Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lösung für langzeitstabile ReRAMs

19.10.2015

Jülicher Forscher entwickeln Designregeln für ausfallsichere memristive Speicherbauelemente

Sie sind um ein Vielfaches schneller als FLASH-Speicher und benötigen deutlich weniger Energie: ReRAM-Speicher könnten die Computertechnik in den nächsten Jahren revolutionieren. Doch für viele Anwendungen sind die memristiven Speicherzellen noch zu fehleranfällig.


Blick in das memristive SrTiO3 Bauelement: Spektromikroskopische Identifizierung des schaltenden Filamentes und der SrO-Lage, die die Rückdiffusion von Sauerstoff verhindert.

Copyright: Forschungszentrum Jülich


Prof. Regina Dittmann am Photoemissionsmikroskop NanoESCA im Electronic Oxide Cluster Labor des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-7), mit dem die Transportvorgänge untersucht wurden.

Copyright: Peter Winandy

Ein Jülicher und Aachener Forscherteam konnte nun aufdecken, wie sich Speicherzellen, die schnell Daten verlieren, mikroskopisch von jenen unterscheiden, die über lange Zeit stabil sind. Zugleich stießen sie auf eine Lösung für fehlerresistente Speicherzellen: eine Speicherschicht für Sauerstoff-Ionen, die den unerwünschten Vorgang verlangsamt und womöglich ganz unterdrückt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

Memristive Speicherbauelemente gelten als Hoffnungsträger für die Computer der Zukunft. Darüber hinaus sind sie wie geschaffen für die Verschaltung zu sogenannten neuromorphen Systemen, die Daten mit Methoden verarbeiten, die dem Gehirn nachempfunden sind. Entsprechende Speicherbausteine gelten als äußerst schnell, energiesparend und lassen sich sehr gut bis in den Nanometerbereich miniaturisieren.

Zudem handelt es sich – anders als beim aktuell gängigen DRAM-Arbeitsspeicher – um einen nichtflüchtigen Speichertyp. Die Daten bleiben auch dann noch erhalten, wenn der Strom abgeschaltet wird, was die Zeit für das Hochfahren des Rechners auf wenige Sekunden verkürzen könnte.

Noch ist die Technologie allerdings nicht ausgereift genug, um die gängigen Speichertypen zu verdrängen. "In Laborexperimenten konnte man schon zeigen, dass die eingeschriebene Information in einem memristiven Speicherbauelement prinzipiell 10 Jahre lang erhalten bleibt, ohne dass sie neu aufgefrischt werden müsste. Es gibt aber immer einzelne Speicherzellen, die ihre Daten schon viel früher verlieren. Warum, war lange nicht klar", erklärt Prof. Regina Dittmann vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-7).

In der Vergangenheit hatten die Forscherinnen und Forscher unter der Leitung von Prof. Rainer Waser bereits maßgeblich dazu beigetragen, die mikroskopischen Mechanismen des Schaltverhaltens aufzuklären. Nun konnten sie im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 917 auch die Vorgänge klären, die für den vorzeitigen Datenverlust verantwortlich sind. "Entscheidend ist hierfür die Bewegung von Sauerstoff-Ionen, die auch für den Schaltprozess unerlässlich ist", erläutert Dittmann.

Die Funktionsweise memristiver Zellen beruht auf einem ganz besonderen Effekt: Ihr elektrischer Widerstand ist nicht konstant, wie es die Regel ist. Vielmehr lässt er sich durch das Anlegen einer äußeren Spannung verändern und wieder zurücksetzen. So stellt beispielsweise ein niedriger Widerstandszustand die logische "1" und ein hoher Widerstandszustand die logische "0" dar.

Mehr Symbole braucht es nicht, um alle Informationen in einem binären Code abzuspeichern. Die Änderung des elektrischen Widerstands wird dabei durch die Wanderung von Sauerstoff-Ionen herbeigeführt. Bewegen sich die Ionen aus der sauerstoffhaltigen Metalloxidschicht heraus, so wird das Material schlagartig leitfähig – der elektrische Widerstand sinkt. Doch im Laufe der Zeit kann es passieren, dass die Sauerstoff-Ionen wieder von alleine zurückwandern und die gespeicherte Information verlorengeht.

"Obwohl sich erste memristive Speicher bereits seit etwa zwei Jahren auf dem Markt befinden, wurden diese Speicherbauelemente bisher weitgehend mithilfe rein empirischer Methoden optimiert", erläutert Dittmann. Die Schaltprozesse laufen innerhalb winziger Filamente ab. Um sie zu erforschen, hat sie die Reaktionen im Jülicher Electronic Oxide Cluster Labor und am italienischen Elektronen-Synchrotron Elettra in Triest in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Claus Michael Schneider am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-6) mit Nanometer-Präzision sichtbar gemacht.

Dabei stießen die Wissenschaftler zugleich auf eine Lösung des Problems. "Wir haben festgestellt, dass sich bei allen zeitstabilen Strontiumtitanat-Zellen eine Strontiumoxid-Schicht an der Oberfläche der Elektrode abgelagert hatte. Dies brachte uns auf die Idee, dass die Strontiumoxid-Schicht Sauerstoff-Ionen nur sehr langsam transportiert – und somit die Zeitstabilität der Zelle verbessert", erläutert Dittmann.

Berechnungen in der Gruppe von Dr. Roger De Souza vom Institut für Physikalische Chemie an der RWTH Aachen bestätigten die Vermutung, woraufhin das Team Materialien auswählen konnte, die ähnliche Merkmale aufweisen, sich aber besser gezielt auf die Elektrodenoberfläche aufbringen lassen. Als eine Art Speicherschicht für Sauerstoff verhindern sie die Rückdiffusion.

Damit konnte erstmals eine Designregeln für ReRAM Zellen aus dem mikroskopischen Verständnis des Sauerstofftransports innerhalb der Zellen abgeleitet werden. Merkliche Auswirkungen auf die Schaltgeschwindigkeit sind nicht zu erwarten, da sich der Sauerstofftransport mit steigender Spannung und Temperatur während des Schaltvorgangs schlagartig erhöht.


Originalpublikation:
Christoph Baeumer, Christoph Schmitz, Amr H. H. Ramadan, Hongchu Du, Katharina Skaja, Vitaliy Feyer, Philipp Müller, Benedikt Arndt, Chun-Lin Jia, Joachim Mayer, Roger A. De Souza, Claus Michael Schneider, Rainer Waser, and Regina Dittmann, "Spectromicroscopic insights for rational design of redox-based memristive devices", Nature Communications 6:8610 doi: 10.1038/ncomms9610 (2015).

Weitere Informationen:

Dossier "Resistive Speicher"
Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7)
Peter Grünberg Institut, Elektronische Eigenschaften (PGI-6)


Institut für Physikalische Chemie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen


Ansprechpartner:

MSc. Christoph Bäumer
Peter Grünberg Institut (PGI-7)
Tel. 02461 61-5339
E-Mail: c.baeumer@fz-juelich.de

Prof. Dr. Regina Dittmann
Peter Grünberg Institut (PGI-7)
Tel. 02461 61-4760
E-Mail: r.dittmann@fz-juelich.de

Pressekontakt:

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

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-10-19reram.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Computer mit Köpfchen
18.08.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pepper, der neue Kollege im Altenheim
17.08.2017 | Universität Siegen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie