高等半导体物理第八章

纳米存储器§1半导体存储器的发展§2硅基纳米存储器§3未来存储器的发展方向纳米存储器§1半导体存储器的发展§2硅基纳米存储器§3未来存储器的发展方向1.1信息存储技术信息的表现形式主要是数据、文字、声音和图像。人类可以依靠大脑来存储信息，一个人的大脑约可存储1013位信息。s20世纪50年代中期，为了能使计算机实现程序存储，先后出现了水银柱延迟存储器、阴极射线管存储器、磁带存储器和磁鼓等存储技术。1963年前后，开始采用磁芯存储器，它用一个具有方形磁滞特性的铁氧体磁芯存储信息，根据剩余磁通的方向表示“1”和“0”两种状态。1970年前后，开始使用圆盘基片上涂敷氧化铁的磁盘存储器。七十年代末，随着集成电路的发展，在主存储器中正式采用比磁芯存储器存取时间更短的半导体存储器。半导体存储器的使用是计算机技术发展史上的一个革命性的标志，从此计算机在超大存储容量、超高处理速度和微型化等诸方面获得了迅猛的发展。与此同时，也出现了光盘存储技术，它具有存储容量大、存储时间长和可靠性高等优点。1.1信息存储技术s1988年，铁电薄膜半导体随机存储器的研制成功，使具有非挥发性和抗辐射性的铁电存储器重又引起了人们的注意。存储器是具有记忆功能的器件，随着信息技术特别是计算机结构和器件的发展，存储器的种类日益繁多，分类方法也有多种多样。衡量存储器性能的主要技术指标有存储容量、存储密度、存取时间（存取速度）、存取周期（数据传送率）、误码率、可靠性、功耗和性价比等等。按存取方式分，有随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）等。按存储介质分，有磁存储器、半导体存储器、铁电存储器和光存储器等。按功能分，有寄存器型存储器、高速缓冲存储器、主存储器和外存储器等。1.2半导体存储器的发展过程1967年，D.Kahng和S.M.Sze首先提出利用浮置栅极来构造非挥发性存储器的思想。由此发展出了两类实用的存储器类型：一类是基于直接隧穿思想而提出的电荷陷阱存储器件，另一类是基于浮置栅极思想而提出的浮栅存储器件。s1.2半导体存储器的发展过程第一类器件是用MNOS（Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor）结构代替MIMIS结构构造存储器单元[2]。在MNOS型存储器件中，上页图中的M1和I2层被氮化硅层所代替。在MNOS存储器的操作过程中，无论写入电荷还是擦去电荷都是通过外加电场而实现的，这一方法后来成为半导体存储器的主要编程机制。s1.2半导体存储器的发展过程第二类器件是把介质层I1加厚，应用其它的机制来注入或移去浮栅上的电荷。这方面首先提出的器件模型是FAMOS（FloatinggateAvalancheinjectionMOS）存储器单元。这类存储器后来演化成了EPROM（ElectricallyProgrammableROM）。s1.3目前流行的非挥发性Flash存储器浮栅结构存储器件SIMOS单元结构示意图s1.3目前流行的非挥发性Flash存储器浮栅结构存储器件一种FLOTOX单元结构示意图s1.3目前流行的非挥发性Flash存储器电荷陷阱模式存储器件SONOS存储器单元结构示意图s1.3目前流行的非挥发性Flash存储器铁电模式存储器件s铁电存储器的工作原理主要是基于铁电体的电滞回线。当不同方向的电压扫描时，就会出现方向相反的两种稳定的极化状态，可以表示“0”和“1”两种状态。铁电存储器有两个其它类型的存储器无可比拟的优点：良好的非挥发性和抗辐射能力。铁电存储器通常有两种结构形式：一种是用作“备份”存储器，一种是用作“主要存储单元”。1.4非挥发性Flash存储器的编程机制热电子注入s1.4非挥发性Flash存储器的编程机制Fowler-Nordheim隧穿s1.4非挥发性Flash存储器的编程机制直接隧穿sF-N隧穿和直接隧穿所通过的势垒形状的比较纳米存储器§1半导体存储器的发展§2硅基纳米存储器§3未来存储器的发展方向2.1纳米存储器的工作机理s纳米结构存储器的典型结构(a)和等效电路(b)2.1纳米存储器的工作机理s纳米存储器的工作原理示意图2.1纳米存储器的工作机理s纳米存储器的I-V特性曲线纳米存储器的阈值漂移2.2纳米存储器的主要模型sK.Yano的单纳米岛存储器模型示意图单纳米岛存储器模型2.2纳米存储器的主要模型sS.Tiwari的多纳米晶粒存储器结构示意图多纳米晶粒存储器模型2.2纳米存储器的主要模型sY.Shi对纳米存储器电荷长期存储模式的解释深陷阱电荷存储模式2.2纳米存储器的主要模型s自准直双层堆叠纳米晶粒纳米存储器模型(Self-AlignedDoubly-StackedNano-MemoryDeviceModel)P沟道纳米存储器模型(P-ChannelNano-MemoryDeviceModel)2.2纳米存储器的主要模型s锗/硅异质结构纳米存储器模型2.2纳米存储器的主要模型s锗/硅异质结构纳米存储器模型2.3纳米存储器的一些实验和理论结果s硅量子点纳米存储器硅多量子点纳米存储器硅多量子点阵列的电镜照片2.3纳米存储器的一些实验和理论结果s硅量子点纳米存储器硅多量子点纳米存储器的电流电压关系硅多量子点存储器的保留时间曲线2.3纳米存储器的一些实验和理论结果s锗/硅异质结构纳米存储器锗/硅异质纳米结构存储器的保留时间曲线2.3纳米存储器的一些实验和理论结果s锗/硅异质结构纳米存储器锗/硅异质纳米结构存储器的时间特性曲线2.4纳米存储器的简单逻辑阵列s用p沟道锗/硅异质纳米结构存储器单元构成的2×2逻辑阵列2.4纳米存储器的简单逻辑阵列s锗/硅异质纳米结构存储器单元的偏压条件纳米存储器§1半导体存储器的发展§2硅基纳米存储器§3未来存储器的发展方向3.1磁阻随机存取存储器s一个二维磁存储器单元阵列工作原理示意图3.2谐振隧道二极管存储器s一个谐振隧道二极管存储器实验电路3.3单电子存储器s3.3相变非挥发性存储器s本章结束本章结束