Ячейки быстрой трёхбитной памяти, напечатанные на стандартном струйном принтере

До настоящего времени в компьютерных устройствах использовалась память двух типов: 1) энергонезависмая, но относительно медленная память типа флеш; 2) энергозависимая быстрая оперативная память вроде DRAM. Но идеальная память сочетает в себя преимущества обеих этих типов — она должна быть быстрой на запись и чтение, но при этом энергонезависмой и не разрушаться в том числе от многократных операций чтения. Именно такой тип памяти сейчас разрабатывают исследовательские коллективы разных компаний. Один из предлагаемых видов памяти — Conductive Bridge RAM (CBRAM), разновидность Resistive RAM (ReRAM).

CBRAM действительно сочетает в себе свойства оперативной памяти и флеш-памяти. Она имеет простую структуру типа проводник-диэлектрик-проводник. Сопротивление ячейки CBRAM изменяется электрохимическим способом между двумя состояниями. Если приложить соответствующее напряжение, то металлическая нить формирует межсоединение между двумя электродами, что соответствует низкому сопротивлению в состоянии ON. Нить можно частично растворить на другом напряжении, возвращая ячейку в состояние высокого сопротивления (OFF).

Одно из самых перспективных направлений в разработке ReRAM — печать ячеек памяти на струйном принтере. Этот процесс не требует применения литографии и чистой комнаты, значительно снижая себестоимость производства электроники. К тому же, используя подложку из дешёвой плёнки, мы получаем память, которая отлично подходит для гибкой электроники. А это значительно расширяет сферу применения электронных устройств.

Предыдущие исследования в области распечатки памяти на принтере фокусировались, в основном, на электрогидродинамических методах печати. К сожалению, на данный момент все устройства памяти, напечатанные стандартной техникой струйной памяти, требуют дополнительных этапов производства, таких как гальванопокрытие или литографическое структурирование.

Но сейчас физики из Мюнхенского университета прикладных наук нашли метод струйной печати CBRAM, который не требует дополнительной постобработки. Из принтера выходят полностью готовые к использованию устройства резистивной оперативной памяти. Метод легко адаптировать для рулонной технологии — процесса изготовления электронных приборов на рулонах гибкого пластика.

Ключевым элементом ReRAM является изолирующий слой, который представляет пространство для миграции ионов и создания металлических нитей. Многие материалы пробовали в этой роли, в том числе Ag₂S, ZnO, SiO₂, GeSe и полимеры, при этом SiO₂ показал самые хорошие характеристики переключения среди всех.

Немецкие физики применили для изолирующего слоя материал Honeywell Accuglass 111. Это метилсилоксановый полимер который содержит слой вышеупомянутого SiO₂. На этот полимер затем наносятся несколько дополнительных слоёв на струйном принтере. Исследователи использовали стандартный коммерчески доступный струйный принтер FujiFilm Dimatix Materials Printer DMP-2850, который применяется для печати разными материалами. В данном случае нужно три жидких материала:

1. электропроводящий слой из наночастиц серебра;
2. спиновое стекло (диэлектрик);
3. электропроводящий органический полимер PEDOT:PSS.

В результате получаются действительно гибкие пластины с перезаписываемой оперативной памятью. По словам авторов научной работы, перезапись информации в такие устройства электрохимическим способом требует относительно малого тока: 1 микроампер для записи, 0,5 вольт для переключения в состояние ON (формирование металлического проводника) и отрицательный вольтаж ?0,05 вольт для переключения в состояние OFF.


Сила тока (в наноамперах) и напряжение при записи, а также соответствующие им характеристики сопротивления и напряжения


Электрическое напряжение для перехода в состояние ON в отношении к температуре спекания спинового стекла

Что самое важное, исследователи достигли скорости переключения из состояния ON в OFF и обратно в 300 наносекунд. Значит, память может работать на частоте 3,33 МГц. Это действительно быстрая память.

Интересно, что изготовляемые таким способом ячейки памяти потенциально являются многобитными. То есть варьируя напряжение, можно устанавливать разное сопротивление в каждой ячейке памяти и таким образом записывать в них не только 0 и 1, но и другие значения. Исследователи говорят, что каждая ячейка способна принимать восемь хорошо различимых между собой электронных состояний (получается 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111, то есть три бита). Пока не совсем понятно, как использовать трёхбитную память. Может быть, просто для повышения плотности хранения информации.

Сейчас плотность записи памяти на пластину зависит только от разрешения, с которым способен печатать принтер. Модель DMP-2850 печатает ячейки 100?100 микрон, но любые улучшения в технологиях струйной печати мгновенно приведут к повышению ёмкости памяти.


Одна ячейка памяти под микроскопом

Учёные надеются, что печать гибкой электроники станет настолько же революционной технологий, как 3D-печать из пластика. Любой человек сможет напечатать для своего домашнего прибора новую электронную плату или просто допечатать оперативной памяти для персонального компьютера в случае необходимости.

Напечатанная память успешно выдержала 10 000 операция чтения на 0,1 В.

Научная работа опубликована в журнале Applied Physics Letters в апреле 2017 года (doi:10.1063/1.4978664).