RU2744440C1 - Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems - Google Patents

Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems Download PDF

Info

Publication number
RU2744440C1
RU2744440C1 RU2020131461A RU2020131461A RU2744440C1 RU 2744440 C1 RU2744440 C1 RU 2744440C1 RU 2020131461 A RU2020131461 A RU 2020131461A RU 2020131461 A RU2020131461 A RU 2020131461A RU 2744440 C1 RU2744440 C1 RU 2744440C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
recording
reading
contact
voltage
conductivity
Prior art date
Application number
RU2020131461A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Эдуард Валентинович Девятов
Надежда Николаевна Орлова
Азалия Азатовна Загитова
Валерий Иванович Кулаков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority to RU2020131461A priority Critical patent/RU2744440C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2744440C1 publication Critical patent/RU2744440C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/06Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
    • G06N3/063Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/30Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by physical imperfections; having polished or roughened surface

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

FIELD: memory structures.
SUBSTANCE: invention relates to the field of memory structures using a biological model, in particular to a method for recording and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems. The technical result is achieved due to the method, which includes changing the conductivity of a single crystal of black phosphorus, as well as recording and reading, which are performed due to the controlled drift of vacancies near the metal-black phosphorus contact when a voltage is applied to the contact from less than -2 V to -10 V for recording and +2 V to more than -2 V for reading.
EFFECT: technical result consists in providing information recording for a long-term resistive memory system with a single recording and reading channel without the need to use external electric fields of the transistor gate to record information.
1 cl, 1 dwg

Description

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.Recently, resistive memory structures have attracted considerable interest for their use in electronics and systems for the implementation of neuromorphic computations. In this case, the operating parameter is the conductivity of the material, which can be controlled by external parameters. To date, several types of materials have been developed that have the ability to change conductivity up to several orders of magnitude under the action of voltage / current, radiation, etc. In practical implementation, the method of recording information should be selected depending on the required type of memory cell.

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.A known method of recording information based on the effect of an electric field on the conductivity of a single crystal of black phosphorus [Black phosphorus nonvolatile transistor memory, Dain Lee, Yongsuk Choi, Euyheon Hwang, Moon Sung Kang, Seungwoo Lee and Jeong Ho Cho, Nanoscale, 8, 9107, (2016) ] - prototype. With this method, thin layers of a monocrystal of black phosphorus serve as a conductive channel of a field-effect transistor. The conductivity in the channel is controlled by the rechargeable region of the gate dielectric, which is based on gold nanoparticles. Recharging is carried out when a gate voltage is applied, due to the tunneling of charge carriers between a layer of gold nanoparticles (gate dielectric) and a monocrystalline film of black phosphorus (conducting channel of the transistor). The electric field arising after recharging makes it possible to maintain the number of carriers in the channel when the voltage at the gate is turned off and the use of such a recording method to implement a permanent non-volatile resistive memory.

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.The disadvantage of this recording method - the prototype, is the need to use external electric fields, and, therefore, a separate control electrode (gate) with a complex type of rechargeable gate dielectric for recording information, in addition to the usual metal contacts used to read the state of the cell. At the same time, in a number of problems of neuromorphic computations, it is required to create simple elements of long-term memory, where information is written and erased through the same channel as reading it.

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.The objective of the present invention is to develop a method for recording information for a long-term resistive memory system with a single recording and reading channel without the need to use external electric fields of the transistor gate for recording information.

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.The problem is solved by changing the conductivity of a single crystal of black phosphorus, while recording and reading are performed due to the controlled drift of vacancies near the metal-black phosphorus contact when a voltage is applied to the contact from less than -2 V to -10 V for writing and from +2 V to -2 V for reading.

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.Black phosphorus is the most stable allotropic modification of phosphorus, it has a layered crystal structure with an orthorhombic crystal lattice. The conductivity of black phosphorus crystals is determined by the presence of vacancies in the crystal structure, which leads to the formation of charged centers of the acceptor type. Heating the crystal by the flowing electric current leads to the appearance of vacancy drift in the current field, and the drift is significant even far up to the melting temperature of the bulk material.

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.For a separate metal-black phosphorus contact, when a bias voltage is applied, a highly asymmetric character of differential conductance is observed depending on the sign of the bias voltage due to the presence of a built-in electric field in the contact. The drift of vacancies near the metal-black phosphorus contact changes the built-in electric field in the contact area, and accordingly, changes the conductivity of the metal-black phosphorus contact.

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.With such a structure of the contact conductivity, when low (in the range from +2 V to more than -2 V in the model structure) voltages of both signs are applied, the sample demonstrates a stable, well reproducible behavior of differential conductivity in different cycles, which makes it possible to use voltages in the range from +2 V to greater than -2 V to read device status. The application of large (from less than -2 V to -10 V in the model structure) negative voltages leads to a significant increase in the current through the sample, its local heating and stimulates the drift of vacancies from the black phosphorus-metal contact, reducing the conductivity of the contact.

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.This change in conductivity is irreversible and retains a certain state when the field is switched off: the reverse process of vacancy drift is impossible, since, due to the sharply asymmetric current-voltage characteristic of the contact, heating effects are unattainable with the reverse (positive) polarity of the electric field. Thus, in the proposed recording method, a controlled decrease in differential conductivity is realized when a voltage pulse of a certain polarity is applied, and multiple readings of the state of the device without changing it.

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.The use of such a method for recording information will significantly simplify the method for recording information due to the absence of the need for a control electric field of the gate, and, therefore, due to the use of a single recording and reading channel, which is important for the implementation of neuromorphic systems. The proposed recording method also makes it possible to control AC voltage pulses of sufficient amplitude, since the state of the sample will change only at one half of the voltage oscillation period.

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.FIG. 1 shows a plot of the dependence of the differential conductance dl / dV for the model structure on the electric voltage V applied to the metal-black phosphorus contact in one voltage cycle. The direction of voltage change for the curves on the graph is shown by arrows. A change in the conductivity of the contact is seen when a negative bias voltage is applied.

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.The suggested recording method is as follows. The application of low (in the range from +2 V to -2 V in the model structure) voltages of both signs (or an alternating voltage of a similar amplitude) to the metal-black phosphorus contact makes it possible to repeatedly read the state of the device without changing it. The application of large (in the range from less than -2 V to -10 V in the model structure) negative voltages (or an alternating voltage of the same amplitude) controllably increases the resistance of the metal-black phosphorus contact, this state remains stable when the voltage is disconnected and can be read many times when voltages are applied in the range from +2 V to -2 V.

Основываясь на вольт-амперной характеристике Фиг. 1, можно привести следующие примеры использования способа записи и считывания:Based on the current-voltage characteristic of FIG. 1, the following examples of using the write and read method can be given:

Пример 1Example 1

Приложено напряжение +2 В. Проводимость контакта стабильна, не зависит от длительности приложения напряжения, происходит считывание информации (значения проводимости).A voltage of +2 V is applied. The conductivity of the contact is stable, does not depend on the duration of the voltage application, information is read (conductivity value).

Пример 2Example 2

Приложено напряжение 0 В. Проводимость контакта стабильна, не зависит от длительности приложения напряжения, происходит считывание информации (значения проводимости).The applied voltage is 0 V. The conductivity of the contact is stable, does not depend on the duration of the voltage application, information is read (conductivity value).

Пример 3Example 3

Приложено напряжение больше -2 В. Проводимость контакта стабильна, не зависит от длительности приложения напряжения, происходит считывание информации (значения проводимости).The applied voltage is more than -2 V. The conductivity of the contact is stable, does not depend on the duration of the voltage application, information is read (conductivity value).

Пример 4.Example 4.

Приложено напряжение меньше -2 В. Проводимость контакта выраженно меняется во времени, происходит запись информации.The applied voltage is less than -2 V. The conductivity of the contact changes markedly over time, information is recorded.

Пример 5.Example 5.

Приложено напряжение -6 В. Проводимость контакта выраженно меняется во времени, происходит запись информации.A voltage of -6 V is applied. The conductivity of the contact changes markedly over time, and information is recorded.

Пример 6.Example 6.

Приложено напряжение -10 В. Проводимость контакта выраженно меняется во времени, происходит запись информации.The applied voltage is -10 V. The conductivity of the contact changes markedly over time, information is recorded.

Пример 7.Example 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.Applied voltage -11 V. Heating of the contact by the flowing current leads to melting of a single crystal of black phosphorus, the dependence of conductivity on time changes uncontrollably, reading and writing information is impossible.

Claims (1)

Способ записи и считывания информации для элементов постоянной памяти для нейроморфных систем, включающий изменение проводимости монокристалла черного фосфора, отличающийся тем, что 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 больше -2 В для считывания.A method of recording and reading information for permanent memory elements for neuromorphic systems, including changing the conductivity of a single crystal of black phosphorus, characterized in that recording and reading are performed due to the controlled drift of vacancies near the metal-black phosphorus contact when a voltage is applied to the contact from less than -2 V to -10 V for writing and +2 V to more than -2 V for reading.
RU2020131461A 2020-09-23 2020-09-23 Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems RU2744440C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131461A RU2744440C1 (en) 2020-09-23 2020-09-23 Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131461A RU2744440C1 (en) 2020-09-23 2020-09-23 Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2744440C1 true RU2744440C1 (en) 2021-03-09

Family

ID=74857750

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020131461A RU2744440C1 (en) 2020-09-23 2020-09-23 Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2744440C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU77483U1 (en) * 2007-12-24 2008-10-20 Илья Самуилович Кабак ASSOCIATIVE MEMORY
US20130073497A1 (en) * 2011-09-16 2013-03-21 Cornell University Neuromorphic event-driven neural computing architecture in a scalable neural network
US20150278682A1 (en) * 2014-04-01 2015-10-01 Boise State University Memory controlled circuit system and apparatus
US20170116513A1 (en) * 2015-10-21 2017-04-27 International Business Machines Corporation Short-term memory using neuromorphic hardware
US20170154257A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 International Business Machines Corporation Three-dimensional integration of neurosynaptic chips

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU77483U1 (en) * 2007-12-24 2008-10-20 Илья Самуилович Кабак ASSOCIATIVE MEMORY
US20130073497A1 (en) * 2011-09-16 2013-03-21 Cornell University Neuromorphic event-driven neural computing architecture in a scalable neural network
US20150278682A1 (en) * 2014-04-01 2015-10-01 Boise State University Memory controlled circuit system and apparatus
US20170116513A1 (en) * 2015-10-21 2017-04-27 International Business Machines Corporation Short-term memory using neuromorphic hardware
US20170154257A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 International Business Machines Corporation Three-dimensional integration of neurosynaptic chips

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jiang et al. Next-generation ferroelectric domain-wall memories: principle and architecture
Ma et al. Sub-nanosecond memristor based on ferroelectric tunnel junction
CN104221090B (en) Resistance-type device and its operating method
CN102257610B (en) Graphene memory cell and fabrication methods thereof
US20150325278A1 (en) Voltage-controlled solid-state magnetic devices
Pershin et al. Memory effects in complex materials and nanoscale systems
Hasegawa et al. Atomic switch: Atom/ion movement controlled devices for beyond Von‐Neumann computers
US7952914B2 (en) Memory devices including multi-bit memory cells having magnetic and resistive memory elements and related methods
KR101570187B1 (en) Cirtuit and method for reading a resistive switching device in an array
Lipatov et al. Nanodomain engineering for programmable ferroelectric devices
KR101106402B1 (en) Memory device
TWI248082B (en) Non-volatile semiconductor memory device
KR101263017B1 (en) Storage device and semiconductor device
KR101265325B1 (en) Storage device and semiconductor apparatus
KR20070030147A (en) Storage device and semiconductor device
CN103582947A (en) Switching device having a non-linear element
EP2230667A1 (en) Storage device and information re-recording method
JPWO2010131477A1 (en) Nonvolatile storage device and method of writing data to nonvolatile storage device
TW200425149A (en) Semiconductor memory device and data write method
JP2005210101A (en) Nonvolatile multi-bit memory cell and method for manufacturing the same
US11532355B2 (en) Non-volatile multi-level cell memory using a ferroelectric superlattice and related systems
US20160019954A1 (en) Switchable Macroscopic Quantum State Devices and Methods for Their Operation
RU2744440C1 (en) Method of writing and reading information for permanent memory elements of neuromorphic systems
Zhang et al. Fast operations of nonvolatile ferroelectric domain wall memory with inhibited space charge injection
US8331129B2 (en) Memory array with write feedback