15.05.2020

Memristoren gezielt kontrollieren

Design-Vorgaben könnten den Weg ebnen für nicht-flüchtige Speicher oder neuro-inspirierte Computer.

Memristoren gelten als vielver­sprechende Alternative zu herkömmlichen Bauelementen. Aufgrund ihrer besonderen Eigen­schaften wird ihre Entwicklung von vielen Unternehmen und Forschungs­einrichtungen weltweit verfolgt. Der japanische Elektronik­konzern NEC hat bereits 2017 erste Prototypen in Satelliten eingebaut. Viele andere große Unternehmen wie Hewlett Packard, Intel, IBM und Samsung arbeiten daran, neuartige Rechner- und Speicher­typen mit mem­ristiven Elementen auf den Markt zu bringen. Diese sind im Grunde nichts anderes als ein Widerstand mit Gedächtnis, der sich zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert hin und her schalten lässt.

Abb.: Synapsen (o.) und memristive Elementen (u.) übertragen Signale...
Abb.: Synapsen (o.) und memristive Elementen (u.) übertragen Signale unter­schiedlich stark, wenn sie schnell hinter­einander durch ein elek­trisches Signal erregt werden. (Bild: T. Schlößer)

Die Bauelemente sind damit prinzipiell lern­fähig, ähnlich wie eine Synapse des biolo­gischen Nerven­systems. „Memristive Elemente gelten als ideale Kandidaten für neuro-inspirierte Computer nach dem Vorbild des Gehirns, die im Zusammenhang mit Deep Learning und künst­licher Intelligenz großes Interesse wecken“, sagt Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut (PGI-7) des Forschungs­zentrums Jülich. Er und sein Team ermittelten, wie sich die Schalt­eigenschaften memristiver Bauelemente gezielt beein­flussen lassen. Entschei­dender Faktor ist demnach die Reinheit der zentralen Oxidschicht. „Je nachdem, ob man ein 99,999999-prozentig reines Material verwendet, ein Fremdatom in zehn Millionen Atome des reinen Materials einbringt oder ein Fremdatom in hundert Atome, unter­scheiden sich die Eigen­schaften der memristiven Elemente sehr stark“, sagt Valov.

Dieser Effekt war von der Fachwelt bislang übersehen worden. Er lässt sich gezielt für das Design memristiver Systeme nutzen, ähnlich einer Dotierung von Halbleitern in der Informations­technologie. „Durch die Einbringung von Fremdatomen beein­flussen wir die Löslichkeit und Transport­eigenschaften der dünnen Oxidschichten“, erklärt Christian Neumann vom Technologie­konzern Heraeus. Seit der ersten Idee im Jahr 2015 begleitet er das Projekt mit seiner Material­expertise. „In den letzten Jahren gab es bei der Anwendung der memristiven Bauelemente bemerkens­werte Fortschritte, die jedoch häufig auf einer rein empirischen Grundlage erzielt wurden“, so Valov. Mithilfe der gewonnenen Einsichten könnten Hersteller nun planvoll memristive Elemente mit den gewünschten Funktionen entwickeln.

Je höher die Dotierung, umso langsamer ändert sich der Wider­stand der Elemente mit der Zahl der eingehenden Spannungs­pulse und umso stabiler bleibt der Widerstand. „Damit haben wir eine Möglichkeit entdeckt, unter­schiedlich erregbare Arten von künstlichen Synapsen zu konstruieren“, sagt Valov. Lern- und Merk­fähigkeit des Gehirns sind wesentlich darauf zurück­zuführen, dass sich die Verbindungen zwischen Nerven­zellen sozusagen verstärken, wenn sie häufig genutzt werden. Ein vergleichbares Verhalten zeigen memristive Bauelemente, von denen es unter­schiedliche Varianten wie etwa elektro­chemische Metallisierungs­zellen (ECMs) oder Valenzwechsel-Zellen (VCMs) gibt. Bei ihnen erhöht sich die Leit­fähigkeit mit der Zahl der eingehenden Spannungs­pulse. Durch Anlegen von Spannungs­pulsen gegenläufiger Polarität lassen sich die Veränderungen auch wieder rückgängig machen.

Die Forscher haben ihre systema­tischen Versuche an ECMs durchgeführt, die aus einer Kupfer­elektrode, einer Platin­elektrode sowie einer dazwischen liegenden Schicht aus Silizium­dioxid bestehen. Dank der Zusammen­arbeit mit Heraeus Forschern hatten die Wissenschaftler Zugang zu 99,999999-prozentig reinem Siliziumdioxid – auch als 8N Siliziumdioxid bezeichnet – und zu Silizium­dioxid, das 100 bis 10 000 ppm (parts per million) Fremdatome enthielt. Kupfer und Protonen dienten dabei als mobile Dotierungs­mittel, Aluminium und Gallium als nicht-flüchtige Dotierungen. 

Die Forscher konnten anhand ihrer Versuchs­reihen zeigen, dass sich mit der Menge an Fremdatomen auch die Schaltzeiten der ECMs ändern. Besteht die mittlere Schicht aus 8N Silizium­dioxid, so schaltet das memristive Bauelement in 1,4 Nanosekunden. Bislang betrug der schnellste jemals bei ECMs gemessene Wert etwa zehn Nanosekunden. Indem die Wissenschaftler die Oxidschicht der Bauelemente mit bis zu 10.000 ppm Fremdatomen dotierten, verlängerten sie die Schaltzeit gezielt bis in den Bereich von Milli­sekunden. „Wir haben für unsere Ergebnisse auch eine theo­retische Begründung. Diese öffnet uns die Türe zum Verständnis und zur Nutzung der physikalisch-chemischen Vorgänge auf der Nanoskala“, sagt Valov. Aufgrund von allgemein geltenden theo­retischen Überlegungen und experi­mentellen Ergebnissen ist er überzeugt, dass der Dotierungs­effekt nicht nur bei ECMs und VCMs, sondern bei allen memristiven Elementen auftritt.

FZJ / JOL

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