Compound-Halbleiter speichert Daten ewig und extrem energiesparend

24. Juni 2019, 21:28 Uhr
Compound-Speicherzelle (sie ist unten im Bild). Bild: lancaster.ac.uk
Compound-Speicherzelle (sie ist unten im Bild). Bild: lancaster.ac.uk
Forscher der Universität Lancaster haben einen nichtflüchtigen Speicher konzipiert, der Daten mit nur 1 % der bei DRAM und mit gar nur 0,1 % der bei Flash-Speicher benötigten Energie speichern kann. Die Struktur wurde in 20-nm-Technik realisiert.

Laut dem leitenden Physiker Manus Hayne hat dieser Speicher eine intrinsische Speicherzeit, die voraussichtlich das Zeitalter des Universums übersteigen wird. Noch wichtiger aber ist, dass das Schreiben von Daten nur ein Hundertstel der Energie bei DRAM bzw. ein Tausendstel der Energie bei Flash-Speicher benötigt. Die Daten werden wie bei Flash als Ladung in einem Floating Gate gespeichert. Doch wo das Floating Gate bei Flash mit Oxidschichten isoliert ist, basiert es bei diesem Material auf dem Zusammenspiel von Verbindungshalbleitern (6.1-A-Familie, bezieht sich auf die Gitterkonstante). Verwendet wird InAs (Indiumarsenid), GaSb (Galliumantimonid) und AlSb (Aluminiumantimonid). Diese Materialien bieten spezielle elektronische Eigenschaften.

 
Schichtenaufbau der Speicherzelle. Bild: lancaster.ac.uk

Schichtenaufbau

Die Speicherzelle funktioniert mit einem Kanal, ähnlich wie bei einem MOSFET. Das Floating Gate ist eine InAs-Schicht, die vom Programmiergate (auch InAs) durch einen doppelten quantenwellenresonanten Tunnelübergang getrennt ist, der aus alternierenden Schichten von AlSb und InAs besteht. Eine weitere AlSb-Schicht trennt das Floating Gate vom darunter liegenden n-InAs-Kanal – all dies befindet sich auf einer p-GaSb-Schicht, die den Transistor vom Substrat trennt.

In einem komplett freien Artikel in der Fachzeitschrift Nature Scientific unter dem Titel „Room-temperature operation of low-voltage, non-volatile, compound-semiconductor memory cells“ wird die Ausnutzung dieser Leitungsbandanordnung von AlSb/InAs zur Ladungserhaltung und zur Bildung einer Resonanztunnelbarriere beschrieben. Die im InAs-Floating-Gate gespeicherten Elektronen werden durch die anomal große Diskontinuität des Leitungsbandes mit AlSb isoliert, woraus eine theoretische, thermisch aktivierte Speicherzeit von unglaublichen hundert Billionen Jahren bei Raumtemperatur resultiert. Das würde für die Lebensdauer sehr vieler Universen ausreichen!

Eigenschaften

Die Speicherzelle wurde sowohl modelliert als auch tatsächlich gebaut, nämlich als 10 x 10 μm Proof-of-Concept, der mit einer Spannung von ≤2,6 V betrieben werden kann. Dies ist sehr viel weniger als die rund 20 V, die für die Programmierung von Flash benötigt werden und auch für den geringen Leistungsbedarf mitverantwortlich.

Die Schaltenergie in dieser Anordnung führte zu einer Schätzung von 10-17J für eine 20-nm-Struktur – sehr viel weniger als bei einer DRAM- oder Flash-Speicherzelle. Auch wenn es sich um eine nichtflüchtige Speicherzelle handelt, tendieren die zunächst deutlich unterschiedlichen Kanalwiderstände für „on“ und „off“ im Prototyp mit der Zeit exponentiell in Richtung eines Zwischenwerts. Dennoch ist die Speicherzeit millionenfach länger als bei DRAM. Und die beiden Kanalwiderstände werden nie wirklich gleich, denn sie nähern sich asymptotisch zwei getrennten Ebenen, die immer zu einem Potentialunterschied von >100 mV führen, was quasi ewig diskriminierbar sein dürfte.

Die exponentielle Drift ist eigentlich doppelt exponentiell, was zwei Leckage/Drift-Mechanismen impliziert. Zurzeit wird an der Identifizierung von Ursachen gearbeitet. Ein weiteres Problem beim Prototypen ist, dass ein schnelles Umschalten zwischen „1“ und „0“ eine Aufwärtstreppe auf dem Floating Gate verursacht. Dies hat zur Folge, dass anfänglich gewählte Schwellwerte für die Unterscheidung der beiden logischen Zustände irgendwann ungültig werden.
 
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