ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ДИНАМИЧЕСКОГО ОПЕРАТИВНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Предполагаемая полезная модель относится к области электроники и вычислительной техники, конкретно к динамическим оперативным запоминающим устройствам (ДОЗУ).
Известен аналог заявляемого объекта элемент памяти ДОЗУ [RU Патент №RU 2216795 С2 от 27 февраля 2001 года], содержащий запоминающий конденсатор, адресную, разрядную и общую шины, p-(n-) канальный МОП транзистор, нелинейный резистор и биполярный n-p-n (p-n-p) транзистор.
Данный элемент памяти позволяет осуществлять запись, кратковременное хранение и считывание электрического заряда.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются структура МОП транзистора (в заявляемом устройстве структура селективно легированного гетероструктурного транзистора) с областями стока и истока, металлизированными контактами к ним и управляющим электродом (затвором), запоминающий конденсатор (в заявляемом устройстве мезоструктура с массивами квантовых точек).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: большая занимаемая элементом площадь, слабая масштабируемость, значительная потребляемая мощность.
Известен аналог заявляемого объекта элемент памяти ДОЗУ [GB Patent №GB 2,283,128 А от 26 апреля 1995 года], содержащий полуизолирующую подложку полупроводникового материала, на которой сформированы нелегированный барьерный слой широкозонного материала, слой двумерного электронного газа (ДЭГ) на гетерогранице подложка-барьер, слой фоточувствительного материала, в которой сформированы области стока и истока и металлизированные контакты к ним, на которой между областями стока и истока сформирована мезоструктура, состоящая из массива квантовых точек, выполненных из металла, в матрице металлического оксида, к которой сформирован металлический контакт управляющего электрода (затвора).
Данная конструкция элемента памяти позволяет осуществлять запись, кратковременное хранение и считывание информации, уменьшить размер функционального элемента, повысить плотность упаковки элементов.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: полуизолирующая подложка полупроводникового материала, нелегированный барьерный слой широкозонного материала, мезоструктура с массивом квантовых точек, области стока и истока и металлизированные контакты к ним, управляющий электрод (затвор), конструктивная интеграция транзисторной и емкостной структур.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: комбинированный (оптический и электрический) способ записи, использование фоточувствительного слоя, неравномерность массива и разброс геометрических параметров квантовых точек.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является элемент ДОЗУ [Balocco С., Song A. M., Missous M. Room-temperature operations of memory devices based on self-assembled InAs quantum dot structures // Applied Physics Letters, Vol.85, №24, 13.12.2004 - p.5911-5913], содержащий полуизолирующую полупроводниковую подложку, на которой сформирована инвертированная структура селективно легированного гетероструктурного транзистора (СЛГТ), содержащая буферный слой нелегированного полупроводника, нелегированный барьерный слой широкозонного полупроводника, легирующий дельта-слой, нелегированный барьерный слой широкозонного полупроводника, проводящий нелегированный слой узкозонного напряженного полупроводника, нелегированный барьерный слой широкозонного полупроводника, области стока и истока и металлизированные контакты к ним, на которой между областями стока и истока сформирована мезоструктура, состоящая из одного массива квантовых точек из нелегированного узкозонного полупроводника между барьерными слоями нелегированного широкозонного полупроводника, к которой сформирован металлизированный контакт с барьером Шоттки управляющего электрода (затвора).
Данная конструкция запоминающего элемента позволяет осуществлять операции записи, кратковременного хранения и считывания электрического заряда, уменьшить размер функционального элемента, повысить плотность упаковки ячеек памяти, снизить энергопотребление прибора.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются полуизолирующая полупроводниковая подложка, нелегированные барьерные слои широкозонного полупроводника, мезоструктура с квантовыми точками, области стока и истока и металлизированные контакты к ним, управляющий электрод (затвор), конструктивная интеграция транзисторной и емкостной структур.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются массивы неупорядоченных квантовых точек, разброс геометрических параметров квантовых точек, напряженный материал слоя проводящего канала.
Задача предполагаемого изобретения - уменьшение энергопотребления, снижение рабочих напряжений, повышение помехоустойчивости и быстродействия элемента памяти, увеличение плотности записываемой информации. Это достигается за счет использования сверхрешетки, эффективно фильтрующей дислокации подложки, композитного буфера переменного состава, снимающего упругие напряжения и расширяющего диапазон вариаций состава вышележащих слоев, вместе со сверхрешеткой позволяя использовать в качестве канала бездефектный, ненапряженный слой более узкозонного полупроводника с меньшей эффективной массой и большей подвижностью носителей, что значительно улучшает электрофизические характеристики прибора, а также введением в мезоструктуру двух массивов с определенным числом упорядоченных квантовых точек заданного размера, каждый из которых находится в слое широкозонного полупроводника различного состава, что обеспечивает возможность многоуровневой записи информации за счет модификации энергетической структуры квантовых точек под воздействием окружающего их материала с различной шириной запрещенной зоны, задаваемой его составом, путем раздельной записи информации в каждый массив, упорядоченная структура которого способствует повышению помехоустойчивости и уменьшению размеров элемента.
Технический результат достигается тем что, в известном устройстве ДОЗУ буферный слой сформирован на сверхрешетке и имеет композитную структуру переменного состава, слой проводящего канала выполнен из ненапряженного узкозонного полупроводника, мезоструктура содержит два массива с определенным числом вертикально и латерально упорядоченных квантовых точек заданного размера, каждый из которых находится в слое широкозонного полупроводника различного состава.
Для достижения необходимого технического результата в запоминающий элемент ДОЗУ, состоящий из полуизолирующей полупроводниковой подложки, на которой сформирована инвертированная структура селективно легированного гетероструктурного транзистора, содержащая буферный слой нелегированного полупроводника, первый нелегированный барьерный слой широкозонного полупроводника, легирующий дельта-слой, второй нелегированный барьерный слой широкозонного полупроводника, проводящий нелегированный слой узкозонного упруго напряженного полупроводника, третий нелегированный барьерный слой широкозонного полупроводника, области стока и истока и металлизированные контакты к ним, на которой между областями стока и истока сформирована мезоструктура, содержащая массив квантовых точек из нелегированного узкозонного полупроводника между барьерными слоями нелегированного широкозонного полупроводника, к которой сформирован металлизированных контакт с барьером Шоттки управляющего электрода (затвора), введены сверхрешетка, буферный слой с композитной структурой переменного состава, слой проводящего канала из ненапряженного узкозонного полупроводника, мезоструктура с двумя массивами с определенным числом вертикально и латерально упорядоченных квантовых точек заданного размера, каждый из которых находится в слое широкозонного полупроводника различного состава.
На Фиг.1. приведено сечение предлагаемого элемента памяти ДОЗУ. На Фиг.2. приведена топология мезоструктуры с массивом упорядоченных квантовых точек заданного размера.
Запоминающий элемент ДОЗУ (Фиг.1) содержит полуизолирующую полупроводниковую подложку 1, на которой сформирована инвертированная структура СЛГТ, состоящая из сверхрешетки 2, композитного буфера переменного состава 3, нелегированных барьерных слоев 4, 6, 8 широкозонного полупроводника одинакового состава, между которыми сформирован легирующий дельта-слой 5 и слой канала 7, выполненный из нелегированного узкозонного ненапряженного полупроводника, областями истока 9 и стока 10, металлизированными контактами 11, 12 к ним, между которыми сформирована мезоструктура с двумя массивами латерально и вертикально упорядоченных квантовых точек заданного размера 13, 15, выполненных из нелегированного узкозонного полупроводника одинакового состава, в слоях нелегированного широкозонного полупроводника различного состава 14, 16, причем значение ширины запрещенной зоны материала слоя 16 значительно меньше материала слоя 14, поверх которых сформирован барьерный слой широкозонного полупроводника 17, к которой сформирован металлизированных контакт 18 с барьером Шоттки управляющего электрода (затвора).
Работает запоминающий элемент следующим образом.
При подаче на затвор 18 на поверхности барьерного слоя 17 инвертированной структуры СЛГТ, сформированной на подложке 1 со сверхрешеткой 2 и композитным буфером 3, первого импульса положительного напряжения такой величины, при котором выравниваются энергетический уровень в квантовых точках массива 13 и уровень Ферми в канале 7, количество носителей, определяемое числом квантовых точек в массиве 13, из слоя ДЭГ, формирующегося в канале 7 путем перехода через барьер 6 носителей из расположенного между барьерами 4, 6 дельта-слоя 5, туннелирует через барьер 8 на уровень в квантовых точках массива 13, формируя там локализованный заряд определенной величины, в результате чего ток между областями истока 9 и стока 10 через контакты 11, 12 снижается за счет одновременного снижения концентрации носителей в канале 7 и возрастании кулоновского рассеяния; при подаче на затвор 18 второго импульса положительного напряжения такой величины, при котором выравниваются энергетический уровень в квантовых точках массива 15 и уровень Ферми в канале 7, количество носителей, определяемое числом квантовых точек в массиве 15, из слоя ДЭГ в канале 7 туннелирует через барьеры 8, 14 на уровень в квантовых точках массива 15, формируя там локализованный заряд определенной величины, в результате чего ток между областями истока 9 и стока 10 снижается на еще большую величину; сброс записанной информации осуществляется путем подачи на затвор 18 длительного импульса отрицательного напряжения, в результате чего все носители из квантовых точек массивов 13, 15 переходят в слой ДЭГ канала 7, увеличивая ток между областями истока 9 и стока 10 через контакты 11, 12 за счет одновременного возрастания концентрации носителей в канале 7 и уменьшения кулоновского рассеяния.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой запоминающий элемент ДОЗУ, позволяющий осуществлять электрически управляемую запись, кратковременное хранение и считывание электрического заряда в одной функционально интегрированной структуре. Введение в структуру элемента сверхрешетки 2, композитного буфера 3, двух массивов латерально и вертикально упорядоченных квантовых точек 13, 15, в слоях нелегированного широкозонного полупроводника различного состава 14, 16 позволяет увеличить быстродействие, помехоустойчивость, плотность записи информации, снизить энергопотребление и рабочие напряжения прибора.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый запоминающий элемент позволяет уменьшить размер запоминающего элемента, снизить потребляемую мощность и рабочие напряжения, повысить помехоустойчивость и упростить технологический процесс его изготовления.