор хранения бита. Благодаря высокой диэлектрической постоянной сегнетоэлектрических материалов конденсатор может быть изготовлен с намного меньшими размерами, чем это может быть реализовано иными способами, и при этом он дополнительно обеспечит очень высокое время сохранения заряда. Последние разработки фокусируются на другом свойстве сегнетоэлектрических материалов, а именно на их способности электрически поляризоваться при кратковременном воздействии сильного электрического поля. В процессе поляризации диполи сегнетоэлектрического материала достигают предпочтительной ориентации, в результате чего возникает макроскопический дипольный момент, сохраняющийся после снятия поляризующего поля. Таким образом, за счет включения сегнетоэлектрического материала в электродную структуру логических элементов полевого транзистора в схеме ячейки памяти можно управлять характеристиками активной динамической проводимости транзисторов посредством управления состоянием поляризации сегнетоэлектрического материала. Последний может переключаться, например, поляризующими полями с направлением, вызывающим в транзисторе включение или выключение состояния активной динамической проводимости.

В Европейском патенте 0721189 описана сегнетоэлектрическая память с дискретными ячейками памяти, выполненными в электродной матрице. Помимо дискретного сегнетоэлектрического конденсатора каждая ячейка памяти также содержит средство переключения, предпочтительно в виде по меньшей мере одного транзистора. Следовательно, дискретные ячейки памяти не образуют пассивную матрицу. Что касается дискретных ячеек памяти, ясно, что сегнетоэлектрический конденсатор формируется дискретным компонентом, так что сегнетоэлектрический материал не может сформировать непрерывный слой в матрице. Предусматриваются отдельные линии данных и выбора, и считывание сохраненного элемента данных может происходить в режиме измерения тока или напряжения на линиях данных, предусмотренных для этой цели, но в соответствии с относительно сложным протоколом, таким, как раскрыто в п.6 формулы изобретения. Также следует отметить, что число ячеек памяти, соединенных с линией сигнала данных, должно быть выбрано с учетом паразитной емкости в каждой линии сигнала данных при считывании, чтобы изменение напряжения в одной из линий сигнала данных было минимизировано.

В патенте США 5592409 описана энергонезависимая сегнетоэлектрическая память, в которой данные могут считываться без разрушения. Ячейки памяти включаются в активную матрицу и формируются в ней как транзисторные структуры, причем электрод логических элементов образует один из электродов в сегнетоэлектрическом конденсаторе. Очевидно, что сегнетоэлектрические конденсаторы являются дискретными компонентами. Поляризация конденсатора осуществляется хорошо известным способом, но при считывании, которое происходит в режиме измерения тока, детектируется именно ток стока (полевого транзистора) для того, чтобы предотвратить стирание сохраненных данных.

Даже если использование сегнетоэлектрических материалов, как упомянуто выше, представляет существенные усовершенствования относительно альтернативных технологий хранения данных, базовая архитектура запоминающих устройств, основанных на сегнетоэлектричестве, направлена на использование активных микросхем, включенных в каждую ячейку памяти. Это имеет отрицательные последствия для достижимой плотности хранения данных, то есть числа битов, которые могут быть сохранены на заданной площади поверхности, а также для стоимости, приходящейся на каждый сохраненный бит, что отчасти может быть обусловлено усложненной технологией производства и использованием активных полупроводниковых компонентов.

В последнее время были созданы сегнетоэлектрические устройства памяти в виде массива ячеек памяти в пассивной электродной матрице. Так, в патент США 5329485 раскрыт элемент памяти и матричный массив ячеек памяти, включающий ячейки памяти, каждая из которых имеет биполярный переключающий элемент с нелинейной проводимостью, образованный многослойной структурой, который выполняет операции записи/считывания состояния поляризации на сегнетоэлектрической основе, которая образует носитель ячейки памяти. Переключающий элемент представляет собой изолирующую пленку, которая действует как переключающий элемент, чтобы накапливать заряды в накопительном сегнетоэлектрическом конденсаторе, который составляет ячейку памяти. Изолирующая пленка, которая, в частности, может быть полиамидной пленкой, обеспечивает протекание постоянного туннельного тока, когда к изолирующей пленке прикладывается напряжение, превышающее предварительно определенное значение. Когда напряжение снимают, пленка восстанавливает свои изолирующие свойства и сохраняет заряды, предотвращая их утечку. Согласно патенту США 53294485, пленка должна иметь нелинейные вольт-амперные характеристики и обеспечивает высокую скорость записи без высокого рабочего напряжения вследствие того, что большая часть пускового тока является постоянным туннельным током. Это также обеспечивает возможность высокой плотности интеграции ячеек памяти, поскольку переключающая пленка, образующая диодный переход в ячейке памяти, снижает перекрестную помеху между ячейками.

Патент США 5375085 раскрывает другой пример сегнетоэлектрической памяти в виде сегнетоэлектрической интегральной схемы, реализованной с пассивной электродной матрицей с сегнетоэлектрическим слоем между наборами электродов, составляющими по существу ортогональную матрицу. Как обычно, ячейки памяти формируются в части сегнетоэлектрического слоя между накладывающимся электродом каждого электродного набора. При обеспечении изолирующего слоя над электродной матрицей поверх ее может быть нанесена вторая электродная матрица и так далее, с формированием уложенной в стопку структуры, реализующей трехмерную сегнетоэлектрическую интегральную схему с пассивной матричной адресацией. Это, однако, уже известно из вышеупомянутого патента США 5329485, см., например, столбец 14, 1. 31-36.

Дополнительно можно также упомянуть, что пассивная матричная адресация, конечно, хорошо известна в случае сегнетоэлектрических жидкокристаллических элементов, например, таких, как используются в жидкокристаллических дисплеях. В этой связи можно сослаться, например, на патент США 5500749.

Ранее также было показано, что сегнетоэлектрические полимерные материалы могут использоваться в стираемых оптических запоминающих устройствах. Например, известны устройства для сверхбыстрого энергонезависимого сохранения информации с сегнетоэлектрическими полимерами в качестве активных запоминающих элементов (IBM Technical Disclosure Bulletin 37:421-424 (nо. 11, (1994)). Предпочтительные варианты осуществления используют в качестве сегнетоэлектрического материала сополимеры поли(винилиденфторида) (PVDF) или поли(винилиденфторида)-трифторэтилена (PVDF-TrFE), так как эти полимеры могут быть получены в виде очень тонких пленок и могут иметь время отклика лучше 350 пикосекунд. Сегнетоэлектрические полимеры могут использоваться в логических элементах стандартного динамического или статистического запоминающего устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ). Базовое устройство сохранения информации содержит сегнетоэлектрическую тонкую пленку с набором параллельных проводящих электродов, нанесенных на одной стороне, и с ортогональным набором проводящих электродов, нанесенных с другой стороны. Отдельные ячейки памяти формируются в местах скрещивания противолежащих электродов. Стек из двухмерных пассивных массивов такого типа может быть изготовлен посредством поочередного нанесения проводящих полосок и сегнетоэлектрического материала для формирования трехмерного массива сегнетоэлектрических конденсаторов, которые легко можно уложить по вертикали на интегральной схеме с усилителями, воспринимающими адресную логику для получения объемной или трехмерной сегнетоэлектрической памяти.

В работе M. Date et al. "Opto-ferroelectric Memories using Vinylidene Fluoride and Trifluoroethylene Copolymers", IEEE Trans. Electr. Ins., Vol. 24, N 3, June 1989, pp.537-540, описан носитель данных, содержащий легированный красителем сополимер поли(винилиденфторида)-трифторэтилена с толщиной 2 мкм, нанесенный на покрытую стеклянную пластинку стандарта ITO (Международная торговая организация). Информация записывается в виде последовательностей положительных и отрицательных состояний поляризации, формируемых посредством облучения сфокусированным лазерным лучом с диаметром приблизительно 5 мкм в присутствии электрических полей, управляющих знаком поляризации. Данные считываются пироэлектрически при сканировании лазерным лучом. При использовании регулярно повторяющейся последовательности данных в виде логических состояний 0/1 с шагом 20 мкм, мощности лазера 12 мВт и напряженности поля 25 МВ/м было получено отношение сигнал/шум 48 дБ. При этом скорость считывания составляла 100 мм/сек.

Недостаток известных сегнетоэлектрических запоминающих устройств состоит в том, что конфигурация электродной матрицы вызывает серьезные проблемы изготовления, когда используется органический сегнетоэлектрический носитель в комбинации с неорганическими, то есть металлическими, полосками электродов и неорганическими подложками, из-за того, что обработку различных материалов необходимо производить в различных температурных диапазонах. Как органические материалы, так и кристаллические неорганические сегнетоэлектрические материалы, реализованные в виде тонкопленочных структур, оказались термически несовместимыми с температурами, требуемыми для обработки других материалов устройства.

Сущность изобретения Задача настоящего изобретения состоит в создании простой логической архитектуры, которая может использоваться для реализации либо бистабильных переключателей, либо ячеек памяти в устройстве обработки данных, в создании чисто сегнетоэлектрического устройства хранения данных, которое обеспечивает возможность сохранения очень большого числа битов на единице площади, и одновременно возможность крупномасштабного производства при низкой стоимости, что позволяет устранить вышеупомянутые недостатки тонкопленочных устройств.

Указанный результат достигается согласно изобретению в сегнетоэлектрическом устройстве обработки данных, которое характеризуется тем, что слой электрического изолирующего материала предусмотрен между электродами первой и второй электродных структур, смежно с ними, ври атом сегнетоэлектрическая тонкая пленка выполнена в виде непрерывного или структурированного слоя поверх электродных структур на одной их стороне, логические элементы формируются соответственно в части сегнетоэлектрической тонкой пленки вдоль боковых кромок у-электрода в месте перекрытия х-электрода и у-электрода. Способ изготовления указанного сегнетоэлектрического устройства обработки данных включает последовательные этапы нанесения первой электродной структуры на подложку, нанесения слоя электрического изолирующего материала поверх первой электродной структуры, нанесения второй электродной структуры поверх изолирующего слоя, удаления изолирующего слоя в тех местах, которые не покрыты второй электродной структурой, таким образом, что электроды в первой электродной структуре оказываются открытыми за исключением участков в перекрывающихся пересечениях между электродами соответственно первой и второй электродной структуры, и нанесения сегнетоэлектрической тонкой пленки в виде непрерывного или структурированного слоя поверх электродных структур. Соответствующий способ считывания включает приложение к логическому элементу на этапе считывания напряжения с определенной полярностью и детектирование переноса зарядов между его электродами в виде либо высокого, либо низкого первого значения тока, указывающего на логическое значение, хранимое в логическом элементе, приложение на этапе проверки напряжения противоположной полярности по отношению к напряжению, приложенному на этапе считывания, и детектирование переноса зарядов между электродами логического элемента в виде высокого второго значения тока, и, в случае, если логическое значение, хранимое в логическом элементе, было уничтожено на этапе считывания или проверки, приложение к логическому элементу на этапе переустановки напряжения, восстанавливающего его исходное состояние поляризации.

Логический элемент предпочтительно образует бистабильный переключатель в средстве процессора данных или ячейку памяти в средстве хранения данных.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения электродные структуры и сегнетоэлектрическая тонкая пленка формируются на подложке.

Согласно изобретению сегнетоэлектрическая тонкая пленка преимущественно формируется из керамического материала, или сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала, или полимера, причем полимер предпочтительно является поливинилиденфторидом или сополимером, причем сополимер предпочтительно является сополимером винилиденфторида/трифторэтилена.

В способе изготовления сегнетоэлектрического устройства обработки данных, согласно изобретению, подложку предпочтительно формируют из кристаллического, или поликристаллического, или аморфного полупроводникового материала, например кремния.

Непрерывный слой электрически изолирующего материала предпочтительно наносят между подложкой и первой электродной структурой перед нанесением первой электродной структуры на подложку.

В первом варианте осуществления способа считывания, переустановку выполняют после считывания без проверки посредством приложения напряжения противоположной полярности по отношению к напряжению считывания, только в случае детектирования на этапе считывания высокого уровня сигнала тока.

Во втором варианте осуществления способа считывания, переустановку выполняют после считывания в сочетании с проверкой посредством приложения напряжения такой же полярности по отношению к напряжению считывания, только в случае детектирования на этапе считывания низкого уровня сигнала тока.

В способе считывания согласно изобретению, в частности, предпочтительным является приложение напряжения, которое формирует между электродами логического элемента напряженность поля, которая более чем вдвое превышает коэрцитивную напряженность сегнетоэлектрического материала. Приложенное напряжение предпочтительно формируют на этапах проверки и/или считывания в виде нарастающего напряжения или порогового напряжения.

Согласно изобретению детектирование тока на этапе считывания предпочтительно осуществляют посредством либо дискретизации во времени, либо во временном окне, зависимом от постоянной времени насыщения поляризации. Детектирование тока, в частности, в последнем случае предпочтительно осуществляют посредством сравнения уровней.

Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется на примерах возможных вариантов его осуществления со ссылками на чертежи, на которых показано следующее: фиг. 1 - вид сверху сегнетоэлектрического устройства обработки данных, известного из предшествующего уровня техники, фиг. 2 - вид в разрезе по линии А-А известного устройства обработки данных по фиг.1, фиг. 3а - вид сверху логического элемента в известном устройстве обработки данных по фиг.1, фиг. 3б - схематичное изображение поляризации логического элемента по фиг.3а, фиг. 4 - вид сверху устройства обработки данных, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения, фиг.5 - вид в разрезе по линии А-А устройства обработки данных по фиг.4; фиг. 6а - вид сверху логического элемента в устройстве обработки данных по фиг.4, фиг. 6б - схематичное изображение поляризации логического элемента в устройстве обработки данных по фиг.4, фиг. 7 - типовая петля гистерезиса для поляризации сегнетоэлектрического сополимерного материала, используемого в устройстве обработки данных согласно изобретению, фиг. 8 - график временного отклика детектированного выходного сигнала устройства обработки данных согласно изобретению, фиг. 9 - графики характеристик переключения сегнетоэлектрического сополимерного материала, фиг. 10 - общий вид устройства обработки данных по фиг.4 в виде матрицы х, у-электродов, где х=у=5, фиг.11 - устройство обработки данных, соответствующее устройству по фиг. 10, выполненное в виде уложенных в стопку слоев для получения объемной конфигурации.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения Ниже раскрыты варианты осуществления сегнетоэлектрического устройства обработки данных согласно изобретению в связи с устройствами обработки данных с логическим элементом, выполненным в виде ячеек памяти, то есть по существу это устройство реализует устройство хранения данных. Аналогично, в дальнейшем будут даваться ссылки только на использование пассивной электрической адресации отдельного логического элемента. Перед подробным рассмотрением устройства согласно настоящему изобретению ниже кратко описано сегнетоэлектрическое устройство хранения данных, известное из уровня техники.

Фиг. 1 изображает устройство хранения данных, известное из уровня техники, содержащее сегнетоэлектрическую тонкую пленку 1 между первой и второй электродными структурами. Первая и вторая электродные структуры образуют, как показано на виде сверху на фиг.1, двухмерную х,у-матрицу с электродами 2 или х-электродами первой электродной структуры в качестве столбцов матрицы, и с электродами 3 или у-электродами второй электродной структуры в качестве строк матрицы. Электроды 2, 3 связаны с соответствующими схемами 5 возбуждения и управления для возбуждения электродов и детектирования выходных сигналов.

Электроды 2, 3 и сегнетоэлектрическая тонкая пленка, как показано на фиг.2 в разрезе по линии А-А на фиг.1, выполнены в многослойной конфигурации между не показанными покрывающей и лежащей снизу подложками, которые, например, могут состоять из кристаллического кремния. Для простоты на фиг.1 подложки не показаны. Между соответствующими подложками и электродами 2, 3 и сегнетоэлектрической тонкой пленкой 1 также могут быть предусмотрены не показанные на чертеже слои электрического изолирующего материала. Поскольку подложки изготовлены из полупроводникового материала, схемы 5 возбуждения и управления предпочтительно могут быть выполнены по интегральной технологии совместно с подложками, например вдоль боковой грани устройства обработки данных.

Фиг. 3а представляет увеличенное перекрывающееся пересечение между х-электродом 2 и у-электродом 3, а также активную зону 4, которая составляет логический элемент в сегнетоэлектрической тонкой пленке 1. Эта активная зона 4, при приложении к электродам 2, 3 возбуждающего напряжения, которое создает электрическое поле между х-электродом и у-электродом 3, будет электрически поляризоваться в направлении, которое определяется знаком возбуждающего напряжения или напряжения поляризации. Логический элемент 4 с активной зоной в сегнетоэлектрической тонкой пленке 1 между электродами 2, 3, рассматриваемый по линии Б-Б на фиг.3а, схематически изображается в поляризованном состоянии на фиг.3б, на которой подразумевается поляризация в направлении "вверх", которая, например, может соответствовать положительной поляризации и, следовательно, представлять состояние логического 0 или состояние логической 1 в логическом элементе 4 или в ячейке памяти, сформированной в объеме сегнетоэлектрической тонкой пленки 1 в перекрывающемся пересечении между х-электродом 2 и у-электродом 3. Детектирование состояния поляризации, то есть определение того, является ли оно положительным или отрицательным, может производиться достаточно просто, посредством пассивной адресации логического элемента 4 с помощью напряжения и посредством детектирования состояния поляризации, характерного для определенного логического состояния в логическом элементе 4 посредством переноса заряда между электродами 2, 3 во время адресации, следовательно, в режиме измерения тока. Выходной сигнал регистрируется схемами управления и соответствует считыванию логического значения, присвоенного логическому элементу 4 или ячейке памяти их соответствующим состоянием поляризации. Это рассматривается более подробно ниже в связи с описанием адресации устройства обработки данных согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 изображает устройство обработки данных согласно изобретению. Здесь, электродные структуры реализованы в конфигурации моста, которая сама по себе известна из заявки на патент Норвегии 973390 от 17 июня 1997, переуступленной заявителю настоящего изобретения. (Соответствующее описание РСТ N098/00212 опубликовано под номером W099/08325). Как и прежде, электроды 2, 3 в каждой структуре размещены поверх друг друга в матричной конфигурации и между подложками (не показаны), например, из кристаллического кремния, как это показано на фиг.5 в разрезе по линии А-А на фиг.4. Однако, в отличие от известного устройства, сегнетоэлектрическая тонкая пленка 1 размещена поверх электродных структур. Электроды 2 первой электродной структуры электрически изолированы от электродов 3 второй электродной структуры с помощью слоя 6 из электрически изолирующего материала в пересечении между электродами 2, 3. Активная зона в сегнетоэлектрической тонкой пленке 1, которая непосредственно содержит логический элемент 4, таким образом, будет выглядеть так, как показано сверху на фиг.6а и на фиг.6б в разрезе по линии Б-Б на фиг.6а. На фиг.6б поляризация активной зоны показана соответственно поляризации на фиг. 3б, но с силовыми линиями вдоль боковых краев изолирующего слоя в активной зоне. Схемы возбуждения и управления могут быть реализованы по полупроводниковой технологии и выполнены в полупроводниковой подложке (не показана) или как отдельные схемные модули 5, выполненные у боковых сторон матрицы по фиг.4 и 5.

При изготовлении устройства, соответствующего варианту осуществления, показанному на фиг. 4 и 5, первая электродная структура наносится на подложку, а затем покрывается изолирующим слоем 6. Поверх изолирующего слоя 6 наносится затем вторая электродная структура таким образом, что первая и вторая электродные структуры образуют двухмерную матричную конфигурацию, в которой х-электроды 2 являются столбцами, а у-электроды 3 являются строками. В зонах, где изолирующий слой 6 не накрывается электродами 3 второй электродной структуры, изолирующий материал вытравливается, так что электроды 2 первой электродной структуры остаются полностью электрически изолированными от электродов 3 второй электродной структуры в пересечении электродов, но остаются открытыми. Сегнетоэлектрическая тонкая пленка 1 затем наносится поверх электродных структур, прежде чем все элементы устройства будут, при необходимости, накрыты верхней подложкой. Как показано на фиг.4 или 5, сегнетоэлектрическая тонкая пленка выполняется в виде непрерывного слоя, но она в различных вариантах осуществления может быть структурированной так, что электроды покрываются только в местах пересечений и вокруг них фрагментом тонкопленочного сегнетоэлектрического материала, по аналогии с различными вариантами осуществления, раскрытыми в вышеупомянутой заявке на патент Норвегии 973390. Другой вариант осуществления подобен показанному на фиг.1 и 2 для устройства, известного из уровня техники. Одно из преимуществ варианта по фиг.4 и 5 состоит в том, что электродные структуры и соответствующие соединения, а также схемы возбуждения и управления выполняются, например, на кристаллических кремниевых подложках перед нанесением сегнетоэлектрической тонкой пленки. Следовательно, различные этапы процесса изготовления активных элементов схемы по полупроводниковой технологии могут быть осуществлены без разрушения тонкой сегнетоэлектрической пленки, например, из полимера с ограниченными допусками на температуру.

Имеется множество сегнетоэлектрических материалов, которые могут использоваться для получения тонкой сегнетоэлектрической пленки. Сегнетоэлектрический материал может, например, быть неорганическим материалом, таким, как цирконат титанат свинца, сегнетоэлектрическим жидкокристаллическим материалом или тонкими пленками из полимеров. Одним из примеров последнего является сополимер винилиденфторида - (называемый VF2 или VDF) и трифторэтилена (С₂F₃Н, называемый TFE), где относительное содержание каждой компоненты в тонкой пленке может варьироваться для получения различных свойств. Такие сополимеры обычно могут иметь поле с низкой коэрцитивностью и имеют более квадратную петлю гистерезиса, чем в случае чистых полимеров винилиденфторида.

Характеристики переключения сегнетоэлектрических полимеров, реализованных в виде сополимеров винилиденфторида/трифторэтилена, обсуждены в публикации Y. Tajitsu et al., "Investigation of Switching Characteristics of Vinylidene Fluoride/Triflouroethylene Copolymers in Relation to Their Structures", (Japanese Journal of Applied Physics, 26, pp. 554-560 (1987)) и будут рассматриваться как общая ссылка в связи с последующим описанием адресации логического элемента или ячейки памяти в устройстве обработки данных согласно изобретению.

Фиг. 7 изображает петлю гистерезиса для поляризации сегнетоэлектрической тонкой пленки, например, выполненной из сополимера винилиденфторида/трифторэтилена.

По оси у показана поляризация в единицах К/м² (кулон/метр квадратный), а по оси х показана напряженность поля между электродами в единицах В/м (вольт/метр). Сегнетоэлектрическая тонкая пленка между электродами первоначально находится в разупорядоченном или неполяризованном состоянии и поляризуется при приложении к электродам напряжения, которое создает между электродами напряженность поля, большую, чем коэрцитивное поле сегнетоэлектрического материала. Сегнетоэлектрический материал, в зависимости от знака напряжения поляризации, будет достигать состояние электрической поляризации с предпочтительной ориентацией "вверх", представленной точкой I на петле гистерезиса, или "вниз", представленной точкой II на петле гистерезиса. Состояния поляризации I и II также могут использоваться для того, чтобы представить логический 0 или логическую 1, или наоборот. Следует отметить, что понятия "положительная", "отрицательная", "вверх", "вниз" должны рассматриваться как условно нормативные, поскольку они определяются на основе определения того, что следует рассматривать как положительный или отрицательный электрод, или поляризация "вверх" или поляризация "вниз". Соответствующее условие будет справедливо для выбора того состояния поляризации, которое будет считаться логической 1 или логическим 0, и это не должно приводить к проблемам при условии, что принятые определения строго соблюдаются.

Следовательно, логический элемент из сегнетоэлектрического материала, который находится в одном из двух состояний поляризации, может представлять логические 0 или 1 или двоичные 0 или 1 и может быть реализован либо как бистабильный переключатель в устройстве обработки данных, либо как ячейка памяти в устройстве хранения данных. Поляризация логического элемента до определенного состояния представляет, другими словами, запись данных в этот логический элемент.

Следует напомнить, что поляризация соответствующих сегнетоэлектрических материалов, используемых в логическом элементе, может осуществляться при комнатной температуре, с высокой скоростью путем выбора подходящих сегнетоэлектрических материалов и использования соответственно высокой напряженности поля, посредством приложения напряжения поляризации к электродам логического элемента. Использование сегнетоэлектрического материала в виде тонкой пленки дает ряд преимуществ. Как только логическому элементу, то есть сегнетоэлектрическому тонкопленочному материалу в логическом элементе, придана предпочтительная поляризация, это состояние поляризации будет сохраняться в течение неопределенного периода времени при комнатной температуре, в соответствующих условиях - в течение многих лет, если состояние поляризации не будет изменено на обратное приложением поляризующего поля с противоположным знаком. Отмена состояния поляризации может происходить по аналогии с ферромагнитным размагничиванием посредством воздействия на логический элемент циклическим деполяризующим полем. Сильное нагревание логического элемента также может привести к деструкции состояния поляризации вследствие того, что электрические диполи утрачивают свою предпочтительную ориентацию.

Направление поляризации по петле гистерезиса при приложении поляризующего поля обозначено стрелками между точками I и IV, и V и VI.

Ниже подробно рассмотрено считывание данных с логического элемента также в связи с петлей гистерезиса, показанной на фиг.7. При этом будем избегать ссылок на выражения типа "логический 0" и "логическая 1", или "вверх" или "вниз", а будем использовать положительную или отрицательную поляризацию, представленную соответственно частью петли гистерезиса, которая расположена выше оси х, и частью петли гистерезиса, которая расположена ниже оси х. Если логический элемент в данный момент находится в положительном состоянии поляризации, представленном точкой I на петле гистерезиса, то считывание происходит посредством приложения к электродам напряжения, которое предпочтительно создает напряженность поля, приблизительно в два раза или более превышающую коэрцитивную напряженность. Поляризация логического элемента, следовательно, будет перемещаться из точки I в III при условии, что напряжение считывания имеет положительный знак. Благодаря форме петли гистерезиса, которая в этом случае очень близка к квадратной, изменение состояния поляризации из I в III приведет к совсем незначительному переносу заряда между электродами, и посредством детектирования переноса заряда между электродами в подключенной схеме управления будет получен очень слабый сигнал тока. Если логический элемент находится в отрицательном состоянии поляризации, представленном точкой II на петле гистерезиса,