室溫下工作的非易失性分子級(jí)存儲(chǔ)單元的操作設(shè)計(jì)與分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、半導(dǎo)體工業(yè)目前正面臨著兩大嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):一方面是半導(dǎo)體集成電路的線寬尺寸將很快走向物理極限;另一方面是還沒(méi)有可行性的半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)能夠用于制造超高速的非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。在本文中,我們將提出兩種碳納米管分子級(jí)存儲(chǔ)單元,來(lái)解決上述問(wèn)題。碳納米管分子級(jí)存儲(chǔ)單元的讀寫操作主要通過(guò)脈沖電場(chǎng)(壓)控制內(nèi)管的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究存儲(chǔ)單元的工作性能,并發(fā)現(xiàn)我們提出的第二種存儲(chǔ)單元,在室溫下具有最可靠的超高速的非易失性

2、工作特性。
　　 封閉型雙層碳納米管存儲(chǔ)單元是我們提出的第一種非易失性分子級(jí)存儲(chǔ)單元,由一個(gè)兩端封閉的外管和一個(gè)兩端封閉的內(nèi)管組成。范德華勢(shì)能的分子靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,這種封閉雙層碳納米管具有雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),可以定義為“0”、“1”兩個(gè)邏輯狀態(tài)用于讀寫操作。邏輯狀態(tài)間的開關(guān)電場(chǎng)要求達(dá)到1.5V/nm,用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)管在狀態(tài)點(diǎn)間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)非易失性的寫入操作,本文提出了兩種脈沖控制電場(chǎng)的加載方式,一種為初始激勵(lì)型(short du

3、ration),另一種為過(guò)程保持型(long duration)。研究發(fā)現(xiàn),盡管初始激勵(lì)型控制方式具有較小的功耗,但對(duì)于外界的擾動(dòng)影響比較敏感,而過(guò)程保持型具有比較可靠的寫操作能力。為了研究封閉型存儲(chǔ)單元在室溫環(huán)境下的工作性能,本文分別用了Langevin、Gunsteren-Berendsen和Guo-Berendsen三種等溫分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)存儲(chǔ)單元在室溫下的工作特性進(jìn)行模擬比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有在Langevin等溫模擬中,封閉型碳

4、納米管存儲(chǔ)單元在室溫下才表現(xiàn)出非易失性的存儲(chǔ)功能,頻率可以達(dá)到4GHz,而在其他兩種方法的等溫分子動(dòng)力學(xué)模擬中,卻沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高速非易失性存儲(chǔ)的功能。
　　 本文提出的第二種設(shè)計(jì),是由一個(gè)中間割斷、兩端開口的外管和一個(gè)兩端封閉的內(nèi)管以及兩側(cè)的讀寫電極組成,文中稱為兩段式開口型雙層碳納米管存儲(chǔ)單元。把外管割成兩段,是為了使存儲(chǔ)單元具有比普通的開口型碳納米管存儲(chǔ)單元更深更寬的雙穩(wěn)態(tài)勢(shì)阱;并且可以對(duì)兩段外管間的間隔距離以及電極的沉積位置等

5、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,來(lái)改善存儲(chǔ)單元的工作的穩(wěn)定性和非易失性。根據(jù)對(duì)碳納米管層間的范德華勢(shì)能、碳管與金屬電極間的結(jié)合能的疊加結(jié)果分析以及分子靜力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn),本文提出的兩段式開口型存儲(chǔ)單元具有較為寬深的雙穩(wěn)態(tài)勢(shì)阱用于定義“0”、“1”狀念,而且7.0V的開關(guān)電壓可以充分驅(qū)動(dòng)內(nèi)管在狀態(tài)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)。同樣,我們研究了初始激勵(lì)型(short duration)和過(guò)程保持型(long duration)兩種電壓脈沖控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)變。在

6、Langevin分子動(dòng)力學(xué)模擬中,兩種控制方式對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間分別為50ps和40ps,我們采用過(guò)程保持型控制方式,由于它具有更可靠的寫操作特性。與第一種設(shè)計(jì)的研究相同,我們也分別采用了另外兩種等溫控制方法來(lái)模擬兩段式開口型雙層碳納米管存儲(chǔ)單元的工作性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),第二種存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)能夠在所有的三種等溫分子動(dòng)力學(xué)模擬中,在室溫環(huán)境下均表現(xiàn)出穩(wěn)定、可靠的非易失性存儲(chǔ)功能,并且寫操作頻率可以高達(dá)16.6GHz,是目前主流的非易失性存儲(chǔ)器閃