Interdisziplinäres Forschungsteam aus Jülich, Aachen und Grenoble erfolgreich

ReRAM-Speicher entschlüsselt

| Autor: Ludger Schmitz

Blick ins Photoemissionsmikroskop. Mit atomarer Auflösung ließ dich das Verhalten der memristiven Zellen messen.
Blick ins Photoemissionsmikroskop. Mit atomarer Auflösung ließ dich das Verhalten der memristiven Zellen messen. (Bild: Regine Pankin, Forschungszentrum Jülich)

Größe und Geschwindigkeit in Nanobereichen, energiesparend, nichtflüchtig. ReRAMs könnten die Speicher der Zukunft sein, werden aber nicht völlig verstanden. Am Forschungszentrum Jülich ist ein wichtiges Stück weiter gekommen.

So genannte „memristive“ Speicherelemente würden bisher nur theoretisch denkbare Anwendungen ermöglichen. Die Zellen lassen sich sehr gut in den Nanometer-Bereich verkleinern, sie schalten innerhalb von Nanosekunden, brauchen wenig Energie und behalten die Informationen auch ohne Strom. Aus solchen memristiven Zellen ließen sich ReRAM-Chips bauen. Mit denen könnte man Dinge anstellen, für die selbst heutige Supercomputer viel zu lange brauchen. So ließen sie sich zu neuromorphen Systemen zusammenschalten, welche Daten mit Methoden verarbeiten können, die denen des menschlichen Gehirns nachempfunden sind.

Die Funktion ist klar, aber warum?

Wie die Bausteine funktionieren ist bekannt: Ihr Widerstand lässt sich verändern, niedriger oder höher beziehungsweise logische „1“ oder „0“. Bloß warum sich der Widerstand ändert, ist nicht bekannt. Klar war, dass es um chemische Reaktionen auf der Nanometerskala geht. Der experimentelle Nachweis war jedoch schwer.

Über das merkwürdige Verhalten forscht seit einigen Jahren im Forschungsbereich Nanoswitsches ein Team unter der Leitung von Professor Rainer Waser. Mit dabei ist Professorin Regina Dittmann vom Jülicher Peter Grünberg Institut: „Bisher dachte man, dass während des Schaltens Sauerstoffleerstellen in der Oxidschicht hin- und her wandern. Doch dieser Mechanismus konnte das Schalten in unseren Zellen nicht erklären.“ Das heißt, die Speicher ließen sich nicht sicher ansprechen.

Unter einem speziellen Elektronenmikroskop

Schließlich konnten die Forscherinnen und Forscher die Bauelemente in einem Transmissions-Elektronenmikroskop untersuchen. Mit dem lassen sich Änderungen einer chemischen und elektronischen Struktur mit atomarer Auflösung betrachten. Dabei kam heraus, dass sich bei einem Schaltvorgang die gesamte Sauerstoffkonzentration in der so genannten aktiven Schicht ändert.

Professorin Dittmann: „Durch das Anlegen von elektrischer Spannung wird also eine Elektrokatalyse in Gang gesetzt, die für einen ständigen Ein- und Ausbau von Sauerstoff in der Oxidschicht zwischen den beiden Elektroden sorgt – nicht unähnlich den Prozessen in einer Brennstoffzelle. Zusammen mit der lange vermuteten Umverteilung der Leerstellen verändert sich dadurch der Widerstand des Bauelements.“

Die Forscher hoffen, dass sich dank dieser Entdeckung, die Eigenschaften von ReRAM-Bauelementen gezielter einstellen lassen. Dann könnten daraus auch eines Tages komplexe Chips entstehen. Noch ist es nicht so weit, die Technologie nicht ausgereift genug. Daher ist auch noch keine Konkurrenz für bisher gängige Speichertypen zu sehen. Aber der entscheidende Schritt ist getan: Das Warum geklärt.

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