專利名稱：納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，尤其涉及納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器(memory)是多數(shù)電子產(chǎn)品的重要組成部件，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器ROM、可編程只讀存儲(chǔ)器PROM、電可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM、電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM(也稱為閃存Flash Memory)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM、以及靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM等等。這些存儲(chǔ)器要么具有非易失性(無(wú)需持續(xù)供電就可維持?jǐn)?shù)據(jù)，亦即斷電后數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失)，缺點(diǎn)是無(wú)法多次擦寫(xiě)(如ROM和PROM)；要么是易失性的(如DRAM和SRAM)，缺點(diǎn)是能耗較高；要么既具有非易失性也可多次擦寫(xiě)，缺點(diǎn)是存取速度較慢。為了克服傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的這些缺點(diǎn)，許多新型存儲(chǔ)器應(yīng)運(yùn)而生，如磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MRAM，鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器FRAM，相變存儲(chǔ)器PCM等，但是這些新型存儲(chǔ)器仍然存在存取速度低或存儲(chǔ)密度低的缺點(diǎn)，更重要的是，目前的制造技術(shù)無(wú)法保證它們的批量生產(chǎn)。
眾所周知，微電子技術(shù)所追求的目標(biāo)是使產(chǎn)品“更小、更快、更冷”，即尺寸更小、速度更快、能耗更低。自上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始，電子芯片的集成度一直遵循莫爾斯指數(shù)規(guī)律持續(xù)呈幾何增長(zhǎng)趨勢(shì)。按此規(guī)律，到2020年左右現(xiàn)行的“自頂向下”(Top Down)制造技術(shù)—光刻(LIGA)將因達(dá)到極限線寬(數(shù)十納米)而無(wú)法使芯片集成度進(jìn)一步提高，致使微電子器件的發(fā)展遭遇瓶頸。存儲(chǔ)器作為電子器件中的主要部件，自然也必須實(shí)現(xiàn)提高存儲(chǔ)密度和存取速度并降低能耗，以滿足納米電子時(shí)代的技術(shù)要求。
良好的力電性能使得碳納米管成為制作隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM的理想材料。首先，碳納米管的電學(xué)性能十分獨(dú)特，通常用一對(duì)整數(shù)(n，m)表示單壁碳納米管的手性(或螺旋度)，當(dāng)(n-m)為3的整數(shù)倍時(shí)，碳納米管表現(xiàn)為導(dǎo)體，其它情況下則是半導(dǎo)體；其次，碳納米管的力學(xué)性能也十分優(yōu)異，如高彈性模量，高強(qiáng)度，高回彈性等等。更重要的是，碳納米管的導(dǎo)電性隨其形變的變化非常顯著，局部屈曲形變將急劇改變納米管的導(dǎo)電特性，使得碳納米管能夠在納米器件尤其納米機(jī)電器件(NEMS)中發(fā)揮極其重要的作用。
構(gòu)成隨機(jī)存儲(chǔ)單元的必備條件有二良好的雙穩(wěn)性以及雙穩(wěn)態(tài)之間的可轉(zhuǎn)換性。目前已有納米管基納米存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)方案相繼問(wèn)世，這些方案主要利用納米管與其它納米基元(如納米管，C60)間的范德華作用形成雙穩(wěn)性。其中有碳納米管的發(fā)現(xiàn)者、日本著名學(xué)者飯島(Iijima)課題組在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)發(fā)表的納米管內(nèi)嵌C60型存儲(chǔ)單元和哈佛大學(xué)美國(guó)科學(xué)院院士Lieber課題組在《科學(xué)》雜志發(fā)表的十字架型納米存儲(chǔ)單元(參見(jiàn)美國(guó)專利號(hào)6,128,214、6,159,620、6,198,655)。納米管內(nèi)嵌C60型存儲(chǔ)單元當(dāng)C60與納米管兩頂端吸附時(shí)具有雙穩(wěn)性；而十字架型納米存儲(chǔ)單元利用二納米管間分離和粘連實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。這些存儲(chǔ)單元利用納米基元的機(jī)械變形或運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)性，被稱之為納米機(jī)械存儲(chǔ)單元。納米機(jī)械存儲(chǔ)單元的最大優(yōu)點(diǎn)是非易失性，同時(shí)可達(dá)很高的存取速度—納秒量級(jí)和存儲(chǔ)密度-1T/cm2。
但由于納米操縱技術(shù)的限制，大量存儲(chǔ)單元的規(guī)則排列非常困難，所以基于納米機(jī)械存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器目前還難以大規(guī)模批量生產(chǎn)，商業(yè)化尚需時(shí)日。因此，現(xiàn)階段基于納米機(jī)械存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器所需解決的迫切問(wèn)題有二一是進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度，二是降低生產(chǎn)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種能顯著提高存儲(chǔ)密度、降低生產(chǎn)難度的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
本發(fā)明納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器包括平行陣列布置的用于存儲(chǔ)信息狀態(tài)的存儲(chǔ)單元、平行布置的用于固定所述存儲(chǔ)單元的襯底，所述存儲(chǔ)單元包括一個(gè)納米管，所述納米管的狀態(tài)表征所述存儲(chǔ)單元的信息狀態(tài)。
所述存儲(chǔ)單元是機(jī)械電子數(shù)據(jù)保存單元，所述納米管所處的物理狀態(tài)表征所述存儲(chǔ)單元的信息狀態(tài)；所述納米管是單壁碳納米管；所述納米管處于圓柱穩(wěn)定態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0；所述納米管處于扁帶穩(wěn)定態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1；所述納米管處于圓柱穩(wěn)定態(tài)時(shí)，所述存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性；所述納米管處于扁帶穩(wěn)定態(tài)時(shí)，所述存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)導(dǎo)體特性；所述存儲(chǔ)單元是一個(gè)納米開(kāi)關(guān)，用于控制電流、液流的流動(dòng)；所述襯底是非導(dǎo)體襯底。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，首先，由于所述存儲(chǔ)單元僅由單根納米管構(gòu)成，無(wú)需借助納米管與基底或其它納米基元的相互作用，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單緊湊，因而可獲得更高的存儲(chǔ)密度和更快的響應(yīng)速度；其次，由于存儲(chǔ)單元具有非易失性，因此能耗很低，可最大限度地解決納米電子器件中最棘手的散熱問(wèn)題；再次，由于碳納米管陣列技術(shù)非常成熟，因此存儲(chǔ)器可通過(guò)自組裝實(shí)現(xiàn)，相較現(xiàn)有方案而言更加簡(jiǎn)單、更易于批量生產(chǎn)；最后，由于存儲(chǔ)器的高存儲(chǔ)密度、高存取速度以及低能耗、易生產(chǎn)特征，使得其非常符合納米電子器件的需求，因此市場(chǎng)化前景非常廣闊。


圖1是所述存儲(chǔ)單元的示意圖；圖2是圖1的A-A剖面圖；圖3是本發(fā)明納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
單根碳納米管具有雙穩(wěn)性結(jié)構(gòu)，既可保持圓柱狀又可保持扁帶態(tài)，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算表明，直徑約為4nm左右的納米管的雙穩(wěn)態(tài)之間的勢(shì)壘適于制作存儲(chǔ)單元。另有研究表明徑向變形會(huì)導(dǎo)致納米管導(dǎo)電性發(fā)生很大變化，這樣可非常方便地通過(guò)導(dǎo)電性來(lái)識(shí)別碳納米管的雙穩(wěn)態(tài)。如圖1、圖2所示，所述存儲(chǔ)單元僅由一根半導(dǎo)體型單壁碳納米管(無(wú)需其它納米基元參與)構(gòu)成，屬于機(jī)械電子數(shù)據(jù)保存單元，所述納米管所處的物理狀態(tài)表征所述存儲(chǔ)單元的信息狀態(tài)。當(dāng)納米管1處于圓柱穩(wěn)定態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0；而當(dāng)納米管1處于扁帶穩(wěn)定態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1。
所述存儲(chǔ)單元的雙態(tài)之間可通過(guò)靜電力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換(即寫(xiě)操作)，目前有兩種方案可供選擇(a)給納米管注入靜電荷并緩慢釋放，可使其呈現(xiàn)圓柱態(tài)(寫(xiě)入0)；給納米管注入靜電荷并迅速釋放，可使其呈現(xiàn)扁帶態(tài)(寫(xiě)入1)。(b)給納米管注入靜電荷并緩慢釋放，可使其呈現(xiàn)圓柱態(tài)(寫(xiě)入0)；給納米管施加橫向靜電場(chǎng)，可使其呈現(xiàn)扁帶態(tài)(寫(xiě)入1)。
所述存儲(chǔ)單元所處狀態(tài)可通過(guò)其軸向?qū)щ娦赃M(jìn)行判斷(即讀操作)若所述存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性，則說(shuō)明其處于圓柱態(tài)(0狀態(tài))；若所述存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)導(dǎo)體特性，則說(shuō)明其處于扁帶態(tài)(1狀態(tài))。
另外需要說(shuō)明的是，所述存儲(chǔ)單元還可作為開(kāi)關(guān)用于控制流動(dòng)(如電流、液流等)。以液流為例，當(dāng)納米管處于圓柱穩(wěn)定態(tài)時(shí)，為開(kāi)狀態(tài)；而當(dāng)其處于扁帶穩(wěn)定態(tài)時(shí)，為關(guān)狀態(tài)。
因所述存儲(chǔ)單元僅由單根納米管構(gòu)成，無(wú)需借助納米管與基底或其它納米基元的相互作用，結(jié)構(gòu)上比現(xiàn)有方案簡(jiǎn)單緊湊，因而可獲得更高的存儲(chǔ)密度和更快的響應(yīng)速度。同時(shí)由于碳納米管陣列技術(shù)非常成熟，因此存儲(chǔ)器可通過(guò)自組裝實(shí)現(xiàn)，所以比已有方案簡(jiǎn)單、更易于批量生產(chǎn)，另外由于平行排列的存儲(chǔ)單元可獲得最大的存儲(chǔ)密度，因而其市場(chǎng)化前景非常廣闊。圖3就是利用所述存儲(chǔ)單元制作的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的示意圖，其中碳納米管1平行陣列布置在非導(dǎo)體襯底3之間，非導(dǎo)體襯底3可由硅制成，非導(dǎo)體襯底3也是平行布置，用于固定所述存儲(chǔ)單元，所述存儲(chǔ)單元端部穿透非導(dǎo)體襯底3與金屬電極4連接。
權(quán)利要求
1.一種納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括平行陣列布置的用于存儲(chǔ)本單元信息狀態(tài)的存儲(chǔ)單元、平行布置的用于固定所述存儲(chǔ)單元的襯底，所述存儲(chǔ)單元包括一個(gè)納米管，所述納米管的狀態(tài)表征所述存儲(chǔ)單元的信息狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元是機(jī)械電子數(shù)據(jù)保存單元，所述納米管所處的物理狀態(tài)表征所述存儲(chǔ)單元的信息狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述納米管是單壁碳納米管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述納米管處于圓柱穩(wěn)定態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為0；所述納米管處于扁帶穩(wěn)定態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述納米管處于圓柱穩(wěn)定態(tài)時(shí)，所述存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性；所述納米管處于扁帶穩(wěn)定態(tài)時(shí)，所述存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)導(dǎo)體特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元是一個(gè)納米開(kāi)關(guān)，用于控制電流、液流的流動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述襯底是非導(dǎo)體襯底。
全文摘要
本發(fā)明納米管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器涉及隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，包括平行陣列布置的用于存儲(chǔ)本單元信息狀態(tài)的存儲(chǔ)單元、平行布置的用于固定所述存儲(chǔ)單元的襯底，所述存儲(chǔ)單元包括一個(gè)納米管，所述納米管的狀態(tài)表征所述存儲(chǔ)單元的信息狀態(tài)。本發(fā)明能顯著提高隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度、降低生產(chǎn)難度并減少能耗。
文檔編號(hào)H01L27/11GK1929141SQ20051002950
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者張?zhí)镏?申請(qǐng)人:張?zhí)镏?br>