Ionisch gesteuertes Dreitorbauelement

Die Erfindung betrifft ein Dreitorbauelement, welches durch die Bewegung von Ionen schaltbar ist.

Stand der Technik Elektrisch löschbare programmierbare Festwertspeicher (EEPROMs) haben sich als Standard für nichtflüchtige wiederbeschreibbare elektronische Datenspeicher etabliert. Sie umfassen in der Regel eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren mit isolierten Gates. Ist auf dem Gate eine Ladung gespeichert, ist der Feldeffekttransistor leitend, was eine logische 1 repräsentiert. Enthält das Gate keine Ladung, sperrt der Feldeffekttransistor, was eine logische 0 repräsen- tiert. Informationen werden in das EEPROM geschrieben, indem an eine Steuerelektrode, die durch eine Barriere gegen das Gate isoliert ist, ein hoher Spannungspuls angelegt wird. Dadurch können Elektronen die Barriere überwinden, und es kann eine Ladung auf dem Gate gespeichert oder von diesem wieder abgezogen werden.

Nachteilig wird die Barriere bei jedem Schreib Vorgang hoch belastet und ist daher einem pro- gressiven Verschleiß unterworfen, so dass die Zahl der Schreib Vorgänge pro Feldeffekttransistor begrenzt ist. Zudem stößt die Miniaturisierung von EEPROMs an physikalische Grenzen, da die Wahrscheinlichkeit, dass die gespeicherte Ladung durch Tunneln verloren geht, mit der Verkleinerung der Abmessungen exponentiell ansteigt. Die Größe der Ladungen, die auf das Gate transportiert werden muss, ist der begrenzende Faktor für die Geschwindigkeit, mit der dies erfolgen kann.

Als Alternative zu EEPROMs wurden daher resistive Speicher (RRAMs) entwickelt. RRAMs beruhen darauf, dass der elektrische Widerstand eines zwischen zwei Elektroden angeordneten aktiven Materials durch Anlegen einer hohen Schreibspannung zwischen mindestens zwei stabilen Zuständen verändert und durch Anlegen einer geringeren Auslesespannung gemessen werden kann. Der Review-Artikel (R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov, K. Szot,„Redox-Based Resistive Switching Memories - Nanoionic Mechanisms, Prospects, and Challenges", Advanced Materials 21 (25-26), 2632-2663 (2009)) gibt einen Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand. Nachteilig gibt es speziell bei RRAMs einen bislang nicht gelösten Zielkonflikt zwischen der Geschwindigkeit, mit der Information gespeichert und ausgelesen werden kann, und der Langzeitstabilität der gespeicherten Information.

Aufgabe und Lösung Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement zur Verfügung zu stellen, das sowohl als langzeitstabiler als auch schneller Speicher fungieren kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dreitorbauelement gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Dreitorbauelement entwickelt. Dieses umfasst eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode und einen zwischen die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode geschalteten Kanal aus einem Material, dessen elektronische Leitfähigkeit durch Zu- und/oder Abführung von Ionen veränderlich ist. Unter der elektronischen Leitfähigkeit werden in diesem Zusammenhang auch die Eigenschaften einer eventuell im Kanal vorhandenen Supraleitung verstanden, bei der Cooper-Paare an die Stelle von Einzel elektronen treten. Auch die Löcherleitung in einem p-dotierten Halbleiter wird als elektronische Leitfähigkeit im Sinne dieser Erfindung verstanden.

Erfindungsgemäß umfasst das Dreitorbauelement ein mit einer Gate-Elektrode kontaktiertes lonenreservoir, welches derart in Verbindung mit dem Kanal steht, dass es bei Beaufschlagung der Gate-Elektrode mit einem Potential Ionen mit dem Kanal auszutauschen vermag. Der Transport von Ionen zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal ändert im Kanal die Konzentration der mobilen Ionen. Diese Dotierung ändert die Leitfähigkeit des Kanals. Eine kleine Änderung der Dotierung reicht bereits aus, um die Leitfähigkeit des Kanals um ein Vielfaches zu ändern. Dabei kann durchaus das lonenreservoir gleichzeitig als Gate-Elektrode fungieren, sofern es elektronisch leitfähig ist.

Es wurde erkannt, dass in der Verteilung der insgesamt in lonenreservoir und Kanal vorhandenen Ionen auf lonenreservoir und Kanal Information in dem Dreitorbauelement gespeichert werden kann. Die Information kann im Bauelement hinterlegt werden, indem durch Anlegen eines geeigneten Potentials an die Gate-Elektrode die Verteilung der Ionen geändert wird. Durch Messung des elektrischen Widerstands zwischen der Source-Elektrode und der Drain- Elektrode kann diese Information nicht destruktiv ausgelesen werden. Sofern die Ionen in Abwesenheit eines treibenden Potentials an der Gate-Elektrode hinreichend langsam zwi- sehen dem Ionenreservoir und dem Kanal diffundieren, ist dieser Speicher nicht flüchtig.

Das Bauelement kann digitale Information speichern, löschen und überschreiben. Dazu kann beispielsweise eine logische 1 in dem Zustand kodiert sein, in dem der Kanal einen niedrigen elektrischen Widerstand hat und bei Anlegen einer vorgegebenen Auslesespannung einen hohen Strom fließen lasst. Eine logische 0 ist dann in dem Zustand kodiert, in dem der Kanal einen hohen elektrischen Widerstand hat, so dass beim Anlegen der Auslesespannung nur ein geringer Strom fließt. Es können aber auch beliebige Zwischenwerte gespeichert werden. Das Bauelement ist somit auch als Speicher für analoge Information, wie beispielsweise Messdaten, geeignet.

Es wurde erkannt, dass mit dieser Form der Speicherung ein grundlegender Zielkonflikt der resistiven Speicher (RRAMs) gelöst wird. Herkömmliche resistive Speicher sind Zweitorbauelemente, so dass sowohl das Speichern als auch das Auslesen von Information durch das Anlegen von Spannungen an die gleichen Elektroden erfolgen. Wird zum Speichern eine hohe Schreibspannung angelegt, ändert sich der Widerstand des Speichermaterials. Diese Änderung manifestiert sich beim Anlegen einer deutlich geringeren Auslesespannung in einer Änderung des von dieser Auslesespannung durch den Speicher getriebenen Stroms.

Die Schreibspannung ist nun durch die Abmessungen des Speichers und elektronische Erfordernisse auf wenige Volt begrenzt. Auf der anderen Seite muss die Auslesespannung ausreichend groß sein, um mit einem ausreichenden Signal -Rausch- Verhältnis den Widerstand des Speichermaterials messen zu können. Somit können Schreib- und Auslesespannung nur um etwa eine Größenordnung auseinander liegen.

Zugleich wird bei dem resistiven Speicherelement angestrebt, dass es sich zwar durch Anlegen der Schreibspannung innerhalb weniger Nanosekunden umschalten lässt, dass sein Zustand aber auch bei ständigem Anliegen der Lesespannung über mindestens 10 Jahre stabil bleibt. Mit einem Spannungsunterschied von nur einer Größenordnung soll somit ein Unter- schied von etwa 10 Größenordnungen in den charakteristischen Schaltzeiten begründet werden. Dieser Zielkonflikt ist in der Fachwelt als„voltage-time dilemma" bekannt. Erfindungsgemäß ist für das Speichern von Information die zusätzliche Gate-Elektrode vorgesehen. Die Verteilung der Ionen auf den Kanal und auf das Ionenreservoir ändert sich dann und nur dann, wenn ein entsprechendes treibendes Potential an der Gate-Elektrode angelegt wird. Die zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode angelegte Auslesespannung ist auf die Verteilung der Ionen dagegen ohne Einfluss, da beim Auslesen kein elektrisches Feld zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir aufgebaut wird. Dementsprechend ist es auch gar nicht notwendig, zum Lesen und zum Schreiben stark unterschiedliche Spannungspegel vorzusehen. Der Schaltungsaufwand wird vorteilhaft vermindert. Es kann aber auch beim Auslesen ein Strom durch den Kanal fließen, der wesentlich größer ist als der beim Schreiben zwi- sehen Ionenreservoir und Kanal fließende Strom, ohne dass hierdurch ein Ionenaustausch zwischen Kanal und Ionenreservoir in Gang gesetzt wird.

Wird an die Gate-Elektrode ein geringeres Potential angelegt als notwendig wäre, um einen Ionentransport zwischen Ionenreservoir und Kanal anzustoßen, so wirkt das Bauelement analog einem Feldeffekttransistor als Verstärker und kann als solcher verwendet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ionenreservoir bei

Normbedingungen ein Festkörper. Dieser kann kristallin, amorph, aber auch beispielsweise ein Polymer sein. Dann können sich die Ionen im Wesentlichen nur durch Diffusion innerhalb des Ionenreservoirs sowie zwischen Ionenreservoir und Kanal bewegen. Andere Transportmechanismen, wie beispielsweise die Konvektion eines flüssigen oder gasförmigen Ionenreser- voirs, sind der Diffusion nachrangig. Die Diffusion wiederum ist durch das an der Gate- Elektrode anliegende Potential in Verbindung mit der Temperatur steuerbar.

Als lonenreservoir ist prinzipiell jedes Material geeignet, das unter Erhalt der Ladungsneutralität Kationen und/oder Anionen in den Kanal abgeben kann. Diese Fähigkeit besitzt insbesondere ein Material, das mindestens ein Kation/ Anion mit variabler Valenz aufweist. An ei- nem solchen Kation/ Anion kann eine weitere lonensorte lose gebunden sein, oder es kann ein unbesetzter Platz für ein Ion dieser Sorte bereitstehen. Diese Ionensorte ist dann mit vergleichsweise geringer Aktivierungsenergie beweglich und kann zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal ausgetauscht werden. Insbesondere kann das Ion, das zwischen lonenreservoir und Kanal ausgetauscht wird, bei diesem Austausch oxidiert oder reduziert bzw. ionisiert oder deionisiert werden. Vorteilhaft weisen das lonenreservoir, der Ionenleiter und/oder der Kanal eine Kristall struktur auf, die sich beim Austausch von Ionen zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal nicht ändert. Das lonenreservoir, der Ionenleiter und/oder der Kanal können alternativ auch amorph sein. Es wurde erkannt, dass viele Festkörpereigenschaften des Ionenreservoirs, des Ionenleiters sowie des Kanals, insbesondere die elektronische und ionische Leitfähigkeit, von der jeweiligen Kristallstruktur abhängen. Wird durch den Transport von Ionen zwischen dem lonenreservoir und dem Kanal die Kristallstruktur eines dieser Materialien verändert, verändern sich die Festkörpereigenschaften. Eine wohlgeordnete Kristallstruktur wird nun aber in der Regel mit aufwändigen Techniken bei der Herstellung in das Material eingebracht, kann sich aber im Betrieb nicht mehr selbsttätig regenerieren. Jede Verschlechterung der Kristallstruktur beim Austausch von Ionen zwischen lonenreservoir und Kanal bedeutet somit eine irreversible Abnutzung des jeweiligen Materials. Somit kann das Bauelement eine besonders große Zahl von Schreibzyklen überstehen, wenn die Kristallstruktur des Ionenreservoirs, des Ionen- leiters und/oder des Kanals sich entweder im Betrieb nicht ändert oder von vornherein fehlt, weil das jeweilige Material amorph ist. Amorphe Materialien, deren Eigenschaften nicht an einer wohlgeordneten Kristallstruktur hängen, bieten bei der Herstellung des Bauelements den zusätzlichen Vorteil, dass der Spielraum für die Prozessparameter wesentlich größer ist.

In einer wohlgeordneten Kristallstruktur können Plätze vorgesehen sein, die Ionen aufnehmen und auch wieder abgeben können, ohne die Kristall struktur insgesamt zu ändern. Beispielsweise können die Ionen auf Zwischengitterplätzen in das Material des Ionenreservoirs inter- kaliert sein, sie können auf Leerstellen im Kristallgitter des Ionenreservoirs sitzen, oder sie können entlang von Kristalldefekten (wie Versetzungen, Punktdefekten, Korngrenzen und Stapelfehlern) mobil sein. Die Ionenbeweglichkeit des Ionenreservoirs bei der Einsatztemperatur und der durch den

Spannungsabfall zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal vorgegebenen Arbeitsfeldstärke bestimmt maßgeblich über die Geschwindigkeit, mit der die Leitfähigkeit des Kanals geändert werden kann.

Ist der Ionenleiter nicht mit dem lonenreservoir identisch, so sollte das lonenreservoir eine hinreichend hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen, damit die Potentialdifferenz zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal im Wesentlichen über dem Ionenleiter abfällt, so dass sie die Aktivierungsenergie für den Transport von Ionen durch den Ionenleiter liefert.

Ist das Ionenreservoir jedoch zugleich Ionenleiter, so sollte es nur eine geringe elektronische Leitfähigkeit aufweisen, um den Strompfad von der Source-Elektrode durch den Kanal zur Drain-Elektrode nicht kurzzuschließen. Um die durch den Austausch von Ionen zwischen dem Ionenreservoir und dem Kanal bewirkte Änderung der elektronischen Leitfähigkeit im Kanal nicht zu konterkarieren, sollte sich bei diesem Austausch die elektronische Leitfähigkeit des auch als Ionenleiter fungierenden Ionenservoirs um mindestens eine Größenordnung schwächer ändern als die des Kanals.

Insbesondere sind kristalline oder amorphe Festkörper mit hoher Ionenleitfähigkeit als Ionen- reservoir geeignet. Unter den kristallinen Festkörpern sind perowskitische Strukturen, aus denen der Kristall kubisch oder in Form von Lagen zusammengesetzt ist, besonders vorteilhaft. Beispiele für derartige Materialien sind SrFe0 _3-x und LaNi0 _3-x

In SrFe0 ₃ . _x kann das Eisen als 2+, 3+ und sogar 4+ auftreten. Der Sauerstoffgehalt variiert dabei kontinuierlich zwischen SrFe0 ₂ (Fe ²⁺ ) über SrFe0 _2,5 (Fe ³⁺ ) zu SrFe0 ₃ (Fe ⁴⁺ ). Das Kris- tallgitter wird dabei verzerrt, aber die Perovskitstruktur bleibt erhalten, solange die Zusammensetzung nicht zu weit von der stöchiometri sehen Zusammensetzung abweicht. Das Material kann somit erhebliche Mengen an Sauerstoff aufnehmen oder abgeben, ohne sich strukturell zu stark zu verändern. Es besteht eine Parallele zu den Speichermaterialien für Lithium- Ionen in Li-Ionen-Akkus, wie z. B. LiFeP0 . Statt des Lithiumgehalts in LiFeP0 ₄ wird in SrFe0 ₃ der Sauer Stoff gehalt geändert, und um die Ladungsneutralität zu erhalten, ändert in beiden Fällen das Eisen-Ion seine Oxidationszahl.

Grundsätzlich sind Edelmetalle besonders gut als Elektroden geeignet, um ein p-leitendes Oxid als Kanal oder Ionenreservoir zu kontaktieren. Dagegen sind unedle Metalle wie Indium oder Aluminium besonders gut als Elektroden geeignet, um ein n-leitendes Oxid (wie bei- spielsweise Cer-dotiertes Nd ₂ Cu0 ) zu kontaktieren. Oxide mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie La ₂ Cu0 ₄ , SrRu0 ₃ oder LaNi0 ₃ , sind universell einsetzbare Materialien für Elektroden. Diese Oxide können, am Beispiel von La ₂ Cu0 ₄ , beispielsweise mit zweiwertigen Kationen wie Sr oder Ba p-dotiert, oder aber mit vierwertigen Kationen wie Cer, n-dotiert werden. Die Dotierung mit den Fremdatomen leistet dann jeweils einen deutlich größeren Beitrag zur elektronischen Leitfähigkeit als die Dotierung durch Sauerstoffdefizit oder -überschuss. Somit wird die Leitfähigkeit normal leitender Oxide durch die Dotierung mit Fremdatomen im We- sentlichen unabhängig vom Sauerstoffgehalt. Die Elektroden können aber auch Hochtemperatursupraleiter sein oder Kombinationen der hier aufgeführten Materialien umfassen.

Vorteilhaft beträgt der durch den Kanal überbrückte Abstand zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode zwischen 20 nm und 10 μηι, bevorzugt zwischen 20 nm und 1 μιη. Vorteilhaft ist der Kanal als dünne Schicht mit einer Dicke zwischen 3 und 50 nm, bevorzugt zwischen 5 und 20 nm, ausgebildet. Diese Maßnahmen verringern einzeln oder in Kombination die Kapazität des Kanals und damit die Ladungsmengen, die sowohl zur Änderung

(Schreiben) als auch zur Messung (Lesen) seines elektrischen Widerstands transportiert werden müssen. Die Geschwindigkeit des Schreibens und des Lesens ist dadurch vorteilhaft er- höht.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das lonenreservoir über einen Ionenleiter, der eine um mindestens 2 Größenordnungen geringere elektronische Leitfähigkeit hat als der Kanal, mit dem Kanal verbunden. Dann ist die Verteilung der Ionen auf Kanal und lonenreservoir in Abwesenheit eines Potentials an der Gate-Elektrode als treibende Kraft für die Diffusion besonders stabil. Als Faustformel sollte für die spezifischen Widerstände r _L des Ionenleiters und rj des Kanals gelten: r _L > r _K * l ² / (d _L *d _K ), worin dL und d _& die Dicken von Ionenleiter und Kanal sind und worin 1 die Länge des Kanals zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode ist. Wird der Kanal verkürzt, nimmt der nö- tige spezifische Widerstand r _L des Ionenleiters überproportional ab. Insofern ist es günstig, das Bauelement lateral herunterzuskalieren, weil dadurch mehr Materialien als lonenleiter verwendbar werden.

Der Potentialdifferenz zwischen Gate-Elektrode und Kanal kommt in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der das lonenreservoir Sauerstoffionen mit dem Kanal auszutauschen vermag, besondere Bedeutung als treibende Kraft für den Ionenaustausch zu. In allen bekannten Ionenleitern diffundieren Sauerstoffionen bei Raumtemperatur ohne ein hinreichend starkes elektrisches Feld als treibende Kraft nur unmessbar langsam. Daher müssen beispielsweise Brennstoffzellen mit Festkörperelektrolyten, bei denen als treibende Kraft für die durch den Elektrolyten zu leitenden Sauerstoffionen nur die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung in der Größenordnung 1 Volt zur Verfügung steht, bei Temperaturen in der Größenordnung 800-1000 °C betrieben werden.

In einer Brennstoffzelle hat der Ionenleiter jedoch eine Dicke von mehreren 100 Mikrometern. Im erfindungsgemäßen Dreitorbauelement weist der Ionenleiter dagegen vorteilhaft eine Dicke von 100 Nanometern oder weniger, bevorzugt von 50 Nanometern oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 30 Nanometern oder weniger auf. Eine Dicke von 100 Nanometern verstärkt bei gleicher über dem Ionenleiter abfallender Spannung das elektrische Feld um das Tausendfache. Weil dieses elektrische Feld die Aktivierungsenergie für den Ionentransport liefert, steigt der Transport überproportional an. Somit ist das Schreiben von Information in das Dreitorbauelement auch bei Raumtemperatur möglich. Eine im Vergleich zur ionischen Leitfähigkeit deutlich geringere elektronische Leitfähigkeit des Ionenleiters hat die weitere Wirkung, dass ein an die Gate-Elektrode angelegtes Potential vollständig für die Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen Ionenreservoir und Kanal genutzt werden kann. Leitet der Ionenleiter Elektronen zu gut, so wird das Potential zum Teil kurzgeschlossen und steht nur noch eingeschränkt als treibende Kraft für den Austausch von Ionen zur Verfügung. Außerdem wird so verhindert, dass der Kanal durch das parallel geschaltete Reservoir kurzgeschlossen wird.

Als Ionenleiter, als Ionenreservoir und/oder als Kanal ist insbesondere jeweils ein Festkörperelektrolyt geeignet. Es wurde erkannt, dass gerade ein Festkörperelektrolyt eine gute ionische Leitfähigkeit mit einer guten elektronischen Isolation zwischen Ionenreservoir und Kanal kombinieren kann. Speziell in jedem stabilen Oxid mit geringer elektronischer Leitfähigkeit kann prinzipiell der Transport von Ionen erzwungen werden, wenn die Potentialdifferenz zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal hierfür ein hinreichend starkes elektrisches Feld bereitstellt. Beispiele für solche Materialien sind SrTiCh, Sr _1-x Ba _x Tb0 ₃ oder A1 ₂ 0 ₃

Vorteilhaft ist der Festkörperelektrolyt ein Material, in dem die Aktivierungsenergie für die Diffusion von Sauerstoffionen bei Temperaturen oberhalb 400 °C weniger als 1 eV, bevorzugt weniger als 0,1 eV, beträgt. Beispiele für solche Materialien sind Yttrium-stabilisiertes Zir- konoxid (YSZ) und Mn- und/oder Mg-dotiertes LaGa0 ₃ . In einem solchen Material werden Sauer stoffionen durch Platzwechsel mit Gitterlücken transportiert. Dabei müssen sie eine Potentialbarriere überwinden. Raumtemperatur, bei der das er findungs gemäße Bauelement in der Regel eingesetzt wird, liefert keine hinreichende Aktivierungsenergie für die Überwindung dieser Potentialbarriere. Daher findet kein Sauerstofftransport statt und eine in das Bau- element geschriebene Information ist bei Raumtemperatur lange Zeit stabil. Erst ein durch Anlegen eines Potentials an die Gate-Elektrode erzeugtes elektrisches Feld im Ionenleiter liefert die Aktivierungsenergie für den Austausch von Ionen zwischen Ionenreservoir und Kanal. Der Ionenstrom folgt dabei der Gleichung I = I ₀ * exp(-[AH-0.5*q*d*E]/[k*T]), wobei I der Strom, I ₀ ein Proportionalitätsfaktor, ΔΗ die Aktivierungsenergie für den Sprung von einem besetzten zu einem unbesetzten Gitterplatz (Größenordnung 1 eV), q der Betrag der Ladung des transportierten Ions (Vielfaches der Elementarladung), d die Sprungdistanz des Ions von einem besetzten in einen unbesetzten Gitterplatz (Größenordnung 200 pm), E die Feldstärke, k die Boltzmannkonstante und T die Temperatur in Kelvin ist. Im Bereich niedriger Feldstär- ke, d. h. zum Beispiel in Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) als wichtige Anwendung von lonenleitem, ist der Strom annähernd proportional zur Feldstärke und der Ionenleiter folgt dem Ohm'schen Gesetz. Im für die vorliegende Erfindung relevanten Bereich hoher Feldstärke liefert jedoch das elektrische Feld einen signifikanten Beitrag zur Aktivierungsenergie. Die Feldstärke liegt dazu im Bereich von 0,1-1 GV/m, d. h. wenn ein Ion in eine benachbarte Leerstelle in Richtung der Coulomb-Kraft springt, ist die Energiebarriere für den Sprung um 1/10 oder mehr reduziert, was den Transport um Größenordnungen beschleunigt.

Für das Bauelement kommen auch Materialien in Frage, die für Anwendungen in SOFC eine zu hohe elektronische Leitfähigkeit haben. Je kürzer der Kanal wird, desto höher kann die Leitfähigkeit des lonenleiters sein. Die Aktivierungsenergie ist an Versetzungen, Korngren- zen, Zwillingsgrenzen, Stapelfehlern und anderen ausgedehnten Gitterdefekten besonders gering, so dass der Transport entlang dieser Defekte erleichtert wird.

Vorteilhaft ist der Festkörperelektrolyt ein amorphes Material. Vorteilhaft neigt dieses nicht zur Kristallisation und ist in einem weiten Temperaturbereich chemisch stabil. Dann gibt es im Festkörperelektrolyten prinzipiell keine Korngrenzen, Versetzungen und andere Fehlstel- len, welche punktuell zu stark veränderten Eigenschaften fuhren würden. Seine Eigenschaften sind also räumlich homogen. Wenn das Material nicht dazu neigt, eine kristalline Ordnung auszubilden, bilden sich Fehlstellen der genannten Art auch nach einer hohen Anzahl Schreibzyklen nicht. Seine Eigenschaften sind somit langzeitstabil und degradieren im Betrieb nicht. Beispiele für solche Festkörperelektrolyten sind GdSc0 _3; LaLu0 ₃ und Hf0 ₂ . GdSc0 ₃ - Dünnschichten sind auch bei Temperaturen bis 1000 °C kurzzeitig (10 s-20 s) stabil und bleiben amorph. Vorteilhaft ist der Festkörperelektrolyt ein Oxid mit offener Struktur, d. h, großen Zwischengitterplätzen oder Kanälen, in denen Ionen driften können. Beispiele für solche Materialien

Vorteilhaft weist der Ionenleiter und/oder der Festkörperelektrolyt eine anisotrope Beweglich- keit für Ionen auf. Dazu kann er beispielsweise eindimensionale Kanäle enthalten, in denen Dotierstoffe interkaliert sind. Er kann aber auch Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien enthalten, entlang derer sich Ionen in zwei Dimensionen zwischen dem Ionenreservoir und dem Kanal bewegen können. Vorteilhaft treffen die Kanäle und/oder Grenzflächen im Wesentlichen senkrecht zur Stromrichtung durch den Kanal auf den Kanal. Dann werden Io- nen im Wesentlichen nur dort in den Kanal injiziert oder von dort abgezogen, wo die Kanäle und/oder Grenzflächen auftreffen. So kann beispielsweise der Ionengehalt des weak-links in einem Josephson-Kontakt gezielt beeinflusst werden, ohne dass dabei die supraleitenden Elektroden, die durch das weak-link getrennt sind, verändert werden.

Eine anisotrope Beweglichkeit für Ionen kann beispielsweise realisiert werden, indem der Io- nenleiter bzw. Festkörperelektrolyt eine Lagenstruktur aufweist, wobei der ionische Transport entlang dieser Lagen gegenüber dem Transport senkrecht zu diesen Lagen mindestens um eine Größenordnung begünstigt ist. Beispiele für solche Materialien sind Yttrium-Barium- Kupferoxid (YBa ₂ Cu3C)7- _x ) sowie Lanthan-Barium-Kupferoxide (La ₂ Cu0 _4+x ).

Wenn ein solcher Ionenleiter bzw. Festkörperelektrolyt Ionen mit einem benachbarten Materi- al austauschen soll, ist es vorteilhaft, wenn die Grenzfläche zu dem benachbarten Material die Lagen schneidet. Dies lässt sich durch die Kristallorientierung der Substratoberfläche im Zusammenspiel mit den Wachstumsparametern, insbesondere mit der Substrattemperatur, steuern. Ein solcher Wachstumsprozess ist in Divin et al. (Y. Y. Divin, U. Poppe, C. L. Jia, J. W. Seo, V. Glyantsev,„Epitaxial (101) YBa ₂ Cu ₃ 0 ₇ thin films on (103) NdGa03 Substrates", Konferenzpaper„Applied Superconductivity", Spanien, 14.-17.09.1999) beschrieben.

Die elektronische Leitfähigkeit weist in der Regel die gleichen Vorzugsrichtungen auf wie die ionische Leitfähigkeit.

Statt Sauerstoff-Ionen können auch andere Ionen zum Schalten benutzt werden. Geeignete Festkörper-Elektrolyte für Silber-Kationen sind zum Beispiel Silberiodid, Silber-Rubidium- Iodid und Silbersulfid. Für Alkali-Kationen kommen beispielsweise WO3 oder Na ₃ Zr ₂ Si ₂ PO| ₂ (NASICON) in Frage. Bestimmte Polymere wie Nafion haben eine hohe Leitfähigkeit für Protonen.

Für das Schreiben kommt es auf die Gesamtzahl der transportierten Ionen an. Um diese Gesamtzahl zu erreichen, kann über längere Zeit eine geringe Spannung an die Gate-Elektrode angelegt werden, oder es kann für kurze Zeit eine höhere Spannung angelegt werden. Der Transport von Ionen durch einen Festkörperelektrolyten ist im Bereich hoher Feldstärke ein nichtlinearer Effekt. Fällt eine höhere Spannung über dem Festkörperelektrolyten ab, wird pro Zeiteinheit eine überproportional höhere Anzahl Ionen transportiert. Somit kann die Schreibgeschwindigkeit deutlich gesteigert werden, wenn ein kurzer Puls mit einer höheren Schreib- Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird.

Gate-Elektrode und Kanal bilden einen Kondensator, der durch den Ladungstransport zwischen Gate-Elektrode und Kanal aufgeladen wird. Ist der elektronische Widerstand des Ionenleiters sehr hoch, entlädt sich dieser Kondensator nur sehr langsam. Dann kann es vorteilhaft sein, nach dem Anlegen des kurzen Pulses mit der hohen Schreibspannung einen längeren Puls mit deutlich geringerer Spannung und entgegengesetzter Polarität anzulegen. Dies entlädt den aus Gate-Elektrode und Kanal gebildeten Kondensator, macht aber den zuvor erfolgten Ionentransport zwischen Gate-Elektrode und Kanal nur zu einem geringen Anteil wieder rückgängig, weil dieser Transport bei geringen Spannungen überproportional langsamer verläuft. Vorteilhaft hat das Potential im Ionenleiter entlang des Weges vom lonenreservoir zum Kanal einen asymmetrischen Verlauf. Wie eine solche Potentiallandschaft realisiert werden kann, ist beispielsweise in der EP 1 012 885 Bl angegeben. Dann hängt die Aktivierungsenergie für den Ionentransport durch den lonenleiter von der Richtung des Transports ab. Für den Ionentransport vom lonenreservoir zum Kanal einerseits und für den umgekehrten Ionentrans - port vom Kanal zum lonenreservoir andererseits sind signifikant verschiedene Aktivierungsenergien aufzubringen. Hierdurch kann beispielsweise der Ionentransport vom lonenreservoir zum Kanal gegenüber dem umgekehrten Weg energetisch bevorzugt sein. Es gibt dann Aktivierungsenergien, bei denen der Ionenleiter im Wesentlichen nur in einer Richtung für Ionen durchlässig ist und somit als Ionengleichrichter wirkt. Dies lässt sich beispielsweise realisie- ren, indem der Ionenleiter und/oder der Kanal aus mindestens 3 Multilagen gefertigt werden, deren Potentialverläufe ein Übergitter bilden. Das Ionenreservoir kann zugleich Ionenleiter sein, was die Herstellung des Dreitorbauelements vereinfacht. Es besteht dann jedoch ein Zielkonflikt zwischen der Eigenschaft als Ionenreservoir, dessen Beladungszustand mit Ionen veränderlich sein muss, und der Eigenschaft als Ionenleiter, der seine Stöchiometrie nicht ändern und eine geringe elektronische Leitfähig- keit behalten sollte. Beispiele für Materialien, die unter Erhalt der Ladungsneutralität Kationen und/oder Anionen in den Kanal abgeben können und trotzdem gleichzeitig eine vergleichsweise geringe elektronische Leitfähigkeit behalten, sind LaMn0 ₃ , EuSc0 _3-x , EuTi0 _-x und LaNi0 ₃ - _x . Der Sauerstoffgehalt dieser Materialien kann durch variable Valenz eines Kations geändert werden. Viele Oxide, wie etwa Ti0 _2+x , können durch Erhöhung oder Erniedrigung des Sauerstoffgehalts von elektronischem n-Leiter (Sauerstoff-Defizit, x<0) über Isolator (stöchiometrische Zusammensetzung, x=0) zu elektronischem p-Leiter (Sauerstoff-Überschuss, x>0) verwandelt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kanal daher ein Metalloxid, dessen elektronischer Widerstand durch Ein- oder Auslagerung von Ionen aus dem Ionenreservoir um mindestens eine Größenordnung veränderlich ist. Dies lässt sich beispielsweise realisieren, indem das Metalloxid in seiner stöchiometrischen Zusammensetzung ein elektronischer Isolator ist und bei Abweichung von dieser Zusammensetzung leitend wird (oder umgekehrt). Vorteilhaft weist dieses Metalloxid eine Perowskitstruktur auf. Es kann dann besonders gut als epitaktisches Schichtsystem auf einem Oxid-Einkristall als Sub- strat realisiert werden. Als Substrat sind beispielsweise SrTi0 ₃ , LaAl0 ₃ , MgO oder NdGa0 geeignet.

Damit Ionen zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir mit einer für Speicheran Wendungen hinreichenden Geschwindigkeit ausgetauscht werden können, sollten sowohl der Kanal als auch das Ionenreservoir eine hinreichende Leitfähigkeit für die Ionen von mindestens 2* 10 ^"8 Sm ^"1 bei einer Feldstärke von 1 GV/m aufweisen. Die notwendige Leitfähigkeit für eine konkrete Anwendung lässt sich mit den bekannten Transportgesetzen aus der zu transportierenden Anzahl von Ionen, der zur Verfügung stehenden Feldstärke, der angestrebten Schaltzeit sowie geometrischen Faktoren errechnen. Beispielsweise genügen für die meisten Anwendungen mit einem Josephson-Kontakt wie zum Beispiel in einem supraleitenden Quant e- ninterferometer (SQUID) wesentlich längere Schaltzeiten als in einem Speicher, bis in die Größenordnung von 1 min. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen das lonenreservoir und der Kanal Halbleiter mit gleichgerichteten Dotierungen (p bzw. n), und der lonenleiter umfasst einen Halbleiter mit der entgegengesetzten Dotierung. Dann können für Kanal, lonenreservoir und lonenleiter ähnliche und damit bei der Fertigung zueinander kompatible Ma- terialien verwendet werden. Es kann sogar das gleiche Material verwendet werden, so dass der Unterschied zwischen Kanal, lonenreservoir und Ionenleiter nur noch in den unterschiedlichen Dotierungen liegt. Stöchiometrisch gesehen besteht dieser Unterschied dann nur in Mengen der verwendeten Dotierstoffe, wobei die Konzentration an Dotierstoffen bei Oxiden in der Regel lediglich im Prozentbereich liegt. Die pn-Übergänge zwischen Kanal und Ionen- leiter sowie zwischen lonenleiter und lonenreservoir können zusätzlich für elektrische Isolation des Kanals sorgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auf einen Ionenleiter ganz verzichtet werden. Das lonenreservoir und der Kanal umfassen in dieser Ausgestaltung Halbleiter mit entgegengesetzten Dotierungen (p bzw. n). Dann kann das lonenreservoir bei geeig- neter Verteilung der Ionen als Teil des Kanals wirken. Ist etwa das lonenreservoir n-leitend und der Kanal p-leitend, so steigt die Leitfähigkeit von lonenreservoir und Kanal gleichzeitig, wenn Sauerstoffionen vom n-leitenden ins p-leitende Gebiet transportiert werden. Werden Sauerstoffionen in umgekehrter Richtung transportiert, sinkt dementsprechend die Leitfähigkeit von lonenreservoir und Kanal gleichzeitig. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Abschnitt des Kanals eine Sprungtemperatur auf, unterhalb der er supraleitend ist. Dann können die Eigenschaften dieses Supraleiters, die nach dem bisherigen Stand der Technik durch Materialkonstanten festgelegt sind, durch Anlegen eines Potentials an die Gate- Elektrode geändert werden. Insbesondere können der kritische Strom und der normalleitende Widerstand, der sich beim Überschreiten des kritischen Stroms einstellt, geändert werden. So können beispielsweise Schwingkreise in Quellen oder Detektoren bzw. Oszillatoren für Terahertz-Frequenzen durchgestimmt werden. Ein Dünnfüm kann gar zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand hin- und hergeschaltet werden. Nach dem bisherigen Stand der Technik konnten Supraleiter und Josephson-Kontakte lediglich lokal durch ein elektrisches Feld, ein Magnetfeld oder durch Laserbestrahlung zwischen dem normalleitenden und dem supraleitenden Zustand geschaltet werden. Im Gegensatz zu dem erfindungs gemäß ermöglichten Schalten waren diese Effekte rein elektronischer Natur und daher flüchtig. Erfindungsgemäß lassen sich dagegen nichtflüchtige reversible Schalter oder Bauelemente mit einstellbaren Eigenschaften aus Supraleitern verwirklichen.

Der supraleitende Abschnitt kann als Einkristall realisiert sein. Insbesondere kann der gesamte Kanal zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode als supraleitender Einkristall realisiert sein. Der supraleitende Abschnitt kann aber auch eine Mehrzahl von Defekten, beinhalten, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, beispielsweise indem sie nicht parallel zum Strompfad zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode liegen. Sie können insbesondere quer zu diesem Strompfad liegen. Solche Defekte können insbesondere Korngrenzen, Stapel fehler und Zwillingsgrenzen sein. Der Transport von Ionen aus dem Ionenleiter und den Kanal findet dann bevorzugt an den Defekten statt, und der Schalteffekt ist durch die Serienschaltung der Korngrenzen als weak-links vervielfacht. Die nicht parallele Orientierung der Defekte zum Strompfad verhindert, dass ein Kurzschluss zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode entsteht.

Auch wenn der Abschnitt nicht supraleitend ist, beispielsweise wenn er sich oberhalb seiner kritischen Temperatur T _c befindet oder ganz allgemein überhaupt nicht aus einem supraleitenden Material besteht, wird der elektrische Widerstand des Kanals maßgeblich durch die Beladung der Korngrenzen mit Ionen bestimmt und kann somit über die Beladung gezielt variiert werden.

Die Defekte können alternativ auch parallel zur Stromrichtung im Kanal verlaufen. Dann können sie zwar nicht als weak-links dienen, jedoch den Ionenaustausch des Kanals mit dem Ionenleiter bzw. Ionenreservoir erleichtern.

Das Schalten supraleitender Eigenschaften durch Ionentransport kommt insbesondere in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zum Tragen. In dieser Ausgestaltung sind zwei Abschnitte des Kanals, die unterhalb einer Sprungtemperatur supraleitend sind, durch eine Barriere beabstandet, die Ionen mit dem Ionenreservoir auszutauschen vermag. Insbesondere kann die Barriere ein weak-link sein, so dass die beiden Abschnitte des Kanals zusammen mit dem weak-link einen Josephson-Kontakt bilden. Dabei kann das weak- link insbesondere in einer Komgrenze zwischen den supraleitenden Abschnitten bestehen. Sowohl die makroskopische Leitfähigkeit der Barriere als auch die quantenmechanische Bar- rierenhöhe für die zwischen den supraleitenden Abschnitten tunnelnden Cooper-Paare sind dann durch Ein- und Auslagern von Ionen in den weak-link mittels Anlegen des passenden Potentials an der Gate-Elektrode einstellbar. Insbesondere der kritische Strom und der Widerstand im normalleitenden Zustand als die grundlegenden Parameter eines jeden Josephson- Kontakts lassen sich auf diese Weise einstellen. Solchermaßen durchstimmbare Josephson- Kontakte können in quantenelektronischen Bauelementen, insbesondere in supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) oder in Hochfrequenz-Bauelementen für die Terahertz- Elektronik, beispielsweise in Quellen (Oszillatoren) oder Detektoren für Strahlung im Frequenzbereich zwischen 0,1 und 10 THz, Verwendung finden. Strahlung in diesem Frequenzbereich wird beispielsweise für die chemische Analyse von Proben mittels Hilbert- Spektroskopie benötigt. Erfindungsgemäß durchstimmbare Josephson-Kontakte können auch in digitalen Schaltungen auf der Basis der Rapid Single Flux Quantum-Technologie (RSFQ) oder in Quantencomputern Verwendung finden.

Die Sprungtemperatur liegt vorteilhaft oberhalb von 77 K. Dann ist eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff möglich. Beispiele für Hochtemperatursupraleiter, die in dem erfindungsgemäßen Dreitorbauelement verwendet werden können, sind Kuprate, insbesondere Kuprate der Formel RBa ₂ Cu ₃ 0 ₇ . _x oder Erdalkali-dotierte Kuprate der Formel R ₂ Cu0 _4+x , worin R ein Seltenerdmetall oder eine Kombination von Seltenerdmetallen ist. R kann insbesondere ein Seltenerdmetall aus der Gruppe (Y, Nd, Ho, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm) sein. Auch Bi-, Tl- und Hg-Cu- Oxide können als Hochtemperatursupraleiter verwendet werden. Auch Pniktide und Oxypnik- tide auf Eisenbasis kommen in Frage, falls sie eine ausreichend hohe Sprungtemperatur errei- chen. Für Eisenpniktide wurden bisher Sprungtemperaturen bis hinauf zu etwa 55 K erzielt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kanal ein Material, das durch eine Veränderung seines Sauerstoffgehalts oder Fluorgehalts von einem Normalleiter in einen Supraleiter und besonders bevorzugt auch in einen Halbleiter verwandelt werden kann. Solche Materialien sind beispielsweise Eisen- oder Kupferoxide, die zusätzlich ein oder mehrere Erdalkalimetalle enthalten, wie etwa La ₂ Cu0 _4+x , (Sr, Ba, Ca)Cu0 ₂ - _x , La ₂ Cu0 ₄ F _x oder (Sr, Ba, Ca)Cu0 ₂ F _x .

Die Eigenschaften von Kanal, Ionenreservoir und/oder Ionenleiter können durch gezielt erzeugte Defekte (Korngrenzen, Versetzungen, Stapelfehler) und durch gezielte Orientierung des Kristallgitters maßgeschneidert werden. So kann zum Beispiel ein Josephson-Kontakt als Kanal realisiert werden, indem zwei Abschnitte aus ein und demselben supraleitenden Material mit unterschiedlichen Kristallorientierungen aneinander angrenzend angeordnet sind. Die Korngrenze zwischen den beiden Abschnitten bildet dann die Barriere. Außerdem kann das Kristallgitter so orientiert werden, dass die Richtung mit hoher Ionenbeweglichkeit mit der Schalt-Feldrichtung zusammenfällt.

Speziell die hochtemperatursupraleitenden Kuprate sind besonders vorteilhaft für die Realisierung eines Korngrenzen- Josephson-Kontakts. In diesen Kupraten findet der Sauerstoff- 5 transport bevorzugt entlang von Korngrenzen sowie in den CuO-Kettenebenen zwischen den Lagen statt. Sind die Lagen nun parallel zur Grenzfläche zwischen Kanal und Ionenleiter ausgerichtet, insbesondere parallel zur Kristallorientierung des Substrats, können nur wenige Ionen die Grenzfläche zwischen den supraleitenden Abschnitten des Kanals und dem Ionenleiter passieren. Der Ionenaustausch zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir über den Ionen- o leiter konzentriert sich dann im Wesentlichen auf die Korngrenze zwischen den supraleitenden Abschnitten des Kanals, die zugleich das weak-link des Josephson-Kontakts bildet. Gerade die Eigenschaften dieses weak-links aber sollen durch den Ionenaustausch verändert werden. Der Effekt kann noch verstärkt werden, wenn die Korngrenze im Kanal an eine Korngrenze im Ionenleiter angrenzt. 5 Vorteilhaft ist die dem lonenleiter abgewandte Grenzfläche des weak-links mit einer zweiten Gate-Elektrode kontaktiert. Wird auch diese Gate- Elektrode mit einem Potential beaufschlagt, das bevorzugt eine andere Polarität aufweist als das an der ersten Gate-Elektrode angelegte Potential, kann die insgesamt über dem lonenleiter abfallende Spannung und damit der Transport von Ionen erhöht werden. o Die Materialien von Kanal, Ionenreservoir und/oder Ionenleiter können in reiner Form vorliegen oder aber mit geeigneten Elementen dotiert sein, um die Eigenschaften, wie etwa die elektrische Leitfähigkeit oder die Ionenleitfähigkeit, optimal einzustellen. Sie können in stö- chiometrischer Zusammensetzung vorliegen oder aber gegenüber dieser Zusammensetzung im Gehalt eines oder mehrerer Elemente, wie beispielsweise Sauerstoff, erhöht oder erniedrigt5 sein. Insbesondere kann vorteilhaft der Kanal im Gehalt desjenigen Elements erhöht oder erniedrigt sein, dessen Ionen zwischen dem Kanal und dem Ionenreservoir ausgetauscht werden können. Auf diese Weise kann ein Arbeitspunkt des Dreitorbauelements voreingestellt werden. Durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode können dann die Eigenschaften des Kanals um diesen Arbeitspunkt herum variiert werden. 0 Kanal, Ionenreservoir und/oder Ionenleiter können als dünne Schichten auf einem Substrat realisiert sein. Sie können beispielsweise durch Sputtem (insbesondere Hochdruck-Sauerstoff- Sputtern), Aufdampfen, PLD oder CVD hergestellt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kanal eine leitfähige Grenzschicht zwischen zwei um mindestens eine Größenordnung schlechter leitenden Materialien. Diese Grenzschicht kann beispielsweise ein zweidimensionales Elektronengas sein. Sie kann aber auch beispielsweise durch Interdiffusion zwischen aneinander grenzenden Materialien entstehen, die sich gegenseitig dotieren. Diese Materialien können insbesondere Halbleiter sein.

Eine leitfähige Grenzschicht entsteht beispielsweise zwischen Lanthan-Aluminium-Oxid (LaA10 ₃ ) und Strontium-Titan-Oxid (SrTi0 ₃ ). Sie hat nicht nur eine hohe elektronische Be- weglichkeit, sondern ist gleichzeitig auch extrem dünn. Somit müssen nur wenige Ionen zu- oder abgeführt werden, um die Leitfähigkeit eines solchen Kanals sehr stark zu ändern. Dies ist in sehr kurzer Zeit möglich, so dass das Bauelement mit einem solchen Kanal ein besonders schneller Schalter ist.

Auf eine möglichst große Schalt- und damit Schreibgeschwindigkeit kommt es insbesondere an, wenn mit dem Bauelement ein Speicher realisiert wird, der analog dem herkömmlichen

DRAM destruktiv ausgelesen wird. Dann ist es erforderlich, die Information nach jedem Auslesen erneut einzuschreiben. Hierbei ist auch die Reversibilität der Speicherung in dem erfindungsgemäßen Bauelement über eine sehr große Anzahl von Schreibzyklen von Vorteil.

Um das Schreiben von Information in das Dreitorbauelement zu erleichtern, kann dieses durch Beaufschlagung des Kanals mit einem erhöhten Strompuls oder durch eine hierfür vorgesehene separate Heizleitung kurzzeitig erwärmt werden. Der Ionenleiter, auf dessen Temperatur es beim Schreiben ankommt, kann insbesondere zeitgleich durch resistives Heizen des Kanals und durch den für das Schreiben an die Gate-Elektrode angelegten Strompuls erwärmt werden. Das Bauelement kann beispielsweise mit hochauflösender Lithografie und chemischem und/oder physikalischen Ätzverfahren hergestellt werden. Ein geeignetes Ätzmittel für La ₂ Cu0 ₄ und YBa ₂ Cu 07. _x ist z.B. ethanolische Bromlösung. Generell sind wasserfreie Ätzmittel von Vorteil, da einige der Mischoxide hydrolysieren und Hydroxide bilden, was die Oberfläche beeinträchtigt. Vorteilhaft wird das Bauelement unter Schutzgas atmosphäre hergestellt. Dadurch wird vermieden, dass der Kanal, das Ionenreservoir und/oder der Ionenleiter Feuchtigkeit und/oder C0 ₂ oder andere Gase aus der Umgebung aufnehmen können. Nach der Herstellung und vor dem Ausschleusen kann das Bauelement mit einer dünnen Deckschicht, beispielsweise aus Strontium-Titan-Oxid, versehen werden, um die Aufnahme von Feuchtigkeit und sonstige

Degradationen der Oberfläche zu verhindern. Bereits 1 nm Strontium-Titan-Oxid hat sich in den Versuchen der Erfinder als wirksam herausgestellt.

Das Bauelement kann nach der Herstellung in definierter Atmosphäre wärmebehandelt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Interdiffusion von Dotierstoffen in das jeweilige zu dotierende Material herbeigeführt werden, um die Dotierung homogen im Material zu verteilen. Es kann aber auch das Ionenreservoir, beispielsweise mit Sauerstoffionen, aufgefüllt werden. Wenn dies mit molekularem Sauerstoff allein nicht möglich ist, kann die Beladung durch ein Mikrowellenplasma, durch atomaren Sauerstoff oder durch Ozon unterstützt werden.

Generell ist es für das Funktionieren des Bauelements nicht zwingend notwendig, dass die Grenzflächen zwischen Ionenreservoir, lonenleiter und Kanal absolut scharf sind. Vielmehr können alle Komponenten auch als Multilagen oder Gradientenschichten realisiert sein.

Bei den Materialien für Ionenreservoir, Ionenleiter und Kanal handelt es sich in aller Regel nicht um Elemente, sondern um Verbindungen. Werden diese Verbindungen epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen, so weist die jeweilige Oberfläche einen Überschuss an demjeni- gen Element auf, mit dem die Epitaxie beendet wurde. Dieses Element kann als Dotierstoff für die nächste aufzubringende Komponente dienen.

Die Affinität von als Schichten aufgebrachten Materialien für den Ionentransport kann bei der Herstellung des Bauelements gezielt beeinflusst werden, indem das Substrat während des Aufbringens der Schichten mechanisch verspannt wird. Dadurch können beispielsweise Kanä- le, entlang derer Ionen transportiert werden, aufgeweitet werden, was den Ionentransport begünstigt.

Spezieller Beschreibunesteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt: Figur 1 : Querschnitt eines Ausfuhrungsbeispiels des erfmdungsgemäßen Dreitorbauelements.

Figur 2: Änderung des Widerstands zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode eines erfmdungsgemäßen Bauelements nach sukzessiver Beaufschlagung mit betragsmäßig zunehmenden und in der Polarität alternierenden Gate-Spannungen, wobei jeweils die 5 gleiche Ladung von 10 mC transportiert wurde.

Figur 3: Änderung des Widerstands zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode eines erfindungsgemäßen Bauelements nach sukzessiver Beaufschlagung mit in der Polarität alternierenden Strömen gleichen Betrags für eine zunehmende Dauer.

Figur 4: Berechnung des feldabhängigen Ionenstroms I für zwei hypothetische Materialien o mit einer Aktivierungsenergie ΔΗ von 0.4 eV bzw. 1.3 eV für den Sprung von einem besetzten Gitterplatz zum nächsten unbesetzten Gitterplatz, dargestellt für drei verschiedene Temperaturen.

Figur 5: Weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements mit einem Kanal, der eine anisotrope Ionenleitfähigkeit aufweist.

5 Figur 6: Weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements mit einem

Kanal, der als Josephson-Kontakt ausgebildet ist.

Figur 1 zeigt eine Skizze eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements im Querschnitt. Auf einem isolierenden Substrat 1 ist der Kanal 2, der zwei Elektroden 3 (Source-Elektrode und Drain-Elektrode) miteinander verbindet, als dünne Schicht realisiert.0 Auf den Kanal 2 sind ein Ionenleiter 4 und ein lonenreservoir 5 ebenfalls als dünne Schichten strukturiert. Das lonenreservoir ist mit einer Gate -Elektrode 6 kontaktiert. Wird diese Gate- Elektrode über die Zuleitung 7.3 mit einem Potential beaufschlagt, so kann das lonenreservoir 5 durch den Ionenleiter 4 hindurch Ionen mit dem Kanal 2 austauschen, während es elektronisch von dem Kanal isoliert bleibt. Dadurch ändert sich die elektronische Leitfähigkeit des5 Kanals 2. Auf diese Weise kann Information in dem Dreitorbauelement hinterlegt werden. Die Information kann wieder ausgelesen werden, indem die mit dem Kanal 2 verbundenen Elektroden 3 über die Zuleitungen 7.1 und 7.2 mit einer Auslesespannung beaufschlagt werden und der durch den Kanal 2 getriebene Strom gemessen wird. Die Schichtfolge kann auch bezüglich des Substrats invertiert sein, sodass die Gate-Elektrode zuerst auf dem Substrat depo- o niert wird und der Kanal somit oben liegt.

Die für die folgenden Tests verwendeten Bauelemente wurden mit Schattenmasken hergestellt, durch welche die Schichten auf dem Substrat örtlich begrenzt abgeschieden wurden. Der Kanal aus La ₂ Cu0 ₄ war 2 mm breit, 5 nm dick und überbrückte zwischen Source- Elektrode und Drain-Elektrode eine Strecke von 1 mm. Der Ionenleiter aus SrTi0 ₃ war etwa 10 nm dick. Source-Elektrode, Drain-Elektrode und Gate-Elektrode waren aus gut leitendem Lai 85Sro _> i5Cu04 gefertigt. Die Gate-Elektrode stellte gleichzeitig auch das Sauerstoff- lonenreservoir da. Das Bauelement wurde auf einem rhomboedrischen LaAI0 ₃ (100) Substrat realisiert.

In Figur 2 ist für dieses Bauelement der Widerstand zwischen Source-Elektrode und Drain- Elektrode nach sukzessiver Beaufschlagung der Gate- Elektrode mit betragsmäßig höheren Spannungen über der Versuchszeit aufgetragen. Zwischen zwei Beaufschlagungen wechselte jeweils das Vorzeichen der an die Gate-Elektrode angelegten Spannung, so dass der Widerstand zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode abwechselnd zu- und abnimmt. Die Spannungen wurden jeweils so gewählt, dass das Produkt aus dem durch den Ionenleiter getriebenen Strom und der Pulsdauer immer die gleiche transportierte Ladung von 10 mC ergibt. Strom und Pulsdauer sind an jedem Messpunkt vermerkt. Die Widerstandsänderung wird mit höherer angelegter Spannung erkennbar größer, obwohl die gleiche Ladung transportiert wird. Dies ist ein Beweis dafür, dass der Transport der Ionen ein nichtlinearer Effekt ist und sich die Ionen bei höherer Spannung besser im Ionenleiter und im Kanal verteilen.

Trotz der großen transportierten Ladungsdichte von 5000 C/m ² ändert sich der Widerstand zwischen Source-Elektrode und Drain-Elektrode nur um etwa 2 %. Damit ist die insgesamt erzielbare partielle ionische Leitfähigkeit sehr gering. Die Erfinder fuhren dies darauf zurück, dass es sich bei dem Bauelement um einen makroskopischen„Proof of Concept" handelt, dessen Herstellung noch erhebliches Verbesserungspotential bietet, zum Beispiel indem man das Bauteil lateral auf Mikrometer- oder sogar Nanometer-Dimension herunterskaliert. Insbesondere deutet die Sättigung des Effekts bei dieser kleinen Schaltamplitude auf punktuelles Schalten hin, zum Beispiel an Defekten. Der Kanal scheint außerdem durch Interdiffusi- on während der Herstellung dotiert worden zu sein, wodurch sein Widerstand unerwartet niedrig und prozentual weniger durch Sauerstoffeinlagerung veränderlich ist.

In Figur 3 wurde das in Figur 2 untersuchte Bauelement erneut mit wechselnden Polaritäten geschaltet. Die in Figur 2 eingezeichneten Pfeile, die die Abfolge der Messpunkte verdeutli- chen, sind in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Dabei floss stets der gleiche Strom durch den Ionenleiter, aber für unterschiedlich lange Zeiten zwischen 1 ms und 66 s, so dass in längeren Schaltzeiten auch eine größere Ladung transportiert wurde. Das Bauelement schaltet in 1 ms um 1 % des Gesamtwiderstandes, und in 66 s schaltet es um etwas 5 mehr als 4%.

In Figur 4 ist der gemäß der Gleichung I = Io * exp(-[AH-0.5*q*d*E]/[k*T]) berechnete feldabhängige lonenstrom I für zwei hypothetische Materialien mit einer Aktivierungsenergie ΔΗ von 0.4 eV (sehr niedriger Wert für Sauerstoff-Ionenleiter) und 1.3 eV (vergleichsweise hoher Wert für Sauerstoff-Ionenleiter) für den Sprung von einem besetzten Gitterplatz zum nächsten l o unbesetzten Gitterplatz dargestellt. Die Rechnung wurde für drei verschiedene Temperaturen (flüssiger Stickstoff, Raumtemperatur, SOFC-Betriebstemperatur) durchgeführt. Ab etwa 100 MV/m ist der Transport überproportional beschleunigt. Dies entspricht in etwa den Feldstärken, bei denen das Material elektronisch kurzschließt.

Man erkennt, dass ein Material mit niedriger Aktivierungsenergie günstiger ist, weil der

15 Transport schon bei geringerer Feldstärke stark beschleunigt ist. Die maximal im Material erzielbare Feldstärke ist durch dessen elektronische Leitfähigkeit begrenzt. Je höher diese Leitfähigkeit ist, desto größer ist der Strom, der benötigt wird, um eine vorgegebene Potentialdifferenz und damit Feldstärke über das Material aufrechtzuerhalten. Dieser Strom nimmt mit der Feldstärke überproportional zu. Die Grenze für die erzielbare Feldstärke ist erreicht, wenn 20 das Material elektronisch kurzschließt.

Figur 5 zeigt eine Skizze eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements in perspektivischer Zeichnung. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Kanal 2 und der Ionenleiter 4, der zugleich als Ionenreservoir 5 fungiert, in Form von epitaktischen Schichten auf einem einkristallinen Substrat 1 realisiert. Die Grenzen der Einheitszellen von

25 Substrat 1 und Kanal 2 sind zur Verdeutlichung der jeweiligen Kristallorientierungen durch die Schraffur angedeutet. Die Kristallstruktur des Kanalmaterials, wie zum Beispiel

YBa ₂ Cu ₃ 07 _-x oder La ₂ Cu0 _4+x , ist schichtartig mit hoher Sauerstoffbeweglichkeit in bevorzugten, hier getönt eingezeichneten Kristallebenen E. Dies führt zu einer stark anisotropen Ionenleitfähigkeit. Der Kanal leitet entlang der bevorzugten Kristallebenen E um einen Faktor 1000

3 o besser als senkrecht zu diesen Ebenen. Dementsprechend können Ionen zwischen dem Ionenleiter/Reservoir und dem Kanal 2 bevorzugt entlang dieser Ebenen E ausgetauscht werden. Die Orientierung der Ebenen E relativ zur Substratoberfläche wird durch die an der Kristallorientierung der Substratoberfläche im Zusammenspiel mit den Wachstumsparametern bestimmt. Vorteilhaft sind die bevorzugten Ebenen E so orientiert, dass sich das durch Anlegen eines Potentials an die Gate-Elektrode 6 im Ionenleiter/Reservoir einstellende elektrische Feld in eine Linearkombination zerlegen lässt, in der eine Komponente parallel zu den bevorzugten Ebenen E ist. Dies sollte auch für die bevorzugten Ebenen E des Ionenreservoirs 4 bzw. Ionenleiters 5 gelten, sofern das Ionenreservoir 4 und/oder der Ionenleiter 5 ebenfalls anisotrope Ionenleitfähigkeiten aufweisen.

Ist das Kanalmaterial YBa ₂ Cu ₃ 0 _7-x , sind die bevorzugten Ebenen E die CuO-Kettenebenen. Ist das Kanalmaterial La ₂ Cu0 _4+)t , sind die bevorzugten Ebenen E Ebenen aus Zwischengitterplätzen zwischen den LaO-Ebenen.

Um einen niedrigen elektronischen Widerstand des Kanals 2 zwischen Source- und Drain- Elektrode (nicht abgebildet) zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Elektroden in der gezeigten Abbildung an der Vorder- und Hinterkante des Kanals anzubringen. Der Source-Drain-Strom fließt dann senkrecht durch die Zeichenebene. So liegen die Ebenen mit hoher elektronischer Leitfähigkeit der Beispiel-Materialien, die parallel zu den Ebenen E mit hoher Sauerstorfbeweglichkeit verlaufen, ohne Unterbrechung im Strompfad.

Figur 6 ist eine Skizze eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen Dreitorbauelements in perspektivischer Zeichnung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kanal 2 als Josephson-Kontakt ausgebildet und in Form von epitaktischen Schichten auf einem Bikristall- Substrat 1 realisiert. Eine gezielt erzeugte Korngrenze K bildet das weak-link im supraleitenden Kanal 2. Der Kanal ist durch zwei Elektroden 3 (Source-Elektrode und Drain-Elektrode) kontaktiert. Das weak-link kann mit dem Ionenreservoir 4 bzw. Ionenleiter 5 Sauerstoff-Ionen austauschen, wenn ein Potential an die Gate-Elektrode 6 angelegt wird. Dadurch lassen sich seine elektronischen Eigenschaften im eingebauten Zustand verändern. Die Grenzen der Einheitszellen von Substrat 1 und Kanal 2 sind wie in Figur 5 durch die Schraffur angedeutet.