Wegweiser für winzige Blitze

Speicherbausteine für die nächsten Computergenerationen

2020/03/24

Darmstädter Forscher um die Materialwissenschaftler Professor Lambert Alff und Professor Leopoldo Molina-Luna entwickeln Speicherbausteine für eine neue Art von Chips.

Der Materialwissenschaftler Professor Lambert Alff forscht und lehrt im Fachgebiet Dünne Schichten.

Lambert Alff bändigt Blitze, wenn auch nur mikroskopisch kleine. Mithilfe der Entladungen will der Professor Speicherbausteine für Computer herstellen, die gleichzeitig rechnen können. „Das ist die nächste Revolution in der Computertechnik“, sagt Alff. Mit seinem Team aus dem Fachbereich Material­ und Geowissenschaften der TU Darmstadt hat er jüngst einen wichtigen Beitrag dazu geleistet und publiziert, zusammen mit der Gruppe um Professor Leopoldo Molina-Luna, der wenige Türen weiter forscht.

Welche Umwälzung meint der Materialwissenschaftler? Das „Internet der Dinge“ wird konkreter. Immer mehr Alltagsgegenstände enthalten kleine Computer. Heute senden die smarten Sachen die Daten oft in die Cloud, wo sie verarbeitet werden. Der Transfer kostet Energie. Die Prozessoren müssen zudem ständig mit Energie versorgt werden, weil sie sonst die Daten verlieren. „In zwanzig Jahren wird allein die IT so viel Energie brauchen wie heute die ganze Welt, wenn wir nichts Neues entwickeln“, warnt Alff.

Von diesem Neuen hat Alff eine klare Vision: Nicht­flüchtige Speicherbausteine, die gleichzeitig rechnen können. Nach dem Ausschalten würde der Chip den aktuellen Stand speichern, wie ein gestoppter Film, und weiterarbeiten, sobald die Spannung wieder da ist. „Damit könnte eine Smartwatch die Daten vom Jogging aufzeichnen und auch selbst verarbeiten“, sagt Alff. Von vorne herein haben die Darmstädter Forscher die spätere Anwendbarkeit im Blick. Daher entwickeln sie ihre Bauteile auf Basis von Hafniumoxid, einem Material, das schon heute bei der Chipherstellung eingesetzt wird. Das Team verwendet winzige Kristalle davon, kleiner als ein Virus. Diese leiten keinen Strom. Legt man aber eine zunehmende Spannung an sie, kommt es irgendwann zu einem Durchschlag: Im Kristall öffnet sich ein Kanal, durch den nun elektrische Ladung fließen kann. Die Röhre lässt sich wieder schließen. Das Element verhält sich also wie ein Schalter, der seinen Zustand ohne Stromversorgung speichert. Genau, was man will.

Bislang aber schalteten die einzelnen Bauteile bei verschiedenen Spannungen, eignen sich also nicht für die Elektronik­Praxis. „Wir zeigen nun auf, wie man weniger Variabilität von Bauteil zu Bauteil erreichen kann“, sagt Alff. Den Erfolg verdanke er der Kooperation mit Molina-Luna, sagt Alff. „Ich bin glücklich, dass wir hier in Darmstadt zwei Teams haben, die sich in dieser Forschung so gut ergänzen.“ Die Gruppe um Molina-Luna untersuchte die Bauteile von Alffs Team mit einem Elektronenmikroskop. Damit erkannten die Forscher die wichtige Rolle so genannter Korngrenzen. Das Bauteil setzt sich aus mehreren winzigen Kristallkörnern zusammen, wie ein 3-D-Mosaik. Die Entladungen laufen entlang der Grenzflächen zwischen den Körnchen. Normalerweise zeigt das „Mosaik“ wenig Ordnung. Die Forscher schieden Hafniumoxid­Schichten auf einer Elektrode ab, deren Kristallgitter eine gewisse Ausrichtung aufwies. Die Korngrenzen im Hafniumoxid übernahmen diese und verliefen viel geordneter, insbesondere auf kürzestem Weg zwischen den Schaltkontakten. So ist den Blitzen ein klarer Weg vorgegeben. Die Schaltspannung schwankt viel weniger.

Im nächsten Schritt wollen die Gruppen exakt die Stelle bestimmen, an der eine Korngrenze wächst, um die Variabilität weiter zu senken. „Dazu wollen wir die Grundplatte, auf der der Kristall wächst, mit einer Struktur versehen“, sagt Alff. Das könnte ein winziger Grat sein, entlang dem sich die Körnchen ausrichten. Wenn sich Alff und Molina-Luna die Bälle wieder so gut zuspielen, wird es sicher gelingen.

Publikation

Stefan Petzold, et al: Forming-Free Grain Boundary Engineered Hafnium Oxide Resistive Random Access Memory Devices, Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1900484.

doi.org/10.1002/aelm.201900484

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