微小電容器造就龐大記憶

Giant memory thanks to tiny capacitors
http://www.physorg.com/news133623217.html

June 25, 2008

德國--韓國研究團隊利用一種新製程製造出一種永久性記憶體，也因此創造了記憶密度的紀錄。

未來的電子裝置不但會漸漸變得更小、更輕而且還會更快、更強大。現在，由德國 Max Planck Institute of Microstructure Physics，韓國浦項科技大學（POSTECH）與韓國國家標準與科學研究院（KRISS）所開發的一種技術也許能協助達成這些目標。

這種新方法尤其能使密集封裝之記憶儲存器的製造成為可能。利用一種極細微的穿孔遮罩（perforated mask），研究者將鉑與鋯鈦酸鉛（lead-zirconate-titanate，PZT）製成的電容器以每平方英寸 176Gb 的密度進行封裝（housed）-- 是這種材料的世界紀錄。這種儲存器很容易控制且能將記憶永久儲存。以此材料製成的晶片也因此能取代當前的工作記憶體，那為了要維護位元得不停地更新。

無論是 MP3 播放器、相機手機、導航系統或筆電，這些不只都要密實，也要能儲存愈來愈龐大的影音、資料或地圖，而且要能夠十分迅速地處理它們。創新的記憶體將能促成這樣的進步，它能夠永久儲存資訊，但其處理資料的速度卻如同電腦上的 DRAMs 般迅速。 "這一類永久性記憶體，透過我們的方法可以很簡單且有效率地被製造出來，" Dietrich Hesse 說，Max Planck Institute of Microstructure Physics 的科學家，他在研究團隊的研究中扮演要角。

這種透過德--韓共同合作而生產的永久性記憶體在每平方英寸苦儲存 176 Gb 的資訊，換算成每平方公分則是 27 Gb -- 比任何使用這種材料製成的、可相比的記憶體要更多。"我們正接近每平方英寸有數 Tb 的記憶密度，而且我們甚至希望能更進一步增加記憶密度，" Dietrich Hesse 說。如此高的記憶密度為永久性記憶體更廣泛地被使用所需。它們能使，例如，硬碟與電腦冗長的開機過程成為過去。

此奈米電容滿足記憶應用的未來需求：科學家能精確地控制每個記憶體，即便它們之間的間隔不過 60 奈米。 "這項研究證明非傳統且先前被忽略的、來自於電子學研究相關領域的製造方法，代表著尋找高密度、固態記憶體的顯著進展，" Ulrich Gosele 博士說，Max Planck Institute of Microstructure Physics 的所長。

此記憶體卓越的效能是其所根基的原理以及精密製造的成果：PZT 這種陶瓷材料是種鐵電物質。在這類物質中，所有單位胞（unit cells，一個結晶體的最小部份）具有永久的電偶極（electrical dipoles）。這些可與鐵中的磁偶極相比較，它們的名由此而來。如同磁鐵的南北極，一個永久電偶極的正極與負極可以互換 -- 但快很多。

這種材料也因此如同硬碟那樣能永久地儲存資料，但處理它的時候，卻如同工作記憶體般迅速。透過外部電場，在攝氏 460 度以下，鋯鈦酸鉛可讓一個鈦被移入單位胞中。高於這個溫度，在外部沒有介入的情況下，偶極會不斷地改變方向。

科學家接著造出一個 100 奈米厚的、利用氧化鋁製成的穿孔遮罩，以便在一平方英寸上將 1760 億個由這種鐵電材料製成的電容封裝。為了辦到這件事，他們透過電化學將鋁薄膜氧化，這種方法稱為 Eloxal process（鋁表面陽極氧化法），那已用了幾十年，為鋁零件提供一層保護性的外層，賦予鋁餐具甚至是某些 MP3 播放器一種無光的（matt）金屬光澤。在這種過程中，細孔通常會以一種隨機圖案侵蝕氧化鋁。然而，透過小心選擇溫度、pH 值與氧化中的組成，研究者迫使細孔變成一種六角形的排列，在這裡每個細孔都被其他六個細孔所環繞。然而，此六角形圖案有些地方歪曲，這使它無法當成記憶體的遮罩使用。"若我們事先以沖壓機塑造鋁的外型，這些細孔自身會以完全規則的樣式排列，" KRISS 的 Woo Lee 表示。這種沖壓機包含數十億個點，那在鋁上留下數量相等的凹陷。這些凹陷也能幫助氧化，提供細孔一個侵蝕金屬的起點。

即使有細微的穿孔遮罩，此製程仍不完整。位於（德國）Halle 的科學家將遮罩放在氧化鎂的板子上加熱到攝氏 650 度。這個板塗佈了一層鉑，並當成一種支撐。他們接著透過雷射在一種完美平衡地 PZT 比率下蒸發它，直到這種陶瓷在鉑上沈積 30 - 50 奈米。一層薄薄的鉑完全覆蓋電容器，其中，貴金屬層當成一種電極，而陶瓷則當作是介電材料。"原則上，我們也能使用其他材料當作電極，" Dietrich Hesse。移除這層薄遮罩也不會產生無法克服的障礙。為了這麼做，科學家們必須小心讓不它（遮罩）破裂，留下一部份在記憶體上。透過高度的技巧與一塊透明膠帶（scotch tape，譯註：原為 3M 的商品名），他們很容易地移除這層遮罩。"非常棒地，這種以鉑還有 PZT 所做成的獨特三明治並沒有陷入孔中，" Dietrich Hesse 提到。"我想，這些被我們加熱到攝氏 650 度的電容器，當我們在室溫下移除遮罩時已經冷卻收縮了。"（後略譯）

※ 相關報導：

＊ 鋁：低溫結晶矽的組織者
＊ 台科學家發現金奈米粒子能穩定有機記憶體
＊ 超快速量子點資訊儲存
＊ 科學家示範以 3D 方式儲存資訊
＊ IBM 推出新記憶體 10 年內終結硬碟
＊ 電路有記憶 華裔學者40年前預測成真
＊ 物理學家將影像儲存在蒸汽中

＊ 巧妙剪變：調校奈米複合材料的導電率
＊ 結晶體如何變成導體？
＊ 使電子在高溫超導體中結合的束縛
＊ 控制大多數原子現在成為可能

＊ 新聚合物能改善半導體的製造與封裝
＊ 以石墨薄片創造世上最小的電晶體
＊ 新製程能導使鈦金屬價格下跌
＊ 創造強韌金屬玻璃複合材料的新方法
＊ 微小的粒子解決大問題：從 HIV 到奈米鐵
＊ 雷射與塑膠珠：在奈米尺度下駕馭光的力量
＊ 一窺奈米尺度下的世界
＊ 最佳化電腦速度的新技術

＊ 極速！超級電腦問世
＊ IBM 以水冷卻三維晶片
＊ 微晶片以極端睡眠模式創最低耗電記錄
＊ 「激子電路」消除運算與通訊間的速度困境
＊ 超立方體能成為奈米電腦的基石
＊ 光子甲蟲：大自然替未來光學電腦打造鑽石般晶體