WO2004064074A1 - Organoresistiver speicher - Google Patents

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Wolfgang Clemens
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Definitions

  • the invention relates to a memory for organic electronics and a circuit concept therefor.
  • Memory elements are known which are required for almost all electronic components.
  • conventional "silicon electronics” a number of memory principles are known, both volatile (e.g. DRAM) and non-volatile (e.g. flash).
  • non-volatile e.g. flash
  • ORM rite once read many
  • R / W writing and reading as desired.
  • polymer could not be assumed, even s all molecules are used), in which integrated electronic circuits based on organic semiconductors and possibly. even organic conductors and insulators are built, these known types can not be used.
  • the invention relates to a storage element which is essentially made of organic material, the storage function of the component taking place in that a organoresistive material embedded in an electrolyte is used as storage.
  • the invention also relates to a circuit concept for a memory element, the circuit structure being between a ground and a supply voltage and comprising at least one resistor, an organoresistive conductor element, embedded in an electrolyte and a control electrode.
  • the known organic conductive materials e.g. Polyaniline, Emeraldin salt (Pani) or PEDOT / PSS are based on conjugated carbon chains, which are made electrically conductive by doping with another material (e.g. an acid). These materials typically have the property that both the color changes (electrochromic effect) and the electrical resistance as a result of electrochemical reactions.
  • the change in resistance that typically occurs in a redox reaction is very large, and the resistance (or conductivity) is changed by several orders of magnitude from one redox state to the next.
  • These materials are called "organoresistive".
  • the change in conductivity and / or color is very easy to demonstrate. Depending on which process is used, the reaction is reversible or irreversible.
  • This effect is used in the present case to build up memory elements.
  • a line element made of the organically conductive material is also integrated in such a way that it becomes conductive or (largely) insulating when an electrical voltage is applied, and this is reversible or irreversible. This effect can then be read out as a signal (0 or 1) through certain interconnection (s). It is even possible to set mean values, ie mean resistance values, and thus a higher storage density can be achieved (eg 4 bits per element ment), as is also done in principle with some flash memory principles.
  • all intrinsically conductive and semiconducting organic materials can be used, in addition to the above-mentioned PEDOT and PANI, for example polypyrrole, polythiophene, polyfluorene, PPV, PTV or mixtures thereof or in mixtures with other materials (which are used for doping, for example) mixed compounds from it or smaller molecules such as pentazene or tetrazene.
  • PEDOT and PANI for example polypyrrole, polythiophene, polyfluorene, PPV, PTV or mixtures thereof or in mixtures with other materials (which are used for doping, for example) mixed compounds from it or smaller molecules such as pentazene or tetrazene.
  • doping material is also added to increase the conductivity. It is advantageous if these materials are soluble in solvents and can be produced using the same methods as organic transistors and circuits. Printing processes are particularly interesting.
  • the manufacture of the memory can be easily integrated into the manufacturing process of organic electronic components.
  • Figure 1 shows the basic structure of the organoresistive memory:
  • Figure 2 shows a circuit proposal for operating and reading the memory.
  • FIG. 1 shows a cross section through an organoresistive memory: the organoresistive material 2 is applied in a structured manner to a substrate 1.
  • a conductive layer 3 is also structured on the substrate 1 so that it has no direct direct contact with the material 2.
  • Both structured layers 2 and 3 are embedded in an electrolyte layer 4.
  • the electrolyte layer 4 can be liquid or solid, as long as an ion current flow is possible through it.
  • solid electrolytes such as polymer electrolytes, that are suitable for this.
  • organo- resistive material 2 is either oxidized or reduced and thus made conductive or insulating.
  • the color changes with the conductivity, so that these materials also open up the possibility of constructing memories that can (also) be read optically.
  • FIG. 2 shows a circuit structure for operating and reading out the memory: the circuit structure is constructed between a supply voltage 5 and a ground 6 and consists of a resistor 7, which can also be a controllable organic transistor (eg OFET), and the organoresistive element 8 as a voltage divider.
  • the organoresistive element 8 in turn consists of the organoresistive conductor element 9 and the control electrode 11, both of which are surrounded by an electrolyte 10 (or as a layer above it).
  • the resistance in FIG. 9 can now be varied by means of a voltage 12 (also called excitation voltage) via an ion current through the electrolyte 10. This variation in turn causes the voltage to change between 8 and 7, which can be tapped at the starting point 13.
  • a voltage 12 also called excitation voltage
  • the state of the memory can thus be read out via the voltage at 13 (logical 1 or 0 or also intermediate values).
  • a high voltage is present at 13 when the organoresistive element is high-resistance compared to 7 and a low voltage when it is low-resistance compared to 7.
  • This basic element can be used in any way in a circuit or in its own structure (e.g. a matrix-like structure), so depending on the choice of materials and choice of excitation voltages, you have a volatile or non-volatile memory that can be written to once or several times.
  • the invention opens up the possibility of producing an organic memory in a known manufacturing process for organic electronic components, because the memory is constructed essentially from the same organoresistive materials as the organic electronic components themselves.
  • the invention discloses a circuit module by means of which any memory, that is volatile and non-volatile memory that can be written once or several times, can also be represented in a known manufacturing process.

Abstract

Die Erfindung eröffnet erstmals die Möglichkeit, in einem bekannten Herstellungsprozess für organische elektronische Bauelemente einen organischen Speicher zu produzieren, weil der Speicher im wesentlichen aus den gleichen organoresistiven Materialien wie die organischen elektronischen Bauelemente selbst aufgebaut ist. Zudem offenbart die Erfindung einen Schaltungsbaustein, durch den beliebige Speicher, also flüchtige und nichtflüchtige, einmal oder mehrfach beschreibbare Speicher ebenso in einem bekannten Herstellungsprozess darstellbar sind.

Description

Beschreibung
Organoresistiver Speicher
Die Erfindung betrifft einen Speicher für die organische Elektronik und ein Schaltungskonzept dazu.
Bekannt sind Speicherelemente, die nahezu für alle elektronischen Bauteile benötigt werden. In konventioneller "Silizium- Elektronik" sind eine Reihe von Speicher Prinzipien bekannt, sowohl flüchtig (z.B. DRAM), als auch nicht flüchtig (z.B. Flash) . Bei den nichtflüchtigen gibt es noch den Unterschied zwischen Einmal-Beschreiben eines Speichers ( ORM: rite once read many) und R/W: beliebiges Beschreiben und Lesen. Bei der neuartigen sogenannten Polymerelektronik (obwohl, was der
Begriff "polymer" nicht vermuten ließe, auch s all molecules eingesetzt werden) , bei der integrierte elektronische Schaltungen basierend auf organischen Halbleitern und u.U. auch organischen Leitern und Isolatoren aufgebaut werden, sind diese bekannten Typen nicht einsetzbar.
Es sind auch organische Speicher, z.B. von der Firma Thin film electronics (www. thinfilm. se) bekannt, diese werden jedoch alle mit herkömmlicher Silizium Technik Elektronik ver- bunden oder anders, z.B. optisch oder magnetisch ausgelesen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Speicherelement zu schaffen, das in die organischen Elektronik integriert werden kann, so dass dessen Herstellung in den Herstellungs- prozess eines anderen organischen Bauelements integriert werden kann, wobei die Kosten für einen solchen Speicher auch deutlich niedriger als die für einen herkömmlichen sein dürften.
Gegenstand der Erfindung ist ein Speicherelement, das im wesentlichen aus organischem Material geschaffen ist, wobei die Speicherfunktion des Bauelements dadurch erfolgt, dass ein organoresistives Material in einem Elektrolyten eingebettet als Speicher genutzt wird. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Schaltungskonzept für ein Speicherelement, wobei der Schaltungsaufbau zwischen einer Masse und einer Versorgungs- Spannung ist und zumindest einen Widerstand, ein organoresistives Leiterelement, eingebettet in einen Elektrolyten und eine Steuerelektrode umfasst.
Die bekannten organischen leitfähigen Materialien, wie z.B. Polyanilin, Emeraldin Salz (Pani) oder PEDOT/PSS basieren auf konjugierten Kohlenstoffketten, die mit einem weiteren Material (z.B. einer Säure) durch Dotierung elektrisch leitfähig gemacht werden. Diese Materialien haben typischerweise die Eigenschaft, dass durch elektrochemische Reaktionen sich so- wohl die Farbe ändert (elektrochromer Effekt) als auch der elektrische Widerstand. Die Widerstandsänderung, die typischerweise bei einer Redoxreaktion auftritt, ist sehr groß, der Widerstand (bzw. die Leitfähigkeit) wird dabei von einem Redox-Zustand zum nächsten um mehrere Größenordnungen verän- dert. Diese Materialien werden "organoresistiv" genannt. Die Veränderung der Leitfähigkeit und/oder der Farbe ist sehr einfach nachzuweisen. Je nachdem, welcher Prozess ausgenutzt wird, ist die Reaktion reversibel oder irreversibel.
Dieser Effekt wird vorliegend ausgenutzt, um Speicherelemente aufzubauen.
In der weiter unten in Figur 2 beschriebenen Schaltung wird ein Leitungselement aus dem organisch leitfähigen Material so mit-integriert, dass es durch das Anlegen einer elektrischen Spannung leitfähig oder (weitgehend) isolierend wird und dies reversibel oder irreversibel. Durch bestimmte Verschal- tung(en) kann dieser Effekt dann als Signal (0 oder 1) ausgelesen werden. Eventuell lassen sich sogar Mittelwerte, d.h. mittlere Widerstandswerte einstellen und somit kann eine höhere Speicherdichte realisiert werden (z.B. 4bit pro Ele- ment), wie dies prinzipiell auch bei einigen Flash-Speicher- Prinzipien gemacht wird.
Als Materialien für den Speicher kommen alle Materialien in Frage, die ihren Widerstandswert durch elektrochemische Reaktionen ändern, speziell aber alle organischen Halbleitermaterialien, die durch Dotierung leitfähig gemacht werden können. Das Prinzip ist nicht auf Polymere beschränkt. Es werden bekannte elektrochro e Materialien, beispielsweise PEDOT/PSS oder PANI erfolgreich eingesetzt.
Bei der Materialwahl ist allerdings nicht der elektrochrome Effekt entscheidend, sondern die elektrisch einstellbare Widerstandsänderung. Somit können prinzipiell alle intrinsisch leitfähigen und halbleitenden organischen Materialien verwendet werden, neben den oben genannten PEDOT und PANI also beispielsweise Polypyrrol, Polythiophen, Polyfluoren, PPV, PTV oder Mischungen davon oder in Mischungen mit anderen Materialien (die beispielsweise zur Dotierung genommen werden) , also gemischte Verbindungen hieraus oder auch kleinere Moleküle wie Pentazen oder Tetrazen. In der Regel also alle organisch basierten Materialien, die konjugierte Ketten beinhalten. Dabei ist in der Regel noch ein sogenanntes Dotiermaterial beigemischt, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Vorteilhaft ist, wenn diese Materialien in Lösungsmitteln löslich sind und entsprechend mit den gleichen Verfahren hergestellt werden können wie organische Transistoren und Schaltungen hergestellt werden. Dabei sind insbesondere Druckverfahren interessant.
Durch das verwendete Material lässt sich die Herstellung des Speichers problemlos in den Herstellungsprozess organischer elektronischer Bauteile integrieren.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand zweier Figuren, die bevorzugte Ausführungsformen zeigen, näher erläutert: Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des organoresistiven Speichers :
Figur 2 zeigt einen Schaltungsvorschlag zum Betreiben und Auslesen des Speichers.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen organsoresistiven Speicher: Auf einem Substrat 1 ist das organoresistive Mate- rial 2 strukturiert aufgebracht. Ebenfalls auf dem Substrat 1 ist eine leitfähige Schicht 3 strukturiert so aufgebracht, dass sie mit dem Material 2 keinen direkten unmittelbaren Kontakt hat .
Das ist der laterale Aufbau, wobei ein vertikaler Aufbau auch realisiert werden kann, bei dem die beiden Schichten 2 und 3 zwar auf dem Substrat aber übereinander liegen und nur durch die Elektrolytschicht 4 voneinander getrennt sind. Dabei ist es unerheblich, welche der beiden Schichten direkt an das Substrat anschließt und welche durch den Elektrolyten von der "unteren", jedenfalls direkt an das Substrat anschließenden getrennt, "oben" liegt. Dabei ist es durchaus denkbar, dass das Substrat nicht unten ist sondern beispielsweise seitlich oder oben angeordnet ist, jedenfalls ist ein vertikaler Auf- bau, senkrecht auf das Substrat stehend ebenso realisierbar wie der beschriebene und in der Figur gezeigte laterale, bei dem die beiden Materialien parallel zum Substrat und auf einer Höhe liegen.
Beide strukturierten Schichten 2 und 3 sind in eine Elektrolytschicht 4 eingebettet. Die Elektrolytschicht 4 kann flüssig oder fest sein, solange durch sie hindurch ein Ionen- stromfluss möglich ist. Es gibt beispielsweise Fest-Elektrolyten, wie Polymerelektrolyten, die sich dazu eignen.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen 2 und 3 wird einen Ikonenfluss durch 4 initiiert, wodurch das organo- resistive Material 2 entweder oxidiert oder reduziert wird und damit leitfähig oder isolierend gemacht wird. Bei den meisten der organoresistiven Materialien ändert sich mit der Leitfähigkeit auch die Farbe, so dass diese Materialien auch die Möglichkeiten eröffnen, Speicher zu konstruieren, die (auch) optisch ausgelesen werden können.
Figur 2 zeigt einen Schaltungsaufbau zum Betreiben und Auslesen des Speichers: Der Schaltungsaufbau ist zwischen einer Versorgungsspannung 5 und einer Masse 6 aufgebaut und besteht aus einem Widerstand 7, der beispielsweise auch ein steuerbarer organischer Transistor (z.B. OFET) sein kann, und dem organoresistiven Element 8 als Spannungsteiler. Das organoresistive Element 8 be- steht wiederum aus dem organoresistiven Leiterelement 9 und der Steuerelektrode 11, die beide von einem Elektrolyten 10 umgeben (bzw. als Schicht darüber) sind. Mit Hilfe der Steuerelektrode 11 lässt sich nun mittels einer Spannung 12 (auch ErregerSpannung genannt) über einen Ionenstrom durch den E- lektrolyten 10 der Widerstand in 9 variieren. Diese Variation wiederum bewirkt, dass sich die Spannung zwischen 8 und 7 ändert, was am Ausgangspunkt 13 abgegriffen werden kann. Somit kann über die Spannung an 13 der Zustand des Speichers ausgelesen (logisch 1 oder 0 oder auch Zwischenwerte) werden. Da- bei liegt an 13 eine hohe Spannung an, wenn das organoresistive Element hochohmig im Vergleich zu 7 ist und eine niedrige, wenn es niederohmig im Vergleich zu 7 ist.
Dieses Grundelement kann in einer Schaltung oder in einem ei- genen Aufbau (z.B. ein matrixartiger Aufbau) beliebig genutzt werden, somit hat man je nach Auswahl der Materialien und Wahl der Erregerspannungen einen flüchtigen oder nichtflüchtigen, einmal oder mehrfach beschreibbaren Speicher.
Zur Erreichung größerer Speicherdichten ist auch ein Matrix- Aufbau der einzelnen Speicherelemente möglich, wie dies von anderen Speicherprinzipien (z.B. DRAM) schon bekannt ist. Die Erfindung eröffnet erstmals die Möglichkeit, in einem bekannten Herstellungsprozess für organische elektronische Bauelemente einen organischen Speicher zu produzieren, weil der Speicher im wesentlichen aus den gleichen organoresistiven Materialien wie die organischen elektronischen Bauelemente selbst aufgebaut ist. Zudem offenbart die Erfindung einen Schaltungsbaustein, durch den beliebige Speicher, also flüchtige und nichtflüchtige, einmal oder mehrfach beschreibbare Speicher ebenso in einem bekannten Herstellungsprozess darstellbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Speicherelement, das im wesentlichen aus organischem Material geschaffen ist, wobei die Speicherfunktion des Bauelements dadurch erfolgt, dass ein organoresistives Material in einem Elektrolyten eingebettet ist.
2. Speicherelement nach Anspruch 1, wobei das organoresisti- ve Material durch einen Elektrolyten von einem leitfähi- gen Material getrennt ist, so dass durch Anlegen einer Spannung an das leitfähige Material der Ionenstromfluss durch den Elektrolyten eine auslesbare Änderung der Leitfähigkeit und/oder der Farbe in dem organoresistiven Material bewirkt.
3. Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das organoresistive Material strukturiert auf einem Substrat angeordnet ist.
4. Speicherelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die organorestistiven Materialien auf konjugierten Ketten basieren.
5. Speicherelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Elektrolyt wasserbasiert und/oder fest ist.
6. Speicherelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das organoresistive Material und/oder die Materialmischung löslich ist und in Lösung verarbeitbar ist.
7. Schaltungskonzept für ein Speicherelement, wobei der Schaltungsaufbau zwischen einer Masse und einer Versorgungsspannung erfolgt und zumindest einen Widerstand, ein organoresistives Leiterelement, eingebettet in einen Elektrolyten und eine Steuerelektrode u fasst. Schaltungskonzept nach Anspruch 7, wobei der Aufbau der Speicher in einer Matrix-Anordnung zur Erreichung einer höheren Speicherdichte erfolgt.
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