Одноэлектронные запоминающие устройства

Важнейшим элементом вычислительных машин являются динамические запоминающие устройства с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM), предназначенные для быстрого последовательного считывания информации. В простейшем варианте эти полупроводниковые устройства представляют собой комбинацию конденсатора и переключателя (в этом качестве обычно применяется МОП-транзистор), которая позволяет сохранять в конденсаторной части (и, соответственно, при необходимости «выпускать») примерно 100 тысяч электронов, что и соответствует, например, переходу записывающей системы из состояния «0» в состояние «1». Ограниченность возможностей таких устройств, естественно, связана с их физическим объёмом и размерами управляющих электрических цепей, что и стимули­ровало разработку методов, позволяющих осуществлять пере­ключение состояния системы меньшим числом электронов, а в идеальном случае и одним-единственным электроном.

Преимуществатакого подхода очевидны. Энергопотребление систем управления одиночными электронами должно, естествен­но, существенно сократиться. В сущности, в таких наноустройствах конденсаторы окажутся излишними, что позволит снизить размеры схем до минимума. В лабораториях фирмы «Хитачи» ещё в 1993 году было создано первое в мире одноэлектронное запоми­нающее устройство, работающее при комнатных температурах. В 1995 году оно имело объём памяти 64 бита, а к 1998 году уже ра­ботало одноэлектронное запоминающее устройство с объёмом памяти в 128 мегабит. Ранее существовали экспериментальные запоминающие устройства такого типа, однако они могли работать лишь при сверхнизких температурах (близких к абсолютному нулю темпе­ратуры). Основная заслуга специалистов фирмы «Хитачи» состо­ит именно в том, что созданное ими в 1993 году устройство могло работать при комнатных температурах, т. е. было пригодно для практического использования. В 1998 году была достигнута и до­статочно высокая степень интеграции схемы, в результате чего было изготовлено одноэлектронное запоминающее устройство, потребляющее при работе примерно в 100 раз меньше электро­энергии, чем существующие.

В настоящее время размеры таких устройств составляют около 100 нм, причём сама «ловушка» (trap) для электронов имеет диа­метр около 10 нм. Следует также подчеркнуть, что ловушка (кван­товая точка) была сформирована в результате процесса самосборки атомов на поверхности очень тонкой кремниевой пластины, вслед­ствие чего для «подключения» квантовой точки к электрической цепи потребовалось создать специальную методику.

В отделении фирмы «Хитачи», занятом разработкой больших интегральных схем, удалось не только впервые в мире изготовить сверхтонкую кремниевую пластину (толщиной около 3 нм!), но и создать на ней описанную выше квантовую точку. Такая сверхминиатюрная электрическая схема работает и регулирует движение отдельных электронов при комнат­ных температурах, что позволяет надеяться на создание в течение ближайших нескольких лет запоминающих устройств с большим объёмом памяти.