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Quantum dot based non-volatile memory (QD-Flash) with fast write, erase, and read access of a few nanoseconds - Green Memory Concept

Subject Area Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Experimental Condensed Matter Physics
Term from 2007 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 41488511
 
Final Report Year 2018

Final Report Abstract

Ziel des Projektes QD-Flash war es, die prinzipielle Machbarkeit eines quantenpunkt-basierten Halbleiterspeichers zu demonstrieren, und die wesentlichen Leistungscharakteristika des Konzeptes (Speicher-, Schreib-, Löschzeiten, Haltbarkeit) zu untersuchen. Die Projektziele waren technisch und wissenschaftlich äußerst anspruchsvoll, und damit auch risikobehaftet. Es konnte demonstriert werden, dass Information in selbstorganisierten Quantenpunkten gespeichert, manipuliert und erfolgreich wieder ausgelesen werden kann. Somit ist die prinzipielle Machbarkeit eines Quantenpunktspeichers (QD-Flash) demonstriert. Die Speicherzeit in Quantenpunkten ist eines der wichtigsten Leistungscharakteristika, wenn man Nichtflüchtigkeit der gespeicherten Informationen erreichen will. Die Speicherzeit hängt von zwei Eigenschaften der Quantenpunkte ab: der Lokalisierungsenergie und dem Einfangquerschnitt. Im Rahmen des Projektes war es möglich, durch Verwendung verschiedener völlig neuer Typ-II Materialsysteme die Lokalisierungsenergie auf einen neuen Rekordwert von 1,18 eV zu erhöhen (vor Projektbeginn: 710 meV). Dementsprechend konnte eine Rekord-Speicherzeit von 3,9 Tagen bei Raumtemperatur realisiert werden (bisheriger Rekord: 1.6 s). Ein Weg, die Nichtflüchtigkeitsgrenze (10 Jahre bei Raumtemperatur) zu erreichen, könnte der Einsatz einer AlP-Barriere sein. Dadurch würde die Lokalisierunsenergie - und somit die Speicherzeit - nochmals erhöht. Alternativ könnte der Einfangquerschnitt weiter erniedrigt werden. Eine weitere wichtige Kennzahl bei Speichern ist die Schreibzeit. Hier konnte eine Schreibzeit von ~6 ns in QPen in einfachen pn-Diodenstrukturen demonstriert werden. Dies liegt bereits im Bereich der DRAM-Zugriffszeit, was den QD-Flash hinsichtlich dieser Kennzahl konkurrenzfähig macht. Bei den HEMT/MODFET-Prototypstrukturen konnten Schreibzeiten unterhalb von 10 ns demonstriert werden. Sowohl bei den pn-Dioden als auch HEMT/MODFET-Strukturen ist die Schreibzeit derzeit noch limitiert durch parasitäre Effekte. Eine Optimierung (Skalierung der Strukturgrößen) verspricht hier wesentlich kürzere Schreibzeiten. Die Löschzeiten konnten in Diodenstrukturen mit eingebetteten QPen bestimmt werden. Die Löschzeit ist 44 ns für InAs/GaAs QPe (Elok = 210 meV) bei einem elektrischen Feld von 144 kV/cm und 1.5 ms für GaSb/GaAs QPe (Elok = 450 meV) bei einem elektrischen Feld von 206 kV/cm. Bei den InAs/GaAs-HEMT/MODFET-Strukturen wurden Löschzeiten leicht oberhalb von 100 ns gemessen. Generell zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Löschzeit von der Lokalisierungsenergie (Elok). Es existiert ein Trade-off: eine längere Speicherzeit resultiert auch in einer längeren Löschzeit, da sich die Emissionsbarriere erhöht. Unsere Modellierungen zeigen, dass die Lösung dieses Trade-offs der Einsatz einer Übergitterstruktur unter Ausnutzung resonanter Tunneleffekte ist. In einem Einzeltest konnte die Haltbarkeit des QD-Flash bestimmt werden. Sie liegt oberhalb von 106 Schreib- und Löschzyklen. Zusammenfassend stellt die Gesamtmenge der Ergebnisse des Projektes einen Durchbruch des Arbeitsgebietes dar. Viele Gruppen in der ganzen Welt, in Singapur, Taiwan, China, … haben basierend auf unseren Ergebnissen Arbeiten auf diesem Gebiet aufgenommen und setzen unsere Pionierarbeiten fort.

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