專利名稱：可靠的相變器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了保護(hù)信息內(nèi)容而調(diào)節(jié)對數(shù)據(jù)存儲和處理元件的內(nèi)容存取的電子器件。更具體地說，本發(fā)明涉及包括有三端安全元件和相變元件的并聯(lián)電路組合，其中安全元件具有用于保護(hù)相變元件的導(dǎo)通狀態(tài)和允許讀取相變元件的截止?fàn)顟B(tài)。
背景技術(shù)：
存在有改進(jìn)計算機性能以滿足新的以及更尖端的計算應(yīng)用要求的持續(xù)需求。如模式關(guān)聯(lián)、模式分類、聯(lián)想存儲器功能、語音、和字符識別這樣的應(yīng)用在很大程度上不能順應(yīng)當(dāng)前計算機的解決方案或?qū)嶋H應(yīng)用，包括許多由人或其他生物體易于并直觀實施的任務(wù)。
擴(kuò)展計算機科學(xué)新領(lǐng)域的愿望已經(jīng)促使對影響當(dāng)前計算機的局限性的因素的考慮。硅是今天計算機的核心。這些年來，計算能力和速度的先進(jìn)性在很大程度上曾是更好地理解硅的基礎(chǔ)特性以及將這些特性付諸實際的結(jié)果。最初的進(jìn)展以構(gòu)造基本的電子元件(如用硅制成的晶體管和二極管)為基礎(chǔ)，以及后來的進(jìn)展是從集成電路的開發(fā)而得到的。最新的發(fā)展表現(xiàn)為這些趨勢的持續(xù)并且通常強調(diào)單芯片上大量微電子器件的小型化和集成化。更小的器件導(dǎo)致同一芯片上器件之間更高的存儲密度、更高度集成的電路以及減少的相互作用時間。
因為未來在計算能力和功能性方面的改進(jìn)目前以硅技術(shù)方面的進(jìn)一步改進(jìn)為基礎(chǔ)，關(guān)于基于硅的電子器件持續(xù)小型化的預(yù)測已經(jīng)有最新的討論。日益增加的一致意見正在形成，即計算機行業(yè)正在快速朝著硅的性能極限發(fā)展。在今天的制造工藝中，特征尺度是0.18微米，并且現(xiàn)在它被減小到約為0.10微米。然而，特征尺寸的進(jìn)一步減小被認(rèn)為是有問題的，因為低于約為0.10微米的尺寸導(dǎo)致了硅的基礎(chǔ)特性的變化。更具體地說，在硅器件的尺寸減小至數(shù)十納米以及以下時，硅進(jìn)入其行為的量子領(lǐng)域，并且不再遵照描述宏觀物體的經(jīng)典物理學(xué)。在量子狀態(tài)中，能態(tài)被量子化而不是連續(xù)的并且如隧道效應(yīng)這樣的現(xiàn)象導(dǎo)致電子越過許多器件。隧道效應(yīng)的結(jié)果包括在電子從一個器件逃逸至鄰近的器件時電流的泄漏以及在一個器件的狀態(tài)影響鄰近器件的狀態(tài)時與器件無關(guān)的損失。這樣的泄漏也可發(fā)生在單個器件內(nèi)。除了硅行為中的基礎(chǔ)變化外，硅器件尺寸的進(jìn)一步減小還提出了難以克服的技術(shù)問題。為制作更小的特征尺寸，將會需要制造方法(比如光刻術(shù))中新的并且成本較高的創(chuàng)新。
一種提高計算機性能的策略是確定除硅以外的、能夠在數(shù)據(jù)處理和/或存儲應(yīng)用中用作活性介質(zhì)的材料。這種可選用的計算介質(zhì)的使用可以獨立于硅或者與硅結(jié)合來形成設(shè)法提供比用硅所能夠達(dá)到的更好性能、更便于制造以及更經(jīng)濟(jì)的新計算行業(yè)的基礎(chǔ)。
其中一個本發(fā)明者S.R.Ovshinsky最近曾提出硫?qū)倩锵嘧儾牧献鳛樘幚砗痛鎯?shù)據(jù)的活性材料的新用法。在其公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文的美國專利No.6,617,710(‘710專利)中，Ovshinsky等人描述了在傳統(tǒng)的認(rèn)知計算應(yīng)用中相變材料的工作原理。相變材料不僅能夠在傳統(tǒng)硅計算機的二進(jìn)制模式特征下工作，而且能夠提供數(shù)據(jù)的非二進(jìn)制存儲和處理的機會。非二進(jìn)制存儲保證了較高的信息存儲密度，同時非二進(jìn)制處理提供了增加的操作并行性?！?10專利還描述了利用非二進(jìn)制計算介質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算(如加、減、乘和除)的代表性算法。其公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文的Ovshinsky等人的美國專利申請No.10/155,527(‘527申請)進(jìn)一步描述了基于相變計算介質(zhì)的數(shù)學(xué)運算，包括因式分解、模運算和并行運算。
在其公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文的美國專利申請No.10/189,749(‘749申請)中，Ovshinsky考慮了基于將相變材料用作活性計算材料的器件的計算系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。更具體地說，Ovshinsky考慮了相變計算器件的網(wǎng)絡(luò)并證實了與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能性近似并行的功能性。這種功能性的重要特征包括相變計算器件對來自各種源的輸入信號的累積響應(yīng)、加權(quán)輸入信號的能力以及模仿生物神經(jīng)元觸發(fā)的穩(wěn)定可再生材料的變換。這種功能性使得以學(xué)習(xí)、適應(yīng)性和可塑性為特征的智能計算中的新概念得以實現(xiàn)。
在其公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文的美國專利申請Nos.10/384,994(‘994申請)、10/426,321(‘321申請)、10/657,285(‘285申請)和10/761,022(‘022申請)中，Ovshinsky等人通過討論附加的計算和存儲器件進(jìn)一步開發(fā)了相變計算的概念?！?94申請討論了多端相變器件，其中在一個電端子處設(shè)置的控制信號通過載荷子的注入而調(diào)制在其他電端子之間傳輸?shù)碾娏鳌㈤撝惦妷夯蛐盘?。?21申請描述了利用場效應(yīng)端子來調(diào)制在其他端子之間傳輸?shù)碾娏?、閾值電壓或信號的有關(guān)多端器件。在‘994申請和‘321申請中描述的器件可被配置成提供與晶體管的功能性類似的功能性，而所述晶體管的功能性對基于硅的計算機來說是極為重要的?！?85申請?zhí)岢隽司哂卸喽俗?、利用相變材料的多位存儲器件?！?22申請描述了利用相變材料的多端邏輯器件。
Ovshinsky等人的前述工作提供了使得整體或部分基于硫?qū)倩锘蚱渌嘧儾牧系挠嬎惴独靡詫崿F(xiàn)的概念、工作原理和某些基本器件。為了進(jìn)一步促進(jìn)作為可行的實際應(yīng)用或者基于硅技術(shù)的備選的硫?qū)倩镉嬎愕膶崿F(xiàn)，最好是擴(kuò)展器件的范圍以及硫?qū)倩锖推渌嘧儾牧峡衫玫墓δ苄?。最令人關(guān)注的是能夠執(zhí)行處理、存儲器或內(nèi)存、以及邏輯功能的器件和系統(tǒng)。另外的考慮包括加密和安全的數(shù)據(jù)存儲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了安全存儲和處理器件。在一個實施例中，可靠器件包括用于存儲或處理數(shù)據(jù)的安全元件和寄存器。寄存器包括相變材料并且可用于數(shù)據(jù)存儲、常規(guī)計算和認(rèn)知計算。安全元件是可調(diào)節(jié)對寄存器內(nèi)容的存取的三端元件。安全元件可被配置為截止?fàn)顟B(tài)以允許寄存器的讀取或者被配置為導(dǎo)通狀態(tài)以阻止寄存器的讀取。安全元件和寄存器在本發(fā)明的可靠器件中作為一個并聯(lián)組合被連接。器件電阻由該并聯(lián)組合的電阻控制，該并聯(lián)組合的電阻又由安全元件和寄存器的相對電阻來控制。在截止?fàn)顟B(tài)下，安全元件具有比寄存器高的電阻，并且可靠器件的測量電阻接近地對應(yīng)于寄存器的電阻，從而提供了關(guān)于寄存器狀態(tài)的信息。在導(dǎo)通狀態(tài)下，安全元件具有比寄存器低的電阻，并且器件的測量電阻更接近地對應(yīng)于安全元件的電阻，從而阻止或禁止寄存器電阻的確定。安全元件因此為寄存器的內(nèi)容提供了大于寄存器自身所固有的安全度。
在另一個實施例中，可靠器件包括一個安全元件和一個加權(quán)器件的并聯(lián)組合。加權(quán)器件包括相變材料，該相變材料的電阻在某一電阻范圍內(nèi)是連續(xù)可變的。加權(quán)器件在信息處理過程中是有用的并且可通過對其電阻進(jìn)行控制來調(diào)制信號在網(wǎng)絡(luò)中器件之間的傳輸。在截止?fàn)顟B(tài)下，安全元件具有比加權(quán)器件高的電阻，從而使得電阻讀取或加權(quán)器件電阻狀態(tài)的變更成為可能。在導(dǎo)通狀態(tài)下，安全元件具有比加權(quán)器件低的電阻，從而阻止或禁止加權(quán)器件電阻狀態(tài)的讀取或變更。加權(quán)器件可獨自由安全元件保護(hù)或者可與寄存器組合而被保護(hù)。


圖1是代表性的兩端相變器件的示意圖。
圖2是作為能量或電流的函數(shù)的兩端相變器件的電阻的典型關(guān)系曲線。
圖3是本發(fā)明的可靠器件的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了提高由寄存器或加權(quán)器件存儲或處理的信息或數(shù)據(jù)的安全性的器件。正如這里所用到的，寄存器是包含或處理數(shù)據(jù)或信息的計算元件。寄存器包括以二進(jìn)制或非二進(jìn)制方式工作的存儲器和其他數(shù)據(jù)存儲元件以及處理元件。正如這里所用到的，加權(quán)器件是電阻性地修改信號傳輸?shù)脑Ｔ谝粋€典型實施例中，加權(quán)器件連接器件網(wǎng)絡(luò)中的兩個或多個器件并調(diào)節(jié)在器件之間傳輸?shù)男盘枏姸然虼笮　Ｔ谠S多計算應(yīng)用中，理想的方式是使存儲或處理于一個或一組寄存器或加權(quán)器件中的信息保持保密狀態(tài)，并且各種加密和保護(hù)方案已經(jīng)在獨占今天市場的基于硅或非基于硅的存儲器和處理器件的現(xiàn)有技術(shù)中被構(gòu)思。本發(fā)明的焦點是非基于硅的寄存器或加權(quán)器件中的信息保護(hù)。更具體地說，本發(fā)明涉及到阻止對普通寄存器或加權(quán)器件的非期望存取或?qū)δ切⑾嘧儾牧嫌米鞴ぷ鹘橘|(zhì)的寄存器或加權(quán)器件的非期望存取。
一個關(guān)于本發(fā)明的可靠器件的實施例中包含的寄存器先前已經(jīng)在‘710專利以及‘527和‘749申請中被描述，它們包括兩端相變器件。上述加權(quán)器件先前在‘749申請中已經(jīng)被描述，它們包括兩端相變器件。通過依照一種機制操作相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，寄存器存儲和/或處理信息。通過依照第二機制操作相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，加權(quán)器件電阻性地對傳過它們自身的電信號傳輸加以修改。結(jié)構(gòu)變化的機制將在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。
如上所述，在本發(fā)明的可靠器件中可用作相變元件的寄存器和加權(quán)器件包括兩端相變器件，如在‘710專利以及‘527和‘749申請中通過引用而描述或結(jié)合的那些寄存器和加權(quán)器件。在美國專利Nos.5,714,768、5,912,839和6,141,241中討論的兩端器件在這些器件當(dāng)中，上述美國專利的公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文。這些專利包括器件結(jié)構(gòu)、材料、生長方法、層厚等的描述。圖1示出的是可用作寄存器或加權(quán)器件的代表性的兩端器件。該器件包括襯底2(如Si)、下層的電接觸層5(如，碳、金屬或金屬合金，典型厚度為幾埃至幾百埃(如600 ))、絕緣層15(如SiNx、SiO2，典型厚度為幾埃至幾百埃(如800 ))、相變材料25(具有幾埃至幾百埃(如600 )的中央孔隙外面的典型層厚)以及上層的電接觸層35(如，碳、金屬或金屬合金，典型厚度為幾百埃至幾千埃(如2000 ))。涉及材料和電端子或接觸層、絕緣材料以及其他層的尺寸的另外細(xì)節(jié)與先前在‘994、‘321、‘285和‘022申請中描述的那些是相似的。
適用于本發(fā)明的相變材料是能夠在兩種或多種可檢測的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間變換的材料。不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)可以是比如晶體結(jié)構(gòu)、原子排列、有序或無序、分級結(jié)晶度、兩種或多種不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的相對比例(如晶相或非晶相的比例)、物理(如電的、光學(xué)的、磁的、機械的)或化學(xué)特性等為基礎(chǔ)來區(qū)分。在一個優(yōu)選實施例中，結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的變換是可逆的，使得被變換材料的原始狀態(tài)在結(jié)構(gòu)變換之后可被恢復(fù)。
在一個優(yōu)選實施例中，硫?qū)倩锊牧媳挥米鞅景l(fā)明的可靠器件的寄存器和加權(quán)器件中的相變材料。硫?qū)倩镆郧霸挥糜诠鈱W(xué)和電學(xué)存儲器，并且一些開關(guān)變換應(yīng)用以及某些典型成分和特性已經(jīng)在其公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文的美國專利Nos.3,543,737、5,694,146、5,757,446、5,166,758、5,296,716、5,534,711、5,536,947、5,596,522和6,087,674中，以及其公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文的、包括S.R.Ovshinsky的“Reversible Electrical Switching Phenomena inDisordered Structure”，Physics Review Letters，Vol.21，p.1450-1453(1969)、S.R.Ovshinsky和H.Fritzsche的“AmorphousSemiconductors for Switching，Memory，and Imaging Application”，IEEETransactions Electron Devices，vol.ED-20，p.91-105(1973)在內(nèi)的若干雜志文章中進(jìn)行了討論。有助于理解本發(fā)明的關(guān)于相變硫?qū)倩锊牧闲再|(zhì)的通常特征及評論將在下面的討論中給出。
適用于本發(fā)明的寄存器的代表性硫?qū)倩锊牧鲜前▉碜栽刂芷诒淼腣I列的一種或多種元素(硫族元素)并且可選地包括III、IV或V列的一種或多種化學(xué)改性劑。S、Se和Te的其中一種或多種是包括在本發(fā)明的存儲器的硫?qū)倩飻?shù)據(jù)存儲材料中的最常用的硫族元素。適當(dāng)?shù)母男詣┌ㄒ环N或多種三價或四價改性元素，如As、Ge、Ga、Si、Sn、Pb、Al、Sb、In和Bi。過渡金屬元素，如Cu、Ni、Zn、Ag和Cd也可用作改性劑。優(yōu)選的硫?qū)倩锍煞职ㄒ环N或多種硫?qū)倩镌剡B同一種或多種三價或四價改性劑和/或一種或多種過渡金屬改性劑。包括Ge、Sb和/或Te的材料(如Ge2Sb2Te5)是本發(fā)明的硫?qū)倩锊牧系膶嵗?br> 硫族元素的特征在于二價結(jié)合以及孤對電子的存在。一旦結(jié)合硫族元素而形成硫?qū)倩?，二價結(jié)合就導(dǎo)致鏈?zhǔn)胶铜h(huán)式結(jié)構(gòu)的形成，并且為孤對電子提供了用于形成開關(guān)應(yīng)用中的導(dǎo)電細(xì)絲的電子來源。導(dǎo)電細(xì)絲還可促使或有助于驅(qū)動不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間發(fā)生的相變。三價、四價和過渡金屬改性劑可加入硫族元素的鏈?zhǔn)胶铜h(huán)式結(jié)構(gòu)并提供用于分支和交聯(lián)的點。硫?qū)倩锊牧系慕Y(jié)構(gòu)硬度取決于交聯(lián)的延伸，并影響它們經(jīng)受結(jié)晶化或其他結(jié)構(gòu)變換或重排的能力。
在本發(fā)明的可靠器件的寄存器和加權(quán)器件的操作中的硫?qū)倩锏闹匾卣魇瞧浣?jīng)歷兩種或多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間相變的能力。硫?qū)倩锊牧暇哂邪ňB(tài)、一個或多個局部晶態(tài)和非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。晶態(tài)可以是單晶態(tài)或多晶態(tài)。正如這里所用到的，局部晶態(tài)指的是包括非結(jié)晶部分和結(jié)晶部分的硫?qū)倩锊牧蠅K的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。優(yōu)選地，多個局部晶態(tài)存在于根據(jù)非結(jié)晶和結(jié)晶部分的相對比例來區(qū)分的相變材料中。分級結(jié)晶度是一種表征硫?qū)倩锵嘧儾牧系慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)特征的方式。晶態(tài)的分級結(jié)晶度為100％，非晶態(tài)的分級結(jié)晶度為0％，局部晶態(tài)具有在0％(非晶態(tài)限度)和100％(晶態(tài)限度)之間連續(xù)變化的分級結(jié)晶度。相變硫?qū)倩锊牧弦虼四軌蛟?％和100％的分級結(jié)晶度之間內(nèi)在變化的多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)當(dāng)中變換。
硫?qū)倩镌诰哂懈鞣N分級結(jié)晶度的結(jié)構(gòu)狀態(tài)當(dāng)中經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變換的能力和性能取決于硫?qū)倩锊牧系某煞趾徒Y(jié)構(gòu)特征。較高程度交聯(lián)的硫?qū)倩锊牧显诮Y(jié)構(gòu)上更剛性且通常包括較高濃度的改性劑。較高程度交聯(lián)的硫?qū)倩锊牧细y以結(jié)晶，因為成核及增長晶相所需要的原子重排由于結(jié)構(gòu)的硬度而被禁止。較輕程度交聯(lián)的硫?qū)倩锊牧细菀捉?jīng)歷完全的或局部的結(jié)晶。
通過向硫?qū)倩锊牧咸峁┠芰慷l(fā)在硫?qū)倩锊牧系慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的變換。各種形式的能量可影響硫?qū)倩锊牧系姆旨壗Y(jié)晶度從而引發(fā)結(jié)構(gòu)變換。適當(dāng)形式的能量包括引發(fā)硫?qū)倩锊牧现械碾?、熱和光效?yīng)的電能、熱能、光能或其他形式的能量(如粒子束能)或前述能量形式的組合。通過控制硫?qū)倩锊牧系哪芰凯h(huán)境可實現(xiàn)分級結(jié)晶度的連續(xù)的和可逆的可變性。通過對硫?qū)倩锊牧系哪芰凯h(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，晶態(tài)可被變換為局部結(jié)晶或非晶態(tài)，局部結(jié)晶狀態(tài)可被變換為晶態(tài)或非晶態(tài)，并且非晶態(tài)可被變換為局部結(jié)晶或晶態(tài)。在下面的討論中，將提出與利用熱、電和光能引發(fā)結(jié)構(gòu)變換相關(guān)聯(lián)的某些考慮。
在用熱能引發(fā)結(jié)構(gòu)變換中，利用了與晶相至非晶相或者非晶相至晶相變換相關(guān)聯(lián)的熱力學(xué)和動力學(xué)。非晶相可通過比如將硫?qū)倩锊牧霞訜岬饺刍瘻囟纫陨喜⒁阅撤N足以禁止晶相形成的速率冷卻而由局部晶態(tài)或晶態(tài)來形成。晶相可通過比如將硫?qū)倩锊牧霞訜岬浇Y(jié)晶溫度以上并持續(xù)一段時間足以影響成核和/或晶疇增長而由比如非晶態(tài)或局部晶態(tài)來形成。結(jié)晶溫度低于熔化溫度并與結(jié)晶可發(fā)生的最低溫度相對應(yīng)。結(jié)晶的驅(qū)動力通常是熱力學(xué)的，因為晶態(tài)或局部晶態(tài)的自由能低于非晶態(tài)的自由能，使硫?qū)倩锊牧系目偰芰侩S分級結(jié)晶度的增加而下降。然而，在局部晶態(tài)內(nèi)的晶態(tài)或晶疇的形成(成核和增長)在動力學(xué)上是被禁止的，使低于熔點的加熱通過提供促使原子重排的能量而促進(jìn)結(jié)晶，原子重排是構(gòu)成晶相或晶疇所需要的。通過控制晶態(tài)或局部晶態(tài)的加熱的溫度或時間或通過控制非晶態(tài)或局部晶態(tài)的冷卻溫度或速率來控制局部晶態(tài)的分級結(jié)晶度。
用電能引發(fā)結(jié)構(gòu)變換的過程取決于施加到硫?qū)倩锊牧系碾?電流或電壓)脈沖。電引發(fā)結(jié)構(gòu)變換的機制性質(zhì)上可以是電子的，并可能帶有伴生的或由此產(chǎn)生的熱影響。通過控制施加于硫?qū)倩锊牧系碾娒}沖的量值和/或持續(xù)時間，能夠連續(xù)改變分級結(jié)晶度。電能對硫?qū)倩锊牧辖Y(jié)構(gòu)的影響通常根據(jù)硫?qū)倩锊牧系碾娮桦S所提供的電能量的變化或者隨施加于硫?qū)倩锊牧系碾娏骰螂妷好}沖的量值的變化來描述。這里，圖2給出的是作為電能或電流脈沖量值(能量/電流)的函數(shù)的硫?qū)倩锊牧系碾娮?R)的代表性描述。圖2示出了硫?qū)倩锊牧系碾娮桦S電能或電流脈沖量值的變化，并且可一般被稱為電阻圖(resistance plot)。
電阻圖包括了硫?qū)倩锊牧蠈﹄娔艿膬煞N特征響應(yīng)范圍。這兩種范圍用圖2所示的垂直虛線10作了大致的區(qū)分。虛線10左邊對應(yīng)的范圍被稱為硫?qū)倩锊牧系睦鄯e范圍。通過隨增加的電能而近似恒定或微弱變化的電阻來區(qū)分累積范圍，該范圍在達(dá)到和超出閾值能量時電阻突然下降點結(jié)束。累積范圍因此沿著增加能量的方向從電阻圖最左邊的點20開始穿過與電阻變化很小或可忽略的點上的范圍所對應(yīng)的平坦區(qū)(通常用30來描述)伸展至隨后電阻突然下降的設(shè)定點或狀態(tài)40。平坦區(qū)30可以是水平的或傾斜的。電阻圖的左側(cè)被稱為積累范圍，因為當(dāng)能量被施加時，硫?qū)倩锊牧系慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)持續(xù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分級結(jié)晶度與施加的能量的總積累相關(guān)。最左邊的點20與具有最低分級結(jié)晶度的積累范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)相對應(yīng)并且可稱為復(fù)位狀態(tài)。這個狀態(tài)可以是完全非結(jié)晶的或者可包含一些剩余的晶體含量。當(dāng)能量被添加時，分級結(jié)晶度增加并且硫?qū)倩锊牧显谠黾拥氖┘幽芰康姆较蛏涎刂教箙^(qū)30在多個局部結(jié)晶狀態(tài)之間變換。在圖2中，所選擇的累積狀態(tài)(在累積區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài))用正方形標(biāo)記。當(dāng)累積達(dá)到所施加的能量閾值時，硫?qū)倩锊牧系姆旨壗Y(jié)晶度增加至足以影響變定轉(zhuǎn)變(settingtransformation)，變定轉(zhuǎn)變的特征在于電阻的顯著下降和變定狀態(tài)(setstate)40的穩(wěn)定。累積范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)可被稱為硫?qū)倩锊牧系姆e累狀態(tài)。正如在比如‘527和‘749申請中所描述的，積累范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變換在它們于平坦區(qū)30內(nèi)沿著增加的施加能量的方向發(fā)展的意義上是單向的，并且只有通過首先驅(qū)使硫?qū)倩锊牧辖?jīng)過變定點(set point)40并變定才是可逆的。
雖然不希望被理論所限制，但是本發(fā)明認(rèn)為在累積范圍內(nèi)將能量添加到硫?qū)倩锊牧贤ㄟ^新晶疇的成核、現(xiàn)有晶疇的增長或其中的組合導(dǎo)致了分級結(jié)晶度的增加?？烧J(rèn)為電阻沿平坦區(qū)30只有微弱的變化，盡管分級結(jié)晶度增加，因為晶疇彼此相對孤立地構(gòu)成或增長以防止橫跨硫?qū)倩锊牧系呐徑Y(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成。這種類型的結(jié)晶被稱為次滲透結(jié)晶。變定轉(zhuǎn)變與滲透閾值相符，其中毗鄰的、互連的結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)在硫?qū)倩锊牧蟽?nèi)構(gòu)成。例如，當(dāng)晶疇的尺寸增加到足以侵犯或與鄰近域重疊時，這樣的網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)成。因為硫?qū)倩锊牧系木啾确蔷喔鼘?dǎo)電以及電阻更小，因此滲透閾值對應(yīng)于穿過硫?qū)倩锊牧系泥徑拥牡碗娮鑼?dǎo)電通道的形成。結(jié)果，滲透閾值由硫?qū)倩锊牧系碾娮璧娘@著下降來標(biāo)記。積累范圍最左邊的點可以是非晶態(tài)或者是缺少毗鄰結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的局部晶態(tài)。次滲透結(jié)晶以初始非晶態(tài)或部分晶態(tài)開始并且通過具有越來越高的分級結(jié)晶度的多個局部晶態(tài)發(fā)展直至滲透閾值和變定轉(zhuǎn)變發(fā)生為止。在‘319、‘527和‘749申請以及美國專利Nos.5,912,839和6,141,241中提供了有關(guān)在累積范圍內(nèi)硫?qū)倩锊牧系男袨榈倪M(jìn)一步討論，上述申請和專利的公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文。
圖2虛線10右側(cè)的范圍可被稱為灰度范圍或灰度區(qū)域?；叶确秶鷱淖兌顟B(tài)40經(jīng)過多個中間狀態(tài)(通常用50描述)伸展至復(fù)位點或狀態(tài)60?；叶确秶鷥?nèi)的各個點可被稱為硫?qū)倩锊牧系幕叶葼顟B(tài)。所選擇的灰度狀態(tài)在圖2中用圓圈標(biāo)記。通過將電流或電壓脈沖施加于硫?qū)倩锊牧峡梢l(fā)灰度范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變換。在圖2中，電流脈沖被指示。在灰度范圍內(nèi)，硫?qū)倩锊牧系碾娮桦S所施加的電脈沖的量值而改變?；叶确秶鷥?nèi)特定狀態(tài)的電阻是硫?qū)倩锊牧系慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征，且硫?qū)倩锊牧系慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)由在灰度區(qū)域內(nèi)施加的電流脈沖的量值來限定。硫?qū)倩锊牧系姆旨壗Y(jié)晶度隨電流脈沖量值的增加而減少。設(shè)定點40處或附近的灰度狀態(tài)的分級結(jié)晶度最高并且在接近復(fù)位狀態(tài)60時分級結(jié)晶度逐漸下降。硫?qū)倩锊牧蠌脑谧兌顟B(tài)40處有鄰接結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變換到在復(fù)位狀態(tài)60處沒有鄰接結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的非晶態(tài)或基本非晶態(tài)或局部晶態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。量值增加的電流脈沖的施加對將結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)的部分變換成非晶相有影響并且導(dǎo)致了硫?qū)倩锊牧现朽徑拥母邔?dǎo)電性結(jié)晶通道的中斷或打斷。結(jié)果，硫?qū)倩锊牧系碾娮桦S灰度區(qū)域內(nèi)施加的電流脈沖量值的增加而增加。
與累積區(qū)域相反，發(fā)生在灰度區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)變換是可逆的、雙向的，并且該區(qū)域還因此可被稱為電阻圖的直接重寫區(qū)域。電流脈沖被施加時硫?qū)倩锊牧蠈﹄娏髅}沖的響應(yīng)，由相對于與硫?qū)倩锊牧系某跏紶顟B(tài)相關(guān)聯(lián)的電流脈沖量值的電流脈沖量值來確定。如上所述，灰度區(qū)域內(nèi)每種狀態(tài)可由其電阻和電流脈沖的量值來識別，其中該電流脈沖量值的施加引發(fā)了產(chǎn)生狀態(tài)的特定電阻的分級結(jié)晶度的變化。分級結(jié)晶度隨后電流脈沖的施加可增加或減少相對于硫?qū)倩锊牧系某跏紶顟B(tài)的分級結(jié)晶度的分級結(jié)晶度。如果隨后的電流脈沖具有比用來建立初始狀態(tài)的脈沖更高的量值，則硫?qū)倩锊牧系姆旨壗Y(jié)晶度減少并且結(jié)構(gòu)狀態(tài)從初始狀態(tài)在復(fù)位狀態(tài)的方向上沿灰度電阻曲線被變換。同樣地，如果隨后的電流脈沖具有比用來建立初始狀態(tài)的脈沖更低的量值，則硫?qū)倩锊牧系姆旨壗Y(jié)晶度增加并且結(jié)構(gòu)狀態(tài)從初始狀態(tài)在變定狀態(tài)的方向上沿灰度電阻曲線被變換。例如在美國專利Nos.5,296,716和5,414,271中可以找到有關(guān)在灰度區(qū)域內(nèi)硫?qū)倩锊牧系奶匦缘倪M(jìn)一步討論；上述專利的公開內(nèi)容通過引用而結(jié)合于本文。
本發(fā)明的可靠器件的硫?qū)倩锵嘧兤骷ㄔ陔娮鑸D的累積或灰度范圍內(nèi)工作的那些器件?！?10專利以及‘527和‘749申請描述了在復(fù)位狀態(tài)20和變定狀態(tài)40之間的累積范圍內(nèi)工作的認(rèn)知寄存器。這些認(rèn)知寄存器可用來以二進(jìn)制或非二進(jìn)制的方式存儲或處理數(shù)據(jù)或信息或者加密數(shù)據(jù)或信息。認(rèn)知寄存器因此可用作如在‘710專利中描述的加密器件?！?49申請描述了在變定狀態(tài)40和復(fù)位狀態(tài)60之間的灰度區(qū)域內(nèi)工作的加權(quán)器件。加權(quán)器件電阻性地修改在連接于此的電路元件之間傳輸?shù)男盘栆允雇ㄟ^控制加權(quán)器件的電阻狀態(tài)，從一個電路元件傳輸至另一個電路元件的信號電平或大小可被調(diào)制或以其他的方式改變。流過加權(quán)器件的電流借助于加權(quán)器件的電阻或電阻狀態(tài)而被修改。在一個優(yōu)選實施例中，加權(quán)器件具有兩種或多種電阻狀態(tài)，各狀態(tài)通過不同的電阻值來區(qū)分。加權(quán)器件可用作比如電路中的互連器件或用來加權(quán)提供給電路元件(包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點或上述的認(rèn)知寄存器)的輸入信號。加權(quán)器件的電阻可擁有解釋意義(如在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，電阻對應(yīng)于可被看作是關(guān)于神經(jīng)處理的記憶形式的加權(quán)因子；信息還可通過加杈器件的電阻被編碼)，并且因此可以期望借助于本發(fā)明的可靠器件來保護(hù)它。
如上所述，相變材料的電阻取決于相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。電阻還取決于相變材料的厚度、相變材料在器件結(jié)構(gòu)中占據(jù)的中央孔隙的直徑及其成分。例如，對于具有成分為Ge22Sb22Te56、厚度為～600 以及孔隙直徑為～0.1μm的相變材料層，復(fù)位狀態(tài)的電阻為～1000kΩ，變定狀態(tài)的電阻為～1kΩ。相變材料通常示為復(fù)位狀態(tài)的電阻在～100kΩ至～1000kΩ范圍內(nèi)以及變定狀態(tài)的電阻在～0.1kΩ至～10kΩ范圍內(nèi)。在優(yōu)選的相變材料中，復(fù)位狀態(tài)的電阻至少比變定狀態(tài)的電阻大兩個或通常更多個數(shù)量級。復(fù)位和變定狀態(tài)的電阻通常對應(yīng)于相變材料在累積范圍和灰度范圍內(nèi)可能的電阻范圍。
本發(fā)明的可靠器件將安全元件與相變器件(如寄存器或加權(quán)器件)結(jié)合。安全元件是與寄存器或加權(quán)器件并聯(lián)的三端器件以提供本發(fā)明的可靠器件。安全元件可以是傳統(tǒng)的基于硅的晶體管或三端相變器件(如在‘994和‘321申請中描述的那些器件)。圖3提供了本發(fā)明的可靠器件的示意性描述。器件包括安全元件110和相變元件120的并聯(lián)組合105。還包括有安全元件110和相變元件120各自的控制系統(tǒng)130和140。相變元件120可以是寄存器或加權(quán)器件并包括相變材料作為工作物質(zhì)。在一個優(yōu)選實施例中，相變材料是硫?qū)倩?如上所述的那些)。作為處理或存儲元件，相變元件可在其工作中利用累積狀態(tài)、灰度狀態(tài)或它們的組合。
安全元件110包括三個端子112、114和116。如圖3所示，端子112和114被用來建立安全元件110與相變器件120的并聯(lián)連接。端子116被連接至用來控制安全元件110的狀態(tài)的控制電子部件130。更具體地說，由控制系統(tǒng)130提供的控制信號可用來調(diào)節(jié)安全元件的端子112和114之間的電流或電阻。在其中安全元件110是晶體管的實施例中，例如，端子116可以是調(diào)節(jié)分別充當(dāng)基極和發(fā)射極引出線(或反之亦然)的端子112和114之間電流的柵極引出線。在其中安全元件110是三端硫?qū)倩锲骷膶嵤├?，端?16可以是調(diào)制端子112和114之間電流或電阻的控制端。正如在‘994和‘321申請中所述的，多端硫?qū)倩锲骷目刂贫送ㄟ^比如載流子的直接注入或借助于場效應(yīng)可影響電流、細(xì)絲形成或電阻。
控制系統(tǒng)140包括提供影響如上所述的相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、分級結(jié)晶度等所需要的電流或電壓脈沖所必不可少的電子部件?？刂葡到y(tǒng)140通常提供具有許多狀況下的幅度和持續(xù)時間的以及具有許多可能的脈沖輪廓的電流或電壓脈沖。代表性的脈沖具有量級為納秒至微秒的持續(xù)時間以及毫安培范圍的電流幅度?？刂葡到y(tǒng)140能夠提供設(shè)定脈沖、復(fù)位脈沖和增量脈沖以及改變灰度范圍內(nèi)電阻所需要的脈沖?？刂葡到y(tǒng)140還可包括讀取相變材料電阻所需要的儀表?？刂葡到y(tǒng)可用于在上述的累積或灰度范圍內(nèi)工作的相變材料。
控制系統(tǒng)130可用來使安全元件在導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)之間可逆地切換。在導(dǎo)通狀態(tài)下，安全元件工作并通過引導(dǎo)供給并聯(lián)組合105的電流來保護(hù)相變元件免于電查詢，從而將至少部分施加于并聯(lián)組合105的電流移離相變器件120。電流之移離相變器件，阻止、禁止或擾亂相變器件電阻的讀取，從而為相變器件電阻提供一定程度的保護(hù)。比如在處于導(dǎo)通狀態(tài)的安全元件110的電阻小于相變元件的電阻時，電流移離相變元件可發(fā)生。電流的轉(zhuǎn)移可以是部分的或是全部的。因為通常需要了解相變器件的電阻以詢問來自相變器件的信息，在安全元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時相變器件被保護(hù)。在安全元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，可認(rèn)為可靠器件處于保護(hù)模式。
在截止?fàn)顟B(tài)下，安全元件不工作并且允許相變器件的電查詢以使其電阻或電狀態(tài)被探測并被清楚地確定。在不工作時，在沒有實質(zhì)上將電流移離此處且沒有實質(zhì)上影響其電阻的情況下，安全元件使得施加于并聯(lián)組合105的電流能夠直接影響相變器件120。在安全元件的截止?fàn)顟B(tài)具有比如比相變元件更高的電阻時，電流優(yōu)先流過相變元件。在截止?fàn)顟B(tài)電阻相對于相變元件而增加時，并聯(lián)電阻更接近相變元件的電阻。下面提供了安全元件和相變元件的相對電阻之影響的進(jìn)一步討論。在安全元件處于截止?fàn)顟B(tài)時，可認(rèn)為可靠器件處于讀取狀態(tài)。
通過對并聯(lián)組合105的電阻的分析，可理解本發(fā)明的可靠器件運行的基本原理。正如并聯(lián)電路領(lǐng)域已知的，兩個電路元件的并聯(lián)組合的電阻由下式給出 其中R1和R2為并聯(lián)的兩個元件各自的電阻。由這個關(guān)系式，很顯然，并聯(lián)組合的電阻主要由具有更低電阻的組合的元件來確定。這遵循電流優(yōu)先流過低電阻通道的事實。在單獨的電阻中的差異增加時，施加于組合的電流的較大部分流過具有更低電阻的元件。
在本發(fā)明的并聯(lián)組合中，安全元件和相變元件或器件是并聯(lián)的。如果設(shè)S為安全元件的電阻并設(shè)RPC為相變元件或器件的電阻，則可以將組合的電阻表述為 并聯(lián)組合的電阻取決于安全元件的狀態(tài)和相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如上所述，安全元件的電阻在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下是不同的，在截止?fàn)顟B(tài)下具有比在導(dǎo)通狀態(tài)下更低的電阻。在這個討論中，使S1和S2分別為安全元件的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的電阻。相變器件的電阻實質(zhì)上是器件的活性相變材料的電阻。如上所述，相變材料的電阻實質(zhì)上在復(fù)位狀態(tài)下被最大化而在變定狀態(tài)下被最小化。在這個討論中，使RReset和RSet分別對應(yīng)于復(fù)位狀態(tài)和變定狀態(tài)的電阻。
在讀取模式下，安全元件處于截止?fàn)顟B(tài)，并且并聯(lián)組合的電阻由下式給出 為了在讀取模式下最佳運行，對于組合的電阻來說，最好近似為相變器件的電阻。如此，所測得的組合的電阻精確地反映了相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并且可以很容易地從相變器件中獲取信息。這個優(yōu)選的條件要求安全元件的截止?fàn)顟B(tài)電阻大于相變材料的電阻以使并聯(lián)組合的電阻接近相變器件的電阻。在數(shù)學(xué)上，此條件可以表述為S1＞RPC。在讀取模式下組合的電阻因此可以目前所示的方式被更適當(dāng)?shù)乇硎?。首?并且重新整理以獲得 因為RPC/S1＜1，可以通過使用泰勒展開近似括號內(nèi)的表達(dá)式以此獲得 在優(yōu)選實施例中，RPC＜＜S1，并且近似為 以使安全元件的存在實質(zhì)上對并聯(lián)組合的電阻沒有影響。
如上所討論的，相變元件的電阻主要由相變材料的電阻來確定，并且相變材料的電阻在變定狀態(tài)的電阻RSet和復(fù)位狀態(tài)的電阻RReset之間變化。為了有效地讀取累積和/或灰度范圍內(nèi)的所有狀態(tài)，最好是使S1＞＞RReset。
保護(hù)模式下安全元件的導(dǎo)通狀態(tài)電阻的優(yōu)選條件可以同樣地方式導(dǎo)出。在保護(hù)模式下，安全元件在并聯(lián)組合中的作用是干擾相變器件電阻的確定。因此，要求安全元件的導(dǎo)通狀態(tài)電阻低于截止?fàn)顟B(tài)電阻。在安全元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，本發(fā)明的并聯(lián)組合的電阻由下式給出 在測得的并聯(lián)組合的電阻不是主要由相變器件的電阻來確定時，安全元件對相變元件或器件的干擾發(fā)生。在一個實施例中，導(dǎo)通狀態(tài)電阻S2可以和相變電阻RPC相比擬以使兩個電阻可以有目的地影響并聯(lián)組合的電阻。在這個條件下，S2≈RPC并且獨立的電阻S2和RPC被強烈地混合進(jìn)并聯(lián)電阻，從而擾亂RPC的清楚確定并對相變元件或器件的狀態(tài)或信息內(nèi)容提供安全措施。這個條件構(gòu)成了本發(fā)明的一個實施例。
關(guān)于累積范圍內(nèi)的狀態(tài)，導(dǎo)通狀態(tài)電阻與沿圖2所示的高電阻平坦區(qū)30的電阻相比擬是適當(dāng)?shù)摹?fù)位狀態(tài)通常是累積范圍內(nèi)的最高電阻。因為如上所述高電阻平坦區(qū)30可以是傾斜的，因此電阻可在變定狀態(tài)40的方向上減少，最小的電阻發(fā)生在緊臨變定狀態(tài)之前的累積狀態(tài)45時。緊臨變定狀態(tài)之前的累積狀態(tài)的電阻在這里被表示為RL。在本發(fā)明的一個實施例中，S2≈RReset，而在另一個實施例中，S2≈RL。因為電阻RL大于變定狀態(tài)的電阻RSet，條件S2≈RL不能適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)相變器件的變定狀態(tài)。結(jié)果，在本發(fā)明的另一個實施例中，導(dǎo)通狀態(tài)電阻符合S2≈RSet。因為灰度范圍內(nèi)的電阻值通常也分布在RReset和RSt之間，關(guān)于導(dǎo)通狀態(tài)電阻的類似考慮將用于本發(fā)明的器件以保護(hù)灰度范圍內(nèi)的狀態(tài)。
在導(dǎo)通狀態(tài)電阻S2逐漸小于相變電阻RPC時，隨著施加于并聯(lián)組合的電流逐漸流過它，安全元件逐漸控制并聯(lián)組合的性能。并聯(lián)組合的電阻越來越接近安全元件的電阻。通過重寫以前的公式并將其簡化為下式，可以從數(shù)學(xué)上看到這一點 其中最后的近似是確認(rèn)S2＜RPC并基于泰勒展開的實施例。關(guān)于累積范圍內(nèi)相變材料的狀態(tài)，S2＜RL是足夠的，其中RL是緊臨變定狀態(tài)之前的累積狀態(tài)的電阻。在另一實施例中，S2＜RSet。
作為又一實施例，導(dǎo)通狀態(tài)電阻可滿足條件S2＜＜RPC，在這種情形中，并聯(lián)電阻變?yōu)?前述的實施例還可用來保護(hù)灰度狀態(tài)。
前述的電阻分析表明本發(fā)明的可靠器件的并聯(lián)組合的安全和相變元件的相對電阻在建立本發(fā)明的工作模式和功能性中是重要的。本發(fā)明的安全元件因此至少包括導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，其中導(dǎo)通狀態(tài)電阻小于截止?fàn)顟B(tài)電阻。本發(fā)明的安全元件包括傳統(tǒng)的晶體管和三端相變器件并且可被配置或控制成用來提供相對于相變元件電阻的電阻，從而提供在前面的電阻分析中描述的功能性。
在其中安全元件是晶體管的實施例中，例如，最好將源極和漏極端用來形成并聯(lián)至相變元件，且柵極端被用來調(diào)節(jié)源極和漏極端之間的電阻。正如本領(lǐng)域所公知，施加于柵極端的信號的出現(xiàn)、不出現(xiàn)、極性或幅度影響了電流在源極和漏極端之間流動的能力。適用于本發(fā)明的晶體管包括雙極型、FET、JFET、MOSFET等。
在導(dǎo)通狀態(tài)下，柵極信號被施加以使晶體管易于允許電流在源極和漏極之間流動。另外，也可從修改源極和漏極端之間電阻的能力的角度來看柵極信號。柵極信號通過減小源極和漏極端之間的半導(dǎo)體材料(如摻雜硅的材料)的電阻來允許電流在源極和漏極之間流動的。在導(dǎo)通狀態(tài)下，源極和漏極端之間的電阻低，在典型的晶體管中該電阻比相變材料的電阻低得多。
在截止?fàn)顟B(tài)下，被施加?xùn)艠O信號，通過增加源極和漏極端之間的半導(dǎo)體材料的電阻來使晶體管禁止電流在源極和漏極之間流動。在典型的晶體管中，柵極信號調(diào)制位于晶體管活性區(qū)的一個或多個p-n結(jié)附近的耗盡區(qū)的寬度。由于載流子的低濃度，耗盡區(qū)是高電阻區(qū)。通過改變柵極信號，耗盡區(qū)的寬度以及因此源極和漏極端之間的電阻可被調(diào)制或從高電阻到低電阻連續(xù)地改變。在導(dǎo)通狀態(tài)下，耗盡區(qū)是狹窄的并且電流易于流過鄰近耗盡區(qū)的晶體管的活性半導(dǎo)體材料部分。在截止?fàn)顟B(tài)下，耗盡區(qū)是寬的并且有效地占據(jù)了存在于源極和漏極端之間的半導(dǎo)體材料的全部，從而導(dǎo)致高電阻狀態(tài)。適當(dāng)大小的柵極信號可部分地或全部地夾斷源極和漏極端之間的電流并因此使得施加于本發(fā)明的并聯(lián)組合的電流部分或全部地流過相變元件，這是本發(fā)明的器件的讀取模式所期望的狀況。
類似的考慮與作為本發(fā)明的安全元件的三端相變器件有關(guān)。正如在‘994和‘321申請中所描述的，三端相變器件利用其控制端來調(diào)節(jié)在器件的兩個其它(非控制)端子之間流動的電流。非控制端被用來建立與本發(fā)明的相變材料的并聯(lián)連接。加于控制端的信號可增大或減小在非控制端之間流動的電流，并且可通過電流注入機制或場效應(yīng)機制來實現(xiàn)這一點。電流的增加對應(yīng)于電流所通過的端子之間相變材料的電阻的減小，反之亦然。在本發(fā)明的環(huán)境中，三端相變器件的導(dǎo)通狀態(tài)是控制信號通過具有降低電阻作用的場效應(yīng)機制的電流注入來促使電流在一對端子之間流動的狀態(tài)。同樣地，三端相變器件的截止?fàn)顟B(tài)是控制信號禁止或阻止電流在一對端子之間流動的狀態(tài)。因為控制信號的范圍是連續(xù)可變的，兩個非控制端之間的電阻的連續(xù)范圍是有效的并且可在本發(fā)明的環(huán)境中使用。可獲得大于、相當(dāng)于或小于本發(fā)明的相變元件電阻的電阻。
多端相變器件的非控制端之間的電阻也可通過器件的設(shè)計來加以控制，以取得符合在上述電阻分析中描述的各種相對電阻的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下的電阻。多端相變器件中的相變材料的成分可以不同于比如在相變元件中使用的相變材料的成分。據(jù)知，不同相變材料成分的電阻在非晶相或晶相時或在這兩種晶相共存時可變化一個或多個量級或量值。多端相變器件中相變材料的分級結(jié)晶度可不同于相變元件中相變材料的分級結(jié)晶度，以提供區(qū)分電阻的另一種機制。器件的幾何形狀進(jìn)一步提供了在控制相變安全元件相對于相變寄存器或加權(quán)器件的電阻方面的靈活性。電阻隨相變材料的厚度和橫截面面積以及接觸層之間的接觸面積及分離程度而變化。較厚的相變材料層(或電流所通過的端子之間更大的分離)導(dǎo)致較大的電阻。因此，在期望三端相變安全元件的截止?fàn)顟B(tài)的電阻高于相變元件的電阻的場合，對于三端安全元件，可執(zhí)行下面一個或組合的步驟選擇具有較高電阻的相變材料成分；構(gòu)建具有較厚相變材料層的器件；構(gòu)建具有比相變元件的端子之間的分離大的非控制端之間分離的器件；選擇具有比最低的相變元件的分級結(jié)晶度更低的分級結(jié)晶度的截止?fàn)顟B(tài)等，反過來，在期望較低電阻的場合也一樣。三端相變器件的導(dǎo)通狀態(tài)涉及導(dǎo)電細(xì)絲的形成，它對應(yīng)于甚至比相變元件內(nèi)相變材料的結(jié)晶狀態(tài)本質(zhì)上更導(dǎo)電的低電阻電流通道。
本發(fā)明還涉及保護(hù)信息或數(shù)據(jù)的方法。該方法包括提供本發(fā)明的可靠器件、將數(shù)據(jù)或信息存進(jìn)器件的相變元件以及使安全元件變換到其導(dǎo)通狀態(tài)等步驟。
這里所公開的內(nèi)容和討論是說明性的，并不限制本發(fā)明的實施。雖然已經(jīng)對被認(rèn)為是本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以有其它或另外的變更和修改，并且申請人對屬于本發(fā)明全部范圍的所有這樣的變更和修改要求其權(quán)利。本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利要求以及其所有等效物(連同前面的公開內(nèi)容和本領(lǐng)域技術(shù)人員的常識)規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種可靠器件，包含安全元件，所述安全元件具有導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，所述導(dǎo)通狀態(tài)的電阻低于所述截止?fàn)顟B(tài)的電阻；以及相變元件，所述相變元件包含相變材料，所述相變材料可以在兩種或多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間可逆地變換，其中所述安全元件和所述相變器件并聯(lián)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述安全元件是晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述安全元件是多端相變器件，所述多端相變器件包括第一端子、第二端子和第三端子，所述第二和第三端子與所述相變元件形成并聯(lián)組合，所述多端相變器件包含相變材料，所述相變材料可以在兩種或多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間可逆地變換。
4.如權(quán)利要求3所述的器件，其中所述第一端子調(diào)制在所述第二端子和所述第三端子之間流動的電流。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其中所述第一端子通過載流子的注入來調(diào)制所述電流。
6.如權(quán)利要求4所述的器件，其中所述第一端子通過場效應(yīng)來調(diào)制所述電流。
7.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變元件是寄存器。
8.如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述寄存器以非二進(jìn)制的方式處理或存儲數(shù)據(jù)或信息。
9.如權(quán)利要求7所述的器件，其中所述寄存器加密數(shù)據(jù)或信息。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變元件是加權(quán)器件，所述加權(quán)器件具有兩種或多種電阻狀態(tài)，所述加權(quán)器件電阻性地修改通過它的電信號。
11.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變材料包含S、Se或Te。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述相變材料還包含Ge和Sb。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述相變材料還包含As或Si。
14.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述相變材料還包含一種選自由Al、In、Bi、Pb、Sn、P和O組成的組中的元素。
15.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括非晶態(tài)、晶態(tài)或部分晶態(tài)。
16.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)在分級結(jié)晶度上不同。
17.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變材料的所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括一種或多種累積狀態(tài)。
18.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變材料的所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括兩種或多種累積狀態(tài)。
19.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變材料的所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括三種或多種累積狀態(tài)。
20.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述相變材料的所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括灰度狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述器件的電阻近似等于所述相變元件的電阻。
22.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述器件的電阻近似等于所述安全元件的電阻。
23.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)包括復(fù)位狀態(tài)和變定狀態(tài)。
24.如權(quán)利要求23所述的器件，其中所述截止?fàn)顟B(tài)的電阻大于所述復(fù)位狀態(tài)的電阻。
25.如權(quán)利要求23所述的器件，其中所述截止?fàn)顟B(tài)的電阻大于所述變定狀態(tài)的電阻。
26.如權(quán)利要求23所述的器件，其中所述導(dǎo)通狀態(tài)的電阻小于所述復(fù)位狀態(tài)的電阻。
27.如權(quán)利要求26所述的器件，其中所述導(dǎo)通狀態(tài)的電阻大于所述變定狀態(tài)的電阻。
28.如權(quán)利要求23所述的器件，其中所述導(dǎo)通狀態(tài)的電阻小于所述變定狀態(tài)的電阻。
29.一種保護(hù)信息或數(shù)據(jù)的方法，包含下列步驟提供權(quán)利要求1所述的可靠器件；將所述信息或數(shù)據(jù)存進(jìn)所述可靠器件的所述相變元件；以及將所述安全元件變換至所述導(dǎo)通狀態(tài)。
全文摘要
公開了用于防護(hù)數(shù)據(jù)存儲和處理元件之內(nèi)容的電子器件。該器件包括并聯(lián)的安全元件和相變元件。安全元件是三端器件(如傳統(tǒng)的晶體管或三端相變器件)，它具有導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，這兩種狀態(tài)具有不同的電阻，且通過控制施加于該并聯(lián)組合的電流來調(diào)節(jié)對相變元件的電子存取。在導(dǎo)通狀態(tài)下，安全元件的電阻小于相變元件的電阻，從而阻止、禁止或擾亂相變元件電阻之確定。在這種保護(hù)模式下，相變元件的內(nèi)容得到防護(hù)。在截止?fàn)顟B(tài)下，安全元件的電阻大于相變材料的電阻，以使該并聯(lián)組合的電阻接近相變元件的電阻。在這種讀取模式下，相變元件的電阻與信息內(nèi)容可被確定。相變元件包含相變材料且優(yōu)選采用基于硫?qū)倩锏脑?。相變元件可實施存儲或處理功能，其中?yōu)選實施例包括寄存器和加權(quán)器件。
文檔編號G11C16/02GK1918661SQ200580004210
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者S·R·奧夫辛斯基, M·H·科亨 申請人:能源變換設(shè)備有限公司