ReRAM-память, оказывается, ещё и аккумулятор

В оперативной памяти для хранения информации используются электроны, которые намного меньше собственно атомов. Поэтому контролировать их местоположение в ячейке трудно, а чтобы избежать рассеивания электронов (и потери записанной информации), ячейку приходится окружать толстым по наномеркам слоем изолятора.

Стандартная ячейка ReRAM, одновременно являющаяся микроаккумулятором (здесь и ниже иллюстрация I.Valov et al.).

Поэтому многие разработчики обращают взоры в сторону ReRAM (резистивной памяти с произвольным доступом), основанной на ионах — обычно одноатомных частицах, получивших или потерявших какое-то количество электронов. В такой системе электроны уже пойманы ионами, и в толстом изоляторе нет нужды. В то же время без слоя изолятора, состоявшего из множества атомов, размеры системы определяются в основном параметрами иона, который размерно близок к одиночному атому.

Для контроля такого иона в опытных образцах памяти используются два электрода (скажем, из серебра и платины). Таким образом, схема начинает отдалённо напоминать банальный литий-ионный аккумулятор, в котором для удержания электронов тоже используются ионы.

Этим сходством заинтересовались учёные под руководством Ильи Валова из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена (Германия). Для подтверждения способности элементов новой памяти играть роль микроаккумуляторов исследователи проанализировали самые современные ReRAM-образцы различных производителей. «Оглядываясь назад, можно сказать, что присутствие напряжения, свойственного аккумуляторам, в ReRAM самоочевидно. Но за время девятимесячного рассмотрения работы [перед её публикацией в журнале] нам пришлось приложить огромные усилия по переубеждению коллег». И это понятно, добавляет г-н Валов, ведь вольтаж ReRAM-ячеек может иметь три разных базисных механизма возникновения, и чёткая фиксация сравнительной важности каждого из них не была простым делом.

Открытие означает, что теоретическая база, использовавшаяся для анализа ReRAM, устарела. Её понимали как совокупность мемристоров — пассивных элементов, способных изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через них заряда. Но, как показало исследование, по сути, элементы ReRAM активны и имеют собственный заряд, так что математические способы для описания работы этих компонентов ошибочны.

Три сценария возникновения напряжения в ReRAM-элементе. Обратите внимание, в случае формирования нанонити накопления заряда не будет — из-за короткого замыкания.

Впрочем, практика давно указывала на то, что с нашим пониманием этого типа памяти что-то не так. Необъяснимым оставался долговременный дрейф параметров отдельных ячеек ReRAM. Действительно, теперь, когда мы уяснили, что они могут накапливать заряд, становится очевидно, что при длительной работе без учёта этого фактора свойства ионов в ReRAM просто обязаны претерпевать изменения.

Посему можно не только преодолеть эту проблему, но и создать совершенно новые виды электроники, в которых источник питания и энергонезависимая память будут интегрированы в одну микросхему.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Phys.Org и Nature Communications.