rumstemperatur drift av låg spänning, icke-flyktiga, förening-halvledarminneceller

här rapporterar vi om conception21, design, modellering, tillverkning och rumstemperatur drift av en roman, låg spänning, förening-halvledare, laddningsbaserad, icke-flyktiga minnesanordning med kompakt form., Exploatering av AlSb/InAs spektakulära ledningsband för laddning och för bildandet av en resonant-tunnelbarriär har gjort det möjligt för oss att visa de motsägelsefulla egenskaperna hos lågspänningsdrift (lågenergidrift) och icke-flyktig lagring7. Enheten är en FG-minnesstruktur gjord av InAs/AlSb / GaSb heterostrukturer, med InAs som används både FG och den punktlösa kanalen., Simuleringar görs för att demonstrera enhetsoperationskonceptet, medan de viktigaste minnesegenskaperna hos vår enhet, såsom retentionsegenskaperna hos de programmerade/raderade tillstånden, presenteras som experimentella resultat på fullt fungerande encellsenheter.

Operationskoncept

Figur 1 är en schematisk representation av minnescellen, tillsammans med ett tvärsnitt, hög vinkel, ringformigt, mörkt fält, skanningsöverföringselektronmikroskopi (HAADF-STEM) bild av det epitaxiellt odlade materialet som används i detta arbete. Liksom Flash lagras laddningen i en FG., Det finns dock inga oxidbarriärer. I stället har vi utnyttjat ledningsbandet förskjutningar i den så kallade 6,1-Å-familjen av halvledar22. Därför är enheten som ligger bakom minnescellen mer lik en högelektronmobilitet transistor (HEMT) än en MOSFET. Kanalen bildas av InAs som inte innehåller några korsningar eller dopingkoncentrationsgradienter. Det är dock N-doped för att kompensera för oavsiktliga bakgrundsdopning och inneboende ga-lediga platser och nödvändiga defekter i den underliggande GaSb, som båda gör skikten naturligt p-type23., Figur 2A visar den simulerade bandjusteringen tillsammans med elektronen och håldensiteterna inom skikten i frånvaro av förspänning. Som illustreras i figuren, och väl dokumenterad i litteraturen22, vid InAs / GaSb-gränssnittet ligger InAs ledningsband under GaSb valensbandet, vilket resulterar i flödet av elektroner från GaSb i InAs och lämnar hål i GaSb., Ackumulerade elektroner / hål kan ses vid InAs / GaSb-gränssnittet, men elektronerna i InAs-kanalen är inte bundna till InAs/GaSb-gränssnittet och det finns signifikant elektrondensitet genom InAs-kanalen. Konduktansen hos hela kanalen domineras av elektronerna i InAs, som kommer att ha högre rörlighet och högre arealtäthet (på grund av dopning) än hålen i GaSb., Den inneboende InAs FG isoleras från InAs-kanalen med en 15-nm AlSb-barriär, medan dubbla InAs quantum wells (QWs) med tredubbla AlSb-barriärer tjänar som en resonant-tunnelbarriär mellan FG och n-dopad InAs CG. Därför isoleras elektronerna som lagras i InAs FG i våra enheter av den anomalt stora ledningsbandets diskontinuitet med AlSb, ett laddningssystem som förutspåddes ha en rumstemperatur termiskt aktiverad lagringstid på en extraordinär 1014 år24.,

Figur 1

Enhetsstruktur. a) schematisk beskrivning av den bearbetade anordningen med kontrollgrind (CG), källa (er) och dräneringskontakter (d) (gold). De röda sfärerna representerar lagrad laddning i den flytande porten (FG). B) uppgifter om lagerstrukturen i anordningen. I båda (a,b) InAs är färgad blå, AlSb grå och GaSb mörkröd. C) tvärsnittsskanning transmissionselektronmikroskopi bild som visar den höga kvaliteten på epitaxialmaterialet, de enskilda skikten och deras heterointerfaces.,

en viktig aspekt av enhetens konstruktion och drift är att de två QWs (QW1 och QW2) i trippelresonant-tunnelbarriären har olika tjocklekar, dvs. begränsade tillstånd med olika energier21 såsom visas i Fig. 2a. eftersom QW2 är tunnare än QW1 är den enda tillgängliga energinivån för elektroner i QW2 vid en högre energi än motsvarande i QW1. Staten i QW1 har dessutom en betydligt högre energi än staten i den angränsande CG-regionen., Detta hindrar direkt elektrontunnellering mellan CG och FG, så att när systemet är opartiskt, barriären till elektronpassagen från CG till FG (eller vice versa) ges av InAs/AlSb lednings-band offset på 2.1 eV, dvs. ingen laddning kommer att strömma till (eller från) FG. På samma sätt ligger marken och de första upphetsade staterna i FG långt under energistaterna inom QWs. Därför, när ingen spänning appliceras, elektronerna är inneslutna i FG, trippel resonant-tunnel barriär är ogenomskinlig för passagen av elektroner till eller från FG, och icke-volatilitet uppnås., Å andra sidan tillåter applicering av en liten spänning på KG avstämbar koppling av energitillstånd inom resonanstunnelbarriären så att elektroner passerar ut ur (Fig. 2b) eller in (Fig. 2c) FG efter behov. I detta arbete utfördes läs -, skriv-och raderingsoperationer på ett antal 10 µm × 10 µm (gate dimension) celler i en elektrostatiskt skärmad mörk låda vid rumstemperatur. Alla processer, inklusive skriv och radera, utfördes med ≤2.6 V bias, vilket handlar om en storleksordning lägre än vad som behövs för att fullt ut driva en Flashcell., Radera utfördes genom tillämpning av en CG-bias, \({V}_{CG-s}^{e}\), av +2.5 eller +2.6 v mellan CG och källan, vilket resulterar i ett ”0” tillstånd. Figur 2B visar de beräknade bandjusteringarna till följd av att en raderspänning på + 2.6 V. under sådana omständigheter är den beräknade elektronenerginivån i QW1 lägre än nivån i QW2, medan båda ligger under det första upphetsade tillståndet och nära markstatens energinivå i FG., Dessutom förutspår den beräknade elektronsannolikhetstätheten för marktillståndet i FG en hög elektronackumulering vid gränssnittet med resonanstunnelbarriären och en ruttnande svans utsträckt till den första AlSb-barriären (till vänster). Nettoeffekten av en radering är således ett elektronflöde från FG till CG, nedbrytning av FG. På samma sätt skriver du används \({V}_{CG-S}^{W}=\,-\,\,{V} _ {CG-s}^{e}\) för att öka laddningen i FG (a ”1” – läget). Figur 2C visar det beräknade banddiagrammet när en CG-bias av \({v}_{CG-s}^{W}\) = -2.6 V används för att skriva data., I detta fall är energinivåerna i QW1 och QW2 nästan sammanfallande, vilket leder till en stark koppling av dessa tillstånd, resonant tunneling och elektronflöde från KG till FG, laddar FG.

på grund av kapacitiv koppling beror kanalens ledningsförmåga på mängden laddning som lagras i FG, så data läses genom att mäta källdräneringsströmmen, IS-D, för fast källdräneringsspänning, VS-D. A ”1” – tillstånd, definierat som ökad laddning i FG, minskar laddningen i kanalen, därmed dess ledningsförmåga. Omvänt ökar ett ” 0 ” – tillstånd kanalledningsförmågan., Data kan läsas i avsaknad av någon bias till kg, men en sådan spänning skulle krävas för att välja enskilda enheter (bitar) i en rad celler, och bör generera ett elektriskt fält över resonanstunnelbarriären som är otillräcklig för att tillåta laddning i eller ut ur FG. Applicera ~ 2.5 V mellan CG och en gemensam bakport kan bekvämt uppnå detta.

Minnesegenskaper

för de resultat som presenteras här utfördes read med noll bias på CG och VS-D = 1.0 V, även om betydligt mindre VS-D lätt kan användas., Figur 3a visar en serie raderläsningsoperationer, där en enda läsning följer varje skriv eller radera. En del av en väsentligt utökad sekvens av raderings-läs-skrivläsningsoperationer visas i Fig. 3b, med flera läser efter varje skriv eller radera. Detta visar tydligt den icke-destruktiva karaktären hos läsoperationen. En tydlig differentiering mellan” 0 ”och” 1 ” tillstånd upprätthålls under båda sekvenserna, även om i Fig. 3b det finns en oönskad, men nästan symmetrisk, uppåtgående drift i IS – d som antalet operationer ökar., Anledningen till detta kräver ytterligare utredning, men kommer sannolikt att vara en asymmetri i skrivraderingsprocessen, så att varje radering tar bort något mer laddning från FG än skrivleveranserna. Det finns ingen sådan drift i Fig. 3a, där skriv/radera spänningar är något lägre. Efter flera hundra skriv-och raderingsoperationer och många fler läser, i olika experiment fanns det inget tecken på skada på enheten., Forskning pågår för närvarande om automatiserad karakterisering av uthållighet hos encelliga enheter, och att definiera lämpliga arkitekturer och operativa processer för matriser av minnesceller.

förutom icke-volatilitet och lågspänningsskrivning och radering är en låg växlingsenergi en viktig egenskap hos ett minne, och en som nya minnen har kämpat för att konkurrera med DRAM och Flash25., Gemensamt med de konventionella minnena är våra enheter också baserade på laddningslagring, så växlingsenergin ges av den kapacitiva laddningsenergin: lågspänningsomkoppling är synonymt med lågenergiomkoppling. Faktum är att eftersom våra enheter har en liknande struktur att blinka, helt enkelt antar samma kapacitans för samma gate dimension, drar slutsatsen att växlingsenergin är ~(20/2.5)2 = 64 gånger mindre än blixt, vilket också sätter den lägre än växlingsenergin för DRAM (för en given enhetsstorlek)25., Teoretiska utvärderingar tyder på en CG-FG kapacitans i storleksordningen 10-12 F för en 10 µm × 10 µm (gate dimension) enhet, och ett byte av energi ~2 × 10-12 J. Krympande enheten dramatiskt minskar detta nummer, till exempel att byta energi är i storleksordningen 10-17 J för 20 nm nod, som är 100 och 1000 gånger mindre än för DRAM och Flash respectively25. Denna potential för ultralåg växlingsenergi i ett framväxande minne är, till det bästa av författarnas kunskap, unik.

Retention

figur 3C visar en detalj av några av skrivraderingsoperationerna i Fig., 3b, avslöjar en annan variation i” 0 ”och” 1 ”tillstånd: successiva läsmätningar efter ett raderings utbyte en något mindre IS-d för” 0 ” tillstånd. På samma sätt, för successiva läsmätningar efter en skrivning, är IS – d något större. Denna effekt skiljer sig således från den uppåtgående drivningen i IS-d som diskuteras ovan och är relaterad till dataens volatilitet. För att undersöka detta vidare utförde vi successiva läsoperationer under längre perioder för varje minnestillstånd. Exempel på sådana mätningar visas i Fig., 4, där minnecellernas retentionsegenskaper studerades genom att övervaka deras tidsberoende beteende vid en konstant VS-D = 1.0 V. För detta ändamål utfördes en läsning varje sekund i ungefär en timme efter en raderpuls (\({v}_{CG-s}^{{\rm{e}}}=+2.6\)v, pulslängd 1.0 s). Efter detta experiment programmerades minnet till ” 1 ” – tillståndet med en skrivspänningspuls (\({V}_{CG-s}^{{\rm{W}}}=-2.6\)v, pulslängd 1.0 s) och data lästes på samma sätt. Både” 0 ”och” 1 ” stater uppvisar en initial snabb förfall som överensstämmer med den som ses i Fig. 3c., För båda minnestillstånden följs emellertid det initiala snabba förfallet av mycket långsammare förändringar, så att motsvarande ”0” och ”1” – tillstånd under hela observationstiden tydligt kan särskiljas. För att ytterligare undersöka retentionsegenskaperna hos dessa minnesenheter utfördes ett separat experiment på samma enhet under en längre tid. Detta illustreras i infällningen av Fig. 4, som visar den ultimata mättnaden av exponentiella dekays och distinkta ”0” och ”1” stater över tiden. En sådan lagringstid är minst 106 gånger längre än den uppdateringstid som krävs för DRAM.,

Figur 4

datalagring efter Skriv och radera. Tidsutveckling av” 0 ”och” 1 ” – tillstånden mätt med källdräneringsströmmen, IS-d (solid orange och navy lines, respektive) följer dubbel-exponentiell sönderfall (streckade linjer) med asymptotiska värden som inte konvergerar. Data togs med 1,0 V källavlopp bias och noll bias på kontrollporten. Infogningen visar ett exempel på en övernattningsmätning (>12 timmar).,

montering av data i Fig. 4 med dubbla exponentiella sönderfallsfunktioner avslöjar att den initiala ”snabba” komponenten har en tidskonstant på ~ 100 s, medan tidskonstanten för den ”långsamma” komponenten är ungefär en storleksordning längre, för båda tillstånden. Förekomsten av dubbel exponentiell sönderfall innebär att det finns minst två mekanismer bakom nedbrytningen av staterna., Kandidaterna inkluderar tunnel genom defekttillstånd i AlSb-barriärerna, termisk excitation av elektroner över det smala InAs-bandet och rekombination med termiskt genererade hål. Avgörande är de asymptotiska värdena för ”1” och ” 0 ” – tillstånden 2.232 ± 0.0002 respektive 2.346 ± 0.0001 mA, vilket indikerar att urskiljbara ”1” och ” 0 ” – tillstånden kan uthärda obestämd tid, dvs data i Fig. 4 överensstämmer med icke-volatilitet. Vi noterar att även om dessa stater är tydligt urskiljbara i detta experiment krävs en större kontrast för genomförandet i en praktisk enhet., Från övervägande av enhetens kapacitans och den applicerade skriv – /raderspänningen uppskattar vi att skriva och radera överföring ~107 elektroner till eller från FG. Trots det faktum att detta är ett stort antal, har det en liten effekt på konduktiviteten hos den laterala punktlösa InAs-kanalen. Detta beror främst på Fermi-nivån som sätter sig över ledningsbandet i den mycket dopade InAs-kanalen vilket gör det alltid ledande och mycket svårt att tömma., Dessutom är InAs-kanalen 5 gånger tjockare än FG, vilket leder till en högre nivå av inneboende eller termiskt genererade bärare i detta lager. Detta kan lösas genom att göra kanalen tunn och smal nog för att möjliggöra full utarmning av bärare när minnet är i ”1” tillstånd. Stark kvantbegränsning och därmed tung kvantifiering förväntas vid sub-20-nm tjockleker26, 27.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *