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 , proporcionando una combinación de vida útil más larga, menor consumo de energía y mejor densidad de memoria. Infineon Technologies , que obtuvo la licencia de la tecnología en 2004, se refiere a ella como RAM de puente conductor , 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 entre 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 un PMC está controlado por la formación (programación) o disolución (borrado) de un filamento conductor metálico entre los dos terminales de la celda. Un filamento formado es una estructura similar a un árbol fractal .
Los PMC dependen de 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). El sesgo positivo oxida el metal activo (M):
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 :
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 simplista con lo siguiente:
donde d es la distancia entre el ánodo y la parte superior del filamento en crecimiento. El filamento crecerá hasta conectarse al ánodo en unos pocos nanosegundos. [4] Los iones metálicos continuarán reduciéndose en el filamento hasta que se elimine el voltaje, ampliando el filamento conductor y disminuyendo la resistencia de la conexión con el tiempo. Una vez eliminado el voltaje, el filamento conductor permanecerá, quedando el dispositivo en un LRS.
El filamento conductor puede no ser continuo, sino una cadena de islas de electrodepósito 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 mayoritariamente metálico.
Un PMC se puede "borrar" 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. Sin el filamento, 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. Siempre que el voltaje de lectura aplicado sea menor que el umbral de voltaje de programación y de borrado, la dirección de la polarización no es significativa.
CBRAM se diferencia de la ReRAM de óxido metálico en que, para CBRAM, los iones metálicos se disuelven fácilmente en el material entre los dos electrodos, mientras que para los óxidos metálicos, el material entre los electrodos requiere un campo eléctrico elevado que causa daños locales similares a la ruptura dieléctrica , produciendo un rastro. de defectos de conducción (a veces llamado "filamento"). Por lo tanto, para CBRAM, un electrodo debe proporcionar los iones que se disuelven, mientras que para RRAM de óxido metálico, se requiere un paso único de "formación" para generar el daño local.
La principal forma de memoria no volátil de estado sólido que se utiliza es la memoria flash , que está encontrando uso en la mayoría de las funciones que antes desempeñaban los discos duros . Flash, sin embargo, tiene problemas que llevaron a muchos esfuerzos para introducir productos que lo reemplacen.
Flash se basa en el concepto de puerta flotante , esencialmente un transistor modificado. Los transistores flash convencionales tienen tres conexiones: fuente, drenaje y compuerta. La compuerta es el componente esencial del transistor, controla la resistencia entre la fuente y el drenaje y, por lo tanto, actúa como un interruptor. En el transistor de puerta flotante , la puerta está unida a una capa que atrapa electrones, dejándola encendida (o apagada) durante largos períodos de tiempo. La compuerta flotante se puede reescribir pasando una gran corriente a través del circuito emisor-colector.
Esta gran corriente es el principal inconveniente del flash, y por varias razones. Por un lado, cada aplicación de la corriente degrada físicamente la celda, de modo que eventualmente no se podrá escribir en ella. Los ciclos de escritura del orden de 10 5 a 10 6 son típicos, lo que limita las aplicaciones flash a roles donde la escritura constante no es común. La corriente también requiere de un circuito externo para generarse, utilizando un sistema conocido como bomba de carga . La bomba requiere un proceso de carga bastante largo, por lo que la escritura es mucho más lenta que la lectura; la bomba también requiere mucha más potencia. Flash es, por tanto, un sistema "asimétrico", mucho más que la RAM o los discos duros convencionales.
Otro problema con el flash es que la compuerta flotante sufre una fuga que libera lentamente la carga. Esto se contrarresta mediante el uso de potentes aisladores circundantes, pero estos requieren un cierto tamaño físico para ser útiles y también requieren un diseño físico específico , que es diferente de los diseños CMOS más típicos , que requirieron la introducción de varias técnicas de fabricación nuevas. . A medida que el flash disminuye rápidamente de tamaño, la fuga de carga se convierte cada vez más en un problema, lo que llevó a predicciones de su desaparición. Sin embargo, una inversión masiva del mercado impulsó el desarrollo de flash a velocidades superiores a la Ley de Moore , y a finales de 2007 se pusieron en funcionamiento plantas de fabricación de semiconductores que utilizan procesos de 30 nm.
A diferencia de la memoria flash, PMC escribe con un consumo de energía relativamente bajo y a alta velocidad. La velocidad está inversamente relacionada con la potencia aplicada (hasta cierto punto, existen límites mecánicos), por lo que el rendimiento se puede ajustar. [6]
PMC, en teoría, puede escalar 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 nanómetros. PMC fue promocionado como un diseño más simple que 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 alto estado de 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 trabajo con PMC en 2002. [15] Le siguió Infineon en 2004. [16] La tecnología PMC obtuvo la licencia de Adesto Technologies en 2007. [6] Infineon había escindido el negocio de memorias a su empresa Qimonda , que a su vez lo vendió a Tecnologías Adesto. En 2010 se otorgó una subvención 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 promocionaba una parte de 1 megabit para reemplazar la EEPROM . [19]
NEC desarrolló la llamada tecnología de nanopuentes, utilizando Cu 2 S o óxido de tantalumpen como material dieléctrico. De este modo, el cobre (compatible con la metalización de cobre del CI) hace que el cobre migre a través de Cu 2 S o Ta 2 O 5 generando 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.
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