На представленном изображении – микросхема NAND флеш-памяти производства Intel/Micron. Устройства энергонезависимой памяти (NVM) представляют собой электронные компоненты хранения всех данных, предназначенные для чтения и записи информации, которая легко сохраняется даже при отключении питания. К ним относятся устройства, основанные на магнитных дисках, а также специальные типы полупроводниковых чипов. Полупроводниковые энергонезависимые устройства играют ключевую роль во всех сферах цифровой реальности – от хранилищ данных крупных облачных сервисов до портативных персональных устройств. Они составляют один из крупнейших сегментов полупроводниковой промышленности, оцениваемый в 400 миллиардов долларов.

Подобно другим важным полупроводниковым изделиям, от транзисторов до микропроцессоров, NVM-устройства прошли долгий путь развития от первоначальных исследований, основанных на трудах предшественников, до современного уровня, достигнутого благодаря вдохновению, удаче, экспериментам и настойчивости в преодолении сомнений скептиков. В данной статье мы рассмотрим хронологию достижений некоторых пионеров этой области, начиная с зарождения идеи в 1960-х годах в Fairchild и вплоть до массового производства флэш-чипов в конце XX века.

По поручению Semiconductor Special Interest Group (SIG) Джефф Катц записал интервью с людьми, совершившими большой вклад в развитие коммерческих полупроводниковых NVM-устройств, для коллекции устной истории Музея компьютерной истории. Многие процитированные ниже личные комментарии взяты из расшифровок интервью, к которым можно перейти по ссылкам в тексте.

Что было до полупроводниковой энергонезависимой памяти

До появления полупроводниковых устройств наиболее успешной технологией энергонезависимого компьютерного хранения информации была память на магнитных сердечниках, в которой использовался эффект магнитного гистерезиса. В своей диссертации 1952 года на докторскую степень MIT Дадли Бак описал ферроэлектрические кристаллы, использовавшие для хранения и перемагничивания цифровой информации похожий механизм гистерезиса. Рейд Андерсон и Уолтер Мерц, работавшие в Bell Telephone Laboratories, продемонстировали в 1955 году ферромагнитное устройство хранения, ставшее предшественником архитектуры полупроводниковых NVM-устройств. Применив технологии осаждения и травления, они изготовили 256-битный массив кристаллов, соединённых металлическими дорожками; позже такие технологии начали применяться для производства полупроводниковых интегральных схем.

Фотография из Scientific American magazine, июнь 1955 года.

Основатели располагавшейся в Колорадо-Спрингс компании Ramtron Ларри Макмиллан и Джордж Рор стали пионерами в коммерческом производстве устройств FRAM (Ferroelectric Random Access Memory), впервые появившихся в 1952 году.

Эволюция технологий ячеек NVM-накопителей — первые четыре десятилетия

В 1960-х начались исследования двух основных технологий проектирования полупроводниковых NVM-ячеек. В ячейке с «плавающим затвором» заряд хранится на электроде, не подключённом к внешней цепи. «Захват заряда», чаще всего называемый «нитридным захватом», позволяет хранить заряд в слое нитрида кремния, подключённого к активной цепи. Обе технологии обещали значительные преимущества и снижение затрат на производство, простоту использования и сохранение данных для различных областей применения.

Коммерческие компоненты и системы с использованием обеих технологий начали появляться в 1970-х. Изделия на основе захвата заряда чаще всего называли EAROM (Electrically Erasable Read Only Memory), а первые устройства с плавающим затвором — EPROM (Erasable Programmable ROM).

К 1980-м годам доминирующей на рынке технологией стала память с плавающим затвором. EPROM и их усовершенствованные версии, в том числе и первые флэш-продукты, стали составлять значительный процент от мировой прибыли полупроводниковой отрасли. В 1990-х технология Flash обеспечила создание новых возможностей для NVM-устройств, их начали использовать в твердотельных накопителях и потребительских цифровых устройствах.

1960-е — первооткрыватели элемента памяти

Са Чжитан, примерно 1989 год

Са Чжитан из исследовательской лаборатории Fairchild в Пало-Альто сообщил в 1961 году о том, что заряд можно хранить «в течение долгого времени (несколько дней)» на электроде затвора поверхностно-управляемого тетродного МОП-транзистора¹. Он отметил, что в разговоре с основателем Fairchild Виктором Гриничем и инженером Фрэнком Уонлэссом они «сразу же поняли потенциал этого открытия в устройстве памяти с плавающим затвором»². Они не стали разрабатывать идею продукта, поскольку в то время компания была занята устранением фундаментальных проблем стабильности в процессе производства МОП-транзисторов.

Самые первые задокументированные описания ячеек памяти с захватом заряда были созданы в лабораториях на обоих побережьях США в середине 1960-х. Эдгар Сэк, Чу Тинь и другие сотрудники Центральной исследовательской лаборатории Westinghouse использовали в 1966 году MNOS-структуру (Metal-Nitride-Oxide-Silicon) в качестве элемента захвата заряда³. Чу и Джон Сцедон рассказали о MNOS-элементе Westinghouse на Solid State Device Research Conference 1967 года в Санта-Барбаре. Эту технологию перенесли в отдел полупроводниковых изделий компании в Янгвуде для разработки электронных артиллерийских запалов на замену механическим запалам.

Чистая зона отдела полупроводниковых изделий Westinghouse в Янгвуде, примерно 1959 год. Фото Э. Сэка

В том же 1967 году шесть учёных под руководством Ричарда Вегенера из Sperry Rand Research Center (Садбери, Массачусетс) описали электрически программируемое неразрушаемое MNOS-устройство хранения с захватом заряда⁴. В предоставленном агентству НАСА отчёте 1968 года «Исследование новых концепций адаптивных устройств» Вегенер заявил, что MNOS — это «первое полупроводниковое устройство, обеспечивающее возможность электрически программируемого энергонезависимого хранения информации»⁵.

Дов Фроман-Бенчковски присоединился в 1965 году к исследовательской лаборатории Fairchild в Пало-Альто. В тандеме он писал докторскую по теме «Перенос и захват заряда в MNOS-структурах и их применение в устройствах памяти» в Калифорнийском университете в Беркли, где «знал об этой теме больше, чем большинство профессоров». [Интервью с Довом Фроманом]. На основании своих работ он начал процесс подачи заявки на патент, который был зарегистрирован после его ухода из компании. В заявку на патент вошла структура маски для создания 9-битной MNOS-памяти с пословной организацией, которую он изготовил для демонстрации возможности крупномасштабных массивов интегральных устройств хранения⁶.

Давон Канг и Саймон Зи

Изучая в 1967 году четырёхслойный чизкейк на обеденном перерыве в Bell Telephone Laboratories (BTL), Мюррей Хилл, Давон Канг и Саймон Зи пришли к идее добавления четвёртого плавающего слоя для хранения заряда в МОП-транзисторе. Для доказательства жизнеспособности концепции они изготовили в лаборатории пару десятков устройств. «Устройства держались максимум час, после чего электроны начинали утекать» [Интервью с Саймоном Зи]. «Мой начальник сказал, что это совершенно бесполезно… Кому может оказаться полезным такое устройство?», — рассказывает Зи. Им разрешили опубликовать результаты работы в статье «Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти», опубликованной в июле 1967 года в Bell System Technical Journal, но BTL не стала развивать эту идею. «Её просто положили на полку».

256-битное RMM на аморфных полупроводниках ECD/Intel, 1970 год

Автор многочисленных изобретений и предприниматель Стэнфорд Овшинский произвёл фурор в научном сообществе, заявив в 1968 году в New York Times о создании переключателя с памятью на основе элементов Овшинского. Это устройство, разработанное в его лаборатории Energy Conversion Devices (ECD) (Троя, штат Мичиган), использовало некристаллические халькогенидные материалы для создания переключателя, который включался или выключался, когда подаваемое напряжение достигало определённой величины. Овшинский заявил, что сможет производить более мелкие, быстрые, простые, надёжные и дешёвые электронные схемы, чем это возможно на основе транзисторов. Студент магистратуры Чарльз Си, работавший над переключателем в ECD, сообщил, что основное преимущество технологии заключается в том, что «информацию можно хранить вечно (без ограничений по времени удержания данных)». [Интервью с Чарльзом Си]

Незадолго до этого основавшие Intel Роберт Нойс и Гордон Мур объединились с Овшинским для изучения технологии создания энергонезависимой памяти, чтобы дополнить ею собственные будущие ОЗУ на основе биполярных и МОП-транзисторов. В статье 1970 года, написанной Гордоном Муром, Роном Нилом и Д. Нельсоном из ECD, описывается 256-битная Read Mostly Memory (RMM), состоящая из плёнки аморфного полупроводникового материала, размещённого между двумя молибденовыми электродами⁷. Intel ограничилась этой демонстрацией концепции и не стала разрабатывать на её основе продукцию, однако она возродилась как основа для памяти на фазовых переходах 3D XPoint, о производстве которой Intel и Micron заявили в 2015 году; готовую продукцию Intel продавала под брендом Optane.

1970-е — появление промышленных NVM-изделий

Мультичиповый модуль BORAM компании Westinghouse, примерно 1975 год.

В начале 1970-х энергонезависимые MNOS-устройства памяти оказались привлекательным выбором для проектировщиков аэрокосмической продукции и защитных систем. ВВС США заключили с Sperry Rand контракт на изготовление 1024-битного массива EAROM, а Westinghouse спроектировала для армии США и других заказчиков электрически перепрограммируемые гибридные модули Block-Oriented RAM (BORAM). Несколько чипов, расположенных на керамической подложке, обеспечивали малый вес и компактность авиационных и портативных систем.

Перейдя в 1969 году в Intel, Дов Фроман продолжил исследование технологий MNOS-хранения. Однако в процессе изучения проблем стабильности, вызываемых миграцией заряда в новом техпроцессе производства кремниевого затвора компании, он придумал альтернативную идею хранения заряда в проводнике с плавающим затвором. «Это стало эволюцией того, что я называл устройством FAMOS (Floating-gate Avalanche-injection Metal Oxide Semiconductor) … которая была основой EPROM». [Интервью с Довом Фроманом] До подачи заявки на патент архитектуры он не был знаком с работами Канга и Зи в Bell Labs.

Дов Фроман-Бенчковски, примерно 1971 год. Фото: Intel Corporation

Фроман прекратил дальнейшую работу над MNOS-накопителем, чтобы сосредоточить свои усилия на проектировании продукта с плавающим затвором, а в 1971 году Intel представила свою 2048-битную EPROM с маркировкой 1702. EPROM-устройства программировались электронным способом, но стирание и повторное использование было возможно только после физической обработки чипа УФ-излучением через кварцевое окошко в корпусе. Более дешёвые, однократно программируемые версии (One-Time-Programmable, OTP), не требовавшие дорогого окошка для стирания, оказались популярными в системах с использованием микропроцессоров (MPU). Несколько поколений более объёмных и быстрых EPROM составляли наиболее прибыльную линейку продуктов Intel до середины 1980-х.

Кварцевое окошко пропускает ультрафиолетовое излучение для стирания данных EPROM

Японские производители полупроводников быстро распознали коммерческую перспективность EPROM. Пионер разработки интегральных схем Ясуо Таруи из токийской Electrotechnical Laboratory с коллегами предложили в 1971 году устройство с плавающим затвором на проводившейся в Токио Solid State Device conference⁸. За этим последовало множество исследовательских статей и успешных коммерческих продуктов японских компаний.

Руководство по EAROM компании GI, 1983 год

В 1969 году Эд Сэк перешёл из Westinghouse в General Instrument Corporation (Хиксвилл, штат Нью-Йорк). Он работал там вице-президентом и генеральным менеджером отдела микроэлектроники, начавшей коммерческое использование технологии MNOS в потребительской электронике. Его сравнение Westinghouse («Клуб джентльменов с примесью политики») и GI («Нижний Ист-Сайд Манхэттена с примесью уличных драк») демонстрирует значительные культурные различия военных и коммерческих полупроводниковых предприятий той эпохи. [Личный рассказ Эда Сэка]

В 1975 году GI представила Bit-Serial EAROM с маркировкой ER1400, которая была дополнена 16-битным микропроцессором CP1600 (совместная с Honeywell разработка); эти продукты были предназначены для цифрового, полностью твердотельного чипсета TV-тюнера, и продались миллионными тиражами. GI несколько десятилетий продолжала производить недорогие EAROM-устройства для потребительских товаров.

Среди прочих производителей, исследовавших технологии энергонезависимой MNOS-памяти, были McDonnell Douglas, Mitsubishi, NCR и RCA. Однако быстрый рост количества устройств и снижение цен, обеспеченные активной конкуренцией в области продукции с плавающим затвором, сделали EPROM предпочтительным для большинства сфер применения энергонезависимым решением.

Такие улучшения, как функция электрического стирания, ещё более упрочили позицию устройств с плавающим затвором. Эли Харари из Hughes Microelectronics (Ньюпорт-Бич, Калифорния) в 1976 году пришёл к «идее о том, что можно уменьшить слой подзатворного оксида в устройстве Фромана-Бенчковски с 1000 до 100 ангстрёмов, что позволит обеспечить электрическое программирование и стирание», избавив таким образом от необходимости медленного внешнего стирания ультрафиолетовым излучением. [Интервью с Эли Харари] В 1980 году Hughes представила 8-килобитную КМОП-память Electrically-Erasable PROM (EEPROM) с маркировкой 3108, а также чип статической ОЗУ с энергонезависимой ячейкой, названный NOVRAM.

Джордж Перлегос

Джордж Перлегос сделал вклад в несколько важных NVM-разработок компании Intel, в том числе и в первую EEPROM: 16-килобитное устройство 2816, созданное в 1978 году. Вместе с Гордоном Кэмпбеллом и Филом Сэлисбери Перлегос основал в 1981 году SEEQ Technology. В этой компании Перлегос, стремясь избавиться от необходимости отдельного источника питания высокого напряжения, руководил разработкой 5213 — единого EEPROM с 5-вольтным питанием, выпущенного в 1982 году. В его конструкцию был встроен генератор подкачки заряда, создающий напряжение, необходимое для обеспечения программирования. «Чтобы создать подобную память, нам нужно было разработать настолько маленькие генераторы подкачки заряда, чтобы их можно было разместить в каждом столбце и в каждой строке». [Интервью с Джорджем Перлегосом] Чтобы стимулировать использование своих устройств в областях, требующих высокой надёжности, SEEQ рекламировала их как устройства, способные выдержать не менее миллиона циклов записи.

Бывший инженер-технолог National Semiconductor Рафаэль Клейн основал в 1978 году в Милпитас (штат Калифорния) компанию Xicor, чтобы заняться устройствами NOVRAM и EEPROM. На первых этапах Xicor разделила рост зародившегося рынка с SEEQ, однако не справившись с конкуренцией в области производства массовых дешёвых устройств, завершила свою работу в 2001 году.

1980-е — появление архитектуры Flash

В 1980 году Фудзио Масуока из научно-исследовательского центра Toshiba в Кавасаки (Япония) нанял четырёх инженеров: М. Асано, Х. Ивахаси, Т. Комуро и С. Танака для работы над NVM-чипом для использования в массовых недорогих устройствах. В уже существовавших EPROM использовалось по два транзистора на ячейку памяти. Инженеры спроектировали более компактную однотранзисторную ячейку, соединяемую способом, напоминающим логический элемент NOR. Коллега Масуоки Сёдзи Ариизуми предложил название «flash» («вспышка»), потому что стирание должно было происходить со скоростью вспышки фотокамеры. Масуока рассказал об ячейке NOR Flash на International Electron Devices Meeting (IEDM) 1984 года, проводившейся в Сан-Франциско. Хотя ему и удалось уменьшить размер ячейки, из-за проблем с производством необходимых для устройства МОП-структуры с тремя слоями поликремния Toshiba не стала реализовывать коммерческую версию изобретения.

По словам Харари, Сатьен Мухерджи и Томас Чань из стартапа Exel Microelectronics, Inc. (Сан-Хосе, Калифорния) спроектировали флэш-структуру, которую можно было производить промышленным способом; она стала основой того, что Intel позже назвала NOR flash.

Фудзио Масуока

Прибыв в Вашингтон, чтобы защищать компанию в патентной тяжбе с TI, Масуока придумал идею архитектуры NAND Flash, которая могла бы обеспечить ещё меньший размер ячейки и увеличенные скорости записи/стирания по сравнению с NOR Flash. По возвращении Масуока спросил у Хисео Тадзири, работавшего в Toshiba руководителем отдела разработки потребительской электроники, сможет ли цифровая камера с четырёхмегабитной флэш-памятью NAND заменить плёнку. [Интервью с Фудзио Масуока] Тадзири понял, что NAND и в самом деле сможет заменить плёнку, и это привело к тому, что финансировать проект начал отдел производства камер. Масуока рассказал об устройстве на IEDM 1987 года в Вашингтоне, а производство 16-мегабитных чипов NAND Flash началось в 1992 году.

Недовольный тем, что Toshiba, по его мнению, недостаточно вознаградила его работу, Масуока в 1994 году уволился, став профессором Университета Тохоку. Вопреки японской культуре лояльности компании, он подал иск против бывшего работодателя, требуя компенсации, а в 2006 году уладил спор, получив единовременную выплату в 87 миллионов йен (758 тысяч долларов).

Стефан Лаи устроился в отдел Intel в Санта-Кларе для разработки технологии масштабируемой EEPROM. Работая совместно с Диком Пэшли, он создал способ добавления функции электрического стирания в уже существовавшие малоразмерные ячейки EPROM для создания архитектуры NOR Flash, которую можно было бы изготавливать по стандартному производственному техпроцессу. Отдел NVM заявил, что технология не будет работать, поэтому Лаи и Пэшли встретились с Гордоном Муром, который сказал им: «Я этим займусь, не суетитесь». [Интервью с отделом разработки Flash компании Intel] Начав разработку нового бизнес-устройства на основе Flash в Фолсоме (Калифорния), Пэшли и Лаи вместе с проектировщиком Найлсом Кайнеттом в 1986 году продемонстрировали работающие чипы, а в 1987 году выпустили 256-килобитный продукт NOR Flash.

К концу 1980-х мировой рынок полупроводниковых NVM-устройств всех технологих производства превысил два миллиарда долларов. Наиболее популярными продуктами той эпохи были EPROM на 64 Кбит, 128 Кбит, 256 Кбит и 1 Мбит, к тому же начали появляться первые устройства на 2 Мбита⁹. Производители из США, лидерами среди которых были AMD, Intel, Motorola, SEEQ и TI, получали примерно 50% от мировой прибыли рынка. Оставшаяся прибыль разделилась между европейскими, в основном SGS-Thompson (10%), и японскими поставщиками Fujitsu, Hitachi, Mitsubishi, NEC, Oki, Toshiba (40%), однако их поставки были ограничены правительственными квотами на производство (MITI).

1990-е — твердотельные накопители и новые потребительские области применения

В 1990-х технология Flash создала новые возможности для NVM-устройств в конфигурациях как с NAND, так и с NOR. Архитектура NOR Flash имела преимущества произвольного доступа и малого времени чтения, а её функция execute-in-place (XIP) идеально подходила для выполнения кода, а значит, и для сферы обработки данных. NAND Flash имела более низкие скорости чтения, но гораздо меньший размер ячейки, позволяя создавать недорогие устройства с повышенной плотностью, что идеально подходило для внешних накопителей. Кроме того, доступ чтения/записи к блокам NAND имитировал доступ к дисковым приводам.

Прототип SSD-модуля компании SanDisk (бывшей SunDisk), созданный для IBM (1991 год)

Эли Харари, в 1970-х ставший пионером техпроцессов с тонким слоем оксида в Hughes Aircraft, в 1988 году основал SunDisk (позже переименованную в SanDisk) для разработки устройств памяти большой ёмкости на основе флэш-памяти. Вскоре к нему присоединились сооснователи компании Джек Юань и Санджай Мехротра, а также архитектор систем Роберт «Боб» Норман. Первым крупным заказом компании стали 10 тысяч 20-мегабайтных 2,5-дюймовых ATA-устройств, совместимых с plug and play, которые в 1991 году должны были заменить 20-мегабайтный жёсткий диск Connor в ThinkPad PC компании IBM. В то время надёжность флэш-памяти была низкой, однако Харари вдохновляли отзывы заказчиков о прототипах устройств: «Если несколько устройств проработают у меня все выходные без сбоев, значит, у вас получился хороший продукт». [Интервью с Эли Харари]

Для достижения уровней надёжности, необходимых для коммерческого применения, потребовалось несколько поколений усовершенствований техпроцессов производства и архитектуры систем флэш-памяти. Харари встроил в устройства метаданные, позволявшие его прошивке выполнять коррекцию ошибок, скрывая таким образом от пользователя проблемы с надёжностью — критически важного для популярности технологии фактора. Массовые ноутбуки с SSD появились на рынке в конце 2000-х, а современные SSD являются самым быстрорастущим сегментом рынка компьютерных накопителей.

Основатели SanDisk: Юань, Мехротра и Харари

Новые возможности возникли у SanDisk после того, как компания представила в 1994 году карты CompactFlash для цифровых камер. «Мы поняли, что вместо того, чтобы кто-то другой продавал плёнку или её продавали продавцы камер, нужно создать вторичный рынок флэш-карт. Превращение его в международный бренд стало поворотным фактором в истории компании», — рассказывает Мехротра. [Интервью с Санджаем Мехротра] В 2016 году SanDisk приобрела компания Western Digital.

Современные флэш-технологии доминируют на рынке NVM-устройств, который в 2019 году превысил 50 миллиардов долларов, и составляют крупнейший сегмент мировой полупроводниковой промышленности. Крупнейшим поставщиком флэш-чипов стала Samsung, имея примерно 30% рынка. Другими крупными поставщиками являются Toshiba и Western Digital.

Награда за достижения Flash Memory Summit

Каждый год Flash Memory Summit награждает людей, проявивших лидерство в области продвижения разработки и использования флэш-памяти, а также связанных с ней технологий, вручая Премию за прижизненные достижения (Lifetime Achievement Award, LAA). Среди не упомянутых выше номинантов были Кинам Ким из Samsung, получивший премию за свой прогресс в развитии 3D NAND, а также Дов Моран и Арьех Мерги из M-Systems за инновации, в том числе за встраиваемую в мобильные телефоны флэш-память, файловые системы для Flash и флэш-накопитель USB.

Российские исследования по новым типам энергонезависимой памяти

На фото. Команда ученых, проводивших эксперимент, возле современной установки для высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на синхротроне PETRA III, Гамбург. Слева направо: Андрей Глосковский, Юрий Матвеев, Дмитрий Негров, Виталий Михеев и Андрей Зенкевич. Предоставлено Андреем Зенкевичем. Прорыв на пути к созданию новых типов энергонезависимых ячеек памяти совершила группа исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и коллеги, работающие в Германии и США.

Ученым удалось создать уникальную методику измерения распределения электрического потенциала внутри так называемого сегнетоэлектрического конденсатора — основы элементов памяти будущего, которые будут работать на порядок быстрее сегодняшних флешек или твердотельных дисков и выдерживать в миллион раз больше циклов перезаписи. Работа опубликована в Nanoscale, одном из авторитетных научных журналов в области физики твердого тела, наноструктур и материаловедения.

На иллюстрации. Принципиальная схема проведенного эксперимента по измерению образующегося электрического потенциала в наноразмерных слоях сегнетоэлектрического HfO2: Специально созданный прототип ячейки памяти был помещен в сверхвысоковакуумную камеру, где был подключен к аппаратуре, контролирующей ее электрическое состояние и позволяющий перезаписывать сохраненную в ней информацию прямо во время облучения. После этого на структуру был направлен сфокусированный пучок рентгеновского излучения под скользящим углом ~0.5 градуса, что вызвало эффект так называемой «стоячей» волны рентгена в структуре. Возбужденные этой волной фотоэлектроны были зафиксированы с помощью специального анализатора, что и позволило узнать о величине электрического потенциала в слое оксида гафния. Источник: Nanoscale

Устройства постоянной (энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера) памяти — твердотельные диски (SSD) и всем известные флешки — совершенствуются уже около трех десятков лет. Их емкость постоянно растет, они уже фактически вытеснили из пользовательского обихода лазерные компакт-диски. Однако традиционные магнитные диски с механическим шпинделем сдаваться не собираются: пока нет и речи о возможности их замены на SSD в системах, требующих повышенной надежности, — например, в серверном оборудовании. Дело в том, что современные флешки изготовлены на основе транзисторов, и это ограничивает их скорость и надежность. Спустя примерно 10^3–10^5 циклов перезаписи флешка и SSD начинают деградировать: давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.

Поэтому во всем мире огромное сообщество ученых и инженеров участвует в  большой гонке за «новой флешкой» — энергонезависимой памятью, основанной на новых принципах и обеспечивающей кратное превосходство в скорости доступа, энергопотреблении и количестве возможных циклов перезаписи. Одним из наиболее перспективных материалов для «новой флешки» считается оксид гафния (HfO2). Этот диэлектрический материал стал известен после того, как его начали использовать в микроэлектронной промышленности: его применяют при изготовлении транзисторов в процессорах в качестве так называемого подзатворного диэлектрика. И вот, около 10 лет назад группа немецких ученых обнаружила, что при определенных условиях (легировании, температурной обработке и др.) очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), которая вдобавок обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Это значит, что под воздействием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация, а значит, появляется возможность применять его для хранения двоичной информации.

«Идея использовать сегнетоэлектрики в качестве основы для энергонезависимой памяти не нова, — говорит Андрей Зенкевич, один из авторов работы, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. — Однако все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике».

Открытие сегнетоэлектрических свойств HfO2 в определенной фазе заставило ученых вновь вернуться к идее постоянной памяти, основанной на диэлектриках этого типа: оксид гафния годится для современной электронной промышленности и, более того, давно освоен ею.

Элементарная ячейка памяти нового типа представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор, но для того, чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы можно было использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться максимально возможной величины поляризации, а для этого — детально изучить физические свойства этого нанослоя. Одна из важнейших частей этого знания — представление о том, как распределяется электрический потенциал внутри слоя при подаче напряжения на электроды. За десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO2, никому из исследователей не удавалось изучить это распределение потенциала непосредственно: использовали только различные математические модели. А авторам опубликованной работы — удалось.

Для этого они применили метод так называемой высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Специальная методика, разработанная сотрудниками МФТИ, требовала применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. Такой находится в Гамбурге (ФРГ). Там и были проведены измерения на прототипах будущих ячеек «новой памяти» — сегнетоэлектрических конденсаторах на основе оксида гафния, изготовленных в МФТИ.

«В основе методики лежит явление фотоэффекта — говорит Юрий Матвеев, один из авторов, научный сотрудник гамбургского синхротрона Deutsches Elektronen-Synchrotron. — Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структур, нам удалось получить картину локального электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением».

По словам Андрея Зенкевича, созданные коллегами в МФТИ сегнетоэлектрические конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек энергонезависимой памяти, способны обеспечить 10^10 циклов перезаписи — в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки. Работа была поддержана Российским научным фондом.

Учёные разработали новый тип энергонезависимой памяти с изменением фазового состояния

В недавно опубликованном исследовании сообщается о термически обратимом переключении удельного электрического сопротивления при комнатной температуре в слоистом никелате, что потенциально обеспечивает лучшую производительность и превосходную устойчивость для памяти.

Слоистый никелат, полученный исследователями, состоит из слоёв атомов стронция, висмута и кислорода, структурно расположенных в виде кубической решётки, перемежаемых слоями молекул стронция, никеля и атомов кислорода в перовскитной структуре. Перовскиты характеризуются специфической кристаллической структурой, состоящей из двух положительно заряженных атомов и одного отрицательно заряженного, и обладают рядом интересных свойств, от сверхпроводимости до сегнетоэлектричества — спонтанной электрической поляризации, которую можно обратить вспять путём приложения электрического поля.

Эффект сегнетоэлектричества представляется очень перспективным при разработке энергонезависимой памяти с изменением фазового состояния, поскольку принцип действия такой памяти основан на способности материала обратимо переключаться между двумя состояниями удельного электрического сопротивления.

Ранее учёным были известны подобные свойства у халькогенидов — бинарных химических соединений халькогенов (элементов 16-й группы таблицы Менделеева, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий) с металлами. У оксидов переходных металлов таблицы Менделеева, к которым относятся железо, медь, цинк, серебро, золото, платина, молибден, кобальт и другие, эффект сегнетоэлектричества ранее не изучался.

Хотя халькогениды уже доказали свою эффективность во многих приложениях памяти с фазовым переходом, оксиды переходных металлов часто демонстрируют лучшую термическую и химическую стабильность. Многие оксиды переходных металлов более распространены, чем халькогениды и широко используются при производстве электроники.

Оксиды переходных металлов достаточно просто интегрировать в существующие производственные процессы и устройства, чтобы упростить цепочку поставок и получить дополнительные преимущества в области устойчивого развития. Также их использование может помочь в создании устройств для работы в сложных условиях с более длительным сроком службы.

Исследователи обнаружили, что полученный ими слоистый никелат демонстрирует термическое возвратное кристаллическое фазовое изменение, то есть этот материал претерпевает обратимый переход между тремя кристаллическими фазами при нагревании и охлаждении. «По сути, материал может переключаться между тремя фазами несколько раз при нагревании и охлаждении», — отметил один из исследователей.

В этом состоит отличие от типичного необратимого фазового перехода, который происходит только один раз при нагревании или охлаждении материала. Термически возвратный фазовый переход, наблюдаемый в слоистом никелате, обеспечивает обратимое переключение удельного электрического сопротивления при комнатной температуре, что позволяет разработать многоуровневую энергонезависимую память с изменением фазового состояния для повседневного применения.

Исследование также пролило свет на процесс обратимого фазового перехода и изменения удельного электрического сопротивления при комнатной температуре, что может иметь важные последствия для разработки энергонезависимой памяти, без привязки к конкретному применяемому материалу.

Литература

1. C. T. Sah, “A new semiconductor tetrode, the surface-potential controlled transistor,” Proceedings of the IRE, vol. 49, no.11, (Nov. 1961) pp 1625.
2. C. T. Sah, “Evolution of the MOS transistor — from conception to VLSI,” Proceedings of the IEEE, Vol. 76, №10 (October 1988) p. 1295.
3. Edgar A. Sack and David A. Laws, “Westinghouse: Microcircuit Pioneer from Molecular Electronics to ICs,” IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 34 (Jan.-March 2012) pp. 74–82.
4. Wegener, H.A.R., Lincoln, A.J., Pao, H.C., O’Connell, M.R., Oleksiak, R.E. Lawrence, H. “The variable threshold transistor, a new electrically-alterable, non-destructive read-only storage device,” Electron Devices Meeting, 1967 International, Vol. 13 (1967) p. 70
5. H. A. R. Wegener, “Investigation of New Concepts of Adaptive Devices,” NASA-CR-86114, Report no. SRRC-CR-68–43, Sept. 1968.
6. Dov Frohman-Bentchkowsky, “Integrated MNOS memory organization” US Patent 3641512A
7. Neale, R. G., D. L. Nelson, Gordon E. Moore, “Nonvolatile and reprogrammable the read-mostly memory is here,” Electronics (September 28, 1970) pp. 56–60.
8. Tarui, Yasuo; Hayashi, Yutaka; Nagai, Kiyoko “Proposal of electrically reprogrammable non-volatile semiconductor memory”. Proceedings of the 3rd Conference on Solid State Devices, Tokyo. The Japan Society of Applied Physics (1971–09–01): 155–162.
9. “MOS EPROM Forecast,” Dataquest SIS Prod., Mkt., & Tech. Report 0004718 (August 1989) p. 2

Источники: https://mipt.ru/, https://habr.com/
Автор: Mikhail @host_m