特開 2024-56635 非二元論理用の強誘電体ナノ粒子キャパシタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024056635

(43)【公開日】2024-04-23

(54)【発明の名称】非二元論理用の強誘電体ナノ粒子キャパシタ

(51)【国際特許分類】

   H10B 53/30 20230101AFI20240416BHJP

【ＦＩ】

H10B53/30

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023171178

(22)【出願日】2023-10-02

(31)【優先権主張番号】22200942

(32)【優先日】2022-10-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】521124319

【氏名又は名称】テラ クアンタム アーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＴＥＲＲＡ ＱＵＡＮＴＵＭ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】ラスムナジャ・アンナ

(72)【発明者】

【氏名】チーホノフ・ユーリイ

(72)【発明者】

【氏名】ルキヤンチュク・イーゴリ

(72)【発明者】

【氏名】ヴィノコール・ヴァレリー

【テーマコード（参考）】

5F083

【Ｆターム（参考）】

5F083FR01

5F083GA11

5F083JA01

5F083JA37

5F083JA38

5F083JA39

5F083JA40

5F083JA60

5F083PR04

5F083PR21

5F083PR22

5F083ZA21

(57)【要約】      （修正有）

【課題】離散的な残留強誘電体分極状態を提供するための限られた数の強誘電体ナノ粒子を有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを提供する。
【解決手段】強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、互いに電気的に絶縁された導電性素子１０２、１１２の対と、その対の導電性素子間に配置された強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂと、を備える。強誘電体ナノ粒子は、異なる全強誘電体分極を有する少なくとも３つの分極状態１０６を提供するように適合され、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態のいずれかに選択的に設定するために、対の導電性素子の一方で予め選択された電圧又は予め選択された電荷を受け取るように適合されてもよく、特に、対の他方の導電性素子は一定の電荷を運ぶように適合される。言い換えれば、強誘電体ナノ粒子の分極状態を個別に対処して、強誘電体ナノ粒子をそれぞれの分極状態に設定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）であって、
互いに電気的に絶縁された導電性素子（１０２、１１２）の対と、
前記対の前記導電性素子（１０２、１１２）間に配置された強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）とを備え、
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）が、異なる全強誘電体分極を有する少なくとも３つの分極状態（１０６）を提供するように適合される、
強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス。

【請求項2】

最大で１０個の強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）、特に、最大で５個の強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）、または最大で３個の強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）、または正確に３個の強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）、または正確に２個の強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）が、前記対の前記導電性素子間に配置される、
請求項１に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項3】

前記対の前記導電性素子（１０２、１１２）が、互いに対向するそれぞれの表面（１０８、１１８）を含み、
前記それぞれの表面（１０８、１１８）のそれぞれの表面積が、前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）の全表面投影面積（１１０、１２０）をそれぞれ超える、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項4】

前記強誘電体粒子（１０４ａ、１０４ｂ）が、互いに離間しており、および／または誘電体セパレータ材料（１２２）が、前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）間に配置される、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項5】

前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）の第１の強誘電体ナノ粒子（１０４ａ）が、第１のサイズを有し、
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）の第２の強誘電体ナノ粒子（１０４ｂ）が、第２のサイズを有し、
前記第１のサイズが、前記第２のサイズよりも、特に、少なくとも１０％、または少なくとも３０％、または少なくとも５０％、または少なくとも２倍大きい、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項6】

任意の方向に沿った前記強誘電体ナノ粒子のそれぞれのサイズが、１００ｎｍを超えず、特に５０ｎｍを超えず、または３０ｎｍを超えず、または２０ｎｍを超えず、または１０ｎｍを超えない、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項7】

前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）が、それぞれのモノドメイン強誘電状態を含む、請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項8】

前記対（１０２、１１２）の第１の導電性素子（１０２）が、一定の電荷を運ぶように適合され、および／または電気的に絶縁され、および／または電気的に浮遊している、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項9】

前記対の第２の導電性素子（１１２）上の電荷を制御および／または変化させるように適合された電荷制御デバイス（１１４）をさらに備える、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項10】

前記電荷制御デバイスが、導電性素子（１０２、１１２）の前記対から電気的に絶縁された追加の導電性素子（２０２）を備え、前記電荷制御デバイス（１１４）が、前記追加の導電性素子（２０２）と前記第２の導電性素子（１１２）との間に電圧を印加するように適合される、
請求項９に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項11】

前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）の温度を制御および／または変化させるように適合された温度制御素子（２０６）、および／または
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）に加えられる機械的力を制御および／または変化させるように適合された力制御素子（２１０）をさらに備える、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）。

【請求項12】

多論理レベルのデータ記憶デバイスとしての、
請求項１または２に記載の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）の使用。

【請求項13】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）を動作させるための方法（４００）であって、
前記強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス（１００）が、
互いに電気的に絶縁された導電性素子（１０２ａ、１１２）の対と、
前記対の前記導電性素子（１０４ａ、１０４ｂ）間に配置された強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）とを備え
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）が、最小強誘電体分極状態、最大強誘電体分極状態、および少なくとも１つの中間強誘電体分極状態を含む、異なる全強誘電体分極を有する少なくとも３つの分極状態（１０６）を提供するように適合され、
前記方法（４００）が、
中間強誘電体分極状態を選択すること（４０２）と、
前記選択された中間強誘電体分極状態に従って第１の電圧または電荷を選択すること（４０４）と、
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）を前記選択された中間強誘電体分極状態に設定するために、前記対の導電性素子（１０２、１１２）に前記第１の電圧または電荷を印加すること（４０６）とを含む、
方法。

【請求項14】

前記第１の電圧または電荷を印加して前記強誘電体ナノ粒子を前記選択された中間強誘電体分極状態に設定する前に、
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）を前記少なくとも３つの分極状態（１０６）の第１の分極状態で提供することとであって、前記第１の分極状態は、前記選択された中間強誘電体分極状態とは異なる、提供することと、
前記選択された中間強誘電体分極状態および／または前記第１の分極状態に従って第２の電圧または電荷を選択することと、
前記強誘電体ナノ粒子（１０４ａ、１０４ｂ）を前記少なくとも３つの分極状態（１０６）のうちの前記第１の分極状態から第２の分極状態に設定するために、前記対の前記導電性素子（１０２、１１２）に前記第２の電圧または電荷を印加することであって、前記第２の分極状態が、前記第１の分極状態および前記選択された中間強誘電体分極状態とは異なるように、前記第２の電圧または電荷を印可することとをさらに含む、
請求項１３に記載の方法（４００）。

【請求項15】

前記選択された中間強誘電体分極状態が残留状態であり、および／または
前記方法が、前記導電性素子（１０２、１１２）に印加される前記電圧または電荷を低減し、特に前記電圧を少なくとも３０％だけ、少なくとも２分の１に、少なくとも３分の１に、少なくとも５分の１に、少なくとも１０分の１に、または少なくとも１００分の１に低減し、それによって前記設定された中間強誘電体分極状態を維持することをさらに含む、
請求項１３または１４に記載の方法（４００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、特に、個々に対処することができる離散的な残留強誘電体分極状態を提供するための限られた数の強誘電体ナノ粒子を有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスに関する。特に、ナノ粒子の各々は、モノドメイン強誘電状態にあり得る。本開示はまた、強誘電体ナノ粒子の分極状態を設定する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

コンピュータ産業は、論理ビットなどの情報の記憶または切り替えに必要なエネルギーを削減するために、デバイスの継続的な小型化を目指している。この目的のために、既存のコンピューティング回路は、情報を記憶および処理するために標準的な二元論理を使用する。これらの回路は、原子サイズの小型化およびビット処理ごとのエネルギー散逸の基本的なランダウアー原理によって設定された基本的な限界に達しつつある。

【発明の概要】

【0003】

上記の技術的問題を考慮して、多値論理デバイスが必要とされている。

【0004】

本開示の文脈において、多値論理デバイスという用語は、少なくとも３つの切り替え可能および／または個別に対処可能な論理状態、または少なくとも３つの切り替え可能および／または個別に対処可能な分極状態など、少なくとも３つの状態を提供するデバイスを指すことができる。言い換えれば、多値論理デバイスは、非二元論理デバイスと考えることができる。したがって、多値論理デバイスは、２つの状態（すなわち切り替え可能および／または個別に対処可能な２つの論理状態または分極状態）を提供する二元論理デバイスとは異なる。

【0005】

多値論理デバイスを使用すると、エネルギー損失が低減され、デバイスの前例のないほど高い情報密度が可能になり、したがって従来のデバイスの二元支配が克服され得る。多値論理を探索することは、非フォンノイマン計算を実現するために重要である。

【0006】

切り替え可能な多値論理を実現することができるシステムの能動的な探索にもかかわらず、多値論理デバイスの実用的に実行可能な物理的実装は、これまでは未解決の困難なタスクのままであった。

【0007】

ソリッドステートドライブおよびフラッシュメモリで現在使用されている擬似マルチレベル論理ユニットの既存の実装は、実際には個々のバイナリ（すなわちビット）論理デバイスの組合せを含む。したがって、それらはビット書き込みのアナログ方法を必要とし、それは情報の確率的損失に起因する論理セルの不規則な挙動をもたらし得る。

【0008】

本開示の第１の態様では、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、互いに電気的に絶縁された導電性素子の対と、導電性素子対間に配置された強誘電体ナノ粒子とを備える。強誘電体ナノ粒子は、異なる全強誘電体分極を有する少なくとも３つの分極状態を提供するように適合される。

【0009】

したがって、第１の態様による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、多値論理デバイス、または多値論理の実装をそれぞれ提供する。

【0010】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態のいずれかに選択的に設定するように適合され得る。例えば、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態のいずれかに選択的に設定するために、対の導電性素子の一方で予め選択された電圧または予め選択された電荷を受け取るように適合されてもよく、特に、対の他方の導電性素子は一定の電荷を運ぶように適合される。言い換えれば、強誘電体ナノ粒子の分極状態を個別に対処することができる。分極状態に対処することは、強誘電体ナノ粒子をそれぞれの分極状態に設定することを指すことができる。

【0011】

したがって、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、多値論理デバイスを構成し、各分極状態は、多値論理の状態として（例えばメモリレベルとして）機能し、電荷の印加によるスイッチングは、それぞれ状態間またはメモリレベル間の遷移を表す。

【0012】

強誘電体ナノ粒子は、異なる全強誘電分極を有する最大で６４個の離散分極状態、特に異なる全強誘電分極を有する最大で３２個の離散分極状態、特に異なる全強誘電分極を有する最大で１６個の離散分極状態、特に異なる全強誘電分極を有する最大で８個の離散分極状態、特に異なる全強誘電分極を有する最大で４個の離散分極状態を提供するように適合され得る。

【0013】

分極状態のいずれにも個別に対処するため、または任意の対の分極状態間の切り替えのために、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、それぞれの経路を提供することができ、経路は、明確に定義され、それぞれ対処されるべき分極状態、または切り替えられるべき分極状態の対に固有である。本開示の文脈において、経路という用語は、導電性素子の少なくとも１つに印加される電荷、または導電性素子の少なくとも１つに順次印加される電荷（すなわち合計値および／または符号などによって異なる）を指すことができる。

【0014】

少なくとも３つの分極状態は、少なくとも３つの残留分極状態であり得る。言い換えれば、強誘電体ナノ粒子は、特に導電性素子に電荷または電圧が印加されていない場合、少なくとも３つの分極状態のいずれかを維持するように、および／または少なくとも３つの分極状態の設定された１つを保存するように適合され得る。

【0015】

これにより、多値論理のメモリレベルを実現することができる。

【0016】

分極状態は、強誘電体ナノ粒子の全体的な分極状態を指してもよく、言い換えれば、強誘電体ナノ粒子全体の分極状態を指してもよい。例えば、強誘電体ナノ粒子の個々の強誘電体ナノ粒子の個々の分極状態とは対照的である。

【0017】

分極状態は、強誘電体分極状態を指すことができる。

【0018】

分極状態は、離散分極状態であってもよい。例えば、少なくとも３つの分極状態は、少なくとも３つの離散分極状態であってもよい。

【0019】

強誘電体ナノ粒子は、それぞれの個々の分極状態、特にそれぞれの離散分極状態、例えばそれぞれの個々の分極アップ状態およびそれぞれの個々の分極ダウン状態を提供するように適合され得る。

【0020】

個々の分極状態は、個々の強誘電体分極状態を指すことができる。

【0021】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、強誘電体ナノ粒子の個々の強誘電体ナノ粒子の個々の分極状態を切り替えるように適合され得る。強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、個々の強誘電体ナノ粒子の個々の分極状態を切り替えながら、残りの強誘電体ナノ粒子の個々の分極状態を維持するように適合され得る。

【0022】

強誘電体ナノ粒子は、同一の材料組成を有することができる。

【0023】

これは、デバイスの経済的な製造を容易にすることができる。

【0024】

導電性素子は、電気的な導電性素子を指すことができる。

【0025】

導電性素子は、導電層および／または導電プレートであってもよい。

【0026】

強誘電体ナノ粒子の（特に、各）強誘電体ナノ粒子は、導電性素子の第１のセクション間に配置され得る。言い換えれば、導電性素子の第１のセクションは、導電性素子上への強誘電体ナノ粒子の投影に対応することができる。強誘電体ナノ粒子（または複数の強誘電体ナノ粒子それぞれ）および導電性素子の（それぞれの）第１のセクションは、強誘電体キャパシタ（または複数の強誘電体キャパシタ、それぞれ）を画定することができる。

【0027】

最大で１０個の強誘電体ナノ粒子が、対の導電性素子間に配置されてもよく、または最大で５個の強誘電体ナノ粒子、または最大で３個の強誘電体ナノ粒子、または正確に３個の強誘電体ナノ粒子、または正確に２個の強誘電体ナノ粒子が配置されてもよい。

【0028】

それぞれの限られた数のナノ粒子は、分極状態間の切り替えの信頼性を向上させることができる。

【0029】

強誘電体ナノ粒子の１つを挟む導電性素子のセクションは、それぞれの強誘電体キャパシタを画定することができる。換言すれば、強誘電体ナノ粒子および強誘電体ナノ粒子を挟む導電性素子のセクションは、強誘電体キャパシタを画定することができる。

【0030】

対の導電性素子は、互いに対向するそれぞれの表面を含むことができ、それぞれの表面のそれぞれの表面積はそれぞれ、強誘電体ナノ粒子の全表面投影面積を超えてもよい。

【0031】

言い換えれば、導電性素子は、それらの間に強誘電体ナノ粒子を含まないそれぞれの過剰部分を含んでもよい。

【0032】

対応する実施形態では、強誘電体ナノ粒子（またはそれらの間に強誘電体ナノ粒子を含まないそれぞれの表面の部分、または導電性素子の余剰部分のそれぞれ）の全表面積投影面積を超える導電性素子の表面積は、誘電体キャパシタまたは誘電体キャパシタのキャパシタンスを規定することができる。誘電体キャパシタは、誘電体キャパシタンスを提供するように適合され得る。間に強誘電体ナノ粒子が存在しないそれぞれの表面のセクションは、強誘電体ナノ粒子がそれぞれの表面間の距離の５０％未満、特に４０％未満、特に３０％未満、特に２０％未満、または特に１０％未満を充填する、それぞれの表面のセクションを指すことができる。

【0033】

誘電体キャパシタは、強誘電体キャパシタと電気的に並列および／または直列に配置され得る。誘電体キャパシタおよび強誘電体キャパシタ（または、誘電体キャパシタのキャパシタンスおよび強誘電体キャパシタのキャパシタンスのそれぞれ）は、少なくとも３つの分極状態間の経路を共に画定するように、および／またはいくつかの残留分極状態を画定するように適合され得る。

【0034】

強誘電体ナノ粒子の全表面投影面積は、それぞれの表面のうちの１つへの強誘電体ナノ粒子の投影面積に対応することができる。

【0035】

対の導電性素子のそれぞれの表面は、それぞれ連続していてもよい。例えば、円形または楕円形または長方形または多角形または丸みを帯びた多角形の形状を有する。

【0036】

強誘電体ナノ粒子は、それぞれの表面間に配置され得る。

【0037】

それぞれの表面は、それぞれの表面に平行な横方向を含むおよび／または画定することができる。言い換えると、それぞれの表面は横方向に延在することができる。

【0038】

それぞれの表面積のそれぞれは、強誘電体ナノ粒子の全表面投影面積を少なくとも５％、または少なくとも１０％、または少なくとも３０％、または少なくとも５０％、または少なくとも２倍超えることができる。

【0039】

強誘電体ナノ粒子は、互いに離間していてもよく、および／または誘電体セパレータ材料が、強誘電体ナノ粒子間に配置されてもよい。

【0040】

対応する実施形態は、離散分極状態および／または離散的な個別の分極状態を保証することができる。

【0041】

対応する実施形態では、誘電体セパレータ材料は、誘電体キャパシタに含まれてもよく、および／または誘電体キャパシタの誘電体を提供してもよい。

【0042】

誘電体セパレータ材料の少なくとも一セクションは、導電性素子の第２のセクション間に配置され得る。言い換えれば、導電性素子の第２のセクションは、誘電体セパレータ材料の少なくとも一セクションの導電性素子上への投影に対応することができる。誘電体セパレータ材料の少なくとも一セクションおよび導電性素子の第２のセクションは、誘電体キャパシタを画定することができる（すなわち代替定義に従って）。

【0043】

誘電体セパレータ材料は、導電性素子を分離するように、および／または導電性素子を互いに電気的に絶縁するように適合され得る。

【0044】

誘電体セパレータ材料は、強誘電体ナノ粒子の少なくとも１つを取り囲んでもよく、または強誘電体ナノ粒子を特に横方向に（すなわち横方向に沿って）取り囲んでもよい。

【0045】

対の導電性素子は、それぞれの表面を備えることができる。それぞれの表面は、ある距離だけ離間され得る。強誘電体ナノ粒子は、距離の少なくとも６０％に沿って、または距離の少なくとも７５％に沿って、または距離の少なくとも９０％に沿って、または距離全体に沿って延びることができる。代替的または追加的に、それぞれの表面は、基準線によって接続されてもよく、強誘電体ナノ粒子は、基準線に沿って延びてもよい。距離は、基準線の長さに対応することができる。

【0046】

強誘電体ナノ粒子は、横方向に（すなわち横方向に沿って）互いに離間され得る。

【0047】

強誘電体ナノ粒子の第１の強誘電体ナノ粒子は、第１のサイズを有することができる。強誘電体ナノ粒子の第２の強誘電体ナノ粒子は、第２のサイズを有することができる。第１のサイズは、第２のサイズよりも、特に少なくとも１０％または少なくとも３０％または少なくとも５０％または少なくとも２倍大きくてもよい。

【0048】

第１のサイズ（または第２のサイズそれぞれ）は、第１の強誘電体ナノ粒子（または第２の強誘電体ナノ粒子、それぞれ）の最大伸長を指すことができる。言い換えれば、第１のサイズ（または第２のサイズそれぞれ）は、それが最大である方向に沿った第１の強誘電体ナノ粒子（または第２の強誘電体ナノ粒子それぞれ）のサイズを指すことができる。

【0049】

あるいは、第１のサイズ（または第２のサイズそれぞれ）は、第１の強誘電体ナノ粒子（または第２の強誘電体ナノ粒子、それぞれ）のボリュームを指すことができる。

【0050】

第１の（および／または第２の）強誘電体ナノ粒子は、導電性素子の第１の（および／または第２の）第１のセクション間に配置され得る。言い換えれば、導電性素子の第１の（および／または第２の）の第１のセクションは、導電性素子上への第１の（および／または第２の）強誘電体ナノ粒子の投影に対応することができる。第１の（および／または第２の）強誘電体ナノ粒子および導電性素子の第１の（および／または第２の）第１のセクションは、第１の（および／または第２の）強誘電体キャパシタを画定することができる。第１の（および／または第２の）強誘電体キャパシタは、それぞれのキャパシタンスを提供するように適合され得る。

【0051】

実施形態によれば、任意の方向に沿った強誘電体ナノ粒子のそれぞれのサイズは、１００ｎｍを超えず、特に５０ｎｍを超えず、または３０ｎｍを超えず、または２０ｎｍを超えず、または１０ｎｍを超えず、または５ｎｍを超えない。本開示の文脈では、最大２０ｎｍのサイズを有する強誘電体ナノ粒子は、強誘電体ナノドットとも呼ばれ得る。

【0052】

強誘電体ナノ粒子のそれぞれのサイズは、強誘電体ナノ粒子のモノドメイン強誘電状態を保証するのに有益であり得る。特に、強誘電体ナノ粒子のサイズを規定することは、それぞれのナノ粒子の制御された保磁力をもたらすことができ、したがって、サイズを制御することは、分極状態に対処する、またはその間で切り替えるための経路に対する制御を与える。これが、例えば、強誘電体ドメインが、それらのサイズ分布を良好に制御することなくランダムに形成する強誘電体膜を使用するよりも、強誘電体ナノ粒子を使用する利点である。強誘電体ナノ粒子の場合、狭いサイズ公差または狭いサイズ分布が達成され得る。

【0053】

それぞれのサイズは、第１のサイズおよび第２のサイズの文脈で上述したように、最大伸長または最大である方向に沿った強誘電体ナノ粒子のサイズに対応することができる。

【0054】

任意の方向に沿った強誘電体ナノ粒子のそれぞれの最小サイズは、４ｎｍ以上であってもよく、３ｎｍ以上であってもよく、２ｎｍ以上であってもよく、１ｎｍ以上であってもよい。

【0055】

強誘電体ナノ粒子は、それぞれのモノドメイン強誘電状態を含むことができる。

【0056】

少なくとも３つの分極状態は、強誘電体ナノ粒子のそれぞれのモノドメイン強誘電状態の組合せに対応することができる。

【0057】

強誘電体ナノ粒子のそれぞれのモノドメイン強誘電状態は、残留分極状態および／または離散分極状態であり得る。

【0058】

対の第１の導電性素子は、一定の電荷を運ぶように適合されてもよく、および／または電気的に絶縁および／または電気的に浮遊してもよい。

【0059】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、対の第２の導電性素子上の電荷を制御および／または変化させるように適合された電荷制御デバイスをさらに備えることができる。

【0060】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、トランジスタをさらに備えることができ、トランジスタのチャネルは、第１の導電性素子または第２の導電性素子を形成する。

【0061】

電荷制御デバイスは、導電性素子の対から電気的に絶縁された追加の導電性素子を備えることができる。電荷制御デバイスは、追加の導電性素子と第２の導電性素子との間に電圧を印加するように適合され得る。

【0062】

追加の導電性素子および第２の導電性素子は、第１の導電性素子の両側に配置されてもよい。

【0063】

追加の導電性素子は、誘電体スペーサによって第１の導電性素子から分離され得る。

【0064】

誘電体スペーサは、トランジスタのゲート誘電体を形成することができる。

【0065】

導電性素子および／または追加の導電性素子は、金属材料または半導体材料を含むか、またはそれらから構成されてもよい。

【0066】

少なくとも３つの分極状態は、それぞれの電圧レベルに関連付けられ得る。

【0067】

それぞれの電圧レベルは、第１の導電性素子および／または第２の導電性素子の電圧レベル、または第１の導電性素子と第２の導電性素子との間の電圧差を指すことができる。

【0068】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、少なくとも３つの分極状態に関連するそれぞれの電圧レベルを識別するなどのために、第１の導電性素子の電圧および／または第２の導電性素子の電圧、または第１の導電性素子と第２の導電性素子との間の電圧差を決定するように適合された電圧読み出し素子をさらに備えることができる。

【0069】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、強誘電体ナノ粒子の温度を制御および／または変化させるように適合された温度制御素子をさらに備えることができる。代替的または追加的に、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、強誘電体ナノ粒子に加えられる機械的力を制御および／または変化させるように適合された力制御素子を備えることができる。

【0070】

温度制御素子および／または力制御素子は、分極状態を対処および／または切り替えるための経路の後調整を可能にすることができる。例えば、温度制御素子および／または力制御素子は、正味分極が０の分極状態などの分極状態に対処することを可能にすることができ、この状態は、例えば、周囲温度において、または力制御素子によって加えられる力なしで導電性素子の少なくとも１つに電荷または電圧を印加することによって対処することはできない。

【0071】

第２の態様は、多論理レベルのデータ記憶デバイスとしての上述の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの使用に関する。

【0072】

第３の態様は、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを動作させるための方法に関する。強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、互いに電気的に絶縁された導電性素子の対と、その対の導電性素子間に配置された強誘電体ナノ粒子とを備える。強誘電体ナノ粒子は、最小強誘電体分極状態、最大強誘電体分極状態、および少なくとも１つの中間強誘電体分極状態を含む、異なる全強誘電分極を有する少なくとも３つの分極状態を提供するように適合される。方法は、中間強誘電体分極状態を選択することと、選択された中間強誘電体分極状態に従って第１の電圧または電荷を選択することと、強誘電体ナノ粒子を選択された中間強誘電体分極状態に設定するために第１の電圧または電荷を対の導電性素子に印加することとを含む。

【0073】

方法は、多値論理を実装することができる。

【0074】

方法は、対の他方の導電性素子（すなわち第１の導電性素子）を一定の電荷に保つことをさらに含むことができる。

【0075】

好ましくは、第１の電圧または電荷は、電荷を指す。言い換えれば、方法は、選択された中間強誘電体分極状態に従って第１の電荷を選択することと、第１の電荷を印加することとを指すことができる。

【0076】

中間強誘電体分極状態を選択することは、少なくとも１つの中間強誘電体分極状態の中間強誘電体分極状態を選択することを指すことができる。

【0077】

最大強誘電体分極状態は、少なくとも３つの分極状態の最大強誘電体分極を提供することができる。言い換えると、少なくとも３つの分極状態のいずれの分極状態も、最大強誘電体分極状態よりも大きい強誘電分極を有することはできない。

【0078】

最小強誘電体分極状態は、少なくとも３つの分極状態の最小強誘電分極を提供することができる。言い換えると、少なくとも３つの分極状態のいずれの分極状態も、最大強誘電体分極状態よりも小さい強誘電分極を有することはできない。

【0079】

中間強誘電体分極状態の強誘電分極は、最小強誘電分極より大きく、最大強誘電分極より小さくてもよい。

【0080】

本開示の文脈では、強誘電体分極の大きさは、基準軸に沿ったそれぞれの強誘電体分極の成分によって決定され得る。言い換えれば、負（例えば基準軸に対して）の強誘電体分極は、０の強誘電体分極よりも小さいと考えられ得る。基準軸は、導電性素子および強誘電体ナノ粒子の少なくとも１つと交差することができる。

【0081】

第１の電圧または電荷が印加される対の導電性素子は、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの文脈で上述した対の第２の導電性素子に対応することができる。方法の他の導電性素子は、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの文脈で上述した対の第１の導電性素子に対応することができる。

【0082】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスは、導電性素子の対から電気的に絶縁された追加の導電性素子をさらに備えることができる。対の導電性素子（すなわち第２の導電性素子）に第１の電圧または電荷を印加することは、追加の導電性素子と対の導電性素子（すなわち第２の導電性素子）との間に電圧を印加することを含むことができる。追加の導電性素子は、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの電荷制御デバイスに含まれ得る。

【0083】

方法は、第１の電圧または電荷を印加して強誘電体ナノ粒子を選択された中間強誘電体分極状態に設定する前に、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態の第１の分極状態で提供することと、選択された中間強誘電体分極状態および／または第１の分極状態に従って第２の電圧または電荷を選択することと、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態のうちの第１の分極状態から第２の分極状態に設定するために対の導電性素子に第２の電圧または電荷を印加することとをさらに含むことができる。第１の分極状態は、選択された中間強誘電体分極状態と異なっていてもよい。第２の分極状態は、第１の分極状態および選択された中間強誘電体分極状態の両方と異なっていてもよい。

【0084】

それぞれの絶対値に関して、第２の電圧または電荷は、第１の電圧または電荷を超えることができる。

【0085】

第２の電圧または電荷の符号は、第１の電圧または電荷の符号と反対であってもよい。

【0086】

方法は、第２の電圧または電荷を印加して強誘電体ナノ粒子を選択された中間強誘電体分極状態に設定する前に、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態の第３の分極状態で提供することと、選択された中間強誘電体分極状態および／または第１の分極状態に従って第３の電圧または電荷を選択することと、強誘電体ナノ粒子を少なくとも３つの分極状態のうちの第１の分極状態から第３の分極状態に設定するために対の導電性素子に第３の電圧または電荷を印加することとをさらに含むことができる。第３の分極状態は、第１の分極状態、第２の分極状態、および選択された中間強誘電体分極状態と異なっていてもよい。

【0087】

それぞれの絶対値に関して、第３の電圧または電荷は、第２の電圧または電荷を超えることができる。

【0088】

第３の電圧または電荷の符号は、第２の電圧または電荷の符号と反対であってもよい。

【0089】

選択された中間強誘電体分極状態は、残留状態であってもよい。代替的または追加的に、方法は、導電性素子に印加される電圧または電荷を低減し、特に、少なくとも３０％だけ、少なくとも２分の１に、少なくとも３分の１に、少なくとも５分の１に、少なくとも１０分の１に、または少なくとも１００分の１に電圧を低減し、それによって、設定された中間強誘電体分極状態を維持することを含むことができる。

【0090】

方法は、強誘電体ナノ粒子を加熱し、および／または強誘電体ナノ粒子に機械的力を加えて、例えばそれらの分極状態を変化させる、および／または選択された中間強誘電体分極状態と印加された電圧または電荷との間の関係を修正することをさらに含むことができる。

【0091】

方法は、強誘電体ナノ粒子を加熱して、それらの分極状態を０の強誘電体分極を有する分極状態に変化させることを含むことができる。

【0092】

方法は、導電性素子の少なくとも１つの電圧に基づいて、強誘電体ナノ粒子の現在の分極状態を検出することをさらに含むことができる。

【0093】

方法は、導電性素子の少なくとも１つの電圧のジャンプをカウントすることなどによって、導電性素子の少なくとも１つの電圧の変化に基づいて強誘電体ナノ粒子の現在の分極状態を検出することを含むことができる。

【0094】

第１の分極状態および／または第２の分極状態は、残留状態であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0095】

本開示の技術およびそれに関連する利点は、添付の図面による典型的な実施形態の説明から最もよく明らかになるであろう。

【図1】第１の実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを示す図である。

【図2a】導電性素子間の強誘電体ナノ粒子の個々の分極状態の静電エネルギーおよびそれら間の切り替えを示す図である。

【図2b】図２ａの強誘電体ナノ粒子の個々の分極状態間の切り替えを示す電荷電圧ヒステリシスループを示す図である。

【図3】電荷制御デバイスに接続された図１の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの等価電気回路を示す図である。

【図4a】図１に対応する実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの分極状態の静電エネルギー、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図4b】図４ａの実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図5a】図１に対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの分極状態の静電エネルギー、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図5b】図５ａの実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図6a】図１に対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの分極状態の静電エネルギー、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図6b】図６ａの実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図7a】温度制御素子および力制御素子を有する一実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを示す図である。

【図7b】図７ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの等価電気回路を示す図である。

【図8a】トランジスタのチャネルが強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの導電性素子を形成する実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを示す図である。

【図8b】図８ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスの等価電気回路を示す図である。

【図9a】強誘電体ナノ粒子が４つの分極状態を提供する、別の実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを示す図である。

【図9b】図９ａの強誘電体ナノ粒子の４つの分極状態を示す図である。

【図9c】強誘電体ナノ粒子が４つの分極状態を提供する、別の実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイスを示す図である。

【図9d】図９ｃの強誘電体ナノ粒子の４つの分極状態を示す図である。

【図10a】図９ａまたは図９ｃに対応する実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびに分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10b】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10c】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10d】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10e】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10f】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10g】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図10h】図９ａまたは図９ｃに対応する別の実施形態による強誘電体ナノ粒子の分極状態に関連する電荷電圧ヒステリシスループ、ならびにそれぞれの分極状態を対処および／または切り替えるための経路を示す図である。

【図11】一実施形態による方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0096】

図１は、第１の実施形態による強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の概略図である。

【0097】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、導電層１０２、１１２の形態の２つの導電性素子１０２、１１２と、それらの間の強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂとを備える。

【0098】

導電層１０２、１１２またはそれらのそれぞれの表面１０８、１１８は、それぞれ水平方向、横方向ｘ、ｙに沿って延び、したがってそれらの方向ｘ、ｙに沿って互いに平行である。

【0099】

垂直な縦方向ｚに沿って、導電層１０２、１１２またはそれらのそれぞれの表面１０８、１１８は、それぞれ１ｎｍ～１００ｎｍの距離ｄだけ互いに離間している。

【0100】

導電層は、貴金属（ＣｕまたはＡｕなど）ならびにタンタルおよび／またはチタンまたはそのそれぞれの窒化物を含み、および／または他の金属または半導体材料を含んでもよい。

【0101】

強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ強誘電体材料からなる。図示の実施形態では、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、同じ強誘電体材料からなる。

【0102】

強誘電体材料は、その分極の電界に対する非線形依存性Ｐ＝±Ｐ_ｓ＋ε_０ε_ｆＥを特徴とする材料であり、ここで、±Ｐ_ｓは自発分極であり、電界Ｅにそれぞれ平行または逆平行に向けられ、ε_０は真空誘電率であり、ε_ｆは強誘電体材料の誘電率である。強誘電体材料の異なる自発分極方向間の切り替えは、抗電界Ｅ_ｃで生じる。簡潔にするために、抗電界は、保磁力とも呼ばれる。

【0103】

強誘電体ナノ粒子の強誘電体材料は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３、または他の強誘電体酸化物ＨｆＯ_２、特に、例えばジルコニウム、ＢａＴｉＯ_３、Ｂａ（Ｓｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、または他の強誘電体酸化物、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）を含むドープされたＨｆＯ２を含む。代替的または追加的に、これは、超強誘電材料、ＬｉＺｎＡｓ、ＬｉＢｅＳｂ、ＮａＺｎＳｂ、ＬｉＢｅＢｉを含む。超強誘電材料では、保磁力は、脱分極電界よりも実質的に大きい値を達成することができ、この値は、例えば、温度および歪みを制御してシステムを調整しながら、ＱｃおよびＱｓの望ましい相対強度を容易に選択することを有効にする。

【0104】

強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂのそれぞれは、モノドメイン強誘電状態を支持するのに十分に小さい。この目的のために、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの強誘電体材料に応じて、１００ｎｍ、５０ｎｍ、３０ｎｍ、２０ｎｍまたは１０ｎｍ以下のそれらの最大伸長（すなわち、バルク対角線）で形成される。強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの典型的なサイズは、１ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、５０ｎｍまたは１００ｎｍである。

【0105】

図示の強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、３つの可能な強誘電体分極状態１０６のうちの１つにあり、以下では簡潔にするために分極状態１０６とも呼ばれる。

【0106】

分極状態１０６は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの全体的な分極状態１０６、すなわち強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの個々の（すなわち強誘電体）分極状態の組合せを指す。

【0107】

より具体的には、分極状態１０６は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの全（すなわち強誘電体）分極の全（すなわち正味、全体）分極の軸ｚ上への投影を指す。言い換えれば、分極状態１０６は、全分極のｚ成分を指す。

【0108】

これに対応して、個々の分極状態は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの個々の分極の軸ｚ上への投影を指す。

【0109】

図示の分極状態１０６は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの逆平行の個々の分極状態によって特徴付けられ、強誘電体ナノ粒子１０４ａの個々の分極は軸ｚに沿っており（すなわち平行であり）、強誘電体ナノ粒子１０４ｂの個々の分極は、軸ｚに逆平行である。同じ分極状態、すなわち全分極の同じｚ成分を有する状態は、強誘電体ナノ粒子１０４ｂの個々の分極が軸ｚに沿っており、強誘電体ナノ粒子１０４ａの個々の分極が軸ｚに対して逆平行である場合に実現される。図示の実施形態では、これら２つの構成は、強誘電体ナノ粒子１０４ａが等価であるため、すなわち同じ個々の分極を有しているため、等価である。したがって、２つの構成は、分極状態１０６のうちの第１のものを確立する。

【0110】

第２の分極状態１０６は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの個々の分極が両方とも軸ｚに沿っている場合に実現される。

【0111】

第３の分極状態１０６は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの個々の分極が両方とも軸ｚに対して逆平行である場合に実現される。

【0112】

強誘電体ナノ粒子１０４ａは、導電層１０２、１１２の第１の第１のセクション１１０ａ、１２０ａ間に挟まれている。逆に、導電層１０２、１１２の、またはそれらの対応する表面の第１の第１のセクション１１０ａ、１２０ａは、それぞれ、導電層１０２、１０８上への強誘電体ナノ粒子１０４ａの投影に対応する。

【0113】

導電層１０２、１１２の第１の第１のセクション１１０ａ、１２０ａおよび強誘電体ナノ粒子１０４ａは、第１の強誘電体キャパシタ１２４を形成している。

【0114】

これに対応して、導電層１０２、１１２の第２の第１のセクション１１０ｂ、１２０ｂは、強誘電体ナノ粒子１０４ｂに関連している。導電層１０２、１１２の第２の第１のセクション１１０ｂ、１２０ｂおよび強誘電体ナノ粒子１０４ｂは、第２の強誘電体キャパシタ１２６を形成している。

【0115】

第１の導電層１０２の第１のセクション１１０ａ、１１０ｂは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの第１の導電層１０２上への、またはその表面１１８上へのそれぞれの投影に対応する総面積１１０を有する。本開示の文脈において、この領域１１０は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの全表面投影面積と呼ばれる。

【0116】

あるいは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの全表面投影面積１１０、１２０は、第２の導電層１１２上への強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの投影１２０によって画定される。あるいは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの表面投影面積１１０、１２０は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂによって画定される強誘電体キャパシタ１２４、１２６の面積の合計によって画定される。

【0117】

導電層１０２、１２２のそれぞれの面積は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの全表面投影面積１１０、１２０を超える。その結果、導電層１０２、１２２の余剰部分１０２’、１１２’は、第１のセクション１１０ａ、１１０ｂ、１２０ａ、１１０ｂを越えて延びる。

【0118】

これらの余剰部分１０２’、１１２’は、誘電体キャパシタ１３０、すなわち線形電荷電圧特性を有する、または（有意な）ヒステリシスのないキャパシタを形成する。

【0119】

図示の実施形態では、誘電体キャパシタ１３０は、導電層１０２、１１２の第２の部分１０２’、１１２’間に配置された誘電体材料１２２を含む。図示の実施形態では、誘電体材料１２２は、第２の部分１０２’、１１２’が導電層１０２、１１２の余剰部分１０２’、１１２’と同一になるように、導電層１０２、１１２の余剰部分１０２’、１１２’間の空間全体を充填する。

【0120】

誘電体材料１２２は、印可された電界、Ｐ＝ε_０ε_ｄＥに対するその分極の線形依存性を特徴とし、式中、ε_ｄは誘電体材料１２２の誘電率である。実施形態によれば、誘電体材料は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２Ｏ、ＨｆＳｉＯ_４、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＢａＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＢａＯ、ＷＯ_３、ＭｏＯ_３、ＴｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＤｙＳｃＯ_３などの高κ誘電体を含む。誘電体材料１２２はまた、ＳｉＯ２または有機誘電体などの低κ誘電体を含んでもよい。代替的な実施形態では、誘電体材料１２２は、置換ガスまたは真空で充填され得るエアギャップとして実装される。

【0121】

図示の実施形態では、誘電体材料１２２は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂを互いに分離するための誘電体セパレータ材料１２２として機能する。この目的のために、誘電体材料１２２は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ間に配置され、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂを個々に水平／横方向平面ｘ、ｙ内で取り囲む。

【0122】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、既存のナノ製造手順、特に半導体産業の文脈で開発されたナノ製造手順を使用して製造される。これらの手順は、精度および信頼性を高めて複雑な設計を製造することを可能にする。例えば、製造の進歩により、適切な基板支持体上に強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の三次元設計を作成することが有効になる。それぞれ選択されたタイプのドーピングまたは導電性（例えば、ｎ導電率）の例示的な単結晶半導体基板が、様々な供給源から市販されている。適切な幾何学的設計は、適切なリソグラフィおよびエッチング技術、例えば電子ビームリソグラフィおよびイオンエッチングによって達成される。導電性素子１０２、１１２は、ＣＶＤおよびＰＶＤ法および／または他の適切なプロセスによって生成される。第１の導電性素子１０２、１１２の堆積後、例えばＡＬＤ法および／または他の適切なプロセスを使用して、その上に強誘電体層が配置される。構成的強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、強誘電体層から個別に、または例えば単一の構造化ステップにおいて一緒に構造化される。前者の場合、各段階における幾何学的構成は、例えば極紫外線または電子ビームリソグラフィなどの適切なリソグラフィ技術を使用して設計される。誘電体材料１２２は、例えばＡＬＤ法により、第１の導電性素子１０２、１１２上に成長させられる。第２の導電性素子１０２、１１２が堆積される。例えばＣＶＤおよびＰＶＤ法によって、ゲート、ソースおよびドレイン配線接続を形成するために、任意選択の相互接続構造が基板上または基板内に形成される。デバイス１００のパターニングおよびアーキテクチャは、例えば、Ｃａｄｅｎｃｅ Ａｌｌｅｇｒｏソフトウェアパッケージおよび／または他の適切なパッケージによって実装されるべきである。

【0123】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の作用機構を説明するために、図２ａ、図２ｂは、導電性素子１０２、１１２の間の単一の強誘電体ナノ粒子１０４ａの状況を指し、電荷制御デバイス１１４は、導電性素子１０２、１１２の１つに電気的に接続されている１１４ａ。

【0124】

図２ａに示すように、強誘電体ナノ粒子１０４ａは均一に分極され、電荷１３２を運ぶ２つの導電性素子１０２、１１２間に閉じ込められる。これは、２つの個々の（強誘電体）分極状態１０６ａ、すなわちｚ軸に沿って「上」に向けられた分極を有する状態（＋１）、および「下」に向けられた分極を有する状態（－１）のいずれかに留まることができる。したがって、導電性素子１０２、１１２間の単一の強誘電体ナノ粒子１０４ａは、２つの対応する論理レベル、｜＋１）および｜－１）を実装する。

【0125】

その結果、個々の分極状態１０６ａは、導電性素子１０２、１１２に印加される電荷によって制御され得る。したがって、導電性素子１０２、１１２間に閉じ込められた図２ａの単一の強誘電体ナノ粒子１０４ａは、論理レベル｜＋１）および｜－１）を有する２元（すなわち２レベル）論理デバイスを実装する。

【0126】

ここで、以下では、導電性素子１０２、１１２の少なくとも１つへの電気的接続１１４ａを有する電荷制御デバイス１１４を使用して、それぞれの導電性素子１０２、１１２の電荷、したがって強誘電体ナノ粒子１０４ａの個々の分極状態１０６ａ、または図１の分極状態１０６を制御する。この手法は、導電性素子の電圧を制御する従来の技術とは異なる。有利には、電荷制御および電荷制御デバイス１１４によって、図１のナノ粒子１０４ａまたはナノ粒子１０４ａ、１０４ｂおよびそれらのそれぞれの分極状態１０６ａ、１０６は、電圧制御に基づく従来の技術よりもはるかに確実に対処される。

【0127】

重要なことに、強誘電体ナノ粒子１０４ａの分極を動作させる有効電界Ｅは、導電板上の電荷１３２によって誘導される電界だけでなく、強誘電体ナノ粒子１０４ａと導電性素子１０２、１１２との間の界面に位置する分極磁力線の終端点に出現する、束縛電荷Ｑ_ｓ＝ＳＰ_ｓによって誘導される脱分極電界も含む。ここで、Ｐ_ｓとは、分極状態１０６ａに関連する強誘電体ナノ粒子の自発分極を指す。単一の強誘電体ナノ粒子キャパシタの電圧電荷関係はＣ_ｆＶ＝Ｑ±Ｑ_ｓで与えられ、式中、Ｖは電圧であり、Ｃ_ｆ＝ε_０ε_ｆＳ／ｄは、強誘電体材料のキャパシタンスであり、符号±は、分極１０６ａの「上」（＋１）または「下」（－１）方位に対応する。

【0128】

図２ｂは、印加電荷Ｑの関数として、図２ａの（＋１）および（－１）分極状態１０６ａに対応する静電エネルギーＷ_±＝（Ｑ±Ｑ_ｓ）^２／２Ｃ_ｆを例示している。それらはＱ＝０に関して±Ｑ_ｓでシフトされ、最小値は、導電性素子１０２、１１２上の電荷が束縛電荷を正確に補償してゼロ内部電界をもたらす状況に対応する。放物線の終端点Ｎ_０（臨界電荷Ｑ_１，２に相当）は、ある分極方向の分極状態１０６ａが、分極状態１０６ａを反対の逆の分極方向に切り替えることに対して不安定になる状況に対応する。（－１）→（＋１）および（＋１）→（－１）の切り替えに対応する臨界電荷Ｎ_０は、Ｑ_１，２＝±（Ｑ_ｓ－Ｑ_ｃ）それぞれによって与えられ、式中、Ｑ_ｃ＝Ｃ_ｆＥ_ｃｄである。このエネルギープロファイルの結果、電荷電圧２分岐は、分極状態１０６ａ、または論理レベル｜＋１）および｜－１）それぞれに対応する上部および下部分岐

【数1】

で、ヒステリシスループＶ（Ｑ）を切り替える。

【0129】

図３は、図１の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の有効電気回路を示す。強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、各々がキャパシタンスＣｆを有する２つの強誘電体キャパシタ１２４、１２６を含む。これは、強誘電体キャパシタ１２４、１２６に平行に接続された、キャパシタンスＣｄを有する誘電体キャパシタ１３０をさらに備える。

【0130】

有効電気回路は、導電性素子１０２、１１２の少なくとも一方と電気接触する（１１４ａ）電荷制御素子１１４をさらに備える。電荷制御素子１１４は、これが接続されている導電性素子１０２、１１２に電荷Ｑを印加するように適合されている。

【0131】

重要なことに、導電性素子１０２、１１２に印加される電荷Ｑは、導電性素子１０２、１１２にわたって不均一に分布することができ、第１の強誘電体ナノ粒子１０４ａの領域（または、第１の強誘電体キャパシタ１２４にそれぞれ対応する導電性素子１０２、１１２の第１の第１のセクション１１０ａ、１２０ａ上）に電荷Ｑ_ａを形成し、第２の強誘電体ナノ粒子１０４ｂの領域（または、第２の強誘電体キャパシタ１２６にそれぞれ対応する導電性素子１０２、１１２のセクション１１０ｂ、１２０ｂ上）に電荷Ｑ_ｂ、および誘電体材料１３０の領域（または、誘電体キャパシタ１３０に対応する導電層１０２、１１２の第２の部分または余剰部分１０２’、１１２’それぞれ上）に電荷Ｑ_ｄを形成する。

【0132】

対応するキャパシタ１２４、１２６、１３０の電荷、Ｑ_ａ、Ｑ_ｂ、およびＱ_ｄは、キャパシタのプレートにおける電位の等価性によって決定され、Ｑ_ａ＋Ｑ_ｂ＋Ｑ_ｄ＝Ｑを考慮に入れながら、条件

【数2】

によって決定される。ここで、プラスおよびマイナスの全ての特定の組合せは、システムの分極状態１０６に対応し、Ｃ_ｆ＝ε_０ε_ｆＳ_ｆ／ｄは強誘電体材料のキャパシタンスであり、Ｃ_ｄ＝ε_０ε_ｄ（Ｓ－２Ｓ_ｆ）／ｄは誘電体スペーサのキャパシタンスである。上記の条件から、次式が得られる。Ｑ_ａ，ｂ＝（Ｃ_ｆ／Ｃ_ｅｆｆ）Ｑ±Ｑ_ｓ、Ｑ_ｄ＝（Ｃ_ｄ／Ｃ_ｅｆｆ）Ｑ、式中、

【数3】

は、システム全体の有効キャパシタンスである。

【0133】

図４ａは、出現する分極状態１０６およびそれらの総エネルギーＷを示す。

【0134】

以下では、「レベル」という用語は、論理レベルを指し、２つの用語は同等に使用される。

【0135】

レベルは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの分極状態１０６によって表され、逆もまた同様である。言い換えれば、分極状態１０６はレベルを提供する。このため、「レベル」および「分極状態」という用語は、同等に使用され得る。

【0136】

分極状態１０６は、優先的には、例えば２つの異なる分極状態１０６間の切り替えが強誘電体分極の微妙な急激な変化を特徴とするという意味で、離散分極状態１０６である。言い換えれば、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、離散分極状態１０６の一方との間でいかなる安定した強誘電体分極も想定しないように適合される。

【0137】

分極状態１０６は、論理レベルを定義する上記３つの状態１０６、｜－１）、｜０）、および｜＋１）のいずれかに対応するエネルギーを与える総エネルギー

【数4】

の最小化によって決定される。すなわち、Ｗ_－１＝（Ｑ－２Ｑ_ｓ）^２／２Ｃ_ｅｆｆ、Ｗ_０＝Ｑ^２／２Ｃ_ｅｆｆおよびＷ_＋１＝（Ｑ＋２Ｑ_ｓ）^２／２Ｃ_ｅｆｆ。論理レベル間のスイッチングは、対応する強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの内部の場が保磁力Ｅｃを超えるときに起こる。これは、レベル｜０）の場合はＱ_１，４＝±Ｑ_ｃ、レベル｜－１）の場合はＱ_２＝２Ｑ_ｓ－Ｑ_ｃ、およびレベル｜＋１）の場合はＱ_３＝－２Ｑ_ｓ＋Ｑ_ｃのキャパシタの総電荷の４つの異なる値で発生し、式中、Ｑ_ｃ＝Ｃ_ｅｆｆＥ_ｃｄである。

【0138】

図４ａ、図５ａ、および図６ａは、分極状態１０６、｜－１）、｜０）、および｜＋１）についての上述のエネルギープロファイルＷ_＋１（Ｑ）、Ｗ_０（Ｑ）、Ｗ_－１（Ｑ）を示す。図４ｂ、図５ｂ、および図６ｂは、それぞれ、対応する３分岐ヒステリシスループ、および分極状態１０６、｜－１）、｜０）、および｜＋１）に対処するための、またはそれらの間を切り替えるための経路を示す。分極状態１０６、｜－１）、｜０）、および｜＋１）は、電荷電圧特性の３つの分岐

【数5】

、

【数6】

、
および

【数7】

に関連付けられる。

【0139】

図４ａ、図４ｂ、図５ａ、図５ｂ、図６ａ、および図６ｂは、有効電荷パラメータＱｃおよびＱｓの相対強度によって決定される、ヒステリシスループのトポロジーの３つの既存の異なるレジームを表す。

【0140】

分極状態１０６、｜－１）、｜０）、および｜＋１）のエネルギープロファイルおよび遷移順序は、３Ｑ_ｓ＞Ｑ_ｃ＞２Ｑ_ｓの場合について図４ａ、図４ｂに例示されている。終端点Ｎ_０は、反対の分極１０６を有する最低エネルギー状態に向かう強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂのうちの一方の切り替え不安定性に対応する。前記臨界電荷Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３、およびＱ_４における論理レベル｜－１）、｜０）、および｜＋１）の間の順次切り替えを伴う対応するヒステリシスループは、図４ｂに示されている。

【0141】

図５ａ、図５ｂは、この条件Ｑ_ｃ＞３Ｑ_ｓ下で実現されるエネルギープロファイルおよび電荷電圧特性を示す。これは、Ｑ＝０で実現される３つの論理レベル｜－１）、｜０）、および｜＋１）を有するが、中間強誘電体分極状態｜０）は、この論理レベルから｜－１）または｜＋１）のいずれかへの切り替えが発生すると、システムを｜０）論理レベルに戻すことはできず、最小強誘電体分極状態｜－１）と最大強誘電体分極状態｜＋１）との間の切り替えを伴う２分岐ヒステリシスループが唯一の有効なレジームになるという意味で、トポロジー的に不安定である。しかしながら、「隠れた」論理レベル｜０）へのシステムの切り替えは、高温常誘電状態を通過することを伴う、例えば熱サイクルによる充電とは異なる外部パラメータの変化によって達成することができる。

【0142】

図６ａおよび図６ｂは、この条件Ｑ_ｃ＜２Ｑ_ｓ下で実現されるエネルギープロファイルおよび電荷電圧特性を示す。ゼロ電荷では１つの論理レベル｜０）しかないが、ヒステリシス切り替えは有限電荷で発生し、したがってシュミットトリガとしても知られる３位置リレー素子を実装する。

【0143】

重要なことに、図４ｂ（図４ａ）、図５ｂ（図５ａ）、および図６ｂ（図６ａ）に示されているヒステリシスループは、３レベル論理［Ｂａｕｄｒｙ、Ｌ．、Ｌｕｋｙａｎｃｈｕｋ、Ｉ．およびＶｉｎｏｋｕｒ、Ｖ．Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．７、４２１９６（２０１７年）］におけるトポロジー的に可能な全ての切り替えのセットを実現する。本発明者らの実施形態では、どのタイプの論理が実現されるかを決定するのは、材料依存の重要なパラメータＱｓおよびＱｃの関係である。特定の切り替え特性／プロトコルは、パラメータ、ＱｓとＱｃとの間の望ましい比を選択することによって、または強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂのサイズおよび材料組成をそれぞれ適切に選択することによって達成することができる。

【0144】

図７ａは、図４ｂ（図４ａ）、図５ｂ（図５ａ）および図６ｂ（図６ａ）に示すヒステリシスループを代替的に実装する、図１のものと同様の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の実施形態を示す。

【0145】

図１と比較して、図７ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、様々な修正を加えて形成され、追加の導電性素子２０２および誘電体スペーサ２０４からなる電荷制御デバイス１０４を備える。さらに、図７ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、温度制御素子２０６を備える。これはまた、力制御素子２１０を備える。様々な実施形態（図示せず）によれば、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、記載された変形例（電荷制御デバイス１０４および／または温度制御素子２０６および／または力制御素子２１０）のいずれか、任意の組合せ、または全てで形成される。

【0146】

電荷制御デバイス１０４は、第１の導電性素子１０２の上方に配置された第２の導電性素子１１２とは反対側で、第１の導電性素子１０２の下方に配置された追加の導電性素子２０２を備える。

【0147】

電荷制御デバイス１０４は、第１の導電性素子１０２と追加の導電性素子２０２との間に誘電体材料の層２０４として形成され、それらを互いに電気的に絶縁する誘電体スペーサ２０４をさらに備える。誘電体スペーサ２０４は、上述したいずれかの誘電体材料からなり、ＳｒＴｉＯ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、またはＨｆＯ２を優先的に含む。

【0148】

電荷制御デバイス１０４は、第１の導電性素子１０２が固定電荷（例えば電気的に浮遊している）に保たれながら、追加の導電性素子２０２と第２の導電性素子１１２との間に電圧を印加し、その結果、第２の導電性素子１１２に電荷を印加することによって動作される。

【0149】

温度制御素子２０６は、ヒータ２０６、より具体的にはオーミックヒータ２０６として実装される。ヒータ２０６は、導電性素子１０２、１１２の下に配置され、それぞれの導電性素子１０２、１１２、したがって強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂを加熱する。強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの温度変化は、１０～３００ケルビンの範囲であり得る。

【0150】

図７ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００を支持するための基板２０８をさらに備える。

【0151】

基板は、導電性素子１０２、１１２の下方、および存在する場合には追加の導電性素子２０２の下方に配置される。基板は、例えば、金属または十分に薄い（＜１００ｎｍまたは＜２０ｎｍ）中間層などの熱伝導性材料を介した直接的な物理的接触または間接的接触によって、（第１、第２、または追加の）導電性素子１０２、１１２、２０２のうちの１つと熱的に接触している。

【0152】

ヒータ２２３を使用して基板２０８を加熱すると、膨張２１２の形態の機械的変形２１２が生じ、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂに歪みが生じる。あるいは、歪みは、基板２０８に電界が印加されたときに発生するピエゾ効果によっても誘発され得る。例えば、発生する歪みは、結晶格子定数の０．００１～０．１％の範囲内にあり得る。

【0153】

温度制御素子２０６および／または力制御素子２１０は、外部刺激温度および／または歪みによってパラメータＱｓとＱｃとの間の相互関係を調整することを可能にする。したがって、それらは、前記デバイス１００の切り替え論理のオンザフライ修正を可能にする。この調整は、これらのパラメータの異なる温度および歪み依存性を考慮することによって行うことができる。いわゆる超弾性材料、例えば、ＬｉＺｎＡｓ、ＬｉＢｅＳｂ、ＮａＺｎＳｂ、およびＬｉＢｅＢｉは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの実装にとって特に興味深いものであり、その理由は、これらの材料では、保磁力は、脱分極電界よりも実質的に大きい値を達成することができ、パラメータ、ＱｓおよびＱｃの相対強度がかなり広い範囲にわたって変化し得るからである。

【0154】

図７ｂは、図７ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の等価電気回路を示す。追加の導電性素子２０２および誘電体スペーサ２０４は、キャパシタンスＣｉを有する追加のキャパシタ２１４を形成する。追加のキャパシタ２１４は、第１の導電性素子１０２をキャパシタ１２４、１２６、１３０と共有する。したがって、等価電気回路は、直列に接続されたキャパシタ１２４、１２６、１３０（導電性素子１０２、１１２によって画定される）と、追加のキャパシタ２１４（導電性素子１０２、２０２によって画定される）とを備える。第２の導電性素子１１２および追加の導電性素子２０２は、それらの間に入力電圧Ｖｉｎを受ける。電圧Ｖｉｎによって誘起される導電性素子１０２、１１２における電荷は、式Ｖｉｎ＝Ｑ／Ｃｉ＋Ｖ（Ｑ）によって与えられ、式中、Ｖ（Ｑ）は、図４ｂ、図５ｂ、図６ｂに例示されるような電荷電圧特性によって決定される電圧である。この関係は特に単純になり、キャパシタ１２４、１２６、１３０の並列配置の有効キャパシタンスが追加のキャパシタ２１４のキャパシタンスを実質的に超えると、Ｑ≒ＣｉＶｉｎに変換される。強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの分極状態１０６を制御する電荷は、第２の導電性素子１１２および追加の導電性素子２０２に印加される電圧Ｖｉｎによって直接調整される。

【0155】

図８ａは、図４ｂ（図４ａ）、図５ｂ（図５ａ）および図６ｂ（図６ａ）に示すヒステリシスループを代替的に実装する、電界効果トランジスタ３００への強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の統合を示す。図８ｂは、図８ａのデバイス１００の等価電気回路を示す。

【0156】

電界効果トランジスタ３００は、ソース／ドレイン領域３０４、３０６と、ソース／ドレイン領域３０４、３０６間に延びるチャネル３０２と、チャネル３０２の上に配置されたゲートスタック３０８とを備える。電界効果トランジスタ３００は、接地された本体電極３１２をさらに備える。

【0157】

チャネル３０２は、図８ａの文脈で説明した追加の導電性素子２０２として機能する。

【0158】

ゲート誘電体２０４は、高κ誘電率層であり、第１の導電性素子１０２とチャネル３０２との間の電荷漏れを防止する。

【0159】

ゲートスタックは、誘電体スペーサ２０４によって提供されるゲート誘電体２０４と、少なくとも１つの電極とを備える。図示の実施形態では、ゲートスタック３０８の少なくとも１つの電極は、図１のものと同様の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００によって提供される。より詳細には、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の第２の導電性素子１１２は、トランジスタ３００のゲート電極として機能し、駆動電圧Ｖ_ｉｎを受け取るために外部電圧源に接続される。好ましくは、駆動電圧Ｖ_ｉｎは、第２の導電性素子１１２と追加の導電性素子（チャネル）２０２、３０２との間に印加され、図７ａの文脈で上述した電荷制御デバイス１１４を実装する。

【0160】

先の実施形態の文脈において上述したように、第１の導電性素子１０２は一定の電荷に保たれ、例えば、電気的に絶縁され、浮遊したままである。したがって、これは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの分極１０６を安定化させるように機能する。さらに、浮遊する第１の導電性素子１０２は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂと第１の導電性素子１０２との間の界面に沿った電位を均一にし、したがって、ゲートスタック３０８および基板３０４にわたる均一な電界を維持する。

【0161】

駆動電圧Ｖ_ｉｎの変動のための適切なプロトコルの下で、チャネル３０２内の電流を動作させる電圧Ｖ_ｏｕｔの段階的な切り替えは、トポロジー的に可能なヒステリシスループ（図４ａ～図６ｂ参照）のうちの１つに対応するマルチレベル論理切り替えシーケンスを実現する。論理レベルの切り替え順序は、図７ａ、図７ｂの文脈で上述したように、外部刺激によって、例えば温度または歪みによって修正することができ、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の切り替え論理のオンフライ修正を可能にする。

【0162】

異なる実施形態によれば、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、例えば基板３１２の代わりに、基板３１２内または基板３１２の下方に一体化された、図７ａの文脈で上述した温度制御素子２０６および／または力制御素子２１０を用いて形成される。後者の実施形態では、高い熱伝導率を有する基板３１２が適用される。

【0163】

図９ａ、図９ｃは、トポロジー的に構成可能な４レベル論理ユニットを実装するための強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の実施形態を示す。図９ｂ、図９ｄは、４つの論理レベルを表すそれぞれの分極状態１０６を示す。

【0164】

図９ａは、導電性素子１０２、１１２間に３つの同一の、例えば円筒形の強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００を示す。強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、等しい保磁力および等しい断面積を提供する。

【0165】

図示の実施形態では、誘電体セパレータ材料１２２が、導電性素子１０２、１１４間の残留空間を充填する。

【0166】

システムは、上述のように電荷制御素子１１４を使用して、導電性素子１０２、１１４の少なくとも一方に配置された電荷Ｑによって駆動および制御される。

【0167】

図９ｂに示すように、図９ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、分極状態（（＋＋＋）、（＋＋－）（または同等に、（＋－＋）および（－＋＋）、（＋－－））、または同等に（－＋－）および（－－＋）、最後に（－－－）を提供し、図９ｂの下向き矢印（または上向き矢印）は、ｚ軸に対して負の「－」または正の「＋」分極を表す。

【0168】

その結果、図９ａの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、それぞれ論理レベル｜＋２）、｜＋１）、｜－１）、および｜－２）によって特徴付けられる４レベル論理を実現する。

【0169】

図９ｃは、４レベル論理デバイスを実装するための強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の別の実施形態を示す。ここでは、２つの非等価な強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂが導電性素子１０２、１１２間に配置され、誘電体セパレータ材料１２２によってコーティングされる。強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂは、異なる強誘電体材料から作製することができ、異なるサイズを有することができる。

【0170】

図９ｄは、図９ｃの強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの分極状態１０６を示し、これらは、図１の強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃに関連する図４ａの分極状態１０６と同様である。しかしながら、図９ｄでは、状態（＋－）および（－＋）は等価ではないため、４つの分極状態１０６は、４レベル論理ユニットの論理レベル、すなわち（－－）⇔｜－２）、（－＋）⇔｜－１）、（＋－）⇔｜＋１）、および（＋＋）⇔｜＋２）を実装する。

【0171】

強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの数またはサイズ／材料組成を除いて、図９ａ、図９ｃの実施形態は、図１の実施形態と同様である。代替的な実施形態（図示せず）では、図９ａまたは図９ｃの文脈で説明した強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（すなわちそれぞれの数で、またはそれぞれのサイズ／材料組成を有する）は、図７ａまたは図８ａの実施形態と同様の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００に適用される。

【0172】

図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ、図１０ｄ、図１０ｅ、図１０ｆ、図１０ｇ、および図１０ｈは、図９ａまたは図９ｃのものと同様の強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の分極状態１０６に関連する電荷電圧ヒステリシスループを示す。

【0173】

３レベル論理ユニットについて上述したものと同様の考察は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂの前記４レベル構成のヒステリシスループＶ（Ｑ）が、論理レベル１１６、｜＋２）、｜＋１）、｜－１）、および｜－２）に対応する４つの分岐を有することを示す。図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ、図１０ｄ、図１０ｅ、図１０ｆ、図１０ｇ、および図１０ｈは、４レベル論理［Ｂａｕｄｒｙ、Ｌ．、Ｌｕｋｙａｎｃｈｕｋ、Ｉ．およびＶｉｎｏｋｕｒ、Ｖ．Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．７、４２１９６（２０１７年）］における異なる切り替えシーケンスを有する全ての可能なヒステリシスループを示す。

【0174】

図１０ａは、導電性素子１０２、１１２において電荷Ｑを変化させることによって駆動される、論理レベル／分極状態１０６、｜＋２）、｜＋１）、｜－１）、および｜－２）の間の順次の切り替えを伴う電荷電圧ヒステリシスループを示す。

【0175】

図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ、および図１０ｄの電荷電圧ヒステリシスループは、使用可能な論理レベル／分極状態１０６、｜＋２）、｜＋１）、｜－１）、および｜－２）間の異なる切り替えシーケンス、またはこれらの論理レベル／分極状態１０６、｜＋２）、｜＋１）、｜－１）、および｜－２）に記憶された情報にアクセスする異なるトポロジカル方法を有する４レベル論理メモリまたは他の処理プロトコルの設計に対応する。

【0176】

図１０ｅおよび図１０ｆの電荷電圧ヒステリシスループは、「隠れた」論理レベル｜－１）、｜１）を含む。そのようなプロトコルは、「隠れたレベル」｜－１）、｜１）に記憶された情報が、望ましくない変化および他の干渉から保護される必要がある場合に使用することができる。これらのレベル｜－１）、｜１）にアクセスしようとすると、対応する情報ユニットは別のレベル｜－２）、｜２）に直ちに切り替わり、復元することはできない。したがって、前記電荷電圧ヒステリシスループは、本発明者らの開示の特に新規な特徴である強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００のセキュリティ保護を提供する。

【0177】

図１０ｇおよび図１０ｈの電荷電圧ヒステリシスループは、電子機器における複数の用途に必要とされるマルチレベルシュミットトリガを実装する。

【0178】

図９ａまたは図９ｃの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの適切なサイズおよび材料組成の選択により、図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ、図１０ｄ、図１０ｅ、図１０ｆ、図１０ｇ、および図１０ｈに表される電荷電圧ヒステリシスループの任意の予め選択された電荷電圧ヒステリシスループの実施が有効になる。

【0179】

外部刺激、例えば、図７ａ、図８ｂの文脈で上述したような温度または歪み、電荷電圧ヒステリシスループ、ならびに論理レベル／分極状態１０６、｜＋２）、｜＋１）、｜－１）、および｜－２）間の切り替えシーケンスの制御は、オンザフライで、すなわち強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの所与のサイズおよび材料組成を有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の製造後に、選択および修正することができる。

【0180】

同様に、電荷電圧ヒステリシスループは、３つを超える、例えば４つ、５つ、または任意のより大きな数の強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを含む強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００に対して制御することができる。電荷電圧ヒステリシスループは、最初に、適切な数の適切な強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃならびにそれらのサイズおよび材料組成の選択によって制御することができる。その後のオンザフライ制御は、上述のように温度制御素子２０６または力制御素子を組み込むことによって達成される。全エネルギーＷ、電圧Ｖおよび／または電荷Ｑに関して分極状態１０６間の十分な間隔を確保するために、１０個、５個、４個または３個までの強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃなどのより少数の強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃが好ましい。言い換えれば、分極状態１０６の数は、例えば最大６４、３２、１６、８、または５つの分極状態１０６までに制限されなければならない。強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの数および／または分極状態１０６の数が少ないほど、分極状態１０６の切り替えおよび読み出しの信頼性が向上する。

【0181】

３つを超える強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを有する実施形態は、上述の（強誘電体および／または誘電体）材料、ならびに上述の温度および／または歪み範囲を使用する。残りのデバイスパラメータも上述したものと同様である。任意の他の数のナノ粒子およびそれらの構成を含むデバイスは、電荷電圧ヒステリシスループのためのより複雑な経路を有するマルチレベル論理ユニットを実現し、したがって、さらに高レベルのニューロモルフィックコンピューティングを可能にする。

【0182】

図１１は、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００を動作させるための方法４００を示す。

【0183】

強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、図１、図７ａ、図８ａ、図９ａ、または図９ｃの文脈で上述した強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００のうちの１つと同様である。これらの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００のいずれも、最大（および最小）の強誘電体分極を有する最大強誘電体分極状態（および最小強誘電体分極状態）を提供し、それにより、少なくとも３つの分極状態のいずれの分極状態も、最大強誘電体分極状態（または最小強誘電体分極状態）よりも大きい（またはそれぞれより小さい）強誘電体分極を有さない。さらに、これらの強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００のいずれも、最小強誘電体分極と最大強誘電体分極との間の分極を有する中間強誘電体分極状態を提供する。

【0184】

ステップ４０２において、方法４００は、中間強誘電体分極状態を選択することを含む。

【0185】

ステップ４０４において、方法４００は、選択された中間強誘電体分極状態に従って第１の電圧または電荷を選択することを含む。

【0186】

ステップ４０６において、方法４００は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを選択された中間強誘電体分極状態に設定するために、対の導電性素子１０２、１１２に第１の電圧または電荷を印加することを含む。

【0187】

優先的には、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの現在の分極状態１０６は、導電性素子１０２、１１２の少なくとも一方の電圧に基づいて検出される。この目的のために、導電性素子１０２、１１２間の電圧が測定され、これは、上述の電荷電圧ヒステリシスループ内の電圧に対応する。したがって、所与のデバイスについて、測定された電圧は、分極状態１０６と直接関連付けられる。

【0188】

あるいは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの現在の分極状態１０６は、導電性素子１０２、１１２の少なくとも１つの電圧のジャンプをカウントすることなどによって、導電性素子１０２、１１２の少なくとも１つの電圧の変化に基づいて検出される。この目的のために、電圧測定は、電圧の変化を識別するために連続的に実行される。

【0189】

第１の電圧または電荷を選択する２つの選択肢の中で、第１の電荷を選択することが好ましい。これに対応して、第１の電荷を印加することが好ましい。

【0190】

対の他方の導電性素子１０２、１１２は、一定の電荷に保たれる。

【0191】

好ましくは、第１の電圧または電荷は、好ましくは上述の電荷制御デバイス１１４を使用して、導電性素子のうちの一方（すなわち上述した第２の導電性素子１１２）と追加の導電性素子２０２、３０２との間に印加される。

【0192】

図１０ａに示すような電荷電圧ヒステリシスループを有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００に印加されると、導電性素子１０２、１１２に印加される電圧または電荷は、第１の電圧または電荷に達するまで連続的に増加する。より大きいまたはより小さい（すなわちより負の）分極を有する分極状態１０６に達するために、より大きいまたはより小さい電圧または電荷が、導電性素子１０２、１１２に印加される。

【0193】

その後、導電性素子１０２、１１２に印加される電圧または電荷はゼロに低減されてもよく、その時点で分極状態１０６は維持されたままである。したがって、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００は、外部の電力、電圧、または電荷の支持なしに情報を記憶するために使用することができる不揮発性メモリを実装する。

【0194】

図１０ｂに示すような電荷電圧ヒステリシスループを有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００に印加されると、中間強誘電体分極状態｜＋１）に達するためには、導電性素子１０２、１１２に印加される電圧または電荷を最初に状態｜＋２）に達するのに十分な正の値まで増加させる必要がある。その後、印加電圧は、負の第１の電圧または電荷に達するまで低下され、分極を状態｜＋１）に設定する。逆電圧または電荷シーケンスが導電性素子１０２、１１２に印加されて、中間強誘電体分極状態｜－１）に達する。

【0195】

図１０ｃに示すような電荷電圧ヒステリシスループを有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００に印加すると、中間強誘電体分極状態｜＋１）に達するために、導電性素子１０２、１１２に印加される電圧または電荷を最初に状態｜＋２）に達するのに十分な正の値まで増加させる必要がある。その後、印加電圧は、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃが｜－１）の状態に切り替わるまで低下される。その後、印可電圧は、正の第１の電圧または電荷に達するまで増加され、分極１０６を状態｜＋１）に設定する。逆電圧または電荷シーケンスが導電性素子１０２、１１２に印加されて、中間強誘電体分極状態｜－１）に達する。

【0196】

図５ｂ、図１０ｅ、図１０ｆの文脈に示すような「隠れ状態」を有する強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００では、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを加熱すること、および／または強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃに機械的力を加えることを使用して、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃの分極状態１０６を隠れ状態に設定することができる。

【0197】

あるいは、強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを加熱し、および／または強誘電体ナノ粒子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃに機械的力を加えることは、強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス１００の電荷電圧ヒステリシスループを修正するために使用される。

【0198】

実施形態および図面の説明は、本開示の技術およびそれに関連する有益な効果を説明するために機能するにすぎず、限定を暗示するものではない。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

【符号の説明】

【0199】

１００ 強誘電体ナノ粒子キャパシタデバイス
１０２、１１２ 導電性素子の（対）
１０４ａ、１０４ｂ 強誘電体ナノ粒子
１０６ 分極状態
１０８、１１８ 導電性素子の互いに対向する表面
１１０ａ、１２０ａ 強誘電体ナノ粒子１０４ａに関連する導電性素子の第１のセクション部分（第１の第１のセクション）
１１０ｂ、１２０ｂ 強誘電体ナノ粒子１０４ｂに関連する導電性素子の第１のセクション部分（第２の第１のセクション）
１１０、１２０ 強誘電体ナノ粒子の全表面投影面積
１１４ 電荷制御デバイス
１１４ａ 電気接続
１２２ 誘電体セパレータ材料
１２４、１２６、１２８ 第１、第２、第３の強誘電体キャパシタ
１３０ 誘電体キャパシタ
１３２ 電荷
Ｃｆ （第１の）強誘電体キャパシタのキャパシタンス
Ｃｄ 誘電体キャパシタのキャパシタンス
１０２’、１１２’ 誘電体セパレータ材料の上下の導電性素子のセクション
２０２ 追加の導電性素子
２０４ 誘電体スペーサ
２０６ ヒータ、温度制御素子
２０８ 基板
２１０ 力制御素子
２１２ 機械的変形
２１４ 電荷制御デバイス、直列キャパシタ
３００ トランジスタ
３０２ チャネル
３０４ 半導体基板
３０６ ソース／ドレイン領域
３０８ ゲートスタック
３１０ ゲート電極
３１２ 底部電極

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5a】

【図5b】

【図6a】

【図6b】

【図7a】

【図7b】

【図8a】

【図8b】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図9d】

【図10a】

【図10b】

【図10c】

【図10d】

【図10e】

【図10f】

【図10g】

【図10h】

【図11】

【外国語明細書】

【図１】

【図２ａ】

【図２ｂ】

【図３】

【図４ａ】

【図４ｂ】

【図５ａ】

【図５ｂ】

【図６ａ】

【図６ｂ】

【図７ａ】

【図７ｂ】

【図８ａ】

【図８ｂ】

【図９ａ】

【図９ｂ】

【図９ｃ】

【図９ｄ】

【図１０ａ】

【図１０ｂ】

【図１０ｃ】

【図１０ｄ】

【図１０ｅ】

【図１０ｆ】

【図１０ｇ】

【図１０ｈ】

【図１１】