Een niet-vluchtig geheugen dat zijn digitale informatie zonder stroom houdt en tegelijkertijd werkt met de ultrahoge snelheid van het huidige dynamische random access memory (DRAM) - dat is de droom van materiaalwetenschappers van de TU Darmstadt.

In een recent artikel dat zojuist online is gepubliceerd in het tijdschrift met hoge impact Geavanceerde functionele materialen , de onderzoekers onderzochten waarom op hafniumoxide gebaseerde apparaten zo veelbelovend zijn voor geheugentoepassingen en hoe het materiaal kan worden afgestemd om op het gewenste niveau te presteren. Deze kennis zou de basis kunnen vormen voor toekomstige massale toepassing in allerlei elektronische apparaten.

Dit nieuwe soort niet-vluchtig geheugen slaat informatie op door de elektrische weerstand van een metaal-isolator-metaalstructuur te veranderen. De hoge respectievelijk lage resistieve toestanden vertegenwoordigen nul en één en verdwijnen niet, zelfs niet wanneer de computer is uitgeschakeld. Het belangrijkste principe van dit resistief random access memory (RRAM) is al enkele jaren bekend, maar onderzoekers en ontwikkelaars vechten nog steeds om het in echte live-applicaties te brengen.

Geheugen op basis van hafniumoxide is bijzonder interessant vanwege zijn superieure eigenschappen. Echter, de apparaten kunnen nog steeds niet worden gefabriceerd met een lage variabiliteit en een lage spreiding van elektronische eigenschappen zoals vereist voor grootschalige productie. Verder, het schakelgedrag is complex en wordt nog steeds niet volledig begrepen.

Zuurstof vacatures

De onderzoekers van TU Darmstadt volgen een recept dat zeer succesvol is geweest in de technologie van halfgeleiderapparatuur:ze richten zich op de defecten in het materiaal. "Tot nu toe, het was niet helemaal duidelijk welke fysische en chemische materiaaleigenschappen het resistieve schakelproces beheersen, " zegt Prof. Dr. Lambert Alff, hoofd van de Advanced Thin Film Technology-groep van de afdeling Materials Science van de TU Darmstadt. Zijn team richtte hun onderzoek op de rol van zuurstofgebreken in het functionele materiaal.

Met behulp van moleculaire bundelepitaxie, een bekende techniek uit de halfgeleidertechnologie, de groep was in staat om RRAM-structuren te produceren waarbij alleen de zuurstofconcentratie werd gevarieerd, terwijl de rest van het apparaat identiek was. "Door de zuurstofdefectconcentratie in hafniumoxide te veranderen, konden we de toestand van het materiaal ondubbelzinnig correleren met het resistieve schakelgedrag van het geheugenapparaat, " legt Sankaramangalam Ulhas Sharath uit, Promovendus in de groep en eerste auteur van de publicatie.

Op basis van deze resultaten ontwikkelden de onderzoekers een uniform model dat alle tot nu toe gerapporteerde schakeltoestanden verbindt met het gedrag van zuurstofvacatures. Een ander opwindend gevolg van hun werk is de ontdekking dat gekwantiseerde geleidingstoestanden bij kamertemperatuur kunnen worden gestabiliseerd bij het regelen van de zuurstofvacatures die de weg vrijmaken voor nieuwe kwantumtechnologie.

Wordt RRAM de vervanging voor Flash-geheugen?

Het verbeterde begrip van de rol van zuurstofvacatures kan de sleutel zijn om op grotere schaal RRAM-cellen met reproduceerbare eigenschappen te produceren. Vanwege de inherente fysieke beperkingen is de verwachting dat binnen de komende jaren de huidige heersende flash-technologie zal worden vervangen door een andere niet-vluchtige geheugentechnologie. Het zou RRAM kunnen zijn die de steeds groeiende honger naar energiezuiniger en alomtegenwoordig geheugen in auto's zal stillen, mobieltjes, koelkasten enz. Het zou zelfs bijzonder geschikt kunnen zijn voor neuromorfe circuits die de functionaliteit van het menselijk brein nabootsen - een visionair concept.