Память из кремния превратила дефект в полезное свойство

Новое исследование относится к молекулярной электронике, которая изучает возможность применения деталей молекулярного размера в качестве составляющих логических схем (иллюстрация с сайта jmtour.com).

В поиске быстрой и высокоплотной компьютерной памяти учёные всё усложняют и усложняют схемы. Между тем, оказывается, есть решение более простое. Нужно было только пристально посмотреть на эффект, на который раньше внимания не обращали. Именно так недавно в США создали прототип «памятного» чипа, обладающий сразу несколькими достоинствами.

Энергонезависимость, хорошая выносливость, скоростное переключение состояния (быстрее 100 наносекунд), высокая стойкость к радиации и готовность перейти на техпроцесс «меньше 10 нанометров» — лишь некоторые из преимуществ новой памяти. Кажется, для создания такого шедевра физикам, химикам и электронщикам пришлось задействовать кучу оригинальных технологий и самые редкие химические элементы.

На деле всё было иначе: и техника несложная (она совместима с серийной технологией производства микросхем), и материал самый распространённый — кремний и его оксид. И больше тут не нужно практически ничего.

Своего рода предыстория к этому удивительному открытию произошла год назад. Тогда в лаборатории профессора Джеймса Тура (James Tour) из университета Райса в Техасе (Rice University) была создана ячейка компьютерной памяти из графита. Её основой служил углеродный лист 10-нанометровой ширины и толщиной в 10 атомов, который под действием тока мог многократно разрываться и обратно срастаться, отражая тем самым запись единички или нуля.

Тур (на снимке) и его университетские коллеги известны нашим читателям также по экспериментам с углеродными нанолентами и созданию серии наномобилей (фото с сайта jmtour.com).

В 2009 году учёные так и не выяснили, каков механизм такой перестройки практически атомарного уровня, лишь выдвигали предположения. Теперь же аспирант Тура Цзюнь Яо (Jun Yao) серьёзно продвинул вперёд понимание процесса, распространив саму идею на другие материалы.

Там, где окружающие успокоились, Яо начал упорно копать. Он решил заменить графит в такой памяти на какой-нибудь иной материал и посмотреть — что получится. Ни одно наугад взятое вещество по описанной выше схеме не работало. После долгого перебора Цзюнь зажал тонкий слой оксида кремния (изолятора) между полупроводниковыми листами из поликристаллического кремния, который послужил верхним и нижним электродами ячейки.

К удивлению экспериментатора, приложение напряжения к электродам вызвало преобразование оксида. В самой его толще поле «освободило» несколько атомов кислорода, а получившийся чистый кремний сформировал проводящий столбик из наноразмерного кристалла.

К работе над проектом подключилось ещё несколько человек из лаборатории и разных факультетов университета Райса. Как они выяснили, меняя уровень напряжения, состояние такой ячейки (проводник или изолятор) можно или аккуратно считывать, или менять. Нужный уровень тока, в частности, вызывал эффект обращения: проводящий мостик разрушался, снова становясь оксидом.

Схема формирования кремниевой нити между контактами и снимок такой структуры под микроскопом. Зелёным показаны углеродные нанотрубки, которые в одной из версий ячейки учёные применили для локализации места превращения кремния (иллюстрация Jun Yao et al./Nano Letters).

Очень важно, что такое превращение новая ячейка готова претерпевать огромное число раз без видимой деградации. (Детали эксперимента раскрывает пресс-релиз университета и статья авторов опыта в Nano Letters.)

Диаметр кристаллической дорожки оказался равен 5 нанометрам. Поскольку подводящие контакты тут очень просты, это означает, что память такого типа можно будет выпускать с характерным размером элементов в 10 нанометров или даже меньше. Между тем эксперты считают, что традиционной флэш-памяти будет очень трудно взять барьер в 20 нм.

И в то время как в обычной флэш-памяти для манипуляций с отдельной ячейкой (запись, считывание, стирание бита) требуются три контакта (управляющий затвор, сток, исток), кремниевая память из Техаса обходится двумя, что должно упростить схему.

Дизайн ячейки также должен облегчить формирование из подобных «перекрёстков» многослойного пирога. А выход микросхем в 3D, как давно говорят специалисты, является одним из путей наращивания производительности и ёмкости чипов, плотности размещения их элементов.

Американская компания PrivaTran, специализирующаяся на микроэлектронике, в сотрудничестве с учёными из университета Райса построила по новой технологии опытный килобитный чип памяти и успешно испытала его.

Ранее от ряда заказчиков, в частности военных, компания получила средства на создание высокоплотной памяти, так что изобретение Яо и его коллег пришлось как нельзя кстати. Теперь PrivaTran намерена распространить эту технологию и на другие виды схем.

В новом чипе сетка 32 на 32 пересекающихся кремниевых провода формирует 1024 ячейки памяти. Сердце каждой – наноразмерный мостик из кремния, который по мере необходимости образуется или разрушается, тем самым записывая и стирая двоичные единички и нули. «Прелесть схемы заключается в её простоте», – радуется Тур (иллюстрация Jun Yao/Rice University).

Кремниевый чип на переключаемых резистивных элементах стал одним из впечатляющих опытов молекулярной электроники, стремящейся вывести вычислительную технику буквально на новые масштабы.

(В качестве других примеров можно вспомнить транзисторы из кислот и углеродных нанотрубок, бионанотранзистор и диод из одной молекулы.)

Любопытно, однако, что на пути создания этой оригинальной схемы могло стать недоверие самих райсовцев. По словам Тура, когда Яо описал открытый эффект коллегам по лаборатории, они просто не поверили ему. Яо пришлось убеждать соратников, что за переменой проводимости ячейки стоит более замысловатый процесс, нежели кажется на первый взгляд.

Джеймс говорит: «Другие люди, увидев такое, сказали бы разочаровано — ой, у нас тут произошёл пробой оксида кремния. И просто выкинули бы чип. И только Цзюнь догадался, что речь идёт не о пробое, а о превращении микроскопической толики оксида внутри пластины в чистый кремний. Таким образом, эффект сидел и ждал, чтобы его использовали», — заключает исследователь.



Построены наноантенны для квантовых точек

30 августа 2010

Создан ёмкий твердотельный диск — почтовая марка

25 августа 2010

Создан микросуперконденсатор из углеродного лука

20 августа 2010

Вероятностный чип перевернул мир вычислений отказом от двоичной логики

18 августа 2010

Предложены наносенсоры по образцу крыльев бабочки

16 августа 2010