FeTRAM, Phasenwechselspeicher und Nanospeicher auf Kohlenstoffbasis

Forscher arbeiten mit Hochdruck an Flash-Alternativen

| Redakteur: Nico Litzel

Phasenwechselspeicher werden derzeit als viel versprechendste Technik gehandelt, wenn es darum geht, Flash zu beerben.
Phasenwechselspeicher werden derzeit als viel versprechendste Technik gehandelt, wenn es darum geht, Flash zu beerben. (Bild: IBM)

Die Flash-Speichertechnik stößt langsam aber sicher an ihre physikalischen Grenzen. Kunstgriffe, wie etwa dreidimensionale Architekturen, verschaffen Zeit, doch letztlich braucht es neue Ansätze für die Ära nach Flash.

Um zu verstehen, warum die Flash-Technik so langsam an ihre Grenzen stößt, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Halbleiterspeicher arbeiten. Eine Flash-Zelle besteht aus einem sogenannten MOSFET-Transistor, in dem eine zusätzliche Elektrode „schwebt“, das „Floating Gate“. Dieses Floating Gate ist von einer dünnen, halbdurchlässigen Trennschicht umgeben.

Will man eine Speicherzelle programmieren, so werden mithilfe einer Spannung freie Elektronen durch die Trennschicht hindurch in das Floating Gate „gepresst“. Die Elektronen sind dann im Floating Gate gefangen, im Idealfall zehn Jahre und länger. Diese Zeitspanne der Nichtflüchtigkeit sinkt allerdings beständig. Wird eine noch höhere Löschspannung angesetzt, so fluten die bis dahin gefangenen Elektronen wieder blitzschnell (flash) aus dem Floating Gate heraus. Beim Auslesen einer Zelle kann nun unterschieden werden zwischen logisch Null (viele Elektronen im Floating Gate) und logisch Eins (wenig oder keine Elektroden im Floating Gate).

1.000-mal dünner als ein Haar

Aktuelle Flash-Speicher weisen eine Strukturgröße von 19 Nanometern auf. Das ist rund 1.000-mal dünner als ein menschliches Haar. Bei diesen Dimensionen funktionieren lithografische Verfahren nur noch über Interferenzen mit Mehrfachbelichtung. Die Anzahl der Arbeitsschritte erhöht sich insofern und lässt die Ausbeute sinken. Weitaus schwerwiegender ist aber, dass bei diesen Größen immer weniger Elektronen in das Floating Gate passen. Der Abstand zwischen logisch Null und logisch Eins ist nicht mehr so eindeutig und lässt sich nur schwer messen.

Noch haben die Hersteller einige Kunstgriffe in petto, die ihnen Zeit verschaffen. Aktuellen Schätzungen zufolge ist aber bei einer Strukturgröße von zehn Nanometern die Technik endgültig ausgereizt oder eine noch weitere Miniaturisierung ist mit einem so hohen technischen und damit finanziellen Aufwand verbunden, dass die Technik unwirtschaftlich wird.

Sind FeTRAMs die Rettung?

In den Forschungslaboren weltweit wird derzeit an Nachfolgetechniken gearbeitet. So entwickeln Forscher der Purdue University in Indiana einen „Ferroelectric Transistor Random Access Memory“ (FeTRAM). Bei der FeTRAM-Technik werden Silizium-Nanodrähte mit einem ferroelektrischen Polymer kombiniert. Wird eine Spannung angelegt, so wechselt dieses Material die Polarität. Dieser Polaritätswechsel wiederum kann als logisch Null oder Eins interpretiert werden.

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