ENGINEERINGNET - Phase-change geheugen kennen we van herschrijfbare cd’s en dvd’s. Het materiaal waaruit de geheugencellen is opgebouwd wordt verhit met een laser.
Een klein beetje verhitten laat het materiaal kristalliseren, het krijgt een geordende structuur. Maar sterkere verhitting doet het smelten, waardoor het een ongeordende, amorfe structuur aanneemt.
'Beide fasen verschillen in elektrische geleiding, waardoor je er een schakelbare geheugencel van kunt maken', legt Jasper Oosthoek (Rijksuniversiteit Groningen) uit. 'Het materiaal dat ik onderzocht, schakelt niet met laserlicht, maar met een elektrische puls. De puls verhit het materiaal. Verhitting tot 500 graden Celsius levert bij afkoeling een geordende structuur op, verhitting tot 800 graden met snelle afkoeling geeft een amorfe structuur.’
NXP (het voormalige Philips Semiconductors) had een serie geheugencellen gemaakt en wilde weten wat er precies met het materiaal gebeurde tijdens het schakelen op verschillende temperaturen. Het bedrijf klopte aan bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG om dat uit te zoeken. Krachtige elektronenmicroscopen kunnen de structuur van het materiaal in detail in beeld brengen.
Oosthoek: ‘Maar je kunt deze geheugencellen niet zomaar in de elektronenmicroscoop stoppen. Om goede beelden te krijgen mag de geheugencel niet dikker zijn dan zo’n 200 nanometer (een nanometer is een miljoenste millemeter), en de geheugenchips zijn veel dikker. Je moet dus veel materiaal weghalen, wat de cel kwetsbaar maakt.’
Zo’n cel ziet er een beetje uit als een gekantelde H, een dunne verbinding tussen twee dikkere stukken. De dunne verbinding bepaalt de elektrische weerstand van de geheugencel. Het lukte Oosthoek om goede opnamen te maken van geheugencellen die vooraf in kristallijne of amorfe toestand waren geschakeld.
‘Wat opviel was dat de dunne verbinding niet uniform amorf was. Onze conclusie was dat de warmte met de elektronen mee door de verbinding reist zodat deze niet uniform wordt verhit.’
Ook ontdekte hij dat bij veelvuldig schakelen materiaal weg kon lekken uit het dunne verbindingsstuk. In beide gevallen is dit een reden om nog eens goed naar de vorm en materiaalkeuze van die geheugencellen te kijken. Daar valt nog het een en ander aan te verbeteren.
Het onderzoek wees verder uit dat de phase-change geheugencellen zeer goed te belasten waren. Flash geheugen kan je zo’n tienduizend keer schakelen, daarna loop je de kans dat het niet meer werkt. Phase-change geheugen lijkt zo’n tien tot honderd keer langer mee te gaan.
Proeven van Samsung tonen aan dat phase-change geheugen ook sneller is dan flash. Maar de investeringen in onderzoek naar flash-geheugen zijn vele malen hoger dan voor phase-change. De belangstelling van bedrijven als Samsung en Nokia voor phase-change geheugen ontstond in eerste instantie, omdat men bang was dat flash-geheugen niet verder verkleind kon worden.
Toch is phase-change geheugen sneller en in potentie stabieler dan flash. Maar het vraagt nog flink wat ontwikkelwerk om deze geheugencellen te optimaliseren.
(bron en foto: Rijksuniversiteit Groningen)
Jasper Oosthoek, Nederlandse Rijksuniversiteit Groningen, voerde zijn onderzoek naar de structuur van phase-change geheugencellen uit in samenwerking met NXP (het voormalige Philips Semiconductors).
