Memristive Speicherzellen Neue Vorgänge in ReRAMs entschlüsselt

Memristive Speicherzellen, kurz ReRAM, gelten als neue Superspeicher der Zukunft. Aktuell werden zwei Grundkonzepte verfolgt, die bisher mit unterschiedlichen Arten von aktiven Ionen – entweder negativ oder positiv geladen – in Verbindung gebracht wurden. Doch das ist nicht ganz richtig, wie Jülicher Forscher gemeinsam mit südkoreanischen, japanischen und amerikanischen Kollegen überraschend festgestellt haben.

Sie sind Top-Kandidaten, um Computer und Smartphones leistungsfähiger und vor allem stromsparender zu machen: resistive Speicherzellen. Neue Erkenntnisse von Jülicher Forschern können helfen, diese nanoelektronischen Bauteile in den nächsten Jahren als Datenspeicher zu etablieren. Später einmal werden die Bauteile womöglich als künstliche Synapsen nach dem Vorbild biologischer Nervenzellen dienen. Der erste Supercomputer des Forschungszentrums in den 1980er Jahren hatte 16 MByte an Speicher. Ein USB-Stick heute hat ein Vielfaches davon – und passt in jede Hosentasche. Man hat sich daran gewöhnt, dass immer mehr Informationen auf immer weniger Raum untergebracht werden können. Doch selbstverständlich ist das nicht, denn die weitere sogenannte Miniaturisierung der gängigen Datenspeicher stößt irgendwann an naturgegebene Grenzen. Und bisher erfüllt kein Datenspeicher alle Wünsche zugleich: Er soll sowohl so schnell wie möglich als auch energiesparend arbeiten, dabei Daten dauerhaft archivieren und dazu noch preiswert sein. Die Informationen im DRAM-Modul des Arbeitsspeichers eines PC etwa verflüchtigen sich, wenn der Strom abgeschaltet ist. Das ist bei Festplatten und Flash-Speichern zwar anders, doch sind sie dafür vergleichsweise langsam.

Aus diesen Gründen arbeiten Forscher an neuen Arten von Datenspeichern, wie etwa ReRAM (= Resistance Random Access Memory), die weltweit intensiv erforscht werden.

ReRAM – Neue Art von Datenspeichern

Prinzipiell sollten ReRAMs in der Lage sein, Daten auf noch engerem Raum zu speichern als beispielsweise Flash-Speicher und auch mit deutlich weniger Strom auszukommen. Resistive Zellen speichern die beiden Grundelemente aller Computersprachen, die Null oder die Eins, auf eine grundsätzlich andere Weise als etwa eine Festplatte oder ein Flash-Speicher. Bei der Festplatte befindet sich die Information auf der magnetischen Schicht einer rotierenden Scheibe, während Flash-Speicher die Bits in Form von elektrischen Ladungen auf einem besonderen Transistor festhalten. Eine resistive Zelle dagegen merkt sich ein Bit mit Hilfe ihres elektrischen Widerstandes, der zwischen hohen und niedrigen Werten schaltbar ist – und behält ihren Zustand selbst dann, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt.

Resistive Zellen, wie sie derzeit in den Laboren weltweit hergestellt und erkundet werden, haben eine Kantenlänge unter 30 nm, also einem dreißigtausendstel Millimeter und kleiner. In einer verbreiteten Bauform bestehen sie aus drei dünnen Materialschichten mit unterschiedlicher Funktion. Das Material in der Mitte, der Elektrolyt, liegt dabei wie der Belag zwischen zwei Sandwich-Hälften, von denen die eine Hälfte aus einer aktiven Metallelektrode besteht, zum Beispiel aus Kupfer, und die andere aus einer chemisch inaktiven Gegenelektrode wie Platin.

Schaltprozesse mithilfe von Ionen

Legt man eine Spannung an, lösen sich positiv geladene Kupfer-Ionen aus der aktiven Elektrode und wandern zur Gegenelektrode. Dort wandeln sich die Ionen durch Elektronenaufnahme wieder in elementare Kupfer-Atome um. Die Atome bilden so etwas wie einen feinen Pfad durch den Elektrolyten – Fachleute sprechen von einem Filament. Hat sich auf diese Weise ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den beiden Elektroden ausgebildet, ist der Widerstand der gesamten Zelle gering und sie befindet sich im »ON-Zustand«, entsprechend der Eins in der Computersprache. In diesem Zustand bleibt die Zelle so lange, bis eine ausreichende Spannung umgekehrter Polarität angelegt wird: Das Filament löst sich auf, der Widerstand der Zelle steigt auf einen hohen Wert: Die Zelle befindet sich nun im OFF- oder Null-Zustand.

Für den Auf- und Abbau des Filamentes, die Schaltprozesse und somit die Informationsspeicherung sind hauptsächlich Ionen verantwortlich – ein wesentlicher Vorteil gegenüber Flash-Datenspeichern, bei denen Elektronen eingelagert werden. Denn Ionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Vergleich zu Elektronen besser handhabbar und damit zur zuverlässigen Informationsspeicherung pinzipiell besser geeignet sind.

Bislang wurden resistive Speicherzellen mit Hilfe der Theorie der »Memristoren« beschrieben – ein Kunstwort, zusammengesetzt aus den zwei englischen Begriffen »Memory« (Speicher) und »Resistor« (Widerstand). Demnach wären resistive Speicherzellen wie Kondensatoren, Spulen und Widerstände passive Bauelemente, die ein Signal nicht verstärken können und keine Steuerungsfunktion haben. Ein wichtiges Kennzeichen solcher passiven Bauelemente ist, dass ohne angelegte Spannung kein Strom fließt. Und dass umgekehrt keine Spannung zu messen ist, wenn kein Strom fließt.