Schneller als Flash: Forscher finden neues Material für Phase-Change-Memory

Neuartige Phase-Change-Speicher könnten tausend Mal schneller speichern und dabei erheblich langlebiger sein als bisherige Flash-Chips. Neue Forschungsergebnisse verbessern das Verständnis der neuen Super-Speicher.

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Nichtflüchtige PCM-Halbleiter speichern Daten, indem sie den Aggregatzustand der Materie in den Speicherzellen zwischen Flüssigkeits-, Glas- und Kristallzuständen ändern. Das Umschalten erfolgt über das Anlegen elektromagnetischer Felder oder durch Wärme- oder Lichtimpulse. Die PCM-Technologie hat theoretisch das Potenzial, kostengünstige, schnelle, hochdichte, volumenstarke, nichtflüchtige Speicher bereitzustellen. Gleichzeitig ist die Technik nicht leicht in den Griff zu bekommen. Konzerne wie Intel, IBM und Samsung versuchen das Prinzip von nichtflüchtigen Phase-Change-Memory (PCM) seit langem in technisch nutzbare Produkte umzusetzen. Die Grundidee für PCM hat Stanford Ovshinsky bereits 1975 geliefert, inklusive dem passenden Material. Doch die Kontrolle der Phasenänderungen von einem amorphen in einen kristallinen Zustand mit der nötigen Präzision und hoher Geschwindigkeit blieben lange ein ungelöstes Problem.

Nun beschreibt ein Team von Wissenschaftlern der Arizona State University's School of Molecular Sciences und der RWTH Aachen, wie ein bestimmtes Phase-Change-Material tausend Mal schneller arbeiten könnte als aktueller Flash-Speicher. Gleichzeitig soll es sich viel häufiger auslesen lassen.

Flüssige Phase verbindet feste Zustände

Das semi-metallische Material der aktuellen Studie ist eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur im Verhältnis 1:2:4. In ihrer Arbeit untersucht das Team die mikroskopische Dynamik im flüssigen Zustand dieses PCM mit Hilfe der quasi-elastischen Neutronenstreuung (QENS) nach Hinweisen, wie sich Phasenänderungen scharf abgegrenzt und reproduzierbar steuern lassen könnten.

Im PCM-Material repräsentiert die flüssige Phase den wichtigen Übergangszustand jedes mikroskopisch kleinen Bits von Glas zu Kristall oder von Kristall zu Glas. Diese Änderung können die Forscher nach eigenen Angaben durch kontrollierte Wärme- oder Lichtimpulse innerhalb von wenigen Millionstel Sekunden anstoßen. Am besten funktioniert derzeit der Wärmeimpuls, geben die Wissenschaftler an. In der amorphen oder ungeordneten Phase weist das Material einen hohen elektrischen Widerstand auf – dieser steht für die digitale „0“. In der kristallinen oder geordneten Phase wird sein Widerstand um das 1000-fache oder mehr reduziert. Sie repräsentiert die digitale „1“.

„Die amorphen Phasen eines solchen Materials lassen sich als ‚halbmetallische Gläser‘ betrachten“, erklärt Shuai Wei, einer der beteiligten Forscher. Der frühere Stipendiat der Humboldt-Stiftung arbeitet derzeit am Institut für Physik der RWTH Universität Aachen. Im Gegensatz zum Forschungsbereich „Metallgläser“, wo man sich seit Jahrzehnten bemüht, die Kristallisation zu verlangsamen, um Schüttglas zu erhalten, versucht Wei, dass diese halbmetallischen Gläser so schnell wie möglich in der Flüssigkeit kristallisieren, aber im Glaszustand so stabil wie möglich bleiben. „Ich denke, wir haben jetzt ein vielversprechendes neues Verständnis dafür, wie dies in den untersuchten PCMs erreicht werden kann.“

Wie Kugeln, die durch Honig sinken

Zum Veranschaulichen greift Wei die Doktorarbeit von Einstein zurück: Darin erklärt das Jahrhundertgenie, dass die Diffusion von Partikeln, die einer Brownschen Bewegung ausgesetzt sind, sich mit Kugeln vergleichen lässt, die durch Honig sinken. Die Reibungskraft, die die Bewegung verzögert, lässt sich durch eine einfache Gleichung beschreiben:

D (Diffusität) = kBT/6πηr

Darin ist T die Temperatur, η die Viskosität und r der Partikelradius. Die Gleichung impliziert, dass das Produkt Dη/T konstant ist, wenn T sich ändert. Das Überraschende sei, dass dies nicht nur für die Brownsche Bewegung gelte, sondern auch für einfache molekulare Flüssigkeiten. „Wir haben keine gute Erklärung dafür, warum es so gut funktioniert“, gibt Wei zu. Auch nicht im hochviskosen, unterkühlten Zustand molekularer Flüssigkeiten bis zur Glasübergangstemperatur. „Doch es gibt einige interessante Flüssigkeiten, die sich ganz anders verhalten“, beobachtet Professor Austen Angell, mit dem Wei während seines Humboldt-Stipendiums zusammengearbeitet hat.

Wasser ist für seine Anomalien bekannt

Eines davon ist flüssiges Tellur, ein Schlüsselelement der PCM-Materialien. Ein weiteres ist Wasser, das für seine Anomalien berühmt ist, und ein drittes ist Germanium, ein zweites der drei Elemente des GST-Typs von PCM. „Jetzt fügen wir ein viertes Material hinzu: die GST-Flüssigkeit selbst“, sagt Angell. Dies sei möglich geworden durch die von Shuai Wei und seinen deutschen Kollegen Zach Evenson von der Technischen Universität München und Moritz Stolpe von der Universität des Saarlands vorgeschlagenen und durchgeführten Neutronenstreuungsstudien an Proben, die von Shuai Wei mit Hilfe von Pierre Lucas von der Universität Arizona erstellt wurden.

Ein weiteres gemeinsames Merkmal dieser Gruppe von Flüssigkeiten ist das Vorhandensein eines Maximums an Flüssigkeitsdichte, das für den Fall von Wasser bekannt ist. Ein Dichtemaximum, dem während der Abkühlung ein Übergang von Metall zu Halbleiter folgt, zeigt sich auch im stabilen flüssigen Zustand von Arsentellurid (As2Te3), das direkt verwandt ist mit Antimontellurid (Sb2Te3). Es gehört zu den PCMs, die alle auf der „Ovshinsky“-Gerade liegen, die Antimontellurid (Sb2Te3) mit Germaniumtellurid (GeTe) im Drei-Komponenten-Phasendiagramm verbindet. Dies führte Wei zu der Annahme, dass die zugrunde liegende Physik dieser Flüssigkeiten eine gemeinsame Grundlage hat.

Metall-zu-Nichtmetallübergänge unter den Schmelzpunkt

Wei und seine Co-Autoren sind überzeugt, dass beim Mischen von Germanium, Antimon und Tellur im Verhältnis 1:2:4 (oder anderen Mischungen entlang der Ovshinsky-Linie) sowohl die Dichtemaxima als auch die damit verbundenen Metall-zu-Nichtmetallübergänge unter den Schmelzpunkt gedrückt werden und damit der Übergang viel schärfer wird als in anderen Chalkogenid-Verbindungen. Dann, wie im viel untersuchten Fall von unterkühltem Wasser, sollten die mit den Extrema der Antwortfunktion verbundenen Schwankungen zu einer extrem schnellen Kristallisation führen. In jedem Fall hat der Zustand bei der höheren Temperatur, also der metallische Zustand, eine höhere Dichte.

„Das würde viel erklären“, erläutert Angell. Oberhalb des Übergangs hätte die Flüssigkeit eine hohe Viskosität, die Kristallisation sei sehr schnell. Unterhalb hingegen würde die Flüssigkeit schnell erstarren und den amorphen, schlecht leitenden Zustand beibehalten. In „nanoskopischen Bits“ würde dieser Zustand praktisch unbegrenzt erhalten bleiben. Erst ein gezielter Wärmeimpuls könnte die Temperatur lokal schnell ansteigen lassen, so dass das Bit innerhalb von Nanosekunden in den leitenden „1“-Zustand übergeht.

Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, PCM als Alternative zu anderen nichtflüchtigen Halbleiterspeichern (Non-Volatile Memory) zu etablieren. Im untersuchten Material sind die Speicherzellen in zweidimensionalen Schichten zwischen den aktivierenden Elektroden angeordnet. Laut Forschungsbericht lassen sie sich zu einem dreidimensionalen Array mit sehr hoher Dichte stapeln. Mit diesem Aufbau sollen sich letztlich PCM-Chips entwickeln lassen, die bei sehr geringer Stromaufnahme um ein Vielfaches schneller arbeiten als herkömmliche Flash-Speicher.

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