Нанопамять

Андрей Борзенко

Наноустройства постепенно становятся повседневной реальностью. Эксперты из NanoMarkets (www.nanomarkets.net) оптимистично прогнозируют, что объем продаж разнообразных наноизделий к 2008 г. может достичь 15 млрд. долл. Правда, прогнозы других аналитиков более умеренные: рынок тех же наноизделий они оценивают всего в 2,4 млрд. долл. Вслед за Японией и США к исследованиям в данной области все более активно подключаются и страны Европы. Так, технологическая программа Евросоюза призвана предложить стратегию расширения исследований в нанообласти. Основная ее цель состоит в получении своей доли на формирующемся и быстрорастущем рынке, объем которого к 2015 г. некоторые эксперты оценивают в 1 трлн. долл. Сегодня комиссией Евросоюза уже разработана стратегия развития нанотехнологий до 2013 г. включительно. С учетом нынешнего отставания Евросоюза от США и Японии на развитие этой отрасли до 2006 г. из его бюджета выделяется 1,3 млрд. евро. При этом до 2010 г. рекомендуется утроить бюджетные ассигнования в этой сфере и привлечь крупные средства частных инвесторов.

Неудивительно, что многие фирмы, занятые наноразработками, нацелены на рынок запоминающих устройств. Пожалуй, именно эти изделия более всех нуждаются сегодня в радикальном обновлении. При этом большое значение имеет внедрение новых альтернативных технологий, а не только использование ставшего уже привычным масштабирования. Дело в том, что масштабирование затрудняется такими хроническими недостатками традиционных запоминающих устройств, как, например, утечка накопительных конденсаторов, а также все более сложными структурами, чувствительностью к случайным сбоям, вызванным космическими лучами. Другие извечные проблемы заключаются в больших размерах ячеек памяти статических запоминающих устройств, трудностях интеграции динамических запоминающих устройств и флэш-памяти с логическими схемами, а также связаны с медленной скоростью считывания данных из флэш-памяти и ограниченным сроком ее службы.

Аналитики насчитали около двадцати альтернативных технологий, нацеленных на рынок запоминающих устройств. Это, в частности, магнитные, ферроэлектрические, молекулярные, MEMS-технологии, а также память на нанотрубках и т. д. Объем рынка запоминающих устройств в настоящее время составляет около 48 млрд. долл., а к 2008-му, по прогнозу компании iSuppli (www.isuppli.com), он достигнет почти 57 млрд. долл.

Нанодиоды и нанотранзисторы

Как известно, нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру толщиной в несколько атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Например, если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута – полупроводником. Транзисторы, построенные на базе таких нанотрубок, в сотни раз меньше тех, что содержатся в современных микросхемах. Как известно, начиная с 2001 г., когда IBM представила первый одноэлектронный транзистор (Carbon Nanotube Field-Effect Transistors, СNFET), создано несколько различных вариантов подобных устройств. По мнению специалистов из IBM Research (www.research.ibm.com), в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, усиливающей донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.

Чуть позже ученым подразделения IBM Research удалось получить углеродную мономолекулярную структуру в виде нанотрубки, которая полностью реализует один из трех основных логических элементов – элемент логического отрицания НЕ, преобразующий двоичную единицу в ноль и наоборот. При этом еще одна особенность созданного элемента заключалась в том, что выходной сигнал у него выше, чем входной, приблизительно в полтора раза. Затем исследователи сконструировали на основе новых устройств инвертор, логическое ИЛИ–НЕ, а также триггер и мультивибратор.

Кроме того, в IBM Research разработана технология получения массивов углеродных нанотрубок. До той поры не удавалось найти потенциально дешевый способ изготовления массивов на их основе. Все упиралось в то, что любой синтетический процесс предполагал задействование металлических нанотрубок, влияние которых очень сложно было устранить (они "портили" полупроводниковые свойства массива). Специалисты компании нашли относительно простой способ нейтрализации металлических нанотрубок в массиве, оставляющий неповрежденными углеродные трубки. Он получил название "конструктивной деструкции" (constructive destruction). Суть метода заключается в следующем. Массив "волокон" из металлических и полупроводящих нанотрубок (своеобразная заготовка) размещается на кремниевой пластине, верхняя поверхность которой образована слоем оксида кремния. После этого методом литографии на пластину наносятся электроды. В дальнейшем им отводится роль электродов транзистора – затвора, стока и истока. Здесь же необходимо отметить, что нижний, кремниевый слой пластины тоже служит электродом, позволяющим сделать углеродные трубки токонепроводящими. После подобного блокирования углеродных нанотрубок между стоком и истоком подается высокое напряжение, из-за чего металлические трубки разрушаются. В результате такой процедуры остаются только полупроводящие трубки, формирующие массив транзисторов с заданными свойствами, который можно использовать для построения логических схем.

Сотрудникам исследовательского подразделения General Electric (GE, www.ge.com) удалось получить уникальное полупроводниковое устройство на основе углеродных нанотрубок. Дело в том, что изобретение инженеров GE может работать как в качестве диода (именно на этом варианте акцентируется основное внимание специалистов), так и в качестве транзистора. При этом нанодиод является одним из самых миниатюрных, если не самым миниатюрным за всю историю полупроводниковым устройством. Он выполнен по обычной схеме путем соединения двух полупроводников: одного с электронной, а другого – с дырочной проводимостью. В случае традиционных полупроводников на базе кремния тип проводимости задается с помощью примесей, создающих избыток или недостаток электронов в структуре вещества. Но если процесс дозирования примесями кремния давно отработан, то ввести примеси в углеродные нанотрубки еще никому не удавалось. Поэтому исследователи пошли другим путем и решили создавать избыток или недостаток электронов в нанотрубках с помощью электрического поля. Для этого в нанодиод был введен миниатюрный электрод с разделенным на две части затвором. Два расположенных в одной плоскости затвора соединяются с двумя половинами нанотрубки. Таким образом получается устройство, похожее на обычный полевой транзистор, где затвор также разделен на две независимые части. Чтобы полученная система функционировала как нанодиод, необходимо подавать на один затвор положительное напряжение, а на другой – отрицательное. В результате такой операции появится p-n-переход, необходимый для работы диода. Если же подавать на затворы одинаковое (только положительное или только отрицательное) напряжение, получится нанотранзистор, работающий по схеме p-n-p или n-p-n, в зависимости от знака приложенного напряжения.

В будущем такие нанодиоды смогут найти применение в компьютерной отрасли, индустрии связи, при изготовлении различных датчиков и другого электронного оборудования.

А вот специалисты Infineon Technologies AG (www.infineon.com) создали полупроводниковый материал с использованием нанотрубок, предназначенный для применения в силовых приборах. Обычные наноматериалы не выдерживают высокие напряжения и токи, и для производства силовых устройств используется традиционный кремний. Но команде разработчиков из Infineon удалось показать, что нанотрубки вполне пригодны для создания более миниатюрных и дешевых переключателей для управления, например, светодиодами или электрическими моторами с минимальными потерями энергии. Для этого около 300 углеродных нанотрубок упаковали параллельно друг другу в плотные пучки, и они работали как силовые транзисторы при напряжении 2,5 В и силе тока 2 мA.

Для создания такого транзистора (со стоком, истоком и затвором) требуется только одношаговый литографический процесс. Контакты истока и стока изготавливались из палладия, субстратом служила кремниевая пластина, хотя может быть использован и другой проводящий материал. Затем на эту основу случайным образом наращивались нанотрубки таким образом, чтобы число расположенных параллельно оказывалось достаточным для обеспечения контакта между истоком и стоком. Созданный в Infineon прототип действительно позволял управлять светодиодами и микромоторами. Однако, как считают ученые, говорить о запуске новой технологии в производство еще очень рано.

MEMS-"перфоратор"

На CeBIT-2005 IBM продемонстрировала накопитель, обеспечивающий плотность записи данных свыше 19,2 Гб на 1 см2. Специалисты утверждают, что прототип микроэлектромеханической системы (MEMS) способен записать на площади размером с почтовую марку информацию, примерно эквивалентную емкости 25 DVD-дисков. Сотрудники IBM нежно назвали свое устройство Millipede (многоножка), потому что у него тысячи очень мелких кремниевых шипов, которые могут "прошивать" рисунок из отдельных битов в тонкой полимерной пленке. Вообще говоря, технологию "многоножек" предложил несколько лет назад нобелевский лауреат Герд Бинниг, автор сканирующего туннельного микроскопа и сотрудник исследовательского института IBM. Он обратил внимание на способность микроскопа формировать в полимерах ямки наноразмера, наличие которых в определенных точках вещества можно трактовать как единичное значение бита. Бинниг, стараясь приспособить свое открытие к нуждам промышленности, научился одновременно сканировать множество подобных ямок. Таким образом, принцип работы Millipede напоминает всем хорошо известные перфокарты. Ключевым элементом новой технологии является массив V-образных кремниевых кронштейнов (cantilever), на конце каждого из которых находится миниатюрная микронная игла. Запись данных осуществляется на носители, представляющие собой очень тонкий слой полимерного материала на кремниевой подложке. Наконечник каждого V-образного кронштейна с размещенной на нем иглой одновременно служит зоной повышенного сопротивления. При пропускании через него импульса электрического тока происходит разогрев иглы до температуры, превышающей температуру плавления полимера, и она "выплавляет" в носителе воронку диаметром около 10 нм. Когда ток прерывается, игла остывает, а полимер затвердевает. Считывание данных осуществляется путем замера сопротивления "рабочей части" кронштейна. В этом случае игла также разогревается, но только до меньшей температуры, при которой полимер, используемый в носителе, еще не размягчается. Происходит сканирование поверхности носителя, и при попадании иглы в воронку интенсивность теплоотвода от нее резко увеличивается, температура уменьшается, в результате чего сопротивление изменяется скачкообразно, за счет чего и фиксируется бит информации. Возможности многократной записи обеспечиваются особенностями вязкоупругих свойств полимерных систем. Дело в том, что в области воронки-бита полимер находится в так называемом метастабильном состоянии, из которого его можно вывести неким внешним воздействием, например, с помощью все того же разогрева до определенной температуры. Производится он путем прохода нагретой иглы над воронкой, после чего она исчезает, т. е. данные стираются. По заявлению специалистов IBM, на сегодняшний день им удалось достичь долговечности носителя, превышающей 100 тыс. циклов перезаписи.

Управление массивом игольчатых кронштейнов в Millipede осуществляется с помощью электронных цепей с временным мультиплексированием подобно тому, как это делается в микросхемах DRAM. Перемещение носителя вдоль массива и его точное позиционирование обеспечиваются электромагнитным приводом. IBM утверждает, что Millipede подходит для мобильных устройств: цифровых камер, мобильных телефонов и USB-карт. Однако пока речь идет только о лабораторном образце, а до выхода на рынок Millipede дозреет года через два, не раньше.

Память NRAM

MEMS-память Millipede (источник: www.research.ibm.com)

Молодая американская компания Nantero (www.nantero.com) активно занимается созданием новой технологии создания энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nanotube-based Random Access Memory) на основе углеродных нанотрубок. По словам разработчиков, такая память будет сочетать в себе лучшие качества запоминающих устройств – дешевизну (DRAM) и энергонезависимость (флэш-память), а также будет обладать высокой стойкостью к воздействию температуры и магнитных полей. Само запоминающее устройство состоит из двух кремниевых подложек, на которых особым образом размещены массивы нанотрубок. Напомним, что толщина углеродной нанотрубки составляет примерно 1/10 000 диаметра человеческого волоса, а толщина ее стенки сравнима с размерами атома. Технология массачусетской компании использует два таких свойства, как эластичность (гибкость) нанотрубок и притягивание атомов углерода друг к другу под воздействием сил Ван-дер-Ваальса.

Нанотрубки закрепляются на кремниевой подложке, а под ними на расстоянии примерно 120 нм располагается углеродный субстрат. Утверждается, что малое расстояние между соседними подложками вместе с ничтожными размерами нанотрубок позволяют достичь скоростей записи – чтения порядка половины наносекунды.

Сначала Nantero предлагала изготавливать элементы памяти, в которых одна нанотрубка вступает в контакт с другой, расположенной перпендикулярно к ней. Это позволило бы создавать кристаллы памяти с невероятно высокой плотностью, но большинство специалистов сомневается, что компании удастся найти способ возведения миллионов одинаковых микроскопических перемычек на узкой полоске кремния площадью в несколько квадратных сантиметров. К тому же нанотрубки должны быть почти идентичными (а добиться этого пока никак не удается) и ориентированы в одном и том же направлении.

В ячейке NRAM записана "1" (источник: www.research.ibm.com)

В предложенной компанией архитектуре кристаллов слой нанотрубок наносится на подложку. Затем методом обычной литографии на нем "вычерчивают" электрические контакты, соединенные друг с другом "толстыми" лентами из нанотрубок. При этом пространственная ориентация нанотрубок и степень их идентичности не имеют значения. Главное, чтобы ленты проявляли нужные механические свойства. Электрический заряд небольшой силы, возникающий на нижней подложке, притягивает к последней группу нанотрубок, расположенных над ней. Далее притянутые нанотрубки удерживаются в таком состоянии под действием сил Ван-дер-Ваальса до появления следующего электрического заряда. Благодаря такому устройству свисающие нанотрубки могут играть роль битов памяти: "поднятое" состояние – "0", "опущенное" – "1". Так как в каждом отдельном переходе между указанными состояниями участвует несколько десятков нанотрубок, создаётся избыточность, предохраняющая систему от случайных потерь информации. В "замкнутом" и "разомкнутом" состояниях система из нанотрубок имеет различное электрическое сопротивление, за счет чего возможно считывание информации. Одна из проблем состояла в том, чтобы добиться требуемого расположения нанотрубок на подложке. В Nantero предложили оригинальное решение. Сначала вся поверхность кремниевой подложки покрывается тонким слоем нанотрубок, а после этого те из них, которые являются "лишними", удаляются.

В ячейке NRAM записан "0" (источник: www.research.ibm.com)

В настоящее время специалисты Nantero уже создали работающий прототип массива NRAM. Проблему организации серийного выпуска устройств памяти на базе нанотрубок они решают совместно с компанией LSI Logic (www.lsilogic.com), в которой рассчитывают использовать технологию NRAM при разработке ASIC-микросхем следующего поколения (в настоящее время для таких кристаллов применяется флэш-память). В частности, LSI Logic заявила о готовности интегрировать до 30 Мбит NRAM-памяти в микропроцессор для мобильных телефонов. При этом говорят, что предлагаемая методика может применяться и для получения массивов большего размера, поскольку определяющим фактором здесь являются возможности литографического оборудования. Кроме того, особо подчеркивается, что методика в значительной мере совместима с нынешними технологиями полупроводникового производства и с небольшими затратами может быть внедрена на действующих фабриках.

Статья опубликована в PC Week/RE №13 от 19.04.2005 г., стр. 52.
Перепечатывается с разрешения автора.