Способ записи и считывания информации для элементов постоянной памяти нейроморфных систем
METHOD OF WRITING AND READING INFORMATION FOR PERMANENT MEMORY ELEMENTS OF NEUROMORPHIC SYSTEMS

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.