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Dresdner Speichertechnologie für sparsamere Smartphones

Im Dresdner Namlab stehen den Nanoelektronik-Forschern moderne Reinräume zur Verfügung. Foto: Namlab

Im Dresdner Namlab stehen den Nanoelektronik-Forschern moderne Reinräume zur Verfügung. Foto: Namlab

TU-Labor NaMLab und Globalfoundries entwickeln ferroelektrische Speicherstoffe auf Hafnium-Basis

Dresden, 19. Dezember 2014: Computertelefone (Smartphones), Tablett-Rechner und andere elektronische Geräte könnten durch eine neue Dresdner Speichertechnologie künftig schneller, kompakter und energiesparsamer werden: Forscher des TU-Labors „NaMLab“ haben gemeinsam mit Fraunhofer-Kollegen vom Photonik-Institut IPMS-CNT und Ingenieuren von „Globalfoundries“ ein spezielles Material entwickelt, das sich Daten auch ohne dauerhafte Stromzufuhr merken kann, dabei aber weit weniger Schreibenergie als herkömmliche Lösungen braucht – und vor allem auch für sehr kleine Strukturen geeignet ist. Dabei handelt es sich um ein mit Hafniumoxid erzeugtes Ferroelektrikum. Eine pikante Note daran: Die Basistechnologie dafür wurde eigentlich schon beim inzwischen pleite gegangenen Chipkonzern „Qimonda“ entwickelt, aber nie zur Serienreife gebracht. Dem fehlte damals jedoch das Geld, die Idee weiterzuverfolgen.

Entwicklung begann bei Qimonda – doch dem Konzern ging das Geld aus

Prof. Thomas_Mikolajick ("Cool Silicon", NamLab). Abb.: hw

Prof. Thomas_Mikolajick („Cool Silicon“, NamLab). Abb.: hw

„Auf den Effekt war bereits 2007 ein Doktorand bei Qimonda gestoßen“, erzählt NaMLab“-Chef Prof. Thomas Mikolajick. Dem damals bereits angeschlagene Unternehmen habe jedoch das Geld gefehlt, diese Idee weiterzuentwickeln. Anfang 2009 ging die Infineon-Tochter pleite. Dessen früheren Partner – das dann von der TU Dresden übernommene NaMLab und das Fraunhofer-Nanoelektronikzentrum CNT – übernahmen das angefangene Projekt aus der Insolvenzmasse. Im Zuge des sächsischen Exzellenz-Projektes „Cool Silicon“ führten sie es gemeinsam mit dem Chipauftragfertiger „Globalfoundries“ weiter. Herausgekommen ist nun eine Speichermethode, die als so vielversprechend gilt, dass sie inzwischen in die „International Technology Roadmap for Semiconductors“ (ITRS) aufgenommen wurde – eine Art internationale „Landkarte“ zukunftsträchtiger Technologien für die Chipindustrie.

Merkfähige Speicher bisher zu stromhungrig, teuer und grob

In den Atomgittern aus Hafnium (blau) und Sauerstoff (rot) sitzen einige Atome, die noch ihren Platz suchen - und von elektrischen Schaltfeldern in Position "0" oder "1" gedrängt werden können. Auf dieser Basis können Daten gespeichert werden. Abb.: NaMLab

In den Atomgittern aus Hafnium (blau) und Sauerstoff (rot) sitzen einige Atome, die noch ihren Platz suchen – und von elektrischen Schaltfeldern in Position „0“ oder „1“ gedrängt werden können. Auf dieser Basis können Daten gespeichert werden. Abb.: NaMLab

Denn „nichtflüchtige“ Speicher auf ferroelektrischer Basis, die sich Programme und andere Daten auch ohne ständige Stromzufuhr merken können, gab es zwar bisher auch schon – Konzerne wie „Texas Instruments“ oder „Fujitsu“ bieten sie seit geraumer Zeit an. Sie basieren aber auf Verbindungen von Blei, Zirkonium und Titan, mit denen die meisten Anlagen in Chipfabriken nicht viel anfangen können, zudem sind sie recht teuer und können bisher nicht unter 130 Nanometer (Millionstel Millimeter) verkleinert werden.

Aber sie haben einen großen Vorteil gegenüber anderen merkfähigen Speichern, wie sie beispielsweise in Speichersticks und Smartphones oft verbaut werden: Um Daten hineinzuschreiben, braucht man hier nur sehr geringe Spannungen und Energieimpulse, denn Ferroelektrika haben in ihren Atomgittern kleine Wackel-Kandidaten, die sich durch elektrische Felder leicht hin- und herbewegen, also schalten lassen.

Programmspeicher nun in Prozessor integrierbar

Elektronenmikroskopaufnahme eines fertigen ferroelektrischen Minischalters auf Hafnium-Basis. Abb.: NaMLab

Elektronenmikroskopaufnahme eines fertigen ferroelektrischen Minischalters auf Hafnium-Basis. Abb.: NaMLab

Die Dresdner Ingenieure haben nun aber herausgefunden, dass man solche Ferroelektrika auch mit dem Oxid des Elements Hafnium, das bei Globalfoundries ohnehin schon für andere Zwecke in der Chipproduktion eingesetzt werden, erzeugbar sind. Damit dürfte es nun möglich sein, auf Prozessoren und andere Rechenwerke solche nichtflüchtigen Speicher direkt zu integrieren, so dass dafür keine Zusatzchips mehr in die Smartphones und anderen elektronischen Geräte eingebaut werden müssen. Das sollte dafür sorgen, dass man künftig andere Chips mit neuen Funktionen an dieser Stelle unterbringen kann und die Geräte selbst auch auf längere Akku-Laufzeiten kommen. Autor: Heiko Weckbrodt

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