KAIST ngày 20/3 cho biết nhóm nghiên cứu do giáo sư Cho Byung-jin thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử dẫn dắt đã phát triển một cấu trúc “cửa thông minh” cho bộ nhớ V-NAND 3D bằng cách ứng dụng vật liệu mới vào lớp vật liệu siêu mỏng. Công nghệ này được kỳ vọng giúp vượt qua giới hạn tăng mật độ lưu trữ của V-NAND thế hệ tiếp theo.

V-NAND 3D là công nghệ bộ nhớ xếp chồng các ô nhớ theo phương thẳng đứng để tăng dung lượng lưu trữ. Theo KAIST, nghiên cứu mới có ý nghĩa ở chỗ xử lý được bài toán suy giảm tốc độ và độ tin cậy trong quá trình ghi/xóa dữ liệu nhờ vật liệu boron oxynitride (BON).

Trong bộ nhớ bán dẫn, lớp tunneling là lớp cách điện siêu mỏng cho phép electron di chuyển trong ô nhớ và giữ vai trò then chốt đối với hiệu năng cũng như độ ổn định của thiết bị. Tuy nhiên, với vật liệu truyền thống silicon oxynitride (SiON), việc nâng tốc độ xóa dữ liệu thường đi kèm nguy cơ rò rỉ điện tích đã lưu, trong khi nếu ưu tiên độ ổn định thì tốc độ xóa lại giảm. Đây là bài toán đánh đổi kéo dài nhiều năm.

KAIST cho biết đây cũng là một trong những rào cản lớn đối với việc thương mại hóa công nghệ penta level cell (PLC) thế hệ mới, cho phép lưu 5 bit trong một ô nhớ. PLC phân biệt 32 trạng thái điện áp khác nhau, từ đó tăng dung lượng lưu trữ ngay cả khi kích thước bộ nhớ không đổi.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã rời khỏi nền vật liệu silicon truyền thống và đưa BON vào lớp tunneling. Vật liệu mới này có đặc tính cho phép ngưỡng năng lượng thay đổi theo từng loại hạt mang điện.

Từ đặc tính đó, nhóm đã thiết kế cấu trúc rào cản năng lượng bất đối xứng. Cấu trúc này cho phép lỗ trống điện tích đi qua dễ hơn trong quá trình xóa dữ liệu, đồng thời giữ electron đại diện cho dữ liệu đã lưu không bị rò rỉ ra ngoài.

Theo KAIST, rào cản năng lượng bất đối xứng là cấu trúc trong đó độ cao rào cản mà hạt mang điện phải vượt qua được thiết kế khác nhau tùy theo loại điện tích. Nhờ vậy, thiết bị có thể đẩy nhanh quá trình xóa dữ liệu nhưng vẫn hạn chế thất thoát electron đã được lưu trữ. Nhóm nghiên cứu ví cơ chế này như một “cửa thông minh” bên trong chất bán dẫn: mở dễ theo chiều cần thiết nhưng vẫn khóa chặt theo chiều ngược lại.

Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị sử dụng lớp tunneling BON có tốc độ xóa dữ liệu nhanh hơn tối đa 23 lần so với trước đây. Thiết bị cũng cho thấy độ bền cao, gần như không suy giảm hiệu năng sau hàng chục nghìn chu kỳ vận hành. Đáng chú ý, trong môi trường vận hành PLC, nơi cần phân biệt chính xác 32 trạng thái điện áp rất nhỏ, khả năng kiểm soát phân bố dữ liệu giữa các thiết bị đã được cải thiện hơn 3 lần.

Giáo sư Cho Byung-jin cho biết công nghệ này có thể được áp dụng ngay vào sản xuất bộ nhớ dung lượng siêu lớn thế hệ tiếp theo, đồng thời góp phần duy trì năng lực cạnh tranh công nghệ của Hàn Quốc trong lĩnh vực bán dẫn.

Nghiên cứu do Kang Dae-hyun, học viên chương trình tích hợp thạc sĩ - tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử, tham gia với vai trò tác giả thứ nhất, đã được công bố tại Hội nghị Quốc tế về Thiết bị Điện tử (IEDM) vào tháng 12 năm ngoái. Công trình được thực hiện với sự hỗ trợ từ chương trình phát triển công nghệ trọng điểm thuộc dự án hỗ trợ phòng thí nghiệm nghiên cứu bán dẫn quốc gia của Bộ Khoa học và ICT Hàn Quốc.