Mémoires électroniques : concepts, matériaux, dispositifs et technologies

Auteur(s) :

Lacaze, Pierre-Camille Découvrir l'auteur

Résumé

L'auteur présente les concepts nouveaux susceptibles de conduire à l'émergence des mémoires électroniques de type SCM (Storage Class Memory). Trois systèmes sont sur le point d'atteindre cet objectif : les mémoires magnétiques STT (Spin Transfer Torque), les mémoires à changement de phase (PCRAM) et les mémoires résistives (RRAM) à métallisation ou à changement de valence. ©Electre 2014

Autre(s) auteur(s)
- Lacroix, Jean-Christophe
Contributeur(s)
- Baptist, Robert. Éditeur scientifique
Éditeur(s)
- Iste éditions
Date
- cop. 2014
Notes
- bibliogr. en fin de chapitres. Index
Langues
- Français
Description matérielle
- 1 vol. (268 p.) : ill., couv. ill. en coul.; ; 24 cm
Collections
- Électronique
Sujet(s)
ISBN
- 978-1-78405-030-6
Indice
- 621.45 Microélectronique (transistors, composants, circuits intégrés)
Quatrième de couverture
- La réflexion en termes d'optimisation du stockage des données et des vitesses d'exécution a dernièrement conduit à de nouveaux critères de fonctionnement des mémoires électroniques du futur. Ces mémoires, tout en consommant très peu d'énergie, devront pouvoir assurer à la fois des fonctions d'archivage (conservation des données sur des périodes supérieures à 10 ans) et être capables d'effectuer des opérations logiques à très grande vitesse (temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde).
  De telles mémoires, dites SCM (Storage Class Memory), n'existent pas encore et font actuellement l'objet de recherches intensives.
  Cet ouvrage présente les trois systèmes sur le point d'atteindre cet objectif : les mémoires magnétiques STT (Spin Transfer Torque), les mémoires à changement de phase (PCRAM) et les mémoires résistives (RRAM) à métallisation ou à changement de valence. Proposant une description détaillée des évolutions de la technologie existante, il analyse également l'émergence de concepts nouveaux susceptibles de conduire à des mémoires électroniques de type SCM.
Tables des matières
- - Mémoires électroniques
  - concepts, matériaux, dispositifs et technologies
  - Pierre Camille Lacaze
  - Jean-Christophe Lacroix
  - iSTE
  - Avant-propos9
  - Première partie. Stockage de l'information et état de l'art des mémoires électroniques11
  - Chapitre 1. Problèmes généraux liés au traitement et au stockage de l'information. Classification des mémoires et perspectives13
  - 1.1. Les problèmes posés par le flux des informations digitales13
  - 1.2. Les mémoires électroniques actuelles et leur classification15
  - 1.3. Les mémoires du futur17
  - 1.4. Bibliographie22
  - Chapitre 2. Etat de l'art des mémoires électroniques DRAM, SRAM, Flash, HDD et MRAM25
  - 2.1. Les mémoires volatiles DRAM25
  - 2.1.1. Principe de fonctionnement d'un transistor MOSFET (metal oxide semiconductor field transistor)25
  - 2.1.2. Mode de fonctionnement d'une mémoire DRAM29
  - 2.2. Les mémoires SRAM (static random access memory)30
  - 2.3. Les mémoires non volatiles issues de la technologie CMOS33
  - 2.3.1. Principe de fonctionnement d'un MOSFET à grille flottante (floating gate)34
  - 2.3.1.1. Comment charger et décharger la grille flottante ?35
  - 2.3.1.2. Les problèmes physiques liés au stockage des charges électriques et leur incidence sur le fonctionnement d'une mémoire à grille flottante37
  - 2.3.1.3. Multi-level cells42
  - 2.3.1.4. La qualité des diélectriques : une cause de limitation des performances d'une mémoire à grille flottante (floating gate memory)44
  - 2.3.1.5. Le talon d'Achille des mémoires à grille flottante45
  - 2.3.2. Les mémoires Flash48
  - 2.3.2.1. Les mémoires Flash NOR et NAND48
  - 2.3.2.2. Organisation générale des mémoires NAND Flash51
  - 2.3.2.3. Les perspectives d'évolution des mémoires Flash53
  - 2.4. Les mémoires magnétiques non volatiles MRAMs et HDDs54
  - 2.4.1. La découverte de la magnétorésistance géante (GMR) à l'origine de l'essor des disques durs55
  - 2.4.1.1. Caractéristiques de la GMR55
  - 2.4.2. Les vannes de spin57
  - 2.4.3. Les jonctions magnétiques tunnel (MTJs, magnetic tunnel junctions)59
  - 2.4.4. Principe de fonctionnement d'un disque dur (HDD)59
  - 2.4.5. Principe de fonctionnement d'une mémoire magnétique MRAM61
  - 2.5. Conclusion63
  - 2.6. Bibliographie64
  - Chapitre 3. Evolution des mémoires SSD vers le FeRAMs, FeFETs, CTMs et STT-RAMs69
  - 3.1. L'évolution des DRAMs vers le FeRAMs à ferroélectrique70
  - 3.1.1. Caractéristiques d'un matériau ferroélectrique70
  - 3.1.2. Principe de fonctionnement d'une mémoire FeRAM73
  - 3.1.3. Principe de fonctionnement d'une mémoire FeFET76
  - 3.1.3.1. Caractéristiques de rétention78
  - 3.1.3.2. Des matériaux ferroélectriques autres que les oxydes ?80
  - 3.2. L'évolution des mémoires Flash vers les charge trap memories (CTM)85
  - 3.3. L'évolution des mémoires magnétiques (MRAM) vers les mémoires à transfert de spin (STT-RAM, spin torque transfer)90
  - 3.3.1. Nanomagnétisme et implications expérimentales91
  - 3.3.2. Principe du transfert de moment de spin (spin torque transfer)92
  - 3.3.3. Evolution récente due à l'utilisation de matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire95
  - 3.4. Conclusion97
  - 3.5. Bibliographie98
  - Deuxième partie. L'émergence de nouveaux concepts : les mémoires inorganiques NEMS, PCRAM, RRAM et organiques105
  - Chapitre 4. Mémoires volatiles et non volatiles réalisées à l'aide de NEMS107
  - 4.1. Interrupteurs nanoélectromécaniques à deux électrodes108
  - 4.1.1. NEMS à bras de levier suspendu108
  - 4.1.1.1. Fonctionnement et effet mémoire d'un NEMS à bras de levier suspendu108
  - 4.1.1.2. Description de la technique d'élaboration111
  - 4.1.2. NEWS à pont suspendu113
  - 4.1.3. Réseaux croisés de nanotubles de carbone114
  - 4.2. Interrupteurs NEMS à trois électrodes117
  - 4.2.1. Interrupteur à cantilever élaboré par les techniques de lithographie117
  - 4.2.2. Nano-interrupteurs à nanotubes de carbone121
  - 4.2.2.1. Mémoires NEMS avec un nanotube de carbone comme bras de levier121
  - 4.2.2.2. Mémoires NEMS à nanotubes de carbone « verticaux »123
  - 4.2.3. Mémoires hybrides NEMS-MOSFET à grille flottante mobile ou à cantilever mobile126
  - 4.2.3.1. Mémoires à grille flottante mobile126
  - 4.2.3.2. Mémoires à cantilever mobile et à nanotube de carbone fixe127
  - 4.3. Conclusion130
  - 4.4. Bibliographie131
  - Chapitre 5. Mémoires électroniques non volatiles à changement de phase (PCRAM)135
  - 5.1. Fonctionnement d'une mémoire électronique à changement de phase137
  - 5.1.1. Constitution et fonctionnement d'une mémoire PCRAM à GST137
  - 5.1.2. L'antinomie entre la résistance élevée de l'état amorphe et un échauffement rapide140
  - 5.2. Caractéristiques physicochimiques comparées de quelques matériaux à changement de phase145
  - 5.3. Quelques paramètres déterminants pour l'optimisation du fonctionnement des mémoires à PCM147
  - 5.3.1. Influence de la géométrie des cellules sur l'intensité du courant I_m nécessaire à la fusion du cristal148
  - 5.3.2. Optimisation de la composition des alliages à changement de phase pour l'amélioration des vitesses de transition Set et Reset152
  - 5.3.2.1. Effet des variations de composition entre les éléments Ge, Sb et Te153
  - 5.3.2.2. Dopage du GST par des éléments autres que Ge, Sb ou Te154
  - 5.3.3. Influence d'une nanostructuration de la couche du matériau à changement de phase158
  - 5.3.3.1. Couches alternées de GeTe et Sb₂Te₃158
  - 5.3.3.2. Interprétation de l'effet de structuration de la couche GST sur les vitesses de communication162
  - 5.3.4. Techniques récentes proposées pour améliorer les vitesses d'amorphisation et de cristallisation des matériaux à changement de phase165
  - 5.3.4.1. Procédures nouvelles d'amélioration des vitesses de cristallisation sans modification des propriétés de rétention165
  - 5.3.4.2. Amorphisation sans fusion induite par des impulsions électriques de quelques centaines de picosecondes167
  - 5.3.5. Les problèmes liés à l'interconnexion des cellules PCRAM dans une architecture de type 3D crossbar169
  - 5.4. Conclusion171
  - 5.5. Bibliographie171
  - Chapitre 6. Mémoires résistives (RRAM)177
  - 6.1. Principales caractéristiques des mémoires résistives180
  - 6.1.1. Système unipolaire181
  - 6.1.2. Système bipolaire182
  - 6.2. Les mémoires électroniques à métallisation183
  - 6.2.1. Interrupteurs atomiques (Atomic Switch)185
  - 6.2.2. Les mémoires à métallisation comportant un isolant ou un semi-conducteur188
  - 6.2.2.1. Composant Cu/SiO₂/Pt188
  - 6.2.2.2. Composant Ag/ZnO/Pt190
  - 6.2.3. Conclusions relatives au fonctionnement des mémoires à métallisation193
  - 6.3. Les mémoires résistives à changement de valence (VCM, valence change memory)194
  - 6.3.1. Les premiers travaux relatifs aux mémoires résistives194
  - 6.3.2. Les mémoires résistives après les années 2000195
  - 6.3.3. Une mémoire résistive à pérovskite (SrZrO₃) avec des performances meilleures que celles des mémoires Flash196
  - 6.3.4. Les mécanismes d'électroformage et de commutation (RS, resistive switching)199
  - 6.3.4.1. Les processus d'électroformage EF (electroforming)200
  - 6.3.4.2. Mécanismes de communication résistive RS (Resistive Switching)202
  - 6.3.5. L'oxyde de hafnium pour la réalisation de mémoires résistives universelles ?205
  - 6.4. Conclusion207
  - 6.5. Bibliographie208
  - Chapitre 7. Mémoires électroniques organiques non volatiles213
  - 7.1. Mémoires organiques de type Flash216
  - 7.1.1. Dispositif flexible FG-OFET à grille flottante métallique216
  - 7.1.1.1. Construction de l'OFET à grille flottante et caractéristiques électriques217
  - 7.1.1.2. Construction du capteur de pression220
  - 7.1.2. FG-OFET flexible à grille flottante organique entièrement élaboré par spin coating et inkjet printing223
  - 7.1.2.1. Elaboration du FG-OFET par des protocoles de chimie des solutions (all-solution processable FG-OFET)223
  - 7.1.2.2. Caractéristiques électriques du all solution processed FG-OFET225
  - 7.1.3. OFETs flexibles à piégeage de charges dans le diélectrique de grille (Flexible OFETs with charge-trap gate dielectrics)227
  - 7.1.3.1. Principe de fonctionnement des OFETs à électrets polymères228
  - 7.1.3.2. OFETs à électret polymère élaborés sur papier230
  - 7.1.4. OFETs à nanoparticules conductrices encapsulées dans le diélectrique de grille232
  - 7.1.4.1. Elaboration de l'OFET à NPs d'or232
  - 7.1.4.2. Caractéristiques de fonctionnement234
  - 7.1.5. Les OFETs à diélectriques rédox236
  - 7.1.5.1. Elaboration du transistor « rédox »237
  - 7.1.5.2. Fonctionnement du transistor238
  - 7.2. Mémoires organiques résistives à deux contacts240
  - 7.2.1. Mémoires organiques à métallisation électrochimique241
  - 7.2.1.1. Composants M/I/M' à polymère électrolyte241
  - 7.2.1.2. Composants M/I/M' à polymère conducteur242
  - 7.2.2. Mémoires organiques résistives à piégeage de charges (resistive charge-trap organic memory)247
  - 7.2.2.1. Composant résistif M/I-m/I/M' avec « m » couche intermédiaire de piégeage des charges électriques247
  - 7.2.2.2. Composant résistif M/I/M' a NPs métalliques d'or249
  - 7.3. Mémoires moléculaires252
  - 7.4. Conclusion255
  - 7.5. Bibliographie256
  - Conclusion261
  - Index265
Origine de la notice:
- Electre