基于超高密度存储的硅基纳机电探针阵列器件研究

　　随着信息技术飞速发展,存储器的存储密度将成为限制信息技术继续向前迈进的瓶颈,如何提高存储器的存储密度成为一个急待解决的问题。采用硅微纳加工工艺技术制造的电热纳机电探针型高密度存储器具有制造工艺简单、适于批量制造和存储密度大等优势而倍受青睐。在这方面,Stanford大学和IBM 做出了一些有益的研究工作^[1,2],但是他们的工作主要集中研究读写功能分开,即采用两个独立的电热探针,分别实现数据读和写的功能,读写分开本身就是缺点,后来他们也研究过热读写集成一体的纳机电探针技术^[3],即读和写均通过同一加热针尖来完成,这必将造成器件读写功能分别优化上的困难。本文将设计并制造出一种热写、压阻读一体成于同一超薄悬臂梁结构的一维阵列器件。先简要介绍了该器件工作原理后,通过理论计算及其有限元模拟相结合方法实现器件结构设计,电热测试结果与理论计算结果相一致,并利用先进的微纳电子技术制造出该器件。

　　1　器件工作原理及其结构设计

　　本文设计的一维阵列器件包含十个并行工作的悬臂梁———纳米针尖探针,每个探针上集成了纳米针尖、电加热电阻和压阻传感器。器件工作原理如图1所示。

　　在数据写入过程中,在悬臂梁针尖处施加一个初始预力(10^-7N量级),当纳米针尖在存储介质上运行到一定的位置时,给加热电阻施加一带有信号的脉冲电流,加热电阻及其纳米针尖的温度迅速升高。当纳米针尖的温度高于与之相接触存储介质的玻璃转变温度时,接触点处存储介质便发生微区软化,在悬臂梁初始预力作用下纳米针尖陷入到存储介质中,形成记忆坑(代表0或1)。相反,当没有脉冲电流时就无法形成记忆坑。由于针尖是纳米尺寸的,其热容很小,另外,与热塑性有机薄膜接触面也在纳米范围内,有机薄膜的热惯性对于器件写入速度的影响也比较小,对于微秒级的电热脉冲来得及反应,单针写入速度可达几十至上百kbit/s,借助于探针并行工作原理,可以达到数Mbit/s以上;同时,器件写入时可形成只有几十个纳米的记忆坑,从而实现超高密度数据存储,存储面密度可达几十至几百Gbit/in²。

　　在数据读出过程中,同样在初始预力作用下,纳米针尖与存储介质表面相接触。带有数据信息(记忆坑)的存储介质在高速转动,当转动到与纳米针尖接触处出现了带有存储信息的记忆坑时,悬臂梁上纳米针尖就会下沉,压阻传感器便检测出纳米针尖在该处时悬臂梁挠度变化并转化为电信号,从而实现数据读的功能。

　　采用悬臂梁末端集中受力模型,计算悬臂梁结构参数,并进行器件有限元模拟,得到的器件悬臂梁结构特性参数一并列于表1中。