NANOSWITCHES

Kleine Schalter, große Möglichkeiten

Traditionell werden zur schnellen Datenspeicherung Elektronen in winzige Halbleiterstrukturen gebracht und beim Abrufen von Informationen ihre An- beziehungsweise Abwesenheit in diesen Strukturen überprüft. In den vergangenen Jahrzehnten konnte ausreichender Fortschritt durch die bloße Miniaturisierung dieser Speicherzellen erreicht werden, ohne das eigentliche Funktionsprinzip ändern zu müssen. Diese Strategie hat jedoch fundamentale physikalische Grenzen.

Im Sonderforschungsbereich „Nanoswitches“ haben wir uns gemeinsam mit über 20 weiteren Arbeitsgruppen an der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich das Ziel gesetzt, neue Materialien für alternative Speicherkonzepte zu erforschen. Solche „Nanoswitches“ zeichnen sich dadurch aus, dass ihr elektrischer Widerstand variabel einstellbar ist. Sie werden daher oft auch „resistive Schalter“ genannt (von resistivity = Englisch für spezifischer Widerstand eines Materials). Abhängig davon, in welcher Konfiguration die Atome im Nanoswitch zueinander angeordnet sind, lässt sich elektrische Ladung beim Anlegen einer elektrischen Spannung entweder leicht oder nur sehr schwer durch das Bauteil transportieren. Durch die Messung des resultierenden elektrischen Stroms kann daher der Zustand des Schalters einfach bestimmt werden. Doch nicht nur das Auslesen des mikroskopischen Zustands, sondern auch seine Veränderung, also sozusagen das „Umlegen des Schalters“, wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bewirkt.

In sogenannten Phasenwechselmaterialien werden die Atome durch kurzzeitiges Aufschmelzen so sehr durcheinander gebracht, dass nach abruptem Abkühlen ein amorpher Festkörper ohne jegliche langreichweitige Ordnung zwischen den Atomrümpfen entsteht. Der elektrische Widerstand solcher Phasenwechselmaterialien wird, ohne dass sich die Zusammensetzung des Materials geändert hätte, einzig aufgrund der erzeugten atomaren Unordnung, um viele tausend Male erhöht. Die Rückkehr zum ursprünglichen, kristallinen Zustand kann dadurch bewirkt werden, dass durch lokale Erhöhung der Temperatur den Atomen genügend Mobilität verliehen wird, um ihren Weg in die energetisch günstigere kristalline Anordnung zu finden. In beiden Fällen, beim Aufschmelzen und beim Kristallisieren, wird die Wärme im Nanoswitch selbst durch einen gezielt eingestellten Stromfluss erzeugt.

Eine offensichtliche Gefahr besteht bei diesem Speicherkonzept im ungewollten Löschen von Daten durch Kristallisation aufgrund der Wärme, die beim bloßen Auslesen des amorphen Zustands erzeugt wird. Schließlich zeichnen diese Nanoswitches sich gerade dadurch aus, dass sie bei einigen hundert Grad Celsius innerhalb weniger Nanosekunden vollständig umgewandelt werden können. Wir konnten jedoch zeigen, dass gute Phasenwechselmaterialien dieses Problem durch ihre grundlegenden Eigenschaften intrinsisch lösen. Zum einen nimmt die enorm hohe Kristallisationsgeschwindigkeit hin zu normalen Betriebstemperaturen stärker als exponentiell ab. Zum anderen sorgt der sehr hohe Widerstand der amorphen Phase dafür, dass beim Anlegen einer moderaten Spannung nur wenig Strom fließt und so überhaupt nur sehr wenig Wärme erzeugt wird. Erst beim Überschreiten einer kritischen Spannung bricht der Widerstand plötzlich ein und erlaubt das Einbringen ausreichender Wärme zum raschen Kristallisieren.

Auf diese Weise können Phasenwechselmaterialien der Anforderung nach dauerhaft stabiler Auslesbarkeit der eingestellten Zustände einerseits und gleichzeitig vorhandener Fähigkeit zum ultra-schnellen Umschalten andererseits gerecht werden. So können im sogenannten „Storage Class Memory“ die Vorteile von Arbeitsspeicher (hohe Geschwindigkeit) und Langzeitspeicher (Dauerhaftigkeit der Speicherung) vereint werden. Unnötiger Datentransfer - und damit Energieverbrauch - kann damit drastisch reduziert werden.

Die von Martin Salinga geleiteten Teilprojekte im Sonderforschungsbereich Nanoswitches konzentrieren sich sowohl auf den Entwurf, die Herstellung und die mikroskopische Analyse von nanoskaligen Bauelementen als auch auf eine schnelle transiente, elektrische Analyse von resistiven Schaltphänomenen.