Jülicher Forscher entwickeln ausfallsichere memristive Speicherbausteine

Lösung für die Speicherzukunft gefunden?

| Autor / Redakteur: Ludger Schmitz / Ulrike Ostler

(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Viel schneller und energiesparender als Flash-Speicher: ReRAM-Speicher sind ein Hoffnungsträger für die Computer der Zukunft. Noch aber sind sie nicht völlig stabil. Den Grund hat ein Team am Forschungszentrum Jülich entdeckt, das Gegenmittel auch.

ReRams könnten die Computertechnik einen gewaltigen Schritt voran bringen. Es sind so genannte memristive Speicherelemente. Sie sind äußerst schnell, verbrauchen sehr wenig Energie und lassen sich auf Nanometer-Größen verkleinern. Außerdem sind es im Prinzip nicht-flüchtige Speicher. Anders als bei heutigen DRAM-Arbeitsspeichern halten sie auch ohne Strom die Daten, wodurch sich die Zeit zum Booten von Rechnern auf wenige Sekunden verkürzen ließe.

Bekannte Technologie - mit rätselhaftem Verhalten

Doch die Technologie ist noch nicht ausgereift, um jetzt schon ein Ersatz für gängige Speicher zu werden. „In Laborexperimenten konnte man schon zeigen, dass die eingeschriebene Information in einem memristiven Speicherbauelement prinzipiell 10 Jahre lang erhalten bleibt, ohne dass sie neu aufgefrischt werden müsste“, erklärt Prof. Regina Dittmann vom Jülicher Peter Grünberg Institut. „Es gibt aber immer einzelne Speicherzellen, die ihre Daten schon viel früher verlieren. Warum, war lange nicht klar.“

Diese mikroskopischen Mechanismen haben Jülicher Forscher im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs untersucht. Tatsächlich gelang es, die Vorgänge zu klären, die für den vorzeitigen Datenverlust verantwortlich sind. „Entscheidend ist hierfür die Bewegung von Sauerstoff-Ionen, die auch für den Schaltprozess unerlässlich ist“, erläutert Dittmann.

Widerstände wie logische Nullen und Einsen

Die Funktionsweise memristiver Zellen beruht auf einem besonderen Effekt: Ihr elektrischer Widerstand ist nicht konstant, wie es die Regel ist. Vielmehr lässt er sich durch das Anlegen einer äußeren Spannung verändern und wieder zurücksetzen. So stellt beispielsweise ein niedriger Widerstandszustand die logische „1“ und ein hoher Widerstandszustand die logische „0“ dar.

Die Änderung des elektrischen Widerstands wird dabei durch die Wanderung von Sauerstoff-Ionen herbeigeführt. Bewegen sich die Ionen aus der sauerstoffhaltigen Metalloxidschicht heraus, so wird das Material schlagartig leitfähig – der elektrische Widerstand sinkt. Doch im Laufe der Zeit kann es passieren, dass die Sauerstoff-Ionen wieder von alleine zurückwandern und die gespeicherte Information verlorengeht.

Prof. Regina Dittmann am Photoemissionsmikroskop NanoESCA im Electronic Oxide Cluster Labor des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-7), mit dem die Transportvorgänge untersucht wurden.
Prof. Regina Dittmann am Photoemissionsmikroskop NanoESCA im Electronic Oxide Cluster Labor des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-7), mit dem die Transportvorgänge untersucht wurden. (Bild: Peter 'Winandy, FZ Jülich)

Titaniumodid stabilisiert Zellen

Die Schaltprozesse laufen innerhalb winziger Filamente ab. Um sie zu erforschen, hat Dittmann die Reaktionen im Jülicher Electronic Oxide Cluster Labor und am italienischen Elektronen-Synchrotron Elettra in Triest mit Nanometer-Präzision sichtbar gemacht. Dabei stießen die Wissenschaftler zugleich auf eine Lösung des Problems. „Wir haben festgestellt, dass sich bei allen zeitstabilen Strontiumtitanat-Zellen eine Strontiumoxid-Schicht an der Oberfläche der Elektrode abgelagert hatte“, erläutert Dittmann.

Dies brachte die Forschergruppe auf die Idee, dass die Strontiumoxid-Schicht Sauerstoff-Ionen nur sehr langsam transportiert – und somit die Zeitstabilität der Zelle verbessert. Berechnungen am Institut für Physikalische Chemie der RWTH Aachen bestätigten die Vermutung. Darauf konnte das Team Materialien auswählen, die ähnliche Merkmale aufweisen, sich aber besser gezielt auf die Elektrodenoberfläche aufbringen lassen. Als eine Art Speicherschicht für Sauerstoff verhindern sie die Rückdiffusion.

Designregeln für ReRAMs entwickelt

Damit ließ sich erstmals eine Designregeln für ReRAM-Zellen aus dem mikroskopischen Verständnis des Sauerstofftransports innerhalb der Zellen ableiten. Merkliche Auswirkungen auf die Schaltgeschwindigkeit sind nicht zu erwarten, da sich der Sauerstofftransport mit steigender Spannung und Temperatur während des Schaltvorgangs schlagartig erhöht.

* Ludger Schmitz ist freiberuflicher Journalist in Kelheim.

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