CN108932962A - 相变存储器写入、读取、擦除数据的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，包括以下步骤：提供一相变存储器，该相变存储器包括：至少一加热层及至少一相变层，该相变层与所述加热层对应设置，所述相变层的材料包括二氧化钒；控制所述加热层加热所述相变层，使该相变层保持在相变温度，此时向该相变层输入电信号，使该相变层发生相变，从而写入数据；向所述相变层输入一电信号，使该相变层不发生相变，测量电路中的电流大小，得出该相变层的电阻，根据电阻值的大小从而读取数据；控制所述加热层停止加热所述相变层，从而擦除该相变层的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，尤其涉及一种基于二氧化钒材料的相变存储器写入、读取、擦除数据的方法。
背景技术
作为非易失性存储器的下一代产品，相变存储器是一种利用特殊相变材料的不同相导电性的差异来存储信息的存储器。相变存储器基于其独特的特点如较快的响应速度、较优的耐用性以及较长的数据保存时间等，已备受关注，其不仅能够在移动电话、数码相机、MP3播放器、移动存储卡等民用微电子领域得到广泛应用，而且在航空航天及导弹***等军用领域有着重要的应用前景。
然而，目前的相变存储器当其处于工作状态下时，给相变材料施加一个窄脉宽的大电流脉冲，实现相变材料的快速熔融与淬火，造成相变材料从晶态到非晶态的转变，也就是相变材料从低阻到高阻的转变，称之为写过程，这种高阻的非晶态称为RESET状态，对应数据“0”。当给相变材料施加一个长脉宽的幅值适中的电流脉冲，实现相变材料的在结晶温度下的结晶，造成相变材料从非晶态到晶态的转变，也就是相变材料从高阻态到低阻态的转变，称之为擦过程，这种低阻的非晶态称为SET状态，对应数据“1”，现有的这种相变存储器只能存储2n种数据，存储密度较小，不能够满足需求。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种提高存储密度的相变存储器的工作方法。
一种相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其包括以下步骤：提供一相变存储器，该相变存储器包括：至少一加热层及至少一相变层，该相变层与所述加热层对应设置，该加热层加热所述相变层，使该相变层达到相变温度，所述相变层的材料包括二氧化钒；控制所述加热层加热所述相变层，使该相变层保持在相变温度，此时向该相变层输入电信号，使该相变层发生相变，从而写入数据；向所述相变层输入一电信号，使该相变层不发生相变，测量电路中的电流大小，得出该相变层的电阻，根据电阻值的大小从而读取数据；控制所述加热层停止加热所述相变层，从而擦除该相变层的数据。
相较于现有技术，本发明提供的相变存储器写入、读取、擦除数据的方法中，所述相变层的材料包括二氧化钒，二氧化钒的电阻可以通过改变电流来调控，因此通过向所述相变层输入多个电信号，相变层的总电阻值会随着所述相变层的输入电信号而多次改变，实现多值存储，从而提高相变存储密度。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的相变存储器的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的输入同一电压脉冲信号时二氧化钒的电压-电阻变化图。
图3为本发明第一实施例提供的输入不同电压脉冲信号时二氧化钒的电压-电阻变化图。
图4为本发明第一实施例提供的在输入电压信号的过程中停止加热层加热时二氧化钒的电压-电阻变化图。
图5为本发明第二实施例提供的相变存储器的俯视示意图。
图6为本发明第二实施例提供的相变存储器的仰视示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将对本发明实施例提供的相变存储器作说明。
本发明实施例提供一种相变存储器，其包括至少一加热层及至少一相变层，该相变层与所述加热层一一对应设置，该加热层用于加热所述相变层，所述相变层的材料包括二氧化钒。
所述加热层的数量、材料均不限，只要能够输入电信号产生热量即可。优选的，所述加热层可以为一碳纳米管结构或电阻丝。所述碳纳米管结构包括碳纳米管膜、碳纳米管线或碳纳米管膜与碳纳米管线的组合。所述碳纳米管膜包括碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管絮化膜。所述碳纳米管线为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。
所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该若干碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向延伸。所述碳纳米管拉膜的结构及其制备方法请参见2010年5月26日公告的，公告号为CN101239712B的中国发明专利说明书。
所述碳纳米管碾压膜可通过沿一定方向或不同方向碾压一碳纳米管阵列获得，碳纳米管各向同性，沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互交叠。所述碳纳米管碾压膜中碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管碾压膜为一自支撑的结构。
所述碳纳米管絮化膜为各向同性，其包括多个无序排列且均匀分布的碳纳米管。碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、相互缠绕。因此，碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，且具有良好的自支撑性能。
请参阅图1，本发明提供的第一实施例中，所述加热层120的数量为单个，该加热层120的两端分别通过第一导线121、第二导线122与第一电源123电连接，开启所述第一电源123向所述加热层120施加电压，该加热层120产生热量。可以理解为，通过控制所述第一电源123的开和关即可控制所述加热层120的工作状态。本实施例中，所述加热层120为碳纳米管拉膜，该碳纳米管拉膜的两端分别与第一导线121、第二导线122电连接，且碳纳米管拉膜中的碳纳米管从第一导线121延伸到第二导线122。
所述相变层220的数量为单个。该相变层220与所述加热层120对应设置，所述相变层22与所述加热层120可以接触设置，也可以不接触设置只要确保所述加热层120产生的热量能够传递给所述相变层220使其达到相变温度附近即可。可以理解，所述多个相变层220可以仅对应一个加热层120。所述相变层220的两端分别通过第三导线221、第四导线222与第二电源223电连接，通过所述第二电源223向所述相变层输入多个电信号。本实施例中，所述相变层220与所述加热层120对应且接触设置。
所述相变层220的形状可为纳米线、薄膜、块材中任意一种形状，其尺寸根据需要设置，优选的，所述相变层220的尺寸小于等于所述加热层120的尺寸。本实施例中，所述相变层220的材料仅由二氧化钒构成，该二氧化钒的相变温度为68℃，所述相变层220的尺寸小于所述加热层120的尺寸。
请参阅图2及图3，所述加热层120加热所述相变层220使其一直处于相变温度，当向该相变层220的两端输入第一次电信号时，该相变层220的电阻由原始电阻R0减小至R1并保持R1不变，继续输入第二次电信号时，该相变层220的电阻由R1减小至R2并保持R2不变，后续不断输入多次电信号时，该相变层220的电阻依次呈阶梯式递减；请参阅图4，当所述加热层120停止加热时，该相变层220的电阻会回到原始电阻R0。所述电信号可以为相同的电压脉冲信号或不同的电压脉冲信号。基于所述相变层220的特性，确保该相变层220一直保持在相变温度附近，输入多次电信号即可调控该相变层220的电阻，从而实现多个数据的写入；一旦该相变层220没有保持在相变温度附近，电阻就会回到原始电阻，从而实现数据的擦除。
本实施例中，通过加热层120一直对相变层220加热，使其保持在相变温度附近，再通过向该相变层220的两端输入电信号，从而实现数据的写入和读取；通过停止所述加热层120向相变层220加热，从而实现数据的擦除。
所述相变存储器10的工作过程包括三个：数据写入、数据读取、数据擦除。初始状态下该相变层220为绝缘体，电阻率高，代表数据“0”；相变过程中该相变层220的电阻呈阶梯状递减，每一个台阶为一个电阻态，多个电阻态分别代表数据“1”，“2”，“3”……，从而实现多值存储。所述相变存储器10写入数据时，在该加热层120的两端输入一电信号，使所述加热层120产生热量，进而加热所述相变层220并使之达到相变温度，此时在所述相变层220的两端施加电压，从而输入电信号，使该相变层220的材料中金属畴与绝缘体畴的比例发生变化，从而完成多个数据的写入；在读取数据时，在所述相变层220的两端输入一电信号，该电信号的电流较弱，不会引起所述相变层220的相变，但通过测量电路中的电流大小，即可得出该相变层220的电阻，每个电阻对应一个代表数据，从而完成多个数据的读取；在擦除数据时，停止所述加热层120向所述相变层220加热，此时该相变层220的材料由金属相与绝缘体相共存的状态转变为绝缘体相,从而完成数据的擦除。
本发明第一实施例提供的相变存储器10中相变层220的材料为二氧化钒，二氧化钒在发生金属-绝缘体相变的过程中同时存在金属相与绝缘体相，当输入二氧化钒的电信号不同时金属畴与绝缘体畴的比例发生变化，导致总的电阻变化。该二氧化钒可具有多电阻态，能够实现相变存储器10的多值存储，从而可以提高相变存储器10的存储密度；另，所述加热层120停止对所述相变层220加热，能够擦除该相变层220的数据。
请参阅图5和图6，本发明第二实施例提供一种相变存储器20，其包括多个加热层240及多个相变层340；多个第一行电极200，其相互平行且间隔设置；多个第一列电极210，其相互平行且间隔设置，所述多个第一列电极210与多个第一行电极200相互交叉且绝缘设置，相邻的两个第一行电极200与相邻的两个第一列电极210形成一第一网格；每个第一网格内对应设置一加热层240，该加热层240相对的两端分别通过第五导线241、第六导线242与所述第一行电极200、第一列电极210电连接，同一行的加热层240与同一行电极电连接，同一列的加热层240与同一列电极电连接；所述相变层340与所述加热层240一一对应设置，该加热层240用于加热所述相变层340，所述相变层340的材料包括二氧化钒。
所述多个第一行电极200与多个第一列电极210的材料分别为导电材料，如金属等。所述第一行电极200与第一列电极210的交叉处设置有绝缘层230。所述多个第一行电极200与多个第一列电极210的形状、大小及设置位置不限，只要保证在所述第一行电极200和第一列电极210之间施加电压，能够加热所述相变层340，使所述相变层340达到相变温度即可。
所述加热层240沿多行多列设置形成一阵列，每一个加热层240单独设置于一个第一网格内，该加热层240的一端与相邻的第一行电极200电连接，另一端与相邻的第一列电极210电连接，通过给每个行列电极单独输入电压来控制对应加热层240的工作状态。可以理解，当给所述加热层的两端施加不同的电压时，所述加热层240产生热量，加热所述相变层340；当向该加热层240的两端输入相同的电压时，该加热层240停止工作，擦除对应相变层220的数据。
所述相变层340与所述加热层240一一对应且接触设置。所述多个相变层340的电路可以任意设置，只需能够保证给所述相变层340输入电信号即可。
本实施例中，所述相变存储器20进一步包括多个第二行电极300，其相互平行且间隔设置；多个第二列电极310，其相互平行且间隔设置，所述多个第二列电极310与多个第二行电极300相互交叉且绝缘设置，相邻的两个第二行电极300与相邻的两个第二列电极310形成一第二网格；每个第二网格内对应设置一个相变层340，每个相变层340分别通过第七导线341、第八导线342与所述第二行电极300和第二列电极310电连接，同一行的相变层340与同一行电极电连接，同一列的相变层340与同一列电极电连接。所述第二行电极300与第二列电极310的交叉处设有一绝缘层330。所述多个相变层340沿多行多列设置形成一相变层阵列。
所述相变层340由二氧化钒掺杂金属构成，该金属可为钨、铌、铝、铬等中的任意一种，掺杂金属的类型与掺杂比例会影响掺杂后的材料的相变温度。本实施例中，所述相变层340的材料由二氧化钒掺杂钨构成，所述掺杂钨的原子百分比为1.5％，掺杂后其相变温度为30℃，降低了加热功率。所述相变层340的尺寸等于所述碳纳米管拉膜的尺寸。
本发明第二实施例提供的相变存储器20，每一个加热层240可单独工作，互不影响，停止一个加热层240的加热工作，能够实现单个相变层340的定点擦除；其次，所述相变层340的材料由二氧化钒掺杂金属构成，二氧化钒可以有多个电阻态，能够提高相变存储器20的存储密度；第三，在二氧化钒中掺杂金属钨可以降低其相变温度，从而降低加热层240的加热功率。
另，本发明进一步提供上述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其包括以下步骤：
S1，提供一如上所述的相变存储器，该相变存储器包括：至少一加热层及至少一相变层，该相变层与所述加热层对应设置，该加热层加热所述相变层，使该相变层达到相变温度，所述相变层的材料包括二氧化钒；
S2，控制所述加热层加热所述相变层，使该相变层保持在相变温度，此时向该相变层输入电信号，使该相变层发生相变，从而写入数据；
S3，向所述相变层输入一电信号，使该相变层不发生相变，测量电路中的电流大小，得出该相变层的电阻，根据电阻值的大小从而读取数据；
S4，控制所述加热层停止加热所述相变层，从而擦除该相变层的数据。
在S1步骤中，所述相变存储器可以为本发明第一实施例或第二实施例的相变存储器。
在S2步骤中，可以理解，只要不擦除数据，所述加热层就需要一直加热所述相变层。本实施例中，通过向所述加热层的两端持续输入不同的电压时该加热层产生热量。通过控制任意一个行列电极即可控制与该行列电极电连接的相变层的输入电压。当向所述相变层输入一个电信号时，就可以实现两组数据的写入，当输入多次电信号时，所述相变层的电阻值会发生多次变化，从而实现多个数据的写入。该电信号的范围为5V-10V。
在S3步骤中，输入的电信号为一较弱的电信号，使加热层产生电阻变化，但不发生相变。所述电信号的范围小于2V。每个电阻值代表一个数据，得知电阻值后，就可知道对应的写入数据，从而完成数据的读取。
在S4步骤中，一旦控制某一个加热层停止加热相变层，该相变层就不会保持在相变温度附近，该相变层写入的数据被擦除。本实施例中，向加热层两端施加等电压，该加热层停止加热相变层，相变层的温度达不到相变温度，从而实现该相变层的擦除。
本发明提供的相变存储器的工作方法中，所述相变层包括二氧化钒，该二氧化钒可以有多个电阻态，能够提高相变存储器的存储密度；第二，在二氧化钒中掺杂金属可以降低其相变温度，从而降低加热层的加热功率；第三，当加热层为阵列式分布时，控制某一个加热层停止加热相变层，即可实现该相变层的定点擦除。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其包括以下步骤：
提供一相变存储器，该相变存储器包括：至少一加热层及至少一相变层，该相变层与所述加热层对应设置，该加热层加热所述相变层，使该相变层达到相变温度，所述相变层的材料包括二氧化钒；
S2，控制所述加热层加热所述相变层，使该相变层保持在相变温度，此时向该相变层输入电信号，使该相变层发生相变，从而写入数据；
S3，向所述相变层输入另一电信号，使该相变层不发生相变，测量电路中的电流大小，得出该相变层的电阻，根据电阻值的大小从而读取数据；
S4，控制所述加热层停止加热所述相变层，从而擦除该相变层的数据。
2.如权利要求1所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，向所述相变层输入多次电信号时，该相变层的总电阻值发生多次变化，每个电阻值对应一个数据，从而实现多个数据写入。
3.如权利要求2所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，所述相变层在发生金属-绝缘体相变的过程中同时存在金属相与绝缘体相，当给所述相变层输入多个电信号时金属畴与绝缘体畴的比例发生变化，导致该相变层的总电阻变化。
4.如权利要求1所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，所述加热层为一碳纳米管结构。
5.如权利要求4所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，所述碳纳米管结构包括碳纳米管膜、碳纳米管线或碳纳米管膜与碳纳米管线的组合。
6.如权利要求1所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，所述相变层的材料由二氧化钒掺杂金属构成。
7.如权利要求6所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，所述掺杂金属为钨、铌、铝、铬中的任意一种。
8.如权利要求1所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，当所述加热层为多个时，进一步包括多个第一行电极，该多个第一行电极相互平行且间隔设置；多个第一列电极，该多个第一列电极相互平行且间隔设置，所述多个第一列电极与多个第一行电极相互交叉且绝缘设置，相邻的两个第一行电极与相邻的两个第一列电极形成一第一网格；每个第一网格内对应设置一加热层，该加热层相对的两端分别与所述第一行电极、第一列电极电连接。
9.如权利要求8所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，当所述相变层为多个时，进一步包括多个第二行电极，该多个第二行电极相互平行且间隔设置；多个第二列电极，该多个第二列电极相互平行且间隔设置，所述多个第二列电极与多个第二行电极相互交叉且绝缘设置，相邻的两个第二行电极与相邻的两个第二列电极形成一第二网格；所述多个相变层分别一一设置于所述第二网格，每个相变层分别与所述第二行电极和第二列电极电连接。
10.如权利要求8所述相变存储器写入、读取、擦除数据的方法，其特征在于，控制单个加热层停止加热所述相变层，实现相变层的定点擦除。
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