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ReRAM-Speicherzellen müssen neu überdacht werden

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juelichDer sogenannte ReRAM gilt als potenzieller Nachfolger der klassischen Speicherzelle. Seit einigen Jahren wird an der memristiven Speicherzelle geforscht, die neuesten Erkenntnisse werfen viele der Errungenschaften der vergangenen Jahre aber über den Haufen – könnten somit Hürde aber auch Chance sein, die ReRAM-Technologie weiter zu verbessern.

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. Es gibt sozusagen einen ON- und einen OFF-Zustand. Auf diese Weise lassen sich digitale Informationen binär in Form von 1 und 0 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.

Blick ins Oxid Cluster, in dem resistive Materialschichten im Ultrahochvakuum hergestellt und untersucht werden
Blick ins Oxid Cluster, in dem resistive Materialschichten im Ultrahochvakuum hergestellt und untersucht werden

Aktuell werden zwei Grundkonzepte bei der Entwicklung des ReRAM verfolgt, die bisher mit unterschiedlichen Arten von aktiven Ionen – entweder negativ oder positiv geladen – in Verbindung gebracht wurden. Wie jülicher Forscher gemeinsam mit südkoreanischen, japanischen und amerikanischen Kollegen nun festgestellt haben, sind die Zusammenhänge aber weitaus komplexer und lassen sich nicht so einfach trennen. Denn in Valenzwechsel-Zellen (VCM) sind neben negativ geladenen Sauerstoff-Ionen, genau wie in elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM), auch positiv geladene Metall-Ionen aktiv. Der Effekt ermöglicht es, die Schalteigenschaften gezielt anzupassen und die beiden Konzepte ineinander zu überführen.

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- bzw. 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 sogenannter 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.

Bildung eines Tantalum-Filaments in einer ReRAM-Speicherzelle
Bildung eines Tantalum-Filaments in einer ReRAM-Speicherzelle

Allerdings entdeckten die jülicher Forscher gemeinsam mit ihren Partnern von der Chonbuk National University in Jeonju, dem National Institute for Materials Science in Tsukuba und dem Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Boston bei den VCMs einen unerwarteten zweiten Schaltprozess: Auch in VCMs tragen nämlich Metall-Ionen zu der Filamentbildung bei. Der Vorgang wurde erst sichtbar, weil 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 Graphen, das nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht.

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", erläutert Dr. Ilia Valov, Elektrochemiker am Jülicher Peter Grünberg Institut. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werfen jedoch auch Fragen auf: "Die bisherigen Modelle und Untersuchungen müssen auf Grundlage dieser Erkenntnisse nochmal überarbeitet und angepasst werden", sagt der Jülicher Wissenschaftler. Weitere Tests sollen zudem klären, wie sich neuartige Bauelemente, die auf den Erkenntnissen aufbauen, in der Praxis verhalten.

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