Modifikation von Korngrenzen in zweidimensionalen Materialien für den Einsatz in nano-ionischen Resistiven Speichern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Tappertzhofen
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung in 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316245084

Resistive Speicher (RRAMs) gelten als vielversprechende Kandidaten für den Einsatz als zukünftige nichtflüchtige Speicher und in Logik-in-Speicher Architekturen. In diesen zweipolig ausgeführten Bausteinen werden die logischen Zustände in Form reversibel programmierbarer Widerstandswerte durch kurze Spannungspulse dekodiert. Je nachdem welche Materialien eingesetzt werden, erfolgt der Wechsel zwischen verschiedenen Widerstandswerten mittels Bildung und Auflösung eines nanoskalierten Filaments, basierend auf der Migration von beweglichen Sauerstoff-Leerstellen oder Metallkationen (z.B. Silber- oder Kupferionen). Im letzteren Fall wurden besonders niedrige Schaltenergien von weniger als 10 fJ/bit prognostiziert. Die bislang unzureichende Langzeitstabilität auf Grund unkontrollierter Diffusion von Metallpartikeln verhindert jedoch den Einsatz von RRAMs in praktischen Anwendungen, obgleich ihrer Vorteile bezüglich einer hohen Skalierbarkeit und der Kompatibilität zu bestehenden kostengünstigen Back-End-of-Line Fertigungsprozessen. Als Lösung dieses Problems wurde Graphen kürzlich als ultra-dünne zwei-dimensionale Diffusionsbarriere vorgeschlagen. Allerdings ist die Ionendiffusion durch zwei-dimensionale Materialien bislang praktisch unerforscht, was eine Optimierung neuartiger Speicherzellen erschwert. In diesem Projekt schlagen wir den Einsatz von zwei-dimensionalem hexagonalem Bornitrid (hBN) integriert in vertikale und laterale resistive Speicherzellen vor. Von besonderem Interesse ist hierbei die Charakterisierung des Schaltverhaltens unter Ausnutzen von Korngrenzen. Unter anderem werden wir werden prüfen, wie sich Korngrenzen gezielt manipulieren lassen, um resistives Schalten zu optimieren. Elektrische Messungen werden komplementiert durch plasmongestützte Spektroskopie, eine von uns kürzlich eingeführte Messtechnik, mit der Änderungen der Morphologie des Schaltmaterials während des Schaltprozesses untersucht werden können. Da die Umgebungsatmosphäre einen großen Einfluss auf das Schaltverhalten hat, werden darüber hinaus Schaltmechanismen mit speziellen elektronenmikroskopischen und spektroskopischen Messmethoden erforscht, die es erlauben resistive Schalter unter variablen Umgebungsbedingungen zu testen. Dieses Projekt wird entscheidend zum Verständnis des resistiven Schalteffekts beitragen, und damit letztendlich einen bedeutenden Beitrag dazu leisten das volle Anwendungspotential resistiver Speicher auszunutzen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Stephan Hofmann