Neuartiger Speicher »pinMOS« Speicher aus OLED und Isolator

Mit der neuartigen Labor-Messsoftware SweepMe! wurden alle Messungen der Studie zur neuartigen Speichertechnologie durchgeführt. (Symbolbild)
Mit der neuartigen Labor-Messsoftware SweepMe! wurden alle Messungen der Studie zur neuartigen Speichertechnologie durchgeführt. (Symbolbild)

Mehrere Speicherzustände in einem Bauelement abbilden: Wissenschaftler der TU Dresden haben eine neue Speichertechnik entwickelt, die eine OLED und einen Isolator kombiniert. Die Messungen dafür haben die Forscher mit der Software »SweepMe!« durchgeführt, die von einem Start-up entwickelt wurde.

An der TU Dresden haben Wissenschaftler des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) sowie des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) eine neuartige Speichertechnologie entwickelt, die aus der Kombination einer organischen Leuchtdiode (OLED) und eines Isolators entstand. Mit diesem Bauelement ist es möglich, die gespeicherten Informationen sowohl optisch als auch elektrisch auszulesen. Zudem lassen sich die Informationen schrittweise hinzufügen – somit können mehrere Speicherzustände in einem Bauelement abgebildet werden.

Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht. Sämtliche Messungen in den Versuchsreihen wurden mit der neuen Messsoftware »SweepMe!« durchgeführt, welche vom gleichnamigen Start-Up des IAPP sowie des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) entwickelt wurde. Prof. Stefan Mannsfeld (Professur für Organische Bauelemente, cfaed / IAPP) und Dr. Axel Fischer (Professur für Organische Halbleiter, Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials – IAPP) hatten die Idee.

Die Kombination herkömmlicher organischer Leuchtdioden (OLEDs) mit einer Isolatorenschicht müsste aufgrund der spezifischen physikalischen Effekte der verwendeten Materialien eine Speichereinheit ergeben, die sowohl mit Licht als auch mit elektrischen Signalen beschrieben und ausgelesen werden kann, so die Idee. Man könnte also von einer zweckentfremdeten Nutzung der OLED-Technik sprechen. Und wie sich herausstellte, hatten sich hier genau die Richtigen getroffen – denn Dr. Fischer konnte berichten, dass die notwendigen Technologien und Erfahrungen am IAPP bereits vorhanden sind – und so war eine wissenschaftliche Erforschung dieser Idee quasi beschlossene Sache. Einige Zeit später war mit Yichu Zheng am Lehrstuhl von Prof. Mannsfeld auch die passende Doktorandin gefunden, die sich diesem Thema widmen würde.

Speichern und Lesen – mit Licht und Strom

Die Wissenschaftler beschreiben in ihrem Bericht eine neue Art von programmierbarem organischem kapazitivem Speicher, der eine Kombination aus einer OLED und einem MOS-Kondensator (MOS = Metalloxid-Halbleiter) ist. Die „pinMOS“ genannte Speichereinheit ist ein nichtflüchtiger Memcapacitor mit hoher Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Das Besondere ist, dass der pinMOS in der Lage ist, mehrere Zustände zu speichern, da Ladungen schrittweise hinzugefügt oder entfernt werden können. Eine weitere attraktive Eigenschaft ist, dass dieser einfache diodenbasierte Speicher elektrisch und optisch sowohl beschrieben als auch ausgelesen werden kann.

Aktuell wird eine Lebensdauer von mehr als 104 Schreib-Lese-Lösch-Zyklen erreicht, und die Speicherzustände können über 24 Stunden erhalten und unterschieden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das pinMOS-Speicherprinzip als zuverlässiges kapazitives Speichermedium für zukünftige Anwendungen in elektronischen und photonischen Schaltungen wie in neuromorphen Computern oder visuellen Speichersystemen vielversprechend ist. Die Koautoren vom Weierstraß-Institut Berlin (WIAS) konnten durch Drift-Diffusionssimulationen zur genauen Interpretation des Funktionsmechanismus beitragen.

Ein Dioden-Kondensator-Speicher wurde bereits 1952 erstmals von Arthur W. Holt auf einer ACM-Konferenz in Kanada vorgestellt, doch erst jetzt erfährt dieses Konzept durch die Verwendung organischer Halbleiter ein Revival, da alle Funktionen einer diskreten Verbindung von Dioden und Kondensator in eine einzige Speicherzelle integriert werden können.

Messen mit SweepMe!

Alle Messungen innerhalb dieser Studie wurden mit der neuen Labor-Messsoftware »SweepMe!« durchgeführt. Diese wurde von einem Start-up entwickelt, das eine Ausgründung der TU Dresden ist. Die an der TUD promovierten Physiker Axel Fischer und Felix Kaschura hatten SweepMe! 2018 als Spin-off des IAPP ausgegründet.

In der vorliegenden Studie konnte mit SweepMe! beispielhaft gezeigt werden, wie vielfältig es einsetzbar ist. Ob die Messung von spannungsabhängigen und zeitabhängigen Kapazitäten, die Erstellung von Strom-Spannungskennlinien, die Kombination von Signalgenerator und Oszilloskop oder die Verarbeitung von Bildern einer Industriekamera – alles wurde mit ein und derselben Software umgesetzt. Auch ausgefeilte Parametervariationen, die normalerweise erheblichen Programmier-Aufwand erfordern würden, konnten so in kürzester Zeit realisiert werden. Seit Oktober 2019 ist SweepMe! weltweit kostenlos verfügbar.

Die Studie ist eine Kooperation von TU Dresden (Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials – IAPP; Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed) und dem Weierstraß-Institut Berlin.