Mobile Ionen

  • 30. September 2015

Überraschende Vorgänge in memristiven Speicherzellen beobachtet.

Memristive Speicherzellen, kurz ReRAM, gelten als Superspeicher der Zukunft. Aktuell verfolgen Entwickler zwei Grundkonzepte, die bisher mit unterschied­lichen Arten von aktiven Ionen – entweder negativ oder positiv geladen – in Verbindung gebracht wurden. Doch das ist nicht ganz richtig, wie ein internationales Team unter Beteiligung des Forschungs­zentrums Jülich überraschend festgestellt hat. Denn in Valenzwechsel-Zellen, kurz VCM, sind neben negativ geladenen Sauerstoff-Ionen – genau wie in ECM, elektro­chemischen Metallisierungs­zellen – auch positiv geladene Metall-Ionen aktiv. Der Effekt ermöglicht es, die Schalt­eigen­schaften gezielt anzupassen und die beiden Konzepte ineinander zu überführen, wie die Forscher.

Oxid-Cluster

Abb.: Blick in den Oxid-Cluster am FZ Jülich, in dem resistive und andere Materialschichten im Ultrahochvakuum hergestellt und untersucht werden. (Bild: FZ Jülich)

ReRAM-Zellen zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus: Ihr elektrischer Widerstand lässt sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verändern. Dadurch verhalten sich die Zellen ähnlich wie ein magnetisches Material, das magnetisiert und wieder entmagnetisiert wird. Auf diese Weise lassen sich digitale Informationen speichern. Die wesentlichen Vorteile solcher ReRAMs: Sie lassen sich sehr schnell schalten, verbrauchen wenig Energie und sie behalten ihren Zustand auch dann eine lange Zeit bei, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt. Die memristiven Eigenschaften von ReRAMs beruhen auf mobilen Ionen. Sie bewegen sich zwischen zwei Elektroden in einer nur wenige Nanometer dicken Metalloxid­schicht hin und her.

Lange Zeit dachte die Forschung, dass sich VCMs und ECMs in ihrer Funktionsweise deutlich unterscheiden. Bei ECMs wird der On- beziehungsweise Off-Zustand erreicht, indem sich metallische Ionen bewegen und faser­artige Filamente bilden. Das passiert, in dem eine elektrische Spannung angelegt wird. Dadurch wächst ein solches Filament zwischen den beiden Elektroden der Zelle. Die Zelle wird praktisch kurzgeschlossen – der Widerstand sinkt schlagartig. Durch die gezielte Steuerung des Vorgangs lassen sich dann die Informationen speichern. Die Schalt­eigen­schaften von VCMs wurden dagegen in erster Linie mit der Verschiebung von Sauerstoff-Ionen in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu den Metall-Ionen sind sie negativ geladen. Durch das Anlegen einer Spannung bewegen sich die Ionen aus einer sauerstoff­haltigen Metall­verbindung heraus. Das Material wird schlagartig leit­fähiger. Auch hier geht es darum, diesen Prozess gezielt zu steuern.

Doch es gibt einen unerwarteten zweiten Schaltprozess: Auch in VCMs tragen Metall-Ionen zu der Filament­bildung bei. Der Vorgang wurde erst sichtbar, als die Wissen­schaftler die Bewegung der Sauerstoff-Ionen unterdrückten. Dazu modifizierten sie die Oberflächen, indem sie eine dünne Kohlenstoff-Schicht direkt über dem Elektroden­material anbrachten. In einem Fall verwendeten sie dafür das auch Graphen, das nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht. „Graphen soll den Transport von Sauerstoff-Ionen durch die Phasen­grenze unter­drücken und die Reaktionen von Sauerstoff bremsen“, erläutert Ilia Valov vom Peter-Grünberg-Institut des FZ Jülich. „Wir konnten plötzlich eine Schalt­charakteristik beobachten, die der einer ECM-Zelle gleicht und gehen daher davon aus, dass auch in VCMs bewegliche Metall-Ionen aktiv sind. Dies wurde durch zusätzliche Experimenten mit Raster­tunnel­mikroskop und Diffusions­experimente bestätigt. Offensichtlich unterstützen die Metall-Ionen den Schalt­prozess zusätzlich.“

Der Einbau einer derartigen Zwischen­schicht aus Kohlenstoff würde es erlauben, bei VCMs vom einen zum anderen Schalt­prozess zu wechseln. Daraus würden sich neue Möglich­keiten ergeben, ReRAMs zu konstruieren. „Je nach Anwendung kann man sich unsere Erkenntnisse zunutze machen, indem der Effekt bewusst verstärkt oder gezielt unterdrückt wird“, do Valov. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werfen jedoch auch Fragen auf: „Die bisherigen Modelle und Untersuchungen müssen auf Grundlage dieser Erkenntnisse nochmal überarbeitet und angepasst werden.“ Weitere Tests sollen zudem klären, wie sich neuartige Bauelemente, die auf den Erkenntnissen aufbauen, in der Praxis verhalten.

FZJ / RK

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