Navigation und Service

Künstliche Synapsen nach Maß

Für das Schaltverhalten memristiver Bauelemente sind winzige stoffliche Unterschiede entscheidend

Jülich, 11. Mai 2020 – Wissenschaftler weltweit arbeiten an memristiven Bauelementen, die mit extrem wenig Strom auskommen und sich ähnlich wie Nervenzellen im Gehirn verhalten. Forscher der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) und des deutschen Technologiekonzerns Heraeus haben nun herausgefunden, wie sich die Schalteigenschaften dieser Elemente planmäßig beeinflussen lassen. Entscheidend sind kleinste stoffliche Unterschiede, so gering, dass sie von der Fachwelt bislang übersehen wurden. Die Design-Vorgaben der Forscher könnten den Weg ebnen für zahlreiche Anwendungen, etwa für energieeffiziente, nicht-flüchtige Speicher oder neuro-inspirierte Computer.

OxidclusterDr. Ilia Valov (vorne links) im Oxidcluster am Forschungszentrum Jülich, in dem Experimente für die aktuelle Arbeit durchgeführt wurden. Im Hintergrund: Michael Lübben (Mitte) und Prof. Rainer Waser (rechts)
Copyright: RWTH Aachen / Peter Winandy

Memristoren gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Bauelementen. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wird ihre Entwicklung von vielen Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit verfolgt. Der japanische Elektronikkonzern NEC hat bereits 2017 erste Prototypen in Satelliten eingebaut. Viele andere große Unternehmen wie Hewlett Packard, Intel, IBM und Samsung arbeiten daran, neuartige Rechner- und Speichertypen mit memristiven Elementen auf den Markt zu bringen.

Diese sind im Grunde nichts anderes als ein „Widerstand mit Gedächtnis“, der sich zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert hin und her schalten lässt. Die Bauelemente sind damit prinzipiell lernfähig, ähnlich wie eine Synapse des biologischen Nervensystems. „Memristive Elemente gelten als ideale Kandidaten für neuro-inspirierte Computer nach dem Vorbild des Gehirns, die im Zusammenhang mit Deep Learning und künstlicher Intelligenz großes Interesse wecken“, erläutert Dr. Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut (PGI-7) des Forschungszentrums Jülich.

Er und sein Team beschreiben in der aktuellen Ausgabe der Open-Access-Zeitschrift Science Advances, wie sich die Schalteigenschaften memristiver Bauelemente gezielt beeinflussen lassen. Entscheidender Faktor ist demnach die Reinheit der zentralen Oxidschicht. „Je nachdem, ob man ein 99,999999-prozentig reines Material verwendet, ein Fremdatom in zehn Millionen Atome des reinen Materials einbringt oder ein Fremdatom in hundert Atome, unterscheiden sich die Eigenschaften der memristiven Elemente sehr stark“, sagt Valov.

Dieser Effekt war von der Fachwelt bislang übersehen worden. Er lässt sich gezielt für das Design memristiver Systeme nutzen, ähnlich einer Dotierung von Halbleitern in der Informationstechnologie. „Durch die Einbringung von Fremdatomen beeinflussen wir die Löslichkeit und Transporteigenschaften der dünnen Oxidschichten“, erklärt Dr. Christian Neumann vom Technologiekonzern Heraeus. Seit der ersten Idee im Jahr 2015 begleitet er das Projekt mit seiner Materialexpertise.

„In den letzten Jahren gab es bei der Anwendung der memristiven Bauelemente bemerkenswerte Fortschritte, die jedoch häufig auf einer rein empirischen Grundlage erzielt wurden“, so Valov. Mithilfe der gewonnenen Einsichten könnten Hersteller nun planvoll memristive Elemente mit den gewünschten Funktionen entwickeln. Je höher die Dotierung, umso langsamer ändert sich der Widerstand der Elemente mit der Zahl der eingehenden Spannungspulse und umso stabiler bleibt der Widerstand. „Damit haben wir eine Möglichkeit entdeckt, unterschiedlich erregbare Arten von künstlichen Synapsen zu konstruieren“, erklärt Ilia Valov.

Design-Vorgabe für künstliche Synapsen

Lern- und Merkfähigkeit des Gehirns sind wesentlich darauf zurückzuführen, dass sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen sozusagen verstärken, wenn sie häufig genutzt werden. Ein vergleichbares Verhalten zeigen memristive Bauelemente, von denen es unterschiedliche Varianten wie etwa elektrochemische Metallisierungszellen (ECMs) oder Valenzwechsel-Zellen (VCMs) gibt. Bei ihnen erhöht sich die Leitfähigkeit mit der Zahl der eingehenden Spannungspulse. Durch Anlegen von Spannungspulsen gegenläufiger Polarität lassen sich die Veränderungen auch wieder rückgängig machen.

Die JARA-Forscher haben ihre systematischen Versuche an ECMs durchgeführt, die aus einer Kupferelektrode, einer Platinelektrode sowie einer dazwischen liegenden Schicht aus Siliziumdioxid bestehen. Dank der Zusammenarbeit mit Heraeus Forschern hatten die JARA-Wissenschaftler Zugang zu 99,999999-prozentig reinem Siliziumdioxid – auch als 8N Siliziumdioxid bezeichnet – und zu Siliziumdioxid, das 100 bis 10 000 ppm (parts per million) Fremdatome enthielt. Die gezielt dotierten Gläser wurden speziell vom Quarzglasspezialisten Heraeus Conamic entwickelt und hergestellt, der auch das Patent an dem Verfahren hält. Kupfer und Protonen dienten dabei als mobile Dotierungsmittel, Aluminium und Gallium als nicht-flüchtige Dotierungen.

Memristor vs. Synapse

Synapse vs. MemristorCopyright: Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer

Oben: Synapsen, die Verbindungen zwischen den Nervenzellen, haben die Eigenart, Signale unterschiedlich stark zu übertragen, wenn sie schnell hintereinander durch ein elektrisches Signal erregt werden. Unter anderem erhöht sich durch die wiederholte Aktivität die Konzentration an Kalzium-Ionen, so dass mehr Botenstoffe ausgeschüttet werden. Andere Effekte sorgen je nach Aktivität für langfristige, strukturelle Umformungen, die die Stärke der Übertragung für einige Stunden und möglicherweise sogar lebenslang beeinflussen.


Unten: Bei memristiven Elemente lässt sich die Stärke der elektrischen Übertragung analog verändern, indem eine Spannung angelegt wird. In sogenannten Elektrochemischen Metallisiserungszellen (ECM) bildet sich zwischen den beiden äußeren metallischen Schichten ein metallisches Filament aus. Dadurch verkürzt sich effektiv der Abstand zwischen den beiden Schichten, was die Leitfähigkeit erhöht. Durch Spannungspulse mit umgekehrter Polarität lässt sich das Filament wieder einschrumpfen, bis die Zelle ihren Anfangszustand erreicht.

Rekord-Schaltzeit belegt Theorie

Die Forscher konnten anhand ihrer Versuchsreihen zeigen, dass sich mit der Menge an Fremdatomen auch die Schaltzeiten der ECMs ändern. Besteht die mittlere Schicht aus 8N Siliziumdioxid, so schaltet das memristive Bauelement in 1,4 Nanosekunden. Bislang betrug der schnellste jemals bei ECMs gemessene Wert etwa 10 Nanosekunden. Indem die Wissenschaftler die Oxidschicht der Bauelemente mit bis zu 10.000 ppm Fremdatomen dotierten, verlängerten sie die Schaltzeit gezielt bis in den Bereich von Millisekunden. „Wir haben für unsere Ergebnisse auch eine theoretische Begründung. Diese öffnet uns die Türe zum Verständnis und zur Nutzung der physikalisch-chemischen Vorgänge auf der Nanoskala“, sagt Valov. Aufgrund von allgemein geltenden theoretischen Überlegungen, unterstützt durch experimentelle Ergebnisse, die in der Fachliteratur dokumentiert sind, ist er überzeugt, dass der Dotierungseffekt nicht nur bei ECMs und VCMs, sondern bei allen memristiven Elementen auftritt.

Effekte der Dotierung

Effekte der DotierungCopyright: Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer

Oben: In memristiven Elementen (ECMs) mit einer undotierten, hochreinen zentralen Schicht aus Siliziumoxid (SiO2) können sich Kupferionen sehr schnell bewegen. Entsprechend schnell bildet sich ein Filament aus Kupferatomen an der Platinelektrode. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit bzw. Kapazität. Aufgrund der hohen Mobilität der Ionen ist dieses Filament allerdings sehr kurzlebig und instabil.


Mitte: Gallium-Ionen (Ga3+), die in die Zelle eingebracht werden, binden Kupferionen (Cu2+) in der zentralen Schicht. Die Bewegung der Ionen bzw. die Bildung des Filaments verlangsamt sich, daher bleibt das Filament nun länger bestehen.


Unten: Die Dotierung mit Aluminium-Ionen (Al3+) bremst den Prozess noch stärker ab, da Aluminium-Ionen Kupfer-Ionen noch stärker binden als Gallium-Ionen. Das Filament wächst noch langsamer, wobei sich gleichzeitig die Stabilität des Filaments weiter erhöht. In Abhängigkeit von den chemischen Eigenschaften des eingebrachten Materials lassen sich so memristive Zellen – oder auch: künstliche Synapsen – mit maßgeschneiderten Schalteigenschaften schaffen.

Originalpublikation:

Design of defect-chemical properties and device performance in memristive systems
M. Lübben, F. Cüppers, J. Mohr, M. von Witzleben, U. Breuer, R. Waser, C. Neumann, I. Valov
Science Advances (8 May 2020), DOI: 10.1126/sciadv.aaz9079

Weitere Informationen:

Das Bildmaterial in dieser Pressemitteilung kann mit Quellenangabe für die redaktionelle Berichterstattung verwendet werden. Für hochaufgelöste Bilder bitte auf das jeweilige Bild klicken.

Pressemitteilung vom 8. Januar 2020, "Das Gehirn als Vorbild für die Computertechnologie von übermorgen"

Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7)

Ansprechpartner:

Dr. Ilia Valov
Peter Grünberg Institut (PGI-7)
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-2994
E-Mail: i.valov@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Pressereferent, Unternehmenskommunikation
02461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de