Электрически управляемый элемент памяти, способ считывания и записи его информационного состояния Российский патент 2023 года по МПК G11C17/00 H10N70/20 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к области информатики и вычислительной техники и, в частности, к тонкопленочной ячейке памяти, содержащей программируемый материал памяти. Может быть использовано в ячейках памяти динамического запоминающего устройства.

Уровень техники

Современные компьютерные технологии, используют динамическое оперативное запоминающее устройство, DRAM (Dynamic Random Access Memory), высокой плотности, которое используется в качестве основного оперативного запоминающего устройства. DRAM сохраняет данные в процессе накопления зарядов в конденсаторе. Тем не менее, эти заряды постоянно просачиваются вследствие наличия утечки тока. Поэтому, данные в DRAM должны регулярно перезаписываться, чтобы восстановить заряды на обкладках конденсаторов, и такая операция называется обновлением.

DRAM состоит из нескольких банков, и каждый банк представляет собой двумерный массив хранения данных, где горизонтальная линия называется строкой, а вертикальная линия называется столбцом. Точки пересечения строк и столбцов образуют ячейки памяти, состоящие из конденсатора и транзистора. В процессе считывания и обновления DRAM выбирает одну строку каждый раз и извлекает все данные в строке в считывающий усилитель (который представляет собой буфер строк); этот процесс представляет операцию активации. Извлечение данных в считывающий усилитель приводит к перетеканию заряда с обкладок конденсатора, что приводит к стиранию данных в ячейке (такое поведение упоминается как разрушающее считывание). Процесс разрушающего считывания предполагает последующее обновление с целью восстановления данных на ячейке. Во время обновления строки банка DRAM после считывания в буфер строк происходит запись соответствующих данных в массив хранения данных, данная операция называется предварительным зарядом. Посредством операции активации и операции предварительного заряда, реализуется полный процесс обновления. Обновление DRAM приводит к относительно значительным дополнительным затратам в компьютерной системе [1]. К недостаткам данной системы относится разрушающее считывание и дополнительные затраты ресурсов во время считывания, т.к. DRAM не может отвечать на запрос на доступ к запоминающему устройству в процессе обновления.

Увеличение плотности хранения данных на базе современных оперативных запоминающих устройств типа DRAM ограничивается вероятностью появления неконтролируемых токов утечки, что приводит к потере данных, поэтому ученые со всего мира в поисках новых технологий функционирования памяти.

В 2008 году было опубликовано сообщение ученых из Национального университета Сингапура и Китайского университета Ренминь о возможности создания тепловой памяти, как хранилища фононной информации [2]. Тепловая память хранит данные термически, путем поддержания температуры. Представленная в публикации модель показала возможность реализации памяти на бистабильных тепловых контурах. Для создания контура предложено применение сегмента Френкеля-Конторова. Формируется одномерная нелинейная решетка, состоящая из двух таких сегментов и частицей (ячейки памяти) между ними. В основе бистабильной работы данной ячейки лежит отрицательное дифференциальное тепловое сопротивление. Устанавливаются фиксированные значения температуры источников питания и, управляя тепловой ванной, регулируется температура на частице. За счет изменения тепловых потоков сегментов частица сохраняет свое состояние на долгое время даже после отключения тепловой ванны. Считывание производится в процессе измерения температуры частицы и способствует изменению теплового состояния частицы, что приводит к стиранию данных.

В 2014-м году французские и немецкие физики представили свою тепловую технологию для создания тепловой памяти [3]. Технология основана на применении материалов, обладающих свойствами изолятор-металл, при повышении температуры в которых происходит фазовый переход.

Принцип фазового перехода состоит в том, что диэлектрики, которые в нормальном состоянии имеют очень высокое сопротивление, после приложения достаточно высокого напряжения могут сформировать внутри себя проводящие нити низкого сопротивления, и по сути превратиться из диэлектрика в проводник. Физика, лежащая в основе резистивного переключения, основана на термически активируемых физических механизмах [4].

В описанной технологии используют две пластины, расположенные на расстоянии 2 см друг от друга. Материал первой пластины стекло, второй - оксид ванадия VO₂, который является переходным материалом изолятор-металл. Пластины обмениваются тепловым излучением между собой, что позволяет сохранить тепловой баланс. Процесс записи идет посредством специального разогревающего излучения. При увеличении температуры пластины из оксида ванадия до 68°С происходит фазовый переход, ведущий к увеличению электропроводности пластины. Измерение электропроводности пластин позволяет осуществить процесс считывания информационного состояния.

Фононная память, основанная на эффекте Джозефсона, представленная в 2018 году учеными из Италии и Америки использует тепловой гистерезис в сверхпроводящем устройстве квантовой интерференции (СКВИД) с контролируемым потоком и температурой. Эта система обнаруживает контролируемую потоком температурную бистабильность, которая может использоваться для определения двух хорошо различимых термических логических состояний. Предложена неинвазивная (неразрушающая) схема считывания состояний памяти на основе оценки кинетической индуктивности систем.

Приведенные тепловые модели могут применяться при формировании схем запоминающих устройств. Наибольшее развитие получили схемы резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM - Resistive random-access memory) к ним относится магнитная память с произвольным доступом (MRAM - magnetoresistive random-access memory), реализованная на так называемых мемристорах.

Известен элемент резистивной памяти [RU 2714379 C1, опубл. 14.02.2020], который содержит подложку, расположенный на подложке активный слой и два электропроводящих электрода, контактирующих с активным слоем, при этом активный слой выполнен в составе пленки поливинилового спирта с примыкающим к ней слоем частиц фторированного графена. При подаче на электропроводящие электроды короткого импульса напряжения амплитуды, например, 2,5 В и длительностью, например, 100 нc - напряжения записи информации, достаточного для протекания электрического тока через активный слой. Активный слой переходит из высокоомного состояния, соответствующего логическому «0», в низкоомное состояние, соответствующее логической «1». Происходит формирование одного или нескольких проводящих электрический ток одномерных каналов, аналогичных филаменту, по которому начинает протекать электрический ток. Осуществляется запись информации. Для стирания записанной информации к активному слою прикладывают напряжение противоположной полярности той же величины и длительности. В результате осуществляется переход активного слоя в высокоомное состояние. Для считывания информации после открывающего импульса, длительностью, например, 100 нc, по истечении времени, например, 1 мкc, подают считывающий импульс с амплитудой напряжения 0,5 В. Недостатком данной технологии изготовления элемента памяти является длительное многослойное нанесение с применением струйной печати и последующей сушкой каждого слоя. Также в качестве недостатка можно указать относительно дорогостоящий материал электродов, изготавливаемых из серебра. Недостатком функционирования является ресурсозатратный способ стирания информации из ячейки (записи логического «0»).

Известен сегнетоэлектрический элемент памяти [RU 2 668 716 C2, опубл. 02.10.2018] с дискретным набором возможных состояний числом больше двух. Элемент памяти содержит слой сегнетоэлектрика, проводящие слои по обе стороны от него и средства записи и считывания, включающие МДП-транзистор, причем слой сегнетоэлектрика выполнен сплошным или из отдельных частей, с одной стороны слоя сегнетоэлектрика выполнен сплошной проводящий слой - общий электрод в виде плавающего затвора МДП-транзистора, с другой стороны слоя сегнетоэлектрика выполнен проводящий слой в виде двух или более непересекающихся частей - электродов записи, поверх которых выполнен электрически изолированный от них и перекрывающий область канала МДП-транзистора сплошной проводящий слой - электрод считывания. Подача достаточного по величине напряжения между полупроводником МДП структуры и одним из электродов записи приведет к поляризации части сегнетоэлектрика, расположенной под этим электродом, т.е. к поляризации сегнетоэлектрика ячейки. При подаче на электрод считывания смещения (считывающее смещение) проводимость канала будет зависеть от направления поляризации сегнетоэлектрика под данным электродом. Недостатком функционирования является ресурсозатратный способ стирания информации из ячейки для записи логического «0» и ограниченное количество циклов перезаписи ячейки из сегнетоэлектрика.

Известна ячейка MRAM с использованием термической операции записи с пониженным током поля [RU 2599941 C2, опубл. 20.10.2016], содержащая магнитный туннельный переход, образованный из слоя запоминания, обладающего намагниченностью запоминания; опорного слоя, обладающего опорной намагниченностью, и туннельного барьерного слоя, расположенного между слоями считывания и запоминания; и линию тока, электрически соединенную с упомянутым магнитным туннельным переходом. Способ записи основан на пропускании тока нагрева по магнитному туннельному переходу для нагрева магнитного туннельного перехода; пропускании тока поля для переключения намагниченности запоминания в записанном направлении в соответствии с полярностью тока поля. Главным недостатком данной технологии является STT-эффект (spin-torque-transfer - перенос спинового момента), который ориентирует намагниченность запоминания в направлении, отличном от направления магнитного поля записи, что порождает нежелательное влияние на приложенное магнитное поле записи, такое как ассиметрия магнитного поля записи или даже ошибки записи.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран элемент памяти с механизмом управления энергией [RU №2214009 C2, опубл. 10.10.2003], включающий тонкопленочный программируемый халькогенидный полупроводниковый материал. К конкретным полупроводниковым сплавам, используемым для изготовления запоминающих устройств, относятся халькогенидные элементы, в которых присутствуют "неподеленные пары" валентных электронов, в частности сплавы теллура Te, более предпочтительно, чтобы халькоген включал в себя смесь Te и Se. Предложенные халькогенидные материалы памяти получают посредством высокочастотного ионного распыления и напыления. Слой материала памяти наносят толщиной приблизительно от 0,02 до 0,5 мкм. Элемент памяти также содержит пару разнесенных электрических контактов для подачи электрического входного сигнала в материал памяти. Электрические контакты представляют собой тонкопленочный электрический контактный слой из Ti и W. Электрически управляемый, прямо перезаписываемый элемент памяти содержит объем материала памяти, имеющего два значения электрического сопротивления. Материал памяти может быть установлен на одно из значений электрического сопротивления в ответ на избранный электрический входной сигнал без необходимости установления на определенное исходное или стертое значение сопротивления. Значения сопротивления материала памяти можно обнаруживать электрическим способом. Предложенные элементы памяти обладают практически энергонезависимыми установочными значениями сопротивления. Иногда значение сопротивления этих элементов памяти при некоторых обстоятельствах уходит от своего первоначально установленного значения, что приводит к ухудшению хранения информации. При программировании предложенных запоминающих устройств электрическая энергия подается в импульсе тока. Импульс электрической энергии вызывает изменение в атомной структуре халькогенидного материала памяти. Структурные изменения в этих материалах возникают в результате термических и электронных явлений. Средство управления тепловой энергией включает в себя нагревательное средство для передачи тепловой энергии в часть объема материала памяти. Указанное средство выполнено в виде одного или нескольких нагревательных слоев. Нагревательные слои представляют собой тонкопленочные структуры. Один из нагревательных слоев должен быть нанесен рядом с объемом материала памяти. Каждый из нагревательных слоев содержит титано-алюминиевый нитрид. Нагревательные слои могут наноситься такими методами, как физическое осаждение из паровой фазы, включая напыление, ионное осаждение, а также осаждение ионным распылением на постоянном токе или в ВЧ-разряде, химическое осаждение из паровой фазы и плазменное химическое осаждение из паровой фазы. Точный выбор метода зависит от множества факторов, одним из которых является ограничение по температуре нанесения, налагаемое составом целевого халькогенидного материала. Недостатком данной технологии является сравнительно сложный механизм формирования слоев структуры, что ведет к удорожанию ячейки памяти. В качестве недостатка так же можно отметить вероятность неконтролируемого ухода сопротивления, приводящего к потере данных, так как отсутствует процесс регенерации и/или коррекции ошибки.

Наиболее близким аналогом (прототипом) в части способа считывания информационного состояния электрически управляемого элемента памяти является способ считывания ячейки магнитной оперативной памяти [RU 2572464, МПК G11C 11/00, опубл. 10.01.2016г] включающий в себя: измерение значения начального сопротивления магнитного элемента с сохраненными данными, передачу первых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными, передачу вторых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными, кроме этого измерение начального сопротивления включает в себя пропускание тока считывания в магнитном элементе в отсутствие внешнего магнитного поля. Передача первых данных поиска включает в себя приложение магнитного поля считывания в первом направлении и передача вторых данных поиска включает в себя приложение магнитного поля считывания во втором направлении так, чтобы сориентировать намагниченность считывания в первом и втором направлении соответственно. Определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя измерение первого сопротивления считывания и измерение второго сопротивления считывания путем пропускания тока считывания в магнитном элементе, когда магнитное поле приложено в первом и втором направлении соответственно. Определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение измеренного первого и второго сопротивления считывания со значением начального сопротивления. Недостатком способа относительно заявляемого изобретения является необходимость воздействия внешним магнитным полем, что может приводить к влиянию появляющихся электромагнитных помех на чувствительные элементы интегральных схем.

Наиболее близким аналогом (прототипом) в части способа записи информационного состояния на электрически управляемый элемент памяти является способ записи ячейки магнитной оперативной памяти [RU 2572464, МПК G11C 11/00, опубл. 10.01.2016 г] включающий в себя нагрев магнитного элемента до температуры выше первого заранее определенного высокого температурного порога, приложение магнитного поля записи так, чтобы сориентировать первую намагниченность хранения и вторую намагниченность хранения в соответствии с магнитным полем записи, кроме этого магнитное поле записи прикладывается в первом направлении для сохранения первых данных или во втором направлении для сохранения вторых данных, дополнительно включающий в себя охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога, магнитное поле записи прикладывается в первом направлении, и дополнительно включающий в себя: охлаждение магнитного элемента до промежуточной температуры, заключенной ниже первого заранее определенного высокого температурного порога и выше второго заранее определенного высокого температурного порога, приложение магнитного поля записи во втором направлении, противоположном первому направлению, так, чтобы сориентировать вторую намагниченность хранения во втором направлении в соответствии с магнитным полем записи для хранения третьих данных, и охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога. Недостатками способа относительно заявляемого изобретения является необходимость воздействия внешним магнитным полем, что может приводить к появлению электромагнитных помех и их влиянию на чувствительные элементы интегральных схем, охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога для фиксации информационного состояния, соответствующего логической «1».

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является создание электрически управляемого элемента памяти на системе металлизации с двумя возможными информационными состояниями, способного обеспечить термическое хранение данных, путем поддержания температуры, в отличие от аналога, и разработка способа записи и считывания его информационного состояния.

В основу заявляемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции и упрощении изготовления элемента памяти, обеспечивающего термическое хранение данных, с управлением энергетическим режимом материала памяти посредством кремниевой подложки, в упрощении способа считывания и записи информационного состояния элемента памяти, обеспечении большей долговечности при циклических записи и стирании.

Поставленная техническая задача решается (достигается) тем, что электрически управляемый элемент памяти содержит материал памяти с двумя разнесенными электрическими контактами подачи электрического сигнала в упомянутый материал памяти, считывающее устройство, средство управления энергетическим режимом материала памяти, при этом материал памяти представляет собой пленку алюминия, нанесенную на средство управления энергетическим режимом материала памяти, выполненное в виде кремниевой подложки, контакты подачи электрического сигнала установлены на противоположных сторонах элемента памяти, а считывающее устройство выполнено в виде ИК-датчика. В частном случае в электрически управляемом элементе памяти материал памяти изготовлен с помощью вакуумного напыления электронно-лучевым методом испарения металла. Дополнительно по периметру материала памяти равноудаленно могут быть установлены контакты регистрации его электрического состояния в количестве от 6 до 12 штук.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые фигуры, где:

Фиг.1 - регистрация температуры материала памяти с 6 контактами регистрации;

Фиг.2 - регистрация температуры материала памяти с 8 контактами регистрации;

Фиг.3 - регистрация температуры материала памяти с 10 контактами регистрации;

Фиг.4 - регистрация температуры материала памяти с 12 контактами регистрации;

Фиг.5 - графики изменения температуры материала памяти после нагрева на 1°C, 2°C или 3°C

Фиг.6 - график с определённым вторым температурным порогом;

Фиг.7 - график наблюдения в течение 8 минут за хранением логической «1» на материале памяти;

Фиг.8 - графики нагрева и остывания материала памяти: a) нагрев материала памяти при изменении температуры на 1°C; b) нагрев материала памяти при изменении температуры на 2°C;

Фиг.9 - график нагрева материала памяти на 1°C, построенный с помощью программного обеспечения;

Фиг.10 - график нагрева материала памяти с использованием 4 и 5 импульсов тока;

Фиг.11 - график нагрева материала памяти с использованием от 6 до 8 импульсов тока;

Фиг.12 - электрически управляемый элемент памяти, выполненный на системе металлизации;

Фиг.13 - материал памяти;

Фиг.14 - система металлизации 2 и ИК-датчик 3 образуют электрически управляемый элемент памяти 1;

Фиг.15 - модель временной диаграммы работы электрически управляемого элемента памяти;

Фиг.16 - графический результат проведения эксперимента по оценке импульсного воздействия на материал памяти;

Фиг.17 - испытательный макет электрически управляемого элемента памяти.

Регистрация электрического состояния элемента памяти позволяет регистрировать фронт теплового потока, возникающего в результате нагрева и остывания материала памяти, причем чем больше контактов регистрации его электрического состояния, тем точнее можно определить распределение температуры в материале памяти. На фиг. 1 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 6 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти.

На фиг. 2 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 8 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти.

На фиг. 3 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 10 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти.

На фиг. 4 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 12 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти.

Таким образом, физическая реализация элемента памяти в предложенном размере не позволяет разместить более 12 контактов регистрации электрического состояния.

По способу считывания информационного состояния с электрически управляемого элемента памяти технический результат достигается за счет того, что осуществляется измерение значения начального показателя с сохраненными данными, определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными, при этом значение начального показателя получено путем измерения ИК-датчиком температуры материала памяти после снижения скорости остывания, определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя определение первого температурного порога и второго температурного порога путем вычисления значения информационного состояния логической «1» и значения информационного состояния логического «0» от температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания материала памяти, определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение первого и второго температурного порога со значением начальной температуры материала памяти. В частном случае вычисление значения информационного состояния логической «1» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, увеличенному на 0,5°C, и вычисление значения информационного состояния логического «0» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, уменьшенному на 0,3°C.

Накопленные в период исследования данные отражены в графиках изменения температуры, представленных на фиг.5 и показывающих, что быстрое линейное остывание материала памяти происходит в среднем через 5 сек после нагрева структуры на 2°C. Поэтому значение температуры материала памяти после снижения скорости остывания измеряют через 5 секунд после нагрева материала памяти.

Экспериментально выявлено, что определение второго температурного порога путем установления значения информационного состояния логического «0», равное значению температуры материала памяти после снижения скорости остывания приводит к потере сохраненных данных из-за перехода температуры материала памяти ниже уровня второго температурного порога (Фиг. 6). Поэтому значение информационного состояния логического «0» вычисляют от температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, уменьшая ее на 0,3°C, и таким образом определяют второй температурный порог.

Экспериментальные данные подтверждают постоянное сохранение информационного состояния, записанного на электрически управляемый элемент памяти, при использовании предложенного определения второго температурного порога (Фиг.7).

Проведенное длительное (8 минут) тестирование электрически управляемого элемента памяти, показало, что для определения первого температурного порога необходимо и достаточно увеличивать значение температуры материала памяти после снижения скорости остывания на 0,5°C, вычисляя таким образом значение информационного состояния логической «1». (Фиг.7) Так как нагрев материала памяти происходит в среднем на два градуса, то первый температурный порог обязательно будет преодолен в момент записи информационного состояния логической «1» на электрически управляемый элемент памяти. Но в режиме поддержания тепла на электрически управляемом элементе памяти ложных переходов через первый температурный порог не произойдет.

По способу записи на электрически управляемый элемент памяти технический результат достигается за счет того, что запись информационного состояния на материал памяти включает нагрев материала памяти, охлаждение материала памяти до промежуточного температурного порога, при котором снижается скорость остывания материала памяти, и охлаждение до второго температурного порога, при этом нагрев материала памяти осуществляют пропусканием 5 импульсов тока нагрева, а для его охлаждения до промежуточного температурного порога количество импульсов тока нагрева уменьшают. Охлаждение до второго температурного порога может быть выполнено путем блокирования тока нагрева.

В процессе исследования работы электрически управляемого элемента памяти были получены графики изменения температуры материала памяти при нагревании и остывании материала памяти (Фиг.8).

Неравномерность нагрева материала памяти при изменении температуры на 1°C (Фиг. 8а) связана с расхождением частоты измерений и изменением темпа его охлаждения, т.е. появлением моментов приема показаний с ИК-датчика, соответствующих темпу охлаждения при температуре, которая будет получена при следующем обращении к ИК-датчику. График нагрева материала памяти при изменении температуры на 2°C (Фиг. 8b) показывает линейное изменение температуры материала памяти по переднему фронту за счет уменьшения влияния температуры окружающей среды и ограничения зависимости от частоты обращения к ИК-датчику. Поэтому для исключения ошибок записи информационного состояния материал памяти должен быть нагрет не менее чем на 2°C.

Пропускание через материал памяти от 1 до 3 импульсов тока ведет к нагреву на один градус, чего недостаточно для исключения ошибок записи (Фиг. 9).

Проведенные эксперименты по записи информационного состояния электрически управляемого элемента памяти показали, что требуемый нагрев материала памяти достигается пропусканием 4 и 5 импульсов тока. Ошибки записи исключены как в случае с 4 импульсами тока, так и с 5 импульсами тока (Фиг.10).

Увеличение количества импульсов тока от 6 до 8 вызывает нагрев материала памяти на три градуса (Фиг. 11). Скорость остывания при таком нагреве сравнима со скоростью остывания при нагреве на два градуса, но увеличение времени на нагрев приведет к увеличению периода «ожидания» тепловой ячейки, когда к ней нельзя обращаться.

Осуществление изобретения

Электрически управляемый элемент памяти выполнен на системе металлизации (фиг. 12). Система металлизации сформирована по технологическому маршруту, который включает: химическую подготовку поверхности монокристаллических пластин кремния (Si) для напыления металлизации, и которые используются в качестве средства управления энергетическим режимом материала памяти, далее производят напыление алюминия (Al), в виде пленки, с помощью вакуумного напыления электронно-лучевым методом испарения металла и проводят оптическую фотолитографию для получения системы металлизации с шириной проводящей дорожки 75 мкм и длиной - 4*10³мкм. Толщина пленки металлизации составляет 2÷3 мкм. Длина полупроводникового основания составляет 1*10⁴ мкм, ширина 5*10³ мкм.

Проводящая дорожка, проходящая от контакта I до I на фиг. 13, предназначена для переноса импульса тока в прямом и обратном направлениях и является материалом памяти.

Система металлизации 2 и ИК-датчик 3 образуют электрически управляемый элемент памяти 1 (фиг. 14).

Электрически управляемый элемент памяти работает следующим образом.

Для записи логической «1» материал памяти нагревают посредством пропускания 4 или 5 импульсов тока нагрева с коэффициентом заполнения 0,02 и амплитудой равной 2,5*10¹⁰ А/м² на 2°C.

Стартует процесс регенерации, который поддерживает температуру материала памяти в промежуточном температурном диапазоне между первым и вторым температурными порогами, что позволяет сохранять записанное информационное состояние без ошибок. Процесс регенерации включает в себя нагрев материала памяти, посредством пропускания 2 импульсов тока нагрева с частотой 0,2 Гц, с коэффициентом заполнения 0,02 и амплитудой равной 2,5*10¹⁰ А/м². Процесс регенерации контролируется автоматически, чтобы избежать перегрева материала памяти с дальнейшей деформацией и выходом из строя. Программа уменьшает частоту и количество импульсов подогрева, когда температура материала памяти на несколько десятых долей превышает значение первого температурного порога.

Необходимый нагрев с использованием устройства управления функционированием тонкопленочной ячейки памяти можно было осуществить несколькими способами: меняя амплитуду импульса тока, меняя длительность импульса или количество идущих подряд с частотой 0,02 Гц импульсов тока. Использование амплитуды меньше 2*10¹⁰ А/м² требует увеличения количества и длительности токовых импульсов, что сказывается на периоде нагрева материала памяти. Современные тенденции по увеличению скорости работы памяти требуют поиска самых оптимальных временных характеристик работы электрически управляемого элемента памяти, таких как время нагрева, период доступа на «чтение», время подогрева, приведенные на модели временной диаграммы работы электрически управляемого элемента памяти (фиг. 15).

Поэтому амплитуду тока увеличили до 2,5*10¹⁰ А/м² и выбрали длительность импульса равную 1 мс. Увеличение электрической мощности в эксплуатации полупроводниковых структур способствует развитию деградации систем металлизации вплоть до их оплавления. Термическое хранение данных возможно только в условиях постоянного поддержания тепла посредством подогрева. Процесс подогрева реализуется пропусканием импульсов тока через материал памяти с частотой 0,2 Гц. Что можно классифицировать как «жесткие» условия эксплуатации. Поэтому принято решение больше не увеличивать амплитуду импульса тока. Дальнейшие эксперименты были направлены на подбор оптимального количества импульсов нагрева и подогрева.

Результат эксперимента с пропусканием двух импульсов тока подогрева с коэффициентом заполнения 0,02 и частотой подачи импульсов 0,2 Гц доказал правильность выбранных параметров импульсов тока для процедуры регенерации (фиг. 16)

Для записи логического «0» температура материала памяти должна стать меньше второго температурного порога, что происходит в результате блокирования тока подогрева.

Считывание информационного состояния происходит путем измерения ИК-датчиком значения температуры материала памяти с сохраненными данными и сравнения данной температуры со значениями первого и второго температурных порогов.

Значения первого и второго температурных порогов определяются при первом нагреве материала памяти. Вычисление ведется от температуры материала памяти после снижения скорости остывания, которая фиксируется по показаниям, принятым с ИК-датчика через 5 секунд после первого нагрева материала памяти. Значение первого температурного порога равно температуре материала памяти, после снижения скорости остывания, увеличенной на 0,5°C. Значение второго температурного порога равно температуре материала памяти, после снижения скорости остывания, уменьшенной на 0,3°C.

Примеры осуществления изобретения

На фиг. 17 представлена экспериментальная модель электрически управляемого элемента памяти 1, где в качестве ИК-датчика 3 взят Melexis MLX90614CI, а система металлизации закреплена на медной пластинке 2 и установлена в гнездо.

Список литературы

1. ЦУЙ Цзэхань, ЧЕНЬ Миньгиу, ХУАН Юнбин. Способ и система для обновления динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM) и устройство / Патент RU 2665883 C2, опубл. 04.09.2018г

2. Wang, L., Li, B. Thermal memory: A storage of phononic information //Physical Review Letters, 2008, Vol.101, Iss. 26, Article № 267203

3. Viacheslav Kubytskyi, Svend-Age Biehs and Philippe Ben-Abdallah Radiative Bistability and Thermal Memory// Physical Review Letters. - April 2014. - V. 113. - №7

4. Claudio Guarcello, Paolo Solinas, Alessandro Braggio, Massimiliano Di Ventra and Francesco Giazotto, Josephson Thermal Memory // Phys. Rev. App. - January 2018. - V.9. - №1. - P.11

5. Roldán, J.B. et.al. On the Thermal Models for Resistive Random Access Memory Circuit Simulation// Nanomaterials 2021, 11, 1261.

6. RU 2714379 C1, опубл. 14.02.2020

7. RU 2668716 C2, опубл. 02.10.2018

8. RU 2599941 C2, опубл. 20.10.2016

9. RU №2214009 C2, опубл. 10.10.2003

10. RU 2572464, опубл. 10.01.2016 Бюл. № 1

Изобретение относится к электрически управляемому элементу памяти, в котором материал памяти представляет собой пленку алюминия, нанесенную на средство управления энергетическим режимом материала памяти, выполненное в виде кремниевой подложки, контакты подачи электрического сигнала установлены на противоположных сторонах элемента памяти, считывающее устройство выполнено в виде ИК-датчика, а также к способам записи и считывания информационного состояния на материал памяти этого элемента памяти. Техническим результатом является изготовление элемента памяти, обеспечивающего большую долговечность при циклических записи и стирании информационного состояния элемента памяти за счет термического хранения данных; упрощение способа считывания и записи информационного состояния элемента памяти. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Электрически управляемый элемент памяти, содержащий материал памяти с двумя разнесенными электрическими контактами подачи электрического сигнала в упомянутый материал памяти, считывающее устройство, средство управления энергетическим режимом материала памяти, отличающийся тем, что

материал памяти представляет собой пленку алюминия, нанесенную на средство управления энергетическим режимом материала памяти, выполненное в виде кремниевой подложки, контакты подачи электрического сигнала установлены на противоположных сторонах элемента памяти, а считывающее устройство выполнено в виде ИК-датчика.

2. Электрически управляемый элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что материал памяти изготовлен с помощью вакуумного напыления электронно-лучевым методом испарения металла.

3. Электрически управляемый элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что дополнительно по периметру материала памяти равноудаленно установлены контакты регистрации его электрического состояния в количестве от 6 до 12 штук.

4. Способ считывания информационного состояния с электрически управляемого элемента памяти по п.1, заключающийся в измерении значения начального показателя с сохраненными данными, определении соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными и определении соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными, отличающийся тем, что

значение начального показателя получено путем измерения ИК-датчиком температуры материала памяти,

определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя определение первого температурного порога и второго температурного порога путем вычисления значения информационного состояния логической «1» и значения информационного состояния логического «0» от температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания материала памяти,

определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение первого и второго температурного порога со значением начальной температуры материала памяти.

5. Способ считывания по п.4, отличающийся тем, что значение информационного состояния логической «1» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, увеличенному на 0,5°С.

6. Способ считывания по п.4, отличающийся тем, что значение информационного состояния логического «0» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, уменьшенному на 0,3°С.

7. Способ записи на электрически управляемый элемент памяти по п.1, заключающийся в записи информационного состояния на материал памяти, включающий нагрев материала памяти, охлаждение материала памяти до промежуточного температурного порога, при котором снижается скорость остывания материала памяти, и охлаждение до второго температурного порога, отличающийся тем, что

нагрев материала памяти осуществляют пропусканием от 4 до 5 импульсов тока нагрева, а для его охлаждения до промежуточного температурного порога количество импульсов тока нагрева уменьшают.

8. Способ записи по п.7, отличающийся тем, что охлаждение до второго температурного порога может быть выполнено путем блокирования тока подогрева.