Phase-Change-Speicher soll Flash-Speicher ablösen
Wie auch Flash-Speicher ist der "Phase-Change-Speicher" nicht flüchtig, d.h. es ist keine konstante Spannungsversorgung erforderlich, um die gespeicherten Informationen zu erhalten. Zusammen mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit könnten sich Phase-Change-Speicher daher zur Basistechnologie für Universalspeicher in mobilen Applikationen entwickeln, meinen die drei an der Entwicklung beteiligten Unternehmen.
Gemeinsam konzipierten, produzierten und testeten die Wissenschaftler in IBM-Forschungslabors den Prototyp eines Phase-Change-Speicherbausteins, der mehr als 500-mal schneller schaltet als ein Flash-Speicher und dabei für das Schreiben von Daten in einer Zelle weniger als die Hälfte des Schreibstroms von Flash-Speichern benötigt. Zudem sind die neuen Bauelemente mit einem Querschnitt von 3 mal 20 Nanometern beträchtlich kleiner als die nach dem aktuellen Stand der Technik herstellbaren Flash-Speicher.
Während bei Flash-Speicher das Unterschreiten von Strukturgrößen von 45 Nanometer schwierig werden soll, würden Phase-Change-Speicher auch dann noch funktionieren, wenn sie bis zur 22-Nanometer-Marke verkleinert werden, teilen IBM, Macronix und Qimonda mit. "Gemeinsam ist es uns jetzt gelungen, ein neues Material für Phase-Change-Speicher zu entwickeln, das auch bei extremer Miniaturisierung hohe Leistungen bietet und damit den Grundstein für die Entwicklung von marktreifen Phase-Change-Speichern legt, die für viele Applikationen hochinteressant sind" , sagt Dr. T. C. Chen, Vice President des Bereichs Science & Technology von IBM Research.
Der neue Werkstoff ist eine komplexe Germanium-Antimon-Legierung mit kleinen Beimengungen anderer Elemente, die der Legierung zugesetzt werden (Dotierung), die gezielt mit Hilfe mathematischer Simulationen unter dem Gesichtspunkt ihrer Eignung für Phase-Change-Speicherzellen entwickelt wurde.
Im Inneren eines Phase-Change-Speichers befindet sich eine winzige Menge einer Halbleiterlegierung, die schnell zwischen einer geordneten kristallinen Phase mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand und einer ungeordneten amorphen Phase mit einem viel höheren elektrischen Widerstand wechseln kann. Da die Aufrechterhaltung beider Phasenzustände keine Stromzufuhr erfordert, ist der Phase-Change-Speicher nichtflüchtig.
Der Phasenzustand des Materials wird durch die Amplitude und Dauer des elektrischen Stromstoßes bestimmt, der für die Erwärmung des Materials genutzt wird. Wenn die Temperatur der Legierung bis etwas über den Schmelzpunkt erhöht wird, verteilen sich die durch Energiezufuhr angeregten Atome in einer zufälligen Anordnung. Wird die Stromzufuhr dann abrupt unterbrochen, erstarren die Atome in dieser willkürlich angeordneten, amorphen Phase. Wird die Stromzufuhr über einen längeren Zeitraum – ungefähr 10 Nanosekunden – reduziert, bleibt den Atomen genug Zeit, um in die bevorzugte, gut geordnete Struktur der kristallinen Phase zurückzukehren.
Die technischen Details des Projekts sollen in dieser Woche in San Francisco während des diesjährigen International Electron Devices Meetings (IEDM), der so genannten Halbleiterkonferenz des Berufsverbands IEEE (Institute of Electronics and Electrical Engineer's), vorgestellt werden (Paper 30.3: "Ultra-Thin Phase-Change Bridge Memory Device Using GeSb" von Y. C. Chen und anderen; Vortrag am Morgen des 13. Dezember).