Auf dem Weg zu besseren Datenspeichern
Sie sind um ein Vielfaches schneller als FLASH-Speicher und benötigen deutlich weniger Energie: ReRAM-Speicher könnten die Computertechnik in den nächsten Jahren revolutionieren. Bisher waren die Schaltprozesse in diesen neuartigen Speichern jedoch nur unzureichend erforscht. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern aus Jülich, Aachen und den USA hat nun ein neues Verfahren entwickelt, um zu bestimmen, was beim Schalten passiert. Die neuen Erkenntnisse erleichtern das Design von Speichern und erlauben es, Schalteigenschaften gezielt einzustellen.
Blick in das memristive Bauelement: Spektromikroskopische Identifizierung des schaltenden Filaments durch eine nur ein Atom dünne Kohlenstoffschicht.
Forschungszentrum Jülich
Sogenannte memristive Speicherbauelemente gelten als äußerst schnell, energiesparend und lassen sich sehr gut bis in den Nanometerbereich verkleinern. Zudem handelt es sich – anders als bei den gängigen DRAM-Arbeitsspeichern – um einen nichtflüchtigen Speichertyp: Die Daten bleiben auch dann noch erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird. Das könnte das Hochfahren des Rechners Bruchteile von Sekunden verkürzen.
Die Funktionsweise memristiver Zellen beruht auf einem ganz besonderen Effekt: Ihr elektrischer Widerstand ist nicht konstant, sondern lässt sich durch das Anlegen einer äußeren Spannung verändern und wieder zurücksetzen. So stehen beispielsweise ein niedriger Widerstandszustand für die logische „1“ und ein hoher Widerstandszustand für die logische "0". Damit lassen sich alle Informationen in einem binären Code abspeichern.
Die Änderung des elektrischen Widerstands wird dabei durch die Bewegung von Sauerstoffionen herbeigeführt. Bewegen sich die Ionen aus der halbleitenden Metalloxidschicht heraus, so wird das Material schlagartig leitfähig – der elektrische Widerstand sinkt. Wie viel Sauerstoff sich dafür aber tatsächlich bewegen muss, war bisher nicht klar. Nun konnten die Forscher am Peter Grünberg Institut die Vorgänge klären, die beim Betrieb der Speicher ablaufen.
"Obwohl sich erste memristive Speicher bereits seit etwa drei Jahren auf dem Markt befinden, wurden diese Speicherbauelemente bisher weitgehend nach Erfahrungswerten optimiert", erläutert Prof. Regina Dittmann vom Peter Grünberg Institut. Die Schaltprozesse laufen innerhalb winziger Filamente ab. Solche Prozesse können beispielsweise mittels Photoemissionsmikroskopie nachgewiesen werden – allerdings nur für oberflächennahe Phänomene. Die aktive Schicht von ReRAM-Speichern liegt aber unterhalb einer Metallelektrode und konnte deshalb bisher nicht während des eigentlichen Schaltvorgangs beobachtet werden.
Die Lösung dieses Problems lag in dem Nanomaterial Graphen. "Durch diese nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, die fast genauso leitfähig ist wie eine dicke Metallschicht, können wir mit unserem Photoemissionsmikroskop hindurchschauen", erklärt Dittmann. Durch Experimente am Bessy II Synchrotron in Berlin in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Claus Michael Schneider am Peter Grünberg Institut konnten die Vorgänge in der unter dem Graphen liegenden Metalloxidschicht während des Schaltens sichtbar gemacht und damit die Änderung der Konzentration der Sauerstoffleerstellen innerhalb eines Filaments während des Schaltens genau bestimmt werden. Mit diesen Werten konnte man nun durch Simulationen die elektrischen Kenndaten der Bauelemente gut reproduzieren. Diese Ergebnisse können in Zukunft als Grundlage für realistische Simulationen herangezogen werden.
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