– Rom-temperatur Drift av Lav-spenning, Ikke-flyktige, Sammensatte-halvlederminne Celler

Her rapporterer vi på conception21, design, modellering, fabrikasjon og rom-temperatur drift av en roman, lav-spenning, sammensatte-halvleder, kostnad-basert, ikke-flyktig minne-enhet med en kompakt form., Utnyttelse av den spektakulære conduction-band line-up av AlSb/InAs kostnad for oppbevaring, og for dannelsen av en resonant-tunnelling barriere, har gjort oss i stand til å demonstrere motstridende egenskaper av lav-spenning (lav-energi) drift og ikke-flyktige storage7. Enheten er en FG-minne struktur som er laget av InAs/AlSb/GaSb heterostructures, med InAs brukt som både FG og junctionless kanal., Simuleringene er foretatt for å vise at enheten er i bruk konseptet, mens tasten minne egenskaper av vår enhet, for eksempel oppbevaring av egenskapene til den programmerte/slettet stater, er presentert som eksperimentelle resultater på fullt operative enkelt celle enheter.

Drift konsept

Figur 1 er en skjematisk fremstilling av minnecelle, sammen med en cross-sectional, høy vinkel, ringformet, mørk-felt, skanning transmisjon elektron mikroskopi (HAADF-STAMMEN) bilde av epitaxially-vokst materiale som brukes i dette arbeidet. Som Flash, strøm som er lagret i en FG., Det er imidlertid ingen oksid barrierer. I stedet, vi har utnyttet de ledende band forskyvninger i den såkalte 6.1-Å-familien semiconductors22. Derfor, enheten underliggende minnecellene er mer beslektet til en høy-elektron mobilitet transistor (HEMT) enn en MOSFET. Kanalen er dannet ved InAs som inneholder verken noen veikryss eller doping konsentrasjon graderinger. Det er, imidlertid, n-dopet for å kompensere for utilsiktede bakgrunn doping og iboende Ga ledige stillinger og antisite feil i underliggende GaSb, som begge gjør lagene naturlig p-type23., Figur 2a viser den simulerte band justering sammen med elektroner og hull tettheter i lag i fravær av bias. Som illustrert i figuren, og er godt dokumentert i literature22, ved InAs/GaSb grensesnitt InAs conduction bandet er plassert under GaSb valence band, noe som resulterer i flyten av elektroner fra GaSb i InAs, og etterlater hull i GaSb., Akkumulert elektroner/hull kan sees på InAs/GaSb grensesnitt, men elektroner i InAs-kanalen er ikke bundet til InAs/GaSb grensesnitt og det er betydelig electron tetthet i hele InAs-kanal. Den ledningsevne på hele kanalen er dominert av elektroner i InAs, som vil ha høyere mobilitet og høyere områdetetthet (på grunn av doping) enn hullene i GaSb., Den iboende InAs FG er isolert fra InAs kanal og en 15-nm AlSb barriere, mens dobbel InAs quantum brønner (QWs) med trippel AlSb barrierer tjene som en resonans-tunnelling barriere mellom FG og n-dopet InAs CG. Derfor, i våre enheter elektroner som er lagret i InAs FG er isolert av anomalously-store conduction-band diskontinuitet med AlSb, en kostnad-confinement system som var spådd å ha romtemperatur termisk-aktivert lagringstid av en ekstraordinær 1014 years24.,

Figur 1

Enhet struktur. (a) Skjematisk av bearbeidede enheten med kontroll gate (CG), kilde (S) og avløp (D) kontakter (gull). De røde kulene representerer lagret kostnad i flytende gate (FG). (b) Detaljer om lag strukturen i enheten. I både (a,b) InAs er farget blå, AlSb grå og GaSb mørk rød. (c) Cross-sectional skanning transmisjon elektron mikroskopi bilde som viser høy kvalitet av epitaxial materiale, de individuelle lagene og deres heterointerfaces.,

En avgjørende faktor for design og drift av enheten er at de to QWs (QW1 og QW2) i triple resonant-tunnelling barriere har forskjellige tykkelser, dvs. begrenset stater med ulike energies21 som illustrert i Fig. 2a. Som QW2 er tynnere enn QW1, de bare tilgjengelig energi-nivå for elektroner i QW2 er på et høyere energi enn tilsvarende i QW1. Videre har staten i QW1 er betydelig høyere energi enn staten i nabolandet CG-regionen., Dette hindrer direkte electron tunnelling mellom CG og FG, slik at når systemet er objektive, barrieren for å electron passasje fra CG til FG (eller vice versa) er gitt ved InAs/AlSb conduction-band punkt 2.1 eV, dvs. ingen kostnad vil strømme til (eller fra) FG. På samme måte, bakken og første spent-stater i FG ligger godt under energi stater innenfor QWs. Derfor, når ingen spenning, elektroner er begrenset innenfor FG, trippel resonant-tunnelling barriere er ugjennomsiktig for passering av elektroner til eller fra FG, og ikke-volatilitet er oppnådd., På den annen side, anvendelse av en liten spenning til CG gjør tuneable kopling av energi stater innenfor resonans-tunnelling barriere slik at elektronene passerer ut av (Fig. 2b) eller i (Fig. 2c) FG som kreves. I dette arbeide, lese, skrive og slette operasjoner ble utført på et antall av 10 µm × 10 µm (gate dimensjon) celler i et elektrostatisk skjermet mørk boks i romtemperatur. Alle prosesser, inkludert skrive og slette, ble henrettet med ≤V 2.6 bias, som handler om en størrelsesorden lavere enn det som er nødvendig for å fullt ut bruke en Flash-celle., Slett ble utført ved bruk av CG bias, \({V}_{CG-S}^{E}\), av +2,5 eller +2.6 V mellom CG og kilde, noe som resulterer i en «0» – tilstand. Figur 2b viser de beregnede band justeringer som følge av å ta i bruk en slette spenning på +2.6 V. Under slike omstendigheter, er det beregnet elektron energi nivå i QW1 er lavere enn nivået i QW2, mens begge er under den første spent-stat og nær bakken-stat energi nivå i FG., Videre er det beregnet electron sannsynlighet tetthet for bakken stat i FG spår en høy electron akkumulering i grensesnittet med resonans-tunnelling barriere og et forfallent halen utvidet til første AlSb barriere (på venstre side). Nettoeffekten av en slette er dermed et elektron strømme fra FG til CG, tappe de FG. På samme måte, skriver brukt \({V}_{CG-S}^{W}=\,-\,\,{V}_{CG-S}^{E}\) for å øke belastningen i FG (et «1» – tilstand). Figur 2c viser de beregnede band diagrammet når en CG skjevhet av \({V}_{CG-S}^{B}\) = -2.6 V brukes til å skrive data., I dette tilfellet, energi-nivåer i QW1 og QW2 er nesten sammenfallende, noe som fører til en sterk kopling av disse statene, resonant tunnelling, og elektronet flyt fra CG til FG, lade FG.

på Grunn av kapasitiv kobling, ledningsevne av kanalen avhenger av mengde energi som er lagret i FG, slik at dataene blir lest av måler kilde-sluk gjeldende, ER-D, for fast kilde-sluk spenning, VS-D. Et «1» – tilstand, definert som økt kostnad i FG, reduserer kostnader i kanalen, derav ledningsevne. I motsatt fall, en «0» staten øker kanal ledningsevne., Dataene kan leses i fravær av enhver tilbøyelighet til CG, men en slik spenning, ville det være nødvendig å velge individuelle enheter (bits) i en rekke celler, og skal generere et elektrisk felt over resonans-tunnelling barriere som er tilstrekkelig til å tillate passering av kostnad inn i eller ut av FG. Søker ~2.5 V mellom CG og en felles tilbake gate kan enkelt oppnå dette.

Minne egenskaper

For de resultatene som presenteres her, lese ble utført med null bias på CG, og VS-D = 1.0 V, men vesentlig mindre VS-D kan lett bli brukt., Figur 3a viser en serie på erase-lese-skrive-lese-operasjoner, hvor en enkelt lese følger hvert skrive eller slette. En del av en vesentlig lengre sekvens av erase-lese-skrive-lese-operasjoner er vist i Fig. 3b, med flere leser følgende hvert skrive eller slette. Dette viser klart ikke-destruktive av operasjon. En klar differensiering mellom «0» og «1» stater er opprettholdt gjennom både sekvenser, men i Fig. 3b det er en uønsket, men nesten symmetriske, oppover drift i ER-D som antall operasjoner øker., Grunnen til dette krever videre undersøkelser, men er sannsynlig å være en asymmetri i skriv-slett-prosessen, slik at hver slett fjerner litt mer strøm fra FG enn skrive leverer. Det er ingen slike i drift i Fig. 3a, der skrive/slette spenning er noe lavere. Etter flere hundre skrive og slette operasjoner og mange flere leser, på forskjellige eksperimenter, det var ingen tegn til skade på enheten., Forskning er nå i gang i automatiserte karakterisering av utholdenhet for enkelt celle enheter, og til å definere passende arkitekturer og operative prosesser for matriser av minne celler.

I tillegg til ikke-volatilitet og lav-spenning skrive og slette en lav bytte energi er et viktig kjennetegn på et minne, og en som nye minner har slitt med å konkurrere med DRAM og Flash25., I likhet med de konvensjonelle minner, våre enheter er også basert på kostnad lagring, så bytter energi er gitt ved kapasitiv lading energi: lav-spenning bytte er synonymt med lav-energi-veksling. Faktisk, siden våre enheter har en lignende struktur Flash, rett og slett forutsatt samme kapasitans for samme gate dimensjon, utleder kongeriket nederlandene at bytte energi er ~(20/2.5)2 = 64 ganger mindre enn Flash, som også setter det lavere enn bytte energi for DRAM (for en gitt størrelse enhet)25., Teoretiske vurderinger foreslå en CG-FG kapasitans i størrelsesorden 10-12 F for en 10 µm × 10 µm (gate dimensjon) – enheten, og slå energi på ~2 × 10-12 J. Krympende enheten dramatisk reduserer dette nummeret, slik at bytte energi er av rekkefølgen på 10-17-J for 20 nm node, som er 100 og 1000 ganger mindre enn for DRAM og Flash respectively25. Dette potensialet for ultra-lave bytte energi i en fremvoksende minne er, til det beste av forfatternes kunnskap, unik.

Oppbevaring

Figur 3c viser en detalj av noen av skrive-slette operasjoner i Fig., 3b, avslører en annen variant i «0» og «1» heter det: suksessive les målinger etter en slette, gi en litt mindre ER-D for «0» – tilstand. På samme måte, for påfølgende les målinger etter en skriver, ER-D er litt større. Denne effekten er dermed annerledes enn den oppadgående drift i ER-D omtalt ovenfor, og er knyttet til volatilitet i data. For å undersøke dette nærmere har vi utført påfølgende les operasjoner over lengre perioder for hver minne staten. Eksempler på slike målinger er vist i Fig., 4, hvor oppbevaring egenskapene til minne celler ble studert ved å overvåke sin tid-avhengig av atferd i en konstant VS−D = 1,0 V. For dette formålet, en leser ble utført hvert sekund for omtrent en time etter en slette puls (\({V}_{CG-S}^{{\rm{E}}}=+2.6\)V, puls varighet 1.0 s). Etter dette eksperimentet, minne var programmert til «1» – tilstand ved å skrive spenning puls (\({V}_{CG-S}^{{\rm{W}}}=-2.6\)V, puls varighet 1.0 s), og dataene ble lest på samme måte. Både «0» og «1» stater har en innledende rask nedbrytning som er forenlig med det man ser i Fig. 3c., Imidlertid, for både minne-statene den første rask nedbrytning er etterfulgt av mye tregere endringer, slik som under hele observasjonen tid, tilsvarende «0» og «1» stater er klart identifiserbare. For ytterligere å undersøke oppbevaring egenskapene til disse minne enheter, et eget eksperiment ble utført på den samme enheten for en lengre periode av tid. Dette er illustrert i inset av Fig. 4, som viser den ultimate metning av den eksponentielle forfaller og tydelig «0» og «1» stater over tid. En slik lagring tid er minst 106 ganger lengre enn oppdatere tiden som kreves for DRAM.,

Figur 4

oppbevaring av Data følgende skrive og slette. Tid utviklingen av «0» og «1» stater målt ved kilde-sluk gjeldende, ER-D, (oransje og navy linjer, henholdsvis) følg dobbel-combine (stiplede linjer) med asymptotiske verdier som ikke konvergerer. Data ble tatt med V 1.0 kilde-sluk bias og null bias på kontroll gate. Det innfelte viser et eksempel på en over natten måling (>12 timer).,

Montering av data i Fig. 4 med dobbel combine funksjoner avslører at den første ‘rask’ komponent har en tid konstant på ~100 s, mens den tid konstant for «slow» komponent er ca en størrelsesorden lenger, for begge stater. Eksistensen av dobbel combine innebærer at det er minst to mekanismer bak nedbrytning av stater., Kandidater inkluderer tunnelling gjennom defekten stater i AlSb barrierer, termisk eksitasjon av elektroner over det smale InAs bandgap og rekombinasjon med termisk-generert hull. Det som er avgjørende, den asymptotiske verdier «1» og «0» stater er 2.232 ± 0.0002 og 2.346 ± 0.0001 mA henholdsvis, noe som indikerer at merkbar «1» og «0» stater kunne vare evig, dvs. data i Fig. 4 er i samsvar med ikke-volatilitet. Vi merk at selv om disse landene er klart identifiserbare i dette eksperimentet, en større kontrast er nødvendig for gjennomføring i en praktisk enhet., Fra hensynet til kapasitans av enheten og brukes skrive/slette spenning, regner vi med at skrive og slette overføre ~107 elektroner til eller fra FG. Til tross for at dette er et stort antall, den har en liten effekt på konduktivitet av lateralt-junctionless InAs-kanal. Dette er hovedsakelig på grunn av Fermi-nivå låsing over conduction band av svært dopet InAs-kanal som gjør det alltid ledende og svært vanskelig å tømme., Videre, InAs-kanal er 5 ganger tykkere enn FG, som fører til et høyere nivå av indre eller termisk-generert operatører i dette laget. Dette kan løses ved å gjøre kanalen tynn og smal nok til å tillate full uttømming av operatører når minnet er i «1» – tilstand. Sterk quantum confinement, og dermed tunge quantisation er forventet på sub-20-nm thicknesses26,27.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *