Grafik: Forschungszentrum JülichLaut dem Forschungszentrum Jülich könnten ReRAM-Speicher die IT in den kommenden Jahren revolutionieren. Diese sind deutlich schneller als Flash-Speicher und benötigen weniger Energie. Die sogenannten memristiven Speicherbauelemente lassen sich bis in den Nanometerbereich verkleinern und es handelt um einen nichtflüchtigen Speichertyp. Das heißt, die Daten bleiben auch im stromlosen Zustand erhalten, anders als dies beispielsweise bei den gängigen DRAM-Arbeitsspeichern der Fall ist. Vorteil: Das könnte das Hochfahren des Rechners auf Bruchteile von Sekunden verkürzen.

Allerdings war bisher über die Schaltprozesse in den neuen Speichern nicht genug bekannt. Daher hat ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Jülich, Aachen und den USA ein Verfahren entwickelt, um zu bestimmen, was beim Schalten passiert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse, sollen das Design der Speicher erleichtern. Zudem ermöglichen sie es die Schalteigenschaften gezielt einzustellen.

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Funktionsweise memristiver Zellen

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. Forscher am Peter Grünberg Institut konnten nun 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 lassen sich mittels Photoemissionsmikroskopie nachweisen werden. Die aktive Schicht von ReRAM-Speichern liegt unterhalb einer Metallelektrode und ließ sich deshalb bisher nicht während des eigentlichen Schaltvorgangs beobachten.

Schaltvorgang der Speicherzelle sichtbar gemacht

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«, sagt 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 lassen sich nun durch Simulationen die elektrischen Kenndaten der Bauelemente reproduzieren. Diese Ergebnisse können in Zukunft als Grundlage für realistische Simulationen herangezogen werden.