Haltbarkeit von ferroelektrischen Speichern wurde 100-fach erhöht

Chinesische Forscher haben die Haltbarkeit eines Materials für die Produktion von Speicher-Komponenten deutlich erhöht. In Experimenten überstanden Speicherzellen aus Wurtzit-Ferroelektrika mehr als 10 Milliarden Schreibzyklen.

Wichtig für KI-Anwendungen

Damit erreichten die Wissenschaftler nach eigenen Angaben eine etwa 100-fach höhere Lebensdauer als bei bisherigen Versuchen mit dem gleichen Material. Die Ergebnisse könnten einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer neuen Generation von Speicherchips für Anwendungen darstellen, in denen solche Bauelemente besonders hohen Lasten ausgesetzt sind. Die Forschungsarbeit des Teams der Xidian University in Xi'an entstand gemeinsam mit Wissenschaftlern der City University of Hong Kong und der Fudan University und wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Im Fokus der Arbeit standen ferroelektrische Materialien wie Aluminiumnitrid mit Scandium-Anteil (AlScN). Sie können zwischen zwei elektrischen Zuständen wechseln und auf diese Weise Informationen speichern. Als mögliche Vorteile gelten schnelle Schaltvorgänge und ein geringer Energiebedarf. Zudem lässt sich AlScN grundsätzlich mit bestehenden Verfahren der Halbleiterproduktion kombinieren, was die spätere Integration in Speicherchips erleichtert.


Bislang stand einer praktischen Nutzung allerdings die geringe Haltbarkeit im Weg. AlScN-Speicher erreichten typischerweise nur etwa 100 Millionen Schreibzyklen, bevor sich ihre Eigenschaften deutlich verschlechterten und aus ihnen gefertigte Bauteile schließlich ausfielen. Für kommerzielle Speicheranwendungen sind jedoch deutlich höhere Werte erforderlich.

Die chinesischen Forscher machten nun den Mechanismus ausfindig, der für die Alterung verantwortlich ist. Eine zentrale Rolle spielen dabei Stickstoffleerstellen, also Stellen im Kristallgitter, an denen Stickstoffatome fehlen. Bei wiederholtem Umschalten können sich diese Defekte bewegen und zu Ansammlungen verbinden. Dadurch entstehen bevorzugte Wege für elektrische Leckströme, die das Material zunehmend schädigen und letztlich zum Ausfall führen können.

Bisher nur im Labor

Um diesen Prozess zu bremsen, entwickelten die Wissenschaftler eine geschichtete Materialstruktur. Sie schränkt die Beweglichkeit der Stickstoffleerstellen ein und verhindert damit, dass sich die Defekte zu kritischen Leckpfaden zusammenschließen.

Dass der Speicher dadurch mehr als 10 Milliarden Schreibvorgänge übersteht, zeigt nach Ansicht des Teams einen möglichen Weg, ferroelektrische Speicher deutlich robuster zu machen. Bis zu einem kommerziellen Einsatz ist es allerdings noch ein weiter Weg: Die Ergebnisse stammen bislang aus dem Labor. Angesichts des wachsenden Bedarfs an schnellen und energieeffizienten Speichern für KI-Systeme könnte die Technologie jedoch zukünftig an Bedeutung gewinnen.


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