Programowalna komórka metalizacyjna - Programmable metallization cell

Programowalny komórka metalizacji lub PMC , jest nieulotna pamięć komputerowy opracowany na Arizona State University . PMC, technologia opracowana w celu zastąpienia powszechnie używanej pamięci flash , zapewniająca połączenie dłuższej żywotności, niższej mocy i lepszej gęstości pamięci. Infineon Technologies , który uzyskał licencję na tę technologię w 2004 r., Określa ją jako przewodzącą pamięć RAM lub CBRAM . CBRAM stał się zarejestrowanym znakiem towarowym Adesto Technologies w 2011 roku. NEC ma wariant o nazwie „Nanobridge”, a Sony nazywa swoją wersję „pamięcią elektrolityczną”.

Opis

PMC to technologia pamięci rezystancyjnej z dwoma terminalami , opracowana na Arizona State University . PMC to pamięć metalizacji elektrochemicznej, która opiera się na reakcjach redoks w celu utworzenia i rozpuszczenia przewodzącego włókna. Stan urządzenia zależy od rezystancji na dwóch zaciskach. Istnienie żarnika między zaciskami powoduje stan niskiej rezystancji (LRS), podczas gdy brak żarnika powoduje stan wysokiej rezystancji (HRS). Urządzenie PMC składa się z dwóch stałych elektrod metalowych, jeden względnie obojętny (na przykład z wolframu lub niklu ), z drugiej elektrochemicznie aktywny (na przykład srebra lub miedzi ), z cienkiej folii z elektrolitem stałym pomiędzy nimi.

Działanie urządzenia

Stan rezystancji PMC jest kontrolowany przez tworzenie (programowanie) lub rozpuszczanie (kasowanie) metalowego włókna przewodzącego między dwoma zaciskami ogniwa. Uformowane włókno jest strukturą podobną do drzewa fraktalnego .

Tworzenie włókien

PMC polega na utworzeniu metalowego włókna przewodzącego do przejścia w stan niskiej rezystancji (LRS). Włókno jest utworzona poprzez nakładanie dodatnie napięcie polaryzacji ( V ) do anody styku (metal aktywny), a uziemieniem w katodę styk (obojętny metal). Dodatnie odchylenie utlenia aktywny metal (M):

M → M ⁺ + e ^-

Zastosowane napięcie polaryzacyjne generuje pole elektryczne pomiędzy dwoma metalowymi stykami. Zjonizowane (utlenione) jony metali migrują wzdłuż pola elektrycznego w kierunku kontaktu katody. Na styku katody jony metali ulegają redukcji :

M ⁺ + e ^- → M

Gdy aktywny metal osadza się na katodzie, pole elektryczne wzrasta między anodą a osadem. Ewolucję lokalnego pola elektrycznego ( E ) między rosnącym włóknem a anodą można w uproszczeniu odnieść do:

{\ Displaystyle E = - {\ Frac {V} {d}}}

gdzie d jest odległością między anodą a wierzchołkiem rosnącego włókna. Włókno wzrośnie i połączy się z anodą w ciągu kilku nanosekund. Jony metali będą nadal redukowane na włóknie, dopóki napięcie nie zostanie usunięte, rozszerzając włókno przewodzące i zmniejszając z czasem rezystancję połączenia. Po usunięciu napięcia włókno przewodzące pozostanie, pozostawiając urządzenie w LRS.

Przewodzące włókno może nie być ciągłe, ale jest łańcuchem wysepek elektroosadzonych lub nanokryształów. To może dominować przy niskich prądach programowania (mniej niż 1 μ A ), natomiast wyższe prądy programowania doprowadzi do przewodu głównie metali.

Rozpuszczanie włókien

PMC można „wymazać” do stanu wysokiej rezystancji (HRS) przez przyłożenie ujemnego napięcia polaryzacji do anody. Proces redoks używany do tworzenia przewodzącego włókna jest odwrócony, a jony metalu migrują wzdłuż odwróconego pola elektrycznego, zmniejszając się na styku anody. Po usunięciu żarnika PMC jest analogiczne do równoległego kondensatora płytkowego o dużej rezystancji kilku M Ω do G Ω między stykami.

Urządzenie czyta

Poszczególne PMC można odczytać, przykładając niewielkie napięcie do ogniwa. Dopóki przyłożone napięcie odczytu jest mniejsze niż próg napięcia programowania i kasowania, kierunek odchylenia nie jest znaczący.

Porównanie technologii

CBRAM kontra ReRAM z tlenku metalu

CBRAM różni się od ReRAM-tlenku metalu tym, że w przypadku CBRAM jony metali łatwo rozpuszczają się w materiale między dwiema elektrodami, podczas gdy w przypadku tlenków metali materiał między elektrodami wymaga silnego pola elektrycznego, powodując miejscowe uszkodzenia podobne do przebicia dielektrycznego , tworząc ślad przewodzenia defektów (czasami nazywane „filamentem”). Stąd w przypadku CBRAM jedna elektroda musi dostarczać rozpuszczające się jony, podczas gdy w przypadku RRAM z tlenkiem metalu wymagany jest jednorazowy etap „formowania”, aby wygenerować miejscowe uszkodzenie.

CBRAM kontra NAND Flash

Podstawową formą używanej pamięci nieulotnej półprzewodnikowej jest pamięć flash , która znajduje zastosowanie w większości ról poprzednio zajmowanych przez dyski twarde . Flash ma jednak problemy, które doprowadziły do wielu prób wprowadzenia produktów, które go zastąpiły.

Flash jest oparty na koncepcji pływającej bramki , czyli zasadniczo zmodyfikowanym tranzystorze. Konwencjonalne tranzystory flash mają trzy połączenia, źródło, dren i bramkę. Bramka jest podstawowym elementem tranzystora, kontrolującym rezystancję między źródłem a drenem, działając w ten sposób jako przełącznik. W tranzystorze z pływającą bramką , bramka jest przymocowana do warstwy, która wyłapuje elektrony, pozostawiając ją włączoną (lub wyłączoną) na dłuższy czas. Bramkę pływającą można przepisać ponownie, przepuszczając duży prąd przez obwód emiter-kolektor.

To właśnie ten duży prąd jest podstawową wadą lampy błyskowej iz wielu powodów. Po pierwsze, każde zastosowanie prądu fizycznie degraduje komórkę, tak że ostatecznie komórka nie będzie zapisywalna. Cykle zapisu rzędu 10 ⁵ do ¹⁰⁶ są typowe, ograniczając aplikacje flashowe do ról, w których ciągłe zapisywanie nie jest powszechne. Prąd wymaga również zewnętrznego obwodu do generowania, przy użyciu systemu znanego jako pompa ładująca . Pompa wymaga dość długiego procesu ładowania, więc zapisywanie jest znacznie wolniejsze niż czytanie; pompa wymaga również znacznie większej mocy. Flash jest więc systemem „asymetrycznym”, znacznie większym niż konwencjonalna pamięć RAM czy dyski twarde.

Innym problemem związanym z błyskiem jest to, że pływająca brama ulega wyciekowi, który powoli uwalnia ładunek. Można temu przeciwdziałać poprzez zastosowanie potężnych izolatorów otaczających, ale wymagają one określonego rozmiaru fizycznego, aby były użyteczne, a także wymagają określonego układu fizycznego , który różni się od bardziej typowych układów CMOS , które wymagały wprowadzenia kilku nowych technik wytwarzania . Wraz z gwałtownym zmniejszaniem się błysku, wyciek ładunku staje się coraz większym problemem, co prowadzi do przewidywań jego zaniku. Jednak ogromne inwestycje rynkowe doprowadziły do rozwoju błysku w tempie przekraczającym prawo Moore'a , a pod koniec 2007 r. Uruchomiono fabryki półprzewodników wykorzystujące procesy 30 nm.

W przeciwieństwie do pamięci flash, PMC pisze ze stosunkowo małą mocą i dużą szybkością. Prędkość jest odwrotnie proporcjonalna do zastosowanej mocy (do pewnego punktu, istnieją ograniczenia mechaniczne), więc wydajność można dostroić.

Teoretycznie PMC może skalować się do rozmiarów znacznie mniejszych niż flash, teoretycznie tak małych, jak kilka szerokości jonów. Jony miedzi mają około 0,75 angstremów, więc możliwe są szerokości linii rzędu nanometrów. PMC był promowany jako prostszy w układzie niż flash.

Historia

Technologia PMC została opracowana przez Michaela Kozickiego, profesora elektrotechniki na Arizona State University w latach 90. Wczesne eksperymentalne systemy PMC były oparte na szkłach z selenku germanu z domieszką srebra . Prace skupiły się na elektrolitach z siarczku germanu z domieszką srebra, a następnie na elektrolitach z siarczku germanu z domieszką miedzi. Wznowiono zainteresowanie urządzeniami z selenku germanu domieszkowanego srebrem ze względu na ich wysoki, wysoki stan oporności. Szkło PMC z domieszką miedzi z dwutlenkiem krzemu byłoby kompatybilne z procesem produkcji CMOS .

W 1996 roku założono Axon Technologies w celu komercjalizacji technologii PMC. Firma Micron Technology ogłosiła współpracę z PMC w 2002 r. Infineon poszedł w jej ślady w 2004 r. Licencja na technologię PMC została udzielona firmie Adesto Technologies w 2007 r. Infineon wydzielił działalność związaną z pamięcią firmie Qimonda , która z kolei sprzedała ją firmie Adesto Technologies. W 2010 roku przyznano grant DARPA na dalsze badania.

W 2011 roku Adesto Technologies nawiązało współpracę z francuską firmą Altis Semiconductor w zakresie rozwoju i produkcji CBRAM. W 2013 roku Adesto wprowadziło przykładowy produkt CBRAM, w którym promowano 1-megabitową część w celu zastąpienia EEPROM .

Firma NEC opracowała tak zwaną technologię nanobridge, wykorzystującą Cu2S lub tantalumpentotlenek jako materiał dielektryczny. W ten sposób miedź (zgodna z metalizacją miedzi w układzie scalonym) powoduje migrację miedzi przez Cu2S lub Ta2O5, tworząc lub przerywając zwarcia między elektrodami miedzianymi i Ru.

Dominującym zastosowaniem tego typu pamięci są aplikacje kosmiczne, ponieważ ten typ pamięci jest z natury trudny do promieniowania.

Zobacz też

Statyczna pamięć o dostępie swobodnym

Languages

In other projects