Sonderforschungsbereich 917 - Nanoswitches

 

Resistiv schaltende Chalkogenide für zukünftige Elektronikanwendungen: Struktur, Kinetik und Bauelementskalierung

In der konventionellen Halbleiterelektronik sind strukturelle Defekte für das Erreichen gewünschter Bauelementeigenschaften von großem Nachteil. Deshalb basieren die Erfolge der Halbleiterelektronik darauf, dass es in den letzten 40 Jahren gelungen ist, die relevanten Strukturgrößen kontinuierlich zu reduzieren ("Moore’s Law") und die Anzahl schädlicher Defekte zu minimieren.

In auffälligem Gegensatz zu dieser Optimierungsstrategie lassen sich in Oxiden und höheren Chalkogeniden resistive Schaltprozesse realisieren, bei denen strukturelle Defekte die entscheidenden nanoskaligen Funktionseinheiten darstellen.

Dabei gibt es offenbar eine Klasse verwandter Schaltmechanismen, bei denen der Widerstand einer zweipoligen Speicherzelle durch einen externen Stimulus zwischen einem hoch- und einem niederohmigen Zustand hin- und hergeschaltet werden kann. Aufgrund des hysteretischen Charakters dieser Widerstandsänderung spricht man auch von einem Memristor. Ein solches Bauelement erlaubt es, neuromorphe, also gehirnähnliche Funktionalitäten, in einem Halbleiterbauelement zu realisieren.

Memristoren - Ein Paradigmenwechsel in der Halbleiterelektronik?

 

Ziel des Sonderforschungsbereichs ist die Untersuchung dreier verwandter Schaltprozesse, die auf dem Vorhandensein struktureller Defekte basieren. Dabei werden Phasen- und Valenzwechsel von Oxiden und höheren Chalkogeniden genutzt. Diese drei Varianten versprechen die notwendige Skalierbarkeit und kurze Schaltzeiten. Ein Verständnis der mikroskopischen Mechanismen dieser schnellen Schaltvorgänge und die Kontrolle der relevanten Defekte auf der Nanometerskala ermöglichen es, damit neue Ansätze in der Elektronik zu realisieren.

Ein Erreichen der Ziele dieses Projektes würde so zu einem Paradigmenwechsel in der Halbleiterelektronik und neuen defektbasierten Bauelementen führen.

Die hier zu untersuchenden Verbindungen weisen die charakteristischen Eigenschaften komplexer elektronischer Materialien auf, bei denen elektronische, ionische und vibronische Freiheitsgrade eng verwoben sind. Dennoch lassen sich die erforderlichen Materialeigenschaften nur realisieren, wenn die Materialien die gewünschten Defekte in ausreichender Zahl enthalten.

Daher ist es notwendig, den Einfluss der Defekte auf die Materialeigenschaften zu verstehen. Diese Kenntnis soll genutzt werden, um Prinzipien und Strategien zu entwickeln, die sicherstellen, dass die nanoskaligen Bauelemente zukünftiger Generationen die erforderliche Dichte der funktionstragenden Defekte enthalten. Dies stellt das wissenschaftliche Ziel dieser Initiative dar.

Bevor die besonderen Möglichkeiten einer defektbasierten Elektronik genutzt werden können, müssen noch große Herausforderungen gemeistert werden, die einer konzertierten Anstrengung von Projektpartnern mit komplementärer Kompetenz bedürfen. Dabei gilt es, den Einfluss von Defekten auf die Materialeigenschaften genauso zu dechiffrieren, wie die atomaren Mechanismen der Schaltprozesse und ihre Kinetik.

Zudem müssen Ansätze entwickelt werden, mit denen Defekte auf der Nanometerskala kontrolliert werden können. Eine erfolgreiche Bearbeitung dieser Aufgaben wird den Weg zu neuen Bauelementen und Rechnerarchitekturen ebnen.

Weiterführende Informationen finden Sie auf der Webseite des Sonderforschungsbereichs.