Forschungszentrum Jülich ReRAM-Schaltmechanismus aufgeklärt

Mit Hilfe des Photoemissionsmikroskops haben Forscher die chemischen Vorgänge beim Schalten von ReRAM-Zellen geklärt.
Mit Hilfe des Photoemissionsmikroskops haben Forscher die chemischen Vorgänge beim Schalten von ReRAM-Zellen geklärt.

Wie die energiesparenden, nicht-flüchtigen ReRAM-Speicherzellen im Detail funktionieren, hat nun ein interdisziplinäres Forscherteam aus Jülich, Aachen und Grenoble mit dem Elektronenmiskroskop entschlüsselt.

Memristive Speicherbauelemente gelten als Logik- und Speicherbauelemente der Zukunft. Sie sind äußerst schnell, energiesparend und nichtflüchtig, lassen sich überdies sehr gut bis in den Nanometerbereich verkleinern.

Die Funktionsweise memristiver Zellen beruht auf einem ganz besonderen Effekt: Ihr elektrischer Widerstand lässt sich durch das Anlegen einer äußeren Spannung verändern und wieder zurücksetzen. Ein niedriger Widerstand die logische 1 dar, ein hoher die 0.

Noch ist die Technologie allerdings nicht ausgereift genug, um die gängigen Speichertypen zu verdrängen. Die chemischen Reaktionen auf der Nanometerskala, die man als den Ursprung des Schaltens vermutet, sind experimentell nur schwer nachweisbar. »Ohne genaue Kenntnis über diese Vorgänge sind die Speicher aber nicht optimal einsetzbar«, sagt Prof. Rainer Waser. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs »Nanoswitches« konnten die Forscher unter Wasers Leitung nun auf der Nanometerskala die Vorgänge klären, die beim Betrieb der Speicher ablaufen.

»Bisher dachte man, dass während des Schaltens Sauerstoffleerstellen in der Oxidschicht hin- und her wandern«, erklärt Prof. Regina Dittmann vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Doch dieser Mechanismus habe das Schalten in den Zellen nicht erklären können. Unter dem Transmissionselektronenmikroskop habe man entdeckt, »dass sich während des Schaltens die gesamte Sauerstoffkonzentration in der sogenannten aktiven Schicht ändert«. Durch das Anlegen von elektrischer Spannung werde eine Elektrokatalyse in Gang gesetzt, die für einen ständigen Ein- und Ausbau von Sauerstoff in der Oxidschicht zwischen den beiden Elektroden sorgt – nicht unähnlich den Prozessen in einer Brennstoffzelle. Zusammen mit der lange vermuteten Umverteilung der Leerstellen verändere sich dadurch der Widerstand des Bauelements.

Durch diese neuen Erkenntnisse über die atomaren Vorgänge in den Speicherzellen - so zumindest erhoffen sich die Forscher - lassen sich die Eigenschaften zukünftiger Bauelemente gezielter einstellen. So können etwa durch den Ein- und Ausbau von Sauerstoff aus der aktiven Schicht deutlich höhere Unterschiede im elektrischen Widerstand erreicht werden, was die Integration der Zellen in komplexe Chips erleichtert.