Het zit onder andere in je mobieltje, iPod en fototoestel en je ziet er niets van. Flashgeheugen is dus klein genoeg zou je zeggen. Maar zoals met zoveel in de computerwereld geldt: hoe kleiner, hoe beter. Klein is vaak sneller en het betekent dat apparaten niet zo groot hoeven te zijn. Zoals bijvoorbeeld toekomstige smartphones. Snel is leuk, maar niet als we dan rondlopen met een ‘koelkast’.

Ook het microSD-geheugen in de telefoon of mp3-speler is een type Flashgeheugen.

Marije Nieuwenhuizen

Helaas is algemeen bekend dat het huidige flashgeheugen niet veel beter meer zal worden. Het systeem begeeft het domweg als het nog kleiner wordt gemaakt. Wetenschappers over de hele wereld zijn dan ook druk bezig nieuwe manieren te bedenken om flashgeheugen nog kleiner te maken. Het beste zou een alternatief zijn dat lijkt op het huidige ontwerp, want dan hoeft er niet zoveel aan het productieproces veranderd te worden. Onderzoekers uit Taiwan lijken daar nu in geslaagd te zijn.

Floating gate

Eerst even uitleggen hoe flashgeheugen op dit moment in elkaar steekt. Je hebt vast wel eens gehoord dat computergeheugen werkt met enen en nullen. Dat wil zeggen dat elk stukje informatie (een letter, een cijfer, een zin) geschreven wordt als een bepaald patroon met enen en nullen, en dat die patronen opgeslagen worden. Het computergeheugen bestaat dan ook uit een heleboel schakelaars (transistoren) die of op één, of op nul staan.

Zo’n transistor moet in de juiste stand staan om de juiste patronen te maken. Dat gebeurt met elektriciteit. Meestal is het een 1 zolang er stroom op de staat en schakelt hij terug naar 0 wanneer de stroom er weer af gaat. Dat werkt prima zolang je computer aanstaat maar zet je hem uit, dan springen alle schakelaars naar 0. De opgeslagen patronen zijn weg en je moet weer van voren af aan beginnen.

Flashgeheugen maakt echter gebruik van speciale transistoren die kunnen onthouden of ze een 1 of een 0 waren toen de stroom werd uitgezet. Hieronder zie je een illustratie van dit systeem. De structuur heet het floating gate-ontwerp, omdat die ‘gate’ de kern van het geheugen vormt.

Net als bij een gewone transistor zorgt elektriciteit voor het omzetten van de schakelaar. Is er een 1 nodig, dan wordt er een positief voltage gezet op de bit-lijn en woord-lijn (‘stroomkanalen’ in het geheugen). Hierdoor gaan de elektronen van de bron naar de afvoer stromen, maar de control gate trekt ook een aantal elektronen naar zich toe. Die komen daar door de floating gate, een speciale laag waar de elektronen in gevangen raken. Deze lading in de floating gate zet de schakelaar op 1.

Het bijzondere aan dit systeem is dat de elektronen gevangen blíjven, ook als de positieve voltages op de bit-lijn en woord-lijn weer weg zijn. Oftewel, de schakelaar blijft op 1 staan wanneer de stroom uit gaat. Pas wanneer er negatieve voltages op de bitline en wordline gezet worden, kunnen de elektronen weer terugstromen en staat de schakelaar op 0.

Samen sta je sterk

Zoals gezegd, in de computerwereld geldt: hoe kleiner, hoe beter. Zo ook met het flashgeheugen. Al jaren probeert men het floating gate-systeem steeds dunner te maken, maar men stuit hier op een probleem. Dat probleem zit hem in de laag tussen de floating gate en het silicium. Deze tussenlaag moet stroom enerzijds goed door kunnen laten, want dan kan de schakelaar snel aan- en uitschakelen. Maar anderzijds moet de laag juist goed kunnen isoleren en stroom tegenhouden om er voor te zorgen dat de ingesloten elektronen niet wegstromen. Door deze twee tegenstrijdige eisen kan de laag niet oneindig dunner gemaakt worden.

Hier zie je een super-close-up van nanokristallen. Elk kristalvormig nanomateriaal met een zijde die kleiner is dan 100nm mag zich ‘nanokristal’ noemen. Is het materiaal ietsje groter dan heet het een nanodeeltje, ook al heeft het de vorm van een kristal.

Rensselaer Polytechnic Institute

Tenzij je iets verandert aan de floating gate zelf. Tot nu toe bestond de floating gate altijd uit een laag met aaneengeschakelde siliciumkristallen, maar een laag met losse, geïsoleerde nanokristallen (zie afbeelding hiernaast) werkt ook. De stroom die ingesloten moet worden, kan dan verdeeld worden over de kristallen; elk bewaart een handjevol elektronen. Door de lading te verdelen kan de tussenliggende isolatielaag alsnog dunner worden, want een klein ‘gaatje’ is minder rampzalig.

Nieuw soort nanokristallen

Maar waar zijn de nanokristallen idealiter van gemaakt? Daar is de wetenschap nog niet over uit. Allerlei elementen worden voorgesteld: halfgeleiders, zware metalen, metaaloxides. Alles heeft zijn voor- en nadelen. De onderzoeksgroep uit Taiwan komt nu echter met een veelbelovend idee.

Vorig jaar stelden ze al voor om nanokristallen te gebruiken die bestaan uit twee lagen gadoliniumoxide (Gd₂O₃). Gadoliniumoxide is de meest voorkomende vorm van gadolinium, een zeldzaam aardelement (komt van nature op aarde voor). Uit hun onderzoek bleek dat een combinatie van amorfe (‘vormeloos’) en gekristalliseerde Gd₂O₃ al bijna de juiste elektrische eigenschappen had. Nu hebben de onderzoekers daar echter nog iets aan verbeterd.

In het nieuwe onderzoek hebben ze de nanokristallen van gadoliniumoxide blootgesteld aan een plasma (zie kader hieronder) van fluorkoolstof. In het plasma bevinden zich allerlei deeltjes (positieve ionen, vrije elektronen, neutrale gasatomen) en die reageren met het oppervlakte van de nanokristallen. Het effect van deze ‘plasmabehandeling’ is dat de elektrische eigenschappen van het gadoliniumoxide veranderen. En wel op zo’n manier dat de nanokristallen nu heel goed bruikbaar zijn als opslagmateriaal.

De materialen en processen die de Taiwanese onderzoekers voorstellen zijn op zichzelf niet nieuw in de computerindustrie en ze denken dat hun techniek daarom dan ook snel een succes zal worden.

h4. Losgeslagen elektronen Plasma is een speciaal soort gastoestand waarin deeltjes zich kunnen bevinden. Normaalgesproken is een atoom in de gasfase neutraal: evenveel positieve lading in de kern als negatieve lading daaromheen. Het kan echter gebeuren dat er elektronen ‘ontsnappen’, bijvoorbeeld door verandering van temperatuur. De kern is dan geioniseerd. Wanneer dit in zo’n mate gebeurt dat het gas andere elektrische eigenschappen krijgt, heet het plasma. Het plaatje is een close-up van een plasmalamp. Het gas in de lamp is geioniseerd zodat er vrije elektronen ‘rondvliegen’. Die botsen met het gas en de metaalatomen die ook in de lamp aanwezig zijn. Bij sommige atomen raken elektronen door de botsing in een aangeslagen toestand. Vallen de elektronen weer terug, dan zie je het licht.

Flickr: Elaboratore HAL 9000

Lees meer over computergeheugen of nanokristallen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/computergeheugen/nanokristallen/nanokristal/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"normaal"}