DE60130586T2 - Speicherzelle - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Computerherstellung und kann in Speichereinrichtungen für diverse Computer, bei der Entwicklung assoziativer Speichersysteme, bei der Erzeugung von Synapsen (elektrische Schaltungselemente mit programmierbarem elektrischen Widerstand) für neuronale Netze beim Entwickeln von Datenbanken mit direktem Zugriff und bei der Entwicklung einer neuen Generation von Video- und Audioanlagen angewendet werden.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • In modernen Computern werden Speicherbauelemente für diverse Zwecke mit unterschiedlichen Eigenschaften im Hinblick auf die Schreibgeschwindigkeit, die Speicherzeit, die Zugriffszeit und die Auslesezeit eingesetzt. Dies führt zu einer beträchtlichen Komplexität beim Betrieb von Computersystemen, erhöht die Hochlaufzeit der Computer und macht die Datenspeicherfunktion schwieriger.
  • Eine der wesentlichen Aufgaben auf dem mikroelektronischen Gebiet ist das Erzeugen eines universellen Speichersystems, das eine hohe Schreibgeschwindigkeit und Auslesegeschwindigkeit zusammen mit einer langen Datenhaltezeit und einer hohen Datendichte aufweist. Ferner gibt es einen großen Bedarf beim Erzeugen eines einfachen und effektiven Synapsenelements für neuronale Computer. Das Fehlen eines derartigen Elements verhindert das Entwickeln wahrer neuronaler Computer.
  • Gleichzeitig sind die Möglichkeiten der physikalischen Prinzipien, auf denen moderne elektronische Anlagen beruhen, praktisch ausgeschöpft. Es gibt nunmehr eine intensive Forschung, die darauf abzielt, neue Prinzipien für die Funktionsweise von elektronischen Anlagen und für die Herstellung auf der Grundlage der Konzepte molekularer Elektronikbauelemente zu finden, wobei molekulare Materialien und darüber hinausgehende Anordnungen verwendet werden.
  • Die Artikel (1) und (2) enthalten eine Analyse von Möglichkeiten zur Verwendung des Phänomens der elektronischen strukturellen Instabilität kleiner leitender Systeme als das physikalische Prinzip, auf dessen Grundlage es möglich ist, insbesondere Speicherbau elemente einer neuen Generation herzustellen. Die Arbeit erläutert die theoretischen Grundlagen dieses Phänomens und analysiert die Bedingungen und Parameter, die die entsprechenden Eigenschaften definieren. Diese Arbeit enthält auch Daten über eindimensionale molekulare Strukturen und erläutert auch die Eigenschaften der strukturellen Instabilität und analysiert die Möglichkeiten für die statische und dynamische Steuerung der eindimensionalen Systemleitfähigkeit.
  • Das zuvor genannte physikalische Prinzip eröffnet Aussichten zum Entwerfen von Speicherbauelementen auf der Grundlage neuer Mechanismen für die Datenspeicherung und Datenumwandlung sowie auf der Grundlage der Auswahl neuer Materialien. Es erscheint naheliegend, dass die Möglichkeiten der molekularen Elektronik auf größerem Maßstabe durch die Entwicklung neuronaler Netze entdeckt werden, die aus Neuronen bestehen, die durch elektroaktive Synapsen verbunden sind. Unter Anwendung der molekularen Elektronikverfahren zur Entwicklung künstlicher Neuronen und diverser Arten von Sensoren, die in einem gemeinsamen Netzwerk verbunden sind, wird eine Möglichkeit eröffnet, um alle Möglichkeiten zu realisieren, die in der Neurocomputerideologie vorgesehen sind, wobei es auch möglich ist, eine im Wesentlichen neue Art von Informationsverarbeitung und Computersystemen zu schaffen und auch die Möglichkeit zu bieten, das Problem der Erzeugung künstlicher Intelligenz zu lösen.
  • Es gibt eine bekannte Einrichtung mit Speicherzellen, die zum Speichern von Information verwendet werden kann (siehe das US-Patent 6055180 , internationale Klassifizierung G11C 11/36,2000).
  • Der wesentliche Nachteil der bekannten Einrichtung besteht darin, dass diese das Schreiben von Information nur einmalig ermöglicht. Das Auslesen der Information wird mittels optischer Verfahren bewerkstelligt. Das Verwenden optischer Bauelemente führt zu einer Vergrößerung der Speichereinrichtung und macht diese komplexer und führt ferner zu einer geringeren Zuverlässigkeit beim Auslesen, da es schwierig ist, den optischen Strahl zu positionieren. Ein anderes Verfahren zum Schreiben, das in dem diesem Patent beschrieben ist, verwendet den Effekt des thermischen Durchschlags, der durch das Anlegen einer hohen Spannung hervorgerufen wird. Ein Nachteil dieses Schreibverfahrens geht dahin, dass es das Aufzeichnen von Information lediglich einmalig zulässt und hohe Spannungen für das elektrische Feld erfordert.
  • Es gibt eine bekannte Speicherzelle mit einer Dreischichtstruktur, die aus zwei Elektroden mit einer Hochtemperaturmolekularverbindung besteht, die dazwischen angeordnet ist (siehe das Patent JP 62-260401 ). Die bekannte Speicherzelle verwendet das Prinzip auf der Grundlage eines sich ändernden elektrischen Widerstandes der molekularen Verbindung beim Anlegen eines externen elektrischen Feldes. Die molekulare Substanzleitfähigkeit kann zwei sehr unterschiedliche Niveau ausweisen, die es ermöglichen, ein Bit an Information zu speichern.
  • Die wesentlichen Nachteile der bekannten Speicherzelle sind die geringe Arbeitsgeschwindigkeit, die durch die lange Zeit hervorgerufen wird, die erforderlich ist, um den Widerstand umzuschalten, wobei ferner eine hohe Spannung (ungefähr 60 Volt) erforderlich ist. Diese Nachteile führen zu einer deutlichen Einschränkung der Verwendung dieser Zelle in modernen elektronischen Bauelementen.
  • Es gibt auch eine bekannte Speicherzelle mit einer Dreischichtstruktur, die aus zwei Elektroden besteht, zwischen denen eine Niedertemperaturmolekularverbindung angeordnet ist (siehe US-Patent 462894 ). Diese Speicherzelle beruht ebenfalls auf dem Umschalten eines elektrischen Widerstandes der molekularen Verbindung durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes. Anders als das zuvor beschriebene Bauelement zeigt dieses jedoch eine relativ kurze Widerstandsumschaltzeit und kann bei geringen Betriebsspannungen betrieben werden. Die wesentlichen Nachteile dieser bekannten technischen Lösung sind wie folgt. Erstens, es ist unmöglich, die bestehende Halbleiterfertigungstechnologie mit der vorgeschlagenen Speicherzellenfertigungstechnologie zu kombinieren, da die Niedertemperaturmolekularverbindungen, die in der Speicherzelle eingesetzt werden, mechanisch und, was wichtiger ist, thermisch nicht ausreichend widerstandsfähig sind und damit nur Temperaturen bis 250 Grad C widerstehen können. Dies macht es unmöglich, diese in der modernen Halbleiterfertigungstechnologie einzusetzen, in der Temperaturen bis zu 400 Grad C eingesetzt werden. Zweitens, die bekannte Speicherzelle kann lediglich ein Bit an Information speichern, wodurch jede Verwendung bei der Entwicklung von Bauelementen mit hoher Informationsdichte verhindert wird.
  • Ferner führen die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien dazu, dass bei wiederholten Schreib-Lese-Lösch-Zyklen unbefriedigende Ergebnisse entstehen.
  • Alle zuvor erläuterten Speicherzellen und jene, die im Stand der Technik bekannt sind, besitzen einen gemeinsamen Nachteil: sie können lediglich 1 Bit an Information speichern.
  • Überblick über die Erfindung
  • Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, eine im Wesentlichen neue Art einer Speicherzelle zu schaffen, die in der Lage ist, mehrere Bits an Informationen zu speichern, die ferner eine kurze Zeitdauer für das Umschalten des Widerstands erfordert und die bei geringen Betriebsspannungen betrieben werden kann, wobei gleichzeitig eine Kombination mit Fertigungstechnologien möglich ist, wie sie in modernen Halbleitern angewendet werden.
  • Dieses Problem wird wie folgt gelöst. Die Speicherzelle besitzt eine Dreischichtstruktur mit zwei Elektroden, wobei dazwischen eine Funktionszone angeordnet ist. Dies wird erreicht, indem die Elektroden hergestellt werden aus einem metallischen Material und/oder einem Halbleiter und/oder einem leitenden Polymer und/oder einem optisch transparenten Oxid oder Sulfidmaterial, indem die Funktionszone aus organischen, metall-organischen oder anorganischen Materialien hergestellt wird, wobei unterschiedliche Arten aktiver Elemente in die Molekularstruktur und/oder Kristallstruktur der Materialien eingebaut sind, sowie durch Kombinieren der Materialien untereinander und/oder mit Clustern bzw. Anhäufungen, die darauf beruhen, und die ihren Zustand oder ihre Position unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes und/oder einer Lichtstrahlung ändern.
  • Die erfindungsgemäße Speicherzelle ist im Anspruch 1 definiert.
  • Die beschriebene Speicherzellenstruktur ermöglicht das Erzeugen eines Speicherelements mit der Möglichkeit einzelne Bits oder mehrere Bits an Information zu schreiben, zu speichern und auszulesen. Gleichzeitig wird Information als Widerstandswert der Funktionszone gespeichert. Für eine Speicherzelle mit einem Einzelbit-Speicher- Speichermodus besitzt der Widerstandswert zwei Pegel: hoch (beispielsweise zur Darstellung von 0) und tief (beispielsweise zur Darstellung von 1) während für eine Speicherzelle mit einem Mehrbitspeichermodus der Widerstandswert mehrere Pegel bzw. Niveaus besitzt, die den speziellen Bits an Information entsprechen. Beispielsweise gibt es für eine 2-Bit-Zelle vier Pegel des Widerstandswertes, für eine 4-Bit-Zelle gibt es 16 Pegel usw. Die Speicherzelle unterscheidet sich vorteilhafterweise im Hinblick auf die aktuell verwendete Elemente dahingehend, dass diese keine ununterbrochene Versorgungsspannung erfordert, um Information zu speichern. Die Informationsspeicherhaltezeit hängt von der Speicherzellenstruktur, dem für die Funktionszone verwendeten Material und dem Aufzeichnungsmodus ab. Die Zeitdauer kann von mehreren Sekunden (kann für einen dynamischen Speicher verwendet werden) bis zu mehreren Jahren (kann für Langzeitspeicher, etwa Flash-Speicher verwendet werden) reichen.
  • Es ist vorteilhaft, die Speicherzellenfunktionszone bestehend aus einer aktiven Schicht auf der Grundlage von organischen und metallorganischen konjugierten Polymeren mit aktiven Elementen zu verwenden, die in die Hauptschaltung eingebaut sind; und/oder mit der Schaltung oder der Ebene verbunden sind; und/oder in die Struktur eingebaut sind, wobei die Elemente eine lichtemittierende Struktur bilden oder auch nicht, oder die Funktionszone besteht aus einer aktiven Schicht auf der Grundlage organischer, metallorganischer und anorganischer Materialien mit angelagerten positiven oder negativen Ionen einschließlich molekularer Ionen und/oder mit eingebauten Clustern oder Anhäufungen auf der Grundlage fester Elektrolyte oder mit Molekülen und/Ionen mit einem elektrischen Dipolmoment, und/oder mit Clustern oder Anhäufungen auf der Grundlage eines festen Polymers und anorganischer ferroelektrischer Stoffe, und/oder mit Donator- und Akzeptormolekülen, und/oder mit organischen und/oder anorganischen Salzen und/oder Säuren und/oder Wassermolekülen und/oder mit Molekülen, die in einem elektrischen Feld dissoziieren können und/oder bei Lichtstrahlung dissoziieren können, und/oder mit anorganischen und/oder metallorganischen und/oder organischen Salzen und/oder Molekülen mit variabler Wertigkeit von Metallen oder Atomgruppen, die diese enthalten. Die beschriebe Ausführung der funktionellen Zone ermöglicht es, eine Struktur zu schaffen, die in der Lage ist, den aktiven Schichtwiderstand zu ändern und/oder gut leitende Bereiche oder Leitungen in der aktiven Schicht unter einem externen elektrischen Feld und/oder unter der Einwirkung von Lichtstrahlung auf die Speicherzelle zu bilden und diesen Zustand für eine lange Zeit beizubehalten, ohne dass externe elektrische Felder angelegt werden.
  • Für eines der aktiven Elemente der aktiven Zone der Speicherzelle ist es sehr effizient, Moleküle und/oder Ionen mit elektrischem Dipolmoment und/oder mit eingelagerten Clustern auf der Grundlage eines festen Polymers oder anorganischer ferroelektrischer Substanzen zu verwenden, um damit die Funktion der Speicherzelle mit einer geringen angelegten Spannung zu gewährleisten. Dies beruht auf der Tatsache, dass das Vorhandensein der ferroelektrischen Elemente die interne elektrische Feldintensität erhöht und folglich das Anlegen einer geringeren externen elektrischen Spannung zum Schreiben von Information erfordert.
  • Es gibt interessante Aussichten bei der Verwirklichung der funktionellen Zone bzw. der Funktionszone als eine Mehrschichtstruktur bestehend aus mehreren Schichten mit diversen Graden an Aktivität, die beispielsweise aus organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien aufgebaut sind, deren molekulare und/oder Kristallstruktur eingelagerte aktive Elemente und/oder Cluster auf der Grundlage davon aufweist, die ihren Zustand unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes oder von Lichtstrahlung ändern, wodurch der Bereich und die Größe der elektrischen Widerstandsniveaus ausgedehnt wird, wodurch auch die Speicherdatendichte erhöht wird.
  • Es ist ratsam, die funktionelle Zone als Mehrschichtstruktur mit abwechselnden aktiven, passiven und Barrierenschichten aufzubauen, wobei die passiven Schichten aus organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien hergestellt sind, die Donatoren und/oder Akzeptoren für Ladungsträger sind und eine Ionen- und/oder Elektronenleitfähigkeit aufweisen, während die Barrierenschicht aus einem Material mit einer hohen Elektronenleitfähigkeit und einer geringen Ionenleitfähigkeit aufgebaut ist, wodurch es möglich ist, die Speicherzellen zeitlich zu stabilisieren und gleichzeitig die Datendichte durch Erhöhen der Anzahl der gespeicherten Werte des elektrischen Speicherzellenwiderstands zu erhöhen.
  • Es ist vorteilhaft, die Elektrode der Speicherzelle in Form mehrerer separater Elemente, beispielsweise in Form von zwei oder drei Elemente, die über der Funktionsschicht angeordnet sind, vorzusehen, wodurch eine präzisere Steuerung des Wertes des elektri schen Zellenwiderstands möglich ist, wodurch die Informationsmenge der gespeicherten Information erhöht wird, oder wobei die Genauigkeit der analogen Werte des elektrischen Speicherzellenwiderstands verbessert wird, und wobei es auch möglich ist, die elektrischen Schaltungen für das Informationsschreiben und Auslesen zu entkoppeln.
  • Es ist vorteilhaft, die Speicherzellenelektroden in Form zweier Elemente vorzusehen, die räumlich durch einen Halbleiter und/oder ein organisches lichtemittierendes Material getrennt sind, und die beispielsweise eine Diodenstruktur oder einen Photowiderstand oder einen Photosensor bilden, wodurch es möglich ist, die elektrischen Schaltungen für das Schreiben von Information und das Auslesen von Information elektrisch oder optisch zu entkoppeln.
  • Es ist ferner vorteilhaft, die Speicherzellenelektrode in Form dreier paralleler Elemente vorzusehen, die räumlich durch ein Halbleitermaterial und/oder ein organisches lichtemittierendes Material getrennt sind und beispielsweise eine lichtemittierende Struktur und einen Photowiderstand oder einen Photosensor bilden, wodurch elektrische Schaltungen zum Schreiben von Informationen und zum Auslesen von Informationen optisch entkoppelt werden können.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 bis 20 zeigen Möglichkeiten zum Einrichten der beanspruchten Speicherzelle:
  • 1: Ein allgemeiner Aufbau der beanspruchten Speicherzellenstruktur mit zwei kontinuierlichen Elektroden und einer aktiven funktionellen Zone.
  • 2: Die beanspruchte Speicherzelle mit zwei kontinuierlichen Elektroden und einer funktionellen Zone mit einer einzelnen Schicht.
  • 3 bis 8: Die beanspruchte Speicherzelle mit zwei kontinuierlichen Elektroden und einer funktionellen Mehrschichtzone.
  • 9: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Zone mit einer einzelnen Schicht, einer einzelnen kontinuierlichen Elektrode und einer Elektrode, die aus zwei Elementen aufgebaut ist.
  • 10 bis 11: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Mehrschichtzone, einer kontinuierlichen Elektrode und einer aus zwei Elementen bestehenden Elektrode.
  • 12: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Zone mit einer einzelnen Schicht und zwei Elektroden, die jeweils aus zwei Elementen bestehen.
  • 13 bis 14: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Mehrschichtzone und zwei Elektroden, wovon jede aus zwei Elementen besteht.
  • 15: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Zone mit einer einzelnen Schicht, einer einzelnen kontinuierlichen Elektrode und einer aus drei Elementen bestehenden Elektrode.
  • 16 bis 17: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Mehrschichtzone und zwei Elektroden, die jeweils aus zwei Elementen aufgebaut sind.
  • 18 bis 20: Die beanspruchte Speicherzelle mit einer funktionellen Mehrschichtzone mit Elementen zur elektrischen oder optischen Entkopplung.
  • 21: Eine Ansicht zur Erläuterung der Prinzipien des Schreibens, Löschens und Lesens von Information für die beanspruchte Speicherzelle.
  • 22: Spannungs- und Stromsignalformen für das Schreiben, Löschen und Lesen von Informationen für die beanspruchte Speicherzelle.
  • Beste Art zum Ausführen der Erfindung
  • Die beanspruchte Speicherzelle (1 bis 8) enthält zwei kontinuierliche Aluminiumelektroden 1 und 2, zwischen denen eine funktionelle Zone bzw. Funktionszone mit einer einzelnen Schicht bestehend aus einer aktiven Schicht angeordnet ist, die durch Ionen 3 oder Elektrolytcluster 3a (1 bis 2) dotiert sein kann, oder mit zwei aktiven dotierten Schichten 3b und 3c (3) oder mit zwei aktiven Schichten mit Elektrolytclustern 3d und 3e (4), die durch eine Barrierenschicht 4 getrennt sind. 5 bis 8 zeigen die Mehrschichtfunktionszonen bestehend aus einer aktiven Schicht 3 und einer passiven Schicht 5 (10) oder aus einer aktiven Schicht 3, einer Barrierenschicht 4 und einer passiven Schicht 5 (7) oder aus zwei aktiven Schichten 3b und 3c, einer Barrierenschicht 4 und zwei passiven Schichten 5a und 5b (8).
  • In den 9 bis 11 umfasst die beanspruchte Speicherzelle Aluminiumelektroden 1 und 2, wobei die obere Elektrode 1 aus zwei Elementen 1a und 1b aufgebaut ist. Zwischen den Elektroden liegt eine funktionelle Zone mit einer einzelnen Schicht, die aus einer aktiven Schicht 3 (9) besteht, oder dort ist eine Mehrschichtfunktionszone vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3 und einer passiven Schicht 5 (10) besteht, oder es ist eine Mehrschichtfunktionszone vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3, einer Barrierenschicht 4 und einer passiven Schicht 5 (11) besteht.
  • 12 bis 14 zeigen die beanspruchte Speicherzelle, die Aluminiumelektroden 1 und 2 aufweist, die jeweils aus zwei Elementen 1a und 1b bzw. 2a und 2b aufgebaut sind. Zwischen den Elektroden ist eine Funktionszone mit einer einzelnen Schicht vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3 (12) besteht, oder es ist eine Mehrschichtfunktionszone vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3 und einer aktiven Schicht 5 (13) besteht, oder es ist eine Mehrschichtfunktionszone vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3, einer Barrierenschicht 4 und einer passiven Schicht 5 (15) aufgebaut ist.
  • Die 15 bis 17 zeigen die beanspruchte Speicherzelle in der Form, in der diese Aluminiumelektroden 1 und 2 besitzt, wobei die obere Elektrode 1 aus drei Elementen 1a, 1b und 1c besteht. Zwischen den Elektroden ist eine Funktionszone mit einer einzelnen Schicht vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3 (15) besteht, oder es ist eine Mehrschichtfunktionszone vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3 und einer passiven Schicht 5 (16) besteht oder es ist eine Mehrschichtfunktionszone vorgesehen, die aus einer aktiven Schicht 3, einer Barrierenschicht 4 und einer passiven Schicht 5 (17) besteht.
  • Die beanspruchte Speicherzelle in den 18 bis 20 besitzt zwei kontinuierliche Elektroden 1 und 2, zwischen denen eine Mehrschichtfunktionszone 6 angeordnet ist, die ähnlich eingerichtet sein kann, wie dies in den 3 bis 8 gezeigt ist und wobei elektrische Entkopplungselemente vorgesehen sind: eine Elektrode 7 und eine Schicht 8, die aus einem Halbleitermaterial oder organischem Material zur Bildung einer Diodenstruktur (18) hergestellt ist, oder mit optischen Entkopplungselementen: eine zusätzliche Elektrode 9, die aus einem elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Material aufgebaut ist, und eine Schicht 10, die aus einem Halbleitermaterial und/oder aus einem organischen Material zur Bildung eines Photowiderstands oder eines Photosensorelements (19) aufgebaut ist, oder mit optischen Entkopplungselementen: eine Elektrode 7 aus einem elektrisch leitenden Material und zwei Schichten 10 und 11, die aus einem Halbleitermaterial und/oder einem organischen Material aufgebaut sind, wobei diese Komponenten durch eine Elektrode 9 getrennt sind, die aus einem elektrisch leitenden und optisch transparenten Material hergestellt ist und eine Photodiode oder eine lichtemittierende Struktur 11 und einen Photowiderstand oder einen Photosensor 10 (20) bildet.
  • Um die Prinzipien des Schreibens, des Löschens und des Auslesens im Zusammenhang mit der beanspruchten Speicherzelle darzustellen, sie auf das in 21 gezeigte Diagramm verwiesen, das enthält: einen speziellen Testgenerator 12 auf der Grundlage eines programmierbaren Stromgenerators zur Erzeugung steuerbarer Stromniveaus während des Aufzeichnens von Information und zum Erzeugen einer konstanten Spannung während des Auslesens, wobei auch negative Pulse während des Löschens erzeugt werden können; eine Speicherzelle mit Elektroden 1 und 2 und einer funktionellen Zone 6, die in der Form einer der Optionen vorgesehen ist, wie sie in den 1 bis 17 gezeigt sind; einen Vorwiderstand 13 und Spannungsmesselemente 14 und 15, die als Voltmeter, Aufzeichnungsgeräte oder Oszillographen vorgesehen sind. Die Werte des durch die Speicherzelle fließenden Stromes werden durch die gemessene Spannung an dem Vorwiderstand 13 ermittelt.
  • Das Bauelement funktioniert wie folgt: Der Testgenerator 12 erzeugt einen Spannungspuls 16 (22), der den Schwellwert 23 übersteigt. Nachdem der Wert des Schreibstrompulses 19 den programmierten Pegel übersteigt, schaltet der Generator 12 auf den Lesemodus um und erzeugt die Lesespannung 18, die deutlich kleiner ist als der Schwellwert 23. Der Schreibvorgang wird als abgeschlossen erachtet, wenn der gesteuerte Schreibstromwert 19 den programmierten Pegel erreicht, woraufhin die angelegte Spannung dann abgeschaltet wird. Auf der Grundlage des Wertes 22 (A bis D) des durch den Vorwiderstand 13 fließenden Stromes kann der Wert des Speicherzellenwiderstandes bestimmt werden und diese Widerstandswerte können mit einem speziellen Bit an Information in Beziehung gebracht werden. Für eine 2-Bit-Speicherzelle gilt beispielsweise:
    der Strom 22a entspricht dem Wert (00);
    der Strom 22b entspricht dem Wert (01);
    der Strom 22c entspricht dem Wert (10);
    der Strom 22d entspricht dem Wert (11).
  • Die Informationshaltezeit sowie die Anzahl der entsprechenden elektrischen Speicherzellenwiderstandswerte hängt von dem Aufbau der ausgewählten funktionellen Zone und den verwendeten Materialien ab. Das Löschen der Information wird durch den Generator 12 bewerkstelligt, indem ein negativer Spannungspuls 17 ausgesendet wird. Der Löschvorgang wird als abgeschlossen erachtet, wenn der gesteuerte Löschstromwert 20 den vorgegebenen Pegel erreicht und anschließend wird die angelegte elektrische Spannung abgeschaltet. Nach dem Löschen kehrt die Speicherzelle in den Anfangszustand mit einem sehr hohen Widerstand der funktionellen Zone 6 zurück. Für die in 2 gezeigte Speicherzellenstruktur ist es vor jeder Schreiboperation erforderlich, die Zelle in ihren Anfangszustand zurückzubringen, d. h. die aufgezeichnete Information wird gelöscht.
  • Eine Reihe von Optionen zum Einrichten der beanspruchten Speicherzellen werden nachfolgend aufgeführt.
  • Option 1.
  • Die Speicherzelle (1 und 2) besitzt eine Dreischichtstruktur bestehend aus zwei Aluminiumelektroden 1 und 2, zwischen denen Polyphenil-Azetylen 3 oder Polydiphenil-Azetylen, das mit Lithiumionen 3a dotiert ist, angeordnet ist. Die Programmierung der Speicherzelle wird bewerkstelligt, indem ein elektrisches Feld pulsartig mit einem größeren Wert als der Schwellwert bei gleichzeitiger Steuerung des Stromflusses durch die Zelle angelegt wird (oder Steuerung des Widerstandswertes oder der Dauer und des Wertes des angelegten Spannungspulses). Ein Schreibvorgang wird als abgeschlossen erachtet, wenn die gesteuerten Werte (Strom oder Widerstand) den vorgegebenen Pegel erreichen, woraufhin die angelegte Spannung abgeschaltet wird. Das Auslesen an Information wird bewerkstelligt, indem ein kleinerer elektrischer Spannungspuls angelegt wird, wobei gleichzeitig der Strom aufgezeichnet wird oder der Widerstandswert gesteuert wird. Das Löschen findet statt, wenn ein umgekehrter (negativer) elektrischer Spannungspuls angelegt wird, wobei der Stromfluss durch die Zelle (oder der Widerstandswert oder die Dauer und der Wert des angelegten Strompulses) gesteuert wird. Ein Löschvorgang wird als abgeschlossen erachtet, wenn die gesteuerten Werte (Strom oder Widerstand) den vorgegebenen Pegel erreichen, woraufhin die angelegte negative Spannung abgeschaltet wird.
  • Option 2
  • Die Speicherzelle (3 und 4) besitzt eine Dreischichtstruktur bestehend aus zwei Aluminiumelektroden 1 und 2, zwischen denen zwei Schichten aus Polyphenil-Azetylen 3b und 3c oder zwei Schichten 3d und 3e Polydiphenil-Azetylen mit Lithiumionen dotiert angeordnet sind, wobei dazwischen Lithiumnitrid 4 als Trennelement vorhanden ist. Die Programmierung der Information der Speicherzelle, das Auslesen und das Löschen wird bewerkstelligt, indem das in der Option 1 beschriebene Verfahren angewendet wird. Diese Zelle ist in der Lage, Information für lange Zeitdauern zu bewahren.
  • Option 3.
  • Die Speicherzelle (5) besitzt eine Dreischichtstruktur bestehend aus zwei Aluminiumelektroden 1 und 2, zwischen denen eine Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder Polystyrol 3 und eine passive Schicht 5 aus Kupfer- oder Silberhalkogenid angeordnet ist. Das Programmieren der Speicherzelleninformation, das Auslesen davon und das Löschen wird bewerkstelligt, indem das unter der Option 1 beschriebene Verfahren angewendet wird. Diese Zelle ist in der Lage, Information für lange Zeitdauern zu bewahren.
  • Option 4.
  • Die Speicherzelle (1) besitzt eine Dreischichtstruktur bestehend aus zwei Aluminiumelektroden 1 und 2, zwischen denen eine Schicht 3 aus Polyphenil-Azetylen oder aus Polydiphenil-Azetylen vorgesehen ist, die mit Molekülen aus Chloranil oder Tetrazyano-Quino-Dimethan dotiert ist. Das Programmieren der Information der Speicherzelle, das Auslesen davon und das Löschen wird bewerkstelligt, indem das in der Option 1 beschriebene Verfahren angewendet wird. Ein schnelles Schalten ist ein Charakteristikum dieser Zelle.
  • Option 5.
  • Die Speicherzelle (5) besitzt eine Dreischichtstruktur bestehend aus zwei Aluminiumelektroden 1 und 2, zwischen denen eine Polyanylinschicht 3 und eine passive Palladiumhydridschicht 5 angeordnet sind. Das Programmieren der Speicherzelleninformation, das Auslesen davon und das Löschen wird bewerkstelligt, indem das in der Option 1 beschriebene Verfahren angewendet wird. Für diese Zelle ist das schnelle Umschalten ein charakteristisches Merkmal.
  • Option 6
  • Die Speicherzelle (16) besitzt eine Dreischichtstruktur bestehend aus zwei Aluminiumelektroden, wobei eine der Elektroden (die obere) aus drei Elementen 1a, 1b und 1c aufgebaut ist. Die funktionelle Schicht 3 besteht aus Polyphenil-Azetylen oder Polydiphenil-Azetylen und einer passiven Schicht 5, die aus Niobhalkogenid, das mit Lithiumionen dotiert ist, oder aus Kupferhalkogenid aufgebaut ist. Das Programmieren der Speicherzelleninformation wird bewerkstelligt, indem ein elektrischer Spannungspuls an die untere Elektrode 2 und das mittlere Element der oberen Elektrode 1c angelegt wird. Der Spannungswert übersteigt den Schwellwertspegel 23. Gleichzeitig wird der elektrische Widerstand zwischen den Endelementen 1a und 1b der oberen Elektrode gesteuert. Der Schreibvorgang wird als abgeschlossen erachtet, wenn die gesteuerten elektrischen Widerstandswerte den vorgegebenen Pegel erreichen und anschließend wird die angelegte elektrische Spannung abgeschaltet. Das Auslesen der Information aus der Zelle wird bewerkstelligt, indem der elektrische Widerstand zwischen den Endelementen 1a und 1b der oberen Elektrode unter Anwendung niedriger Spannungspulse gemessen wird. Das Löschen der Speicherzelle wird bewerkstelligt, indem ein umgekehrter (negativer) elektrischer Spannungspuls an die untere Elektrode 2 und das mittlere Element der oberen Elektrode 1c angelegt wird, wobei gleichzeitig der Widerstand zwischen den Endelementen 1a und 1b der oberen Elektrode gesteuert wird. Der Löschvorgang wird als abgeschlossen erachtet, wenn die gesteuerten Werte (Strom oder Widerstand) den vorgegebenen Pegel erreichen, woraufhin die angelegte negative Spannung abgeschaltet wird. Diese Zelle besitzt eine größere Informationsdichte auf Grund des Entkoppelns der Schreib- und Leseschaltungen und somit kann eine präzisere Steuerung des elektrischen Widerstandswertes der programmierten Speicherzelle erfolgen.
  • Option 7.
  • Die Speicherzelle (20) besitzt eine Mehrschichtstruktur bestehend aus vier Elektroden 1, 2 (aus Aluminium), 7 (aus Magnesium) und 9 (aus leitendem durchsichtigen Indiumoxid). Die funktionelle Zone 6 entspricht der funktionellen Zone in der 16 und besteht aus Polyphenil-Azetylen oder Polydiphenil-Azetylen und einer passiven Schicht, die aus Niobhalkogenid dotiert mit Lithiumionen oder aus Kupferhalkogenid aufgebaut ist. Die Schicht 11 ist aus Polyphenilvinylen gebildet und bildet eine lichtemittierende Struktur. Die Schicht 10 ist aus einem Halbleitermaterial oder einem organischen Material aufgebaut und ist eine Lichtsensorstruktur. Die lichtemittierende Schicht (11) und die Lichtsensorschicht (10) sind durch die Elektrode 9, die aus einem leitenden und durchsichtigen Indiumoxid aufgebaut ist, getrennt. Das Programmieren der Speicherzelleninformation und das Löschen wird unter Anwendung des in der Option 1 beschriebenen Verfahrens bewerkstelligt, indem Spannung an die Elektroden 1 und 7 angelegt wird. Das Auslesen wird bewerkstelligt, indem ein Spannungspuls, der kleiner ist als der Schwellwert, an die Elektroden 1 und 2 angelegt wird, wobei gleichzeitig der Widerstand oder die Spannung zwischen den Elektroden 2 und 9 gesteuert wird. Diese Zelle besitzt eine größere Informationsdichte auf Grund des optischen Entkoppelns der Schreib- und Leseschaltungen, wodurch eine präzisere Steuerung des elektrischen Widerstandswertes der programmierten Speicherzelle möglich ist.
  • Technische Verwertbarkeit
  • Es wurden Phototypen der beanspruchten Speicherzelle aufgebaut und mit einer speziellen Testanlage unter Anwendung eines Testgenerators geprüft. Ausführungsformen mit kontinuierlichen Aluminiumelektroden wurden aufgebaut und es wurden auch Ausführungsformen unter Anwendung von zwei oder drei Aluminiumelektroden mit polykonjugierten Polymerpolydiphenil-Azetylen, das mit Lithiumionen dotiert war, zwischen den Elektroden aufgebaut. Die untere Aluminiumschicht wurde auf ein Glassubstrat aufgesprüht, während die obere Elektrode auf die polykonjugierte Polymerschicht aufgesprüht wurde. Die verwendete polykonjugierte Polymerschicht Wiederstand Temperaturen von 400 Grad C, wodurch die Herstellung der beanspruchten Speicherzellen zusammen mit der Herstellung von Halbleiterbauelementen möglich ist. Die Prüfungen zeigen die Möglichkeit, eine Speicherzelle zu schaffen, die in der Lage ist, mehrere Bits an digitaler Information zu speichern, wobei auch analoge Werte ihrer elektrischen Widerstandspegel gebildet werden können, wodurch auch die Verwendung für aktive Synapsen in neuronalen Netzwerken möglich ist. Daher kann die beanspruchte Speicherzelle als eine im Wesentlichen neue Einrichtung zum Speichern von Information in digitaler oder analoger Form betrachtet werden.

Claims (23)

  1. Speicherzelle mit einer Dreischichtstruktur mit zwei Elektroden (1, 2) mit einer dazwischenliegenden Funktionszone, wobei wobei die Elektroden aus einem Metall und/oder einem Halbleiter und/oder einem leitenden Polymer und/oder einem optisch leitenden Oxid und/oder einem optisch leitenden Sulfid aufgebaut sind, wobei die Funktionszone (3) ein organisches, ein metallorganisches oder ein anorganisches Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die molekulare Struktur oder kristalline Struktur der Funktionszone aktive Elemente umfasst, wobei die aktiven Elemente oder Cluster (3a), die auf den aktiven Elementen beruhen, ihren Zustand oder ihre Position unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes und/oder einer Lichtstrahlung ändern, wobei die Elektrode mehrere Elemente (1a, 1b) aufweist, die räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.
  2. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode aus zwei oder drei separaten Elementen auf der Oberseite der Funktionszone besteht.
  3. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht auf Grundlage von organischen, metallorganischen oder anorganischen Materialien mit positiven und negativen Ionen aufweist.
  4. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht auf der Grundlage von Zusammensetzungen von organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien aufweisen, die Cluster auf der Grundlage fester Elektrolyte aufweisen.
  5. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht auf der Grundlage von Zusammensetzungen aus organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien aufweist, die Cluster auf Basis von festen Polymeren und anorganischen Ferroelektrika aufweisen.
  6. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht auf der Grundlage organischer, metallorganischer und anorganischer Materialien mit Donator- und Akzeptor-Molekülen aufweist.
  7. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht auf der Grundlage organischer, metallorganischer und anorganischer Materialien mit organischen Salzen und/oder anorganischen Salzen und/oder Säuren und/oder Wassermolekülen aufweisen.
  8. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht auf Grundlage organischer, metallorganischer und anorganischer Materialien mit Molekülen aufweist, die in der Lage sind, in einem elektrischen Feld und/oder unter Lichtstrahlung zu zerfallen.
  9. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht umfasst auf Grundlage von organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien mit anorganischen Salzen und/oder metallorganischen Salzen und/oder organischen Salzen und/oder Molekülen mit variabler Wertigkeit der Metalle und/oder Atomgruppen, die in den Molekülen mit variabler Wertigkeit der Metalle enthalten sind.
  10. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine aktive Schicht umfasst auf der Grundlage eines organischen und eines metallorganischen konjugierten Polymers mit aktiven Elementen, die in einer Hauptschaltung eingebaut sind und/oder mit der Hauptschaltung verbunden sind und/oder in die Dreischichtstruktur eingebaut sind, wobei die aktiven Elemente eine lichtemittierende Struktur bilden oder keine lichtemittierende Struktur bilden.
  11. Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei die Funktionszone eine Mehrschichtstruktur umfasst, die aus mehreren unterschiedlichen aktiven Schichten besteht, die aus einem organischen, einem metallorganischen und einem anorganischen Material aufgebaut sind, wobei die Molekularstruktur und/oder die Kristallstruktur aktive Elemente und/oder Anhäufungen auf Basis der aktiven Elemente aufweist, die ihren Zustand und/oder ihre Position unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes und/oder einer Lichtstrahlung ändern.
  12. Speicherzelle nach Anspruch 11, wobei für die Funktionszone eine Mehrschichtstruktur verwendet ist, die aus mehreren aktiven Schichten, passiven Schichten, Barrierenschichten, lichtemittierenden Schichten und lichtempfindlichen Schichten besteht, die untereinander durch Elektroden mit unterschiedlichen aktiven Schichten getrennt sind, die aus organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien aufgebaut sind, wobei die Molekularstruktur und/oder die Kristallstruktur aktive Elemente und/oder darauf beruhende Ansammlungen aufweist, die ihren Zustand und/oder ihre Position unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes und/oder einer Lichtstrahlung ändern.
  13. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei für die Funktionszone eine Mehrschichtstruktur verwendet ist, die abwechselnd aus aktiven und passiven Schichten mit Elementen zur optischen oder elektrischen Entkopplung aufgebaut ist.
  14. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei die passiven Schichten aus organischen, metallorganischen und anorganischen Materialien hergestellt sind, die Donatoren und/oder Akzeptoren von Ladungsträgern sind und die ionische Leiter und/oder elektronische Leiter sind.
  15. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei die Barrierenschicht aus Materialien mit einer hohen elektronischen Leitfähigkeit und mit einer geringen Ionenleitfähigkeit hergestellt ist.
  16. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei für die Funktionszone eine Zweischichtstruktur verwendet ist, die aus einer aktiven Schicht und einer passiven Schicht aufgebaut ist.
  17. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei für die Funktionszone eine Zweischichtstruktur verwendet ist, wobei eine Schicht aus einem metallorganischen Material und einem anorganischen Material aufgebaut ist und eine hohe elektronische Leitfähigkeit und eine geringe Ionenleitfähigkeit aufweist, während die andere Schicht passiv ist.
  18. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei für die Funktionszone eine Dreischichtstruktur verwendet ist, wobei die äußeren Schichten aktive Schichten sind und wobei eine Barrierenschicht zwischen diesen aktiven Schichten angeordnet ist.
  19. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei für die Funktionszone eine Vierschichtstruktur verwendet ist, wobei zwei aktive Schichten vorgesehen sind, die durch die dritte Schicht als Barrierenschicht getrennt sind und wobei die vierte Schicht passiv ist.
  20. Speicherzelle nach Anspruch 12, wobei für die Funktionszone eine Fünfschichtstruktur verwendet ist, wobei zwei äußere passive Schichten vorgesehen sind und wobei zwei aktive Schichten zwischen den passiven Schichten angeordnet und durch die fünfte Schicht in Form einer Barrierenschicht getrennt sind.
  21. Speicherzelle nach Anspruch 13, wobei das elektrische Entkopplungselement eine zusätzliche Elektrode aufweist, die aus einem elektrisch leitenden Material und einer Schicht aus Halbleitermaterial und/oder organischem Material zur Bildung einer Diodenstruktur aufgebaut ist.
  22. Speicherzelle nach Anspruch 13, wobei die elektrischen Entkopplungselemente als eine zusätzliche Elektrode eingerichtet sind, die aus einem elektrisch leitenden und optisch transparenten Material und einer Schicht aus Halbleitermaterial und/oder organischem Material aufgebaut sind, wodurch ein Photowiderstandselement oder ein photoempfindliches Element gebildet sind.
  23. Speicherzelle nach Anspruch 13, wobei das elektrische Entkopplungselement eine zusätzliche Elektrode aufweist, die aus einem elektrisch leitenden Material aus zwei Schichten aus Halbleitermaterial und/oder organischem Material aufgebaut ist, die durch eine zweite zusätzliche Elektrode getrennt sind, die aus einem elektrisch leitenden optisch transparenten Material aufgebaut ist und eine Photodiode oder eine lichtemittierende Struktur und ein Photowiderstandselement oder ein photoempfindliches Element bildet.
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