Phasenwechselspeicher

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  Simulierte Struktur eines Phasenwechselmaterials. FZ Jülich Simulierte Struktur eines Phasenwechselmaterials. Auf der linken Seite des Würfels sieht man die chemische Zusammensetzung und auf der rechten Seite die Verteilung der Zustandsdichte.

Unter dem Begriff Phasenwechselspeicher versteht man optische und elektrische Datenträger, bei denen Informationen durch lokales Schalten eines Materials zwischen einer amorphen und einer kristallinen Phase nicht-flüchtig gespeichert werden. Über die Reflektivität oder elektrische Leitfähigkeit wird bei einem Leseprozess der Zustand des Speicherbereiches bestimmt.

Die für diese Anwendung eingesetzten Materialien werden Phasenwechselmaterialien genannt. Diese Materialklasse zeichnet sich durch einen starken Kontrast zwischen den optischen oder elektrischen Eigenschaften der Phasen aus, der für eine problemlose Unterscheidung notwendig ist. Darüber hinaus sind Stabilität der Phasen, Geschwindigkeit und Energiebedarf eines Schaltprozesses und Lebensdauer entscheidende Parameter der verwendeten Materialien.

Eingesetzt werden Phasenwechselmaterialien in allen gängigen wiederbeschreibbaren optischen Medien (CD-RW, DVD+-RW, DVD-RAM, BD-RE), wobei der zu schaltende Bereich lokal durch einen Laserpuls erhitzt wird, um eine Schaltung herbeizuführen. Über die Reflektivität in einem Speicherbereich können die Informationen ausgelesen werden.

  Bild einer TEM-Aufnahme. Mittig ist ein amorpher Bit auf kristallinem Untergrund zu sehen. I. Physikalisches Institut TEM-Hellfeldaufnahme eines amorphen Bits auf einem kristallinem Phasenwechselmaterial (AIST). Die Phasen sind optisch klar unterscheidbar.

In sogenanntem Phase Change RAM (PCRAM oder PRAM) werden die Speicherbereiche durch einen elektrischen Strompuls geschaltet und elektrisch ausgelesen. Schon in naher Zukunft stehen Speicher dieser Art für neuartige Speichertechnologien zur Verfügung. Mit potentiell geringen Herstellungskosten, hohen Datendichten und hohen Schreibgeschwindigkeiten ist PCRAM äußerst attraktiv. Wenig überraschend arbeiten namhafte Firmen der Halbleiterbranche intensiv an Prototypen.

Die Phasenwechselspeicher-Gruppe des I. Physikalischen Instituts (IA) zeichnet sich auf diesem Forschungsfeld durch die Kombination einer breiten Palette experimenteller Methoden mit theoretischen Modellen aus. Gefördert durch einen Advanced Grant des European Research Council mit dem Titel Disorder Control erforschen wir Möglichkeiten, um Unordnung und damit die Transporteigenschaften in Phasenwechselmaterialien zu steuern. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB-917 der Deutschen Forschungsgesellschaft arbeiten wir außerdem an resistiven Nanoswitches, bei denen die Verbindung zwischen Schaltverhalten und Defekten untersucht wird. Zusammen mit weiteren Kooperationen und Förderungen stehen uns zahlreiche Forschungsmöglichkeiten offen, die potentiell wegweisend für die zukünftige Informationstechnologie sind.