《兰开斯特大学展示了InAs/AlSb共振隧道非易失性存储器,写入耗能比DRAM低100倍》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: Lightfeng
  • 发布时间:2020-01-19
  • 英国兰开斯特大学的研究人员展示了他们发明的新型存储设备,非易失性储存器,这将改变计算机、智能手机和其他设备的工作方式。新的NVRAM器件消耗的功率非常小,其速度与DRAM一样快,但仅消耗了NAND或DRAM存储器写入位所需的能量的1%。

    将单个存储单元以阵列的方式连接在一起以制造RAM,并预测这种芯片与DRAM的速度性能相匹配,但效率要高出100倍,并且具有非易失性的优势。由于砷化铟(InAs)和锑化铝(AlSb)具有非凡的能带偏移,因此实现了非挥发性,从而提供了较大的能垒(2.1 eV),可防止电子逃逸。根据仿真结果,提出了一种NVRAM体系结构,该体系结构由于用于写入和擦除的量子力学谐振隧道机制而可预测极低的干扰率。

    新的非易失性RAM(NVRAM)被称为“ULTRARAM”(一种利用量子现象以发挥其操作优势的复合半导体电荷存储存储器)。这款储存器结合了DRAM和闪存的优点,其速度与DRAM一样。Lancaster团队表示,它已通过利用共振隧穿的量子力学效应解决了通用存储器的悖论,该效应使势垒可以通过施加小电压从不透明切换为透明。

    这项工作还提出了一种用于存储单元的读出机制,该机制应将逻辑状态之间的对比度提高许多数量级,从而允许将单元以大阵列连接。它还表明,谐振隧道势垒的不透明性和透明性之间的急剧过渡促进了具有高位密度的高度紧凑的体系结构。

相关报告
  • 《体积小、耗能低,新型磁存储器件有望解决AI“内存瓶颈”》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2020-02-18
    • 美国和意大利研究人员10日在《自然·电子》杂志上发表研究报告称,他们开发出一种基于反铁磁材料的新型磁存储器件,其体积很小,耗能也非常低,很可能有助于解决目前人工智能(AI)发展所遭遇的“内存瓶颈”。 AI技术的快速发展有望改善医疗保健、交通运输等多个领域,但其巨大潜力的发挥要以足够的算力为基础,随着AI数据集越来越大,计算机需要有更强大的内存支撑。理想情况下,支持AI的存储设备不仅要有与静态随机存储器(SRAM)一样快的速度,还要有类似于动态随机存储器(DRAM)或闪存的存储容量,更重要的是,它耗能要低。但目前还没有满足所有这些需求的存储技术,这导致了所谓的“内存瓶颈”,严重限制了当前AI的性能及应用。 为此,美国西北大学和意大利墨西拿大学的研究人员合作,将目标瞄向了反铁磁材料。反铁磁材料依靠磁性的有序自旋来完成数据存储,所存数据也无法被外部磁场擦除。因其快速安全、耗能低,被视为存储设备的潜力材料,而如何控制材料内部磁序则成为目前的一个研究难点。 在新研究中,团队使用了柱状反铁磁材料,这是以前科学家从未探索过的几何形状。研究表明,生长在重金属层上的、直径低至800纳米的反铁磁铂锰(PtMn)柱,通过极低电流后可以在不同的磁态之间可逆地转换。通过改变写入电流的振幅,即可实现多级存储特性。 研究人员指出,基于反铁磁铂锰柱制成的存储器件仅为现有的基于反铁磁材料存储设备的1/10,而更重要的是,新型器件的制造方法与现有的半导体制造规范兼容,这意味着存储设备制造商可以轻松采用新技术,而无需购买新设备。 研究人员指出,新型磁存储器件很小,耗能很低,有望使反铁磁存储器走向实际应用,并帮助解决AI的“内存瓶颈”问题。目前,他们正努力寻求进一步缩小设备尺寸,改善数据写入耗能的方法,以尽快将新技术投入实际应用。 内存一直是计算机增强实力的瓶颈,因为内存要求读写速度快,又要稳定。近几十年,我们一直是用半导体造内存,磁效应体用于读取速度要求不高的硬盘。如果造出“磁内存”,将大大拓展计算机的“脑容量”和“智力”。这一切以材料科学的进步为前提,产业先进离不开基础科研投入。
  • 《国家纳米中心红外非易失性存储器研究获进展》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-05-04
    •  二维层状半导体材料是层内以强的共价键或离子键结合而成,而层与层之间依靠弱的范德华力堆叠在一起的一类新型材料。通常其表面没有化学悬键,这个特征使载流子免于表面粗糙度及陷阱态的影响,从而能够获得较高的载流子迁移率。但超薄的特性导致其具有小的吸收截面,二维的尺寸限制和低的静电屏蔽导致二维材料具有大的激子束缚能,而且强烈的库伦相互作用也会通过俄歇过程增加光生电子空穴在缺陷处的复合。这些弊端都限制了二维材料在光电探测上的应用。中国科学院国家纳米科学中心何军课题组将范德华外延法应用于光电性能优异的非层状硫族半导体材料二维化生长,从六方晶体到立方晶体结构,从单组分到复杂的三组分体系,分别实现了Te、Pb1-xSnxSe、PbS等具有不同晶体结构的非层状材料的二维化及阵列结构(Advanced Materials. 2017, 29, 1703122;Advanced Materials. 2016, 28, 8051-8057;Nano Letters. 2015, 15, 1183-1189)。在此研究基础上,为了解决二维层状材料的弊端,并利用非层状硫族半导体高效的光吸收性能。通过范德华外延实现了边缘接触的层状非层状范德华异质结:硫化铅/二硫化钼(PbS/MoS2)和硫化铅/石墨烯(PbS/graphene)异质结(Nano Letters. 2016, 16, 6437-6444; Advanced Materials. 2016, 28, 6497–6503)。窄带隙的PbS与二维材料形成内建电场使光生电子空穴空间分离,有效阻止了二维材料中光生电子空穴的快速复合。另一方面二维材料的高迁移率极大地提高了光电导增益,实现了高性能的红外探测器件的制备。   在二维半导体材料可控生长及其电子和光电子性质的研究基础上,何军课题组进一步实现了一种基于二维材料MoS2/PbS范德华异质结的红外非易失性存储器。该器件能把红外光信号高效地转换为电信号,而且能实现稳定存储。这种器件不仅展现出了极高的红外光探测性能:光响应度超过107安培每瓦,光增益超过1011,探测率超过1015琼斯,而且具有极其稳定的光存储性能,存储时间超过104秒。此外该存储器可以通过脉冲栅压擦除,经过2000次循环仍能保持稳定。结合理论模型与实验数据,研究人员发现光存储机制来源于PbS中光生电子注入MoS2,界面势垒ФR阻止MoS2里面的电子反向注入PbS。光生空穴被局域在PbS价带或者缺陷产生光栅作用,诱导电子浓度大约2.4×1024cm-3,出现光存储。加脉冲栅压MoS2电子浓度增加,MoS2中电子通过量子遂穿注入PbS与局域空穴复合,光存储被擦除。当脉冲栅压从10增加到100V,栅压诱导的电子从0.6×1024 增加到2.5×1024 cm-3 ,这个值跟光栅诱导的电子浓度非常接近。以上实验观测与理论模型(随脉冲栅压增加MoS2中注入到PbS中的电子浓度增加)相一致。850, 1310 和1550 nm 这三个波段是光纤损耗比较低的波段,被广泛应用于光纤通讯,该光存储器能有效将这三个光纤通讯波段的光信号转换为电信号并实现稳定存储。这种应用于红外通讯波段的非易失性存储器目前是首次报道。这项研究成果为光电子存储以及其逻辑电路提供了新思路,相关研究成果日前以Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures 为题发表在science advances(Sci. Adv. 2018; 4 : eaap7916)上。   该研究工作得到了国家相关人才计划、科技部重大科学研究计划等的支持。