DE102004018859B3 - Verwendung einer Speicherschaltung zum Bereitstellen einer Information für eine vorgegebene Zeitdauer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speicherschaltung zum Bereitstellen einer Information für eine vorgegebene Zeitdauer, mit einer Speicherzelle (1) mit einem PMC-Widerstandsbauelement (4), das ein Festkörpereleketrolytmaterial aufweist, und mit einer Schreibschaltung (2) zum Beschreiben der Speicherzelle (1) durch Anlegen einer elektrischen Größe an das Festkörperelektrolytmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Schreibschaltung so gestaltet ist, um abhängig von der vorgegebenen Zeitdauer in dem PMC-Widerstandsbauelement (4) einen Widerstandswert einzustellen, der einen logischen Zustand der Speicherzelle entspricht und der so während der Zeit degradiert, dass der Widerstandswert in der vorgegebenen Zeitdauer einen vorgegebenen Widerstandsschwellwert im Wesentlichen erreicht oder überschreitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Speicherschaltung zum Bereitstellen einer Information für eine vorgegebene Zeitdauer.
  • Speicherschaltungen werden in der Regel so konzipiert, dass sie eine Information eine möglichst lange Zeitdauer, möglichst länger als die Lebensdauer der Speicherschaltung, speichern. Daneben kann es sinnvoll sein, Speicherschaltungen vorzusehen, die Informationen nur für eine begrenzte Zeitdauer speichern.
  • Speicherschaltungen, die eine bestimmte gespeicherte Information nur für eine vorgegebene Zeitdauer zur Verfügung stellen, können in vielen Bereichen eingesetzt werden. Insbesondere beim Verleihen von Videofilmen oder Musikstücken für einen zeitlich beschränkten Gebrauch können solche Speicherschaltungen zum Speichern der Video- oder Musikdaten vorteilhaft eingesetzt werden, wobei die Leihfrist durch die Speicherschaltung so eingestellt werden kann, dass die Video- bzw. Musikdaten nur für die der Leihfrist entsprechenden vorgegebenen Zeitdauer zum Auslesen zur Verfügung stehen. Eine Rückgabe eines Trägermediums für die Video- bzw. Musikdaten nach dem Ablauf der Leihfrist ist somit nicht mehr erforderlich.
  • Weiterhin gibt es eine Vielzahl von Bereichen, bei denen ein zeitlich limitierter Zugang von Personen zu einem gesicherten Bereich sichergestellt werden muss. Auch in diesen Fällen kann ein solcher limitierter Zugang durch ein Zugangsgerät mit einer Speicherschaltung, die eine Zugangsinformation nur für eine vorgegebene Zeitdauer speichert, realisiert werden, ohne dass es Umgehungsmöglichkeiten gibt, die Zeitdauer zu verlängern. Darüber hinaus können solche Speicherschaltungen auch zum Speichern von personenbezogenen Daten vorgesehen werden, wenn Datenschutzbestimmungen eine zeitliche Beschränkung der Speicherung der personenbezogenen Daten vorschreiben.
  • Bisher können bei dem Verleihen von Videofilmen oder Musikdateien geeignete Datenträger bereit gestellt werden, die eine Farbschicht aufweist, die sich z. B. nach einigen Tagen selbst zerstört und verhindert, dass die gespeicherten Daten weiterhin auslesbar sind, z. B. von der Firma Flexplay. Dabei handelt es sich jedoch um Wegwerferzeugnisse, d. h. der Datenträger ist nach dem Ablauf der Verleihfrist unbrauchbar und muss entsorgt werden.
  • Aus den Druckschriften WO 03/097488 A1, WO 02/058056 A1, WO 02/099470 A2 sind beispielsweise selbstzerstörende Datenträger bekannt.
  • In der Patentschrift US 6,487,106 B1 ist eine Speicherzelle mit einem PMC-Widerstandselement beschrieben, wobei das PMC-Widerstandselement durch eine Spannung oberhalb eines Schwellwertes beschrieben wird, um ein nicht-flüchtiges Speichern einer Information in die Speicherzelle zu erreichen, so dass kein Auffrischmittel notwendig ist.
  • Aus der Druckschrift „M.N. Kozicki, M. Yun, L. Hilt, A. Singh, „Application of programmable resistrace changes in metal-doped chalcogenides", Elektrochemical Society Proc., Vol 99-13 (1999) 298" sind die physikalischen und elektrischen Eigenschaften eines Festkörperelektrolytmaterials für ein PMC-Widerstandsbauelement offenbart, das in einer Speicherzelle verwendet werden kann. Darin ist beschrieben, dass das Festkörperelektrolytmaterial verschiedene Widerstandszustände abhängig von der Dicke des Festkörperelektrolytmaterials und abhängig von den angelegten elektrischen Parametern annehmen kann.
  • Aus der Druckschrift US 2003/0035315 A1 ist bekannt, dass die Flüchtigkeit der Daten in einer PMC-Speicherschaltung durch Änderung der Schreibbedingungen eingestellt werden kann.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung für eine Speicherschaltung zur Verfügung zu stellen, in der Informationen nur für eine vorgegebene Zeitdauer gespeichert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Speicherschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung einer Speicherschaltung zum Bereitstellen von Audio- oder Videodaten für eine vorgegebene Zeitdauer in einem Endgerät vorgesehen. Die Speicherschaltung weist eine Speicherzelle mit einem PMC-Widerstandsbauelement auf, das ein Festkörperelektrolytenmaterial enthält. Die Speicherschaltung umfasst weiterhin eine Schreibschaltung zum Beschreiben der Speicherzelle durch Anlegen einer elektrischen Größe an das Festkörperelektrolytenmaterial. Die Schreibschaltung ist weiterhin so gestaltet, um abhängig von der vorgegebenen Zeitdauer in dem PMC-Widerstandsbauelement ein Widerstandswert einzustellen der einen logischen Zustand der Speicherzelle entspricht und der während der Zeit so degradiert, dass der Widerstandswert während der vorgegebenen Zeitdauer einen vorgegebenen Widerstandsschwellwert im Wesentlichen erreicht oder überschreitet.
  • Ein PMC-Widerstandsbauelement bildet in seinen Festkörperelektrolyten einen elektrisch leitfähigen Pfad, wenn ein elektrisches Feld einer bestimmten Richtung angelegt wird, und bildet diesen elektrisch leitfähigen Pfad zurück, wenn ein entgegengesetztes elektrisches Feld angelegt wird. Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass je nach Stärke des ausgebildeten leitfähigen Pfades nach dem Anlegen des elektrischen Feldes der Widerstand des PMC-Widerstandsbauelementes mehr oder weniger über der Zeit stabil ist. Ist der elektrisch leitfähige Pfad relativ klein ausgebildet, so bildet er sich über eine bestimmte kleine Zeitdauer zurück, wobei die Zeitdauer zwischen Minuten und Jahren betragen kann, je nachdem, wie lange und/oder in welcher Höhe das elektrische Feld zum Beschreiben des PMC-Widerstandsbauelement angelegt worden ist. Ist der elektrisch leitfähige Pfad ausreichend groß ausgebildet, so ist er stabil und degradiert nicht oder im Wesentlichen nicht während der Lebensdauer des PMC-Widerstandsbauelementes.
  • Es kann vorgesehen sein, das elektrische Feld abhängig von einer gewünschten Zeitdauer an das PMC-Widerstandsbauelement anzulegen, wobei die gewünschte Zeitdauer vorgegeben wird, die der Zeitdauer entspricht, während der die Speicherschaltung die Information speichern soll. Ein Benutzer einer solchen Speicherschaltung kann innerhalb der vorgegebene Zeitdauer nach dem Programmieren der Speicherschaltung die darin enthaltenen Information beliebig bzw. in der durch den Einsatz der Speicherschaltung vorgegebenen Weise nutzen. Nach Ablauf der Zeitdauer verschwinden die Informationen aus der Speicherschaltung und der Benutzer kann darauf nicht mehr zurückgreifen, denn nach Ablauf der Zeit sind die Daten automatisch gelöscht.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel wird der Widerstandsschwellwert so gewählt, dass eine durch den Widerstand bestimmte in der Speicherzelle gespeicherte Information bei Erreichen oder Überschreiten des Widerstandsschwellwertes nicht mehr auslesbar ist. Auf diese Weise wird sicher gestellt, dass die Information nach der vorgegebenen Zeitdauer in zuverlässiger Weise nicht mehr verfügbar ist.
  • Die Schreibschaltung kann so gestaltet sein, dass zum Beschreiben der Speicherzelle die elektrische Größe für eine Programmierzeitdauer an die Speicherzelle angelegt wird, so dass in dem PMC-Widerstandsbauelement der entsprechende Widerstandswert eingestellt wird. Dies ist sinnvoll, da die Stärke des elektrisch leitfähigen Pfades in erster Linie durch die folgenden drei Parameter bestimmt wird: Zeitdauer, während der das elektrische Feld angelegt ist, Stromfluss durch das Element und Spannung über dem Element während des Schreibvorgangs.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Schreibschaltung einen Look-Up-Tabellenspeicher enthält, der die vorgegebene Zeitdauer den Parametern des Schreibvorgangs zuordnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Speicherschaltung eine Ausleseschaltung aufweisen, um einen ersten Zustand der Speicherzelle zu detektieren, wenn der Widerstandswert unter dem Widerstandsschwellwert liegt und um einen zweiten Zustand zu detektieren, wenn der Widerstandswert über dem Widerstandsschwellwert liegt.
  • Zum Beispiel ist weiterhin ein Verfahren zum Bereitstellen einer Information in einer Speicherzelle für eine vorgegebene Zeitdauer vorgesehen. Die Speicherzelle weist ein PMC-Widerstandsbauelement auf, das ein Festkörperelektrolytmaterial enthält. An die Speicherzelle wird eine elektrische Größe angelegt, um einen Widerstandszustand in dem Festkörperelektrolytmaterial einzustellen. In dem PMC-Widerstandsbauelement wird durch Anlegen einer elektrischen Größe ein Widerstandswert eingestellt, wobei die elektrische Größe abhängig von der vorgegebenen Zeitdauer gewählt wird. Der einzustellende Widerstanswert ist so gewählt, dass der Widerstandswert durch Degradation während einer Zeit abnimmt und in der vorgegebenen Zeitdauer einen vorgegebenen Widerstandsschwellwert erreicht oder überschreitet.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das schematisch die Degradation des Widerstands eines PMC-Elements abhängig von den Parametern beim Schreibvorgang zeigt;
  • 1a ein Diagramm, das die Degradation des Widerstands des PMC-Bauelement abhängig von dem Schreibstrom anhand von Messwerten zeigt;
  • 2 ein Diagramm eines Ausschnitts einer Speicherschaltung; und
  • 2a und 2b zwei Diagramme, die mögliche Realisierungen eines Arrays aus Elementen zeigen.
  • Die Speicherschaltung weist ein PMC-Widerstandsbauelement auf, das ein Festkörperelektrolytmaterial umfasst. Ein Festkörperelektrolytmaterial weist ein Chalcogenidmaterial auf, z. B. GeSe an dem eine erste Elektrode, z. B. eine Silberelektrode (Anode) und eine zweite, inerte Elektrode (Kathode) angeordnet sind. Bei Anlegen eines hohen elektrischen Feldes einer Richtung an den Elektroden bewegen sich Silberionen von der Silberanode in das Chalcogenidmaterial hinein bzw. bei entgegengesetzter Richtung des elektrischen Feldes zurück zur Silberanode. Wenn die Silberionen von der Silberanode in das Elektrolytmaterial hinein wandern, bilden sich elektrisch leitfähige Bereiche zwischen der Silberanode und der inerten Kathode aus, so dass sich die Leitfähigkeit zwischen Anode und Kathode erhöht und der elektrische Widerstand durch das Festkörperelektrolytmaterial absinkt. Die Größe des elektrischen Feldes bzw. der Stromfluss durch das Element und die Zeitdauer, die das elektrische Feld an dem Festkörperelektrolytmaterial anliegt, bestimmen die Konzentration des in dem Festkörperelektrolytmaterial abgelagerten Bereichs mit Silberionen, die den leitfähigen Pfad bilden.
  • Je höher die Konzentration der eingelagerten Silberionen in einem vorgegebenen Bereich des Festkörperelektrolytmaterials ist, desto stabiler ist der ausgebildete elektrisch leitfähige Pfad in dem Festkörperelektrolytmaterial während einer Zeitdauer.
  • Das Festkörperelektrolytmaterial ist nicht auf GeSe beschränkt, sondern es kann auch aus anderen Chalcogenidmaterialien gebildet sein. Anstelle einer Silberelektrode kann auch eine Elektrode aus einem anderen leitfähigen Material vorgesehen sein, das in Form von Ionen durch das gewählte Chalcogenidmaterial wandern kann, wenn ein elektrisches Feld angelegt ist.
  • In 1 ist schematisch für verschiedene Schreibparameter bei einem PMC-Element der Verlauf des Widerstandswerts nach Ende des Schreibvorgangs über die Zeit dargestellt. Die den Schreibvorgang bestimmenden Parameter können die Schreibdauer, der Stromfluss durch das PMC-Element oder die Spannung über dem Element während des Schreibens sein. In 1a ist dieses Verhalten anhand von Messdaten an einem realen PMC-Element dargestellt. In diesem Beispiel wurde als Parameter der Stromfluss durch das Element gewählt.
  • Man erkennt, dass bei einem Schreibstrom von 30 μA ein Widerstand von etwa 10 kΩ eingenommen wird, der über lange Zeit stabil bleibt. Eine Degradation des leitfähigen Pfades im Festkörperelektrolytmaterial findet im Wesentlichen nur in sehr geringem Maße oder gar nicht statt, so dass sich der Widerstand durch das PMC-Widerstandsbauelement nicht ändert.
  • Etwas anderes lässt sich bei Schreibströmen von 2 μA und 0,6 μA beobachten. Man erkennt, dass bei diesen Schreibströmen sich der elektrische Widerstand über der Zeit erhöht, in dem Maße wie der elektrisch leitfähige Pfad durch das Festkörperelektrolytmaterial abgebaut wird.
  • Bei der Wahl anderer Programmierströme sind entsprechend geänderte Zeitdauern realisierbar.
  • Eine mit dem PMC-Widerstandsbauelement aufgebaute Speicherzelle befindet sich in einen ersten logischen Zustand unterhalb einer Widerstandsschwelle des PMC-Bauelements und in einem zweiten logischen Zustand oberhalb einer solchen Widerstandsschwelle. In dem Diagramm der 1 ist eine solche Widerstandsschwelle in Form einer gestrichelten Linie bei 1 MΩ dargestellt. Dieser Widerstandsschwellwert wird bei einer Speicherzelle, die mit einem Schreibstrom von 2 μA beschrieben worden ist, nach ungefähr sechs Tagen erreicht, während sie bei einer Speicherzelle, die mit einem Programmierstrom von 0,6 μA beschrieben worden ist, bereits nach wenigen Minuten erreicht wird. Bei Wahl anderer Programmierströme sind entsprechend geänderte Zeitdauern realisierbar.
  • Es kann beispielsweise angenommen werden, dass eine Speicherzelle, dessen PMC-Widerstandsbauelement einen Widerstand unter 1 MΩ aufweist, eine „logische 1" speichert, während eine Speicherzelle, dessen PMC-Widerstandsbauelement einen Widerstandswert von größer 1 MΩ aufweist eine „logische 0" Speichert.
  • In 2 ist ein Ausschnitt aus einer Speicherschaltung mit einer Speicherzelle 1 in einem Speicherzellenfeld 8 und einer Schreibschaltung 2, die das Speicherzellenfeld 8 über eine Adressdecodierschaltung 9 beschreibt, dargestellt. Die 2a und 2b zeigen mögliche Realisierungen der Speicherzellen des Speicherzellenfelds. Im Falle 2a wird eine sogenannte Crosspoint-Architektur dargestellt mit einer optionalen Auswahldiode 10 in Serie zu einem PMC-Widerstandselement 4, das sich an einem Kreuzungspunkt zwischen einer Bitleitung BL und einer Wortleitung WL befindet und mit diesen Leitungen elekt risch verbunden ist. In 2b weist die Speicherzelle ein Schaltelement 3, vorzugsweise in Form eines Feldeffekttransistors, auf, dass so mit einem PMC-Widerstandsbauelement 4 gekoppelt ist, dass es bei Aktivieren (Durchschalten) des Schaltelementes 3 mit einem durch das Schaltelement 3 fließenden Schreibstrom beschrieben bzw. mit einem durch das Schaltelement 3 fließenden Lesestrom ausgelesen werden kann. Die Speicherzelle 1 ist an einer Wortleitung WL und an einer Bitleitung BL angeschlossen, so dass ein Drain-Anschluss des als Feldeffekttransistor ausgebildeten Schaltelements 3 mit der Bitleitung und ein Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors mit der Wortleitung verbunden ist. Ein Source-Anschluss des Feldeffekttransistors ist mit einem ersten Anschluss des PMC-Widerstandsbauelement 4 und ein zweiter Anschluss des PMC-Widerstandsbauelement 4 mit einem festgelegten Potential, z. B. einem Massepotential, verbunden.
  • Das Programmieren der Speicherzelle erfolgt, indem die Wortleitung mit der zu programmierenden Speicherzelle aktiviert wird, so dass das Schaltelement 3 durchgeschaltet wird. Die Schreibschaltung 2 legt an der betreffenden Bitleitung mit Hilfe einer Stromquelle einen Programmierstrom an, der durch das PMC-Widerstandsbauelement 4 fließt und dort aufgrund des Durchlasswiderstandes ein elektrisches Feld bewirkt, so dass ein elektrisch leitfähiger Pfad ausgebildet oder zurückgebildet wird.
  • Beim Auslesen einer Information aus der Speicherzelle wird durch die betreffende Wortleitung die Schalteinrichtung 3 ebenfalls aktiviert und durch Anlegen einer Spannung und Messen des resultierenden Stroms der elektrische Widerstand des PMC-Widerstandsbauelement bestimmt und entsprechend einer „logischen 0" oder „logischen 1" zugeordnet. Diese wird vorzugsweise durch eine ebenfalls mit der Bitleitung BL verbundene Ausleseschaltung 5 vorgenommen.
  • Die Schreibschaltung 2 ist mit einer Datenschnittstelle 6 verbunden, die die Kommunikation zwischen einem Endgerät und der Speicherschaltung steuert. Ein solches Endgerät kann beispielsweise ein Film- oder Musikabspielgerät sein, wobei die Video- bzw. Audiodaten aus den Speicherzellen 1 entnommen werden können. Die Datenschnittstelle 6 kann weiterhin geeignet sein, mit einem Sicherheitssystem zu kommunizieren, wobei in den Speicherzellen Sicherheitsdaten, wie z. B. Zugangsdaten, Verschlüsselungsdaten o. ä. gespeichert sind.
  • Die Schreibschaltung 2 weist weiterhin einen Eingang auf, um ein Zeitdauer-Datum Z zu empfangen, das angibt, nach welcher Zeit die in die Speicherzelle 1 hineingeschriebenen Information nicht mehr auslesbar ist. Sollen in das Speicherzellenfeld 8 Informationen geschrieben werden, die dauerhaft verfügbar sind, so kann dies ebenfalls durch das Zeitdauer-Datum Z angegeben werden. Durch einen Wechsel des Zeitdauer-Datums Z während des Beschreibens von Speicherzelle können sowohl dauerhaft gespeicherte Daten als auch zeitlich verfallende Daten gespeichert werden.
  • Das Verfallen der Information gilt selbstverständlich nur für den Teil der Information, bei dem die Speicherzelle so beschrieben ist, dass der Widerstandswert des PMC-Widerstandsbauelement unterhalb der Widerstandsschwelle liegt. Nur in diesem Fall ist ein elektrisch leitfähiger Pfad in dem Festkörperelektrolyten ausgebildet, der degradieren kann. Da Videodaten und Musikdaten in der Regel eine sehr große Anzahl von „logischen 0"- und „logischen 1"-Daten aufweist, existieren immer Speicherzellen, deren PMC-Widerstandsbauelemente einen Widerstand aufweisen, der unterhalb des Widerstandsschwellwertes liegt, so dass die enthaltene Information degradieren kann.
  • Das Zeitdauer-Datum Z gibt an, in welcher Zeit die in der Speicherzelle gespeicherte Information nicht mehr auslesbar sein soll. Das Zeitdauer-Datum Z wird in der Schreibschaltung 2 Programmierparametern zugeordnet, die angegeben, mit welchem Schreibstrom und für welche Programmier-Zeitdauer des Anliegens des Schreibstroms das PMC-Widerstandsbauelement beschrieben werden soll. Schreibstrom und Zeitdauer des Beschreibens der Speicherzelle bestimmen, nach welcher Zeitdauer die Information in der Speicherzelle gelöscht sein soll. Dazu kann die Schreibschaltung 2 einen Speicher mit einer Zuordnungstabelle (Look-Up-Tabelle) 7 aufweisen, durch den dem Zeitdauerdatum Z, das die vorgegebene Zeitdauer angibt, die Programmierparameter zugeordnet wird, so dass das Beschreiben der Speicherzelle entsprechend den Programmierparametern in der Schreibschaltung 2 erfolgt.
  • Die Speicherschaltung kann integriert implementiert werden durch Kombination von CMOS-Logikschaltungen mit der entsprechenden Ansteuerung (FEOL) sowie einem resistiv schaltenden PMC-Zellenfeld, dass als Crosspoint-Struktur oder 1R1T-Zellenfeld (BEOL) ausgebildet ist.

Claims (5)

  1. Verwendung einer Speicherschaltung zum Bereitstellen von Video- oder Audiodaten für eine vorgegebene Zeitdauer in einem Endgerät, wobei die Speicherschaltung umfasst: eine Speicherzelle (1) mit einem PMC-Widerstandsbaulelement (4), das ein Festkörperelektrolytmaterial aufweist, und eine Schreibschaltung (2) zum Beschreiben der Speicherzelle (1) durch Anlegen einer elektrischen Größe an das Festkörperelektrolytmaterial, wobei die Schreibschaltung so gestaltet ist, um abhängig von der vorgegebenen Zeitdauer in dem PMC-Widerstandsbauelement (4) einen Widerstandswert einzustellen, der einen logischen Zustand der Speicherzelle entspricht und der so während der Zeit degradiert, dass der Widerstandswert in der vorgegebenen Zeitdauer einen vorgegebenen Widerstandsschwellwert im Wesentlichen erreicht oder überschreitet.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Schreibschaltung so geschaltet wird, dass zum Beschreiben der Speicherzelle (1) die elektrische Größe für eine Programmier-Zeitdauer an die Speicherzelle (1) angelegt wird, dass in dem PMC-Widerstandsbauelement der entsprechende Widerstandswert eingestellt wird.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schreibschaltung (2) einen Look-Up-Tabellenspeicher (7) enthält, wobei die vorgegebene Zeitdauer der Informationsspeicherung der elektrischen Größe beim Programmieren und/oder der Programmierzeitdauer zugeordnet wird.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorgegebene Widerstandsschwellwert so gewählt wird, dass eine durch den Widerstandswert bestimmte in der Spei cherzelle gespeicherte Information bei Erreichen oder Überschreiten des Widerstandsschwellwertes nicht mehr auslesbar ist.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schreibschaltung (2) einen Eingang aufweist, wobei eine Zeitdauer-Information angelegt wird, so dass abhängig von der Zeitdauer-Information der Widerstandswert eingestellt wird.
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