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 PDFInfo
- 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
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims abstract description 11
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000007787 long-term memory Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
- G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
- G06N3/063—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons using electronic means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor 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
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/30—Semiconductor 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
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)
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)
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 |
-
2020
- 2020-09-23 RU RU2020131461A patent/RU2744440C1/en active
Patent Citations (5)
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 |