Una memoria no volátil que mantiene su información digital sin energía y que funciona al mismo tiempo a la velocidad ultra alta de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) actual:ese es el sueño de los científicos de materiales de TU Darmstadt.

En un artículo reciente recién publicado en línea en la revista de alto impacto Materiales funcionales avanzados , Los investigadores investigaron por qué los dispositivos basados ​​en óxido de hafnio son tan prometedores para las aplicaciones de memoria y cómo se puede ajustar el material para que funcione al nivel deseado. Este conocimiento podría ser la base para una futura aplicación masiva en todo tipo de dispositivos electrónicos.

Este nuevo tipo de memoria no volátil guarda información al cambiar la resistencia eléctrica de una estructura de metal-aislante-metal. Los estados de alta resistencia respectivamente baja representan cero y uno y no desaparecen incluso cuando la computadora está apagada. El principio fundamental de esta memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM) se conoce desde hace varios años, pero los investigadores y desarrolladores todavía luchan por llevarlo a aplicaciones reales.

La memoria basada en óxido de hafnio es particularmente interesante debido a sus propiedades superiores. Sin embargo, los dispositivos todavía no se pueden fabricar con baja variabilidad y baja dispersión de propiedades electrónicas como se requiere para la producción a gran escala. Es más, el comportamiento de conmutación es complejo y aún no se ha entendido completamente.

Vacantes de oxígeno

Los investigadores de TU Darmstadt están siguiendo una receta que ha tenido un gran éxito en la tecnología de dispositivos semiconductores:se centran en los defectos del material. "Hasta ahora, no estaba del todo claro qué propiedades físicas y químicas del material gobiernan el proceso de conmutación resistiva, "dice el Prof. Dr. Lambert Alff, jefe del grupo de Tecnología de Película Fina Avanzada en el departamento de Ciencia de Materiales de TU Darmstadt. Su equipo centró su investigación en el papel de los defectos de oxígeno en el material funcional.

Usando epitaxia de haz molecular, una técnica conocida de la tecnología de semiconductores, el grupo pudo producir estructuras RRAM en las que solo se variaba la concentración de oxígeno mientras que el resto del dispositivo era idéntico. "Al cambiar la concentración del defecto de oxígeno en el óxido de hafnio, podríamos correlacionar sin ambigüedades el estado del material con el comportamiento de conmutación resistiva del dispositivo de memoria, "explica Sankaramangalam Ulhas Sharath, Estudiante de doctorado del grupo y primer autor de la publicación.

Sobre la base de estos resultados, los investigadores desarrollaron un modelo unificado que conecta todos los estados de cambio informados hasta ahora con el comportamiento de las vacantes de oxígeno. Otra consecuencia interesante de su trabajo es el descubrimiento de que los estados de conductancia cuantificados se pueden estabilizar a temperatura ambiente cuando se controlan las vacantes de oxígeno allanando el camino para una nueva tecnología cuántica.

¿RRAM será el reemplazo de la memoria Flash?

La mejor comprensión del papel de las vacantes de oxígeno podría ser la clave para producir células RRAM con propiedades reproducibles a mayor escala. Debido a sus limitaciones físicas inherentes, se espera que en los próximos años la tecnología flash actual prevaleciente sea reemplazada por otra tecnología de memoria no volátil. Podría ser RRAM la que satisfaga el hambre cada vez mayor de memoria más eficiente y omnipresente en los automóviles, móviles, refrigeradores, etc. Incluso podría ser especialmente adecuado para circuitos neuromórficos que imiten la funcionalidad del cerebro humano, un concepto visionario.