AF-MERAM als MRAM-Alternative Forschern aus Dresden und Basel gelingt Durchbruch

Beim AF-MERAM-Prototypen ohne Cobaltlage ist eine hauchdünne Schicht aus Chromoxid wie die Füllung eines Sandwiches zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepasst. Eine nanometerfeine Platinschicht auf dem Chromoxid ermöglicht das Auslesen über den den anomalen Hall-Effekt.
Beim AF-MERAM-Prototypen ohne Cobaltlage ist eine hauchdünne Schicht aus Chromoxid wie die Füllung eines Sandwiches zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepasst. Eine nanometerfeine Platinschicht auf dem Chromoxid ermöglicht das Auslesen über den den anomalen Hall-Effekt.

Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und der Universität Basel gelingt Durchbruch bei nichtflüchtigem MERAM. Ein funktionsfähiger Prototyp auf Basis Chromoxid kommt bei magnetischen Speichern ohne die bislang nötige Cobaltschicht aus.

Kommerzielle MRAM-Chips von Pionier Everspin vereinen zwar die Vorzüge von DRAMs (schneller Zugriff) und Flash (nichtflüchtig), weil aber bei MRAMs relativ große Ströme benötigt werden, um die Daten in die Speicher zu schreiben, mindert dies laut Dr. Tobias Kosub, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), die Zuverlässigkeit: »Kommt es beim Schreib- oder Leseprozess zu Störungen, drohen sie vorschnell zu verschleißen und kaputtzugehen.«

Wegen unterschiedlicher Schreibmechanismen könnte das Schreiben pro Zelle bei AF-MERAM (magnetoelektrische Antiferromagnete) hingegen im Vergleich mit (STT-)MRAM »im Prinzip um den Faktor von einer Million bis zu einer Milliarde energieeffizienter sein.« Bislang handelt es sich beim AF-MERAM-Chip allerdings nur um einen Prototypen. Eine der größten noch zu überwindenden Hürden, die immer zwischen Labor und Anwendung klafft, sei die Miniaturisierung. Wie gut dies gelinge, entscheide letztlich darüber, »wieviel von prinzipiellen Vorteilen am Ende übrigbleibt«.

Am MERAM-Konzept wird seit über zehn Jahren geforscht. Als relevantes magnetoelektrisches Material wird in der Regel Chromoxid (Cr2O3) eingesetzt. Zudem wird noch eine Cobalt-Lage benötigt. Ursprünglich war die Chromoxid-Schicht 1 mm dick. Bei der angestrebten Reduzierung in den Nanometerbereich »hat die Ausrichtung des Cobalt die des Chromoxids bestimmt und nicht, wie beabsichtigt, andersherum«, beschreibt Kosub das Dilemma. Die Lösung, an der Forscherteams aus Dresden und Basel beteiligt waren, bestand darin, »Cobalt wegzulassen und den Zustand der antiferromagnetischen Dünnschicht (das Chromoxid) mit gewöhnlichen elektrischen Messungen zu bestimmen«. Resultat ist ein zudem schlankeres und einfacheres Element, die »Störeinflüsse der Ferromagnete waren auf einen Schlag eliminiert«.

Dieses neue Konzept ohne Ferromagnete trägt den Namen AF-MERAM, wobei das AF für rein antiferromagnetisch steht. Das zum Patent angemeldete AF-MERAM ist zudem unempfindlich gegenüber Magnetfeldern und Strahlung. Beim AF-MERAM-Prototypen ist eine hauchdünne Schicht aus Chromoxid wie die Füllung eines Sandwiches zwischen zwei nanometerdünnen Elektroden eingepasst. Legt man an diese Schicht eine Spannung an, kippt das Chromoxid in einen anderen magnetischen Zustand, das Bit ist geschrieben. Weil nur wenige Volt an Spannung erforderlich sind, verbraucht das Bauteil wenig Energie und heizt sich kaum auf. Eine besondere Herausforderung bestand nun darin, das eingeschriebene Bit auch wieder auszulesen. Dazu brachten die Physiker eine nanometerfeine Platinschicht auf dem Chromoxid an. Das Platin ermöglicht das Auslesen über ein spezielles elektrisches Phänomen: den anomalen Hall-Effekt. Derzeit sind die Forscher dabei, das Konzept weiterzuentwickeln.

Bislang funktioniert das Material zwar bei Raumtemperatur, aber nur in einem kleinen Fenster: »Indem wir das Chromoxid gezielt verändern, wollen wir den Temperaturbereich deutlich erweitern«, erläutert Kosub. Einen wichtigen Beitrag dazu liefern die Wissenschaftler 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. Im nächsten Enwicklungsschritt will man mehrere Speicherelemente auf einem Chip integrieren – bis dato wurde nur ein einzelnes Element realisiert, mit dem sich lediglich ein Bit speichern lässt. Als weiterer wichtiger Schritt zu einer möglichen Anwendung ist geplant, ein Array aus mehreren Elementen zu konstruieren. »Im Prinzip lassen sich solche Speicherchips mit den üblichen Verfahren der Halbleiterbranche fertigen«, ist Kosub überzeugt.