Only Perception: 超快速量子點資訊儲存

2008-03-25

超快速量子點資訊儲存

Ultra-Fast Quantum-Dot Information Storage
http://www.physorg.com/news125316650.html

March 21, 2008
Laura Mgrdichian

資訊儲存市場由二種主要類型所主宰：快閃記憶體（Flash memory），用於記憶棒與行動電話，以及動態隨機存取記憶體（DRAM），那是個人電腦的主要記憶。這兩類各有其優點與缺點，不過一種新的記憶體，基於細微的原子簇（atom clusters），稱為量子點（quantum dots），也許很快就能取代它們了。

在一篇發表於 3/4，Applied Physics Letters 線上版的研究裡，來自於德國柏林科技大學與土耳其伊斯坦堡大學的研究者，描述他們如何創造出一種基於量子點的記憶裝置，那能夠以「數奈秒」的速度儲存資訊。

該論文的第一作者，柏林科技大學的科學家 Martin Geller 表示，"快閃記憶體，那是今日半導體產業的市場領先者（market-driver），而且大家所知的記憶棒、數位相機與 mp3 player，寫入時間都很緩慢。半導體產業正尋求更快速的快閃記憶，不過尚未覓得一種終極解決方案。我們基於量子點的記憶，能提供長久的貯存時間而無須消耗電力的快閃記憶，同時具有快速的寫入時間，對於現實裝置也有更好的可縮放性（scalability）。"

為了公平起見，量子點記憶另一個已確立的前輩，DRAM，確實有某些優秀的特性。它提供相當迅速的資訊存取 -- 在 20 奈秒以下 -- 而且資訊可再三寫入與重寫於 DRAM 上；它具有優異的耐久力（endurance）。不過 DRAM 裝置有個大缺點：它是易揮發的，這表示資訊必須要每 10 毫秒（milliseconds）重刷新一次，才能夠維持住，也因此具有高耗電量。

"我們基於量子點的新記憶體的最初原型，已經跟 DRAM 差不多快了，" Andreas Marent 說，柏林科技大學的物理學家，他參與此研究。"而且相較於 DRAM 或 Flash，量子點的物理特徵限制寫入時間到皮秒（picosecond，兆分之一秒，為奈秒的 1/1000）範圍。這表示更好的裝置原型應當能比今日的 DRAM 快上 100 倍。"

這種原型由砷化銦（InAs）的量子點所組成，嵌入於一層砷化鎵（GaAs）上。這層砷化鎵是「p型摻雜（p-doped）」，這意味著它包括不純的原子，那能給予它額外的、自由的正電荷，稱為電洞。

這種 InAs/GaAs 結構披覆一層「n型摻雜」的砷化鎵，那包含額外的電子。總而言之，整個結構是個 p-n二極體（p-n diode），這種電子裝置能使電流只往一種方向流動。

當電壓施加在此結構上，量子點會帶電，這讓它們能夠儲存資訊的位元，換言之，「0」或「1」的值。量子點是否代表 0 或 1，端賴二極體的電容 -- 它掌握了多少電荷。較大的電容指出量子點並沒持有許多正電荷，那等於「0」。較小的電容表示量子點裝滿了電洞，代表「1」。

Geller、Marent 及其同事表示，他們量子點方案的寫入時間，目前受限於實驗設置以及記憶結構可靠的物理特徵。在未來，當他們改善結構後，他們預期寫入時間將有可能快於 1 奈秒。甚至連皮秒都有可能，因為這種結構的物理性限制就在此範圍內。

Dieter Bimberg 教授說，他是該小組在柏林科技大學的領導者以及本論文的共同作者，"我們的結果與專利證明，量子點，如同我們正在研究的這些，有可能在數年之內，革新半導體記憶體。"

※ 相關報導：

＊ A write time of 6 ns for quantum dot–based memory structures
http://link.aip.org/link/?APPLAB/92/092108/1