werking bij kamertemperatuur van laagspannings -, niet-vluchtige, samengestelde halfgeleidergeheugencellen

Hier wordt verslag gedaan van de conceptie21, het ontwerp, de modellering, de fabricage en werking bij kamertemperatuur van een nieuw, laagspannings -, samengestelde halfgeleidergeheugenapparaat op basis van lading, niet-vluchtig geheugen met compacte vorm., Door gebruik te maken van de spectaculaire geleiding-band line-up van AlSb/InAs voor het vasthouden van ladingen en voor de vorming van een resonant-tunnelingbarrière, hebben we de tegenstrijdige kenmerken van laagspannings-(energiezuinige) werking en niet-vluchtige opslag kunnen demonstreren7. Het apparaat is een FG-geheugenstructuur gemaakt van Inas / Alsb / GaSb heterostructuren, met InAs gebruikt als zowel FG als het junctionless kanaal., Simulaties worden uitgevoerd om het bedieningsconcept van het apparaat aan te tonen, terwijl de belangrijkste geheugeneigenschappen van ons apparaat, zoals de retentiekenmerken van de geprogrammeerde/gewiste toestanden, worden gepresenteerd als experimentele resultaten op volledig operationele eencellige apparaten.

Operatieconcept

figuur 1 is een schematische weergave van de geheugencel, samen met een dwarsdoorsnede, hoge hoek, ringvormig, donkerveld, scanning transmissie elektronenmicroscopie (HAADF-stam) beeld van het epitaxiaal geteelde materiaal dat bij dit werk wordt gebruikt. Net als Flash wordt de lading opgeslagen in een FG., Er zijn echter geen oxidebarrières. In plaats daarvan hebben we gebruik gemaakt van de compensatie van de geleidingsband in de zogenaamde 6.1-Å-familie van halfgeleiders22. Vandaar, is het apparaat dat aan de geheugencel ten grondslag ligt meer verwant aan een hoog-elektronenmobiliteitstransistor (HEMT) dan een MOSFET. Het kanaal wordt gevormd door InAs die geen kruispunten of dopingconcentratie gradiënten bevat. Het is echter n-gedoteerd ter compensatie van onbedoelde achtergronddoping en intrinsieke ga-vacatures en antisite-defecten in het onderliggende GaSb, die beide de lagen van nature p-type23 maken., Figuur 2a toont de gesimuleerde banduitlijning samen met de elektron-en gatdichtheden binnen de lagen bij afwezigheid van bias. Zoals geïllustreerd in de figuur, en goed gedocumenteerd in de literatuur22, bevindt de Inas-geleidingsband zich onder de valentieband van GaSb, wat resulteert in de stroom van elektronen van GaSb in de Inas, en gaten in de GaSb achterlatend., Geaccumuleerde elektronen / gaten kunnen worden gezien op de Inas / GaSb interface, echter, de elektronen in het Inas kanaal zijn niet gebonden aan de Inas/GaSb interface en er is een significante elektronendichtheid door het Inas kanaal. De geleidbaarheid van het gehele kanaal wordt gedomineerd door de elektronen in de Ina ‘ s, die een hogere mobiliteit en een hogere oppervlaktedichtheid zullen hebben (door de doping) dan de gaten in de GaSb., De intrinsieke Inas FG wordt geà soleerd van het Inas-kanaal door een 15 nm alsb-barrière, terwijl de dubbele Inas quantumputten (QWs) met drie AlSb-barrière als een resonant-tunnelingbarrière tussen FG en n-gedoteerd Inas CG dienen. Vandaar dat in onze apparaten de elektronen die in de Inas FG zijn opgeslagen, worden geïsoleerd door de abnormaal grote discontinuïteit van de geleidingsband met AlSb, een laadopsluitingssysteem waarvan werd voorspeld dat het een thermisch geactiveerde opslagtijd van ruimtetemperatuur zou hebben van een buitengewone 1014 jaar24.,

Figure 1

Apparaatstructuur. (a) schema van de verwerkte inrichting met controlepoort (CG), bron (en) en drain (d) contacten (goud). De rode bollen vertegenwoordigen opgeslagen lading in de drijvende poort (FG). b) Details van de laagstructuur in het apparaat. In beide (a,b) InAs is blauw gekleurd, AlSb grijs en GaSb Donkerrood. C) transversale scanning transmissie elektronenmicroscopie beeld dat de hoge kwaliteit van het epitaxiaal materiaal, de afzonderlijke lagen en hun heterointerfaces.,

een cruciaal aspect van het ontwerp en de werking van het apparaat is dat de twee QW ‘ s (QW1 en QW2) in de Triple resonant-tunnelling barrière verschillende diktes hebben, d.w.z. beperkte toestanden met verschillende energies21 zoals weergegeven in Fig. 2a. aangezien QW2 dunner is dan QW1, is het enige beschikbare energieniveau voor elektronen in QW2 hoger dan het equivalent in QW1. Bovendien heeft de staat in QW1 aanzienlijk meer energie dan de staat in het naburige CG-gebied., Dit belemmert de directe elektronentunnel tussen CG en FG, zodanig dat, wanneer het systeem onbevooroordeeld is, de barrière voor elektronenpassage van CG naar FG (of vice versa) wordt gegeven door de Inas/AlSb-geleidingsband offset van 2,1 eV, dat wil zeggen dat er geen lading naar (of van) de FG zal stromen. Op dezelfde manier bevinden de grond en de eerste opgewekte toestanden in de FG zich ver onder de energietoestanden binnen de QWs. Vandaar, wanneer geen spanning wordt toegepast, elektronen worden beperkt binnen de FG, is de drievoudige resonant-tunnelingbarrière ondoorzichtig voor de passage van elektronen naar of van de FG, en niet-vluchtigheid wordt bereikt., Aan de andere kant, toepassing van een kleine spanning op de CG maakt afstembare koppeling van energietoestanden binnen de resonant-tunneling barrière zodanig dat elektronen passeren uit (Fig. 2b) of in (Fig. 2c) de FG zoals vereist. In dit werk werden lees -, schrijf-en wis-bewerkingen uitgevoerd op een aantal cellen van 10 µm × 10 µm (gate dimension) in een elektrostatisch afgeschermde donkere doos bij kamertemperatuur. Alle processen, met inbegrip van schrijven en wissen, werden uitgevoerd met ≤2.6 V bias, die ongeveer een orde van grootte lager is dan nodig is om een Flitscel volledig te bedienen., Erase werd uitgevoerd door toepassing van een CG bias, \({v}_{CG-S}^{E}\), van +2,5 of +2,6 V tussen de CG en de bron, resulterend in een “0” toestand. Figuur 2b toont de berekende bandalignments als gevolg van het toepassen van een wis spanning van +2.6 V. onder dergelijke omstandigheden is het berekende elektronenenergieniveau in QW1 lager dan het niveau in QW2, terwijl beide onder de eerste aangeslagen toestand en dicht bij het aarding-toestand energieniveau in de FG liggen., Verder voorspelt de berekende elektronkansdichtheid voor de grondtoestand in de FG een hoge elektronenaccumulatie op het raakvlak met de resonant-tunnelingbarrière en een rottende staart die zich uitstrekt tot in de eerste alsb-barrière (links). Het netto effect van een erase is dus een elektronenstroom van de FG naar de CG, die de FG uitputten. Op dezelfde manier wordt \ ({v}_{CG-S}^{W}=\,-\,\,{V}_{CG-S}^{E}\) om de lading in de FG (een “1” toestand) te verhogen. Figuur 2c toont het berekende banddiagram wanneer een CG-bias van \({V}_{CG-S}^{W}\) = -2.6 V wordt gebruikt om de gegevens te schrijven., In dit geval, zijn de energieniveaus in QW1 en QW2 bijna samenvallen, leidend tot een sterke koppeling van deze staten, resonante tunneling, en elektronenstroom van CG aan FG, die FG Laden.

door capacitieve koppeling hangt de geleidbaarheid van het kanaal af van de hoeveelheid lading die in de FG is opgeslagen, zodat gegevens worden gelezen door de bron-drain stroom, is-D, voor vaste bron-drain spanning, VS-D. Een “1” toestand, gedefinieerd als verhoogde lading in de FG, vermindert de lading in het kanaal, vandaar zijn geleidbaarheid. Omgekeerd verhoogt een” 0 ” – toestand de geleidbaarheid van het kanaal., De gegevens kunnen worden gelezen in afwezigheid van om het even welke vertekening aan de CG, maar een dergelijk voltage zou worden vereist om individuele apparaten (bits) in een reeks cellen te selecteren, en zou een elektrisch veld over de resonant-tunnelingbarrière moeten genereren die onvoldoende is om de passage van lading in of uit FG toe te staan. Het toepassen van ~2.5 V tussen de CG en een gemeenschappelijke achterpoort kan dit gemakkelijk bereiken.

Geheugenkarakteristieken

voor de hier gepresenteerde resultaten werd gelezen met nul bias op de CG, en VS-D = 1,0 V, hoewel aanzienlijk kleinere VS-D gemakkelijk kan worden gebruikt., Figuur 3a toont een reeks van erase-read-write-read operaties, waarbij een enkele lezen volgt elk schrijven of wissen. Een deel van een aanzienlijk uitgebreide opeenvolging van erase-read-write-read operaties wordt getoond in Fig. 3b, met meerdere reads na elk schrijven of wissen. Dit toont duidelijk de niet-destructieve aard van de leesbewerking aan. Een duidelijk onderscheid tussen de “0” en “1” toestanden wordt gehandhaafd gedurende beide sequenties, hoewel in Fig. 3b er is een ongewenste, maar bijna symmetrische, opwaartse drift in IS-D naarmate het aantal operaties toeneemt., De reden hiervoor vereist verder onderzoek, maar is waarschijnlijk een asymmetrie in het Schrijf-wissen proces, zodanig dat elk wissen verwijdert iets meer lading van de FG dan het schrijven levert. Er is geen dergelijke drift in Fig. 3a, waar de schrijf / wis spanningen iets lager zijn. Na enkele honderden schrijven en wissen operaties en nog veel meer leest, in verschillende experimenten, was er geen teken van schade aan het apparaat., Momenteel wordt onderzoek gedaan naar geautomatiseerde karakterisering van uithoudingsvermogen van eencellige apparaten en naar het definiëren van geschikte architecturen en operationele processen voor arrays van geheugencellen.

naast niet-volatiliteit en lage spanning schrijven en wissen, een lage schakelende energie is een belangrijk kenmerk van een geheugen, en een die opkomende herinneringen hebben moeite om te concurreren met DRAM en Flash25., Net als die conventionele geheugens zijn onze apparaten ook gebaseerd op oplaadopslag, dus de schakelenergie wordt gegeven door de capacitieve oplaadenergie: laagspannings-schakelen is synoniem met energiezuinig schakelen. Aangezien onze apparaten een vergelijkbare structuur hebben als flitser, wordt er simpelweg van uitgegaan dat de capaciteit voor dezelfde poortdimensie gelijk is aan ~(20/2, 5)2 = 64 keer minder dan flitser, wat het ook lager maakt dan de schakelenergie voor DRAM (voor een bepaalde apparaatgrootte)25., Theoretische evaluaties suggereren een CG-FG capaciteit van de Orde van 10-12 F voor een 10 µm × 10 µm (poort dimensie) apparaat, en een schakelenergie van ~2 × 10-12 J. Krimpen het apparaat drastisch vermindert dit aantal, zodat de schakelenergie is van de Orde van 10-17 J voor de 20 nm knoop, die 100 en 1000 keer kleiner is dan voor DRAM en flits respectievelijk 25. Dit potentieel voor ultra-lage schakelenergie in een opkomende herinnering is, voor zover de auteurs weten, uniek.

retentie

figuur 3c toont een detail van enkele van de schrijf-wis operaties in Fig., 3b, waaruit een andere variatie in de “0” en “1” toestanden blijkt: opeenvolgende metingen na een wis geven een iets kleinere IS-D voor de “0” toestand. Op dezelfde manier is-D voor opeenvolgende leesmetingen na een schrijven iets groter. Dit effect verschilt dus van de hierboven besproken opwaartse drift in IS-D, en is gerelateerd aan de volatiliteit van de gegevens. Om dit verder te onderzoeken hebben we opeenvolgende leesbewerkingen uitgevoerd over langere perioden voor elke geheugenstatus. Voorbeelden van dergelijke metingen zijn weergegeven in Fig., 4, waarbij de retentiekarakteristieken van de geheugencellen werden bestudeerd door hun tijdsafhankelijk gedrag bij een constante VS-D = 1,0 V. hiertoe werd elke seconde gedurende ongeveer een uur na een uitwisbare puls gelezen (\({v}_{CG-s}^{{\rm{E}}}=+2,6\)V, pulsduur 1,0 s). Na dit experiment werd het geheugen geprogrammeerd in de “1” toestand door een schrijfspanningspuls (\({v}_{CG-s}^{{\rm{W}}}=-2.6\)V, pulsduur 1,0 s), en de gegevens werden op dezelfde manier gelezen. Zowel” 0 “en” 1 ” Staten vertonen een eerste snelle verval dat consistent is met die gezien in Fig. 3 quater., Voor beide geheugentoestanden wordt het initiële snelle verval echter gevolgd door veel tragere veranderingen, zodat gedurende de gehele observatietijd de corresponderende “0” en “1” toestanden duidelijk te onderscheiden zijn. Om de retentieeigenschappen van deze geheugenapparaten verder te onderzoeken, werd een afzonderlijk experiment uitgevoerd op hetzelfde apparaat voor een langere periode. Dit wordt geïllustreerd in het inzetstuk van Fig. 4, met de ultieme verzadiging van de exponentiële verval en verschillende “0” en “1” Staten in de tijd. Een dergelijke opslagtijd is minstens 106 keer langer dan de verversingstijd die voor DRAM vereist is.,

Figure 4

dataretentie na schrijven en wissen. Tijd evolutie van de” 0 “en” 1 ” toestanden zoals gemeten door de bron-drain stroom, is-D, (vaste oranje en marine lijnen, respectievelijk) volgen dubbel-exponentieel verval (gestippelde lijnen) met asymptotische waarden die niet convergeren. Gegevens werden genomen met 1.0 V bron-drain bias en nul bias op de controle poort. De inzet toont een voorbeeld van een nachtmeting (>12 uur).,

aanpassen van de gegevens in Fig. 4 met dubbele exponentiële vervalfuncties blijkt dat de initiële’ snelle ‘ component heeft een tijdconstante van ~100 s, terwijl de tijdconstante voor de ‘langzame’ component is ongeveer een orde van grootte langer, voor beide toestanden. Het bestaan van dubbele exponentiële verval impliceert dat er ten minste twee mechanismen achter de degradatie van de staten., Kandidaten zijn onder meer tunneling door defecttoestanden in de alsb-barrières, thermische excitatie van elektronen over de smalle Inas-bandgap en recombinatie met thermisch gegenereerde gaten. Cruciaal is dat de asymptotische waarden van de “1” en “0” toestanden respectievelijk 2,232 ± 0,0002 en 2,346 ± 0,0001 mA zijn, wat erop wijst dat waarneembare” 1 “en” 0 ” toestanden voor onbepaalde tijd kunnen voortduren, d.w.z. de gegevens in Fig. 4 consistent zijn met niet-volatiliteit. We merken op dat, hoewel deze toestanden duidelijk te onderscheiden zijn in dit experiment, een groter contrast nodig is voor de implementatie in een praktisch apparaat., Uit overweging van de capaciteit van het apparaat en de toegepaste schrijf/wis spanning, schatten we dat schrijven en wissen overdracht ~107 elektronen naar of van de FG. Ondanks het feit dat dit een groot aantal, het heeft een klein effect op de geleidbaarheid van de zijdelings-junctionless Inas kanaal. Dit is vooral te wijten aan de Fermi-niveau pinning boven de geleidingsband van de sterk gedoteerde Inas kanaal waardoor het altijd geleidend en zeer moeilijk te uitputten., Bovendien is het Inas-kanaal 5 keer dikker dan het FG, wat leidt tot een hoger niveau van intrinsieke of thermisch gegenereerde dragers in deze laag. Dit kan worden opgelost door het kanaal dun en smal genoeg te maken om volledige uitputting van dragers toe te staan wanneer het geheugen in de “1” staat. Bij een dikte van minder dan 20 nm wordt een sterke kwantumopsluiting en dus een zware kwantificering verwacht26, 27.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *