Memristor: Speicherprototyp hält Daten bei 700 °C für Tage
Hohe Temperaturen sind todbringend für Mikroelektronik. Der Grund dafür ist, dass Atome der verbauten Materialien in andere Bereiche diffundieren. Dadurch wird die korrekte Funktion gestört. Zumindest für Memristoren haben Forscher der University of Southern California aber eine neue Materialkombination gefunden(öffnet im neuen Fenster), welche selbst bei Temperaturen von über 700 °C stabil bleibt. Ihre Erkenntnisse haben sie im Fachmagazin Science veröffentlicht(öffnet im neuen Fenster).
Den grundlegenden Aufbau haben die Wissenschaftler nicht verändert: Auch ihre Memristoren bestehen aus zwei Elektroden, zwischen denen eine Trennschicht mit elektronisch einstellbarem Widerstand liegt. Allerdings fertigen sie eine der Elektroden aus Graphen anstelle eines Metalls wie Platin. Für die zweite Elektrode haben die Forscher Wolfram verwendet. Die Trennschicht besteht aus Hafniumoxid, gefertigt wurden die Memristoren auf einem normalen Silizium-Wafer.
Auf diese Memristoren mit Wolframelektrode beziehen sich die Angaben in der Veröffentlichung, die Forscher haben auch andere Metalle getestet. Messungen zeigen, dass die Memristoren den gespeicherten Widerstand bei 700 °C zuverlässig für über 50 Stunden hielten und eine Milliarden Schaltzyklen überstanden.
Über 800 °C sinkt die Speicherdauer
Einige Messungen zeigen sogar eine Stabilität von über 120 Stunden, bei noch höheren Temperaturen fällt dieser Wert allerdings schnell ab. Messungen bei 830 °C zeigten deutlich geringere Unterschiede zwischen An- und Aus-Zustand, letzterer kippte zudem bei einigen Memristoren bereits nach weniger als zehn Stunden.
Eine wichtige Rolle für die Stabilität spielt dabei, dass Wolfram den höchsten Schmelzpunkt aller bekannten Elemente hat. Wie aus dem Zusatzmaterial (PDF)(öffnet im neuen Fenster) hervorgeht, haben die Forscher auch Platin, Ruthenium und Tantal untersucht. Noch wichtiger ist aber das Graphen.
Diffusion schließt Memristoren kurz
Neben den Graphen-Hafniumoxid-Wolfram-Memristoren untersuchten die Forscher auch eine Variante mit Platin- statt Graphenelektrode. Diese Variante entspricht dem klassischen Aufbau, blieb aber nach Erhitzung irreversibel im An-Zustand mit niedrigem Widerstand.
Als Grund machten die Forscher aus, dass Wolframatome in die Hafniumoxid- und Platinschichten diffundiert waren. Es bildeten sich praktisch Kurzschlüsse, die verhinderten, dass das Hafniumoxid in den hochohmigen Aus-Zustand umgeschaltet werden konnte. In der Graphenelektrode hingegen fand sich kein Wolfram. Simulationen zeigten, dass das Graphen die Wolframatome sowohl schlechter aufnimmt als auch leichter wieder abgibt als Platin.
Von den anderen untersuchten Materialien zeigte nur Tantal, das den nächsthöchsten Schmelzpunkt hat, gleiches Verhalten. Die Memristoren mit Platin- und Ruthenium- statt Wolframelektrode blieben nach Erhitzung auf 800 °C ebenfalls im An-Zustand hängen. Die Forscher führen dies auf die höhere Beweglichkeit der jeweiligen Atome zurück.
Vielversprechend, aber aufwendige Herstellung
Interessant ist der Speicher insbesondere für die Forschung unter extremen Bedingungen: Die entwickelten Memristoren würden nicht nur auf der Venus(öffnet im neuen Fenster) für eine längere Zeit funktionieren, sie könnten sogar zumindest ein Bad in kühler rhiolytischer Lava(öffnet im neuen Fenster) überstehen. Auch Fusionsreaktoren sehen die Forscher als mögliches Einsatzgebiet. Memristoren können zudem nicht nur Daten speichern, sondern auch als Analogcomputer, etwa für KI, verwendet werden.
Ihre Prototypen stellten die Forscher allerdings in Handarbeit im Labormaßstab her. Neben einzelnen Memristoren bauten sie auch eine Crossbar mit 32 Memristoren, von denen 26 funktionsfähig waren. Die Ausbeute von 81 Prozent ist nach Ansicht der Forscher für ein neues Design gut.
Da sie durch ihre Arbeit die Prinzipien für den Bau hochtemperaturstabiler Speicher ergründet haben, sehen die Forscher die Möglichkeit, andere Materialien als das in der Handhabung recht komplizierte Graphen zu erkunden. Möglicherweise lassen sich so Materialkombinationen finden, die eine einfachere Serienfertigung ermöglichen.