Elektronisches Rauschen in digitalen und analogen Memristoren auf der Basis von Übergangsmetalloxiden

• Antragsteller: Professor Dr. Lambert Alff; Professor Dr. Jens Müller
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517733815

Memristive Systeme werden derzeit intensiv erforscht, da sie die nächste Generation nichtflüchtiger Speicherbausteine darstellen, die benötigt werden, um die Beschränkungen in der Datenverarbeitung zu überwinden. Besonderes Interesse gilt dabei analogen Bauelementen, die synaptisches Verhalten nachzuahmen oder die Speicherung von Daten in mehreren Zuständen zu ermöglichen. Der besondere Vorteil der auf Übergangsmetalloxiden basierenden resistiven Direktzugriffsspeicher (RRAM) liegt in ihrer hervorragenden Skalierbarkeit, ihrer hohen Schaltleistung und ihrer Kompatibilität mit der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (CMOS). Die Zuverlässigkeit solcher Bauelemente ist jedoch teilweise durch elektronische Fluktuationen („Rauschen“) eingeschränkt, die bei Speicheranwendungen zu falschen Auslesungen und bei synaptischen Operationen zu Fehlern aufgrund der Verbreiterung von Schaltniveaus führen können. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist eine umfassende Untersuchung der Natur solcher Fluktuationen in drei Materialsystemen, nämlich undotiertem und La-dotiertem Hafniumoxid sowie reinem Yttriumoxid. Ein Schwerpunkt dieses Antrags befasst sich dabei mit der Herstellung einer neuartiger Probenserie durch 'Defekt-Engineering' mittels reaktiver Molekularstrahlepitaxie, um Sauerstoffleerstellen in der Funktionsschicht zu induzieren. Relevante Sauerstoffdefekte in diesen Materialien entstehen (i) als direktes Ergebnis des Sauerstoff-Engineerings, (ii) durch Substitutionsdotierung oder (iii) intrinsisch als Folge der Kristallstruktur. Die Probenserien werden im Hinblick auf die Material- und Struktureigenschaften sowie die elektrischen Eigenschaften unter Gleichstrom- und transienten Bedingungen untersucht. Ein zweiter Schwerpunkt sind systematische Messungen der Fluktuationsspektroskopie über den gesamten Bereich der Strom-Spannungs-Charakteristik mit schnellen Datenerfassungskarten. Darüber hinaus wollen wir ein automatisiertes Verfahren mit dem Namen Continuous Analysis für die Datenerfassung und anschließende Verarbeitung und Analyse mit hohem Durchsatz entwickeln. Wir werden Continuous Analysis auf die drei Materialsysteme anwenden, um ein möglichst vollständiges physikalisches Bild der mikroskopischen Transportprozesse während des Widerstandsschaltens zu erhalten, mit dem Ziel, die Materialeigenschaften mit den entstehenden elektronischen Fluktuationen zu korrelieren ('Noise Engineering'). In dieser erstmaligen Studie des Rauschverhaltens analoger memristiver Bauteile legen wir besonderes Gewicht auf den Einfluß der Stöchiometrie auf das Rauschverhalten, sowie auf das verblüffende Phänomen der Stabilisierung des leitenden Filaments beim DC- und Pulsbetrieb. Die Bedeutung des vorgeschlagenen Projektes liegt in der Bereitstellung wesentlicher Forschungsdaten nicht nur für die grundlegenden physikalischen Materialeigenschaften, sondern auch für die gezielte Materialentwicklung von künstlichen Synapsen und Datenspeicheranwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen