ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ВЕРТИКАЛЬНО ОРИЕНТИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Предполагаемая полезная модель относится к области электроники и вычислительной техники, конкретно к электрически перепрограммируемым запоминающим устройствам, и может быть использована при создании наноразмерных элементов энергоэффективной резистивной оперативной памяти (RRAM) с высоким быстродействием.
Функциональным аналогом заявленного объекта является «Мемристор с наноструктурой в запоминающем слое» [US Patent № US 8,207,593 от 26 июня 2012 года], содержащий нижний электрод, кластер проводящих наноструктур, находящихся в контакте с поверхностью нижнего электрода, запоминающий слой, покрывающий кластер наноструктур, верхний электрод. Принцип работы данного мемристора основан на перераспределении кислородных вакансий в запоминающем слое под действием электрического поля, локализованного в области между наноструктурой и верхним электродом.
Данное устройство памяти на основе мемристоров позволяет осуществлять запись, долговременное хранение и считывание информации за счет изменения сопротивления запоминающего слоя при приложении импульса напряжения.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) первый электрод;
б) второй электрод;
в) материал, проявляющий мемристорные свойства;
г) вертикальное размещение ячеек памяти.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: сложность технологического процесса формирования наноструктуры и запоминающего мемристорного слоя, ограниченность минимальных геометрических размеров ячейки памяти разрешением литографических операций.
Известен аналог заявляемого объекта - «Ячейка памяти с резистивным переключающим элементом на основе углеродных нанотрубок и метод ее формирования» [US Patent № US 2010/0072445 от 25 марта 2010 года], содержащая нижний электрод, верхний электрод, резистивный переключающий элемент с углеродными нанотрубками, управляющий элемент, барьерный слой между резистивным и управляющим элементами, маска для формирования управляющего элемента, барьерный слой между управляющим элементом и маской, барьерный слой между верхним электродом и маской. Резистивный переключающий элемент представляет собой суспензию углеродных нанотрубок, осажденную на нижний электрод. Принцип работы данной ячейки памяти основан на переключении резистивного элемента с углеродными нанотрубками из низкоомного состояния в высокоомное при приложении первого импульса напряжения, и из высокоомного в низкоомное состояние при приложении второго импульса напряжения и т.д.
Данная ячейка памяти позволяет осуществлять запись, долговременное хранение и считывание информации, а также не требует прецизионного и сложного размещения наноструктур.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) подложка;
б) верхний электрод;
в) нижний электрод;
г) использование углеродных нанотрубок в качестве переключающего резистивного элемента;
д) вертикальное размещение ячеек памяти.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: необходимость формирования управляющего элемента с использованием операций литографии, ограниченность геометрических размеров ячейки памяти минимальным разрешением литографии.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является «Элемент резистивной памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок» [РФ Патент №142375 от 24 декабря 2013 года], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, нижние контактные электроды, вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, выращенные методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы, выступающие в качестве запоминающего материала, верхние контактные электроды и диэлектрический слой, обеспечивающий изоляцию вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Принцип работы данной ячейки памяти основан на переключении сопротивления вертикально ориентированной углеродной нанотрубки между низкоомным и высокоомным состояниями при приложении импульса напряжения в результате ее поляризации и деформации под действием внешнего электрического поля.
Данный элемент памяти позволяет осуществлять запись, хранение и считывание информации, не требует дополнительного позиционирования вертикально ориентированной углеродной нанотрубки после ее выращивания, а также позволяет повысить плотность записи информации за счет уменьшения размеров ячейки памяти до диаметра индивидуальной нанотрубки.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) подложка;
б) верхний электрод;
в) нижний электрод;
г) вертикальная ориентация углеродных нанотрубок;
д) использование вертикально ориентированной углеродной нанотрубки в качестве материала, проявляющего мемристорные свойства;
е) получение вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: ограничение процессов переключения ячейки памяти за счет наличия потенциального барьера на границе раздела между вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой и верхним электродом, высокое сопротивление контакта между вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой и верхним электродом, и как следствие, высокое напряжение переключения сопротивления ячейки памяти между низкоомным и высокоомным состояниями.
Задача предполагаемой полезной модели - повышение быстродействия ячейки памяти и уменьшение напряжения переключения сопротивления ячейки памяти с целью снижения энергопотребления.
Технический результат достигается за счет: формирования между вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой и верхним электродом зазора с целью создания туннельного контакта, что позволяет повысить быстродействие ячейки памяти до единиц пикосекунд за счет уменьшения времени прохождения носителей заряда через туннельный зазор, уменьшить сопротивление контакта между вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой и верхним электродом, и как следствие, снизить энергопотребление ячейки памяти.
Для достижения необходимого технического результата в элементе памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, состоящем из подложки, со сформированными на ней нижними электродами, вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, синтезированных методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы и выступающих в качестве функционального элемента памяти, верхних контактных электродов, формируется туннельный зазор между вертикально ориентированными углеродными нанотрубками и верхними электродами с помощью диэлектрических упоров.
На Фиг. 1, 2, 3 приведены общий вид и разрезы элемента памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.
Элемент памяти (Фиг. 1, 2, 3) содержит подложку 1, выполненную из диэлектрического или полупроводникового материала, со сформированными нижними контактными электродами 2, на которых методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы выращиваются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки 3, которые выступают в качестве запоминающего материала, верхние контактные электроды 4, диэлектрические упоры 5, обеспечивающие туннельный зазор 6 между вертикально ориентированными углеродными нанотрубками 3 и верхними контактными электродами 4.
Работает элемент памяти следующим образом.
9
В исходном состоянии ячейки памяти на основе вертикально ориентированной углеродной нанотрубки 3 находится в высокоомном состоянии, соответствующем логическому «0». При подаче между нижним контактным электродом 2, расположенным на подложке 1, и верхним контактным электродом 4 импульса напряжения, равного напряжению переключения менее 8 В, в туннельном зазоре 6 возникает высокая напряженность электрического поля (~10 В/м), в результате чего происходит деформация и образование поверхностного заряда вертикально ориентированной углеродной нанотрубки 3, что приводит к значительному росту тока, протекающего между нижним контактным электродом 2 и верхним контактным электродом 4, и ячейка памяти переходит в низкоомное состояние, соответствующее логической «1». При подаче между нижним контактным электродом 2 и верхним контактным электродом 4 импульса напряжения обратной полярности происходит релаксация деформации вертикально ориентированной углеродной нанотрубки 3 и, ячейка памяти переходит обратно в высокоомное состояние, соответствующее логическому «0». Напряжение чтения составляет менее 0,5 В. При этом, соотношение токов в низкоомном и высокоомном состояниях возможно контролировать значением напряжения переключения: чем выше напряжение переключения, тем выше соотношение токов в низкоомном и высокоомном состояниях ячейки памяти.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой элемент памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, позволяющий хранить, записывать и стирать информацию с частотой около 0,1 ТГц и управляющим напряжением переключения менее 8 В.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый элемент памяти позволяет повысить быстродействие процессов записи и стирания информации до 10 пс, снизить сопротивление контакта между вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой и верхним контактным электродом за счет формирования туннельного контакта между ними, и, как следствие, уменьшить значение напряжения переключения ячейка памяти между низкоомным и высокоомным состояниями и снизить его энергопотребление.