Das FRAM: Zukünftige, nichtflüchtige Speicherchips

Ferroelektrikum zurechtgebogen: Stauchen des Kristalls erhöht kritische Temperatur des ferroelektrischen Phasenübergangs

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Labormuster ferroelektrischer Speicherchips, kurz FRAM, gibt es seit einigen Jahren, jedoch enthalten sie Stoffe mit leicht diffundierenden Bestandteilen, was für die künftige Massenfertigung nachteilig ist. Barium-Titanat hat hingegen keine leicht diffundierende Bestandteile. Die kritische Temperatur des ferroelektrischen Phasenübergangs von Barium-Titanat lässt sich durch Stauchen des Kristalls von 135 auf mindestens 540 Grad Celsius erhöhen. Zudem lassen sich Speicherzellen mit diesem Stoff kompakter herstellen.
Diese Computersimulation zeigt die ferroelektrischen Bezirke, auch Domänen genannt, in einem gestauchten Barium-Titanat-Film auf einem dafür speziell ausgesuchten Trägermaterial bei einer Temperatur von 300 Grad Celsius. Die beiden Farben markieren entgegengesetzte elektrische Polarisationen.

Der Arbeitsspeicher heutiger Computer ist flüchtig, somit müssen sie nach jedem Einschalten etwa das Betriebssystem von der Festplatte in den Arbeitsspeicher laden, zudem können bei einem ungeplanten Abschalten Daten verloren gehen. Einer der Kandidaten für eine nichtflüchtige Variante ist der ferroelektrische Speicherchip, weiterhin kommt die magnetoresistive Bauart, genannt MRAM, in Betracht.

Schluss mit der Gedenkminute nach dem Wiedereinschalten eines Computers

Bisherige Labormuster ferroelektrischer Speicherchips haben meist ferroelektrische Kondensatoren aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Strontium-Wismut-Tantalat. Die Bestandteile Blei oder Wismut diffundieren leicht weg, was für die Fertigung problematisch ist, weiterhin stellt sich bei Blei die Frage nach einer umweltgerechten Entsorgung. Eine Alternative wäre das Material Barium-Titanat, hätte es nicht eine niedrige kritische Temperatur von 135 Grad Celsius für den ferroelektrischen Phasenübergang.

Die berechnete Temperatur des ferroelektrischen Phasenübergangs des Barium-Titanats als Funktion der relativen Verzerrung des Kristallgitters, also Stauchung und Streckung. Die noch recht unpräzise Theorie grenzt die Übergangstemperatur auf den grünen Bereich ein, die Datenpunkte sind Messungen, hier mit zwei verschiedenen Abscheideverfahren. Die beiden genannten Stoffe sind Trägermaterialien. Im hellblau gezeichneten Bereich hat Barium-Titanat keine remanente elektrische Polarisation.

Amerikanische Wissenschaftler fanden zusammen mit deutschen Kollegen vom Forschungszentrum Jülich einen Trick, um die kritische Temperatur des Barium-Titanats auf mindestens 540 Grad Celsius zu steigern, siehe ihr Bericht in der Ausgabe vom 5. November 2004 der Zeitschrift Science auf Seite 1005 in Band 306. Der Trick liegt darin, ferroelektrische Kristalle als dünne Filme auf ein geeignetes Trägermaterial epitaktisch aufwachsen zu lassen. So kann man die Kristalle mit den bisherigen Apparaturen um bis zu 1,7 Prozent stauchen, bezogen auf die Gitterkonstante des massiven Kristalls.

Außer der kritischen Temperatur steigerten die Wissenschaftler die elektrische Polarisation auf ein Vielfaches. Somit wären noch deutlich kompaktere FRAM-Speicherzellen als die heutigen Labormuster denkbar, da sie weniger empfindlich auf Rauschsignale reagierten.