Ученые Объединенного центра прикладной физики и фотонных материалов (Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, IAPP) и Центра развития электроники (Center for Advancing Electronics Dresden, cfaed) при Технологическом университете Дрездена разработали новую технологию хранения данных на базе органических светодиодов (Organic Light-Emitting Diode, OLED) и изоляторов.
Ячейки памяти нового типа, получившие название pinMOS (программируемая органическая емкостная память – programmable organic capacitive memory, p-i-n-metal-oxide-semiconductor), кардинально отличаются от привычной флеш-памяти двумя ключевыми свойствами. Во-первых, pinMOS позволяет записывать и считывать сохраненные данные как традиционным электрическим способом, так и оптически. Во-вторых, запись информации в такую память может производиться по нескольким уровням – то есть, одно устройство может хранить несколько состояний. Ячейки pinMOS также уже успели окрестить «мемконденсатором» (memcapacitor – запоминающий конденсатор).
В научной статье «Представляем память pinMOS: новое энергонезависимое органическое устройство памяти» (Introducing pinMOS Memory: A Novel, Nonvolatile Organic Memory Device), опубликованной 7 ноября 2019 года в журнале Advanced Functional Materials, ученые из Дрездена отмечают, что созданная ими разновидность органической энергонезависимой памяти (ONVM, Organic nonvolatile memory) обладает такими преимуществами, как недорогая технология массового производства, низкая себестоимость, высокая плотность записи данных, а также превосходная механическая гибкость.
pinMOS: как это работает
«Традиционные» типы ONVM – такие как резистивная память с произвольной выборкой (ReRAM) на базе транзистора с «плавающим затвором» для хранения заряда, сегнетоэлектрическая или электрохимическая память, по аналогии с мемристорами, имеют огромный потенциал применения в качестве искусственных нейроморфных узлов для искусственных нейронных сетей.
Однако все эти типы ONVM пока не умеют хранить несколько битов данных в одной ячейке. Технически создание подобных многобитовых ячеек памяти вполне возможно, но специфические требования к минимальной длине канала транзистора ограничивают потенциал уменьшения масштаба таких ячеек на перспективу.
Ячейка памяти pinMOS выполнена на базе двух параллельных, но противоположно направленных диодов, соединенных последовательно с конденсатором. Такая конструкция позволяет диодам заряжать и разряжать конденсатор при увеличении положительного или отрицательного потенциала, но сохранять заряд (информацию) при низких напряжениях, близких к нулю.
Впервые концепция диодно-емкостной памяти была представлена ученым Артуром В. Холтом (Arthur W. Holt) еще в 1952 году, однако только в наши дни эта концепция была впервые реализована с применением органических полупроводников. Именно так удалось объединить диоды и конденсатор в единую функциональную ячейку памяти.
В своей публикации ученые отмечают, что изобретение практического образца памяти pinMOS стало побочным эффектом исследования взаимодействия конденсаторов и диодов для создания органических светодиодов (OLED) с питанием от переменного тока. Изучение зависимости излучения от частоты и процесса восстановления излучения света в отрицательном полупериоде позволили выявить эффект емкостной коммутируемой памяти в органических светодиодах переменного тока.
Для создания емкостной энергонезависимой памяти исследователи объединили слой изолятора с традиционной структурой фотодиода на базе легированных слоев электронно-дырочного перехода с обедненным внутренним (intrinsic) слоем (p-doped/intrinsic/n-doped, то есть, p-i-n переход).
В итоге получилось своеобразное металл-оксид-полупроводниково-конденсаторное (MOS-конденсаторное) устройство с хранением заряда и возможностью его изменения. pinMOS может хранить несколько состояний. Благодаря тому, что заряд может быть управляемо добавлен или уменьшен, такая программируемая pin-(pin) MOS-память легко превращается в многоуровневое хранилище.
Полученная структура pinMOS может быть запрограммирована двумя способами: приложением напряжения или облучением в ультрафиолетовом диапазоне. Считывание данных также доступно электрически или по оптическому излучению светодиода.
Результаты и перспективы
Несложное в массовом производстве, простое по конструкции запоминающее устройство pinMOS на основе диодно-конденсаторного накопителя обладает значительными перспективами использования. Уже на стадии лабораторных экспериментов ученым из Дрездена удалось достичь высокой повторяемости работы опытных образцов pinMOS – более 104 циклов записи-чтения-стирания-чтения, и достичь более 24 часов хранения данных.
На перспективу ученые планируют сфокусироваться на изучении рабочих характеристик памяти pinMOS в динамическом и статическом режимах для дальнейшей оптимизации и усовершенствования технологии. Уже полученные результаты, по их словам, позволяют говорить о больших перспективах памяти pinMOS в качестве запоминающего устройства для различных применений в электронике и фотонике – таких как, например, нейроморфные вычисления или системы визуальной памяти.
