Künstliche Synapsen nach Maß RWTH Aachen und Jülicher Forscher spüren dem Schaltverhalten memristiver Bauelemente nach

Forscher der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) und des deutschen Technologiekonzerns Heraeus haben nun herausgefunden, wie sich die Schalteigenschaften memristiver Bauelemente planmäßig beeinflussen lassen. Diese sind deswegen interessant, weil sie mit „extrem wenig Strom“ auskommen und sich ähnlich wie Nervenzellen im Gehirn verhalten. Entscheidend seien so kleine stoffliche Unterschiede, dass sie bisher schlichtweg übersehen wurden.

Die Designvorgaben, welche die Forscher, die auf der Spur der minimalen stoffliche Unterschiede sind, herausgefunden haben, könnten den Weg für zahlreiche Anwendungen ebnen, etwa für energieeffiziente, nichtflüchtige Speicher und neuromorphe Computer. Denn Memristoren gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Bauelementen.

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften wird ihre Entwicklung von vielen Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit verfolgt. Der japanische Elektronikkonzern NEC hat bereits 2017 erste Prototypen in Satelliten eingebaut. Viele andere große Unternehmen wie Hewlett Packard Enterprise, Intel, IBM und Samsung arbeiten daran, neuartige Rechner- und Speichertypen mit memristiven Elementen auf den Markt zu bringen.

Diese sind im Grunde nichts anderes als ein „Widerstand mit Gedächtnis“, der sich zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert hin- und herschalten lässt. Die Bauelemente sind damit prinzipiell lernfähig, ähnlich wie eine Synapse des biologischen Nervensystems. Ilia Valov vom Peter Grünberg Institut (PGI-7) des Forschungszentrums Jülich erläutert: „Memristive Elemente gelten als ideale Kandidaten für neuro-inspirierte Computer nach dem Vorbild des Gehirns, die im Zusammenhang mit Deep Learning und künstlicher Intelligenz großes Interesse wecken.“

Er und sein Team beschreiben in der aktuellen Ausgabe der Open-Access-Zeitschrift „Science Advances“, wie sich die Schalteigenschaften memristiver Bauelemente gezielt beeinflussen lassen. Entscheidender Faktor ist demnach die Reinheit der zentralen Oxidschicht. „Je nachdem, ob man ein 99,999999-prozentig reines Material verwendet, ein Fremdatom in zehn Millionen Atome des reinen Materials einbringt oder ein Fremdatom in hundert Atome, unterscheiden sich die Eigenschaften der memristiven Elemente sehr stark“, sagt Valov.

Dieser Effekt war von der Fachwelt bislang übersehen worden. Er lässt sich gezielt für das Design memristiver Systeme nutzen, ähnlich einer Dotierung von Halbleitern in der Informationstechnologie. Christian Neumann vom Technologiekonzern Heraeus begleitet seit der ersten Idee im Jahr 2015 das Projekt mit seiner Materialexpertise. Er führt aus: „Durch die Einbringung von Fremdatomen beeinflussen wir die Löslichkeit und Transporteigenschaften der dünnen Oxidschichten.“

Laut Valov könnten Hersteller nun mithilfe der gewonnenen Einsichten planvoll memristive Elemente mit den gewünschten Funktionen entwickeln. Je höher die Dotierung, desto langsamer ändere sich der Widerstand der Elemente mit der Zahl der eingehenden Spannungspulse und desto stabiler bleibe der Widerstand: „Damit haben wir eine Möglichkeit entdeckt, unterschiedlich erregbare Arten von künstlichen Synapsen zu konstruieren“, sagt er.

Designvorgabe für künstliche Synapsen

Lern- und Merkfähigkeit des Gehirns sind wesentlich darauf zurückzuführen, dass sich die Verbindungen zwischen Nervenzellen sozusagen verstärken, wenn sie häufig genutzt werden. Ein vergleichbares Verhalten zeigen memristive Bauelemente, von denen es unterschiedliche Varianten wie etwa elektrochemische Metallisierungszellen (ECMs) oder Valenzwechselzellen (VCMs) gibt.

Bei ihnen erhöht sich die Leitfähigkeit mit der Zahl der eingehenden Spannungspulse. Durch Anlegen von Spannungspulsen gegenläufiger Polarität lassen sich die Veränderungen auch wieder rückgängig machen.

Die JARA-Forscher haben ihre systematischen Versuche an ECMs durchgeführt, die aus einer Kupferelektrode, einer Platinelektrode sowie einer dazwischen liegenden Schicht aus Siliziumdioxid bestehen. Dank der Zusammenarbeit mit Heraeus-Forschern hatten die JARA-Wissenschaftler Zugang zu 99,999999-prozentig reinem Siliziumdioxid – auch als „8N Siliziumdioxid“ bezeichnet – und zu Siliziumdioxid, das 100 bis 10.000 parts per million (ppm) Fremdatome enthielt.

Die gezielt dotierten Gläser wurden speziell vom Quarzglasspezialisten Heraeus Conamic entwickelt und hergestellt, der auch das Patent an dem Verfahren hält. Kupfer und Protonen dienten dabei als mobile Dotierungsmittel, Aluminium und Gallium als nichtflüchtige Dotierungen.

Memristor versus Synapse

Obere Reihe: Synapsen, die Verbindungen zwischen den Nervenzellen, haben die Eigenart, Signale unterschiedlich stark zu übertragen, wenn sie schnell hintereinander durch ein elektrisches Signal erregt werden. Unter anderem erhöht sich durch die wiederholte Aktivität die Konzentration an Kalzium-Ionen, so dass mehr Botenstoffe ausgeschüttet werden. Andere Effekte sorgen je nach Aktivität für langfristige, strukturelle Umformungen, welche die Stärke der Übertragung für einige Stunden und möglicherweise sogar lebenslang beeinflussen.

Untere Reihe: Bei memristiven Elemente lässt sich die Stärke der elektrischen Übertragung analog verändern, indem eine Spannung angelegt wird. In so genannten „Elektrochemischen Metallisiserungszellen“ (ECM) bildet sich zwischen den beiden äußeren metallischen Schichten ein metallisches Filament aus. Dadurch verkürzt sich effektiv der Abstand zwischen den beiden Schichten, was die Leitfähigkeit erhöht. Durch Spannungspulse mit umgekehrter Polarität lässt sich das Filament wieder einschrumpfen, bis die Zelle ihren Anfangszustand erreicht.

Rekordschaltzeit belegt Theorie

Die Forscher konnten anhand ihrer Versuchsreihen zeigen, dass sich mit der Menge an Fremdatomen auch die Schaltzeiten der Elektrochemischen Metallisiserungszellen (ECMs) ändern. Besteht die mittlere Schicht aus 8N Siliziumdioxid, schaltet das memristive Bauelement in 1,4 Nanosekunden. Bislang betrug der schnellste jemals bei ECMs gemessene Wert etwa 10 Nanosekunden. Indem die Wissenschaftler die Oxidschicht der Bauelemente mit bis zu 10.000 ppm Fremdatomen dotierten, verlängerten sie die Schaltzeit gezielt bis in den Bereich von Millisekunden.

„Wir haben für unsere Ergebnisse auch eine theoretische Begründung. Diese öffnet uns die Türe zum Verständnis und zur Nutzung der physikalisch-chemischen Vorgänge auf der Nanoskala“, sagt Valov. Aufgrund allgemein geltender theoretischer Überlegungen, unterstützt durch experimentelle Ergebnisse, die in der Fachliteratur dokumentiert sind, ist er davon überzeugt, dass der Dotierungseffekt nicht nur bei ECMs und VCMs, sondern bei allen memristiven Elementen auftritt.

Effekte der Dotierung

Obere Reihe: In memristiven Elementen (ECMs) mit einer undotierten, hochreinen zentralen Schicht aus Siliziumoxid (SiO₂) können sich Kupfer-Ionen sehr schnell bewegen. Entsprechend schnell bildet sich ein Filament aus Kupferatomen an der Platinelektrode. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit beziehungsweise Kapazität. Aufgrund der hohen Mobilität der Ionen ist dieses Filament allerdings sehr kurzlebig und instabil.

Mittlere Reihe: Gallium-Ionen (Ga³⁺), die in die Zelle eingebracht werden, binden Kupferionen (Cu²⁺) in der zentralen Schicht. Die Bewegung der Ionen oder die Bildung des Filaments verlangsamen sich, daher bleibt das Filament nun länger bestehen.

Untere Reihe: Die Dotierung mit Aluminium-Ionen (Al³⁺) bremst den Prozess noch stärker ab, da Aluminium-Ionen Kupfer-Ionen noch stärker binden als Gallium-Ionen. Das Filament wächst noch langsamer, wobei sich gleichzeitig die Stabilität des Filaments weiter erhöht. In Abhängigkeit von den chemischen Eigenschaften des eingebrachten Materials lassen sich so memristive Zellen – oder auch: künstliche Synapsen – mit maßgeschneiderten Schalteigenschaften schaffen.

Originalpublikation:Design of defect-chemical properties and device performance in memristive systems. M. Lübben, F. Cüppers, J. Mohr, M. von Witzleben, U. Breuer, R. Waser, C. Neumann, I. Valov, Science Advances (8 May 2020)

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