Ett icke-flyktigt minne som håller sin digitala information utan ström och samtidigt arbetar med den ultrahöga hastigheten av dagens dynamiska random access memory (DRAM) – det är drömmen för materialvetare vid TU Darmstadt.

I en nyligen publicerad tidning som just publicerades online i high impact journal Avancerade funktionella material , forskarna undersökte varför hafniumoxidbaserade enheter är så lovande för minnesapplikationer och hur materialet kan trimmas för att prestera på önskad nivå. Denna kunskap kan vara basen för framtida masstillämpning i alla typer av elektroniska enheter.

Denna nya typ av icke-flyktigt minne sparar information genom att ändra det elektriska motståndet hos en metall-isolator-metallstruktur. De höga respektive låga resistiva tillstånden representerar noll och ett och försvinner inte ens när datorn är avstängd. Huvudprincipen för detta resistiva random access memory (RRAM) har varit känd i flera år, men forskare och utvecklare kämpar fortfarande för att få det till riktiga live-applikationer.

Minne baserat på hafniumoxid är särskilt intressant på grund av dess överlägsna egenskaper. Dock, enheterna kan fortfarande inte tillverkas med låg variation och låg spridning av elektroniska egenskaper som krävs för storskalig produktion. Vidare, växlingsbeteendet är komplext och har fortfarande inte förståtts fullt ut.

Syre vakans

Forskarna vid TU Darmstadt följer ett recept som har varit extremt framgångsrikt inom halvledarteknologi:De fokuserar på defekterna i materialet. "Tills nu, det var inte helt klart vilka fysikaliska och kemiska materialegenskaper som styr den resistiva omkopplingsprocessen, " säger Prof. Dr. Lambert Alff, chef för Advanced Thin Film Technology-gruppen vid avdelningen för materialvetenskap vid TU Darmstadt. Hans team fokuserade sin forskning på rollen av syredefekter i det funktionella materialet.

Med hjälp av molekylär strålepitaxi, en välkänd teknik från halvledarteknik, gruppen kunde producera RRAM -strukturer där endast syrekoncentrationen varierades medan resten av enheten var identisk. "Genom att ändra syredefektkoncentrationen i hafniumoxid kunde vi entydigt korrelera materialets tillstånd med det resistiva växlingsbeteendet hos minnesenheten, " förklarar Sankaramangalam Ulhas Sharath, Doktorand i gruppen och första författare till publikationen.

Baserat på dessa resultat utvecklade forskarna en enhetlig modell som kopplar alla hittills rapporterade växlingstillstånd till beteendet hos vakanser i syre. En annan spännande konsekvens av deras arbete är upptäckten att kvantiserade konduktanstillstånd kan stabiliseras vid rumstemperatur när man kontrollerar de syrevakanser som banar väg för ny kvantteknologi.

Kommer RRAM att ersätta Flash-minnet?

Den förbättrade förståelsen för syrevakansers roll kan vara nyckeln till att producera RRAM -celler med reproducerbara egenskaper i större skala. På grund av dess inneboende fysiska begränsningar förväntas det att inom de närmaste åren den nuvarande rådande flashteknologin kommer att ersättas av en annan icke-flyktig minnesteknik. Det kan vara RRAM som kommer att tillfredsställa den ständigt växande hungern efter mer energieffektivt och allmänt förekommande minne i bilar, mobiler, kylskåp etc. Den kan till och med vara särskilt lämpad för neuromorfa kretsar som efterliknar den mänskliga hjärnans funktionalitet – ett visionärt koncept.