Ячейки памяти с программируемой металлизацией.

Еще один пример внедрения нанотехнологий в системы записи/хранения информации – разработка электрохимических ячеек памяти с программируемой металлизацией (Programmable Metallization Cell – PMC). Технология PMC использует электрохимическое управление в наношкале количеством металла в тонких пленках твердого электролита (рис. 8). Ключевые атрибуты - низкое напряжение и ток для операций записи-считывания, превосходная универсальность и простой метод изготовления. Принцип действия основан на растворении буквально счетного количества атомов серебра или меди в халкогенидных стеклах (например, селенид или сульфид германия германия) или оксидах (например, окись вольфрама), чтобы формировать твердый электролит. Содержащий серебро или медь слой и инертный электрод, контактирующий с пленкой электролита, создают устройство, в котором информация сохранена через электрические изменения, вызванные окислением серебра или меди и соответствующее сокращение числа их ионов в электролите. Эти реакции приводят к обрыву (или сужению) проводящего металлического мостика, таким образом создавая или разрушая токопроводящий канал, как можно видеть на рисунке 8. Это происходит при применяемом напряжении всего в нескольких сотен милливольт и может приводить к изменению сопротивления контакта на несколько порядков величины в пределах временного интервала в нескольких десятков наносекунд. Приложение обратного напряжения инвертирует направление процесса, который будет продолжаться до тех пор, пока электроосажденный металл не будет полностью удален, таким образом стирая записанную информацию о состоянии ячейки. Иногда этот тип памяти называют проводящей мостовой оперативной памятью (CBRAM) или памятью твердого электролита.

Рис. 8. Конструкция и принцип действия ячейки памяти на программируемой металлизации.

Одной из самых перспективной технологией считается ферроэлектрический принцип хранения информации — FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory). Особенность ферроэлектриков (или сегнетоэлектриков) состоит в сравнительно легком изменении величины дипольного момента под влиянием электрического поля. В обычном состоянии ферроэлектрик не является однородно поляризованным, а состоит из доменов с различными направлениями поляризации. Под действием электрического поля кристалл становится однодоменным (т.е. поляризованным), причем после выключения поля это состояние сохраняется в течение длительного времени. При воздействии поля противоположного направления значение поляризации также меняется. На этом принципе строится двоичная система. Переключение поляризации происходит за время меньше  = 1 нс. К преимуществам этой технологии следует отнести стойкость к радиации и другим проникающим излучениям.

Разработанные на фирме ThinFilm тонкие пленки сегнетоэлектрического полимера (толщиной менее 0,1 мкм), зажатые между двумя сетками крошечных электродов, представляет собой матрицу такой памяти. В каждом пересечении шахматной доски электродов (один провод сверху слоя полимера, а другой — снизу его) создается бистабильная ячейка памяти. Электрическое напряжение, приложенное к данной ячейке, может изменять структуру полимера, переводя его из одного стабильного состояния в другое. Альтернативные состояния полимера соответствуют логическим нулю и единице. Данное состояние может сохраняться достаточно продолжительное время, так как изменение состояния полимера носит химический характер. По этой же причине состояние ячейки энергонезависимо. На рис. 9 показана структура матрицы FeRAM памяти.

Рис. 9. Устройство матрицы FeRAM памяти.

Достигнутые уже сейчас размеры элементов устройства составляют: диаметр проводника ~ 0,5 мкм, толщина пленки находилась в пределах 0,1–0,5 мкм. Практически технология создания устройств памяти данного вида может представлять собой раскатывание рулона полимера и напоминать работу газетной типографии. Особенно впечатляет плотность такой памяти. Если сейчас одна ячейка SRAM занимает площадь размером 4  6 мкм², то предлагаемая технология позволит разместить элемент памяти на площади около 0,25 мкм². Причина этого — отсутствие в составе ячейки активных элементов (транзисторов). Активные элементы адресации, считывания и записи могут находиться по периметру матрицы памяти или, как альтернатива, выше или ниже ее. Если учесть, что современная память емкостью в один гигабит требует применения от 1,5 до 6,5 млрд. транзисторов, то система полимерной памяти ограничивается примерно полумиллионом активных элементов. Для повышения плотности памяти листы полимера могут быть сложены стопкой. Согласно расчетам специалистов фирмы ThinFilm, устройство памяти размером с кредитную карточку, построенное по этой технологии, могло бы хранить 60 000 фильмов в стандарте DVD; или 126 лет музыки в стандарте MP3; или 400 000 компакт-дисков; или 250 миллионов цифровых фотографий высокого разрешения! При этом увеличение емкости памяти за счет нанесения дополнительных полимерных пленок не влечет за собой существенного увеличения потребляемой мощности (энергия считывания или записи одного разряда информации не превышает 1 пДж).