WO2024235399A1 - Memcapacitive component and method for operating the memcapacitive component - Google Patents
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Definitions
- Memcapacitive component and method for operating the memcapacitive component
- the present disclosure relates generally to microelectronic devices. More particularly, the present disclosure relates to a memcapacitive device and a method of operating the memcapacitive device.
- AI artificial intelligence
- transformer models increasingly powerful and faster computers are required.
- New processor and memory architectures which are specifically designed for AI-typical operations, such as tensor multiplication, could help to meet these growing requirements.
- the patent document US2022059161A1 describes a memcapacitive device or capacitive synaptic device and a matrix of a plurality of capacitive synaptic devices for performing vector-matrix multiplication. Compared to memresistive devices, memcapacitive devices offer some advantages in terms of static power consumption or sneak path problems that can occur with memresistive devices.
- Volatile and free vector matrix multiplications can play a crucial role in the calculation of transformer models in the so-called attention layers or in the implementation of a short-term memory.
- free multiplication means that the same multiplication operation can be routinely repeated with different or freely variable weights or matrix parameters.
- the speed and flexibility of changing weights or matrix elements between individual calculation steps plays a crucial role in increasing the efficiency of small computers and artificial neural networks.
- An object of embodiments of the present disclosure is to provide a memcapacitive component and a method for operating the memcapacitive component, which enable fast and flexible changing of weights in matrix operations.
- a memcapacitive component also referred to below as “arrangement” is proposed for operation under non-linear capacitance-voltage curves.
- the memcapacitive component can be designed as a semiconductor component with a changeable non-linear behavior or with an adjustable non-linear capacitance-voltage curve.
- the memcapacitive component comprises a number of electrical connections for electrically contacting the memcapacitive component.
- the number of electrical connections can comprise one, two, three or four electrical connections.
- the memcapacitive component comprises a first electrode and a second electrode.
- the memcapacitive component further comprises at least one dielectric arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the electrical connections and/or the at least one dielectric has charge traps forming potential wells of different depths for trapping variable, in particular controllably variable, charge quantities.
- the memcapacitive component can have at least one energetically flat charge trapping point for short-term or fleeting or volatile storage of charges or capacitance values and at least one energetically low charge trapping point for long-term or non-volatile storage of charges or capacitance values.
- the energetically flat or energetically low charge trapping points can in particular form potential wells with correspondingly low or high threshold or activation energies or barrier heights.
- the memcapacitive component can be used to store computational parameters and to carry out computational operations.
- the size of a computational parameter can be represented at least indirectly by a stored charge quantity.
- the potential wells associated with energetically flat charge traps for short-term storage can have a depth or barrier height of at most 1.2 eV or between 0.2 eV and 1.1 eV or between 0.5 eV and 0.9 eV.
- the potential wells associated with low energy charge traps for long-term or non-volatile storage may have a depth or barrier height of at least 1.6 eV, or between 1.7 eV and 3.0 eV, or between 2.0 eV and 2.5 eV.
- the ratio of the depth or barrier height of potential wells associated with low energy charge traps for short-term storage to potential wells associated with low energy charge traps for long-term or non-volatile storage may be at least 0.01 or at most 0.99, or between 0.05 and 0.95, or between 0.1 and 0.9, or between 0.2 and 0.8, or between 0.4 and 0.6.
- the at least one dielectric can comprise a first dielectric with a first charge trap and a second dielectric with a second charge trap.
- charge traps with different energetic depths can be realized.
- the charge trap of the first dielectric can have a lower energetic depth than the charge trap of the second dielectric.
- the potential well formed by the first charge trap can be used in particular for the volatile storage of charges and the potential well formed by the second charge trap can be used for the non-volatile storage of charges.
- the memcapacitive component can comprise a shielding layer arranged between the first electrode and the second electrode with a shielding capacity that can be changed in a controlled manner.
- the shielding layer can be designed to shield an electric field emanating from the first electrode and/or from the second electrode, wherein the shielding layer can have different shielding behavior depending on the operating state.
- the first dielectric can be arranged between the first electrode and the shielding layer and/or the second dielectric can be arranged between the second electrode and the shielding layer.
- the two dielectrics can be arranged such that fields prevailing in the first dielectric and in the second dielectric can be shielded from one another.
- the shielding layer can comprise a semiconductor layer with a charge carrier concentration that can be changed in a controlled manner. Depending on the concentration of the charge carriers, in particular electrons or holes, the field emanating from the first electrode and/or the second electrode can be shielded to varying degrees by the shielding layer.
- the charge carrier concentration in the shielding layer can thus shielding capability or the measurable capacitance of the memcapacitive component.
- the capacitance or capacitive behavior of the memcapacitive component can thus be used to represent a variable or volatile parameter.
- the shielding layer can be designed to assume quasi-static states or charge states with shielding capacity of varying degrees. Quasi-static in this context means that the charge states, in particular charge carrier concentration, or shielding capacity of the shielding layer can be maintained for a certain time or during a certain residence time.
- the shielding layer can have a certain charge state during the execution of a calculation operation or an elementary calculation step.
- the residence time of the charge states in the shielding layer can be set or changed in particular by internal factors, such as doping and/or charge trapping sites, as well as externally, such as by applying a voltage or bias voltage.
- the ability of the shielding layer to maintain or store its state or charge state at least for a short time can represent a further or additional storage mechanism, for example to store parameters that change quickly or frequently for a short time before carrying out a calculation operation.
- Various mechanisms for storing charges or capacitance values can thus be implemented using the memcapacitive component.
- the shielding layer similar to the charge traps in the first dielectric and/or in the second dielectric, can be used to store information or parameters.
- the charge traps of the first and/or the second dielectric and the shielding layer can have different stable charge states. Due to the energetic differences, both volatile and non-volatile memories can be realized using such memcapacitive components.
- the first dielectric and/or the second dielectric can be designed essentially similarly to a gate stack in a flash memory, wherein the two dielectrics can have charge traps with different energetic depths.
- the first electrode and/or the second electrode can be designed for short-term storage of a capacitance value by means of charge storage on the electrodes.
- capacitance values can be used to represent calculation parameters, in particular parameters to be stored volatilely.
- the memcapacitive component can in particular be used in a Circuit or in a circuit arrangement with an external capacitor.
- the external capacitor can be connected with a first connection to one of the electrodes of the memcapacitive component and electrically connected to a storage voltage via a switch.
- the other connection of the capacitor can in particular be connected to a readout signal.
- the external capacitor can in particular be designed to store a storage voltage, so that a capacitance value of the memcapacitive component can be set using the storage voltage.
- potential wells of different depths can be implemented using the switch. When writing, the depth of a potential well can be reduced so that charges can be added to the potential well. When saving, the depth of the potential well can be increased so that the charges can be stored. Depending on the height of the potential well, short-term storage or long-term storage can be made possible.
- a deep potential well means a switch is open, a shallow potential well or no potential well means a switch is closed. In principle, any intermediate stages are possible in order to achieve a different depth of the potential wells, for example with an integrated field effect transistor, see Fig. 8 below.
- the number of electrical connections can include at least one electrical connection for contacting the shielding layer, so that short-term storage of capacitance values can take place by means of charge storage on the shielding layer.
- the shielding layer of the memcapacitive component can have at least one of its own electrical connections for directly contacting the shielding layer, via which electrical charges can be injected into the shielding layer or withdrawn from the shielding layer.
- the memcapacitive component can be used in particular in a circuit or circuit arrangement with an external capacitor connected to the shielding layer for setting the short-term capacitance value.
- the external capacitor can, for example, be connected to a switch with a first connection that connects or disconnects the storage voltage, wherein the second connection of the capacitor can be connected to ground.
- capacitance values can be used to represent calculation parameters that are stored too short-term or volatile.
- the shielding layer has a p-doped region and an n-doped region, wherein the p-doped region or the n-doped region can be designed to be electrically contacted via at least one switch with a bias voltage or with a constant voltage.
- charge carriers Via the p-doped region and/or the n- doped region, charge carriers can be injected into the shielding layer or withdrawn from the shielding layer in order to modify the charge state or shielding capacity of the shielding layer in a controlled manner.
- the shielding layer can in particular have a pin diode topology, wherein the dielectric between the p-doped region and the n-doped region can serve as a shielding region for shielding the field emanating from the first electrode or from the second electrode.
- the memcapacitive component can comprise at least one field effect transistor at least partially integrated into the shielding layer for connecting the p-doped region and/or the n-doped region to a bias voltage.
- at least some of the components of the at least one field effect transistor and the memcapacitive component can have been manufactured in common process steps.
- the n-doped region of the memcapacitive component can function as the source or drain of the field effect transistor, whereby a particularly compact structure can be achieved.
- the field effect transistor can in particular function as the switch for connecting the memcapacitive component and the external capacitor to the storage voltage.
- the memcapacitive component is designed such that the first electrode and/or the second electrode does not overlap with the n-doped region and/or with the p-doped region.
- the area between the p-doped region and the n-doped region can extend beyond the lateral extent of the first and/or the second electrodes in at least one lateral direction. In this way, it can be avoided that the p-doped region and/or the n-doped region impairs the shielding function of the shielding layer.
- a method for operating a memcapacitive component can in particular be designed as a memcapacitive component with an adjustable non-linear capacitance-voltage curve according to an embodiment according to the first aspect.
- the memcapacitive component has a number of connections, wherein the number of connections comprises a first electrode and a second electrode.
- the memcapacitive component further comprises at least one dielectric arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the electrical connections and/or the at least one dielectric has charge traps of different depths forming potential wells for trapping variable, in particular controlled variable, amounts of charge.
- the method comprises writing to the memcapacitive component by applying a positive or negative write voltage to the first electrode and/or to the second electrode to change the amount of charge trapped in the potential wells.
- a measurable change in state of the memcapacitive component can take place.
- Applying the write voltage can in particular bring about such a measurable change in state of the memcapacitive component.
- applying the write voltage can lead to tunneling between the first or the second electrode and the at least one charge trapping point, so that the amount of charge stored at the charge trapping point can be changed.
- This change in state can be measured or read out, for example in a later step.
- the change in the amount of charge stored at the at least one charge trapping point can have an effect on the capacitive behavior of the memcapacitive component, which can also be measured.
- the first dielectric may be arranged between the first electrode and the shielding layer and the second dielectric may be arranged between the second electrode and the shielding layer, and wherein the first dielectric and/or the second dielectric may comprise at least one charge trap for storing a variable amount of charge.
- the method includes setting a non-linear capacitance-voltage curve.
- the setting of the non-linear capacitance-voltage curve can be carried out in particular by changing the charge states of the at least one charge trap or the shielding layer. This can be carried out in particular by an external voltage or an external field, which can cause charge shifts in the memcapacitive component, in particular in the dielectrics or in the shielding layer.
- a current non-linear capacitance-voltage curve can be used to describe a current state of the memcapacitive component, so that the capacitance or the non-linear capacitance-voltage curve can be used to represent variable parameters, such as weights in a matrix-vector multiplication.
- the at least one dielectric can comprise a first dielectric with a first charge trap and a second dielectric with a second charge trap. Using different dielectrics, charge traps with different energetic depths can be realized. For example, the charge trap of the first dielectric can have a lower energetic depth than the charge trap of the second dielectric.
- the memcapacitive component can comprise a shielding layer arranged between the first electrode and the second electrode with a shielding capacity that can be changed in a controlled manner, wherein the setting of the nonlinear capacitance-voltage curve can comprise applying a bias voltage, in particular a constant bias voltage, to the shielding layer. By applying the bias voltage, in particular the charge state of the shielding layer and thus the shielding behavior of the shielding layer can be changed, whereby the capacitive behavior of the memcapacitive component can be influenced.
- the first dielectric can be arranged between the first electrode and the shielding layer and/or the second dielectric can be arranged between the second electrode and the shielding layer.
- the two dielectrics can be arranged such that fields prevailing in the first dielectric and in the second dielectric can be shielded from one another.
- the shielding layer comprises a p-doped region and an n-doped region, wherein the p-doped region and the n-doped region can be designed to be electrically connected to a bias voltage via at least one switch.
- the application of the bias voltage can comprise applying a constant voltage in the p-doped region and/or in the n-doped region.
- the p-doped region and the n-doped region can be connected to a constant voltage or ground during the application of the write voltage, and the n- or p-doped region is separated from the constant voltage or ground before the write voltage is reset to the initial value.
- the bias of the shielding layer can be maintained over the entire duration of the writing process, so that the writing process can take place under essentially constant conditions.
- a pin diode formed by the p-doped region and n-doped region in the shielding layer is operated in the forward direction. By operating the pin diode in the forward or forward direction, electrons can be injected into the shielding layer.
- the method comprises applying a readout voltage to the first electrode and/or to the second electrode for reading the memcapacitive component.
- the reading can be carried out in a separate method step in order to possibly read out a voltage in the memcapacitive component at a later point in time. to read the stored parameter value or the current state of the memcapacitive component.
- Fig. 1 shows a schematic cross section through a memcapacitive component according to a first embodiment
- Fig. 2 shows a schematic cross section through a memcapacitive component according to a second embodiment
- Fig. 3 shows the memcapacitive component of Fig. 2 together with a nonlinear capacitance-voltage curve
- Fig. 4 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor according to an embodiment
- Fig. 5 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor according to a further embodiment
- Fig. 6 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a third embodiment
- Fig. 7 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fourth embodiment
- Fig. 8 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fifth embodiment
- Fig. 9 shows a flowchart of a method for operating a memcapacitive component according to an embodiment.
- Fig. 1 shows a schematic cross section through a memcapacitive component according to a first embodiment.
- the memcapacitive component 1 comprises a first electrode 3a, a second electrode 3b and a dielectric 5a arranged between the first electrode 3a and the second electrode 3b.
- the memcapacitive component 1 has a variable non-linear capacitance-voltage curve and charge traps (not shown) with different energy depths.
- the first electrode 3a, the second electrode 3b and/or the dielectric 5a can have charge traps of different depths forming potential wells for trapping variable amounts of charge. This is illustrated in Fig. 1 by a simplified potential well 15 with charge carriers 15 trapped therein, on the right in the picture.
- the left-pointing arrows are intended to indicate those areas of the memcapacitive component 1 where the charge traps can be located.
- the non-linear capacitance-voltage curve of the memcapacitive component can be shifted depending on the voltage or charge state of the electrodes 3a, 3b and the dielectric 5a.
- the charge trapping points can in particular be designed such that the respective charge state can be stored quickly and volatilely and can be changed quickly.
- Fig. 2 shows a schematic cross section of a memcapacitive component according to a second embodiment.
- the second embodiment essentially corresponds to the first embodiment, wherein the memcapacitive component comprises a first dielectric 5a, a second dielectric 5b and a shielding layer 4, wherein the first dielectric 5a is arranged between the first electrode 3a and the shielding layer 4, and wherein the second dielectric 5b is arranged between the second electrode 3b and the shielding layer 4.
- the shielding layer 4 has a semiconductor layer with a variable charge carrier concentration.
- the first dielectric 5a has a first charge trapping point (not shown) for storing a variable amount of charge.
- the charge trapping point can be designed in particular for non-volatile storage of the charge, which can be used in particular for non-volatile storage of a parameter value.
- the second dielectric 5b also has a charge trapping point or second charge trapping point for storing a variable amount of charge.
- Fig. 2 also shows a simplified potential well 15 with Charge carriers 15 and left-facing arrows to indicate the areas of the memcapacitive in which the charge trapping sites can be located.
- the non-linear capacitance-voltage curve can be shifted depending on the voltage or charge state of the electrodes 3a, 3b, the shielding layer 4 or the dielectrics 5a, 5b.
- the charge state of the shielding layer 4 or shielding electrode can be stored quickly and volatilely and changed quickly.
- Fig. 3 shows the memcapacitive component according to Fig. 2 together with a non-linear capacitance-voltage curve.
- a simplified capacitance-voltage dependence is shown on the right of the image to illustrate the non-linear capacitance-voltage curve.
- Fig. 4 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor.
- the external capacitor 5 is designed to store a storage voltage or write voltage.
- the external capacitor 5 is connected with a first connection to the first electrode 3a of the memcapacitive component 1 and to a storage voltage 6 via a switch 7.
- the external capacitor 5 is connected with a second connection to a readout signal 8.
- the stored charge on the capacitor 5 leads to a shift in the capacitance-voltage curve of the memcapacitive component 1 and thus sets the capacitance value of the memcapacitive component 1.
- Fig. 5 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor 5 according to a further embodiment.
- the circuit shown in Fig. 5 essentially corresponds to the embodiment of Fig. 4, wherein the external capacitor 5 is connected to the shielding layer 4 of the memcapacitive component 1.
- the charge on the capacitor 5 also leads to a shift in the capacitance-voltage curve 2 of the memcapacitive component 1.
- Fig. 6 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a third embodiment.
- the memcapacitive component 1 according to the third embodiment is designed essentially similarly to the memcapacitive component 1 according to the second embodiment, see Figures 2 to 4 above.
- the memcapacitive component 1 of Fig. 5 also comprises a first electrode 3a, a second electrode 3b, a first dielectric 5a, a second dielectric 5b and a shielding layer 4, wherein the shielding layer 4 comprises a p-doped region 9 and an n-doped region 10.
- the p-doped region 9 and the n-doped region 10 are formed at two opposite lateral ends of the shielding layer 4.
- a write voltage 11 is applied to the first electrode 3a of the memcapacitive component 1.
- the n-doped region 10 of the shielding layer is connected to a constant voltage 13 via a switch 12.
- the switch 12 can be opened after the write voltage 11 has been applied, so that the injected electrons can remain in the shielding layer 4 when the write voltage is reset to its initial value.
- Fig. 7 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fourth embodiment.
- the fourth embodiment of the memcapacitive component essentially corresponds to the third embodiment shown in Fig. 6, wherein the memcapacitive component 1 is designed such that the first electrode 3a does not overlap with the n-doped region 10 of the shielding layer 4.
- the first electrode 3a has a smaller lateral extent than, for example, the first electrode 3a according to the embodiment of Fig. 4, so that the first electrode 3a does not reach the n-doped region 10 of the shielding layer 4.
- the pin diode formed by the p-doped region 9 and the n-doped region 10 in the shielding layer 4 can be operated in the forward direction.
- Fig. 8 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fifth embodiment.
- the fifth embodiment essentially corresponds to the third embodiment according to Fig. 6, wherein the memcapacitive component 1 further comprises a field effect transistor 14, which is partially integrated in the shielding layer 4.
- the n-doped region 10 of the memcapacitive component 1 can serve as the source or drain of the field effect transistor, whereby a particularly compact structure can be achieved.
- the memcapacitive component can be designed as a substantially planar semiconductor component, which can be manufactured using methods known from semiconductor manufacturing, such as photolithography, metallization, wet and dry chemistry, plasma processes.
- semiconductor manufacturing such as photolithography, metallization, wet and dry chemistry, plasma processes.
- a silicon-based semiconductor substrate can be used as Shielding layer can be used.
- the first and second dielectrics can comprise silicon oxide and the charge traps can be implemented in silicon nitride.
- the charge traps can be designed in particular as inclusions in the dielectrics, comparable to floating gates in flash memories.
- the p-doped region and the n-doped region can be provided by implantation and oven steps, as known from MOSFET technology, for example.
- the memcapacitive component can be designed in such a way that the charge trapping points have different energy depths.
- silicon with a band gap of 1.1 eV other semiconductor materials can also be used to realize potential wells with different barrier heights.
- the potential wells associated with energetically shallow charge traps for short-term storage may have a depth or barrier height of at most 1.2 eV, or between 0.2 eV and 1.1 eV, or between 0.5 eV and 0.9 eV.
- the potential wells associated with energetically deep charge traps for long-term or non-volatile storage may have a depth or barrier height of at least 1.6 eV, or between 1.7 eV and 3.0 eV, or between 2.0 eV and 2.5 eV.
- the ratio of the depth or barrier height of potential wells associated with energetically shallow charge traps for short-term storage to potential wells associated with energetically deep charge traps for long-term or non-volatile storage may be a minimum of 0.01 or a maximum of 0.99 or between 0.05 and 0.95 or between 0.1 and 0.9 or between 0.2 and 0.8 or between 0.4 and 0.6.
- the energetically flat charge traps can be used in particular for the volatile storage of parameters, while the energetically deep charge traps can be used for longer-term or non-volatile storage of parameters.
- the shielding layer can also assume energetically flat or quasi-static charge states, which can be used for the volatile or volatile storage of frequently changing weights or matrix element parameters.
- Fig. 9 shows a flow chart of a method for operating a memcapacitive component according to an embodiment.
- a memcapacitive component according to the first aspect is provided in a method step 110.
- the memcapacitive component can be designed similarly to that shown in Figures 1 to 8.
- the memcapacitive component is written to by applying a write voltage.
- the memcapacitive component can be written to in method step 120 by applying a positive or negative write voltage to the first electrode 3a and/or to the second electrode 4b to change the amount of charge trapped in the potential wells.
- charge carriers, driven by the applied write voltage can travel from the first or second electrode or possibly from the shielding layer to the charge trapping points or leave the charge trapping points. This can be done in particular by Fowler-Nordheim tunneling, similar to a flash memory when charge carriers tunnel towards or away from the floating gate under the influence of an electrostatic field.
- Applying the write voltage can include applying a constant negative, a constant positive and/or an alternating voltage. Applying the write voltage can be done in particular during a predefined time. In particular, the write voltage can be reset after the predefined time, in particular to an initial value.
- a non-linear capacitance-voltage curve is set.
- Setting the non-linear capacitance-voltage curve can in particular comprise applying a bias voltage, in particular a constant bias voltage, to the shielding layer 4.
- a bias voltage in particular a constant bias voltage
- applying the bias voltage in particular the charge state of the shielding layer 4 and thus the shielding behavior of the shielding layer can be changed, whereby the capacitive behavior of the memcapacitive component can also be changed.
- applying the bias voltage can comprise applying a constant voltage in the p-doped region and/or in the n-doped region.
- the p-doped region and the n-doped region may be connected to a constant voltage or ground during application of the write voltage, and wherein the n- or p-doped region is disconnected from the constant voltage or ground before resetting the write voltage to the initial value.
- the memcapacitive component is read out in a method step 140.
- a current state or a charge and/or capacitance value currently stored in the memcapacitive component can be read out in method step 140.
- the reading can take place in a separate method step in order to read out a parameter value stored in the memcapacitive component or the current state of the memcapacitive component at a later point in time if necessary.
- the reading can take place in particular via an external capacitor, which can be connected to a connection to one of the electrodes of the memcapacitive component, wherein the readout signal can be measured at the second connection of the capacitor, see Fig. 4 above.
- Example 1 Arrangement, in particular memcapacitive component, characterized in that the arrangement comprises energetically shallow charge traps for short-term storage of capacitance values and energetically deep charge traps for long-term storage of capacitance values.
- energetically shallow charge traps can be used for the short-term storage of capacity values and energetically deep traps can be used for the long-term storage of capacity values.
- Example 2 Arrangement according to Example 1, wherein the traps are realized in a silicon nitride, and wherein deep or shallow traps can be generated depending on the selected growth parameters.
- the charges in the deep traps require a longer programming time and a higher programming voltage, but can be stored for a longer period of time.
- the shallow traps require a lower programming time/voltage, but the charges are only stored for a short period of time.
- Example 3 Arrangement according to examples 1 or 2, characterized in that the memcapacitive component has a non-linearity in the capacitance-voltage curve and the two electrodes are designed such that a short-term storage of capacitance values can take place by means of charge storage on the electrodes.
- the capacitance-voltage curves can be shifted, thereby storing a new capacitance value.
- Example 4 Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the memcapacitive component has a non-linearity in the capacitance-voltage curve and, in addition to the two electrodes, also contains a shielding layer with its own connections and a short-term storage of capacitance values can take place by means of charge storage on the shielding layer.
- the shielding layer can be used to store charges and thus to set a capacitance on the capacitance-voltage curve.
- Example 5 Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that a further capacitor, which stores a storage voltage for setting the short-term capacitance value, is connected to an electrode of the memcapacitive component, and the capacitor is designed to connect to a switch which connects or disconnects the storage voltage, wherein the other terminal of the capacitor is designed to connect to the readout signal.
- the additional capacitor can store a certain amount of charge/voltage, which is passed on to the electrode. This can achieve a shift along the capacitance-voltage curve.
- the switch separates the capacitor from the storage voltage so that the value is stored and the storage voltage can be connected to other memcapacitive components and changed.
- Example 6 Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that a further capacitor, which stores a storage voltage for setting the short-term capacitance value, is connected to the shielding layer of the memcapacitive component, and the capacitor is designed to be connected to a switch which connects or disconnects the storage voltage, wherein the other terminal of the capacitor is designed to be connected to ground.
- the capacitor is connected to the shielding layer in order to pass the voltage on to it and to achieve a shift along the capacitance-voltage curve.
- Example 7 Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the shielding layer, in particular laterally, contains a p-doped region and an n-doped region and the positive or negative writing voltage is designed to connect to an electrode, and the n- or p-doped region is connected to a switch.
- the shielding layer in particular laterally, contains a p-doped region and an n-doped region and the positive or negative writing voltage is designed to connect to an electrode, and the n- or p-doped region is connected to a switch.
- this embodiment can be supplemented by a method in which the positive or negative writing voltage is applied to an electrode, the p- and n-doped region is connected to a constant voltage or ground during this time, and the n- or p-doped region is separated from the constant voltage or ground before the writing voltage is reset to the initial value.
- the p- and n-regions enable hole or electron injection when a negative or positive voltage is applied to the electrode. If the connection from the p-region or n-region to ground is broken after the negative or positive voltage has been applied and the voltage is reset, the injected holes or electrons remain in the shielding layer and are stored. The excess charge in the shielding layer leads to a shift in the capacitance-voltage curve and sets a new capacitance value.
- Example 8 Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the shielding layer contains a p-doped region and an n-doped region and the positive or negative writing voltage is designed to connect to an electrode and the electrode does not overlap with the n- or p-doped region.
- this embodiment can be supplemented by a method in which the pin diode is operated in the forward direction when the positive or negative write voltage is applied, and the diode is operated with no voltage or in the reverse direction before the positive or negative write voltage is removed.
- Example 9 Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the switch is implemented in the form of a field effect transistor in the shielding layer.
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Abstract
Description
Beschreibung Description
Memkapazitives Bauelement und Verfahren zum Betreiben des memkapazitiven Bauelements Memcapacitive component and method for operating the memcapacitive component
Die vorliegende Offenbarung betrifft im allgemeinen mikroelektronische Bauelemente. Im Speziellen betrifft die vorliegende Offenbarung ein memkapazitives Bauelement sowie ein Verfahren zum Betreiben des memkapazitiven Bauelements. The present disclosure relates generally to microelectronic devices. More particularly, the present disclosure relates to a memcapacitive device and a method of operating the memcapacitive device.
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der früheren deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2023 001 999.2 in Anspruch, deren Inhalt durch diese Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird. The present patent application claims the priority of the earlier German patent application with the official file number 10 2023 001 999.2, the content of which is fully incorporated into the present disclosure by this reference.
Speziell im Zusammenhang mit den jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz (Kl) und künstlichen neuronalen Netzen, wie beispielsweise Transformer-Modelle, werden immer leistungsfähigere und schnellere Rechner benötigt. Neue Prozessor- und Speicherarchitekturen, welche speziell für Kl-typische Operationen, wie beispielsweise Tensor-Multiplikation, ausgelegt sind, könnten dabei helfen, diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden. Especially in connection with the recent developments in the field of artificial intelligence (AI) and artificial neural networks, such as transformer models, increasingly powerful and faster computers are required. New processor and memory architectures, which are specifically designed for AI-typical operations, such as tensor multiplication, could help to meet these growing requirements.
In der Patentdruckschrift US2022059161A1 wird ein memkapazitives Bauelement oder kapazitives synaptisches Bauelement sowie eine Matrix aus einer Mehrzahl kapazitiver synaptischer Bauelemente zum Ausführen einer Vektor-Matrix-Multiplikation beschrieben. Im Vergleich zu memresistiven Bauelementen bieten memkapazitve Bauelemente einige Vorteile hinsichtlich des statischen Energieverbrauchs oder hinsichtlich der Schleichwegprobleme (Sneack Path), die bei memresistiven Bauelementen auftreten können. The patent document US2022059161A1 describes a memcapacitive device or capacitive synaptic device and a matrix of a plurality of capacitive synaptic devices for performing vector-matrix multiplication. Compared to memresistive devices, memcapacitive devices offer some advantages in terms of static power consumption or sneak path problems that can occur with memresistive devices.
Bei der Berechnung von Transformer-Modellen in den sogenannten Attention- Layern oder zur Implementierung eines Kurzzeitgedächtnisses können volatile und freie Vektor-Mat- rixmultiplikationen eine entscheidende Rolle spielen. Eine freie Multiplikation bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die gleiche Multiplikationsoperation mit unterschiedlichen oder frei variablen Gewichten oder Matrixparametern routinemäßig wiederholt werden kann. Die Geschwindigkeit und Flexibilität der Änderung von Gewichten oder Matrixelementen zwischen einzelnen Berechnungsschritten spielt eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Effizienz von Kl-Computern und künstlichen neuronalen Netzen. Eine Aufgabe von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein memkapazitives Bauelement sowie ein Verfahren zum Betreiben des memkapazitiven Bauelements bereitzustellen, welche ein schnelles und flexibles Ändern von Gewichten bei Mat- rix-Operationen ermöglichen. Volatile and free vector matrix multiplications can play a crucial role in the calculation of transformer models in the so-called attention layers or in the implementation of a short-term memory. In this context, free multiplication means that the same multiplication operation can be routinely repeated with different or freely variable weights or matrix parameters. The speed and flexibility of changing weights or matrix elements between individual calculation steps plays a crucial role in increasing the efficiency of small computers and artificial neural networks. An object of embodiments of the present disclosure is to provide a memcapacitive component and a method for operating the memcapacitive component, which enable fast and flexible changing of weights in matrix operations.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt ein memkapazitives Bauelement, im Folgenden auch "Anordnung" genannt, für den Betrieb unter nichtlinearen Kapazitäts- Spannungskurven vorgeschlagen. Insbesondere kann das memkapazitive Bauelement als ein Halbleiterbauelement mit einem veränderbaren nichtlinearen Verhalten oder mit einer einstellbaren nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve ausgebildet sein. To solve this problem, according to a first aspect, a memcapacitive component, also referred to below as "arrangement", is proposed for operation under non-linear capacitance-voltage curves. In particular, the memcapacitive component can be designed as a semiconductor component with a changeable non-linear behavior or with an adjustable non-linear capacitance-voltage curve.
Das memkapazitive Bauelement umfasst eine Anzahl von elektrischen Anschlüssen zum elektrischen Kontaktieren des memkapazitiven Bauelements. Insbesondere kann die Anzahl von elektrischen Anschlüssen einen, zwei, drei oder vier elektrische Anschlüsse umfassen. The memcapacitive component comprises a number of electrical connections for electrically contacting the memcapacitive component. In particular, the number of electrical connections can comprise one, two, three or four electrical connections.
Das memkapazitive Bauelement umfasst eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode. Das memkapazitive Bauelement umfasst ferner mindestens ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes Dielektrikum, wobei die elektrischen Anschlüsse und/oder das mindestens eine Dielektrikum unterschiedlich tiefe Potentialtöpfe bildende Ladungsfangstellen zum Einfangen von veränderbaren, insbesondere kontrolliert veränderbaren, Ladungsmengen aufweist. The memcapacitive component comprises a first electrode and a second electrode. The memcapacitive component further comprises at least one dielectric arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the electrical connections and/or the at least one dielectric has charge traps forming potential wells of different depths for trapping variable, in particular controllably variable, charge quantities.
Insbesondere kann das memkapazitive Bauelement wenigstens eine energetisch flache Ladungsfangstelle zum kurzfristigen oder flüchtigen oder volatilen Speichern von Ladungen oder Kapazitätswerten und wenigstens eine energetisch tiefe Ladungsfangstelle zum langfristigen oder nicht flüchtigen Speichern von Ladungen oder Kapazitätswerten aufweisen. Die energetisch flachen oder energetisch tiefen Ladungsfangstellen können insbesondere Potentialtöpfe mit entsprechend niedrigen oder hohen Schwell- oder Aktivierungsenergien oder Barrierehöhen bilden. In particular, the memcapacitive component can have at least one energetically flat charge trapping point for short-term or fleeting or volatile storage of charges or capacitance values and at least one energetically low charge trapping point for long-term or non-volatile storage of charges or capacitance values. The energetically flat or energetically low charge trapping points can in particular form potential wells with correspondingly low or high threshold or activation energies or barrier heights.
Insbesondere aufgrund der Fähigkeit des memkapazitiven Bauelements, verschiedene Zustände oder Ladungsmengen zu speichern, kann das memkapazitive Bauelement zum Speichern von Rechenparametern und zum Durchführen von Rechenoperationen eingesetzt werden. Die Größe eines Rechenparameters kann dabei wenigstens indirekt durch eine gespeicherte Ladungsmenge repräsentiert werden. Die mit energetisch flachen Ladungsfangstellen assoziierten Potentialtöpfe zum kurzfristigen Speichern können eine Tiefe oder Barrierehöhe von höchstens 1 ,2 eV oder zwischen 0,2 eV und 1 ,1 eV oder zwischen 0,5 eV und 0,9 eV aufweisen. Die mit energetisch tiefen Ladungsfangstellen assoziierten Potentialtöpfe zum langfristigen oder nicht flüchtigen Speichern können eine Tiefe oder Barrierehöhe von mindestens 1 ,6 eV oder zwischen 1 ,7 eV und 3,0 eV oder zwischen 2,0 eV und 2,5 eV aufweisen. Das Verhältnis der Tiefe oder Barrierenhöhe von Potenzialschächten, die mit energetisch flachen Ladungsfallen zum kurzfristigen Speichern assoziiert sind, zu Potenzialschächten, die mit energetisch tiefen Ladungsfallen zum langfristigen oder nichtflüchtigen Speichern assoziiert sind, kann mindestens 0,01 oder höchstens 0,99 oder zwischen 0,05 und 0,95 oder zwischen 0,1 und 0,9 oder zwischen 0,2 und 0,8 oder zwischen 0,4 und 0,6 betragen. In particular, due to the ability of the memcapacitive component to store different states or charge quantities, the memcapacitive component can be used to store computational parameters and to carry out computational operations. The size of a computational parameter can be represented at least indirectly by a stored charge quantity. The potential wells associated with energetically flat charge traps for short-term storage can have a depth or barrier height of at most 1.2 eV or between 0.2 eV and 1.1 eV or between 0.5 eV and 0.9 eV. The potential wells associated with low energy charge traps for long-term or non-volatile storage may have a depth or barrier height of at least 1.6 eV, or between 1.7 eV and 3.0 eV, or between 2.0 eV and 2.5 eV. The ratio of the depth or barrier height of potential wells associated with low energy charge traps for short-term storage to potential wells associated with low energy charge traps for long-term or non-volatile storage may be at least 0.01 or at most 0.99, or between 0.05 and 0.95, or between 0.1 and 0.9, or between 0.2 and 0.8, or between 0.4 and 0.6.
Das wenigstens eine Dielektrikum kann ein erstes Dielektrikum mit einer ersten Ladungsfangstelle und ein zweites Dielektrikum mit einer zweiten Ladungsfangstelle umfassen. Unter Verwendung unterschiedlicher Dielektrika können Ladungsfangstellen mit unterschiedlicher energetischer Tiefe realisiert werden. Beispielsweise kann die Ladungsfangstelle des ersten Dielektrikums eine geringere energetische Tiefe als die Ladungsfangstelle des zweiten Dielektrikums aufweisen. Der durch die erste Ladungsfangstelle gebildete Potentialtopf kann insbesondere zum flüchtigen Speichern von Ladungen verwendet werden und der durch die zweite Ladungsfangstelle gebildete Potentialtopf kann zum nichtflüchtigen Speichern von Ladungen verwendet werden. The at least one dielectric can comprise a first dielectric with a first charge trap and a second dielectric with a second charge trap. Using different dielectrics, charge traps with different energetic depths can be realized. For example, the charge trap of the first dielectric can have a lower energetic depth than the charge trap of the second dielectric. The potential well formed by the first charge trap can be used in particular for the volatile storage of charges and the potential well formed by the second charge trap can be used for the non-volatile storage of charges.
Das memkapazitive Bauelement kann eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Abschirmschicht mit einem kontrolliert veränderbaren Abschirmvermögen umfassen. Insbesondere kann die Abschirmschicht dazu ausgebildet sein, ein von der ersten Elektrode und/oder von der zweiten Elektrode ausgehendes elektrisches Feld abzuschirmen, wobei die Abschirmschicht je nach Betriebszustand unterschiedliches Abschirmverhalten aufweisen kann. The memcapacitive component can comprise a shielding layer arranged between the first electrode and the second electrode with a shielding capacity that can be changed in a controlled manner. In particular, the shielding layer can be designed to shield an electric field emanating from the first electrode and/or from the second electrode, wherein the shielding layer can have different shielding behavior depending on the operating state.
Das erste Dielektrikum kann zwischen der ersten Elektrode und der Abschirmschicht angeordnet sein und/oder das zweite Dielektrikum kann zwischen der zweiten Elektrode und der Abschirmschicht angeordnet sein. Insbesondere können die beiden Dielektrika so angeordnet sein, dass in dem ersten Dielektrikum und in dem zweiten Dielektrikum herrschende Felder voneinander abgeschirmt werden können. The first dielectric can be arranged between the first electrode and the shielding layer and/or the second dielectric can be arranged between the second electrode and the shielding layer. In particular, the two dielectrics can be arranged such that fields prevailing in the first dielectric and in the second dielectric can be shielded from one another.
Die Abschirmschicht kann eine Halbleiterschicht mit einer kontrolliert veränderbaren Ladungsträgerkonzentration umfassen. Je nach Konzentration der Ladungsträger, insbesondere Elektronen oder Löcher, kann das aus der ersten Elektrode und/oder aus der zweiten Elektrode ausgehende Feld durch die Abschirmschicht unterschiedlich stark abgeschirmt werden. Die Ladungsträgerkonzentration in der Abschirmschicht kann somit das Abschirmvermögen oder die messbare Kapazität des memkapazitiven Bauelements beeinflussen. Die Kapazität oder das kapazitive Verhalten des memkapazitiven Bauelements kann somit zum Repräsentieren eines variablen oder flüchtigen Parameters herangezogen werden. The shielding layer can comprise a semiconductor layer with a charge carrier concentration that can be changed in a controlled manner. Depending on the concentration of the charge carriers, in particular electrons or holes, the field emanating from the first electrode and/or the second electrode can be shielded to varying degrees by the shielding layer. The charge carrier concentration in the shielding layer can thus shielding capability or the measurable capacitance of the memcapacitive component. The capacitance or capacitive behavior of the memcapacitive component can thus be used to represent a variable or volatile parameter.
Die Abschirmschicht kann ausgebildet sein, quasistatische Zustände oder Ladungszustände mit unterschiedlich stark ausgeprägtem Abschirmvermögen einzunehmen. Quasistatisch bedeutet in diesem Kontext, dass die Ladungszustände, insbesondere Ladungsträgerkonzentration, oder Abschirmvermögen der Abschirmschicht für eine bestimmte Zeit oder während einer bestimmten Verweildauer aufrechterhalten werden kann. Beispielsweise kann die Abschirmschicht während der Durchführung einer Rechenoperation oder eines elementaren Rechenschritts einen bestimmten Ladungszustand aufweisen. Die Verweildauer der Ladungszustände in der Abschirmschicht kann insbesondere durch interne Faktoren, wie Dotierungen und/oder Ladungsfangstellen, sowie extern, wie beispielsweise durch Beaufschlagung mit einer Spannung oder Vorspannung eingestellt oder verändert werden. Die Fähigkeit der Abschirmschicht, ihren Zustand oder Ladungszustand wenigstens für eine kurze Zeit aufrechtzuerhalten oder zu speichern, kann einen weiteren oder zusätzlichen Speichermechanismus darstellen, um beispielsweise schnell oder häufig veränderliche Parameter vor dem Durchführen einer Rechenoperation kurzfristig zu speichern. Mittels des memkapazitiven Bauelements können somit verschiedene Mechanismen zum Speichern von Ladungen oder Kapazitätswerten realisiert werden. Insbesondere kann die Abschirmschicht, ähnlich wie die Ladungsfangstellen in dem ersten Dielektrikum und/oder in dem zweiten Dielektrikum, zum Speichern von Information oder Parametern herangezogen werden. The shielding layer can be designed to assume quasi-static states or charge states with shielding capacity of varying degrees. Quasi-static in this context means that the charge states, in particular charge carrier concentration, or shielding capacity of the shielding layer can be maintained for a certain time or during a certain residence time. For example, the shielding layer can have a certain charge state during the execution of a calculation operation or an elementary calculation step. The residence time of the charge states in the shielding layer can be set or changed in particular by internal factors, such as doping and/or charge trapping sites, as well as externally, such as by applying a voltage or bias voltage. The ability of the shielding layer to maintain or store its state or charge state at least for a short time can represent a further or additional storage mechanism, for example to store parameters that change quickly or frequently for a short time before carrying out a calculation operation. Various mechanisms for storing charges or capacitance values can thus be implemented using the memcapacitive component. In particular, the shielding layer, similar to the charge traps in the first dielectric and/or in the second dielectric, can be used to store information or parameters.
Insbesondere können die Ladungsfangstellen des ersten und/oder des zweiten Dielektrikums und die Abschirmschicht unterschiedlich stabile Ladungszustände aufweisen. Aufgrund der energetischen Unterschiede können mittels solcher memkapazitiven Bauelementen sowohl flüchtige als auch nichtflüchtige Speicher realisiert werden. Das erste Dielektrikum und/oder das zweite Dielektrikum können im Wesentlichen ähnlich wie ein Gate-Stack in einem Flash- Speicher ausgebildet sein, wobei die beiden Dielektrika Ladungsfangstellen unterschiedliche energetische Tiefe aufweisen können. In particular, the charge traps of the first and/or the second dielectric and the shielding layer can have different stable charge states. Due to the energetic differences, both volatile and non-volatile memories can be realized using such memcapacitive components. The first dielectric and/or the second dielectric can be designed essentially similarly to a gate stack in a flash memory, wherein the two dielectrics can have charge traps with different energetic depths.
Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können zum kurzfristigen Speichern eines Kapazitätswerts mittels Ladungsspeicherung auf den Elektroden ausgebildet sein. Insbesondere aufgrund der nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve können Kapazitätswerte zum Repräsentieren von Rechenparametern, insbesondere von flüchtig zu speichernden Parametern, herangezogen werden. Das memkapazitive Bauelement kann insbesondere in einer Schaltung oder in einer Schaltungsanordnung mit einem externen Kondensator verwendet werden. Insbesondere kann der externe Kondensator mit einem ersten Anschluss an eine der Elektroden des memkapazitiven Bauelements angeschlossen und über einen Schalter mit einer Speicherspannung elektrisch verbunden sein. Der andere Anschluss des Kondensators kann insbesondere mit einem Auslesesignal verbunden sein. Der externe Kondensator kann insbesondere zum Speichern einer Speicherspannung ausgebildet sein, so dass ein Kapazitätswert des memkapazitiven Bauelements mittels der Speicherspannung eingestellt werden kann. Mittels des Schalters können insbesondere unterschiedlich tiefe Potentialtöpfe implementiert werden. Beim Schreiben kann die Tiefe eines Potentialtopfs verringert werden, so dass Ladungen dem Potentialtopf zugefügt werden können. Beim Speichern kann die Tiefe des Potentialtopfs erhöht werden, so dass die Ladungen gespeichert werden können. Je nach Höhe des Potentialtopfes kann ein kurzfristiges Speichern oder langfristiges Speichern ermöglicht werden. Insbesondere heißt tiefer Potentialtopf Schalter offen, flacher Potentialtopf oder kein Potentialtopf vorhanden, heißt Schalter geschlossen. Dabei sind grundsätzlich beliebige Zwischenstufen möglich, um eine unterschiedliche Tiefe der Potentialtöpfe zu erzielen, beispielsweise mit einem integrierten Feldeffekttransistor, siehe Fig. 8 unten. The first electrode and/or the second electrode can be designed for short-term storage of a capacitance value by means of charge storage on the electrodes. In particular, due to the non-linear capacitance-voltage curve, capacitance values can be used to represent calculation parameters, in particular parameters to be stored volatilely. The memcapacitive component can in particular be used in a Circuit or in a circuit arrangement with an external capacitor. In particular, the external capacitor can be connected with a first connection to one of the electrodes of the memcapacitive component and electrically connected to a storage voltage via a switch. The other connection of the capacitor can in particular be connected to a readout signal. The external capacitor can in particular be designed to store a storage voltage, so that a capacitance value of the memcapacitive component can be set using the storage voltage. In particular, potential wells of different depths can be implemented using the switch. When writing, the depth of a potential well can be reduced so that charges can be added to the potential well. When saving, the depth of the potential well can be increased so that the charges can be stored. Depending on the height of the potential well, short-term storage or long-term storage can be made possible. In particular, a deep potential well means a switch is open, a shallow potential well or no potential well means a switch is closed. In principle, any intermediate stages are possible in order to achieve a different depth of the potential wells, for example with an integrated field effect transistor, see Fig. 8 below.
Die Anzahl von elektrischen Anschlüssen kann wenigstens einen elektrischen Anschluss zum Kontaktieren der Abschirmschicht umfassen, so dass eine kurzfristige Speicherung von Kapazitätswerten mittels Ladungsspeicherung auf der Abschirmschicht erfolgen kann. Insbesondere kann die Abschirmschicht des memkapazitiven Bauelements wenigstens einen eigenen elektrischen Anschluss zum direkten Kontaktieren der Abschirmschicht aufweisen, über welchen elektrische Ladungen in die Abschirmschicht injiziert oder von der Abschirmschicht abgezogen werden können. Das memkapazitive Bauelement kann insbesondere in einer Schaltung oder Schaltungsanordnung mit einem an die Abschirmschicht angeschlossenen externen Kondensator zum Einstellen des kurzfristigen Kapazitätswerts verwendet werden. Der externe Kondensator kann beispielsweise mit einem ersten Anschluss mit einem Schalter verbunden sein, welcher die Speicherspannung verbindet oder trennt, wobei der zweite Anschluss des Kondensators mit Masse verbunden sein kann. Insbesondere aufgrund der nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve des memkapazitiven Bauelements können dabei Kapazitätswerte zum Repräsentieren von zu kurzfristig oder volatil speichernden Rechenparameters herangezogen werden. The number of electrical connections can include at least one electrical connection for contacting the shielding layer, so that short-term storage of capacitance values can take place by means of charge storage on the shielding layer. In particular, the shielding layer of the memcapacitive component can have at least one of its own electrical connections for directly contacting the shielding layer, via which electrical charges can be injected into the shielding layer or withdrawn from the shielding layer. The memcapacitive component can be used in particular in a circuit or circuit arrangement with an external capacitor connected to the shielding layer for setting the short-term capacitance value. The external capacitor can, for example, be connected to a switch with a first connection that connects or disconnects the storage voltage, wherein the second connection of the capacitor can be connected to ground. In particular due to the non-linear capacitance-voltage curve of the memcapacitive component, capacitance values can be used to represent calculation parameters that are stored too short-term or volatile.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die Abschirmschicht ein p-dotiertes Gebiet und ein n- dotiertes Gebiet auf, wobei das p-dotierte Gebiet oder das n-dotierte Gebiet ausgebildet sein können, über wenigstens einen Schalter mit einer Vorspannung oder mit einer konstanten Spannung elektrisch kontaktiert zu werden. Über das p-dotierte Gebiet und/oder das n- dotierte Gebiet können Ladungsträger zum kontrollierten Modifizieren des Ladungszustands oder Abschirmvermögens der Abschirmschicht in die Abschirmschicht injiziert oder von der Abschirmschicht abgezogen werden. Die Abschirmschicht kann insbesondere eine pin-Dio- den-Topologie aufweisen, wobei das Dielektrikum zwischen dem p-dotierten Gebiet und dem n-dotierten Gebiet als Abschirmgebiet zum Abschirmen des von der ersten Elektrode oder von der zweiten Elektrode ausgehenden Felds dienen kann. In some embodiments, the shielding layer has a p-doped region and an n-doped region, wherein the p-doped region or the n-doped region can be designed to be electrically contacted via at least one switch with a bias voltage or with a constant voltage. Via the p-doped region and/or the n- doped region, charge carriers can be injected into the shielding layer or withdrawn from the shielding layer in order to modify the charge state or shielding capacity of the shielding layer in a controlled manner. The shielding layer can in particular have a pin diode topology, wherein the dielectric between the p-doped region and the n-doped region can serve as a shielding region for shielding the field emanating from the first electrode or from the second electrode.
Das memkapazitive Bauelement kann wenigstens einen wenigstens teilweise in die Abschirmschicht integrierten Feldeffekttransistor zum Anschließen des p-dotierten Gebiets und/oder des n-dotierten Gebiets an eine Vorspannung umfassen. Insbesondere können wenigstens einige der Komponenten des wenigstens einen Feldeffekttransistors und des mem- kapazitiven Bauelements in gemeinsamen Prozessschritten hergestellt worden sein. Dabei kann n-dotierte Gebiet des memkapazitiven Bauelements als Source oder Drain des Feldeffekttransistors fungieren, wodurch ein besonders kompakter Aufbau erzielt werden kann. Der Feldeffekttransistor kann insbesondere als der Schalter zum Anschließen des memkapazitiven Bauelements und des externen Kondensators an die Speicherspannung fungieren. The memcapacitive component can comprise at least one field effect transistor at least partially integrated into the shielding layer for connecting the p-doped region and/or the n-doped region to a bias voltage. In particular, at least some of the components of the at least one field effect transistor and the memcapacitive component can have been manufactured in common process steps. The n-doped region of the memcapacitive component can function as the source or drain of the field effect transistor, whereby a particularly compact structure can be achieved. The field effect transistor can in particular function as the switch for connecting the memcapacitive component and the external capacitor to the storage voltage.
In einigen Ausführungsbeispielen ist das memkapazitive Bauelement so ausgebildet, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode mit dem n-dotierten Gebiet und/oder mit dem p-dotierten Gebiet nicht überlappt. Insbesondere kann der Bereich zwischen dem p-do- tierten Gebiet und dem n-dotierten Gebiet über die laterale Ausdehnung der ersten und/oder der zweiten Elektroden in wenigstens eine laterale Richtung überschreiten. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass das p-dotierte Gebiet und/oder das n-dotierte Gebiet die Abschirmfunktion der Abschirmschicht beeinträchtigt. In some embodiments, the memcapacitive component is designed such that the first electrode and/or the second electrode does not overlap with the n-doped region and/or with the p-doped region. In particular, the area between the p-doped region and the n-doped region can extend beyond the lateral extent of the first and/or the second electrodes in at least one lateral direction. In this way, it can be avoided that the p-doped region and/or the n-doped region impairs the shielding function of the shielding layer.
Nach einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines memkapazitiven Bauelements bereitgestellt. Das memkapazitive Bauelement kann insbesondere als memkapazi- tives Bauelement mit einer einstellbaren nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve nach einem Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Insbesondere weist das memkapazitive Bauelement eine Anzahl von Anschlüssen auf, wobei die Anzahl von Anschlüssen eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst. Das memkapazitive Bauelement umfasst ferner ein mindestens ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Dielektrikum, wobei die elektrischen Anschlüsse und/oder das mindestens ein Dielektrikum unterschiedlich tiefe Potentialtöpfe bildenden Ladungsfangstellen zum Einfangen von veränderlichen, insbesondere kontrolliert veränderlichen, Ladungsmengen aufweist. Das Verfahren umfasst Beschreiben des memkapazitiven Bauelements durch Anlegen einer positiven oder negativen Schreibspannung an die erste Elektrode und/oder an die zweite Elektrode zum Verändern der in den Potentialtöpfen eingefangenen Ladungsmengen. Beim Beschreiben des memkapazitiven Bauelements kann insbesondere eine messbare Zustandsänderung des memkapazitiven Bauelements stattfinden. Das Anlegen der Schreibspannung kann insbesondere eine solche messbare Zustandsänderung des memkapazitiven Bauelements herbeiführen. Beispielsweise kann das Anlegen der Schreibspannung zum Tunneln zwischen der ersten oder der zweiten Elektrode und der wenigstens einen Ladungsfangstelle führen, so dass die an der Ladungsfangstelle gespeicherte Ladungsmenge geändert werden kann. Diese Zustandsänderung kann, beispielsweise in einem späteren Schritt, gemessen oder ausgelesen werden. Insbesondere kann die Änderung der an der wenigstens einen Ladungsfangstelle gespeicherten Ladungsmenge Auswirkungen auf das kapazitive Verhalten des memkapazitiven Bauelements haben, was auch gemessen werden kann. According to a second aspect, a method for operating a memcapacitive component is provided. The memcapacitive component can in particular be designed as a memcapacitive component with an adjustable non-linear capacitance-voltage curve according to an embodiment according to the first aspect. In particular, the memcapacitive component has a number of connections, wherein the number of connections comprises a first electrode and a second electrode. The memcapacitive component further comprises at least one dielectric arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the electrical connections and/or the at least one dielectric has charge traps of different depths forming potential wells for trapping variable, in particular controlled variable, amounts of charge. The method comprises writing to the memcapacitive component by applying a positive or negative write voltage to the first electrode and/or to the second electrode to change the amount of charge trapped in the potential wells. When writing to the memcapacitive component, in particular a measurable change in state of the memcapacitive component can take place. Applying the write voltage can in particular bring about such a measurable change in state of the memcapacitive component. For example, applying the write voltage can lead to tunneling between the first or the second electrode and the at least one charge trapping point, so that the amount of charge stored at the charge trapping point can be changed. This change in state can be measured or read out, for example in a later step. In particular, the change in the amount of charge stored at the at least one charge trapping point can have an effect on the capacitive behavior of the memcapacitive component, which can also be measured.
Das erste Dielektrikum kann zwischen der ersten Elektrode und der Abschirmschicht und das zweite Dielektrikum kann zwischen der zweiten Elektrode und der Abschirmschicht angeordnet sein, und wobei das erste Dielektrikum und/oder das zweite Dielektrikum wenigstens eine Ladungsfangstelle zum Speichern einer veränderbaren Ladungsmenge umfassen kann. The first dielectric may be arranged between the first electrode and the shielding layer and the second dielectric may be arranged between the second electrode and the shielding layer, and wherein the first dielectric and/or the second dielectric may comprise at least one charge trap for storing a variable amount of charge.
In einigen Durchführungsbeispielen umfasst das Verfahren Einstellen einer nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve. Das Einstellen der nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve kann insbesondere durch eine Änderung der Ladungszustände der wenigstens einen Ladungsfangstelle oder der Abschirmschicht erfolgen. Dies kann insbesondere durch eine externe Spannung oder ein externes Feld erfolgen, welches Ladungsverschiebungen in dem memkapazitiven Bauelement, insbesondere in den Dielektrika oder in der Abschirmschicht hervorrufen kann. Eine aktuelle nichtlineare Kapazitäts-Spannungskurve kann dabei zur Beschreibung eines aktuellen Zustands des memkapazitiven Bauelements dienen, so dass die Kapazität oder die nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve zum Repräsentieren von variablen Parametern, wie beispielsweise Gewichte in einer Matrix-Vektor-Multiplikation, herangezogen werden kann. In some embodiments, the method includes setting a non-linear capacitance-voltage curve. The setting of the non-linear capacitance-voltage curve can be carried out in particular by changing the charge states of the at least one charge trap or the shielding layer. This can be carried out in particular by an external voltage or an external field, which can cause charge shifts in the memcapacitive component, in particular in the dielectrics or in the shielding layer. A current non-linear capacitance-voltage curve can be used to describe a current state of the memcapacitive component, so that the capacitance or the non-linear capacitance-voltage curve can be used to represent variable parameters, such as weights in a matrix-vector multiplication.
Das wenigstens eine Dielektrikum kann ein erstes Dielektrikum mit einer ersten Ladungsfangstelle und ein zweites Dielektrikum mit einer zweiten Ladungsfangstelle umfassen. Unter Verwendung unterschiedlicher Dielektrika können Ladungsfangstellen mit unterschiedlicher energetischer Tiefe realisiert werden. Beispielsweise kann die Ladungsfangstelle des ersten Dielektrikums eine geringere energetische Tiefe als die Ladungsfangstelle des zweiten Dielektrikums aufweisen. Das memkapazitive Bauelement kann eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Abschirmschicht mit einem kontrolliert veränderbaren Abschirmvermögen umfassen, wobei das Einstellen der nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve Anlegen einer Vorspannung insbesondere einer konstanten Bias-Spannung auf die Abschirmschicht umfassen kann. Durch das Anlegen der Vorspannung kann insbesondere der Ladungszustand der Abschirmschicht und somit das Abschirmverhalten der Abschirmschicht geändert werden, wodurch das kapazitive Verhalten des memkapazitiven Bauelements beeinflusst werden kann. The at least one dielectric can comprise a first dielectric with a first charge trap and a second dielectric with a second charge trap. Using different dielectrics, charge traps with different energetic depths can be realized. For example, the charge trap of the first dielectric can have a lower energetic depth than the charge trap of the second dielectric. The memcapacitive component can comprise a shielding layer arranged between the first electrode and the second electrode with a shielding capacity that can be changed in a controlled manner, wherein the setting of the nonlinear capacitance-voltage curve can comprise applying a bias voltage, in particular a constant bias voltage, to the shielding layer. By applying the bias voltage, in particular the charge state of the shielding layer and thus the shielding behavior of the shielding layer can be changed, whereby the capacitive behavior of the memcapacitive component can be influenced.
Das erste Dielektrikum kann zwischen der ersten Elektrode und der Abschirmschicht angeordnet sein und/oder das zweite Dielektrikum kann zwischen der zweiten Elektrode und der Abschirmschicht angeordnet sein. Insbesondere können die beiden Dielektrika so angeordnet sein, dass in dem ersten Dielektrikum und in dem zweiten Dielektrikum herrschende Felder voneinander abgeschirmt werden können. The first dielectric can be arranged between the first electrode and the shielding layer and/or the second dielectric can be arranged between the second electrode and the shielding layer. In particular, the two dielectrics can be arranged such that fields prevailing in the first dielectric and in the second dielectric can be shielded from one another.
In einigen Durchführungsbeispielen des Verfahrens umfasst die Abschirmschicht ein p-dotier- tes Gebiet und ein n-dotiertes Gebiet, wobei das p-dotierte Gebiet und das n-dotierte Gebiet ausgebildet sein können, über wenigstens einen Schalter mit einer Vorspannung elektrisch verbunden zu werden. Dabei kann das Anlegen der Vorspannung Anlegen einer konstanten Spannung in dem p-dotierten Gebiet und/oder in dem n-dotierten Gebiet umfassen. In some embodiments of the method, the shielding layer comprises a p-doped region and an n-doped region, wherein the p-doped region and the n-doped region can be designed to be electrically connected to a bias voltage via at least one switch. The application of the bias voltage can comprise applying a constant voltage in the p-doped region and/or in the n-doped region.
Insbesondere kann das p-dotierte Gebiet und das n-dotierte Gebiet währen des Anlegens der Schreibspannung mit einer konstanten Spannung oder Masse verbunden sein, und wobei vor einem Zurücksetzen der Schreibspannung auf den Ausgangswert das n- oder p-do- tierte Gebiet von der konstanten Spannung oder Masse getrennt wird. Insbesondere kann die Vorspannung der Abschirmschicht über die gesamte Dauer des Schreibvorgangs aufrechterhalten werden, so dass der Schreibprozess unter im Wesentlichen konstanten Rahmenbedingungen erfolgen kann. In einigen Durchführungsbeispielen wird beim Anlegen der Vorspannung eine durch das p-dotierte Gebiet und n-dotierte Gebiet in der Abschirmschicht gebildete pin-Diode in Durchlassrichtung betrieben. Durch das Betreiben der pin-Diode in Durchlass- oder Vorwärtsrichtung können Elektronen in die Abschirmschicht injiziert werden. In particular, the p-doped region and the n-doped region can be connected to a constant voltage or ground during the application of the write voltage, and the n- or p-doped region is separated from the constant voltage or ground before the write voltage is reset to the initial value. In particular, the bias of the shielding layer can be maintained over the entire duration of the writing process, so that the writing process can take place under essentially constant conditions. In some embodiments, when the bias is applied, a pin diode formed by the p-doped region and n-doped region in the shielding layer is operated in the forward direction. By operating the pin diode in the forward or forward direction, electrons can be injected into the shielding layer.
In einigen Durchführungsbeispielen umfasst das Verfahren Anlegen einer Auslesespannung an die erste Elektrode und/oder an die zweite Elektrode zum Auslesen des memkapazitiven Bauelements. Insbesondere kann das Auslesen in einem separaten Verfahrensschritt erfolgen, um ggf. zu einem späteren Zeitpunkt einen in dem memkapazitiven Bauelement gespeicherten Parameterwert oder den aktuellen Zustand des memkapazitiven Bauelements auszulesen. In some embodiments, the method comprises applying a readout voltage to the first electrode and/or to the second electrode for reading the memcapacitive component. In particular, the reading can be carried out in a separate method step in order to possibly read out a voltage in the memcapacitive component at a later point in time. to read the stored parameter value or the current state of the memcapacitive component.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet. The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures. The same reference symbols are used in the figures for identical or equivalent parts.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein memkapazitives Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 shows a schematic cross section through a memcapacitive component according to a first embodiment,
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein memkapazitives Bauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 shows a schematic cross section through a memcapacitive component according to a second embodiment,
Fig. 3 zeigt das memkapazitive Bauelement der Fig. 2 zusammen mit einer nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve, Fig. 3 shows the memcapacitive component of Fig. 2 together with a nonlinear capacitance-voltage curve,
Fig. 4 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß Fig. 2 und mit einem externen Kondensator gemäß einem Ausführungsbeispiel, Fig. 4 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor according to an embodiment,
Fig. 5 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß Fig. 2 und mit einem externen Kondensator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 5 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor according to a further embodiment,
Fig. 6 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, Fig. 6 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a third embodiment,
Fig. 7 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, Fig. 7 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fourth embodiment,
Fig. 8 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, und Fig. 8 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fifth embodiment, and
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines memkapazitiven Bauelements gemäß einem Durchführungsbeispiel. Fig. 9 shows a flowchart of a method for operating a memcapacitive component according to an embodiment.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein memkapazitives Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das memkapazitive Bauelement 1 eine erste Elektrode 3a, eine zweite Elektrode 3b sowie ein zwischen der ersten Elektrode 3a und der zweiten Elektrode 3b angeordnetes Dielektrikum 5a. Fig. 1 shows a schematic cross section through a memcapacitive component according to a first embodiment. In the embodiment shown, the memcapacitive component 1 comprises a first electrode 3a, a second electrode 3b and a dielectric 5a arranged between the first electrode 3a and the second electrode 3b.
Das memkapazitive Bauelement 1 weist eine veränderbare nichtlineare Kapazitäts-Spannungskurve sowie Ladungsfangstellen (nicht gezeigt) mit unterschiedlichen energetischen Tiefen auf. Insbesondere kann die erste Elektrode 3a, die zweite Elektrode 3b und/oder das Dielektrikum 5a unterschiedlich tiefe Potentialtöpfe bildende Ladungsfangstellen zum Einfangen von veränderbaren Ladungsmengen aufweisen. Dies wird in Fig. 1 durch einen vereinfacht dargestellten Potentialtopf 15 mit darin eingefangenen Ladungsträgern 15 veranschaulicht, rechts im Bild. Die linksgerichteten Pfeile sollen dabei diejenigen Bereiche des memka- pazitiven Bauelements 1 andeuten, wo sich die Ladungsfangstellen befinden können. The memcapacitive component 1 has a variable non-linear capacitance-voltage curve and charge traps (not shown) with different energy depths. In particular, the first electrode 3a, the second electrode 3b and/or the dielectric 5a can have charge traps of different depths forming potential wells for trapping variable amounts of charge. This is illustrated in Fig. 1 by a simplified potential well 15 with charge carriers 15 trapped therein, on the right in the picture. The left-pointing arrows are intended to indicate those areas of the memcapacitive component 1 where the charge traps can be located.
Die nichtlineare Kapazitäts-Spannungskurve des memkapazitiven Bauelements kann abhängig vom Spannungs- oder Ladungszustand der Elektroden 3a, 3b und des Dielektrikums 5a verschoben werden. Die Ladungsfangstellen können insbesondere so ausgebildet sein, dass der jeweilige Ladungszustand schnell und flüchtig gespeichert und schnell geändert werden kann. The non-linear capacitance-voltage curve of the memcapacitive component can be shifted depending on the voltage or charge state of the electrodes 3a, 3b and the dielectric 5a. The charge trapping points can in particular be designed such that the respective charge state can be stored quickly and volatilely and can be changed quickly.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines memkapazitiven Bauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei das memkapazitive Bauelement ein erstes Dielektrikum 5a, ein zweites Dielektrikum 5b und eine Abschirmschicht 4 umfasst, wobei das erste Dielektrikum 5a zwischen der ersten Elektrode 3a und der Abschirmschicht 4 angeordnet ist, und wobei das zweite Dielektrikum 5b zwischen der zweiten Elektrode 3b und der Abschirmschicht 4 angeordnet ist. Fig. 2 shows a schematic cross section of a memcapacitive component according to a second embodiment. The second embodiment essentially corresponds to the first embodiment, wherein the memcapacitive component comprises a first dielectric 5a, a second dielectric 5b and a shielding layer 4, wherein the first dielectric 5a is arranged between the first electrode 3a and the shielding layer 4, and wherein the second dielectric 5b is arranged between the second electrode 3b and the shielding layer 4.
Die Abschirmschicht 4 weist eine Halbleiterschicht mit einer variierbaren Ladungsträgerkonzentration auf. Das erste Dielektrikum 5a weist eine erste Ladungsfangstelle (nicht gezeigt) zum Speichern einer veränderbaren Ladungsmenge auf. Die Ladungsfangstelle kann insbesondere zum nichtflüchtigen Speichern der Ladung ausgebildet sein, was insbesondere zum nichtflüchtigen Speichern eines Parameterwerts ausgenutzt werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen weist das zweite Dielektrikum 5b ebenfalls eine Ladungsfangstelle bzw. zweite Ladungsfangstelle zum Speichern einer veränderbaren Ladungsmenge auf. Fig. 2 zeigt ebenfalls einen vereinfacht dargestellten Potentialtopf 15 mit darin eingefangenen Ladungsträgern 15 sowie linksgerichtete Pfeile, um die Bereiche des memkapazitiven anzudeuten, in welchen sich die Ladungsfangstellen befinden können. The shielding layer 4 has a semiconductor layer with a variable charge carrier concentration. The first dielectric 5a has a first charge trapping point (not shown) for storing a variable amount of charge. The charge trapping point can be designed in particular for non-volatile storage of the charge, which can be used in particular for non-volatile storage of a parameter value. In some embodiments, the second dielectric 5b also has a charge trapping point or second charge trapping point for storing a variable amount of charge. Fig. 2 also shows a simplified potential well 15 with Charge carriers 15 and left-facing arrows to indicate the areas of the memcapacitive in which the charge trapping sites can be located.
Die nichtlineare Kapazitäts-Spannungskurve kann abhängig vom Spannungs- oder Ladungszustand der Elektroden 3a, 3b, der Abschirmschicht 4 oder der Dielektrika 5a, 5b verschoben werden. Der Ladungszustand der Abschirmschicht 4 oder Abschirmelektrode kann schnell und flüchtig gespeichert und schnell geändert werden. The non-linear capacitance-voltage curve can be shifted depending on the voltage or charge state of the electrodes 3a, 3b, the shielding layer 4 or the dielectrics 5a, 5b. The charge state of the shielding layer 4 or shielding electrode can be stored quickly and volatilely and changed quickly.
Fig. 3 zeigt das memkapazitive Bauelement gemäß Fig. 2 zusammen mit einer nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve. Insbesondere wird eine vereinfacht dargestellte Kapazitäts- Spannungsabhängigkeit zur Verdeutlichung der nichtlineare Kapazitäts-Spannungskurve rechts im Bild eingeblendet. Fig. 3 shows the memcapacitive component according to Fig. 2 together with a non-linear capacitance-voltage curve. In particular, a simplified capacitance-voltage dependence is shown on the right of the image to illustrate the non-linear capacitance-voltage curve.
Fig. 4 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß Fig. 2 und mit einem externen Kondensator. Der externe Kondensator 5 ist zum Speichern einer Speicherspannung oder Schreibspannung ausgebildet. In der in Fig. 4 gezeigten Schaltung ist der externe Kondensator 5 mit einem ersten Anschluss an die erste Elektrode 3a des memkapazitiven Bauelements 1 und an eine Speicherspannung 6 über einen Schalter 7 verbunden. Mit einem zweiten Anschluss ist der externe Kondensator 5 an ein Auslesesignal 8 verbunden. Die gespeicherte Ladung auf dem Kondensator 5 führt zu einer Verschiebung der Kapazitäts-Spannungskurve des memkapazitiven Bauelements 1 und stellt somit den Kapazitätswert des memkapazitiven Bauelements 1 ein. Fig. 4 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor. The external capacitor 5 is designed to store a storage voltage or write voltage. In the circuit shown in Fig. 4, the external capacitor 5 is connected with a first connection to the first electrode 3a of the memcapacitive component 1 and to a storage voltage 6 via a switch 7. The external capacitor 5 is connected with a second connection to a readout signal 8. The stored charge on the capacitor 5 leads to a shift in the capacitance-voltage curve of the memcapacitive component 1 and thus sets the capacitance value of the memcapacitive component 1.
Fig. 5 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß Fig. 2 und mit einem externen Kondensator 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, wobei der externe Kondensator 5 mit der Abschirmschicht 4 des memkapazitiven Bauelements 1 verbunden ist. Die Ladung auf dem Kondensator 5 führt ebenfalls zu einer Verschiebung der Kapazitäts-Spannungskurve 2 des memkapazitiven Bauelements 1. Fig. 5 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to Fig. 2 and with an external capacitor 5 according to a further embodiment. The circuit shown in Fig. 5 essentially corresponds to the embodiment of Fig. 4, wherein the external capacitor 5 is connected to the shielding layer 4 of the memcapacitive component 1. The charge on the capacitor 5 also leads to a shift in the capacitance-voltage curve 2 of the memcapacitive component 1.
Fig. 6 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das memkapazitive Bauelement 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen ähnlich wie das memkapazitive Bauelement 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet, vgl. Figuren 2 bis 4 oben. Insbesondere umfasst das memkapazitive Bauelement 1 der Fig. 5 ebenfalls eine erste Elektrode 3a, eine zweite Elektrode 3b, ein erstes Dielektrikum 5a, ein zweites Dielektrikum 5b sowie eine Abschirmschicht 4, wobei die Abschirmschicht 4 ein p-dotiertes Gebiet 9 und ein n-dotiertes Gebiet 10 aufweist. Das p-dotierte Gebiet 9 und das n-dotierte Gebiet 10 sind an zwei gegenüberliegenden seitlichen Enden der Abschirmschicht 4 ausgebildet. Fig. 6 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a third embodiment. The memcapacitive component 1 according to the third embodiment is designed essentially similarly to the memcapacitive component 1 according to the second embodiment, see Figures 2 to 4 above. In particular, the memcapacitive component 1 of Fig. 5 also comprises a first electrode 3a, a second electrode 3b, a first dielectric 5a, a second dielectric 5b and a shielding layer 4, wherein the shielding layer 4 comprises a p-doped region 9 and an n-doped region 10. The p-doped region 9 and the n-doped region 10 are formed at two opposite lateral ends of the shielding layer 4.
In der gezeigten Schaltung wird eine Schreibspannung 11 an die erste Elektrode 3a des memkapazitiven Bauelements 1 angelegt. Das n-dotierte Gebiet 10 der Abschirmschicht ist über einen Schalter 12 mit einer konstanten Spannung 13 verbunden. Im Betrieb kann der Schalter 12 nach dem Anlegen der Schreibspannung 11 geöffnet werden, so dass die injizierten Elektronen in der Abschirmschicht 4 verbleiben können, wenn die Schreibspannung auf Ihren Ausgangswert zurückgesetzt wird. In the circuit shown, a write voltage 11 is applied to the first electrode 3a of the memcapacitive component 1. The n-doped region 10 of the shielding layer is connected to a constant voltage 13 via a switch 12. In operation, the switch 12 can be opened after the write voltage 11 has been applied, so that the injected electrons can remain in the shielding layer 4 when the write voltage is reset to its initial value.
Fig. 7 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das vierte Ausführungsbeispiel des memkapazitiven Bauelements entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel, wobei das memkapazitive Bauelement 1 so ausgebildet ist, dass die erste Elektrode 3a nicht mit dem n-dotierten Gebiet 10 der Abschirmschicht 4 überlappt. Insbesondere weist die erste Elektrode 3a eine geringere laterale Ausdehnung als beispielsweise die erste Elektrode 3a gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 auf, so dass die erste Elektrode 3a das n-dotierte Gebiet 10 der Abschirmschicht 4 nicht erreicht. Fig. 7 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fourth embodiment. The fourth embodiment of the memcapacitive component essentially corresponds to the third embodiment shown in Fig. 6, wherein the memcapacitive component 1 is designed such that the first electrode 3a does not overlap with the n-doped region 10 of the shielding layer 4. In particular, the first electrode 3a has a smaller lateral extent than, for example, the first electrode 3a according to the embodiment of Fig. 4, so that the first electrode 3a does not reach the n-doped region 10 of the shielding layer 4.
Zum Injizieren von Elektronen in die Abschirmschicht 4 kann die durch das p-dotierte Gebiet 9 und das n-dotierte Gebiet 10 in der Abschirmschicht 4 gebildete pin-Diode in Durchlassrichtung betrieben werden. To inject electrons into the shielding layer 4, the pin diode formed by the p-doped region 9 and the n-doped region 10 in the shielding layer 4 can be operated in the forward direction.
Fig. 8 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem memkapazitiven Bauelement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6, wobei das memkapazitive Bauelement 1 ferner einen Feldeffekttransistor 14 umfasst, welcher zum Teil in der Abschirmschicht 4 integriert ist. Das n-dotierte Gebiet 10 des memkapazitiven Bauelements 1 kann dabei als Source oder Drain des Feldeffekttransistors dienen, wodurch ein besonders kompakter Aufbau erzielt werden kann. Fig. 8 shows an electrical circuit with a memcapacitive component according to a fifth embodiment. The fifth embodiment essentially corresponds to the third embodiment according to Fig. 6, wherein the memcapacitive component 1 further comprises a field effect transistor 14, which is partially integrated in the shielding layer 4. The n-doped region 10 of the memcapacitive component 1 can serve as the source or drain of the field effect transistor, whereby a particularly compact structure can be achieved.
Zur Herstellung des oben beschriebenen memkapazitiven Bauelements können insbesondere in der Halbleiterindustrie verwendete Fertigungstechniken eingesetzt werden. Insbesondere kann das memkapazitive Bauelement als im Wesentlichen planares Halbleiterbauelement ausgebildet sein, welches unter Einsatz von aus der Halbleiterfertigung bekannten Verfahren, wie Fotolithographie, Metallisierung, Nass- und Trocken-Chemie, Plasmaprozesse hergestellt werden kann. Beispielsweise kann ein Halbleitersubstrat auf Siliziumbasis als Abschirmschicht verwendet werden. Das erste und das zweite Dielektrikum können Siliziumoxid aufweisen und die Ladungsfangstellen können in Siliziumnitrid realisiert werden. Die Ladungsfangstellen können insbesondere als Einschlüsse in den Dielektrika, vergleichbar mit Floating Gates bei Flash-Speichern, ausgebildet sein. Das p-dotierte Gebiet und das n- dotierte Gebiet können durch Implantations- und Ofenschritte bereitgestellt werden, wie beispielsweise aus der MOSFET-Technologie bekannt. Manufacturing techniques used in the semiconductor industry in particular can be used to manufacture the memcapacitive component described above. In particular, the memcapacitive component can be designed as a substantially planar semiconductor component, which can be manufactured using methods known from semiconductor manufacturing, such as photolithography, metallization, wet and dry chemistry, plasma processes. For example, a silicon-based semiconductor substrate can be used as Shielding layer can be used. The first and second dielectrics can comprise silicon oxide and the charge traps can be implemented in silicon nitride. The charge traps can be designed in particular as inclusions in the dielectrics, comparable to floating gates in flash memories. The p-doped region and the n-doped region can be provided by implantation and oven steps, as known from MOSFET technology, for example.
Das memkapazitive Bauelement kann insbesondere so ausgelegt sein, dass die Ladungsfangstellen unterschiedliche energetische Tiefen aufweisen. Dafür können neben Silizium mit einer Bandlücke von 1 ,1 eV auch andere Halbleitermaterialien herangezogen werden, um Potentialtöpfe mit unterschiedlichen Barrierehöhen zu realisieren. The memcapacitive component can be designed in such a way that the charge trapping points have different energy depths. In addition to silicon with a band gap of 1.1 eV, other semiconductor materials can also be used to realize potential wells with different barrier heights.
Beispielsweise können die mit energetisch flachen Ladungsfangstellen assoziierten Potentialtöpfe zum kurzfristigen Speichern eine Tiefe oder Barrierehöhe von höchstens 1,2 eV oder zwischen 0,2 eV und 1,1 eV oder zwischen 0,5 eV und 0,9 eV aufweisen. Die mit energetisch tiefen Ladungsfangstellen assoziierten Potentialtöpfe zum langfristigen oder nicht flüchtigen Speichern können eine Tiefe oder Barrierehöhe von mindestens 1,6 eV oder zwischen 1 ,7 eV und 3,0 eV oder zwischen 2,0 eV und 2,5 eV aufweisen. Das Verhältnis der Tiefe oder Barrierenhöhe von Potenzialschächten, die mit energetisch flachen Ladungsfallen zum kurzfristigen Speichern assoziiert sind, zu Potenzialschächten, die mit energetisch tiefen Ladungsfallen zum langfristigen oder nichtflüchtigen Speichern assoziiert sind, kann mindestens 0,01 oder höchstens 0,99 oder zwischen 0,05 und 0,95 oder zwischen 0,1 und 0,9 oder zwischen 0,2 und 0,8 oder zwischen 0,4 und 0,6 betragen. For example, the potential wells associated with energetically shallow charge traps for short-term storage may have a depth or barrier height of at most 1.2 eV, or between 0.2 eV and 1.1 eV, or between 0.5 eV and 0.9 eV. The potential wells associated with energetically deep charge traps for long-term or non-volatile storage may have a depth or barrier height of at least 1.6 eV, or between 1.7 eV and 3.0 eV, or between 2.0 eV and 2.5 eV. The ratio of the depth or barrier height of potential wells associated with energetically shallow charge traps for short-term storage to potential wells associated with energetically deep charge traps for long-term or non-volatile storage may be a minimum of 0.01 or a maximum of 0.99 or between 0.05 and 0.95 or between 0.1 and 0.9 or between 0.2 and 0.8 or between 0.4 and 0.6.
Die energetisch flachen Ladungsfangstellen können insbesondere zur flüchtigen Speicherung von Parametern dienen, während die energetisch tiefen Ladungsfangstellen zur langfristigeren oder nicht flüchtigen Speicherung von Parameter dienen können. Die Abschirmschicht kann ebenfalls energetisch flache oder quasistatische Ladungszustände annehmen, was zur flüchtigen oder volatilen Speicherung von häufig veränderlichen Gewichten oder Matrix-Elementen Parametern dienen kann. The energetically flat charge traps can be used in particular for the volatile storage of parameters, while the energetically deep charge traps can be used for longer-term or non-volatile storage of parameters. The shielding layer can also assume energetically flat or quasi-static charge states, which can be used for the volatile or volatile storage of frequently changing weights or matrix element parameters.
Das memkapazitive Bauelement vereint somit unterschiedliche Speichermechanismen, vergleichbar mit Kurzzeit- und Langzeit-Gedächtnis des menschlichen Gehirns. Dies könnte sich insbesondere für Kl-spezifischen Rechenoperationen als besonders vorteilhaft erweisen. Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines memkapazitiven Bauelements gemäß einem Durchführungsbeispiel. Gemäß dem Verfahren 100 wird in einem Verfahrensschritt 110 ein memkapazitives Bauelement gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt. Insbesondere kann das memkapazitive Bauelement ähnlich wie in den Figuren 1 bis 8 gezeigt ausgebildet sein. The memcapacitive component thus combines different storage mechanisms, comparable to the short-term and long-term memory of the human brain. This could prove particularly advantageous for AI-specific computing operations. Fig. 9 shows a flow chart of a method for operating a memcapacitive component according to an embodiment. According to the method 100, a memcapacitive component according to the first aspect is provided in a method step 110. In particular, the memcapacitive component can be designed similarly to that shown in Figures 1 to 8.
In einem Verfahrensschritt 120 wird das memkapazitive Bauelement durch Anlegen einer Schreibspannung beschrieben. Insbesondere kann das Beschreiben des memkapazitiven Bauelements in dem Verfahrensschritt 120 durch Anlegen einer positiven oder negativen Schreibspannung an die erste Elektrode 3a und/oder an die zweite Elektrode 4b zum Verändern der in den Potentialtöpfen eingefangenen Ladungsmengen erfolgen. Insbesondere können Ladungsträger, angetrieben von der angelegten Schreibspannung, von der ersten oder von der zweiten Elektrode oder ggf. von der Abschirmschicht zu den Ladungsfangstellen oder die Ladungsfangstellen verlassen. Dies kann insbesondere durch Fowler-Nordheim- Tunneln erfolgen, ähnlich wie in einem Flash-Speicher, wenn Ladungsträger unter Einfluss eines elektrostatischen Feldes zu dem Floating Gate hin oder von dem Floating Gate weg tunneln. Das Anlegen der Schreibspannung kann Anlegen einer konstanten negativen, einer konstanten positiven und/oder einer Wechselspannung umfassen. Das Anlegen der Schreibspannung kann insbesondere während einer vordefinierten Zeit erfolgen. Insbesondere kann die Schreibspannung nach der vordefinierten Zeit wieder, insbesondere auf einen Ausgangswert, zurückgesetzt werden. In a method step 120, the memcapacitive component is written to by applying a write voltage. In particular, the memcapacitive component can be written to in method step 120 by applying a positive or negative write voltage to the first electrode 3a and/or to the second electrode 4b to change the amount of charge trapped in the potential wells. In particular, charge carriers, driven by the applied write voltage, can travel from the first or second electrode or possibly from the shielding layer to the charge trapping points or leave the charge trapping points. This can be done in particular by Fowler-Nordheim tunneling, similar to a flash memory when charge carriers tunnel towards or away from the floating gate under the influence of an electrostatic field. Applying the write voltage can include applying a constant negative, a constant positive and/or an alternating voltage. Applying the write voltage can be done in particular during a predefined time. In particular, the write voltage can be reset after the predefined time, in particular to an initial value.
In einem Verfahrensschritt 130 wird eine nichtlineare Kapazitäts-Spannungskurve eingestellt. Das Einstellen der nichtlinearen Kapazitäts-Spannungskurve kann insbesondere Anlegen einer Vorspannung insbesondere einer konstanten Bias-Spannung auf die Abschirmschicht 4 umfassen. Durch das Anlegen der Vorspannung kann insbesondere der Ladungszustand der Abschirmschicht 4 und somit das Abschirmverhalten der Abschirmschicht geändert werden, wodurch das kapazitive Verhalten des memkapazitiven Bauelements ebenfalls geändert werden kann. In den Ausführungsbeispielen des memkapazitiven Bauelements, in welchen die Abschirmschicht 4 ein p-dotiertes Gebiet und ein n-dotiertes Gebiet aufweist, kann das Anlegen der Vorspannung Anlegen einer konstanten Spannung in dem p-dotierten Gebiet und/oder in dem n-dotierten Gebiet umfassen kann. Insbesondere kann das p-dotierte Gebiet und das n-dotierte Gebiet währen des Anlegens der Schreibspannung mit einer konstanten Spannung oder Masse verbunden sein, und wobei vor einem Zurücksetzen der Schreibspannung auf den Ausgangswert das n- oder p-dotierte Gebiet von der konstanten Spannung oder Masse getrennt wird. In einigen Durchführungsbeispielen wird in einem Verfahrensschritt 140 das memkapazitive Bauelement ausgelesen. Insbesondere kann in dem Verfahrensschritt 140 ein aktueller Zustand oder eine aktuell in dem memkapazitive Bauelement gespeicherte Ladung und/oder Kapazitätswert ausgelesen werden. Insbesondere kann das Auslesen in einem separaten Verfahrensschritt erfolgen, um ggf. zu einem späteren Zeitpunkt einen in dem memkapaziti- ven Bauelement gespeicherten Parameterwert oder den aktuellen Zustand des memkapaziti- ven Bauelements auszulesen. Das Auslesen kann insbesondere über einen externen Kondensator erfolgen, welche mit einem Anschluss an eine der Elektroden des memkapazitiven Bauelements verbunden werden kann, wobei das Auslesesignal an dem zweiten Anschluss des Kondensators gemessen werden kann, vgl. Fig. 4 oben. In a method step 130, a non-linear capacitance-voltage curve is set. Setting the non-linear capacitance-voltage curve can in particular comprise applying a bias voltage, in particular a constant bias voltage, to the shielding layer 4. By applying the bias voltage, in particular the charge state of the shielding layer 4 and thus the shielding behavior of the shielding layer can be changed, whereby the capacitive behavior of the memcapacitive component can also be changed. In the embodiments of the memcapacitive component in which the shielding layer 4 has a p-doped region and an n-doped region, applying the bias voltage can comprise applying a constant voltage in the p-doped region and/or in the n-doped region. In particular, the p-doped region and the n-doped region may be connected to a constant voltage or ground during application of the write voltage, and wherein the n- or p-doped region is disconnected from the constant voltage or ground before resetting the write voltage to the initial value. In some embodiments, the memcapacitive component is read out in a method step 140. In particular, a current state or a charge and/or capacitance value currently stored in the memcapacitive component can be read out in method step 140. In particular, the reading can take place in a separate method step in order to read out a parameter value stored in the memcapacitive component or the current state of the memcapacitive component at a later point in time if necessary. The reading can take place in particular via an external capacitor, which can be connected to a connection to one of the electrodes of the memcapacitive component, wherein the readout signal can be measured at the second connection of the capacitor, see Fig. 4 above.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und sollen den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Vielmehr liefert die vorstehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen ihre rechtlichen Äquivalente. Darüber hinaus können mehrere Module oder mehrere Produkte nach den hier beschriebenen Prinzipien miteinander verbunden werden, um zusätzliche Funktionen zu erhalten. The embodiments described above are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the present disclosure in any way. Rather, the foregoing description provides those skilled in the art with a road map for implementing at least one exemplary embodiment, wherein numerous changes may be made in the function and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment without departing from the scope of the appended claims or their legal equivalents. Moreover, multiple modules or multiple products may be connected together in accordance with the principles described herein to obtain additional functionality.
Im Folgenden wird eine nicht abschließende Liste von möglichen Beispielen der erfindungsgemäßen Anordnung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lösung der eingangsgenannten Aufgabe angegeben. The following is a non-exhaustive list of possible examples of the arrangement according to the invention or the method according to the invention for solving the problem mentioned above.
Beispiel 1. Anordnung, insbesondere memkapazitives Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung energetisch flache Ladungsfangstellen zum kurzfristigen Speichern von Kapazitätswerten und energetisch tiefe Ladungsfangstellen zum langfristigen Speichern von Kapazitätswerten umfasst. Example 1. Arrangement, in particular memcapacitive component, characterized in that the arrangement comprises energetically shallow charge traps for short-term storage of capacitance values and energetically deep charge traps for long-term storage of capacitance values.
Insbesondere können für das kurzfristige Speichern von Kapazitätswerten energetisch flache Ladungsfangstellen zum Einsatz kommen und für das langfristige Speichern von Kapazitätswerten können energetisch tiefe Fangstellen zum Einsatz kommen. In particular, energetically shallow charge traps can be used for the short-term storage of capacity values and energetically deep traps can be used for the long-term storage of capacity values.
Beispiel 2. Anordnung gemäß dem Beispiel 1 , wobei die Fangstellen in einem Siliziumnitrid realisiert werden, und wobei je nach gewählten Wachstumsparametern tiefe oder flache Fangstellen generiert werden können. Die Ladungen in den tiefen Fangstellen brauchen eine längere Programmierzeit und eine höhere Programmierspannung können jedoch auch für einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Die flachen Fangstellen benötigen eine geringe Programmierzeit/Spannung, die Ladungen werden jedoch nur für einen kurzen Zeitraum gespeichert. Example 2. Arrangement according to Example 1, wherein the traps are realized in a silicon nitride, and wherein deep or shallow traps can be generated depending on the selected growth parameters. The charges in the deep traps require a longer programming time and a higher programming voltage, but can be stored for a longer period of time. The shallow traps require a lower programming time/voltage, but the charges are only stored for a short period of time.
Beispiel 3. Anordnung nach Beispielen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das memka- pazitive Bauelement eine Nichtlinearität in der Kapazitäts-Spannungskurve besitzt und die beiden Elektroden so gestaltet sind, dass eine kurzfristige Speicherung von Kapazitätswerten mittels Ladungsspeicherung auf den Elektroden erfolgen kann. Example 3. Arrangement according to examples 1 or 2, characterized in that the memcapacitive component has a non-linearity in the capacitance-voltage curve and the two electrodes are designed such that a short-term storage of capacitance values can take place by means of charge storage on the electrodes.
Insbesondere können durch eine Ladungsspeicherung auf den Elektroden die Kapazitäts- Spannungskurven verschoben werden, wodurch ein neuer Kapazitätswert gespeichert wird. In particular, by storing charge on the electrodes, the capacitance-voltage curves can be shifted, thereby storing a new capacitance value.
Beispiel 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass das memkapazitive Bauelement eine Nichtlinearität in der Kapazitäts-Spannungskurve besitzt und neben den beiden Elektroden noch eine Abschirmschicht mit eigenen Anschlüssen enthält und eine kurzfristige Speicherung von Kapazitätswerten mittels Ladungsspeicherung auf der Abschirmschicht erfolgen kann. Example 4. Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the memcapacitive component has a non-linearity in the capacitance-voltage curve and, in addition to the two electrodes, also contains a shielding layer with its own connections and a short-term storage of capacitance values can take place by means of charge storage on the shielding layer.
Insbesondere kann die Abschirmschicht zur Speicherung von Ladungen und damit zur Einstellung einer Kapazität auf der Kapazitäts-Spannungskurve dienen. In particular, the shielding layer can be used to store charges and thus to set a capacitance on the capacitance-voltage curve.
Beispiel 5. Anordnung nach einem der der vorhergehenden Beispiele, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass ein weiterer Kondensator, welcher eine Speicherspannung zur Einstellung des kurzfristigen Kapazitätswertes speichert, an eine Elektrode des memka- pazitiven Bauelementes angeschlossen ist, und der Kondensator mit einem Schalter verbindend gestaltet ist, welcher die Speicherspannung verbindet oder trennt, wobei der andere Anschluss des Kondensators mit dem Auslesesignal verbindend gestaltet ist. Example 5. Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that a further capacitor, which stores a storage voltage for setting the short-term capacitance value, is connected to an electrode of the memcapacitive component, and the capacitor is designed to connect to a switch which connects or disconnects the storage voltage, wherein the other terminal of the capacitor is designed to connect to the readout signal.
Insbesondere kann der weitere Kondensator eine gewisse Ladungsmenge/Spannung speichern, welche an die Elektrode weitergereicht wird. Hierdurch kann eine Verschiebung entlang der Kapazitäts-Spannungskurve erreicht werden. Der Schalter trennt dabei den Kondensator von der Speicherspannung, damit der Wert gespeichert wird und die Speicherspannung an andere memkapazitive Bauelemente angeschlossen und verändert werden kann. Beispiel 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass ein weiterer Kondensator, welcher eine Speicherspannung zur Einstellung des kurzfristigen Kapazitätswertes speichert, an die Abschirmschicht des memkapazitiven Bauelementes angeschlossen ist, und der Kondensator mit einem Schalter verbindend gestaltet ist, welcher die Speicherspannung verbindet oder trennt, wobei der andere Anschluss des Kondensators mit Masse verbindend gestaltet ist. In particular, the additional capacitor can store a certain amount of charge/voltage, which is passed on to the electrode. This can achieve a shift along the capacitance-voltage curve. The switch separates the capacitor from the storage voltage so that the value is stored and the storage voltage can be connected to other memcapacitive components and changed. Example 6. Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that a further capacitor, which stores a storage voltage for setting the short-term capacitance value, is connected to the shielding layer of the memcapacitive component, and the capacitor is designed to be connected to a switch which connects or disconnects the storage voltage, wherein the other terminal of the capacitor is designed to be connected to ground.
Insbesondere wird der Kondensator herbei mit der Abschirmschicht verbunden, um insbesondere die Spannung an diese weiterzureichen und eine Verschiebung entlang der Kapazitäts-Spannungskurve zu erzielen. In particular, the capacitor is connected to the shielding layer in order to pass the voltage on to it and to achieve a shift along the capacitance-voltage curve.
Beispiel 7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abschirmschicht, insbesondere seitlich, ein p-dotiertes Gebiet und n-dotiertes Gebiet enthält und die positive bzw. negative Schreibspannung an einer Elektrode verbindend gestaltet ist, und das n- bzw. p- dotierte Gebiet mit einem Schalter verbunden ist. Example 7. Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the shielding layer, in particular laterally, contains a p-doped region and an n-doped region and the positive or negative writing voltage is designed to connect to an electrode, and the n- or p-doped region is connected to a switch.
Insbesondere kann diese Ausführungsform um ein Verfahren ergänzt werden, bei dem die positive bzw. negative Schreibspannung an einer Elektrode angelegt wird, das p- und n- dotierte Gebiet währenddessen mit einer konstanten Spannung oder Masse verbunden ist, und vor dem Zurücksetzen der Schreibspannung auf den Ausgangswert das n- bzw. p- dotierte Gebiet von der konstanten Spannung oder Masse getrennt wird. In particular, this embodiment can be supplemented by a method in which the positive or negative writing voltage is applied to an electrode, the p- and n-doped region is connected to a constant voltage or ground during this time, and the n- or p-doped region is separated from the constant voltage or ground before the writing voltage is reset to the initial value.
Die, insbesondere seitlichen, p- und n-Gebiete ermöglichen eine Löcher- oder Elektroneninjektion beim Anlegen einer negativen bzw. positiven Spannung an die Elektrode. Wird die Verbindung nach dem Anlegen der negativen bzw. positiven Spannung von dem p- Gebiet bzw. n-Gebiet zur Masse getrennt und die Spannung zurückgesetzt, so verbleiben die injizierten Löcher bzw. Elektronen in der Abschirmschicht und werden gespeichert. Der Ladungsüberschuss in der Abschirmschicht führt zu einer Verschiebung der Kapazitäts-Spannungskurve und stellt einen neuen Kapazitätswert ein. The p- and n-regions, particularly those on the side, enable hole or electron injection when a negative or positive voltage is applied to the electrode. If the connection from the p-region or n-region to ground is broken after the negative or positive voltage has been applied and the voltage is reset, the injected holes or electrons remain in the shielding layer and are stored. The excess charge in the shielding layer leads to a shift in the capacitance-voltage curve and sets a new capacitance value.
Beispiel 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abschirmschicht ein p-dotiertes Gebiet und n-dotiertes Gebiet enthält und die positive bzw. negative Schreibspannung an einer Elektrode verbindend gestaltet ist und die Elektrode mit dem n- bzw. p- dotierten Gebiet nicht überlappt. Insbesondere kann diese Ausführungsform um ein Verfahren ergänzt werden, bei dem die pin-Diode in Vorwärtsrichtung betrieben wird, wenn die positive bzw. negative Schreibspannung angelegt wird, und die Diode mit keiner Spannung oder in Rückwärtsrichtung betrieben wird, bevor die positive bzw. negative Schreibspannung entfernt wird. Example 8. Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the shielding layer contains a p-doped region and an n-doped region and the positive or negative writing voltage is designed to connect to an electrode and the electrode does not overlap with the n- or p-doped region. In particular, this embodiment can be supplemented by a method in which the pin diode is operated in the forward direction when the positive or negative write voltage is applied, and the diode is operated with no voltage or in the reverse direction before the positive or negative write voltage is removed.
Auf diese Weise kann auf einen Schalter verzichtet werden, welcher entweder das p-dotierte oder n-dotierte Gebiet ansteuert oder den weiteren externen Kondensator. Dies wird durch eine Minoritätsladungsträgerinjektion in der pin-Diode, welche in Vorwärtsrichtung betrieben wird, erreicht. Die Minoritätsladungsträger führen zusammen mit der positiven oder negativen Schreibspannung an der Elektrode zu einem Ladungsträgerüberschuss, welcher gespeichert wird. In this way, a switch that controls either the p-doped or n-doped region or the additional external capacitor can be dispensed with. This is achieved by a minority charge carrier injection in the pin diode, which is operated in the forward direction. The minority charge carriers, together with the positive or negative write voltage at the electrode, lead to an excess of charge carriers, which is stored.
Beispiel 9. Anordnung nach einem der vorherigen Beispiele, wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schalter in Form eines Feldeffekttransistors in der Abschirmschicht implementiert ist. Example 9. Arrangement according to one of the preceding examples, wherein the arrangement is characterized in that the switch is implemented in the form of a field effect transistor in the shielding layer.
Insbesondere wird dadurch Platz für einen weiteren Transistor gespart, welcher für den Schalter sonst nötig ist. Hiermit wird insgesamt ein schnelles flüchtiges Speichern, ähnlich zu einem DRAM-Speicher möglich. In particular, this saves space for an additional transistor, which would otherwise be required for the switch. This enables fast volatile storage, similar to DRAM memory.
Bezugszeichenliste list of reference symbols
1 mem kapazitives Bauelement 1 mem capacitive component
2 Nichtlinearität 2 Nonlinearity
3a erste Elektrode 3a first electrode
3b zweite Elektrode 3b second electrode
4 Abschirmschicht 4 shielding layer
5a erstes Dielektrikum 5a first dielectric
5b zweites Dielektrikum 5b second dielectric
5 Kondensator 5 capacitor
6 Speicherspannung 6 storage voltage
7 Schalter für externen Kondensator7 Switch for external capacitor
8 Auslesesignal 8 readout signal
9 p-dotiertes Gebiet 9 p-doped region
10 n-dotiertes Gebiet 10 n-doped region
11 Schreibspannung 11 writing voltage
12 Schalter für dotierte Gebiete 12 counters for endowed areas
13 konstante Spannung 13 constant voltage
14 Feldeffekttransistor 14 field-effect transistor
15 Potentialtopf 15 potential well
16 Ladungsträger 16 load carriers
Claims
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