Celda de metalización programable

La celda de metalización programable , o PMC , es una memoria de computadora no volátil desarrollada en la Universidad Estatal de Arizona . PMC, una tecnología desarrollada para reemplazar la memoria flash ampliamente utilizada , proporciona una combinación de vidas útiles más largas, menor consumo de energía y mejor densidad de memoria. Infineon Technologies , que licenció la tecnología en 2004, se refiere a ella como RAM de puente conductivo , o CBRAM . CBRAM se convirtió en una marca registrada de Adesto Technologies en 2011. ^[1] NEC tiene una variante llamada "Nanobridge" y Sony llama a su versión "memoria electrolítica".

PMC es una tecnología de memoria resistiva de dos terminales desarrollada en la Universidad Estatal de Arizona . PMC es una memoria de metalización electroquímica que se basa en reacciones redox para formar y disolver un filamento conductor. ^[2] El estado del dispositivo está determinado por la resistencia a través de los dos terminales. La existencia de un filamento entre los terminales produce un estado de baja resistencia (LRS) mientras que la ausencia de un filamento da como resultado un estado de alta resistencia (HRS). Un dispositivo PMC está hecho de dos electrodos de metal sólido, uno relativamente inerte (p. ej., tungsteno o níquel ) y el otro electroquímicamente activo (p. ej., plata o cobre ), con una fina película de electrolito sólido entre ellos. ^[3]

El estado de resistencia de una célula fotoeléctrica de membrana se controla mediante la formación (programación) o disolución (borrado) de un filamento conductor metálico entre los dos terminales de la célula. Un filamento formado es una estructura similar a un árbol fractal .

Los PMC se basan en la formación de un filamento conductor metálico para realizar la transición a un estado de baja resistencia (LRS). El filamento se crea aplicando una polarización de voltaje positivo ( V ) al contacto del ánodo (metal activo) mientras se conecta a tierra el contacto del cátodo (metal inerte). La polarización positiva oxida el metal activo (M):

M → M ⁺ + e ⁻

La polarización aplicada genera un campo eléctrico entre los dos contactos metálicos. Los iones metálicos ionizados (oxidados) migran a lo largo del campo eléctrico hacia el contacto catódico. En el contacto catódico, los iones metálicos se reducen :

M ⁺⁺ e− ^→ M​

A medida que el metal activo se deposita en el cátodo, el campo eléctrico aumenta entre el ánodo y el depósito. La evolución del campo eléctrico local ( E ) entre el filamento en crecimiento y el ánodo se puede relacionar de manera simple con lo siguiente:

${\displaystyle E=-{\frac {V}{d}}}$

donde d es la distancia entre el ánodo y la parte superior del filamento en crecimiento. El filamento crecerá para conectarse al ánodo en unos pocos nanosegundos. ^[4] Los iones metálicos continuarán reduciéndose en el filamento hasta que se elimine el voltaje, ensanchando el filamento conductor y disminuyendo la resistencia de la conexión con el tiempo. Una vez que se elimina el voltaje, el filamento conductor permanecerá, dejando el dispositivo en un LRS.

El filamento conductor puede no ser continuo, sino una cadena de islas de electrodeposición o nanocristales. ^[5] Es probable que esto prevalezca con corrientes de programación bajas (menos de 1 μ A ), mientras que una corriente de programación más alta conducirá a un conductor principalmente metálico.

Un PMC se puede "borrar" y llevar a un estado de alta resistencia (HRS) aplicando una polarización de voltaje negativo al ánodo. El proceso redox utilizado para crear el filamento conductor se invierte y los iones metálicos migran a lo largo del campo eléctrico invertido para reducirse en el contacto del ánodo. Con el filamento eliminado, el PMC es análogo a un condensador de placas paralelas con una alta resistencia de varios M Ω a G Ω entre los contactos.

Se puede leer un PMC individual aplicando un pequeño voltaje a través de la celda. Mientras el voltaje de lectura aplicado sea menor que el umbral de voltaje de programación y borrado, la dirección de la polarización no es significativa.

La CBRAM se diferencia de la ReRAM de óxido metálico en que, en el caso de la CBRAM, los iones metálicos se disuelven fácilmente en el material entre los dos electrodos, mientras que, en el caso de los óxidos metálicos, el material entre los electrodos requiere un campo eléctrico elevado que provoca un daño local similar a una ruptura dieléctrica , lo que produce un rastro de defectos conductores (a veces denominado "filamento"). Por lo tanto, en el caso de la CBRAM, un electrodo debe proporcionar los iones que se disuelven, mientras que en el caso de la RRAM de óxido metálico, se requiere un paso de "formación" único para generar el daño local.

La principal forma de memoria no volátil de estado sólido que se utiliza es la memoria flash , que se está utilizando en la mayoría de las funciones que antes cumplían los discos duros . Sin embargo, la memoria flash tiene problemas que llevaron a muchos esfuerzos por introducir productos para reemplazarla.

El transistor Flash se basa en el concepto de compuerta flotante y es básicamente un transistor modificado. Los transistores Flash convencionales tienen tres conexiones: la fuente, el drenaje y la compuerta. La compuerta es el componente esencial del transistor, ya que controla la resistencia entre la fuente y el drenaje y, por lo tanto, actúa como un interruptor. En el transistor de compuerta flotante , la compuerta está unida a una capa que atrapa electrones, dejándola encendida (o apagada) durante períodos prolongados de tiempo. La compuerta flotante se puede reescribir haciendo pasar una gran corriente a través del circuito emisor-colector.

Esta corriente elevada es el principal inconveniente de la memoria flash, y esto se debe a varias razones. Por un lado, cada aplicación de la corriente degrada físicamente la celda, de modo que, con el tiempo, la celda no podrá escribirse. Los ciclos de escritura del orden de 10 ⁵ a 10 ⁶ son típicos, lo que limita las aplicaciones de la memoria flash a funciones en las que la escritura constante no es habitual. La corriente también requiere un circuito externo para generarse, utilizando un sistema conocido como bomba de carga . La bomba requiere un proceso de carga bastante largo, de modo que la escritura es mucho más lenta que la lectura; la bomba también requiere mucha más energía. Por lo tanto, la memoria flash es un sistema "asimétrico", mucho más que la RAM o los discos duros convencionales.

Otro problema con las memorias flash es que la compuerta flotante sufre fugas que liberan lentamente la carga. Esto se contrarresta mediante el uso de potentes aislantes circundantes, pero estos requieren un cierto tamaño físico para ser útiles y también requieren una disposición física específica , que es diferente de las disposiciones CMOS más típicas , que requirieron la introducción de varias técnicas de fabricación nuevas. A medida que las memorias flash se reducen rápidamente en tamaño, la fuga de carga se convierte cada vez más en un problema, lo que llevó a predicciones de su desaparición. Sin embargo, la inversión masiva del mercado impulsó el desarrollo de las memorias flash a velocidades superiores a la Ley de Moore , y a fines de 2007 se pusieron en funcionamiento plantas de fabricación de semiconductores que utilizan procesos de 30 nm.

A diferencia de las memorias flash, las PMC escriben con un consumo de energía relativamente bajo y a una velocidad elevada. La velocidad es inversamente proporcional a la potencia aplicada (hasta cierto punto, existen límites mecánicos), por lo que el rendimiento se puede ajustar. ^[6]

En teoría, el PMC puede escalarse a tamaños mucho más pequeños que el flash, teóricamente tan pequeños como unos pocos iones de ancho. Los iones de cobre tienen aproximadamente 0,75 angstroms ^[7] , por lo que parecen posibles anchos de línea del orden de los nanómetros. El PMC se promocionó como más simple en diseño que el flash. ^[6]

La tecnología PMC fue desarrollada por Michael Kozicki, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Arizona en la década de 1990. ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]} Los primeros sistemas PMC experimentales se basaban en vidrios de seleniuro de germanio dopados con plata . El trabajo se centró en electrolitos de sulfuro de germanio dopados con plata y luego en electrolitos de sulfuro de germanio dopados con cobre. ^[4] Ha habido un renovado interés en los dispositivos de seleniuro de germanio dopados con plata debido a su estado de alta resistencia. El PMC de vidrio de dióxido de silicio dopado con cobre sería compatible con el proceso de fabricación de CMOS .

En 1996, se fundó Axon Technologies para comercializar la tecnología PMC. Micron Technology anunció su colaboración con PMC en 2002. ^[15] Infineon siguió su ejemplo en 2004. ^[16] La tecnología PMC fue licenciada a Adesto Technologies en 2007. ^[6] Infineon había escindido el negocio de memorias a su empresa Qimonda , que a su vez lo vendió a Adesto Technologies. En 2010 se concedió una subvención de la DARPA para realizar más investigaciones. ^[17]

En 2011, Adesto Technologies se alió con la empresa francesa Altis Semiconductor para el desarrollo y fabricación de CBRAM. ^[18] En 2013, Adesto presentó un producto CBRAM de muestra en el que se promocionó una parte de 1 megabit para reemplazar EEPROM . ^[19]

NEC desarrolló la denominada tecnología nanobridge, que utiliza Cu2S _o pentóxido de tantalio como material dieléctrico. De esta manera, el cobre (compatible con la metalización de cobre del CI) hace que el cobre migre a través de Cu2S _{o Ta2O5} , _creando o rompiendo cortocircuitos entre los electrodos de cobre y rutenio. ^{[20] [21] [22] [23]}

El uso dominante de este tipo de memoria son las aplicaciones espaciales, ya que este tipo de memoria es intrínsecamente resistente a la radiación.

• Memoria estática de acceso aleatorio

• Corporación Axon Technologies
• Michael N. Kozicki
• Tecnologías Adesto