Genügsamer Speicherchip

  • 09. January 2017

Neuartiger antiferromagnetischer magnetoelektrischer Speicher funktioniert effizient und bei Zimmertemperatur.

Die derzeit geläufigen rein elektrischen Speicher­chips haben einen entscheidenden Nachteil: „Diese Speicher sind flüchtig, so dass ihr Zustand permanent erneuert werden muss“, erläutert Tobias Kosub, Postdoc am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „Und das verbraucht relativ viel Energie.“ Die Folgen bekommen unter anderem große Rechen­zentren zu spüren: Zum einen wachsen ihre Strom­rechnungen mit steigender Leistung. Zum anderen heizen sich die Chips aufgrund ihres Energie­verbrauchs immer stärker auf. Den Daten­zentren fällt es immer schwerer, diese Hitze abzuführen – so dass manche Cloud-Betreiber sogar dazu übergehen, ihre Rechner­farmen in kalten Regionen zu errichten.

Abb.: Der neuartige Speicherchip besteht aus einer dünnen Chromoxid-Schicht zum Speichern, auf der eine ultradünne Platinschicht zum Auslesen dient. (Bild: T. Kosub, HZDR)

Abb.: Der neuartige Speicherchip besteht aus einer dünnen Chromoxid-Schicht zum Speichern, auf der eine ultradünne Platinschicht zum Auslesen dient. (Bild: T. Kosub, HZDR)

Es gibt eine Alternative zu den elektrischen Speicher­chips: MRAMs speichern ihre Daten magnetisch, sie müssen also nicht ständig aufgefrischt werden. Es braucht jedoch relativ große Ströme, um die Daten in die Speicher zu schreiben. Das aber mindert die Zuverlässig­keit: „Kommt es beim Schreib- oder Lese­prozess zu Störungen, drohen sie vorschnell zu verschleißen und kaputtzugehen“, sagt Kosub.

Deshalb tüftelt die Fachwelt schon länger an MRAM-Alternativen. Besonders aussichtsreich erscheint eine Material­klasse namens magnetoelektrische Anti­ferro­magnete. Statt durch Strom werden sie durch eine elektrische Spannung aktiviert. Das Problem: „Diese Materialien las-sen sich nicht ohne weiteres ansteuern“, erklärt HZDR-Gruppen­leiter Denys Makarov. „Es ist schwierig, sie mit Daten zu beschreiben und wieder auszulesen.“ Bisher nahmen Forscher an, dass man diese magneto­elektrischen Anti­ferro­magneten nur indirekt über Ferro­magneten auslesen kann, was jedoch viele der Vorteile zunichte macht. Das Ziel ist es also, einen rein anti­ferro­magnetischen magneto­elektrischen Speicher (AF-MERAM) zu erzeugen.

Genau das ist den Forscherteams aus Dresden und Basel nun gelungen. Sie entwickelten einen AF-MERAM-Prototypen auf der Basis einer hauch­dünnen Schicht aus Chrom­oxid. Diese ist – wie die Füllung eines Sand­wiches – zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepasst. Legt man an diese eine Spannung an, „kippt“ das Chromoxid in einen anderen magnetischen Zustand – das Bit ist geschrieben. Der Clou: Es genügt eine Spannung von wenigen Volt. „Gegenüber anderen Konzepten konnten wir die Spannung um den Faktor 50 reduzieren“, sagt Kosub. „Dadurch können wir ein Bit schreiben, ohne dass das Bauteil viel Energie verbraucht und sich aufheizt.“ Eine besondere Heraus­forderung lag darin, das eingeschriebene Bit wieder auslesen zu können.

Dazu brachten die Physiker eine nano­meter­feine Platin­schicht auf dem Chromoxid an. Das Platin ermöglicht das Auslesen über den anomalen Hall-Effekt. Das eigentliche Signal ist zwar sehr klein und durch Stör­signale überlagert. „Doch wir konnten eine Methode entwickeln, die das Gewitter der Störsignale unterdrückt und es erlaubt, an das Nutz­signal heranzukommen“, beschreibt Makarov. „Das war der eigentliche Durchbruch.“ Die Ergebnisse sehen sehr viel­versprechend aus, wie Oliver G. Schmidt vom beteiligten Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoff­forschung (IFW) einschätzt: „Es wird spannend sein, zu verfolgen, wie sich dieser neue Ansatz im Verhältnis zur etablierten Silizium-Technologie in Zukunft positionieren wird.“ Nun sind die Forscher dabei, das Konzept weiterzuentwickeln.

„Bislang funktioniert das Material zwar bei Raum­temperatur, aber nur in einem kleinen Fenster“, erläutert Kosub. „Indem wir das Chromoxid gezielt verändern, wollen wir den Bereich deutlich erweitern.“ Einen wichtigen Beitrag dazu liefern die Kollegen des Swiss Nano­science Institute und der Abteilung Physik an der Universität Basel. Sie haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich die magnetischen Eigenschaften des Chromoxids zum ersten Mal auf der Nanoskala abbilden lassen. Ferner wollen die Experten mehrere Speicher­elemente auf einem Chip integrieren. Bislang wurde nur ein einzelnes Element realisiert, mit dem sich lediglich ein Bit speichern lässt. Der nächste Schritt – und ein wichtiger zu einer möglichen Anwendung – ist es, ein Array aus mehreren Elementen zu konstruieren. „Im Prinzip ließen sich solche Speicher­chips mit den üblichen Verfahren der Computer­hersteller fertigen“, sagt Makarov. „Nicht zuletzt deshalb zeigt die Industrie großes Interesse an solchen Bauteilen.“

HZDR / DE

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