Gedruckte Elektronik Flexible Speicher mit wandernden Ionen

Mit neuen Prinzip lassen sich flexible Folien herstellen.
Mit einem neuen Prinzip lassen sich Speicher auf flexiblen Folien herstellen.

Das Drucken von Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten wird mittlerweile gut beherrscht. Ein wichtiges Element für Digitalschaltungen liegt jedoch im Rückstand: nichtflüchtige Speicherzellen. Mit einem neuartigen Prinzip lassen sich auch diese auf flexiblen Folien herstellen.

Das Prinzip, Ladungen wie bei den Flash-Speichern mittels Tunneleffekt in ein isoliertes „Floating Gate“ zu transferieren, ist auf Druckprozesse nicht übertragbar. Hier müssen völlig neue Wege beschritten werden. Die wichtigste Anforderung: Die eingeschriebenen Daten sollen sicher sein, das heißt langzeitstabil über Jahre und temperaturfest. Derartige Speicher sollen mit den üblichen Prozessen wie Rolle-zu-Rolle-Druck kostengünstig herstellbar sein und mit leicht verfügbaren Materialien auskommen. Außerdem sollen sie schnell schalten und möglichst wenig Energie benötigen.

Die Aussicht auf gigantische Stückzahlen und Umsätze hat weltweit Forschungs- und Entwicklungsprojekte angeregt. Theoretisch kommt eine ganze Palette von verschiedenen Techniken in Betracht. Aussichtsreich erscheint vor allem das resistive Prinzip, bei dem die Zelle zwischen einem hohen und einem niedrigen elektrischen Widerstand hin und her schaltet. Diese beiden Werte lassen sich den logischen Zuständen „0“ und „1“ zuordnen. Der jeweilige Widerstand bleibt dauerhaft erhalten, bis er durch ein von außen angelegtes elektrisches Signal geändert wird. Für diese Art von Bauelementen hat sich die Bezeichnung „Memristor“ eingebürgert.

Es haben sich hier vor allem drei Varianten von Memristoren herauskristallisiert. Eine davon beruht auf dem Phasenwechsel eines speziellen Materials (zum Beispiel Germanium-Antimon-Tellurid) zwischen amorph und kristallin – die sogenannte „Phase-Change-Zelle. Der Schaltvorgang verläuft unipolar, das heißt es wird mit Spannungen gleicher Polarität und lediglich unterschiedlicher Höhe zwischen dem hochohmigen und dem niederohmigen Zustand hin und her geschaltet. Problematisch könnte dabei die Beschaffung der exotischen chemischen Elemente werden.

Eine andere Variante verwendet einen dreilagigen Aufbau aus zwei leitenden Schichten und dazwischen einem Übergangsmetall-Oxid, zum Beispiel mit Titan oder Nickel als Übergangsmetall. Solche Metalloxide haben praktisch nie eine stöchiometrisch perfekte Zusammensetzung. Dadurch ist es möglich, Sauerstoff-Fehlstellenpfade zwischen den beiden Elektroden aufzubauen und wieder aufzulösen (Redox-based RAM, ReRAM). Entsprechend ändert sich die Leitfähigkeit der Zwischenschicht. Auch diese Zellen schalten unipolar, das heißt mit gleicher Polarität für das An- und Ausschalten. Ein Nachteil sind die relativ hohen Ströme, die man braucht, um die einmal aufgebauten Pfade wieder zu löschen. Damit wird die Leistungsaufnahme eines solchen Speichers ziemlich hoch.

Vorteilhafter erscheint ein dritter Zelltyp, der unter verschiedenen Namen wie ionischer oder elektrochemischer Speicher oder ECM (Electrochemical Metallization) läuft und ebenfalls drei Schichten nutzt. Die unterste besteht aus einem inerten Material, die oberste aus einem oxidierbaren Metall wie Kupfer oder Silber. Für die sehr dünne Zwischenschicht wird Siliziumoxid verwendet, wobei es sich in diesem Fall nicht um ein stöchiometrisch richtiges SiO2 handelt, welches bekanntlich ein hervorragender Isolator ist, sondern um eine Abwandlung mit Sauerstoffmangel, wodurch es porös und ionenleitend wird. Im Ausgangszustand ist die Zelle hochohmig. Wird jetzt an die obere Elektrode eine positive Spannung gelegt, dann treten aus der Schicht Ionen aus und migrieren entlang des elektrischen Feldes zur unteren Elektrode (Bild 1a). Dort werden sie reduziert, also wieder zu Metallatomen, und lagern sich an (Bild 1b). So wächst von dieser Seite aus ein Filament in Richtung oberer Elektrode, mit einem Durchmesser im unteren Nanometerbereich. Über das Filament werden dann beide Elektroden kurzgeschlossen (Bild 1c), das heißt die Zelle gerät in einen niederohmigen Zustand, der nach Entfernen der äußeren Spannung beliebig lange erhalten bleibt. Legt man nun eine negative Spannung an die obere Elektrode, läuft der Vorgang rückwärts ab: die Metallatome werden wieder ionisiert und wandern nach oben, bis sich das Filament aufgelöst hat (Bild 1d). Dann ist die Zelle wieder hochohmig wie zuvor. Ohne Spannung hält sie auch diesen Zustand beliebig lange. Das Umschalten erfolgt hier im Gegensatz zu den beiden zuvor genannten Zelltypen bipolar.