作 者 摘 要
Because of its excellent dielectric properties, silicon oxide (SiOx) has long been used and considered as a passive, insulating component in the construction of electronic devices. In contrast, here we demonstrate resistive switches and memories that use SiOx as the sole active material and can be implemented in entirely metal-free embodiments. Through cross-sectional transmission electron microscopy, we determine that the switching takes place through the voltage-driven formation and modification of silicon (Si) nanocrystals (NCs) embedded in the SiOx matrix, with SiOx itself also serving as the source of the formation of this Si pathway. The small sizes of the Si NCs (d 
5 nm) suggest that scaling to ultrasmall domains could be feasible. Meanwhile, the switch also shows robust nonvolatile properties, high ON/OFF ratios (>105), fast switching (sub-100-ns), and good endurance (104 write-erase cycles). These properties in a SiOx-based material composition showcase its potentials in constructing memory or logic devices that are fully CMOS compatible.
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科学家开发出更小宽度忆阻器
上世纪60年代，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。然而，芯片的进一步小型化遇到越来越多的技术局限。在传统硅芯片技术上所能取得的进步受到物理法则和资金的限制也越来越严重，有人以为看到了集成电路技术的天花板，于是便开始轻狂地对摩尔大叔说三道四。
然而，据美国《纽约时报》8月30日报道，美国莱斯大学和惠普公司的科学家报告称，他们在忆阻器的研制上取得了新的进展，扫清了横亘在计算机存储器微型化道路上的一些障碍，让计算机存储器可以继续朝着微型化的方向一路小跑，续写摩尔定律的同时也有望给消费电子领域带来重大革新。
忆阻器：更小更强大
忆阻器又名记忆电阻，是一种被动电子元件，忆阻器被认为是电路的第四种基本元件，仅次于电阻器、电容器及电感元件。忆阻器在关掉电源后，仍能“记忆”通过的电荷。两组忆阻器能产生与晶体管相同的功能，但更为细小。2008年，惠普实验组的组长斯坦·威廉姆斯宣布，他们制造出了第一个忆阻器。
美国莱斯大学的研究人员在美国化学学会最新出版的《纳米快报》（Nano Letter）杂志上指出，他们已经成功地制造出了可靠的小型数字开关——忆阻器（memristor），其尺寸远远小于传统制造方法制造出的规模，其宽度仅为5纳米。而在2005年，英特尔公司总裁克瑞格·贝瑞特在英特尔信息技术峰会上曾表示，传统工艺“设想达到的极限”是5纳米，超越这个极限，将遭遇电流泄漏等难题。
更重要的是，这项技术进步使用了二氧化硅（二氧化硅是芯片工业的基石）而不是其他新型材料，因此，也为其进一步商业化铺平了道路。莱斯大学的科学家表示，位于德州的新兴公司PrivaTran已经使用这项技术制造出了实验性的芯片，这些芯片能够存储和检索信息。
这些芯片现在仅仅能够存储1000个字节，但是，如果新技术达到其投资者的预期，拥有同现在最大容量的磁盘驱动器相当容量能力的芯片有望于5年内问世。
虽然早在2008年，惠普公司就宣布已经研发出了忆阻器，但是，其大规模的商业化生产还是一个问题。因为芯片设计公司在其现有电路上的投资已经十分庞大，生产基于忆阻器的开发工具和设计将花费更多，因为整个架构都必须重新考虑。因此，忆阻器技术的发展方向和发展速度，既是一个技术问题，也是一个商业问题。
不过，惠普公司宣布，它将同一家主要的半导体制造商开展商业合作，研发忆阻器相关的技术并进行商业化的生产，在未来10年让芯片的存储密度达到非常高的高度。
几年来，惠普公司一直宣称，其忆阻器能够同传统的存储器技术进行PK，而该公司最新公布的技术让其底气更足。惠普认为，它可以设计出一个可以与闪存竞争的忆阻器设备，在2013年前将存储密度提高达到20GB/平方英寸，达到闪存的两倍。
计算机及消费电子方面的顾问公司Envisioneering Group的总裁理查德·多歌提表示：“如果人们能够真正实现这样的技术，在一块芯片上就可以存储几百部电影。这些成就具有非常重要的意义，他们可以证明摩尔定律仍然行之有效。”
相变存储器：续写摩尔定律
在芯片的研发上，除了继续走小型化的路线外，其他公司也另辟蹊径，研发其他富有竞争力的存储技术。
比如，IBM公司和英特尔公司正在殚精竭虑研发的相变存储器（PCM）即为其一。相变存储器（PCM）是一个实验性的内存技术，其具有非易失性的性能，不同于闪存，PCM可以以更小的尺寸来制作。
PCM使用具有独特行为的硫化玻璃，当给予其特定的热能，可以使它在晶态和非晶态之间切换，PCM就是利用硫化玻璃在晶态和非晶态之间巨大的导电性差异来存储数据。
这些公司认为，相变存储器是最富有前景的技术之一，是未来的发展方向，其具有高存取速度、高容量、非易失性、工艺简单和多值化前景好等主要优势，将逐步取代闪存、磁盘等。
英特尔院士兼记忆体技术开发总监艾尔·法齐奥表示，PCM将续写摩尔定律的神话，但同时也还面临着一些问题。目前PCM的最大问题是成本和容量。PCM需要使用加热电阻来使相变材料发生相变，工艺越先进，单元越精细，对加热元件的控制要求也越高，发热带来的影响也越大，发热和较大的耗电量可能会限制PCM的进一步发展。
三维芯片：未来任重而道远
也有公司将目光投向了三维芯片，也就是将晶体管采用一定的方式叠加在一起以增加存储密度。
据国外媒体报道，2007年，IBM宣布在制造环境中实现了一种突破性的芯片堆叠技术，此举为制造三维芯片扫清了障碍。这种被称为“穿透硅通道（through-silicon vias）”的技术可以大大缩小不同芯片组件之间的距离，从而设计出速度更快、体积更小和能耗更低的系统。
IBM的这项突破实现了从二维芯片设计到三维芯片堆叠的转变，将传统上并排安装在硅圆片上的芯片和内存设备以堆叠的方式相互叠加在一起，最终实现了一种紧凑的组件层状结构，大大减小了芯片的体积，并提高了数据在芯片上各个功能区之间的传输速度。
另外，芯片制造商们也研发出了很多方式，让单个芯片来存储更多的信息。但是，从长远的角度来看，这些方法还远远不够。
尽管莱斯大学和惠普力推的忆阻器技术被认为是芯片工业杀出的一匹“黑马”，但是，莱斯大学的研究人员表示，他们将继续推进其研发工作，消除别人的怀疑，因为业界人士一直认为二氧化硅是绝缘体，无法应用在芯片上。莱斯大学的纳米技术专家吉姆·图尔表示，半导体工业需要严肃对待最新的研究。 |
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