RU2013822C1

RU2013822C1 - Switch on organic film

Info

Publication number: RU2013822C1
Authority: RU
Inventors: В.П. Гойденко; В.Я. Красницкий; М.Е. Продан; В.А. Самуйлов; В.Ф. Стельмах; А.И. Хмельницкий; С.Н. Черенкевич
Original assignee: Белорусский государственный университет
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: switch includes functional film produced from biological pigment of melanin with thickness not exceeding that of region of bulk charge located on surface of current-conducting substrate made of monocrystalline structure-forming semiconductor-heavily doped silicon and contacts. EFFECT: facilitated manufacture. 1 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике, а более конкретно - к устройствам переключения и может быть использовано при создании элементов памяти оперативных запоминающих устройств статического типа, коммутирующих элементов, индикаторов уровня напряжений в устройствах преобразования сигналов и т. п. The invention relates to a pulse technique, and more specifically to switching devices, and can be used to create memory elements of static memory, switching elements, voltage level indicators in signal conversion devices, etc.

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. Known switches based on chalcogenide glassy semiconductors, for example, using a heterojunction chalcogenide glass-crystalline semiconductor [1]. Such a structure has a switching effect on the current-voltage characteristic (CVC). With a direct bias of the switch, the device switches to a conducting state and a vertical portion of the I – V characteristic appears, on which the current increases only due to the extension of the current cord while maintaining a constant current density.

К недостаткам такого переключателя следует отнести большую рассеиваемую мощность в режиме включения за счет большой локальной плотности тока. Минимальное значение тока во включенном состоянии составляет два миллиампера. Большая рассеиваемая мощность приводит к недолговечности таких устройств (малому количеству циклов перезаписи информации запоминающих устройств, выгоранию контактов при переключении, что приводит к необратимому увеличению значений тока и напряжения перезаписи информации из-за увеличения межэлектродного расстояния и т. д. ) и невозможности реализовать элементы запоминающих устройств с малым энергопотреблением. The disadvantages of such a switch include a large power dissipation in the on mode due to the large local current density. The minimum on-state current is two milliamps. Large power dissipation leads to the fragility of such devices (a small number of cycles of rewriting information of memory devices, burnout of contacts during switching, which leads to an irreversible increase in the values of current and voltage of rewriting information due to an increase in the interelectrode distance, etc.) and the inability to implement memory elements low power devices.

В качестве прототипа выбран переключатель на органической пленке [2] , содержащий последовательно расположенные на подложке из металла (медь или серебро) органическую пленку, сформированную из органического комплексного соединения, состоящего из меди или серебра и тетрацианонафтохинидина, тетрацианоэтилена, дихлорцианоэтилена, дихлорцианобензохинона или тетрацианохинидина толщиной 1-10 мкм, первый электрод из алюминия или хрома, соединенный с внешним выводом, причем вторым электродом является металлическая подложка. Проводимость полученной структуры зависит от приложенного напряжения, состава и толщины пленки и проявляет эффект переключения. Напряжение переключения составляет 3-12 В, коммутируемый ток не менее 30 мА. As a prototype, a switch on an organic film [2] was selected that contains an organic film successively arranged on a metal substrate (copper or silver) formed from an organic complex compound consisting of copper or silver and tetracyanonaphthoquinidine, tetracyanoethylene, dichloro cyanoethylene, dichlorocyanobenzoquinone or tetracyanoquinidine 1 thick -10 μm, the first electrode of aluminum or chromium connected to an external terminal, the second electrode being a metal substrate. The conductivity of the obtained structure depends on the applied voltage, composition, and film thickness and exhibits a switching effect. The switching voltage is 3-12 V, the switching current is at least 30 mA.

К недостаткам прототипа следует отнести высокие значения коммутируемых токов, т. е. большую потребляемую мощность, что не позволяет минимизировать параметр потребляемой мощности, например, при создании элементов запоминающих устройств, а также низкую надежность и недолговечность таких устройств, поскольку относительно высокий ток включения обусловлен локальной неоднородностью его протекания сквозь пленку органического поликристаллического полупроводника, содержащего межзеренные границы и другие локальные неоднородности, а возрастание локальных плотностей тока приводит к локальным перегревам структуры, разрушающим как органический полупроводник, так и тонкопленочные металлические контакты, что в конечном счете существенно ограничивает число циклов переключения такой структуры. The disadvantages of the prototype include high values of switched currents, i.e., high power consumption, which does not allow to minimize the parameter of power consumption, for example, when creating elements of storage devices, as well as the low reliability and fragility of such devices, since the relatively high switching current is due to local heterogeneity of its flow through the film of an organic polycrystalline semiconductor containing grain boundaries and other local inhomogeneities, and The heating of local current densities leads to local overheating of the structure, which destroys both the organic semiconductor and thin-film metal contacts, which ultimately significantly limits the number of switching cycles of such a structure.

Целью изобретения является снижение потребляемой мощности путем уменьшения плотности токов при достижении гистерезисного переключения на вольт-амперной характеристике. The aim of the invention is to reduce power consumption by reducing current density when hysteresis switching on the current-voltage characteristic is achieved.

Цель достигается тем, что в известной конструкции переключателя по прототипу [2] , включающего расположенные на электропроводящей подложке пленку органического полупроводника и металлический электрод к ней, пленка органического полупроводника выполнена из тонкого слоя биологического пигмента меланина с толщиной не более толщины области объемного заряда, а также внесено изменение в конструкцию переключателя, а именно: электропроводящая подложка выполнена из монокристаллического сильнолегированного кремния, в результате чего возникает устойчивое физико-химическое взаимодействие молекул меланина с атомами кремния, и за счет таких взаимодействий тонкая пленка обладает упорядоченной структурой и электрическими свойствами, отличными от свойств изолированной или находящейся между металлическими электродами пленки органического полупроводника. Т. е. на границе меланин-кремний имеется гетеропереход. Использование идентичной или сходной совокупности конструктивных признаков не обнаружено. The goal is achieved by the fact that in the known design of the switch according to the prototype [2], including an organic semiconductor film and a metal electrode located on an electrically conductive substrate, the organic semiconductor film is made of a thin layer of biological melanin pigment with a thickness of not more than the thickness of the space charge region, and a change was made in the design of the switch, namely: the electrically conductive substrate is made of monocrystalline highly doped silicon, as a result of which It has a stable physicochemical interaction of melanin molecules with silicon atoms, and due to such interactions, a thin film has an ordered structure and electrical properties that are different from the properties of an organic semiconductor film isolated or located between metal electrodes. That is, at the melanin-silicon interface there is a heterojunction. The use of an identical or similar set of design features was not found.

Признак использования "органической пленки, сформированной из органического комплексного соединения, состоящего из меди, серебра и тетрацианонафтохинидина, тетрацианоэтилена, дихлорцианоэтилена, дихлорцианобензохинона или тетрацианохинидина толщиной 1-10 мкм, "сходный с признаком" пленка органического полупроводника выполнена из тонкого слоя биологического пигмента меланина с толщиной не более толщины объемного заряда известен из аналога заявляемого решения. Однако сравнение свойств заявляемого и известных решений, обусловленных наличием в них указанных признаков, показало, что в заявляемом решении этот признак: "пленка органического полупроводника выполнена из биологического пигмента меланина с толщиной не более толщины области объемного заряда" обуславливает иное, новое свойство (достигается гистерезисное переключение на вольт-амперных характеристиках в диапазоне напряжений 2,5-5 В при малых плотностях токов). The sign of the use of an "organic film formed from an organic complex compound consisting of copper, silver and tetracyanonaphthoquinidine, tetracyanoethylene, dichloro cyanoethylene, dichlorocyanobenzoquinone or tetracyanoquinidine 1-10 μm thick," similar to the sign ", the organic semiconductor film is made of a thin layer with a thickness of no more than the thickness of the space charge is known from the analogue of the claimed solution.However, a comparison of the properties of the claimed and known solutions due to By the presence of the indicated features in them, it showed that in the claimed solution this feature: “the film of the organic semiconductor is made of the biological pigment melanin with a thickness not exceeding the thickness of the space charge region” leads to a different, new property (hysteresis switching is achieved on the current-voltage characteristics in the voltage range 2.5-5 V at low current densities).

Положительный эффект заявляемого решения достигается тем, что вследствие гистерезисного типа вольт-амперной характеристики симметрично расположенные от рабочего напряжения пороговые значения напряжений включения и выключения составляют достаточно малый логический размах, зависящий от толщины пленки и составляющий от долей вольта до нескольких вольт, чем и ограничивается потребляемая мощность. С другой стороны, токовая составляющая потребляемой мощности (во включенном состоянии) минимизирована посредством упорядочения структуры органической пленки с помощью структурозадающей полупроводниковой кремниевой подложки, что позволило устранить условия, приводящие к локальным неоднородностям тока по площади структуры, и тем самым повысить долговечность и надежность таких переключателей. The positive effect of the proposed solution is achieved by the fact that due to the hysteresis type of the current-voltage characteristic, the threshold values of the on and off voltages symmetrically located from the operating voltage make up a sufficiently small logical range, depending on the film thickness and ranging from fractions of a volt to several volts, which limits the power consumption . On the other hand, the current component of the power consumption (in the on state) is minimized by ordering the structure of the organic film using a structure-setting semiconductor silicon substrate, which eliminated the conditions leading to local current inhomogeneities in the structure area, and thereby increase the durability and reliability of such switches.

На чертеже приведена конструкция переключателя на органической пленке вертикальное сечение. The drawing shows the design of the switch on an organic film vertical section.

Переключатель состоит из подложки 1 из монокристаллического сильнолегированного кремния и расположенных на ней пленки органического полупроводника 2 из биологического пигмента меланина толщиной 800-1400 нм, первого алюминиевого контакта 3 и расположенного на подложке второго алюминиевого контакта 4. В планарной структуре второй алюминиевый контакт 4 изолирован от пленки органического полупроводника 2 и первого алюминиевого контакта 3 островком пленки диэлектрика 5 из двуокиси кремния толщиной 3000 нм. На границе подложки 1 из монокристаллического кремния и пленки органического полупроводника 2 из биологического пигмента меланина имеется гетеропереход 6, образованный за счет взаимодействия свободных радикалов органических молекул меланина с атомами кремния. Для получения устойчивого электрического контакта на границе меланин-монокристаллический кремний пластину кремния подвергают очистке в растворе плавиковой кислоты. Пленку меланина наносят способом центрифугирования пластины с каплей раствора меланина в диметилформамиде (концентрация 0,5% ) и последующей сушкой на воздухе при температуре 150^оС в течение 15 мин. Толщину пленки варьируют изменением концентрации раствора меланина в диметилформамиде. Так, при увеличении концентрации от 0,5 до 1,0% толщина пленки изменяется от 800 до 1400 нм.The switch consists of a substrate 1 of monocrystalline highly doped silicon and an organic semiconductor film 2 of a biological pigment melanin 800-1400 nm thick located on it, a first aluminum contact 3 and a second aluminum contact 4 located on the substrate. In the planar structure, the second aluminum contact 4 is isolated from the film organic semiconductor 2 and the first aluminum contact 3 islet of a film of dielectric 5 of silicon dioxide with a thickness of 3000 nm. At the boundary of a substrate 1 of single-crystal silicon and an organic semiconductor film 2 of a biological pigment of melanin, there is a heterojunction 6 formed by the interaction of free radicals of organic melanin molecules with silicon atoms. To obtain a stable electrical contact at the melanin-monocrystalline silicon interface, the silicon wafer is cleaned in a hydrofluoric acid solution. Melanin film is applied by centrifugation of the plate with a drop of melanin in dimethylformamide solution (concentration 0.5%) and subsequent drying in air at ¹⁵⁰ ° C for 15 min. The film thickness is varied by changing the concentration of a solution of melanin in dimethylformamide. So, with an increase in concentration from 0.5 to 1.0%, the film thickness changes from 800 to 1400 nm.

Работает переключатель на органической пленке следующим образом. К контактам 3 и 4 прикладывается питающее напряжение через нагрузочное сопротивление. Питающее напряжение выводит устройство в рабочий режим. The switch operates on an organic film as follows. A voltage is applied to pins 3 and 4 through a load resistance. The supply voltage puts the device into operation.

Величина рабочего напряжения соответствует среднему значению двух пороговых напряжений переключения в низкоомное и обратно в высокоомное состояние. После установления рабочего напряжения включение переключателя производится увеличением напряжения выше порогового для включения, а выключение - уменьшением напряжения ниже порогового - для выключения. Избыточное напряжение при включении переключателя падает на нагрузочном сопротивлении. Включение и выключение переключателя можно производить приложением импульсов соответственно положительной и отрицательной полярности относительно рабочего напряжения и амплитудной не менее абсолютной величины разности рабочего и порогового напряжений. Величина рабочего напряжения для переключателя с толщиной слоя меланина 800 нм составляет 3,7 В, для переключателя с толщиной слоя меланина 1400 нм - 18 В. The magnitude of the operating voltage corresponds to the average value of the two threshold voltages switching to low impedance and back to high impedance state. After establishing the operating voltage, the switch is turned on by increasing the voltage above the threshold for switching on, and turning it off by reducing the voltage below the threshold to turn it off. When the switch is turned on, the excess voltage drops at the load resistance. The switch can be turned on and off by applying pulses of positive and negative polarity, respectively, with respect to the operating voltage and an amplitude not less than the absolute value of the difference between the operating and threshold voltages. The operating voltage for a switch with a melanin layer thickness of 800 nm is 3.7 V, for a switch with a melanin layer thickness of 1400 nm is 18 V.

Для структур с толщиной слоя меланина более 1400 нм вольт-амперные характеристики с гистерезисом на наблюдались, поскольку толщина слоя меланина более 1400 нм превышает толщину областей объемного заряда. For structures with a melanin layer thickness of more than 1400 nm, volt-ampere characteristics with hysteresis were not observed, since the thickness of the melanin layer of more than 1400 nm exceeds the thickness of the space charge regions.

Технические преимущества заявляемого объекта в сравнении с прототипом заключаются в малой потребляемой мощности за счет малых плотностей тока при достижении гистерезисного переключения на вольт-амперных характеристиках. The technical advantages of the claimed object in comparison with the prototype are low power consumption due to low current densities when hysteresis switching is achieved on the current-voltage characteristics.

Плотность тока через тонкую пленку меланина в состоянии "Включено" не превышает 2˙10^-2 А/см². При реализации элемента статического оперативного запоминающего устройства в интегральном исполнении оценка потребляемой мощности в состоянии "Включено" составила величину, не превышающую 3 ˙10^-9 Вт/бит.The current density through a thin film of melanin in the "On" state does not exceed 2˙10 ^-2 A / cm ² . When implementing an element of a static random access memory in integrated design, the estimate of power consumption in the “On” state amounted to a value not exceeding 3 × 10 ^-9 W / bit.

Claims

An ORGANIC FILM SWITCH comprising an organic semiconductor film and a metal electrode located on an electrically conductive substrate, characterized in that the organic semiconductor film is made of a thin layer of biological melanin pigment with a thickness not exceeding the thickness of the space charge region, and the electrically conductive substrate is made of monocrystalline highly doped silicon with an electrode.