Память из кремния превратила дефект в полезное свойство
В поиске стремительной и высокоплотной компьютерной памяти учёные всё усложняют и усложняют схемы. В это же время, оказывается, имеется ответ более простое. Необходимо было лишь внимательно взглянуть на эффект, на что раньше внимания не обращали.
Как раз так сравнительно не так давно в Соединенных Штатах создали прототип «памятного» чипа, владеющий сходу несколькими преимуществами.
Энергонезависимость, хорошая выносливость, скоростное переключение состояния (стремительнее 100 наносекунд), высокая стойкость к радиации и готовность перейти на техпроцесс «меньше 10 нанометров» — только кое-какие из преимуществ новой памяти. Думается, для для того чтобы шедевра физикам, электронщикам и химикам было нужно задействовать кучу уникальных разработок и самые редкие химические элементы.
На деле всё было в противном случае: и техника несложная (она совместима с серийной разработкой производства микросхем), и материал самый распространённый — его оксид и кремний. И больше тут не требуется фактически ничего.
Собственного рода предыстория к этому необычному открытию случилась годом ранее. Тогда в лаборатории доктора наук Джеймса Тура (James Tour) из университета Райса в Техасе (Rice University) была создана ячейка компьютерной памяти из графита.
Её базой служил углеродный лист 10-нанометровой ширины и толщиной в 10 атомов, что под действием тока имел возможность многократно разрываться и обратно срастаться, отражая тем самым запись единички либо нуля.
Тур (на снимке) и его университетские сотрудники известны отечественным читателям кроме этого по опытам с углеродными нанолентами и созданию серии наномобилей (фото с сайта jmtour.com).
В 2009 году учёные так и не узнали, каков механизм таковой перестройки фактически атомарного уровня, только выдвигали предположения. Сейчас же аспирант Тура Цзюнь Яо (Jun Yao) серьёзно продвинул вперёд познание процесса, распространив саму идею на другие материалы.
В том месте, где окружающие успокоились, Яо начал настойчиво копать. Он решил заменить графит в таковой памяти на какой-нибудь другой материал и взглянуть — что окажется. Ни одно наугад забранное вещество по обрисованной выше схеме не трудилось.
По окончании продолжительного перебора Цзюнь зажал узкий слой оксида кремния (изолятора) между полупроводниковыми страницами из поликристаллического кремния, что послужил верхним и нижним электродами ячейки.
К удивлению экспериментатора, приложение напряжения к электродам привело к преобразованию оксида. В самой его толще поле «высвободило» пара атомов кислорода, а оказавшийся чистый кремний организовал проводящий столбик из наноразмерного кристалла.
К работе над проектом подключилось ещё пара человек из разных факультетов и лаборатории университета Райса. Как они узнали, меняя уровень напряжения, состояние таковой ячейки (проводник либо изолятор) возможно либо бережно считывать, либо поменять.
Необходимый уровень тока, например, приводил к эффекту обращения: проводящий мостик разрушался, опять становясь оксидом.
Схема формирования кремниевой нити между контактами и снимок таковой структуры под микроскопом.
Зелёным продемонстрированы углеродные нанотрубки, каковые в одной из предположений ячейки учёные применили для локализации места превращения кремния (иллюстрация Jun Yao et al./Nano Letters).
Крайне важно, что такое превращение новая ячейка готова претерпевать очень много раз без видимой деградации. (Подробности опыта раскрывает пресс-статья авторов и релиз университета опыта в Nano Letters.)
Диаметр кристаллической дорожки был равен 5 нанометрам. Потому, что подводящие контакты тут весьма несложны, это указывает, что память для того чтобы типа возможно будет производить с характерным размером элементов в 10 нанометров либо кроме того меньше.
В это же время специалисты уверены в том, что классической флэш-памяти будет весьма тяжело забрать барьер в 20 нм.
И тогда как в простой 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 кроме этого обязан уменьшить формирование из аналогичных «перекрёстков» многослойного пирога. А выход микросхем в 3D, как давно говорят эксперты, есть одним из ёмкости наращивания чипов и путей производительности, плотности размещения их элементов.
Американская компания PrivaTran, специализирующаяся на микроэлектронике, в сотрудничестве с учёными из университета Райса выстроила по новой разработке умелый килобитный чип памяти и удачно испытала его.
Ранее от последовательности клиентов, в частности армейских, компания взяла средства на создание высокоплотной памяти, так что изобретение Яо и его сотрудников было нужно как запрещено кстати. Сейчас PrivaTran собирается распространить эту разработку 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, что по мере необходимости образуется либо разрушается, тем самым записывая и стирая нули и двоичные единички. «Прелесть схемы содержится 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 практически на новые масштабы.
(В качестве вторых примеров возможно отыскать в памяти транзисторы из кислот и углеродных нанотрубок, бионанотранзистор и диод из одной молекулы.)
Любопытно, но, что на пути создания данной уникальной схемы имело возможность стать недоверие самих райсовцев. По словам Тура, в то время, когда Яо обрисовал открытый эффект сотрудникам по лаборатории, они просто не поверили ему.
Яо было нужно убеждать соратников, что за переменой проводимости ячейки стоит более замысловатый процесс, нежели думается на первый взгляд.
Джеймс говорит: «Другие люди, заметив такое, сообщили бы разочаровано — ой, у нас тут случился пробой оксида кремния. И просто выкинули бы чип.
И лишь Цзюнь додумался, что речь заходит не о пробое, а о превращении микроскопической толики оксида в пластины в чистый кремний. Так, эффект сидел и ожидал, дабы его применяли», — заключает исследователь.
