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Neue Vorgänge in modernen ReRAM-Speicherzellen entschlüsselt

Jülich, 29. September 2015 – 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. Denn in Valenzwechsel-Zellen (VCM) sind neben negativ geladenen Sauerstoff-Ionen – genau wie in elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM) – auch positiv geladene Metall-Ionen aktiv. Der Effekt ermöglicht es, die Schalteigenschaften gezielt anzupassen und die beiden Konzepte ineinander zu überführen, wie die Forscher in den Fachzeitschriften "Nature Nanotechnology" und "Advanced Materials" aufzeigen.

ReRAM-Zellen zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus: Ihr elektrischer Widerstand lässt sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verändern. Dadurch verhalten sich die Zellen ähnlich wie ein magnetisches Material, das magnetisiert und wieder entmagnetisiert wird. Es gibt sozusagen einen ON- und einen OFF-Zustand. Auf diese Weise lassen sich digitale Informationen speichern, also Informationen, die nur zwischen "1" und "0" unterscheiden. Die wesentlichen Vorteile solcher ReRAMs: Sie lassen sich sehr schnell schalten, verbrauchen wenig Energie und sie behalten ihren Zustand auch dann eine lange Zeit bei, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt.

Die memristiven Eigenschaften von ReRAMs beruhen auf mobilen Ionen. Sie bewegen sich, im Grunde ganz ähnlich wie in einer Batterie, zwischen zwei Elektroden in einer nur wenige Nanometer dicken Metalloxidschicht hin und her. Lange Zeit dachte die Forschung, dass sich VCMs und ECMs in ihrer Funktionsweise deutlich unterscheiden. Bei ECMs wird der ON- bzw. OFF-Zustand erreicht, indem sich metallische Ionen bewegen und faserartige Filamente bilden. Das passiert, in dem eine elektrische Spannung angelegt wird. Dadurch wächst ein solches Filament zwischen den beiden Elektroden der Zelle. Die Zelle wird praktisch kurzgeschlossen – der Widerstand sinkt schlagartig. Durch die gezielte Steuerung des Vorgangs lassen sich dann die Informationen speichern. Die Schalteigenschaften sogenannter VCMs wurden dagegen in erster Linie mit der Verschiebung von Sauerstoff-Ionen in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu den Metall-Ionen sind sie negativ geladen. Durch das Anlegen einer Spannung bewegen sich die Ionen aus einer sauerstoffhaltigen Metallverbindung heraus. Das Material wird schlagartig leitfähiger. Auch hier geht es darum, diesen Prozess gezielt zu steuern.

Allerdings entdeckten die Jülicher Forscher gemeinsam mit ihren Partnern von der Chonbuk National University in Jeonju, dem National Institute for Materials Science in Tsukuba und dem Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Boston bei den VCMs einen unerwarteten zweiten Schaltprozess: Auch in VCMs tragen nämlich Metall-Ionen auch zu der Filamentbildung bei. Der Vorgang wurde erst sichtbar, weil die Wissenschaftler die Bewegung der Sauerstoff-Ionen unterdrückten. Dazu modifizierten sie die Oberflächen indem sie eine dünne Kohlenstoff-Schicht direkt über dem Elektrodenmaterial anbrachten. In einem Fall verwendeten sie dafür das auch als "Wundermaterial" bekannte Graphen, das nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht. "Graphen soll den Transport von Sauerstoff-Ionen durch die Phasengrenze unterdrücken, und die Reaktionen von Sauerstoff bremsen. Wir konnten plötzlich eine Schaltcharakteristik beobachten, die der einer ECM-Zelle gleicht und gehen daher davon aus, dass auch in VCMs bewegliche Metall-Ionen aktiv sind. Dies wurde durch zusätzliche Experimenten mit Rastertunnelmikroskop (STM) und Diffusionsexperimente bestätigt. Offensichtlich unterstützen die Metall-Ionen den Schaltprozess zusätzlich", so Dr. Ilia Valov, Elektrochemiker am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-7).

Der Einbau einer derartigen Zwischenschicht aus Kohlenstoff würde es erlauben, bei VCMs vom einen zum anderen Schaltprozess zu wechseln. Daraus würden sich neue Möglichkeiten ergeben, ReRAMs zu konstruieren. "Je nach Anwendung kann man sich unsere Erkenntnisse zunutze machen, indem der Effekt bewusst verstärkt oder gezielt unterdrückt wird", erläutert Valov. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werfen jedoch auch Fragen auf: "Die bisherigen Modelle und Untersuchungen müssen auf Grundlage dieser Erkenntnisse nochmal überarbeitet und angepasst werden", sagt der Jülicher Wissenschaftler. Weitere Tests sollen zudem klären, wie sich neuartige Bauelemente, die auf den Erkenntnissen aufbauen, in der Praxis verhalten.

Die Forschungsarbeiten wurden zum Teil vom BMBF (Projekt Nr. 03X0140) und SFB 917 der DFG finanziert.

Bildung eines Tantalum (Ta)-Filaments in einer Ta/TaO(x)/Pt-ReRAM-SpeicherzelleBildung eines Tantalum (Ta)-Filaments in einer Ta/TaO(x)/Pt-ReRAM-Speicherzelle: Sauerstoffleerstellen und positiv geladene Ta(5+)-Ionen sind an dem Prozess beteiligt.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / RWTH Aachen / Pössinger

Originalpublikation:
Nanoscale cation motion in TaOx, HfOx and TiOx memristive systems
Anja Wedig, Michael Luebben, Deok-Yong Cho, Marco Moors, Katharina Skaja, Vikas Rana, Tsuyoshi Hasegawa, Kiran K. Adepalli, Bilge Yildiz, Rainer Waser, Ilia Valov
Nature Nanotechnology (published 28 September 2015), DOI: 10.1038/nnano.2015.221
Abstract: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.221

Graphene-Modified Interface Controls Transition from VCM to ECM Switching Modes in Ta/TaOx Based Memristive Devices
Michael Lübben, Panagiotis Karakolis, Vassilios Ioannou-Sougleridis, Pascal Normand, Panagiotis Dimitrakis, Ilia Valov
Advanced Materials (first published 10 September 2015), DOI: 10.1002/adma.201502574
Abstract: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502574/abstract

Weitere Informationen:

Dossier "Resistive Speicher"

Peter Grünberg Institute, Elektronische Materialien (PGI-7)

Kontakt:

Dr. Ilia Valov
Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7)
Tel. +49 2461 61-2994
E-Mail: i.valov@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schloesser
Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de


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