Прорывная технология на основе оксида кремния, разработанная Университетом Райса для компьютерной памяти нового поколения высокой плотности, стала еще на один шаг ближе к массовому производству благодаря усовершенствованию, которое позволит производителям производить устройства при комнатной температуре с использованием традиционных методов производства.
Впервые обнаруженная пять лет назад память Райс на основе оксида кремния представляет собой тип двухтерминальной технологии «резистивной памяти с произвольным доступом» (RRAM). В новой статье, доступной онлайн в журнале Американского химического общества Nano Letters, команда Rice под руководством химика Джеймса Тура сравнила свою технологию RRAM с более чем дюжиной конкурирующих версий.
«Эта память превосходит все другие двухконтактные униполярные резистивные модули памяти почти по всем показателям», - сказал Тур. «И поскольку в наших устройствах используется оксид кремния - наиболее изученный материал на Земле, - лежащие в его основе физические принципы хорошо понятны и легко реализуются на существующих производственных объектах». Тур - это Т. Т. и В. Ф. Райс. Чао, заведующий кафедрой химии, профессор машиностроения, наноинженерии и компьютерных наук.
Тур и его коллеги начали работу над революционной технологией RRAM более пяти лет назад. Основная концепция резистивных запоминающих устройств заключается во вставке диэлектрического материала, который обычно не проводит электричество, между двумя проводами. Когда к проводам приложено достаточно высокое напряжение, через диэлектрический материал может образоваться узкий путь проводимости.
Наличие или отсутствие этих проводящих путей можно использовать для представления двоичных единиц и нулей цифровых данных. Исследования ряда диэлектрических материалов, проведенные за последнее десятилетие, показали, что такие проводящие пути могут формироваться, разрываться и восстанавливаться тысячи раз, а это означает, что RRAM может использоваться в качестве основы перезаписываемой оперативной памяти..
RRAM разрабатывается по всему миру, и ожидается, что через несколько лет она вытеснит технологию флэш-памяти на рынке, потому что она быстрее, чем флэш-память, и может хранить гораздо больше информации в меньшем объеме. Например, производители объявили о планах создания прототипов микросхем RRAM, способных хранить около одного терабайта данных на устройстве размером с почтовую марку, что более чем в 50 раз превышает плотность данных современной технологии флэш-памяти.
Ключевым компонентом RRAM Rice является его диэлектрический компонент, оксид кремния. Кремний - самый распространенный элемент на Земле и основной ингредиент обычных микрочипов. Технологии изготовления микроэлектроники на основе кремния широко распространены и понятны, но до открытия проводящих нитей в оксиде кремния в лаборатории Тура в 2010 году этот материал не рассматривался как вариант для RRAM..
С тех пор команда Тура стремилась к дальнейшему совершенствованию своей RRAM и даже использовала ее для экзотических новых устройств, таких как прозрачные гибкие микросхемы памяти. В то же время исследователи также провели бесчисленное количество тестов, чтобы сравнить производительность памяти на основе оксида кремния с конкурирующими технологиями диэлектрической RRAM.
«Наша технология является единственной, которая удовлетворяет всем требованиям рынка, как с точки зрения производства, так и с точки зрения производительности для энергонезависимой памяти», - сказал Тур. «Он может быть изготовлен при комнатной температуре, имеет чрезвычайно низкое напряжение формования, высокий коэффициент включения-выключения, низкое энергопотребление, девятибитную емкость на ячейку, исключительную скорость переключения и отличную циклическую устойчивость».
В последнем исследовании группа, возглавляемая ведущим автором и постдокторантом Райс Гунуком Ваном, показала, что использование пористой версии оксида кремния может значительно улучшить RRAM несколькими способами. Во-первых, пористый материал снизил формирующее напряжение - мощность, необходимую для формирования проводящих путей - менее чем до двух вольт, что в 13 раз лучше, чем предыдущий лучший результат команды, и число, которое складывается с конкурирующими технологиями RRAM. Кроме того, пористый оксид кремния также позволил команде Тура устранить необходимость в «краевой структуре устройства».
«Это означает, что мы можем взять лист пористого оксида кремния и просто опустить электроды без необходимости изготовления краев», - сказал Тур. «Когда мы впервые объявили об оксиде кремния в 2010 году, одним из первых вопросов, которые я получил от представителей отрасли, был вопрос, можем ли мы сделать это без изготовления кромок. В то время мы не могли, но переход на пористый оксид кремния, наконец, позволяет нам сделай это."
Ванг сказал: «Мы также продемонстрировали, что материал из пористого оксида кремния увеличил циклы выносливости более чем в 100 раз по сравнению с предыдущими модулями памяти из непористого оксида кремния. Наконец, материал из пористого оксида кремния имеет емкость до девяти бит на ячейку, что является самым высоким показателем среди запоминающих устройств на основе оксида, и на эту емкость не влияют высокие температуры».
Тур сказал, что последние разработки в области пористого оксида кремния - пониженное формовочное напряжение, отсутствие необходимости в изготовлении краев, отличная циклическая устойчивость и многоразрядная емкость - чрезвычайно привлекательны для компаний, занимающихся памятью.
«Это большое достижение, и к нам уже обращались компании, заинтересованные в лицензировании этой новой технологии», - сказал он.
Соавторы исследования - все из Райс - включая исследователя с докторской степенью Ян Ян; научный сотрудник Джэ-Хван Ли; аспиранты Вера Абрамова, Хуйлун Фей и Геденг Жуан; и Эдвин Томас, больной Уильямом и Стефани, декан инженерной школы Джорджа Р. Брауна Райса, профессор машиностроения и материаловедения, а также химической и биомолекулярной инженерии.