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Datenspeicher mit Langzeit-Gedächtnis

10.06.2008
In einem deutsch-japanischen Projekt untersuchen PDI-Forscher ein innovatives Speichermaterial

Der Arbeitsspeicher im Computer vergisst alles, sobald der Strom ausgeschaltet wird. Er hat genau genommen nur ein Kurzzeitgedächtnis. Aber Datenspeicher mit Langzeitgedächtnis sind keine Zukunftsmusik mehr.

Es gibt sie in Form von sogenannten Flash-Speichern, wie sie in Memory-Sticks oder Speicherkarten für Digitalkameras eingebaut sind. Diese Speicher behalten ihre Informationen auch wenn kein Strom fließt. Die Speicherung der Daten geschieht durch eingesperrte Elektronen und wird über einen quantenmechanischen Effekt gesteuert.

Neuere Materialen, die sich für wesentlich schnellere nichtflüchtige Speicher eignen, sind die so genannten phase change materials oder PCM. Sie werden bereits als wiederbeschreibbare Medien in CD-Größe (z.B. DVDRAM) großtechnisch eingesetzt. Im Rahmen eines deutsch-japanischen Projektes wollen Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) ein solches Material jetzt genauer unter die Lupe nehmen. Es handelt sich dabei um eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur, abgekürzt GST (Ge2Sb2Te5). "Speicher, die auf GST basieren, werden bereits in Serie hergestellt, aber man versteht die physikalischen Grundlagen noch nicht richtig", sagt Dr. Wolfgang Braun vom PDI, der das Projekt auf deutscher Seite leitet.

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"Ohne dieses Verständnis sind diese Materialien aber kaum mehr als ein praktischer Zufallsfund. Richtig perfektionieren und in Geschwindigkeit und Speicherdichte optimieren lässt sich das nur, wenn man die Mechanismen versteht. Daran arbeiten wir", führt Wolfgang Braun aus.

Das Material GST hat in kristalliner Form die Eigenschaften eines Halbleiters mit einer Bandlücke im infraroten Bereich. Es kann neben kristallin auch amorph vorliegen. In der kristallinen Form sind die Atome regelmäßig in einem Gitter angeordnet, liegt es amorph vor, herrscht sozusagen ein wildes Durcheinander im atomaren Bereich. Zum Datenspeicher wird es, weil es durch Beschuss mit Laserpulsen von der einen in die andere Form wechseln kann. "Mit einem kurzen intensiven Puls geht es in die amorphe Phase über, mit einem langen weniger intensiven Puls rekristallisiert es wieder", erläutert Braun. Im Vergleich zu den Flash-Speichern schaltet es dabei mindestens tausend Mal schneller.

Industriell werden die Speicherscheiben bisher so hergestellt, dass das GST auf Kunststoffscheiben in CD-Größe "aufgesputtert" wird. Es liegt dann polykristallin vor. Die PDI-Forscher wollen GST nun erstmalig einkristallin, in so genannten epitaktischen Schichten, herstellen. Das bedeutet, sie wollen mit dem Material ein geordnetes Kristallwachstum auf einer Trägerschicht erzeugen. "Epitaxie ist schließlich unser Spezialgebiet", so Braun. An diesem hochreinen und wohldefinierten Material werden die Forscher die Eigenschaften der Schichten mittels Röntgenbeugung untersuchen.

Schon während des Wachstums der Schichten wollen die Forscher am PDI-Messplatz am Berliner Synchrotron-Elektronenspeichering BESSY in Adlershof die entstehende Struktur 'live' mittels Röntgenbeugung untersuchen. Das soll Aufschluss darüber geben, wohin die Atome sich beim Übergang in die jeweils andere Phase bewegen. Aber auch den Schaltvorgang selbst nehmen sie ins Visier. Dazu bauen sie in der Anlage einen Laser auf, den sie mit den Strahlen von BESSY synchronisieren. Mit dem Laser lösen die Wissenschaftler dann den Schaltvorgang im GST aus, der Synchrotronpuls misst die Vorgänge im Material. Es handelt sich dabei um ein Pump-Probe-Verfahren (pump = anregen, probe = messen), wobei jeder tausendste Synchrotronpuls mit einem Laserpuls kombiniert wird. Für die Messungen nutzen sie die Eigenschaften des Synchrotrons aus, das extrem gebündelte, gepulste Röntgenstrahlen aussendet. Diese ermöglichen das zeitliche Abtasten des Vorgangs und es lässt sich verfolgen, wie schnell die Atome sich kollektiv umordnen.

Mit ihren Untersuchungen wollen die Wissenschaftler zum genaueren Verständnis des Phasenwechselvorgangs auf atomarer Skala beitragen. Diese Erkenntnisse könnten dann für den Entwurf von Speicherbauelementen genutzt werden, die noch schneller und kleiner wären als die derzeit verfügbaren. Damit sind zum Beispiel Computer vorstellbar, die keine Festplatte mehr benötigen und nach dem Einschalten sofort betriebsbereit sind. Das PDI erhält für das Projekt zunächst 350 000 Euro für drei Jahre. Finanziert wird das Projekt mit Mitteln der DFG und der japanischen JST, Partner auf japanischer Seite ist Paul Fons als Projektleiter am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba nahe Tokio.

Christine Vollgraf | idw
Weitere Informationen:
http://www.pdi-berlin.de

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