(Phys.org) —De baanbrekende siliciumoxidetechnologie van Rice University voor high-density, computergeheugen van de volgende generatie is een stap dichter bij massaproductie, dankzij een verfijning waarmee fabrikanten apparaten op kamertemperatuur kunnen fabriceren met conventionele productiemethoden.

Vijf jaar geleden voor het eerst ontdekt, De siliciumoxidegeheugens van Rice zijn een soort twee-terminale, "resistive random-access memory" (RRAM) technologie. In een nieuw artikel dat online beschikbaar is in het tijdschrift American Chemical Society: Nano-letters , een Rice-team onder leiding van scheikundige James Tour vergeleek zijn RRAM-technologie met meer dan een dozijn concurrerende versies.

"Dit geheugen is superieur aan alle andere twee-terminale unipolaire resistieve geheugens met bijna elke metrische, "Zei Tour. "En omdat onze apparaten siliciumoxide gebruiken - het meest bestudeerde materiaal op aarde - is de onderliggende fysica zowel goed begrepen als gemakkelijk te implementeren in bestaande fabricagefaciliteiten." Tour is Rice's TT en WF Chao Chair in Chemistry en professor van werktuigbouwkunde en nano-engineering en van informatica.

Tour en collega's begonnen meer dan vijf jaar geleden aan hun baanbrekende RRAM-technologie. Het basisconcept achter resistieve geheugenapparaten is het inbrengen van een diëlektrisch materiaal - een materiaal dat normaal geen elektriciteit geleidt - tussen twee draden. Wanneer een voldoende hoge spanning over de draden wordt aangelegd, door het diëlektrische materiaal kan een smal geleidingspad worden gevormd.

De aan- of afwezigheid van deze geleidingsroutes kan worden gebruikt om de binaire enen en nullen van digitale gegevens weer te geven. Onderzoek met een aantal diëlektrische materialen in het afgelopen decennium heeft aangetoond dat dergelijke geleidingspaden kunnen worden gevormd, duizenden keren gebroken en hervormd, wat betekent dat RRAM kan worden gebruikt als basis voor herschrijfbaar willekeurig toegankelijk geheugen.

RRAM is wereldwijd in ontwikkeling en zal naar verwachting binnen een paar jaar de flashgeheugentechnologie op de markt verdringen, omdat het sneller is dan flash en veel meer informatie in minder ruimte kan stoppen. Bijvoorbeeld, fabrikanten hebben plannen aangekondigd voor RRAM-prototypechips die ongeveer één terabyte aan gegevens kunnen opslaan op een apparaat ter grootte van een postzegel - meer dan 50 keer de gegevensdichtheid van de huidige flashgeheugentechnologie.

Het belangrijkste ingrediënt van Rice's RRAM is de diëlektrische component, silicium oxide. Silicium is het meest voorkomende element op aarde en het basisingrediënt in conventionele microchips. Fabricagetechnologieën voor micro-elektronica op basis van silicium zijn wijdverbreid en gemakkelijk te begrijpen, maar tot de ontdekking in 2010 van geleidende filamentroutes in siliciumoxide in het lab van Tour, het materiaal werd niet beschouwd als een optie voor RRAM.

Vanaf dat moment, Tour's team heeft geracet om zijn RRAM verder te ontwikkelen en heeft het zelfs gebruikt voor exotische nieuwe apparaten zoals transparante flexibele geheugenchips. Tegelijkertijd, de onderzoekers voerden ook talloze tests uit om de prestaties van siliciumoxidegeheugens te vergelijken met concurrerende diëlektrische RRAM-technologieën.

"Onze technologie is de enige die aan alle marktvereisten voldoet, zowel vanuit een productie- als een prestatiestandpunt, voor niet-vluchtig geheugen, Tour zei. "Het kan bij kamertemperatuur worden vervaardigd, heeft een extreem lage vormspanning, hoge aan-uit verhouding, laag energieverbruik, negen-bits capaciteit per cel, uitzonderlijke schakelsnelheden en uitstekend fietsuithoudingsvermogen."

In de laatste studie, een team onder leiding van hoofdauteur en Rice postdoctoraal onderzoeker Gunuk Wang toonde aan dat het gebruik van een poreuze versie van siliciumoxide het RRAM van Rice op verschillende manieren drastisch zou kunnen verbeteren. Eerst, het poreuze materiaal verminderde de vormingsspanning - het vermogen dat nodig is om geleidingspaden te vormen - tot minder dan twee volt, een 13-voudige verbetering ten opzichte van de vorige beste van het team en een aantal dat zich verhoudt tot concurrerende RRAM-technologieën. In aanvulling, het poreuze siliciumoxide stelde het team van Tour ook in staat om de noodzaak van een "apparaatrandstructuur" te elimineren.

"Dat betekent dat we een vel poreus siliciumoxide kunnen nemen en elektroden naar beneden kunnen laten vallen zonder randen te hoeven maken, " zei Tour. "Toen we onze eerste aankondiging deden over siliciumoxide in 2010, een van de eerste vragen die ik uit de industrie kreeg, was of we dit konden doen zonder randen te fabriceren. We konden toen niet, maar de overstap naar poreus siliciumoxide stelt ons uiteindelijk in staat om dat te doen."

Wang zei, "We hebben ook aangetoond dat het poreuze siliciumoxidemateriaal de uithoudingscycli meer dan 100 keer verhoogde in vergelijking met eerdere niet-poreuze siliciumoxidegeheugens. Tot slot, het poreuze siliciumoxidemateriaal heeft een capaciteit van maximaal negen bits per cel, het hoogste aantal onder op oxide gebaseerde geheugens, en de meervoudige capaciteit wordt niet beïnvloed door hoge temperaturen."

Tour zei dat de nieuwste ontwikkelingen met poreuze siliciumoxide-gereduceerde vormingsspanning, eliminatie van de noodzaak voor randfabricage, uitstekende uithoudingscycli en multi-bit-capaciteit - zijn buitengewoon aantrekkelijk voor geheugenbedrijven.

"Dit is een grote prestatie, en we zijn al benaderd door bedrijven die geïnteresseerd zijn in het licentiëren van deze nieuwe technologie, " hij zei.

Studie co-auteurs - allemaal van Rice - omvatten postdoctoraal onderzoeker Yang Yang; onderzoekswetenschapper Jae-Hwang Lee; afgestudeerde studenten Vera Abramova, Huilong Fei en Gedeng Ruan; en Edwin Thomas, de William en Stephanie Sick Dean van Rice's George R. Brown School of Engineering, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en in chemische en biomoleculaire engineering.