公告/发布日期:2016/10/12

mile米乐集团 在超出常规限制的高温环境下运行的非易失性存储器

-人类首次获得超过600摄氏度的重写/记录技术-

积分

  • 利用纳米间隙实现纳米间隙存储器的耐高温性
  • 利用耐热铂纳米结构实现超过600摄氏度的重写记录技术,远超传统技术
  • 超高温记录技术有望应用于飞行记录仪等耐环境电子设备


摘要

千叶工业大学(校长小宫和仁)(以下简称“千叶工业大学”)工学部(工学部院长平冢健一)机械电子工学系助教菅博志国立产业技术综合研究所(会长中钵良二)(以下简称“AIST”)纳米电子研究部(研究部主任安田哲二)、首席研究员内藤康久、国立材料科学研究所(所长桥本一仁)(以下简称“国立材料科学研究所”)国际纳米结构研究中心与首席研究员冢越一仁合作,Shirokane纳米间隙利用该结构,甚至可以在600摄氏度下运行非易失性存储器开发了第一个元素。

 在使用普通硅半导体的存储元件中,带隙引起的半导体特性高温下无法维持,记忆功能无法维持。这次,通过在信息存储领域使用耐热铂纳米结构,我们开发了一种可以在极高温度下运行的非挥发性材料。阻值变化记忆这种存储元件有望应用于高温环境下的存储器和传感器,例如飞行记录仪和行星探测器。有关该技术的详细信息,请参阅Springer Nature出版的学术期刊科学报告,10月11日以电子版形式发表。

600℃高温下运行确认图
确认可在600℃高温下运行


发展的社会背景

 存储在纸张或易燃记录介质上的信息会因火灾时高温造成的损坏而丢失。在使用普通硅半导体的存储器件中,表现出半导体特性的带隙在高温下变得更小,并且在超过200摄氏度的高温下无法保持信息。换句话说,到目前为止还无法在高温环境下写入或读取数据,并且几乎没有技术可以在高温下保护记录。另一方面,飞机飞行记录仪、汽车行驶记录仪、行星探测器等都需要在高温环境下保护记录的技术,并且被认为可以通过创建一个安全可靠的社会以及可靠地将知识传递给下一代来为科学的发展做出贡献。

研究历史

 AIST 的目标是在下一代非易失性存储器的研发中扩大电子设备的使用,作为这一努力的一部分,它一直致力于开发世界上第一个使用金属原子纳米结构的非易失性存储器(2007年6月19日AIST主要研究成果)。这次,来自千叶工业大学、日本产业技术研究院和国立材料科学研究所的研究小组利用千叶工业大学的技术来提高纳米间隙电极中电极金属的结晶度,以阐明有助于高温下记忆性能的纳米结构结构变化的机制。基于对这一现象的澄清,我们现在通过使用铂作为电极材料实现了高温下的存储操作,即使在高温下也能抵抗结构变化。

 这项研究和开发得到了科学研究补助金JP23760320、文部科学省2015年至2015年私立大学战略研究基础设施建设支持项目(S1511002)以及日本科学技术振兴机构(JST)的部分支持。这项工作得到了战略创意研究促进项目(CREST)“通过材料、设备和系统的融合创造创新纳米电子学”(研究主管樱井高安)的研究项目“实现数字数据长期存储的高度可靠的存储系统”的支持。

研究内容

如图1所示,在纳米间隙存储器中,可逆变化的纳米柱在纳米间隙的空隙中生长,电阻值通过接近和分离而变化。由于隧道电流在接近和离开时电阻值变化较大,因此可以产生开和关两种状态。只要保持金属结构,纳米间隙存储器就可以保留记忆。此次,通过利用千叶工业大学的技术提高纳米间隙电极的电极金属的结晶度,我们阐明了有助于在高温下维持记忆功能的纳米结构的结构变化的机制。图2是铂纳米间隙存储器存储部分的扫描电子显微镜图像。它具有高结晶度并且在开关操作后不太可能发生重大形状变化这一事实有助于阐明这种机制。

纳米间隙存储器原理图概述
图1纳米间隙存储器原理概述
纳米间隙间距随着纳米柱的生长而变化

纳米间隙存储器的扫描电子显微镜图像(具有纳米间隙的绝缘基板(氧化硅薄膜)上的铂电极)
图2 纳米间隙存储器的扫描电子显微镜图像(具有纳米间隙的绝缘基板(氧化硅膜)上的铂电极)

 图3显示了在600℃下交替接通和断开电阻值100次的结果。可以看出,即使在高温环境下,导通电阻值和截止电阻值也是分开的。图4显示了从室温到600℃的温度范围。开/关比与在 400°C 左右熔化的金相比,具有高熔点的铂纳米间隙存储器即使在高温环境下也能表现出高开/关比。从温度依赖性的角度阐明了高温环境下纳米柱的形成机制。具体而言,已经发现,在纳米柱形成过程中,两种效应同时发生:形成柱的原子运动和抑制柱形成的原子扩散。研究发现,铂纳米间隙可以用作存储器,因为即使在高温环境下,原子转移也可以胜过后者的影响。此外,这种铂纳米间隙存储器即使在高温环境下也能像室温下一样稳定地保持信息,写入状态在600℃下保持8小时以上。

600℃环境下纳米间隙存储器的开/关值图
图3 600℃环境下纳米间隙存储器的ON/OFF值

铂纳米间隙存储器开/关比的温度依赖性图
图 4 铂纳米间隙存储器开/关比的温度依赖性

未来计划

通过能够保存在灾害期间等高温下无法保护的数据,有望为建设安全放心的社会做出贡献。此外,由于它可以在数据中心和其他场所使用,而无需担心废热,因此可以减少冷却能耗,并且对节能有很高的期望。然而,电子设备高温耐久性的研究才刚刚开始,我们将继续基础研究、实际应用研究,并寻找能够承受更高温度的材料。这项研究揭示的纳米间隙存储器的高温耐久性表明,如果在室温下存储信息,信息可以保留更长时间,这为长期记录存储器的发展带来了希望。



术语解释

◆纳米间隙
在硅基板上形成约 10 nm 的微小间隙。具有该纳米间隙的金属电极称为纳米间隙电极。[返回来源]
◆非易失性存储器
除非供电否则无法保留存储信息的存储器称为易失性存储器,而即使不供电也可以保留信息的存储器称为非易失性存储器。[返回来源]
◆带隙
能带结构中电子占据的最高能带顶部(价带)与最低空能带底部(导带)之间的能量差。为了使电子跨越带隙并在价带和导带之间跃迁,需要吸收或发射大于带隙的能量(光或热)。半导体器件通过利用带隙控制电子跃迁(运动)来实现各种功能。[返回来源]
◆阻值变化记忆
一种存储器,利用了当向金属元素的氧化物施加电压脉冲时电阻值发生变化的事实。正在积极进行研究以实现下一代非易失性存储器。[返回来源]
◆开/关比
对于纳米间隙存储器,控制施加的电压可以使电阻值增加10410 起10可以更改为大约欧姆。指因施加电压而改变的高电阻值与低电阻值之比。[返回来源]


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