PETRA III treibt Speicherentwicklung an
Photoelektronenspektroskopie mit harter Röntgenstrahlung zur Untersuchung einer neuen Art von Speichermodulen verwendet.
Heute zum Einsatz kommende Hochleistungswerkstoffe haben oft physikalische und chemische Defekte. Diese Defekte verursachen entweder Schäden (z. B. die Bildung von Rissen bei Versetzungen auf der Baustelle), die man vermeiden möchte, oder die Defekte werden absichtlich herbeigeführt, um Materialien zu funktionalisieren (z. B. für die technische Aufbereitung von Sauerstoff für den Ionentransport in Festoxid-Brennstoffzellen zur Energieerzeugung). Das gezielte Einsetzen solcher Fehlstellen ist ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung innovativer Werkstoffe. Allerdings ist besonders die zerstörungsfreie Vermessung von Defekten bei hoher Empfindlichkeit und Energieauflösung im Nanobereich immer noch eine der schwierigsten Aufgaben in der modernen Materialforschung.
Abb.: Eine ReRAM-Probe im HAXPES-Experiment. (Bild: DESY)
Wissenschaftler am Ringbeschleuniger PETRA III des Hamburger DESY haben jetzt die Technik zur Darstellung dieser Ergebnisse weiterentwickelt und damit eine neue Generation von Speichermodulen untersucht: Das „redox-basierte resistive switching memory“, das sogenannte ReRAM, ist ein neuer Ansatz für zukünftige Speichermedien, der die Leistung der funktionalisierten Mikroelektronik entscheidend verbessern soll. Anwendungen liegen beispielsweise in der drahtlosen Kommunikation mit geringem Stromverbrauch, etwa in der Telemedizin, Landwirtschaft, Industrieautomation und der Umweltüberwachung.
An der hochbrillanten Röntgenquelle PETRA III kommt an der Beamline P09 die neu entwickelte Experimentiermethode zum Einsatz, die bisher unerreichte Einblicke in die chemischen und elektronischen Eigenschaften funktionaler Werkstoffe ermöglicht – einschließlich der Abbildung von Defekten im Nanobereich. Die Photoelektronenspektroskopie mit harter Röntgenstrahlung (HAXPES) verbindet die hohe Energieauflösung der klassischen Photoelektronenspektroskopie mit stark verbesserten und in die Tiefe gehenden Informationen und ermöglicht damit beispielsweise die zerstörungsfreie Untersuchung von abgedeckten Grenzflächen in Mikroelektronik-Bauteilen.
Die Photoelektronenspektroskopie wird in der Materialforschung oft benutzt, um Informationen über die chemische Zusammensetzung und physikalische Struktur eines Materials zu gewinnen. Ein auf das Material auftreffender Röntgenstrahl regt dessen Atome zur Aussendung von Elektronen an. Ein externer Detektor untersucht die Eigenschaften der emittierten Elektronen, aus denen die innere Struktur komplexer Materialien bestimmt werden kann.
Materialwissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich, dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) in Frankfurt (Oder) und DESY nutzen diese neu installierte HAXPES-Technik um die physikalischen Eigenschaften der ReRAM-Elemente aufzudecken. Diese Permanentspeicher werden durch elektronische Pulse gesteuert, die eine umkehrbare Änderung im Widerstand in einer wenige Nanometer dicken Isolierschicht verursachen, die zwischen zwei Metallelektroden liegt.
In-operando-HAXPES-Studien an PETRA III ermöglichten die Untersuchung der Schalteigenschaften eines einzelnen Speichermediums in verschiedenen Widerstandsstadien und zeigten damit die zentrale Bedeutung physikalischer und chemischer Defekte in der Grenzfläche zwischen Metall und Isolator (d.h. die Rolle der Sauerstoff-Fehlstellen) für die Schalteigenschaften.
Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung finden zurzeit Anwendung bei der Herstellung von voll integrierten 4-kbit-ReRAM-Testmodulen, die beim IHP vorbereitet werden. Ziel der Forschergruppe, die eng mit dem deutschen Halbleiterhersteller X-FAB zusammenarbeitet, ist die Leistungsbewertung der eingebetteten ReRAM-Module für drahtlose Sensornetzwerke.
DESY / PH
