高等半导体物理第八章

1、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。, 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

2、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, 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。,

3、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（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read OnlyMemory，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

4、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。,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。,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（Floating

5、 gate Avalanche injection MOS）存储器单元。,这类存储器后来演化成了EPROM（Electrically Programmable ROM）。,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,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,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,1.3 目前流行的非挥发性Flash存储器,铁电模式存储器件, 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

6、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,1.4 非挥发性Flash存储器的编程机制,Fowler-Nordheim 隧穿,1.4 非挥发性Flash存储器的编程机制,直接 隧穿,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,纳米结构存

7、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,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,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,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. 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,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,自准直双层堆叠纳米晶粒纳米存储器模型 ( Self-Aligned Doubly-Stacked

8、Nano-Memory Device Model ),P 沟道纳米存储器模型 ( P-Channel Nano-Memory Device Model ),2.2 纳米存储器的主要模型,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,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,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,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,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,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,用p 沟道锗/硅异质纳米结构存储器单元构成的22 逻辑阵列,2.4 纳米存储器的简单逻辑阵列,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