Speicher auf Atom-Ebene: Forscher entwickeln dünnsten Memristor der Welt

Redakteur: Sebastian Gerstl

Auf dem Weg zu schnelleren, kleineren und energieeffizienteren Speicherchips: Forscher der University of Texas in Austin haben auf atomarer Ebene den nach eigenen Angaben bislang dünnsten Memristor-Speicher der Welt entwickelt, mit einer Speicherdichte von 25 Terabit pro cm2.

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Unter Ausnutzung neuer Erkenntnisse zu physikalischer Dynamik haben Forscher der Universität Texas den nach eigenen Angaben bislang dünnsten Speicher nach Art eines Memristors entwickelt.
Unter Ausnutzung neuer Erkenntnisse zu physikalischer Dynamik haben Forscher der Universität Texas den nach eigenen Angaben bislang dünnsten Speicher nach Art eines Memristors entwickelt.
(Bild: Cockrell School of Engineering / University of Texas)

Beim Wettlauf um die Herstellung kleinerer Chips und Komponenten geht es um Leistung und Komfort. Kleinere Speicherbausteine versprechen einen geringeren Energiebedarf bei höherer Kapazität. Doch die Miniaturisierung von Transistoren stößt immer mehr an ihre physikalischen Grenzen. Um Halbleiterbausteine weiter verkleinern zu können müssen Forscher physikalische Effekte besser verstehen und beherrschen lernen und neue Wege finden, um beispielsweise Speicherchips auch auf nanoskalarer Ebene umsetzen zu können.

Nanoskalige Löcher in Halbleitermaterial für Speichereffekte nutzen

Ein Forschungsteam der University of Texas in Austin hat nun neue Erkenntnisse der physikalischen Dynamik von Metallatomen dazu genutzt, um Memristoren zu entwickeln, die gerade mal eine Atomebene dünn sind. Demnach haben die Wissenschaftler Defekte oder Löcher im Material dazu genutzt, eine neuartige, hohe Speicherdichte zu erreichen.

„Wenn ein einzelnes zusätzliches Metallatom in ein solches nanoskaliges Loch eindringt und es ausfüllt, verleiht es dem Material einen Teil seiner Leitfähigkeit," sagt Deji Akinwande, Professor in der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik. Diese Veränderung könne für den gewünschten Speichereffekt genutzt werden. „Der wissenschaftliche Heilige Gral für die Skalierung geht bis zu einem Niveau hinunter, bei dem ein einzelnes Atom die Speicherfunktion kontrolliert. Genau das haben wir in der neuen Studie erreicht.

Als Basismaterial für ihre Forschungen diente dabei Molybdändisulfid (MoS2). Theoretisch könnte man damit von einem IV-VI-Halbleiter sprechen. Die an der Studie beteiligten Forschenden sind allerdings der Ansicht, dass ihre Entdeckung auch auf „Hunderte von verwandten atomar dünnen Materialien" anwendbar sein könnte.

Atomare Memristoren

Die aktuellen Ergebnisse bauen auf einer zwei Jahre alten, an der University of Texas entwickelten Ansatz auf. Der ursprüngliche Baustein - vom Forschungsteam als „Atomristor" bezeichnet - war seinerzeit der dünnste Speicher nach Art eines Memristors, mit einer Dicke von gerade mal einer einzelnen atomaren Schicht. Aber beim Schrumpfen eines Speicherbausteins geht es nicht nur darum, es dünner zu machen, sondern auch darum, es mit einer kleineren Querschnittsfläche zu bauen.

Memristoren – ein Kofferwort aus englisch memory (Speicher) und resistor (elektrischer Widerstand), in Anlehnung an den etablierten Transistor (transfer resistor) – haben sich bislang in praktischen Anwendungsfeldern noch nicht wirklich gezeigt, sind aber ein beliebtes Gebiet in der Speicherforschung, besonders bei der potentiellen Miniaturisierung von Speicherbausteinen. Ziel dieser Bausteintypen ist, elektrische Komponenten zu entwickeln, die den Widerstand zwischen ihren beiden Anschlüssen verändern können, ohne dass ein dritter Anschluss in der Mitte (ein sogenanntes Gate) erforderlich wäre. Auf diese Weise können Memristoren der Theorie nach kleiner als aktuelle Flash-Speicher sein und zugleich mehr Speicherkapazität aufweisen.

Diese Version des Memristor - entwickelt mit den fortschrittlichen Einrichtungen des Oak Ridge National Laboratory - verspricht eine Kapazität von etwa 25 Terabit pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: Auf dem Markt verfügbare High-End-Flash-Speicher wie die BiCS4-QLC-NAND-Chips von Toshiba fassen aktuell 1,33 Terabit/cm2. Eine Einschätzung, wie lang es bis zu einer ausreichenden technischen Reife dieser Speichertechnologie bräuchte, gibt das Team allerdings noch nicht.

Ihre Erkenntnisse haben die Forschenden im Fachjournal Nature Nanotechnology veröffentlicht.

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