Способ записи и считывания информации для элементов постоянной памяти нейроморфных систем Российский патент 2021 года по МПК H01L29/30 G06N3/63 

Описание патента на изобретение RU2744440C1

В последнее время значительный интерес привлекают структуры резистивной памяти для использования их в электронике и системах для реализации нейроморфных вычислений. В таком случае рабочим параметром является электропроводность материала, которая может управляться внешними параметрами. На сегодняшний день разработано несколько видов материалов, обладающих свойством менять проводимость вплоть до нескольких порядков под действием напряжения/тока, излучения и др. При практической реализации, способ записи информации должен выбираться в зависимости от необходимого типа ячейки памяти.

Известен способ записи информации на основе влияния электрического поля на проводимость монокристалла черного фосфора [Black phosphorus nonvolatile transistor memory, Dain Lee, Yongsuk Choi, Euyheon Hwang, Moon Sung Kang, Seungwoo Lee and Jeong Ho Cho, Nanoscale, 8, 9107, (2016)] - прототип. При данном способе, тонкие слои монокристалла черного фосфора служат проводящим каналом полевого транзистора. Управление проводимостью в канале осуществляется с помощью перезаряжаемой области подзатворного диэлектрика, реализованной на основе наночастиц золота. Перезарядка осуществляется при приложении затворного напряжения, за счет туннелирования носителей заряда между слоем наночастиц золота (подзатворный диэлектрик) и монокристаллической пленкой черного фосфора (проводящий канал транзистора). Возникающее после перезарядки электрическое поле позволяет поддерживать количество носителей в канале при отключении напряжения на затворе и использование такого способа записи для реализации постоянной энергонезависимой резистивной памяти.

Недостатком данного способа записи - прототипа, является необходимость использования внешних электрических полей, и, следовательно, отдельного управляющего электрода (затвора) со сложным типом перезаряжаемого подзатворного диэлектрика для записи информации, в добавление к обычным металлическим контактам, применяемым для считывания состояния ячейки. В то же время в ряде задач нейроморфных вычислений требуется создание простых элементов долговременной памяти, где запись и стирание информации производятся по тому же каналу, что ее считывание.

Задача предлагаемого изобретения - разработка способа записи информации для системы долговременной резистивной памяти с единым каналом записи и считывания без необходимости использования внешних электрических полей затвора транзистора для записи информации.

Поставленная задача решается с помощью изменения проводимости монокристалла черного фосфора, при этом запись и считывание производятся за счет управляемого дрейфа вакансий вблизи контакта металл-черный фосфор при приложении напряжения к контакту от меньше -2 В до -10 В для записи и от +2 В до -2 В для считывания.

Черный фосфор является наиболее стабильной аллотропной модификацией фосфора, имеет слоистую кристаллическую структуру с орторомбической кристаллической решеткой. Проводимость кристаллов черного фосфора определяется наличием вакансий в структуре кристалла, что приводит к образованию заряженных центров акцепторного типа. Разогрев кристалла протекающим электрическим током приводит к появлению дрейфа вакансий в поле тока, при этом дрейф является значительным даже далеко до температуры плавления объемного материала.

Для отдельного контакта металл-черный фосфор, при подаче напряжения смещения, наблюдается сильно асимметричный характер дифференциальной проводимости в зависимости от знака напряжения смещения в силу наличия встроенного электрического поля в контакте. Дрейф вакансий вблизи контакта металл-черный фосфор изменяет встроенное электрическое поле в области контакта, соответственно, меняет проводимость контакта металл-черный фосфор.

При такой структуре проводимости контакта, при приложении малых (в интервале от +2 В до больше -2 В в модельной структуре) напряжений обоих знаков образец демонстрирует устойчивое, хорошо воспроизводимое в разных циклах поведение дифференциальной проводимости, что позволяет использовать напряжения в интервале от +2 В до больше -2 В для считывания состояния устройства. Приложение больших (от меньше -2 В до -10 В в модельной структуре) отрицательных напряжений, приводит к значительному возрастанию тока через образец, его локальному нагреву и стимулирует дрейф вакансий от контакта черный фосфор-металл, уменьшая проводимость контакта.

Это изменение проводимости является необратимым и сохраняет определенное состояние при отключении поля: обратный процесс дрейфа вакансий невозможен, так как в силу резко асимметричной вольт-амперной характеристики контакта разогревные эффекты недостижимы при обратной (положительной) полярности электрического поля. Таким образом, в предлагаемом способе записи реализуется контролируемое уменьшение дифференциальной проводимости при приложении импульса напряжения определенной полярности, и многократное считывание состояния устройства без его изменения.

Использование такого способа записи информации позволит значительно упростить способ записи информации за счет отсутствия необходимости в управляющем электрическом поле затвора, и, следовательно, за счет использования единого канала записи и считывания, что важно для реализации нейроморфных систем. Предложенный способ записи позволяет также реализовать управление импульсами переменного напряжения достаточной амплитуды, так как изменение состояния образца будет происходить только при одной половине периода колебаний напряжения.

На Фиг. 1 показан график зависимости дифференциальной проводимости dl/dV для модельной структуры от электрического напряжения V, приложенного к контакту металл-черный фосфор в одном цикле приложения напряжения. Направление изменения напряжения для кривых на графике показано стрелками. Видно изменение проводимости контакта при приложении отрицательного по знаку напряжения смещения.

Предлагаемый способ записи заключается в следующем. Приложение малых (в интервале от +2 В до -2 В в модельной структуре) напряжений обоих знаков (или переменного напряжения аналогичной амплитуды) к контакту металл-черный фосфор позволяет многократно считывать состояние устройства без его изменения. Приложение больших (в интервале от меньше -2 В до -10 В в модельной структуре) отрицательных напряжений (либо переменного напряжения аналогичной амплитуды) контролируемо увеличивает сопротивление контакта металл-черный фосфор, это состояние сохраняется стабильно при отключении напряжения и может многократно считываться при приложении напряжений в интервале от +2 В до -2 В.

Основываясь на вольт-амперной характеристике Фиг. 1, можно привести следующие примеры использования способа записи и считывания:

Пример 1

Приложено напряжение +2 В. Проводимость контакта стабильна, не зависит от длительности приложения напряжения, происходит считывание информации (значения проводимости).

Пример 2

Приложено напряжение 0 В. Проводимость контакта стабильна, не зависит от длительности приложения напряжения, происходит считывание информации (значения проводимости).

Пример 3

Приложено напряжение больше -2 В. Проводимость контакта стабильна, не зависит от длительности приложения напряжения, происходит считывание информации (значения проводимости).

Пример 4.

Приложено напряжение меньше -2 В. Проводимость контакта выраженно меняется во времени, происходит запись информации.

Пример 5.

Приложено напряжение -6 В. Проводимость контакта выраженно меняется во времени, происходит запись информации.

Пример 6.

Приложено напряжение -10 В. Проводимость контакта выраженно меняется во времени, происходит запись информации.

Пример 7.

Приложено напряжение -11 В. Разогрев контакта протекающим током приводит к плавлению монокристалла черного фосфора, зависимость проводимости от времени меняется неконтролируемо, считывание и запись информации невозможны.

Похожие патенты RU2744440C1

название год авторы номер документа
Элемент постоянной памяти на основе проводящего ферроэлектрика GeTe 2022
  • Орлова Надежда Николаевна
  • Девятов Эдуард Валентинович
  • Тимонина Анна Владимировна
  • Колесников Николай Николаевич
RU2785593C1
ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ДЛЯ ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 1989
  • Колкер Б.И.
  • Крюков С.В.
  • Гаштольд В.Н.
RU1604054C
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО 1998
  • Сунами Хидео
  • Ито Кийоо
  • Шимада Тошиказу
  • Наказато Казуо
  • Мизута Хироши
RU2216819C2
Оптически управляемый мемристор на основе МДП-структуры ITO/ZrO2(Y)/Si с наноостровками Ge 2022
  • Коряжкина Мария Николаевна
  • Филатов Дмитрий Олегович
  • Шенина Мария Евгеньевна
  • Антонов Иван Николаевич
  • Круглов Александр Валерьевич
  • Ершов Алексей Валентинович
  • Горшков Алексей Павлович
  • Денисов Сергей Александрович
  • Чалков Вадим Юрьевич
  • Шенгуров Владимир Геннадьевич
RU2803506C1
ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ЭСППЗУ С УПРАВЛЯЕМЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ ПОДЗАТВОРНОЙ ОБЛАСТИ 2011
  • Мурашев Виктор Николаевич
  • Леготин Сергей Александрович
  • Шелепин Николай Алексеевич
  • Орлов Олег Михайлович
RU2465659C1
ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С ЯЧЕЙКОЙ ПАМЯТИ 2012
  • Луцев Леонид Владимирович
  • Кусраев Юрий Георгиевич
RU2543668C2
ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ 1979
  • Нагин А.П.
  • Мальцев А.И.
  • Власенко В.А.
  • Тюлькин В.М.
  • Чернышев Ю.Р.
  • Минаев В.В.
RU1110315C
Ячейка оперативной памяти 2024
  • Гордеев Александр Иванович
  • Войтович Виктор Евгеньевич
RU2826859C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИНАПТИЧЕСКОГО МЕМРИСТОРА НА ОСНОВЕ НАНОКОМПОЗИТА МЕТАЛЛ-НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЙ ОКСИД 2017
  • Демин Вячеслав Александрович
  • Емельянов Андрей Вячеславович
  • Калинин Юрий Егорович
  • Кашкаров Павел Константинович
  • Копытин Михаил Николаевич
  • Ситников Александр Викторович
  • Рыльков Владимир Васильевич
RU2666165C1
НАКОПИТЕЛЬ ДЛЯ ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 1987
  • Колкер Б.И.
  • Крюков С.В.
SU1436735A3

Иллюстрации к изобретению RU 2 744 440 C1

Реферат патента 2021 года Способ записи и считывания информации для элементов постоянной памяти нейроморфных систем

Изобретение относится к области структур памяти с использованием биологической модели, в частности к способу записи и считывания информации для элементов постоянной памяти нейроморфных систем. Технический результат заключается в обеспечении записи информации для системы долговременной резистивной памяти с единым каналом записи и считывания без необходимости использования внешних электрических полей затвора транзистора для записи информации. Технический результат достигается за счет способа, который включает изменение проводимости монокристалла черного фосфора, а также запись и считывание, которые производятся за счет управляемого дрейфа вакансий вблизи контакта металл-черный фосфор при приложении напряжения к контакту от меньше -2 В до -10 В для записи и от +2 В до больше -2 В для считывания. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 744 440 C1

Способ записи и считывания информации для элементов постоянной памяти для нейроморфных систем, включающий изменение проводимости монокристалла черного фосфора, отличающийся тем, что запись и считывание производятся за счет управляемого дрейфа вакансий вблизи контакта металл-черный фосфор при приложении напряжения к контакту от меньше -2 В до -10 В для записи и от +2 В до больше -2 В для считывания.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2744440C1

Автомобиль-сани, движущиеся на полозьях посредством устанавливающихся по высоте колес с шинами 1924
  • Ф.А. Клейн
SU2017A1
Устройство для закрепления лыж на раме мотоциклов и велосипедов взамен переднего колеса 1924
  • Шапошников Н.П.
SU2015A1
Многоступенчатая активно-реактивная турбина 1924
  • Ф. Лезель
SU2013A1
Автомобиль-сани, движущиеся на полозьях посредством устанавливающихся по высоте колес с шинами 1924
  • Ф.А. Клейн
SU2017A1
Устройство для приема частотно-модулированных сигналов 1940
  • Д. Кларк
SU77483A3

RU 2 744 440 C1

Авторы

Девятов Эдуард Валентинович

Орлова Надежда Николаевна

Загитова Азалия Азатовна

Кулаков Валерий Иванович

Даты

2021-03-09Публикация

2020-09-23Подача