На страницах нашего сайта мы достаточно часто рассказывали о мемристорах, электронных устройствах, состоящих из проводника из специального материала, который в виде его электрического сопротивления запоминает значение протекавшего по нему электрического тока. Эти приборы считаются кандидатами на использование в качестве ячеек высокоскоростной энергонезависимой памяти следующего поколения, способной хранить в одной ячейке более одного бита данных. Однако, на самом деле с мемристорами не все обстоит так гладко, как внушают нам многочисленные пресс-релизы.
Если бы с мемристорами все было в полном порядке, как утверждают ученые из некоторых организаций, то на рынке энергонезависимой памяти уже давно появились бы запоминающие устройства на их основе. Однако этому препятствует то, что существующие сейчас мемристоры имеют весьма ограниченный ресурс, максимальное количество раз, которые мемристор может изменить свое состояние, не потеряв своих электрических характеристик.
Группа исследователей из университета Бингеля (Bingol University) и университета Билкент (Bilkent University), Турция, разработали новый электронный прибор, который получил название флэшристор, который унаследовал все лучшие черты как мемристоров, так и ячеек флэш-памяти. В отличие от существующих устройств, мемристорный эффект (изменение кристаллической структуры на уровне атомов) в новом устройстве реализован не на локальном уровне, а рассредоточен в более крупной области пространства материала. «Благодаря этому мы можем управлять состоянием мемристора с высокой точностью, одновременно увеличив ресурс прибора во много раз».
Исследовательская группа, которая разработала новый прибор, в течение достаточно долгого времени работала над исследованиями ячеек флэш-памяти различных типов. И недавно ученые обнаружили, что полевой транзистор, на основе которых построены ячейки памяти, в некоторых режимах может вести себя подобно мемристору. Для этого достаточно лишь немного изменить структуру затвора транзистора, который становится чем-то вроде «плавающей» ловушки для электронов, и количество электронов, пойманных в этой ловушке, будут определять значение тока, текущего от истока к стоку, т.е. определять полное электрическое сопротивление канала транзистора.
Этот «плавающий» затвор обладает несколькими свойствами, в его структуре электроны могут храниться достаточно длительное время. Он хорошо изолирован от остальной структуры транзистора и отнесен от других элементов на относительно большое расстояние, что исключает самостоятельную утечку хранимых электронов за счет эффекта квантового туннелирования. К этому затвору проложен «путь» по которому электроны легко достигают его структуры. И в результате попыток соблюдения всех свойств и требований у ученых получился флэшристор, имеющий структуру, весьма подобную структуре ячеек тонкопленочной флэш-памяти.
Канал флэшристора состоит из слоя из оксида цинка, связанного с истоком и стоком алюминиевыми контактами. Туннельный барьер, толщиной 15 нанометров, изготовлен из окиси гафния, и этот барьер позволяет электронам переходить в одну сторону, от канала транзистора к плавающему затвору, представляющему собой слой нитрида кремния, толщиной 5 нанометров. Этот плавающий затвор отделен от основания из p-кремния, которое действует как традиционный затвор, изолирующим слоем окиси алюминия.
Структура нового устройства отличается от структуры ячейки флэш-памяти, у которой источник питания связан с основным затвором. Такая развязка определяет то, что когда импульс отрицательного напряжения прикладывается к стоку, возникающее электрическое поле заставляет электроны переходить через туннельный барьер из канала транзистора на плавающий затвор, где они остаются пойманными в ловушку. Когда импульс прекращается, количество заключенных в плавающем затворе электронов пропорционально параметрам приложенного импульса тока, и это количество определяет значение сопротивления канала. Сопротивление канала измеряется при помощи импульса слабого тока, напряжением 0.1 Вольта, которое слишком низко для того, чтобы воздействовать на электроны, находящиеся в ловушке плавающего затвора. Запомненное значение стирается или переписывается при помощи импульса напряжения обратной полярности, который дает электронам энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из ловушки и возвратиться в канал через туннельный барьер.
Исследователи изготовили опытные образцы флэшристоров, которые с самого начала были способны находиться в четырех разных состояниях. Помимо этого, из-за отсутствия структурных изменений во время переключения состояния флэшристора, его надежность и воспроизводимость результатов намного превышают показатели обычных мемристоров. И, при соблюдении определенных требований к технологии производства, каждый флэшристор сможет находиться в 10 различных состояниях, т.е. хранить неполные четыре бита информации.
К сожалению, время записи и стирания информации в флэшристор пока являются слишком длинными, выполнение этих процессов занимает одну секунду времени. Но ученые пока и не стремились обеспечить высоких скоростей, их работа является пока еще только демонстрацией работоспособности нового принципа.