Wetenschappers van Rice University hebben de eerste geheugenchips met twee terminals gemaakt die alleen silicium gebruiken, een van de meest voorkomende stoffen op aarde, op een manier die gemakkelijk aan te passen zou moeten zijn aan nano-elektronische fabricagetechnieken en belooft de grenzen van miniaturisatie te verleggen die onderhevig zijn aan de wet van Moore.

Vorig jaar, onderzoekers in het laboratorium van Rice Professor James Tour lieten zien hoe elektrische stroom herhaaldelijk 10 nanometer strips van grafiet kon breken en opnieuw verbinden, een vorm van koolstof, om een ​​robuust, betrouwbaar geheugen "bit". Destijds, ze begrepen niet helemaal waarom het zo goed werkte.

Nutsvoorzieningen, zij doen. Een nieuwe samenwerking van de Rice labs of professors Tour, Douglas Natelson en Lin Zhong bewezen dat het circuit de koolstof helemaal niet nodig heeft.

juni Yao, een afgestudeerde student in het lab van Tour en hoofdauteur van het artikel dat zal verschijnen in de online editie van Nano-letters , bevestigde zijn doorbraakidee toen hij een laag siliciumoxide aanbracht, een isolator, tussen halfgeleidende platen van polykristallijn silicium die dienden als de bovenste en onderste elektroden.

Door een lading op de elektroden aan te brengen, werd een geleidend pad gecreëerd door zuurstofatomen van het siliciumoxide te strippen en een ketting van siliciumkristallen van nanoformaat te vormen. Eenmaal gevormd, de ketting kan herhaaldelijk worden verbroken en opnieuw worden aangesloten door een puls met variërende spanning toe te passen.

De nanokristaldraden zijn zo klein als 5 nanometer breed, veel kleiner dan circuits in zelfs de meest geavanceerde computers en elektronische apparaten.

"De schoonheid ervan is zijn eenvoud, " zei Toer, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica. Dat, hij zei, zal de sleutel zijn tot de schaalbaarheid van de technologie. Siliciumoxideschakelaars of geheugenlocaties vereisen slechts twee terminals, niet drie (zoals in flash-geheugen), omdat het fysieke proces niet vereist dat het apparaat een lading vasthoudt.

Het betekent ook dat lagen siliciumoxidegeheugen kunnen worden gestapeld in kleine maar ruime driedimensionale arrays. "De industrie heeft mij verteld dat als je over vier jaar niet in de 3D-geheugenbusiness zit, je gaat niet in de geheugenbusiness zitten. Dit is daar perfect geschikt voor, ' zei Tour.

Siliciumoxidegeheugens zijn compatibel met conventionele transistorproductietechnologie, zei Tour, die onlangs een workshop bijwoonde van de National Science Foundation en IBM over het doorbreken van de barrières voor de wet van Moore, waarin staat dat het aantal apparaten op een circuit elke 18 tot 24 maanden verdubbelt.

"Fabrikanten denken dat ze paden tot 10 nanometer kunnen krijgen. Flash-geheugen zal een bakstenen muur raken bij ongeveer 20 nanometer. Maar hoe komen we daar voorbij? Nou, onze techniek is perfect geschikt voor sub-10 nanometer circuits, " hij zei.

Austin tech design bedrijf PrivaTran is al bezig met het testen van een siliciumoxide-chip met 1, 000 geheugenelementen gebouwd in samenwerking met het Tour-lab. "We zijn erg enthousiast over waar de gegevens hier naartoe gaan, " zei Glenn Mortland, CEO van PrivaTran, die de technologie gebruikt in verschillende projecten die worden ondersteund door het legeronderzoeksbureau, Nationale Wetenschaps Instituut, Luchtmachtbureau voor wetenschappelijk onderzoek, en de programma's Navy Space and Naval Warfare Systems Command Small Business Innovation Research (SBIR) en Small Business Technology Transfer.

"Onze oorspronkelijke klantenfinanciering was gericht op herinneringen met een hogere dichtheid, "Zei Mortland. "Dat is waar de meeste betalende klanten dit zien gaan. I denk, onderweg, er zullen zijtoepassingen zijn in verschillende niet-vluchtige configuraties."

Yao had het moeilijk om zijn collega's ervan te overtuigen dat alleen siliciumoxide een circuit kon maken. "Andere groepsleden geloofden hem niet, " zei Toer, die eraan toevoegde dat niemand het potentieel van siliciumoxide erkende, ook al is het 'het meest bestudeerde materiaal in de menselijke geschiedenis'.

"De meeste mensen, toen ze dit effect zagen, zou zeggen, 'Oh, we hadden siliciumoxide-afbraak, ' en ze gooien het weg, "zei hij. "Het zat daar gewoon te wachten om uitgebuit te worden."

Met andere woorden, wat eerst een bug was, bleek een feature te zijn.

Yao ging naar de mat voor zijn idee. Hij verving eerst een verscheidenheid aan materialen voor grafiet en ontdekte dat geen van hen de prestaties van het circuit veranderde. Toen liet hij de koolstof en het metaal volledig vallen en plaatste siliciumoxide tussen siliciumterminals. Het werkte.

"Het was een heel moeilijke tijd voor mij, omdat mensen het niet geloofden, " zei Yao. Eindelijk, als proof-of-concept, hij sneed een koolstofnanobuisje om de schakelplaats te lokaliseren, sneed een heel dun stuk siliciumoxide uit met een gefocusseerde ionenstraal en identificeerde een siliciumpad op nanoschaal onder een transmissie-elektronenmicroscoop.

"Dit is onderzoek, " zei Yao. "Als je iets doet en iedereen knikt, dan is het waarschijnlijk niet zo groot. Maar als je iets doet en iedereen schudt zijn hoofd, dan bewijs je het het kan groot zijn.

"Het maakt niet uit hoeveel mensen het niet geloven. Het gaat erom of het waar is of niet."

Siliciumoxidecircuits hebben alle voordelen van het eerder gerapporteerde grafietapparaat. Ze hebben hoge aan-uit-verhoudingen, uitstekend uithoudingsvermogen en snel schakelen (minder dan 100 nanoseconden).

Ze zijn ook bestand tegen straling, waardoor ze geschikt zouden moeten zijn voor militaire en NASA-toepassingen. "Het is duidelijk dat er veel stralingsharde toepassingen zijn voor deze technologie, ' zei Mortland.

Siliciumoxide werkt ook in herprogrammeerbare gate-arrays die worden gebouwd door NuPGA, een bedrijf dat vorig jaar werd opgericht door middel van samenwerkingsoctrooien met Rice University. NuPGA's apparaten zullen helpen bij het ontwerpen van computercircuits op basis van verticale arrays van siliciumoxide ingebed in "via's, " de gaten in geïntegreerde schakelingen die lagen van schakelingen met elkaar verbinden. Dergelijke herschrijfbare poortarrays kunnen de kosten van het ontwerpen van complexe elektronische apparaten drastisch verlagen.