Molekular-elektronischer Datenspeicher

Forscher in Kalifornien haben einen Datenspeicher mit extrem hoher Speicherdichte entwickelt, bei dem sich einzelne Moleküle adressieren lassen.

Die internationale Halbleiterindustrie hat sich ehrgeizige Ziele für die Entwicklung von Datenspeichern gesteckt. Bis 2020 will man DRAMs mit einer Speicherdichte von etwa 10 ¹¹ pro cm ² herstellen. Gegenwärtig erreicht man etwa 2 Milliarden Speicherzellen pro cm ². Doch nun haben Forscher in Kalifornien einen molekular-elektronischen Datenspeicher entwickelt, der die anvisierte Speicherdichte schon jetzt aufweist und dabei immerhin 160 Kilobits speichern kann. Allerdings hat der neue Speicher auch einige Nachteile.

Die Forschergruppen von J. Fraser Stoddard an der UC Los Angeles und von James R. Heath am Caltech beschäftigen sich schon seit einigen Jahren damit, organische Moleküle für die Speicherung von Daten einzusetzen. Darüber hinaus haben sie ein Verfahren entwickelt, mit dem sie extrem feine und engmaschige Gitterstrukturen oder „Crossbars“ aus Nanodrähten herstellen können. Jetzt haben sie diese beiden Technologien eingesetzt, um einen molekular-elektronischen Datenspeicher zu bauen, bei dem die Drähte einen Abstand von 33 nm haben und jede Speicherzelle nur etwa 1000 nm ² beansprucht. Der gesamte 160-Kilobit-Speicher belegt damit eine Fläche von etwa 160 µm ², was der Größe eines weißen Blutkörperchens entspricht.

Der Crossbar besteht aus einer Lage von 400 parallelen Silizium-Nanodrähten, über der sich eine Lage von 400 parallelen Titan-Nanodrähten befindet, die senkrecht zu den Si-Drähten verlaufen. Der Kontakt zwischen den Si- und den Ti-Drähten wird durch eine Monolage von Rotaxan-Molekülen hergestellt. Diese Moleküle haben die Form einer Hantel, deren Schaft von einem Ringmolekül umschlossen wird. Der Ring kann zwei verschiedene Positionen einnehmen, wodurch das Rotaxan zum bistabilen molekularen Schalter wird. Durch einen positiven bzw. negativen Spannungspuls kann man diesen Schalter hin und her bewegen. Durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Rotaxans, die von der Position des Ringmoleküls abhängt, kann man die Stellung des Schalters abfragen. Somit kann jedes Rotaxan-Molekül ein Bit speichern. Tatsächlich befinden sich aber etwa 100 Rotaxan-Moleküle an jedem Kreuzungspunkt zwischen den Si- und den Ti-Drähten, die alle gleichgeschaltet sind und gemeinsam ein Bit tragen.

Um extrem feine, parallel liegende Nanodrähte herzustellen, haben die Forscher das SNAP Verfahren entwickelt (Superlattice Nanowire Pattern Transfer). Zuerst stellen sie durch Molekularstrahlepitaxie eine Halbleiterschichtstruktur aus GaAs- und AlGaAs-Schichten her. Von der Seitenfläche her ätzen sie etwas von den AlGaAs-Schichten weg, sodass eine Matrix mit feinen, parallelen Gräben entsteht. Diese Matrix bedampfen sie unter einem Winkel von 36° mit dem Material, aus dem später die parallel angeordneten Nanodrähte bestehen sollen. Das Material lagert sich auf den GaAs-Stegen zwischen den Gräben ab und kann dann auf eine Unterlage gedruckt werden. Auf diese Weise haben die Forscher die Anordnung aus 400 parallelen 16 nm breiten Si-Drähten hergestellt. Auf die Drähte wurden nacheinander dünne Schichten aus Rotaxan, Titan und Siliziumdioxid aufgetragen. Anschließend wurden mit dem SNAP-Verfahren 400 parallele Platin-Nanodrähte aufgebracht. Durch einen Ätzvorgang wurde diese Struktur auf die Titanschicht übertragen, sodass schließlich der Crossbar aus Si- und Ti-Drähten mit 160.000 Speicherzellen vorlag.

Von den 160.000 Speicherzellen haben die Forscher 256 getestet. Dabei stellte sich heraus, dass etwa die Hälfte der Zellen fehlerhaft war und nur etwa ein Viertel die erforderlichen guten Schalteigenschaften hatte. Trotz dieser gering erscheinenden Ausbeute lässt sich der Crossbar zu einem zuverlässigen Speicher machen, indem man die fehlerhaften oder schlechten Bits blockiert. Der molekular-elektronische Speicher wies aber noch weitere Schwächen auf. So konnten die Speicherzellen nur höchstens zehnmal beschrieben werden, dann versagten sie. Außerdem war der Speicher nicht wirklich dauerhaft: Die Bits verflüchtigten sich nach etwa zwei Stunden. Darüber hinaus arbeitet der Speicher viel zu langsam, um mit magnetischen oder ferroelektrischen Speichern direkt konkurrieren zu können. Dennoch zeigt das jetzt Erreichte, dass sich organische und anorganische Materialien zu Speichern mit hoher Strukturdichte integrieren lassen. Die Nutzung organischer Moleküle als Speichermedium macht es möglich, diesen Datenspeichern Eigenschaften nach Maß zu geben. Außerdem lassen sie sich vergleichsweise einfach herstellen. Vielleicht eignen sie sich als preiswerte Datenspeicher für die Wegwerfelektronik.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jonathan E. Green et al.: A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 10 ¹¹ bits per square centimetre. Nature 445, 414 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05462
• Gruppe von James R. Heath am Caltech:
  http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/
• Gruppe von J. Fraser Stoddart an der UC Los Angeles:
  http://stoddart.chem.ucla.edu/
• The International Technology Roadmap for Semiconductors:
  http://www.itrs.net/reports.html