Почему фотоаппарат сохраняет сделанные нами кадры, а телефон позволяет прослушивать любимые мелодии? Все мы пользуемся флешками, планшетами и другими гаджетами, но не всегда задумываемся, каким образом они работают. Исследованиями и разработкой флеш-памяти занимаются в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. 

Флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. Она работает благодаря диэлектрикам, имеющим низкую проводимость и обладающим эффектом памяти. Оксид (SiO2) и нитрид (Si3N4) кремния — два ключевых диэлектрика, на которых и основаны приборы кремниевой микроэлектроники. Но их полезные свойства не проявились бы без так называемых ловушек.

Главному научному сотруднику ИФП СО РАН доктору физико-математических наук Владимиру Алексеевичу Гриценко 12 марта 2017 года исполнилось 70 лет. Владимир Гриценко — известный в мире специалист в области физики диэлектрических пленок и флеш-памяти, автор более 180 статей, трех монографий, соавтор десяти коллективных монографий, имеет 25 патентов по приборам флеш-памяти. Индекс Хирша на март 2017 года — 25.

— Ловушки — это некая интрига в физике диэлектриков: дефекты, которые могут захватывать инжектированные из контактов (например, с металлами либо электролитами) электроны, — поясняет Владимир Гриценко. — Дело в том, что в металлических проводниках они свободно движутся, обеспечивая протекание электрического тока. А вот в диэлектриках собственных электронов нет, и проводимость осуществляется только за счет «пойманных» электронов: ловушки не позволяют им двигаться по диэлектрику, захватывая в глубоких потенциальных «ямах». Представьте, что бежит животное, а впереди яма: оно падает и уже не может из нее выбраться. Так же хранится информация в приборах флеш-памяти на основе нитрида кремния — около 10 лет при 85 °C. А вот низкая проводимость, которую обеспечивают диэлектрики, необходима для того, чтобы захваченные электроны оставались в локализованном состоянии большое время: мелкие ловушки они могут и покинуть.

У оксида кремния SiO2 низкая плотность ловушек, что обеспечивает стабильную работу микросхем. Si3N4, наоборот, имеет высокую концентрацию ловушек и обладает эффектом памяти — свойством локализовать инжектированные в него частицы. Как правило, в металлах такими носителями заряда являются электроны, а в полупроводниках и диэлектриках к ним присоединяются дырки — квазичастицы, в отличие от электронов имеющие положительный заряд.

Совместно с доктором физико-математических наук Камилем Ахметовичем Насыровым из Института автоматики и электрометрии СО РАН было установлено, что проводимость нитрида кремния не описывается широко принятой во всем мире моделью ионизации ловушек по механизму Френкеля. Долгое время предполагалось, что свойство локализовать электронные дырки является фундаментальным для аморфных диэлектриков с отсутствием строгой периодичности в расположении атомов. Однако нитрид кремния является аморфным и захватывает электроны и дырки, а вот аморфный оксид кремния этого сделать не способен — значит, гипотеза оказалась неверной. Вопрос был в том, какую атомную и электронную структуру имеют ловушки, которые захватывают электронные дырки в Si3N4. С помощью экспериментов и теоретических расчетов выяснилось, что ловушкой является вакансия азота, насыщенная одним атомом водорода.

— Эффект памяти в нитриде кремния обнаружили в 1970-х годах, но природа ответственных за эффект памяти ловушек была окончательно выявлена нашей группой только в 2016 году, — добавляет Владимир Гриценко. — Так, твердое тело состоит из чередующихся атомов: кремний, азот, кремний, азот, кремний… Если мы удалим атом азота, то рядом останутся Si-Si связи — такой дефект называется вакансией азота. Вакансия — это, по сути, пустое место. Наше открытие дает возможность управлять запоминающими свойствами флеш-памяти: прежде всего концентрацией ловушек и их энергией.

Подобные исследования новосибирского ученого легли в основу контрактов с компанией Samsung Electronics: она внедрила в серийное производство флеш-память на основе нитрида кремния при использовании диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью и вывела флеш-память на основе локализации электронов в Si3N4. Сейчас эта технология занимает 70 % мирового рынка. В ее основе лежит трехмерная память — структура, состоящая из 56 слоев нитрида кремния (раньше делался только один слой). На такой флеш-памяти производятся твердотельные диски, мобильные телефоны, видеокамеры, планшеты, персональные компьютеры и другие устройства.

Еще одно открытие, запатентованное совместно учеными из ИФП СО РАН и сотрудниками завода «Микрон» в Зеленограде — флеш-память на основе мультиграфена как запоминающей среды для хранения электрического заряда. Дело в том, что в качестве альтернативы Si3N4 используется изолированный поликремний (материал, состоящий из мелких кристаллитов кремния), окруженный диэлектриком, который выступает в качестве большой ловушки для электронов. Но большая толщина поликремния неизбежно приводит к ограничению информационной емкости. Однако если его заменить на мультиграфен, открывается возможность дальнейшего увеличения объема флеш-памяти: использование этого вещества позволит перейти от гигабит к террабитам.

— Сейчас на рынке доминирует флеш-память на нитриде кремния, — поясняет ученый. — Однако промышленность уже подходит к физическому пределу, который просто не позволяет еще больше увеличивать информационную емкость таких микросхем. Поэтому во всем мире ведутся исследования физических процессов, которые могут быть положены в основу разработки новых поколений флеш-памяти — на основе резистивного эффекта, открытого в 2008 году компанией Hewlett-Packard.

Оказывается, если к тонкому диэлектрику приложить большое напряжение, он способен перейти в высокое проводящее состояние — это основной принцип работы резистивной памяти, которая имеет быстродействие в миллион раз выше (порядка наносекунды) по сравнению с флеш-памятью на нитриде кремния (порядка миллисекунды). Другим ее преимуществом является меньшее потребление энергии в режиме записи информации: то есть подобные устройства будут работать от батарей значительно большее время. Такая память, возможно, ляжет в основу нового поколения микросхем, которые даже вытеснят флеш-память, но этого следует ждать не раньше чем через пять — десять лет. Пока ученые пытаются решить ряд научных проблем: прежде всего, неясна физика переключения диэлектрика из малопроводящего в сильнопроводящее состояние и обратно.

Алёна Литвиненко

Источники

Флеш-память: запомнить все!
Наука в Сибири (sbras.info), 20/03/2017

Похожие новости

  • 03/10/2018

    В Новосибирске к 2026 году планируется построить центр нанотехнологий

    ​Единственный в России Центр нанотехнологий, в котором будут выполняться работы полного цикла - от разработки до мелкосерийного производства - планируется построить в новосибирском Академгородке к 2026 году.
    680
  • 24/05/2017

    Омские промышленники интересуются разработками СО РАН

    ​​Делегация представителей высокотехнологичной индустрии Омской области посетила институты новосибирского Академгородка. Свыше 20 главных инженеров, конструкторов и специалистов омских предприятий — ФНПЦ «Прогресс», «Омское машиностроительное КБ», «Омсктрансмаш», «Высокие технологии» и «Омский НИИ приборостроения» (ОНИИП) — встретились с председателем Сибирского отделения РАН академиком Александром Леонидовичем Асеевым и его советником доктором физико-математических наук Геннадием Алексеевичем Сапожниковым.
    1962
  • 02/02/2018

    Алексей Шулунов: радиофотоника - одно из важнейших направлений электроники

    ​До второго десятилетия нынешнего века в промышленности планеты прошли и ныне проводятся три направления развитии - пара, электрона, атома. "В настоящее время в мире идет переход на четвертый уровень, основывающийся на технологиях фотона, - отметил известный руководитель отечественной оборонной промышленности, руководитель рабочей группы № 19 Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ, академик МАИ Алексей Шулунов, - эти технологии используют свойства фотонов, частиц, не имеющих массы покоя и заряда, что позволяет преодолеть принципиальные физические ограничения "классической" электроники.
    3171
  • 18/09/2018

    Директор ИАиЭ СО РАН Сергей Бабин принял участие в заседании научно-технического совета АУ «Технопарк – Мордовия»

    13-14 сентября в Саранске прошло VI заседание Научно-технического совета (НТС) АУ «Технопарк - Мордовия». Мероприятие было посвящено рассмотрению вопроса «Цифровая повестка в волоконной оптике». Ведущие российские учёные и специалисты в сфере научно-технической и инновационной деятельности обсудили завершение проекта по созданию Инжинирингового центра волоконной оптики, работа которого напрямую связана с задачей по построению цифровой экономики, поставленной Президентом России.
    729
  • 22/12/2017

    Новосибирские физики сконструируют для лунной базы солнечные батареи

    ​Освоение других планет - давняя мечта человечества. Но ее невозможно реализовать, не решив энергетическую проблему. Новосибирские физики предложили способ усовершенствовать солнечные батареи для работы в космосе.
    964
  • 07/02/2018

    «Экран-оптические системы» будет работать по технологиям ИФП СО РАН

     Институт физики полупроводников им А. В. Ржанова СО РАН и АО «Экран-оптические системы» подписали соглашение о сотрудничестве, в рамках которого в институт будет поставлено промышленное оборудование для производства полупроводниковых гетероструктур — необходимого компонента электронной базы современных телекоммуникационных систем, систем связи и цифровой экономики.
    1249
  • 05/11/2016

    Наиболее перспективные направления, которые должны изменить судьбу Новосибирской области

    ​Главная идея программы, которая, возможно, определит будущее нашей области, состоит в том, чтобы, используя мощный научно-производственный потенциал, создать ряд сверхсовременных предприятий полного цикла, от замысла до серийного производства.
    1868
  • 11/03/2019

    Делегация представителей научных институтов СО РАН посетила Омский НИИ приборостроения

    ​6 марта делегация представителей научных институтов Сибирского отделения Российской академии наук, возглавляемая председателем президиума СО РАН академиком Валентином Пармоном, посетила Омский НИИ приборостроения.
    834
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    2077
  • 21/03/2019

    Фотоника. Мир лазеров и оптики – 2019: Разработки ИАиЭ СО РАН вызывают стабильный интерес

    ​В Москве 7 марта 2019 г. завершила свою работу 14-я международная специализированная выставка «Фотоника. Мир лазеров и оптики - 2019» – ключевое отраслевое событие в России и Восточной Европе, смотр новейших достижений современной лазерной, оптической и оптоэлектронной техники, соорганизатором которого является Лазерная ассоциация.
    388