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NAND Flash セル構造 (Floating Gate / Charge Trap)（ナンドフラッシュセル）
NAND Flashメモリの基本記憶セル構造。Floating Gate (FG) / Charge Trap (CT) の2方式、絶縁体に電子を保持・読出してbit を表現する不揮発メモリの心臓部。
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2026/5/15 更新
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概要
NAND Flash セル構造は1980年Fujio Masuoka (東芝・後 fellow) がEEPROM 発展型として発明した不揮発メモリの記憶単位。1989年商業化以降、SSD / USBメモリ / SD カード / スマホストレージ等の現代モバイル時代の中核技術。セル構造はFloating Gate (FG・絶縁体に浮遊した導体に電子閉込) と Charge Trap (CT・絶縁体自体に電子閉込) の2方式があり、3D NAND 時代 (2013-) はCT 方式が主流。
セル動作原理
- Programming (書込): コントロールゲートに高電圧 (15-25V) 印加→ 絶縁層 (Oxide) をトンネル効果で電子が貫通→ FG または CT に電子蓄積
- Reading (読出): コントロールゲートに中電圧 (1-5V) 印加→ 蓄積電子量に応じてソース↔ドレイン電流変動→ 電流大小でbit 判定
- Erasing (消去): ブロック単位で逆電圧→ 電子をトンネル排出→ 全bit を「1」リセット
Floating Gate (FG) vs Charge Trap (CT)
| 項目 | Floating Gate | Charge Trap |
|---|---|---|
| 構造 | 浮遊金属層に電子閉込 | 絶縁体 (SiN等) に電子閉込 |
| 主用途 | 2D NAND (~30nm まで) | 3D NAND (全世代) |
| 微細化限界 | 16-20nm | (3D で克服) |
| 信頼性 | 中 | 高 (cell to cell 干渉小) |
| 主要メーカ | Intel / Micron 旧 | Samsung / SK / Kioxia / Micron 新 |
| 採用世代 | 1989-2013 | 2013- |
セル種別 (記憶bit 数)
| 種別 | bit/セル | 電子量レベル | 寿命 (PE Cycles) |
|---|---|---|---|
| SLC | 1 | 2 | 100,000+ |
| MLC | 2 | 4 | 10,000 |
| TLC | 3 | 8 | 3,000-5,000 |
| QLC | 4 | 16 | 1,000-3,000 |
| PLC | 5 | 32 | 300-1,000 |
微細化の限界とV-NAND 革命
2D NAND は20nm 以降の微細化で:
- セル間干渉増加
- 電子量制御困難
- 絶縁層薄化で漏洩
- 寿命急減
2013年Samsung がV-NAND (Vertical NAND・3D Stack) 発表。セルを縦積みすることで:
- 微細化不要 (40-50nm プロセス継続使用)
- 寿命改善 (大型セルで電子保持安定)
- 容量増 (層数による・96-300+ 層へ)
主要NAND メーカ
| メーカ | 本拠 | 世代例 |
|---|---|---|
| Samsung | 韓国 | V8 (236L) / V9 (286L) |
| SK hynix | 韓国 | 238L / 321L |
| Kioxia (旧東芝) | 日本 | 218L / BiCS8 |
| Western Digital (合弁) | 米 | Kioxia と同等 |
| Micron | 米 | 232L / 276L |
| YMTC (長江存儲) | 中国 | 232L (制裁前) |
| Intel (旧・現Solidigm) | 米 | 144L 等 (SK hynix へ譲渡) |
関連用語との違い
- vs DRAM: 揮発性 (DRAM) / 不揮発 (NAND)
- vs NOR Flash: ランダム読出 (NOR) / 高密度 (NAND)
- vs MRAM / FeRAM / PCM: 新世代不揮発メモリ・NAND 後継候補
FAQ
Q1: なぜ電子閉込めで bit? A: 電子の有無 / 量を電界で検出可能・絶縁体で保持 = 「電源切っても消えない不揮発性」を実現する物理原理。
Q2: 書込回数限界の理由? A: トンネル絶縁層 (Tunneling Oxide・厚さ8-10nm) が書込ごとに電子衝撃で劣化 → 電子閉込め不能。1万-10万回 (SLC)・3千回 (TLC) 等の上限。
Q3: 後継技術? A: MRAM (磁気)・FeRAM (強誘電体)・PCM (相変化) 等が次世代候補だが、現在もNAND が容量・コスト・寿命のバランスで支配的。