專(zhuān)利名稱(chēng)：具有碳納米管結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于存儲(chǔ)器件，特別涉及一種利用碳納米管制作的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器。
在過(guò)去的幾年里，研究工作主要集中在單電子器件上，一些基于單電子現(xiàn)象的存儲(chǔ)器件已經(jīng)被制備出來(lái)，并且在一定條件下顯示出穩(wěn)定的工作狀態(tài)。但是這些單電子器件面臨著很多的問(wèn)題，有些需要提高工作溫度，有些需要提高工作頻率，并且這些單電子器件通常具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了解決這些困難，Thomas Rueckes利用碳納米管設(shè)計(jì)了一種非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器(《科學(xué)》Science，2000，289，94)，這種存儲(chǔ)器包含兩層碳納米管，上層碳納米管是放置一個(gè)個(gè)分離的小支座上，每個(gè)支座只放置一根單壁碳納米管。這樣的結(jié)構(gòu)有以下三點(diǎn)缺陷1)每個(gè)支座的尺寸和支座的間距因?yàn)槭芄に嚨南拗?，通常具有幾個(gè)納米甚至幾十個(gè)納米的尺寸，這樣器件的集成度很難提高；2)器件的工藝很復(fù)雜，必須將每一行和列的小支座保持在一條直線上；3)大量分離的支座給碳納米管的精確定位設(shè)置了障礙，因?yàn)榧珊笃骷某叽绾艽?，很難將一根碳納米管精確定位在每排的支座上而不發(fā)生偏離和滑落，一個(gè)支座上的碳納米管發(fā)生了脫落就可能導(dǎo)致整個(gè)存儲(chǔ)器發(fā)生存儲(chǔ)錯(cuò)誤。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器，包括以硅片上有一層氧化絕緣層的材料作為襯底，在襯底上有上下兩層的碳納米管陣列，每一層碳納米管是平行設(shè)置的，上下兩層的碳納米管之間相互垂直并彼此分離；下層的碳納米管直接放置在襯底的表面上，依靠碳納米管和臺(tái)面的相互作用力來(lái)固定碳管；每?jī)筛聦酉噜彽奶技{米管之間存在一個(gè)與其平行的絕緣支座，這樣就形成了一組彼此平行的支座；將上層的碳納米管放置在這些支座上，在每條支座上的碳納米管數(shù)量為n(n＞1)，碳納米管靠與支座的作用力來(lái)固定，這樣就實(shí)現(xiàn)了各個(gè)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立性，由此兩層碳納米管的每個(gè)交叉結(jié)點(diǎn)就是存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元；在上下兩層每一根碳納米管的兩端沉積金屬形成電極，就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的控制。
所述的每一層碳納米管是由n根或n束平行設(shè)置的碳納米管組成的，其中n是2以上的正整數(shù)。
所述的碳納米管是單壁碳納米管。
所述的絕緣支座是用硅片上的氧化絕緣層材料制作的。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器，從原理和結(jié)構(gòu)均不同于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器，它使用單壁碳納米管作為基本材料，充分利用了碳納米管的獨(dú)特電學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，因此設(shè)計(jì)出的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)比單電子存儲(chǔ)器更為簡(jiǎn)單，既不受隨機(jī)背景電荷的影響，又可以在室溫下工作；同時(shí)利用碳納米管與支座的作用力就可以完成器件的集成，存儲(chǔ)密度達(dá)到太拉級(jí)(1012)，工作頻率也在100G赫茲以上，散熱和功耗卻都很小。由此可見(jiàn)，這種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且容易集成，不但解決了傳統(tǒng)存儲(chǔ)器面臨的困難，還避開(kāi)了單電子存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成困難的問(wèn)題；與Thomas Rueckes的器件相比，用更少的支座就可以完成器件的集成，定位碳納米管時(shí)，即使整根碳管有些偏離，只要存儲(chǔ)單元之間不相互影響器件就可以正常工作，由此可見(jiàn)器件制備更加容易；同時(shí)，碳納米管的化學(xué)惰性和良好的韌性決定了器件具有很長(zhǎng)的使用壽命，這些優(yōu)點(diǎn)使得本實(shí)用新型可以很好解決存儲(chǔ)器發(fā)展過(guò)程中所面臨的困境，與其它類(lèi)型的存儲(chǔ)器相比，具有多方面的優(yōu)勢(shì)。
總之，本實(shí)用新型的存儲(chǔ)器較傳統(tǒng)存儲(chǔ)器具有以下優(yōu)點(diǎn)1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，2)工作頻率高，3)存儲(chǔ)密度大，4)功耗低，5)散熱量小，6)集成簡(jiǎn)單。
圖2本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元關(guān)狀態(tài)的側(cè)面示意圖。
圖3本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元開(kāi)狀態(tài)的側(cè)面示意圖。
圖4本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元由開(kāi)狀態(tài)到關(guān)狀態(tài)變化時(shí)施加在電極上的電壓脈沖的狀態(tài)。
圖5本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元由關(guān)狀態(tài)到開(kāi)狀態(tài)變化時(shí)施加在電極上的電壓脈沖的狀態(tài)。
圖6本實(shí)用新型一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器在讀出數(shù)據(jù)過(guò)程中施加在電極上的電壓脈沖的狀態(tài)。
圖7表示系統(tǒng)的勢(shì)能值與兩層碳納米管初始間距的關(guān)系。
圖8本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元處在數(shù)據(jù)保存狀態(tài)下系統(tǒng)的勢(shì)能特點(diǎn)。
圖9本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元由開(kāi)狀態(tài)變化到關(guān)狀態(tài)時(shí)的勢(shì)能變化趨勢(shì)。


圖10本實(shí)用新型存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)單元由關(guān)狀態(tài)變化到開(kāi)狀態(tài)時(shí)的勢(shì)能變化趨勢(shì)。
圖11集成后形成的3×3存儲(chǔ)矩陣的立體示意圖。
圖12 3×3存儲(chǔ)矩陣的平面示意圖。
圖中標(biāo)示1.上層碳納米管的電極2.下層碳納米管的電極3.二氧化硅絕緣層4.襯底5.絕緣支座 6.下層碳納米管7.上層碳納米管 8.存儲(chǔ)陣列中第一存儲(chǔ)單元9.存儲(chǔ)陣列中第二存儲(chǔ)單元10.存儲(chǔ)陣列中第三存儲(chǔ)單元10.電極其絕緣支座5是在二氧化硅絕緣層3上，利用刻蝕技術(shù)制備出一排排的高2納米×寬3納米的二氧化硅絕緣支座5，絕緣支座5間距為10納米。
在襯底4上放置有3根平行的碳納米管組成的陣列為下層，依靠碳納米管和襯底的相互作用力來(lái)固定碳管；每?jī)筛噜彽南聦犹技{米管6之間存在一個(gè)與其平行的絕緣支座5，這樣就形成了一組彼此平行的支座；上層的碳納米管7放置在該絕緣支座5上，靠與絕緣支座5的作用力來(lái)固定碳納米管7，這樣就實(shí)現(xiàn)了各個(gè)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立性，此時(shí)兩層碳納米管的每個(gè)交叉結(jié)點(diǎn)就是存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元。上下兩層碳納米管之間相互垂直并彼此分離；在上下兩層每一根碳納米管的兩端沉積金屬形成電極10，就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的控制。
選擇二氧化硅材料作為絕緣支座材料，利用刻蝕技術(shù)制備出一排排的支座5，絕緣支座5的高度為2納米，間距為10納米。此時(shí)在器件絕緣支座5的兩側(cè)與其平行的方向上用濺射法沉積出兩條金電極1或2，寬度為150納米，高為5納米，利用刻蝕將這兩個(gè)電極分割成若干部分形成，每一部分是相互獨(dú)立的，可以作為上層碳納米管的電極2。此時(shí)利用原子力顯微鏡的探針移動(dòng)碳納米管形成下層碳納米管陣列后，進(jìn)行上層碳納米管的排列。上層碳納米管7中每一根碳納米管的兩端搭在制備出來(lái)的電極上2，每個(gè)電極只允許一根單壁碳納米管放在上面。將下層碳納米管6中每一根碳納米管的兩端用濺射法沉積出一層50納米厚的金，形成下層碳納米管的電極1。最后對(duì)器件進(jìn)行封裝。
本實(shí)用新型存儲(chǔ)器每一個(gè)存儲(chǔ)單元的工作狀態(tài)如下當(dāng)存儲(chǔ)單元中碳納米管兩端的電極1和2都具有+V0電壓時(shí)(如圖4)，它們相互排斥，間距大，上下兩根碳納米管之間的電阻很大，此時(shí)存儲(chǔ)單元處在關(guān)狀態(tài)(如圖2)；當(dāng)上層碳納米管兩端的電極1具有-V0電壓，而下層電極2具有+V0電壓時(shí)(如圖5)，兩根碳納米管相互吸引，間距變小，它們之間的電阻也因此而變小，單元處在開(kāi)狀態(tài)(如圖3)。上述過(guò)程就是這個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入的過(guò)程。通過(guò)電極1和電極2給該單元上下兩根碳納米管一個(gè)電壓差(如圖6)，根據(jù)電阻的大小就可以確定出系統(tǒng)所處的狀態(tài)，這就是數(shù)據(jù)讀出的過(guò)程。
本實(shí)用新型的存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器相比，集成更為方便。它利用碳納米管和支座之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)，上層碳納米管如同被粘在了支座上，而下層的碳納米管則被固定在臺(tái)面上，如
圖11所示。這樣的特點(diǎn)決定了各個(gè)單元的獨(dú)立性，每個(gè)可控的存儲(chǔ)單元可以存入一個(gè)比特的信息。在這樣的一個(gè)存儲(chǔ)矩陣中，通過(guò)每一行和列的電極來(lái)控制相對(duì)應(yīng)的一個(gè)存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)，如果電極的電壓合適，一個(gè)單元的存儲(chǔ)可以看作是獨(dú)立的行為，其它的存儲(chǔ)單元不會(huì)受到影響，所以每一個(gè)行或列雖然只有一根碳納米管，但是被支座分割的各個(gè)部分卻是彼此獨(dú)立的。
圖1 2給出了器件結(jié)構(gòu)的俯視圖，利用這個(gè)系統(tǒng)來(lái)演示如何存儲(chǔ)三個(gè)三位二進(jìn)制編碼。例如需要依次存入111、000和101，本實(shí)用新型利用下表來(lái)描述各電極的電壓情況，其中以?xún)商技{米管開(kāi)狀態(tài)為“1”，關(guān)狀態(tài)為“0”，下層碳納米管的電極2始終為正電壓脈沖，通過(guò)給上層碳納米管電極1施加不同的電壓脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，任何一個(gè)可控的存儲(chǔ)單元都可以存儲(chǔ)一個(gè)比特的數(shù)據(jù)，例如，存入111這個(gè)三位二進(jìn)制編碼，可以利用存儲(chǔ)單元8、存儲(chǔ)單元9和存儲(chǔ)單元10這三個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下表所示，下層碳納米管的電極2都施加電壓+V0，上層碳納米管的電極則分別加負(fù)電壓，根據(jù)上面的討論可以知道此時(shí)的存儲(chǔ)矩陣中存入了111這個(gè)編碼，如果想讀出這個(gè)編碼，則分別測(cè)出每一個(gè)存儲(chǔ)單元上層碳納米管和下層碳納米管的電阻，根據(jù)高低可以依次確定出存儲(chǔ)單元8、存儲(chǔ)單元9和存儲(chǔ)單元10的信息，這樣就完成了數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀出，此過(guò)程中每一個(gè)存儲(chǔ)單元的行為相對(duì)于其它存儲(chǔ)單元都是獨(dú)立的。000和101的寫(xiě)入可以參考下表中相應(yīng)的電極電壓，存儲(chǔ)矩陣中的下層碳納米管均為+V0。 分別表示電極的正電壓脈沖+V0和負(fù)電壓脈沖-V0。 經(jīng)過(guò)上表所示的過(guò)程后三個(gè)三位的二進(jìn)制編碼被存入這個(gè)3×3的存儲(chǔ)矩陣中，如果要讀出上述的三個(gè)數(shù)據(jù)，則如圖6所示，給上下層碳納米管以電壓差，測(cè)出電阻的大小，就可以判斷出相應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)，這樣就可以確定出整個(gè)存儲(chǔ)器的狀態(tài)，以上過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了三個(gè)三位二進(jìn)制編碼的寫(xiě)入和讀入。上例中實(shí)現(xiàn)的是三位二進(jìn)制編碼的讀寫(xiě)，若要實(shí)現(xiàn)多位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以通過(guò)更大的存儲(chǔ)單元矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)用新型存儲(chǔ)器正常工作有兩個(gè)基本條件(1)上下兩層碳納米管的間距和支座材料可以保證系統(tǒng)出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)；(2)施加的工作電壓可以保證存儲(chǔ)器開(kāi)關(guān)過(guò)程具有可逆性，不會(huì)對(duì)器件結(jié)構(gòu)造成破壞。
若每一個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸為10nm×10nm，那么集成之后存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度可達(dá)到每平方厘米1012比特，顯然這種基于碳納米管的隨機(jī)存儲(chǔ)器具有很高的存儲(chǔ)密度。而動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)存儲(chǔ)一個(gè)比特需要一個(gè)晶體管和一個(gè)電容，其存儲(chǔ)密度受限于存儲(chǔ)電容的尺寸，這是由DRAM的工作原理造成的。而靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM存儲(chǔ)一個(gè)比特需要4至6個(gè)晶體管。除了擁有更高的存儲(chǔ)密度之外，這種基于碳納米管的隨機(jī)存儲(chǔ)器具有很低的功耗，它不需要像傳統(tǒng)的DRAM那樣不斷的刷新，也不像SRAM那樣需要支持多個(gè)晶體管工作；此外，這種存儲(chǔ)器的散熱量很低，集成度的提高不會(huì)引起散熱困難，相比與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。使用這樣低功耗的器件可以解決傳統(tǒng)存儲(chǔ)器發(fā)展所面臨的能源危機(jī)。
如果每個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸為10nm×10nm，則這個(gè)存儲(chǔ)器的工作頻率可達(dá)到100GHz，由此可見(jiàn)，這種基于碳納米管的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器大幅度的提高了存儲(chǔ)器的工作頻率，并且通過(guò)減小存儲(chǔ)單元的尺寸可以提高工作頻率，而且不會(huì)引起功耗和散熱量過(guò)大的問(wèn)題，因此比傳統(tǒng)的SRAM和DRAM更具有優(yōu)勢(shì)。
本實(shí)用新型也可以利用碳納米管束(carbon nanotube ropes)來(lái)制備器件，并且利用碳納米管作為各電極上的引線，這樣的線路電容很小，RC時(shí)間也很小，因此集成后的器件工作頻率是很高的，在制備過(guò)程中要準(zhǔn)確確定各個(gè)基本參數(shù)的最優(yōu)取值范圍，最大限度的提高器件的存儲(chǔ)性能。
權(quán)利要求1.一種具有碳納米管結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器，包括一硅襯底，和在襯底有一層氧化絕緣層，以及上下兩層由一組平行放置的單壁碳納米管陣列，其上層單壁碳納米管陣列放置在襯底的氧化絕緣層上，上下兩層的碳納米管之間相互垂直，并在上下兩層每一根碳納米管的兩端沉積金屬形成電極；其特征在于在每?jī)筛聦犹技{米管之間設(shè)置一條與下層碳納米管平行取向的、由襯底上的氧化絕緣層制作的、同時(shí)為n根或n束上層碳納米管做支撐的絕緣支座，下層的一組平行碳納米管中的根碳納米管的兩端放置在絕緣支座上。
2.按權(quán)利要求1所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器，其特征在于所述的碳納米管數(shù)量為n＞1的正整數(shù)。
3.按權(quán)利要求1所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器，其特征在于所述的碳納米管是單壁碳納米管。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有碳納米管結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性隨機(jī)存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包括在襯底上有上下兩層的碳納米管陣列，每一層碳納米管是一組有n根平行設(shè)置的碳納米管，上下兩層的碳納米管之間相互垂直并彼此分離，兩層碳納米管的每個(gè)交叉結(jié)點(diǎn)構(gòu)成存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元。本實(shí)用新型公開(kāi)了在制備該存儲(chǔ)器的過(guò)程中各重要參數(shù)的取值原則和器件具有最優(yōu)存儲(chǔ)特性時(shí)的工作條件，解決了傳統(tǒng)存儲(chǔ)器在高密度集成中所遇到散熱、功耗和穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題。
文檔編號(hào)B82B1/00GK2547007SQ02237210
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月5日
發(fā)明者孫勁鵬, 王太宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所