Согласно результатам, полученным учёными из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, флеш-память с использованием мультиграфена по быстродействию и времени хранения информации может превосходить аналоги, основанные на других материалах.
По словам старшего научного сотрудника ИФП СО РАН кандидата физико-математических наук Юрия Николаевича Новикова, в настоящее время графен — тема модная как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения прикладной. В частности, в ИФП СО РАН рассматривалась возможность применения мультиграфена (несколько слоёв графена) во флеш-памяти. Принцип действия последней основан на инжекции (впрыскивании) и хранении электрического заряда в запоминающей среде (мультиграфене). Помимо этого необходимыми компонентами такой флеш-памяти являются туннельный и блокирующий слои. Первый изготавливается из оксида кремния, второй, как правило, из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости.
Эффективность флеш-памяти (время хранения заряда, быстродействие) в свою очередь зависит от величины работы выхода запоминающей среды — энергии, которая тратится на удаление электрона из вещества. Используемый мультиграфен обладает важной особенностью — у него большая работа выхода для электронов, около 5 эВ (электронвольт). Из-за этого на границе мультиграфена и оксида кремния величина потенциального барьера увеличена и составляет примерно 4 эВ. Именно этот эффект был положен в основу исследования.
Мультиграфен, «зажатый» между туннельным и блокирующим оксидами, представляет собой глубокую потенциальную яму, куда заряд скидывается и где потом долго хранится. Это даёт возможность оптимизировать геометрию флеш-памяти, например, использовать более тонкий туннельный слой. Для сравнения: величина потенциального барьера на границе кремния и оксида кремния составляет только 3,1 эВ. По этой причине во флеш-памяти, основанной на хранении заряда в кремниевых кластерах, применяются более толстые туннельный и блокирующий слои, что неизбежно приводит к уменьшению быстродействия.
«Так как для флеш-памяти на основе мультиграфена требуется тонкий туннельный слой, то быстродействие повышается в два-три раза. Ко всему прочему мы можем использовать более низкие напряжения перепрограммирования, а большая работа выхода позволяет долго хранить инжектированный заряд», — отмечает Юрий Новиков.
Однако для эффективности блокирующий и туннельный слои должны быть достаточно качественными. Наличие пор (проводящего канала) в диэлектрике грозит утечкой заряда, то есть потерей информации. Это проблема всей флеш-памяти, в которой применяется проводящий материал (кремний, металл, мультиграфен). Решение — использование в качестве запоминающей среды вещества с ловушками, например нитрида кремния. В случае дефекта заряд не уйдёт, как из мультиграфена, а останется на ловушках. Тем не менее данные всё равно не смогут храниться вечно: за счёт туннельного эффекта инжектированный заряд со временем уменьшается, стекает. Чтобы по истечении десяти лет информацию во флеш-памяти можно было распознать, требуются довольно толстые туннельный и блокирующие слои.
Говорить о масштабном производстве флеш-памяти на основе мультиграфена пока рано. «На данный момент мы занимаемся только фундаментальными исследованиями. Конечно, опытные образцы существуют, и с ними интенсивно работают, но для коммерческого применения, скажем в России, требуется завод с современными технологиями. Стоить он будет около пяти миллиардов долларов», — размышляет Юрий Новиков. Также он добавил, что сейчас в институте проводятся исследования различных материалов для применения их в резистивной памяти. Хранение данных в ней осуществляется за счёт изменения сопротивления материала и в отсутствие питания, а быстродействие, по прогнозам, сравнимо с оперативной памятью. При этом число циклов перезаписи окажется значительно больше, а потребление энергии — меньше, чем во флеш-памяти, основанной на инжекции и хранении заряда.
