室溫下工作的非易失性分子級存儲單元的操作設計與分子動力學模擬.pdf

1、半導體工業(yè)目前正面臨著兩大嚴峻的挑戰(zhàn):一方面是半導體集成電路的線寬尺寸將很快走向物理極限;另一方面是還沒有可行性的半導體存儲技術能夠用于制造超高速的非易失性隨機存儲器(RAM)。在本文中,我們將提出兩種碳納米管分子級存儲單元,來解決上述問題。碳納米管分子級存儲單元的讀寫操作主要通過脈沖電場(壓)控制內(nèi)管的往復振蕩運動來實現(xiàn)。我們采用分子動力學模擬研究存儲單元的工作性能,并發(fā)現(xiàn)我們提出的第二種存儲單元,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單元是我們提出的第一種非易失性分子級存儲單元,由一個兩端封閉的外管和一個兩端封閉的內(nèi)管組成。范德華勢能的分子靜力學計算結果表明,這種封閉雙層碳納米管具有雙穩(wěn)態(tài)結構,可以定義為“0”、“1”兩個邏輯狀態(tài)用于讀寫操作。邏輯狀態(tài)間的開關電場要求達到1.5V/nm,用于驅動內(nèi)管在狀態(tài)點間的往復運動。為了實現(xiàn)非易失性的寫入操作,本文提出了兩種脈沖控制電場的加載方式,一種為初始激勵型(short du

3、ration),另一種為過程保持型(long duration)。研究發(fā)現(xiàn),盡管初始激勵型控制方式具有較小的功耗,但對于外界的擾動影響比較敏感,而過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三種等溫分子動力學方法對存儲單元在室溫下的工作特性進行模擬比較,結果發(fā)現(xiàn),只有在Langevin等溫模擬中,封閉型碳

4、納米管存儲單元在室溫下才表現(xiàn)出非易失性的存儲功能,頻率可以達到4GHz,而在其他兩種方法的等溫分子動力學模擬中,卻沒有實現(xiàn)高速非易失性存儲的功能。
　　 本文提出的第二種設計,是由一個中間割斷、兩端開口的外管和一個兩端封閉的內(nèi)管以及兩側的讀寫電極組成,文中稱為兩段式開口型雙層碳納米管存儲單元。把外管割成兩段,是為了使存儲單元具有比普通的開口型碳納米管存儲單元更深更寬的雙穩(wěn)態(tài)勢阱;并且可以對兩段外管間的間隔距離以及電極的沉積位置等

5、結構尺寸參數(shù)進行優(yōu)化,來改善存儲單元的工作的穩(wěn)定性和非易失性。根據(jù)對碳納米管層間的范德華勢能、碳管與金屬電極間的結合能的疊加結果分析以及分子靜力學計算發(fā)現(xiàn),本文提出的兩段式開口型存儲單元具有較為寬深的雙穩(wěn)態(tài)勢阱用于定義“0”、“1”狀念,而且7.0V的開關電壓可以充分驅動內(nèi)管在狀態(tài)點之間的運動。同樣,我們研究了初始激勵型(short duration)和過程保持型(long duration)兩種電壓脈沖控制方式來實現(xiàn)狀態(tài)的準確轉變。在

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