Чем плотнее инженеры упаковывают ячейки памяти, тем сложнее заставить ток идти только туда, куда нужно. Исследователи создали туннельный селектор из пяти вертикально сложенных слоёв ван-дер-ваальсовых материалов, который подавляет паразитные токи, выдерживает более 1012 циклов и переключается менее чем за 20 нс. Разработка закрывает сразу несколько требований, мешавших масштабировать кроссбар-массивы и наращивать память в третьем измерении.
Работу провела международная команда под руководством специалистов Университета Южной Калифорнии при участии Университета Флориды, исследовательских подразделений ВВС и Армии США и японского Национального института материаловедения. Статья вышла 7 сентября в Nature Electronics.
Кроссбар-память устроена как решётка из пересекающихся проводников, между которыми находятся элементы хранения данных. Архитектура позволяет очень плотно размещать ячейки и складывать несколько массивов друг над другом. Проблема возникает при чтении или записи: ток способен пройти через соседние невыбранные ячейки по обходным маршрутам. Паразитные пути увеличивают энергопотребление и мешают точно определить состояние нужной ячейки.
Для борьбы с утечками рядом с элементом памяти устанавливают селектор. Компонент должен почти полностью блокировать ток при небольшом напряжении и резко открывать проводящий канал после достижения рабочего уровня. Для крупных массивов одного сильного контраста недостаточно: селектор одновременно должен выдерживать огромное число операций, быстро срабатывать, сохранять характеристики при изменении температуры и мало отличаться от экземпляра к экземпляру.
Авторы собрали структуру из графена, дисульфида молибдена, основного туннельного барьера, ещё одного слоя дисульфида молибдена и второго графенового электрода. Материалы образуют градуированный энергетический барьер. При небольшом напряжении электронам трудно пройти сквозь структуру, а повышение напряжения резко увеличивает вероятность квантового туннелирования. За счёт подобной зависимости селектор пропускает большой рабочий ток и одновременно удерживает ток утечки на низком уровне.
Перед изготовлением устройств исследователи построили теоретическую модель и с её помощью рассчитали два варианта центрального барьера. В первой версии использовали гексагональный нитрид бора. Нелинейность селектора превысила 107, то есть ток в рабочем режиме отличался от тока при пониженном напряжении более чем на семь порядков. Устройство выдержало свыше 1012 циклов, переключалось менее чем за 20 нс и показало слабую зависимость характеристик от температуры вместе с небольшим разбросом между отдельными образцами.
Во второй версии центральным материалом стал сульфид галлия. Нелинейность превысила 106, а рабочее напряжение удалось снизить до 2,5 В. Более низкое напряжение упрощает сочетание селектора с окружающей электроникой и уменьшает требования к цепям управления.
Преимущество ван-дер-ваальсовых материалов связано не только с электрическими характеристиками. Атомарно тонкие кристаллы можно складывать друг на друга без жёсткого требования к совпадению кристаллических решёток соседних материалов. Границы между слоями получаются резкими и хорошо контролируемыми, что особенно важно для туннельного барьера, где небольшое изменение структуры заметно влияет на ток.
Команда проверила селекторы не только отдельно. Устройства объединили с резистивными элементами памяти по схеме «один селектор - один резистор», включая мемристор на основе оксида гафния, а также собрали ячейки «один селектор - один конденсатор». Эксперименты показали возможность работы с энергонезависимой и энергозависимой памятью, поэтому конструкция не привязана к единственному типу ячейки.
Авторы сравнили характеристики с другими технологиями селекторов. Главным результатом стала не рекордная величина одного параметра, а сочетание высокой нелинейности, ресурса свыше триллиона циклов, наносекундного быстродействия, температурной стабильности и небольшого разброса характеристик в одном двухконтактном элементе.
Исследование пока не демонстрирует готовую многоэтажную микросхему памяти. Эксперименты охватывают отдельные селекторы и интегрированные ячейки, поэтому перед промышленным применением потребуется перенести принцип на крупные массивы и технологические процессы массового производства. Пятислойная структура решает фундаментальную задачу, без которой дальнейшее уплотнение кроссбар-памяти и полноценное трёхмерное размещение ячеек остаются затруднительными.