Una memoria non volatile che mantiene le sue informazioni digitali senza alimentazione e lavora allo stesso tempo alla velocità ultraelevata della memoria dinamica ad accesso casuale (DRAM) di oggi:questo è il sogno degli scienziati dei materiali della TU Darmstadt.

In un recente articolo appena pubblicato online sulla rivista ad alto impatto Materiali funzionali avanzati , i ricercatori hanno studiato il motivo per cui i dispositivi a base di ossido di afnio sono così promettenti per le applicazioni di memoria e come il materiale può essere regolato per funzionare al livello desiderato. Questa conoscenza potrebbe essere la base per future applicazioni di massa in tutti i tipi di dispositivi elettronici.

Questo nuovo tipo di memoria non volatile salva le informazioni modificando la resistenza elettrica di una struttura metallo-isolante-metallo. Gli stati resistivi alto o basso rappresentano zero e uno e non svaniscono nemmeno quando il computer è spento. Il principio principale di questa memoria ad accesso casuale resistivo (RRAM) è noto da diversi anni, ma ricercatori e sviluppatori stanno ancora lottando per portarlo in applicazioni reali.

La memoria a base di ossido di afnio è particolarmente interessante per le sue proprietà superiori. Però, i dispositivi non possono ancora essere fabbricati con una bassa variabilità e una bassa diffusione delle proprietà elettroniche come richiesto per la produzione su larga scala. Per di più, il comportamento di commutazione è complesso e non è stato ancora completamente compreso.

Posti vacanti di ossigeno

I ricercatori della TU Darmstadt stanno seguendo una ricetta che ha avuto un grande successo nella tecnologia dei dispositivi a semiconduttore:si concentrano sui difetti del materiale. "Fino ad ora, non era del tutto chiaro quali proprietà fisiche e chimiche del materiale governassero il processo di commutazione resistivo, " dice il Prof. Dr. Lambert Alff, capo del gruppo Advanced Thin Film Technology nel dipartimento di Scienza dei materiali di TU Darmstadt. Il suo team ha concentrato la propria ricerca sul ruolo dei difetti dell'ossigeno nel materiale funzionale.

Utilizzando l'epitassia a fascio molecolare, una tecnica ben nota dalla tecnologia dei semiconduttori, il gruppo è stato in grado di produrre strutture RRAM in cui è stata variata solo la concentrazione di ossigeno mentre tutto il resto del dispositivo era identico. "Modificando la concentrazione del difetto di ossigeno nell'ossido di afnio potremmo correlare in modo inequivocabile lo stato del materiale con il comportamento di commutazione resistivo del dispositivo di memoria, " spiega Sankaramangalam Ulhas Sharath, Dottoranda del gruppo e primo autore della pubblicazione.

Sulla base di questi risultati, i ricercatori hanno sviluppato un modello unificato che collega tutti gli stati di commutazione finora riportati al comportamento delle vacanze di ossigeno. Un'altra interessante conseguenza del loro lavoro è la scoperta che gli stati di conduttanza quantizzata possono essere stabilizzati a temperatura ambiente durante il controllo delle vacanze di ossigeno, aprendo la strada a una nuova tecnologia quantistica.

La RRAM sostituirà la memoria Flash?

La migliore comprensione del ruolo dei posti vacanti di ossigeno potrebbe essere la chiave per produrre cellule RRAM con proprietà riproducibili su scala più ampia. A causa delle sue limitazioni fisiche intrinseche, si prevede che entro i prossimi anni l'attuale tecnologia flash prevalente sarà sostituita da un'altra tecnologia di memoria non volatile. Potrebbe essere la RRAM che soddisferà la sempre crescente fame di una memoria più efficiente dal punto di vista energetico e onnipresente nelle auto, cellulari, frigoriferi, ecc. Potrebbe anche essere particolarmente adatto per circuiti neuromorfici che mimano la funzionalità del cervello umano:un concetto visionario.