專利名稱：基于納米管的非易失性存儲(chǔ)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于納米管的非易失性存儲(chǔ)器件，更特別地，涉及利用納米管的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)的非易失性存儲(chǔ)器件。
背景技術(shù)：
常規(guī)存儲(chǔ)器件的例子包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、及磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。這些半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件通常分為易失性存儲(chǔ)器件和非易失性存儲(chǔ)器件，它們具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件應(yīng)用的優(yōu)選領(lǐng)域是不同的。為了克服常規(guī)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的缺點(diǎn)并開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，需要開發(fā)新的存儲(chǔ)器件。一般知曉，非易失性存儲(chǔ)器件比易失性存儲(chǔ)器件操作慢。目前，正在進(jìn)行對(duì)這樣的存儲(chǔ)器件的研究，其能結(jié)合易失性存儲(chǔ)器件和非易失性存儲(chǔ)器件的優(yōu)點(diǎn)并能比常規(guī)存儲(chǔ)器件應(yīng)用到更寬范圍。例如，基于納米管的存儲(chǔ)器件正被廣泛研究并公開報(bào)導(dǎo)。Segal Brent M.等人已經(jīng)提出一種使用碳納米管(CNT)帶(ribbon)的非易失性存儲(chǔ)器件。然而，kgal Brent M.等人提出的非易失性存儲(chǔ)器一次寫入多次讀取 (write-once read-many, WORM)存儲(chǔ)器件，其不適于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器件(見引用文獻(xiàn)2)。另外，Lee，Jaeeim等人已經(jīng)提出一種利用一組平行CNT的非易失性存儲(chǔ)器件(韓國專利0434369)。Lee，Jaeeun等人提出的非易失性存儲(chǔ)器件通過施加電場使面對(duì)的CNT 變形來產(chǎn)生導(dǎo)通(ON)狀態(tài)，并通過接地和恢復(fù)變形的CNT產(chǎn)生關(guān)斷(OFF)狀態(tài)。然而，每個(gè)非易失性存儲(chǔ)器件需要兩個(gè)CNT并且該兩個(gè)CNT之間必須保持適當(dāng)距離。另外，需要支持裝置用于以適當(dāng)電勢充電CNT之間的空間，以用于CNT的變形，即用于記憶保持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有非常簡單結(jié)構(gòu)的納米管存儲(chǔ)器件。本發(fā)明還提供不使用用于記憶保持目的的電荷的納米管存儲(chǔ)器件。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種非易失性納米管存儲(chǔ)器件，包括襯底；至少第一和第二電極，設(shè)置在該襯底上且彼此間隔開預(yù)定距離；導(dǎo)電納米管，設(shè)置在該第一和第二電極之間并且根據(jù)施加到該導(dǎo)電納米管的靜電力選擇性地與該第一電極或該第二電極接觸； 及支承物，支承該導(dǎo)電納米管。該導(dǎo)電納米管可以是懸臂，一端固定到該支承物。該支承物可分為兩個(gè)單元支承物且該導(dǎo)電納米管的兩端可固定到該兩個(gè)單元支承物。該非易失性納米管存儲(chǔ)器件還可包括第三電極，使得該第一、第二和第三電極與該納米管相鄰。該納米管可根據(jù)靜電力的位置附著到該第一至第三電極中的任一個(gè)。
可確定該第二電極與該納米管之間的間隙使得當(dāng)該納米管由于該納米管的彈性形變而接觸該第二電極時(shí)，該納米管的彈性恢復(fù)力大于該納米管與該第二電極之間產(chǎn)生的范德瓦爾斯力。


通過參照附圖詳細(xì)描述其示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的剖視圖，用于說明存儲(chǔ)器件的基本概念；圖2A至2D是圖1的存儲(chǔ)器件的剖視圖，示出存儲(chǔ)和擦除信息的方法；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的剖視圖；圖4A至4C是圖3的存儲(chǔ)器件的剖視圖，示出寫和擦除信息的方法；圖5是剖視圖和說明第一和第二示例的配置的表，用于分析根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的操作；圖6A和6B是曲線圖，示出圖5的第一和第二示例的分析結(jié)果；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的透視圖；圖8是應(yīng)用到根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的納米管的圖像。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖更完整地說明本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的納米管存儲(chǔ)器件的剖視圖。參照圖1，該納米管存儲(chǔ)器件是可擦除非易失性存儲(chǔ)器件。該存儲(chǔ)器件通過對(duì)應(yīng)于所記錄的信息使納米管(納米桿)機(jī)械變形來寫信息。詳細(xì)地，該存儲(chǔ)器件利用第一和第二電極Ila和lib與導(dǎo)電懸臂納米管10之間的電關(guān)系的差異來寫信息，該納米管10具有固定到導(dǎo)電支承物IOa的末端。存儲(chǔ)器件中用于寫信息的電特性包括電導(dǎo)通(ON)和電關(guān)斷(OFF)狀態(tài)。納米管存儲(chǔ)器件根據(jù)納米管10與第一電極Ila是否接觸而處于導(dǎo)通(ON) 或關(guān)斷(OFF)狀態(tài)，且該狀態(tài)由納米管10的通過施加的電場即靜電力引起的變形決定?？衫秒妼?dǎo)通(ON)和關(guān)斷(OFF)狀態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)寫位信息。第二電極lib與納米管10 —起形成電場并使附著到第一電極Ila的納米管10返回到其初始位置。即，在寫操作期間，第一電壓Va即寫電壓應(yīng)用到第一電極Ila和納米管10之間，且在擦除操作期間，第二電壓Vb即擦除電壓應(yīng)用到第二電極lib和納米管10之間。納米管10的用于寫位信息的變形及納米管10與第一電極Ila的接觸的保持由兩個(gè)力引起，即，分別為電場產(chǎn)生的力和范德瓦爾斯力。電場由施加到納米管10和第一電極 Ila之間的第一電壓Va產(chǎn)生。圖2A至2D是圖1的存儲(chǔ)器件的詳細(xì)剖視圖。參照圖2A，第一電極Ila和第二電極lib通過間隔物12a、12b和12c彼此平行布置。導(dǎo)電納米管10置于第一電極Ila和第二電極lib之間。納米管10的一端固定到置于間隔物12a和12b之間的支承物10a。圖2 示出了關(guān)斷(OFF)狀態(tài)，其中納米管10與第一電極Ila不接觸。參照圖2B，當(dāng)提供第一電壓Va從而在第一電極Ila和納米管10之間形成電場時(shí)，納米管10由于電場引起的靜電力與第一電極Ila接觸。當(dāng)納米管10與第一電極Ila接觸時(shí)，納米管10與第一電極Ila彼此電連接，因此處于導(dǎo)通(ON)狀態(tài)。由于納米管10與第一電極Ila彼此接觸時(shí)呈現(xiàn)的范德瓦爾斯力(Fv)，納米管10牢固地附著到第一電極11a。在本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例中，范德瓦爾斯力Fv大于納米管10的彈性恢復(fù)力!V因此，參照圖2C，即使施加到第一電極Ila和納米管10之間的第一電壓Va去除之后，納米管 10仍然附著到第一電極11a。即，當(dāng)沒有電場施加時(shí)，納米管10和第一電極Ila之間的接觸穩(wěn)定維持。因此，彈性恢復(fù)力不應(yīng)大于范德瓦爾斯力Fv，這通過公知的數(shù)值分析可以容易地計(jì)算。設(shè)置第一電壓Va使得納米管10可以彈性形變并附著到第一電極11a。納米管10通過由于施加在納米管10和第二電極lib之間的第二電壓Vb產(chǎn)生的靜電力及通過納米管10的彈性恢復(fù)力而被彈性恢復(fù)。即，參照圖2D，當(dāng)?shù)诙妷篤b施加在納米管10 和第二電極lib之間時(shí)，納米管10與第一電極Ila分開并被彈性恢復(fù)。所需的第二電壓Vb 取決于納米管10的彈性恢復(fù)力!V為了從第一電極Ila分開納米管10，大于范德瓦爾斯力 Fv的力必須施加到納米管10。由于納米管10已經(jīng)具有與范德瓦爾斯力&相反作用的彈性恢復(fù)力 ^，所以能夠從第一電極Ila分開納米管10的第二電壓Vb的最低水平對(duì)應(yīng)于范德瓦爾斯力Fv與彈性恢復(fù)力！^之間的差(FV-FK)。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)器件是雙穩(wěn)態(tài)的，具有導(dǎo)通(ON)和關(guān)斷 (OFF)狀態(tài)，而不需要?dú)埩綦姾苫蛲獠侩娫?。盡管圖1的存儲(chǔ)器件使用懸臂納米管，但圖3 的存儲(chǔ)器件使用懸掛納米管或在兩端被支承的簡單支承梁型納米管。圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的剖視圖。參照圖3，多個(gè)間隔物12在第一和第二電極Ila和lib兩端布置為置于第一電極Ila和第二電極lib之間。納米管10 置于第一電極Ila和第二電極lib之間從而平行于第一和第二電極Ila和lib。導(dǎo)電支承物IOa'設(shè)置在納米管10的兩端之下，且納米管10在導(dǎo)電支承物IOa上可沿縱向方向滑動(dòng)。圖3的存儲(chǔ)器件的操作與圖1的存儲(chǔ)器件的操作相同，除了納米管10的兩個(gè)可移動(dòng)端通過間隔物12支承以外。圖4A至4C是圖3的存儲(chǔ)器件的剖視圖，用于解釋該存儲(chǔ)器件的操作。參照圖4A， 當(dāng)?shù)谝浑妷篤a施加到第一電極Ila和納米管10之間時(shí)，納米管10由于靜電力而彎曲從而與第一電極Ila接觸。然后，參照圖4B，即使在第一電壓Va被去除之后，納米管10由于范德瓦爾斯力仍附著到第一電極11a。參照圖4C，當(dāng)?shù)诙妷篤b施加到第二電極lib和納米管10之間時(shí)，納米管10通過由于施加的電壓產(chǎn)生的靜電力和納米管10的彈性恢復(fù)力而恢
Μ. ο現(xiàn)在將參照圖5和6解釋所進(jìn)行的用于分析根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的操作的數(shù)值分析及該數(shù)值分析的結(jié)果。圖5是示出被進(jìn)行數(shù)值分析的存儲(chǔ)器件示例的配置的剖視圖和表。被進(jìn)行數(shù)值分析的第一和第二存儲(chǔ)器件#1和#2的每個(gè)被配置使得納米管10具有6壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)直徑為2nm，外直徑為3. 34nm，長度為130歷。納米管10與第一電極Ila之間的間隙Gl及納米管10與第二電極lib之間的間隙G2在第一樣品#1的情形中分別為 26nm和42nm，在第二樣品#2的情形中分別為39nm和沈歷。圖6A和6B是曲線圖，示出對(duì)圖5的第一和第二示例進(jìn)行的數(shù)值分析的結(jié)果。詳細(xì)地，圖6A是曲線圖，示出第一樣品#1的分析結(jié)果，圖6B是示出第二樣品#2的分析結(jié)果的曲線圖。分析結(jié)果顯示施加到第一和第二電極Ila和lib的電壓Va和Vb與納米管10和第一、第二電極IlaUlb之間的間隙Gl和G2的大小之間的關(guān)系。納米管10與第一和第二電極Ila和lib的每個(gè)之間的間隙將按照圖6A的曲線中出現(xiàn)的字母的字母表順序進(jìn)行解釋。首先，當(dāng)納米管10處于其初始位置(a)且施加在納米管10和第一電極Ila之間的電壓從零(0)增加到10伏時(shí)，納米管10與第一電極Ila之間的間隙Gl非線性地減小(b)并在11伏和12伏之間(c)變成零(0)。即，納米管10在12 伏左右充分變形從而與第一電極Ila接觸。即使當(dāng)電壓減小到零(0)伏(d)，納米管10仍然附著到第一電極11a。該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通(ON)狀態(tài)或高位信息，并且當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)被保持。納米管10與第一電極Ila之間的接觸被保持是因?yàn)榧{米管10被最大地變形且納米管 10的彈性恢復(fù)力小于存在的范德瓦爾斯力。第二電極lib與納米管10之間施加的電壓逐漸增加從而使納米管10從第一電極Ila分開，即將導(dǎo)通(ON)狀態(tài)改變?yōu)殛P(guān)斷(OFF)狀態(tài)。 即使當(dāng)納米管10與第二電極lib之間施加的電壓增加到-40伏，納米管10仍然附著到第一電極11a。然而，當(dāng)該電壓達(dá)到大約-42伏時(shí)(e)，納米管與第一電極Ila分開，然后附著到第二電極llb(f)。然后，當(dāng)施加到第二電極lib和納米管10之間的電壓減小到零(0)伏時(shí)(g)，納米管10恢復(fù)到其初始位置(h)。通過該過程信息可以被寫入和擦除。從圖6A可以看出，當(dāng)預(yù)定電壓應(yīng)用在第一電極Ila和納米管10之間時(shí)，納米管10與第一電極Ila接觸，即使在電壓去除之后，納米管10仍然附著到第一電極11a。另外，當(dāng)沒有電壓施加時(shí)納米管10與第二電極lib變成彼此分開，因?yàn)閺椥孕巫兊募{米管10的彈性恢復(fù)力由于納米管10與第二電極lib之間的大的初始間隙G2而大于第二電極lib與納米管10之間的范德瓦爾斯力。因此，彈性恢復(fù)力的變量，即，電極Ila和lib的每個(gè)與納米管10之間的初始間隙應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整。初始間隙應(yīng)當(dāng)考慮到納米管10的變形特性來設(shè)置。在第一樣品#1的情形中，第一電極Ila與納米管10之間的間隙Gl小于第二電極 lib與納米管10之間的間隙G2。然而，在第二樣品#2的情形中，第一電極Ila與納米管10 之間的間隙Gl大于第二電極lib與納米管10之間的間隙G2。參照圖6B，當(dāng)納米管10處于初始位置(a)使得第一電極Ila與納米管10之間的初始間隙Gl為39nm，且施加在納米管10和第一電極Ila之間的電壓增加到20伏時(shí)，間隙 Gl非線性地減小(b)從而在21伏和22伏之間(c)變成零(0)。即，納米管10在22伏充分變形從而與第一電極Ila接觸。當(dāng)電壓減小到零(0)伏，納米管10仍然附著到第一電極 lla(d)。該狀態(tài)對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通(ON)狀態(tài)或高位信息，并且當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)被保持。納米管10 與第一電極Ila之間的接觸被保持是因?yàn)榧{米管10被最大地變形且納米管10的彈性恢復(fù)力小于納米管10與第一電極Ila之間的范德瓦爾斯力。然后，當(dāng)?shù)诙姌Olib與納米管10 之間施加的電壓逐漸增加以使納米管10與第一電極Ila分開，即，將導(dǎo)通(ON)狀態(tài)改變?yōu)殛P(guān)斷(OFF)狀態(tài)時(shí)，納米管10仍然附著到第一電極11a，直到納米管10與第二電極lib之間施加的電壓到達(dá)-8至-9伏之間(e)，與圖6A的存儲(chǔ)器件中的-42伏相對(duì)比。納米管10 與第一電極Ila分開之后，其移動(dòng)到與第二電極隔開相當(dāng)距離的點(diǎn)(f)，然后恢復(fù)到初始位置(a)。第二樣品#2與第一樣品#1的不同在于，在擦除操作期間，即當(dāng)納米管10與第一電極Ila分開時(shí)，納米管10立刻恢復(fù)到初始位置而沒有首先附著到第二電極lib。圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的透視圖。參照圖7，該存儲(chǔ)器件包括用作致動(dòng)器(actuator)的導(dǎo)電納米管10和圍繞導(dǎo)電納米管10的多個(gè)電極11a、lib、11c。絕緣材料13彼此支承電極11a、lib和11c。當(dāng)圍繞納米管10的三個(gè)電極IlaUlb和Ilc中的一個(gè)被選定并且在上述操作方法中電壓施加到該選定電極與納米管10之間時(shí)，納米管10如上所述接觸該選定電極且該接觸由于范德瓦爾斯力而保持。當(dāng)預(yù)定電壓施加在未選定電極和納米管10之間從而使納米管10與選定電極分開，即擦除信息時(shí)，納米管10恢復(fù)到其初始位置。圖8是可應(yīng)用到根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的網(wǎng)狀納米管的圖像。代替網(wǎng)狀納米管，也可以使用單壁納米管或多壁納米管。根據(jù)該實(shí)施例的納米管可以利用公知的催化劑生長，或者單獨(dú)制造，然后組裝到存儲(chǔ)器件。當(dāng)多個(gè)存儲(chǔ)器件以陣列形式布置時(shí)，如常規(guī)存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)中那樣，可以實(shí)現(xiàn)可尋址的大容量存儲(chǔ)器件。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器件是可擦除非易失性存儲(chǔ)器件，其能夠在電源關(guān)斷時(shí)保持信息并確保高操作速度和高集成密度。另外，該存儲(chǔ)器件能夠以位為單位寫入和擦除信息，因此可應(yīng)用于很多領(lǐng)域。根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器件可以應(yīng)用于電雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)微開關(guān)元件及存儲(chǔ)器。盡管參照其示例性實(shí)施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種非易失性納米管存儲(chǔ)器件，包括襯底；至少第一和第二電極，設(shè)置在該襯底上且彼此間隔開預(yù)定距離；導(dǎo)電納米管，設(shè)置在該第一和第二電極之間并且根據(jù)施加到該導(dǎo)電納米管的靜電力選擇性地與該第一電極或該第二電極接觸；以及支承物，支承該導(dǎo)電納米管，其中該支承物是直接接觸該導(dǎo)電納米管的導(dǎo)電層，且寫電壓施加在該第一和第二電極之一與該支承物之間。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中擦除電壓施加在該第一和第二電極中的另一個(gè)與該支承物之間。
3.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中該導(dǎo)電納米管是一端固定到該支承物的懸臂。
4.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中該導(dǎo)電納米管是在兩端被支承的簡單支承梁。
5.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，還包括第三電極，使得該第一、第二和第三電極與該納米管相鄰，且寫電壓施加在該第一、第二和第三電極之一與該支承物之間。
6.如權(quán)利要求5所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中擦除電壓施加在該第一、第二和第三電極中的另一個(gè)與該支承物之間。
7.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中該第一電極與該納米管之間的間隙確定為使得當(dāng)該納米管由于該納米管的彈性形變而接觸該第一電極時(shí)，該納米管的彈性恢復(fù)力小于該納米管與該第一電極之間產(chǎn)生的范德瓦爾斯力。
8.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中該第二電極與該納米管之間的間隙確定為使得當(dāng)該納米管由于該納米管的彈性形變而接觸該第二電極時(shí)，該納米管的彈性恢復(fù)力大于該納米管與該第二電極之間產(chǎn)生的范德瓦爾斯力。
9.如權(quán)利要求7所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中該第二電極與該納米管之間的間隙確定為使得當(dāng)該納米管由于該納米管的彈性形變而接觸該第二電極時(shí)，該納米管的彈性恢復(fù)力大于該納米管與該第二電極之間產(chǎn)生的范德瓦爾斯力。
10.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中該支承物設(shè)置在該第一和第二電極之一與該納米管之間。
11.如權(quán)利要求1所述的非易失性納米管存儲(chǔ)器件，其中第一間隔物設(shè)置在該納米管與該第一電極之間，第二間隔物設(shè)置在該納米管與該第二電極之間，且該支承物設(shè)置在該第一和第二間隔物之一與該納米管之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非易失性存儲(chǔ)器件。該存儲(chǔ)器件包括襯底；至少第一和第二電極，設(shè)置在該襯底上，彼此間隔開預(yù)定距離；導(dǎo)電納米管，設(shè)置在該第一和第二電極之間并且由于靜電力選擇性地與該第一電極或該第二電極接觸；及支承物，支承該導(dǎo)電納米管。因此，該存儲(chǔ)器件是可擦除非易失性存儲(chǔ)器件，其能在即使沒有電源供應(yīng)時(shí)保持信息，并確保高操作速度和高集成密度。另外，由于該存儲(chǔ)器件以位為單位寫入和擦除信息，所以該存儲(chǔ)器件能應(yīng)用于很多領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G11C23/00GK102394110SQ201110272489
公開日2012年3月28日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者李秀一, 柳震奎 申請人:三星電子株式會(huì)社