ЭЛЕМЕНТ РЕЗИСТИВНОЙ 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 резистивной оперативной памяти (RRAM) с высоким быстродействием.
Функциональным аналогом заявленного объекта является «Мемристорное устройство на основе нанопровода» [US Patent № US 8,0050,078 B2 от 1 ноября 2011 года], содержащее первый электрод, второй электрод, нанопровод, состоящий из внутреннего и внешнего слоев и расположенный между первым и вторым электродами, легированную область во внутреннем слое нанопровода. Сопротивление нанопровода определяется распределением подвижной примеси во внутренней части тела нанопровода.
Данное мемристорное устройство позволяет осуществлять запись, долговременное хранение и считывание информации за счет изменения сопротивления нанопровода при приложении серии импульсов напряжения и перераспределении подвижной примеси во внутренней части нанопровода.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) первый электрод;
б) второй электрод;
в) использование нанопровода в качестве запоминающего материала.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: сложность контроля количества и пространственного расположения горизонтальных нанопроводов на большой площади с точностью, необходимой для производства RRAM, большая занимаемая элементом площадь вследствие использования горизонтального расположения нанопровода, сложность технологического процесса формирования двухслойного нанопровода с легированной областью во внутренней части тела.
Известен аналог заявляемого объекта - «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, а также уменьшить геометрические размеры функционального элемента и увеличить его быстродействие.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются:
а) первый электрод;
б) второй электрод;
в) материал, проявляющий мемристорные свойства.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: сложность технологического процесса формирования наноструктуры и запоминающего мемристорного слоя, ограниченность минимальных геометрических размеров ячейки памяти разрешением литографических операций.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является 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;
е) диэлектрическая изоляция индивидуальной ячейки памяти.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: необходимость формирования управляющего элемента с использованием операций литографии, ограниченность геометрических размеров ячейки памяти минимальным разрешением литографии.
Задача предполагаемой полезной модели - упрощение технологического процесса изготовления ячеек резистивной памяти, уменьшение геометрических размеров ячейки памяти и увеличение плотности записи информации, снижение энергопотребления.
Технический результат достигается за счет: использования в качестве функционального запоминающего элемента памяти вертикально ориентированной углеродной нанотрубки, что позволяет уменьшить геометрические размеры ячейки памяти до диаметра нанотрубки и снизить энергопотребление ячейки; локализованного роста вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы, позволяющего упростить технологический процесс изготовления ячейки памяти.
Для достижения необходимого технического результата в элементе резистивной памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, состоящем из подложки, со сформированными на ней нижними электродами, вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, верхних контактных электродов, диэлектрического слоя, обеспечивающего изоляцию вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, в качестве функционального элемента ячейки памяти используется вертикально ориентированная углеродная нанотрубка, синтезированная методом плазмо-химического осаждения из газовой фазы.
На Фиг. 1, 2, 3 приведены общий вид и разрезы элемента резистивной памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
Элемент резистивной 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, диэлектрический слой 5, обеспечивающий изоляцию вертикально ориентированных углеродных нанотрубок.
Работает элемент памяти следующим образом.
При подаче импульса положительного напряжения между нижним контактным электродом 2, расположенным на подложке 1, и верхним контактным электродом 4 вертикально ориентированная углеродная нанотрубка 3 поляризуется и деформируется, в нанотрубке 3 возникают внутренние напряжения, что приводит к увеличению тока, протекающего между нижним контактным электродом 2 и верхним контактным электродом 4, элемент памяти переходит в низкоомное состояние «1»; при подаче на верхний контактный электрод 4 импульса отрицательного напряжения происходит релаксация внутренних напряжений в вертикально ориентированной углеродной нанотрубке 3 и восстанавливается высокоомное состояние элемента памяти «0». При этом, отношение токов в низкоомном и высокоомном состояниях возможно контролировать значением положительного напряжения, прикладываемого к вертикально ориентированной углеродной нанотрубке.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой элемент резистивной памяти на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, позволяющий записывать, хранить и стирать информацию.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый элемент памяти позволяет упростить технологический процесс формирования элементов памяти, повысить плотность записи информации за счет уменьшения размеров ячейки памяти, снизить энергопотребление за счет уменьшения контактного сопротивления нижнего электрода с вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой за счет надежной химической связи, сформированной во время роста вертикально ориентированной углеродной нанотрубки на нижнем электроде.