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共鳴トンネリングを利用する新不揮発性RAMで英ベンチャーが最優秀賞を受賞

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フラッシュメモリの国際会議であるFlash Memory Summit 2023において、Most Innovative Flash Memory startup部門で最優秀賞を英国のスタートアップQuinas Technologyが受賞した(図1)。この新型メモリは量子力学的な井戸型ポテンシャルの共鳴トンネル現象を利用して電荷を出し入れする方式のデバイス。Quinasは英ランカスター大学の発明を事業化する企業。

QuinasのJames Ashforth-PookCEO(左)とManas Hayne CSO(右) / Quinas Technology

図1 Flash Memory Summit 2023においてMost Innovative Flash Memory Startup部門の最優秀賞を受賞したQuinasのCEO兼共同創業者であるJames Ashforth-Pook氏(左)とCSO(最高科学責任者)兼ランカスター大学教授のManas Hayne氏(右) 出典:Quinas Technology


Quinas社は、この新型共鳴トンネリングメモリをULTRARAMと呼んでおり、DRAM以上の読み書き時間の速さと、フラッシュ並みの不揮発性(1000年以上の保持期間)を兼ね備えているという(参考資料1)。これからの不揮発性RAMとして期待は大きい。DRAMよりも高速というのは、リフレッシュ時間が不要であることから来ている。

Quinasという社名は、量子力学(Quantum mechanics)のQuと、InAs(インジウムひ素)の化合物半導体を合わせた造語から来ている。デバイス構造(図2)がスーパーラティス(超格子)のように複数の化合物半導体を重ね合わせているため、InAsだけではないが、Si上にバッファ層を入れながら複数の化合物半導体を使う。


ULTRARAM device concept

図2 シリコン基板上にいくつかのバッファ層を経てトランジスタ層、量子井戸2つ、浮遊ゲート、バリア、制御ゲートという構造をしている 出典:Advanced Electronic Materials


基本的な原理はランカスター大学物理学部のManas Hayne教授が発明した。二つの量子力学的な井戸型ポテンシャルを作り、量子井戸内部の飛び飛びのエネルギー準位が二つの井戸で同じレベルになったとき(共鳴した時)、トンネル現象で電子が移動する。エネルギー準位が揃っていなければ電子はトンネリングできない。ここでは、従来のフラッシュメモリと違って、電子の行き来に関して劣化することはない。電子がホットエレクトロンのような高いエネルギーで行き来する訳ではないからだ。

デバイス構造は、フローティングゲートに電荷(電子)を出し入れする構造になっている(参考資料2)。酸化膜のバリアで電子を閉じ込めている。動作原理は図3左のように、ゲート電圧がゼロの時にチャネル電子と、二つの井戸型ポテンシャル内の量子力学的なエネルギー準位が互いにずれているため共鳴が起こらず、トンネリングしない。また、量子井戸QW1のエネルギー準位よりもQW2の電子のエネルギー準位の方が高いため、QW1からQW2へもトンネルできない。


ULTRARAM device concept

図3 共鳴トンネリングの動作原理 書き込み、消去とも共鳴トンネリングを使う 出典:Advanced Electronic Materials


しかし、制御ゲートにバイアス電圧を加えると図3の右のようになり、チャンネルの電子が量子井戸QW1と同じレベルのエネルギーを持つと、チャンネル電子がトンネリングしてQW1、さらに隣の量子井戸QW2のエネルギー準位へ移動し、浮遊ゲートにチャージされる。この過程で書き込みできる。ゲートバイアスをセロに戻しても浮遊ゲートに電荷が溜まったまま、チャンネル側には戻らずに蓄積される。

消去する場合には、制御ゲートに逆バイアス電圧を加える(参考資料3)。浮遊ゲートの電子のエネルギーと量子井戸QW2のエネルギー準位が揃うようにバイアス電圧を上げると電子はQW2側に移動し、QW1のエネルギー準位が低いためQW2からQW1へ移動し、さらにトンネリングしてチャンネル内に移動する。このようにして浮遊ゲートから電子はチャンネル側に移動され、浮遊ゲートには電荷が消滅しデータを消すことができる。

この新型メモリはDRAMとフラッシュの良さをそれぞれ持つようになるが、コスト的にはシリコン以外の化合物半導体を使うため、それほど期待できないかもしれない。ただ、DRAMは円筒型のメモリセルを大きなアスペクト比で構成しており、NANDフラッシュはセルを100層以上にも重ね合わせる構造になっており、デバイス構造の複雑さは避けられない。DRAMとNANDフラッシュの複雑な構造からみると、このULTRARAMは単純にも見える。

いつこのメモリをどのようなビジネスで進めていくのか、IPベンダーかファブレスメモリか、など、セミコンポータルはQuinas社に問い合わせているが、返事があり次第、情報を提供する。

参考資料
1. "ULTRARAM Start-up Wins Best of Show Memory Technology Award at World’s Largest Memeory Event in Silicon Valley", Quinas Technology News Release 2023/08/10)
2. "ULTRARAM: A Low-Energy, High-Endurance Compound-Semiconductor Memory on Silicon", Research Article, Advanced Electronic Materials (2022/08)
3. Neale, R., "A Very Revealing ULTRARAM Update" The Memory Guy Blog, (2023/03/01)

(2023/08/16)

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