חוקרים מאוניברסיטת דרום קליפורניה פיתחו רכיב Selector המבוסס על מחסום מנהור מדורג בחומרים דו-ממדיים. הרכיב הציג אי-ליניאריות של יותר מעשרה מיליון, עמידות ביותר מטריליון מחזורי מיתוג וזמן תגובה קצר מ-20 ננו-שניות. המחקר מציע דרך להתמודד עם זרמים לא רצויים במערכי זיכרון צפופים, אך הדרך לייצור תעשייתי עדיין ארוכה.
אחד האתגרים הגדולים בפיתוח זיכרונות צפופים יותר אינו קשור דווקא ליכולת לשמור מידע בתא זעיר. הקושי הוא להגיע לתא מסוים, לקרוא את המידע או לשנות אותו, בלי שזרם חשמלי יעבור דרך תאים אחרים ויפריע לפעולה. ככל שמספר התאים גדל והמרחקים ביניהם מצטמצמים, הבעיה נעשית משמעותית יותר.
חוקרים מאוניברסיטת דרום קליפורניה (USC), בהובלת פרופ׳ J. Joshua Yang, הציגו בספטמבר 2026 בכתב העת Nature Electronics רכיב גישה חדש, המכונה Selector, המורכב מחמש שכבות של חומרים דו-ממדיים. הרכיב אינו שומר מידע בעצמו. הוא מתפקד כשער חשמלי שמדכא את הזרם כאשר המתח נמוך, ומאפשר הולכה משמעותית כאשר מופעל המתח הדרוש לגישה לתא הזיכרון.
התוצאות שהציגו החוקרים בולטות במיוחד: אי-ליניאריות העולה על עשרה מיליון, עמידות ביותר מטריליון מחזורי מיתוג וזמן תגובה קצר מ-20 ננו-שניות. השילוב בין שלושת המאפיינים עשוי לסייע בהתמודדות עם אחת המגבלות המרכזיות של מערכי זיכרון תלת-ממדיים. עם זאת, מדובר בתוצאות שהתקבלו ברכיבי מחקר, ולא בהדגמה של שבב זיכרון מסחרי.
הבעיה שמאחורי צפיפות הזיכרון
אחת הארכיטקטורות המבטיחות לזיכרונות בצפיפות גבוהה היא Crossbar, רשת של מוליכים אופקיים ואנכיים שבנקודות החיתוך שלהם ממוקמים תאי הזיכרון. המבנה מאפשר לנצל את שטח השבב ביעילות, ובאופן עקרוני גם לבנות שכבות זיכרון זו מעל זו.
אלא שלמבנה הפשוט יש מחיר חשמלי. כאשר מופעל מתח כדי לקרוא תא מסוים, הזרם עשוי לעבור גם דרך מסלולים חלופיים הכוללים תאים שלא נבחרו. תופעה זו, המכונה Sneak Currents, פוגעת ביכולת להבחין בין מצבי הזיכרון ועלולה להגדיל את צריכת ההספק.
הבעיה בולטת בזיכרונות התנגדותיים, כגון RRAM, שבהם המידע מיוצג באמצעות מצבי התנגדות שונים. כאשר קוראים תא הנמצא במצב התנגדות גבוהה, זרם המגיע ממסלולים אחרים עלול להקשות על מעגל הקריאה לזהות את מצבו האמיתי.
פתרון אחד הוא להצמיד לכל תא טרנזיסטור גישה, בארכיטקטורת 1T1R. הטרנזיסטור מאפשר שליטה טובה בזרם, אך תופס שטח ומקשה על בניית מערכים רב-שכבתיים צפופים. אפשרות אחרת היא ארכיטקטורת 1S1R, שבה מחובר לתא הזיכרון רכיב Selector בעל שני הדקים.
הרכיב נדרש להציג התנגדות גבוהה מאוד במתח נמוך, כדי לדכא זרמי זליגה, ולעבור במהירות למצב הולכה כאשר מופעל מתח מתאים. הדרישה החשובה היא אי-ליניאריות גבוהה של מאפיין הזרם-מתח. בניגוד לרכיב ליניארי, שבו הזרם גדל בקירוב ביחס ישר למתח, ב-Selector איכותי שינוי במתח עשוי להגדיל את הזרם בסדרי גודל רבים.
הדבר חשוב במיוחד כאשר תא נבחר מקבל את מלוא מתח ההפעלה, בעוד שתאים אחרים נחשפים רק לחלק ממנו. ככל שההבדל בין הזרמים בשני המצבים גדול יותר, כך ניתן לצמצם את השפעתם של מסלולי הולכה לא רצויים. עם זאת, הרכיב חייב גם להעביר זרם מתאים לפעולת תא הזיכרון, לפעול במתחים מעשיים ולהציג מאפיינים יציבים לאורך מחזורי הפעלה רבים.
מחסום מנהור שתוכנן ברמה האטומית
הפתרון שפיתחו חוקרי USC מבוסס על חומרים דו-ממדיים ממשפחת van der Waals. בחומרים אלה הקשרים בתוך כל שכבה חזקים יחסית, בעוד שהאינטראקציה בין השכבות חלשה יותר. תכונה זו מאפשרת לשלב חומרים בעלי מבנים אלקטרוניים שונים וליצור ביניהם ממשקים דקים במיוחד.
הרכיב מורכב מחמש שכבות פונקציונליות המסודרות אנכית: Graphene, שכבת Molybdenum Disulfide או MoS₂, מחסום מנהור מרכזי, שכבת MoS₂ נוספת ולבסוף שכבת Graphene עליונה.
הגרפן משמש כשכבה מוליכה, ואילו שכבות MoS₂ והחומר המרכזי קובעים את פרופיל האנרגיה שהאלקטרונים נדרשים לעבור. החוקרים בחנו שני חומרים שונים למחסום המרכזי: בורון ניטריד משושה (hBN) וגופרית גליום (GaS). הבחירה בחומרים אלה מאפשרת ליצור מחסום אנרגיה מדורג, ולא מחסום אחיד.
במנהור קוונטי, אלקטרון יכול לעבור דרך מחסום אנרגיה גם כאשר האנרגיה שלו נמוכה מזו הנדרשת למעבר קלאסי מעליו. הסתברות המעבר תלויה בגובה המחסום, ברוחבו ובתכונות האלקטרוניות של החומר. כאשר המחסום גבוה ורחב, הסתברות המנהור נמוכה מאוד. כאשר הוא נעשה נמוך או צר יותר, ההסתברות גדלה במהירות.
במבנה שפיתחו החוקרים, הפעלת מתח משנה בו-זמנית את גובה המחסום האפקטיבי ואת רוחבו. במתח נמוך, המחסום מדכא את מעבר האלקטרונים. כאשר המתח עולה, השינוי המשולב בפרופיל האנרגיה מאפשר עלייה חדה בהסתברות המנהור ובזרם החשמלי.
בניגוד לרכיבים שבהם מעבר בין מצבי הולכה כרוך בתנועת יונים או ביצירת נתיב מוליך בתוך החומר, כאן המיתוג מבוסס על מעבר אלקטרונים דרך מחסום אנרגיה. אין צורך ליצור ולפרק מחדש נתיב הולכה פיזי בכל מחזור. מנגנון כזה עשוי לצמצם מקורות מסוימים של שחיקה, אך אינו מבטל את הצורך לבדוק פגמים בממשקים, השפעות תרמיות ונזק אפשרי כתוצאה משדות חשמליים גבוהים.
בתמונה: המחשה של מבנה חמש השכבות ברכיב ה־ Selector שפיתחו חוקרי USC : שתי שכבות גרפן ) Graphene (, שתי שכבות MoS2 ומחסום מנהור מרכזי מסוג hBN . שילוב החומרים יוצר מחסום אנרגיה מדורג, המאפשר לשלוט בזרימת האלקטרונים באמצעות שינוי המתח המופעל קרדיט: איור להמחשה המבוסס על המבנה המתואר במחקר USC , שפורסם ב־ Nature .)2026( Electronics
תוצאות המדידה: אי-ליניאריות, מהירות ועמידות
החוקרים בחנו את המאפיינים החשמליים של רכיבי ה-Selector, תוך השוואה בין מבנים המבוססים על שני חומרי מחסום שונים. התוצאות מצביעות על האפשרות להשיג הפרדה חדה בין מצב חסימה למצב הולכה, לצד מהירות תגובה ועמידות במחזורי מיתוג.
| מאפיין | תוצאה מדווחת | מבנה |
| אי-ליניאריות | מעל 10⁷ | hBN |
| עמידות במיתוג | מעל 10¹² מחזורים | hBN |
| זמן מיתוג | פחות מ-20 ננו-שניות | hBN |
| מתח פעולה | 2.5 וולט | GaS |
| אי-ליניאריות | מעל 10⁶ | GaS |
אי-ליניאריות העולה על עשרה מיליון מצביעה על הפרדה חזקה בין הזרם במתח ההפעלה לבין הזרם במתח נמוך יותר, בהתאם לנקודות המדידה שהוגדרו במחקר. אין לבלבל נתון זה עם היחס בין מצבי ההתנגדות של תא הזיכרון, משום שה-Selector עצמו אינו מאחסן מידע.
נתון העמידות, יותר מטריליון מחזורי מיתוג, משמעותי במיוחד לרכיב שנדרש לפעול בכל גישה לתא זיכרון. הוא מצביע על יציבות מנגנון המיתוג בתנאי הניסוי, אך אינו מבטיח אורך חיים דומה של מערכת זיכרון שלמה.
גם זמן התגובה הקצר מ-20 ננו-שניות מתייחס לרכיב הגישה, ולא לזמן הקריאה הכולל של מערך זיכרון. במערכת מלאה יש להביא בחשבון גם את תגובת תא האחסון, את התנגדות וקיבול קווי המערך ואת מעגלי הקריאה והכתיבה.
במבנה המבוסס על GaS הציגו החוקרים אפשרות לפעולה במתח של 2.5 וולט, לצד אי-ליניאריות העולה על מיליון. התוצאה מדגימה כיצד בחירת חומר המחסום מאפשרת לשנות את מאפייני הרכיב. עם זאת, אין להסיק שכל נתוני הביצועים המיטביים של שני המבנים התקבלו באותו רכיב.
החוקרים דיווחו גם על תלות חלשה יחסית בטמפרטורה ועל שונות נמוכה בין רכיבי הניסוי. תכונות אלה חשובות במיוחד במערכים גדולים, שבהם הבדלים בין רכיבים עלולים לצמצם את מרווחי הפעולה החשמליים.
Selector שמציג זרם זליגה נמוך מאוד עדיין חייב להעביר זרם מספיק לפעולת תא האחסון. אם זרם ההולכה מוגבל מדי, הוא עלול לפגוע בכתיבה או בקריאה. מנגד, הגדלת זרם ההולכה באמצעות הקטנת מחסום המנהור עלולה להגדיל גם את זרם הזליגה. היתרון האפשרי של מחסום מנהור מדורג הוא היכולת לשפר את הפשרה הזאת באמצעות תכנון פרופיל האנרגיה.
מה הודגם בשילוב עם רכיבי זיכרון?
מעבר למדידת רכיבי Selector בודדים, החוקרים הציגו גם שילוב בתצורות 1S1R ו-1S1C. בתצורת 1S1R חובר ה-Selector לרכיב זיכרון התנגדותי המבוסס על HfOₓ. השילוב נועד להראות כיצד רכיב הגישה יכול לפעול בטור עם תא זיכרון ולסייע בהגבלת הזרם בהתאם למתח המופעל.
בתצורת 1S1C חובר ה-Selector לקבל, המשמש כרכיב לאגירת מטען חשמלי. ההדגמה מאפשרת לבחון את השימוש ברכיב הגישה לצורך שליטה בטעינה ובפריקה של קבל, עיקרון הרלוונטי גם לארכיטקטורות זיכרון המבוססות על אגירת מטען.
חשוב להדגיש כי הדגמת 1S1C אינה שקולה להצגת זיכרון DRAM מסחרי או למערך זיכרון נדיף מלא. היא בוחנת אפשרות לשלב את מנגנון הגישה עם רכיב קיבולי, אך אינה מוכיחה כשלעצמה זמני שמירת מידע, דרישות רענון או ביצועי מערכת שלמה.
באופן דומה, גם הדגמת 1S1R אינה מהווה הוכחה לפעולה של מערך Crossbar גדול. במערך כזה מצטרפות השפעות של התנגדות מוליכים, קיבולים טפיליים, חלוקת מתח בין תאים ושונות מצטברת של זרמי זליגה. כדי לקבוע עד כמה הטכנולוגיה מסוגלת לתמוך במערכים צפופים, יהיה צורך לבחון את פעולתה בתנאי קריאה וכתיבה של מספר גדול של תאים.
האתגר הבא: ייצור אחיד על פני פרוסת סיליקון
היתרון של חומרים דו-ממדיים הוא גם אחד האתגרים בדרך לייצור תעשייתי. כאשר מעבר האלקטרונים תלוי במחסום שעוביו נמדד במספר קטן של שכבות אטומיות, גם שינוי קטן בעובי או פגם מקומי בממשק עלולים להשפיע באופן משמעותי על הזרם.
בגלל התלות המעריכית של הסתברות המנהור ברוחב המחסום, אחידות השכבות אינה רק דרישה גיאומטרית. היא תנאי לשמירה על מאפיינים חשמליים דומים בין רכיבים.
על פי הודעת USC, רכיבי המחקר עדיין מורכבים ידנית, והמעבר לייצור אחיד על פני פרוסות סיליקון בקוטר 300 מ״מ טרם הודגם. לכן, השונות הנמוכה שנמדדה בין רכיבי הניסוי היא תוצאה מעודדת, אך אינה מוכיחה עדיין יכולת ייצור המונית בתפוקה הנדרשת בתעשיית השבבים.
אתגר נוסף הוא שילוב המבנים בתהליכי ייצור של מערכי זיכרון רב-שכבתיים. יש לבדוק את יציבות החומרים לאחר תהליכים תרמיים, את איכות הממשקים ואת ההתאמה לשלבי הייצור המאוחרים של השבב, המכונים Back-End-of-Line.
נדרשות גם בדיקות אמינות ממושכות בתנאים המייצגים שימוש מעשי, לרבות חשיפה לשדות חשמליים גבוהים, שינויי טמפרטורה והפעלה חוזרת של רכיבים רבים במקביל.
למרות המגבלות האלה, למחקר יש משמעות הנדסית ברורה. הוא מדגים שניתן לשלוט במאפייני המיתוג של רכיב גישה באמצעות תכנון מחסום האנרגיה ברמה האטומית, ולהשיג שילוב של אי-ליניאריות גבוהה, מהירות ועמידות.
אם ניתן יהיה לשחזר את התוצאות בתהליכי ייצור תעשייתיים ולשלב את הרכיב במערכים גדולים, הגישה עשויה לסייע בפיתוח זיכרונות צפופים יותר, לרבות מבנים תלת-ממדיים. בשלב הנוכחי, ההישג הוא רכיב Selector מחקרי בעל מאפיינים מבטיחים, והוכחה לכך שתכנון מחסום המנהור יכול להיות כלי נוסף בהנדסת זיכרונות עתידיים.
מקור וקרדיט
Hefei Liu et al., Nature Electronics, September 2026. DOI: 10.1038/s41928-026-01704-2
USC Viterbi School of Engineering, September 2026.
