Gedächtnisleistung
Auf dem Weg zur Kunststoffelektronik: Dynamic Random Access Memory (DRAM) auf Polymerbasis
Immer kleinere, leichtere, kompaktere Geräte, die immer schneller mit immer mehr Daten jonglieren - die konventionelle Halbleiterelektronik stößt angesichts solcher Forderungen inzwischen an ihre Grenzen. Kunststoffe müssen in Zukunft einspringen. Eine ganze Reihe polymerelektronischer Bauteile konnte bereits realisiert werden. Forschern von der National University of Singapore und dem Institute of Microelectronics in Singapur ist es nun gelungen, einen DRAM-Speicher auf Kunststoff-Basis herzustellen.
Kürzlich konnte das Singapurer Team bereits ein Flash Memory (ein wiederbeschreibbarer Speicher) und ein Write-once Read-many-times Memory (WORM) aus Polymeren realisieren. Nun stellen die Forscher einen weiteren Speichertyp auf Kunststoff-Basis vor, ein Dynamic Random Access Memory (DRAM). In einem solchen "Kurzzeitgedächtnis" elektronischer Geräte, einem "dynamischen" Typ von Arbeitsspeicher, werden alle Abläufe und Vorgänge temporär abgelegt. Sein Speicherinhalt wird durch auffrischende Spannungspulse ständig aktualisiert.
Anders als bei einer Halbleiterzelle, die sich Daten in Form von elektrischer Ladung "merkt", werden die Signale "0" und "1" bei einem Polymer-basierten Speicher als niedrige bzw. hohe Leitfähigkeit gespeichert. Die Forscher stellten ein spezielles Copolymer her, einen Kunststoff, dessen lange Molekülketten aus verschiedenen, fein auf einander abgestimmten Bausteinen bestehen. Als dünner Film wird es zwischen zwei Elektroden eingebettet. Zunächst ist das Polymer im AUS-Zustand, der durch eine niedrige Leitfähigkeit charakterisiert ist. Eine Barriere verhindert den Elektronenfluss durch den Film. Zum "Beschreiben" des Speichers reicht eine niedrige Spannung oberhalb einer bestimmten Schwelle (-2,8 V), und das Copolymer geht in einen Zustand hoher Leitfähigkeit über, den AN-Zustand. Das "Ablesen" des Speichers erfolgt über Spannungspulse unterhalb der Schwelle. Erfolgsgeheimnis ist die Kombination aus der Barriere und einer Art "Fallgruben" für Ladungsträger. Ist die Barriere erst einmal durch einen Spannungspuls oberhalb der Schwelle überwunden, werden die Gruben mit Ladungsträgern aufgefüllt. Durch das nun veränderte elektrische Feld verliert die Barriere ihre Wirkung. Jetzt kann der Strom ungehindert durch den Film fließen. Die Gruben sind nur "flach", so dass die Ladungsträger auch leicht wieder heraus können: Liegt über zwei Minuten keine Spannung an, "klettern" die Ladungsträger von selbst wieder aus den Gruben, der Speicher "vergisst" seine Programmierung und kehrt in den AUS-Zustand zurück. Und das soll er als dynamischer Arbeitsspeicher ja auch. Das "Löschen" erfolgt durch einen entgegengerichteten Spannungspuls oberhalb +3,5 V. Dadurch wird der ursprüngliche AUS-Zustand mit leeren Fallgruben sogleich wieder erreicht. Durch erneutes Anlegen von mehr als -2,8 V ist der Speicher immer wieder beschreibbar.
Originalveröffentlichung: En-Tang Kang et al.; "A Dynamic Random Access Memory (DRAM) Based on a Conjugated Copolymer Containing Electron-Donor and -Acceptor Moieties"; Angewandte Chemie 2006, 118, 3013.
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