Röntgenuntersuchung erklärt Instabilität von ReRAM-Speicherzellen

2014-09-04 11:26:00

Eine Vielzahl moderner Technologien ist ohne Datenspeicher nicht vorstellbar. Weit verbreitete elektronische Geräte, zu denen beispielsweise Tablet-Computer und Mobiltelefone gehören, entwickeln sich rasant und benötigen immer kleinere, schnellere und energieeffizientere Datenspeicher. Forscher von der RWTH Aachen und vom Forschungszentrum Jülich haben an DESYs Röntgenquelle DORIS einen vielversprechenden neuartigen Datenspeicher untersucht, den sogenannten ReRAM (resistive Speicherzelle). ReRAMs sind tausendmal schneller als aktuelle Datenspeicher und könnten diese in Zukunft ersetzen.

Ein Problem, das bisher noch nicht in den Griff zu bekommen war, ist die Auflösung des Materials der aktiven Elektrode im Elektrolyt auch ohne angelegte Spannung. Durch dieses Phänomen geht schließlich der elektrische Kontakt zwischen der aktiven Elektrode und dem Elektrolyt verloren, und die ECM-Zelle verliert ihre Funktionalität. „In unserer Studie haben wir den zugrundeliegenden Zersetzungsmechanismus an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche untersucht“, sagt Valov. „Wir wollten genau prüfen, wie der elektrische Kontakt verlorengeht.“

Die Forscher untersuchten 50 Nanometer dünne Elektrolytfilme aus Silberjodid, auf die sie unterschiedlich dicke Silberschichten als aktives Elektrodenmaterial aufbrachten. Mit Hilfe der sogenannten Röntgenbeugung entdeckten die Forscher, dass die innere Struktur des Silberjodid-Films mit zunehmender Dicke der Silberschicht immer mehr gestört wird. „Das Ergebnis weist darauf hin,dass sich eine beträchtliche Menge Silber im Silberjodid löst“, erklärt Deok-Yong Cho, Wissenschaftler an der Seoul National University, der zur Zeit der Studie als Humboldt-Stipendiat an der RWTH Aachen war.

Verbesserung des ReRAM-Materials

Anders als Silberjodid können andere Elektrolyte Silber chemisch auflösen. Bei Germaniumsulfid beispielsweise ist das Verhältnis von Germanium zu Sulfid flexibel, und es kann Silber aus der Elektrode in die unstrukturierte Matrix aufnehmen. Dies ändert die elektrochemischen Eigenschaften des Elektrolyten und könnte ein Grund für die beobachtete Instabilität in dem ECM-Material sein. „Ein wichtiges Ergebnis unserer Studie ist die Tatsache, dass sich Silber [in dem Elektrolyt] als Cluster ausbreiten und so den Verlust des elektrischen Kontakts verursachen kann, auch wenn es nicht chemisch gelöst ist.“, erklärt Valov.

Das Wissen um den genauen Diffusionsmechanismus an der Elektroden-Elektrolyt-Grenze sollte für zukünftige Entwicklungen von ECM-Speicherzellen von großer Bedeutung sein. Spezielle Trennfilme könnten beispielsweise die Stabilität von Silber/Silberjodid Speicherzellen erhöhen, indem sie die Ausbreitung von Atom-Clustern in den Elektrolyten verhindern.

„Tatsache ist,

dass es bisher keinen klaren Gewinner bei der Auswahl von ReRAM-Materialien gibt“, betont Cho. „Wir planen deshalb, unsere XAS-Analysen auch auf andere ECM-Materialien auszudehnen und konzentrieren uns dabei vor allem auf die Grenzflächen, die offensichtlich das Verhalten der Systeme entscheidend beeinflussen.“

Originalveröffentlichung
Cho, D., Tappertzhofen, S., Waser, R., and Valov, I.: "Chemically-inactive interfaces in thin film Ag/AgI systems for resistive switching memories"; Sci. Rep. 3, 1169; DOI:10.1038/srep01169 (2013).