Forschungsprojekt: Informationsspeicher der Zukunft - Oxidische ReRAM-Zellen

  Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II Schematische Strom-Spannungscharakteristik einer resistiv-schaltenden Pt/ZrOx/Zr Zelle bei angelegter, zyklischer Spannung und die dazu gehörigen Illustrationen der ablaufenden atomaren Prozesse

In RAMs (Random Access Memories) sind die Zellen zur Informationsspeicherung in einer Matrix angeordnet. Diese Struktur ermöglicht einen sehr schnellen Zugriff auf die einzelnen Zellen – unabhängig vom Ort in der Matrix, an dem die Information abgelegt ist oder werden soll. Die heute verwendeten Arbeitsspeicher in Rechnern sind Dynamische RAMs (DRAMs), deren Information auf den Ladezuständen kleiner Kondensatoren basieren. Aufgrund von Selbstentladevorgängen müssen die Kondensatoren in Bruchteilen von Sekunden wieder aufgefrischt werden. Trotz ihrer exzellenten Performance besitzen DRAMs damit den Nachteil der Flüchtigkeit: Bei Ausschalten der Versorgung geht die gespeicherte Information verloren. Dies beschränkt entscheidend zum einen die Geschwindigkeit, mit der Rechner oder Smartphones „hochfahren“, und zum anderen die generelle Verwendung in portablen Geräten.

Nicht-flüchtige Speicher sind heute mit Flash-Speichern in hohen Speicherdichten bis zu 128 Gbit verfügbar. Wegen der langsamen Schreibzeiten (einige 100 Mikrosekunden), der begrenzten Anzahl von Schreibzyklen (105) und der hohen Betriebsspannungen (12-18 V) ist diese Klasse jedoch nicht für den Einsatz als Arbeitsspeicher geeignet.

Es existieren eine Reihe von grundlegend neuen Ansätzen, die Vorteile von DRAM und Flash zu vereinen. Das vielversprechendste, alternative Konzept für zukünftige Informationsspeicher ist der redox-basierte resistive RAM (ReRAM). Wesentlicher Bestandteil einer solchen Speicherzelle ist ein Element, das typischerweise aus einer sehr dünnen Metalloxidschicht zwischen Elektrodenmaterialien besteht und das durch die Richtung der angelegten Spannung über eine gewisse Schwellspannung zwischen zwei oder mehreren unterschiedlichen stabilen Widerstandszuständen geschaltet werden kann. Ihre Eigenschaften vereinen Nichtflüchtigkeit mit hohen Schreib- und Zugriffsgeschwindigkeiten, einem „Non-destructive Read-out“, sehr hohen Integrationsdichten und niedrigem Energieverbrauch. Am Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II wird insbesondere das physikalisch-chemische Verständnis des resistiven Schalteffektes auf der atomaren Skala detailliert untersucht. Oxidische ReRAM-Zellen sind hochkomplexe Systeme, die zahlreiche Fragen zur Nichtlinearität der Schaltkinetik, der Wechselbeziehung zwischen ionischem und elektronischem Ladungstransport auf der Nanometerskala, der Geometrie der schaltenden Bereiche, der Wirkung extrem hoher elektrischer Felder, dem Valenzwechsel der Metallkationen beim Schalten, u.v.a.m. aufwerfen. Darüber hinaus wird das Anwendungsspektrum der ReRAM studiert und insbesondere die faszinierende Möglichkeit untersucht, ReRAM Zellen als künstliche Synapsen in neuartigen neuromorphen Computern einzusetzen, die der Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachempfunden werden soll.