Flash-Speicher, der immer kleiner wird

Forscher der University of California, Los Angeles, und Samsung, einer der größten Hersteller von Computerspeichern, haben eine neue Art von Flash-Speicher entwickelt, der Graphen – atomdicke Schichten aus reinem Kohlenstoff – zusammen mit Silizium verwendet, um Informationen zu speichern.

Der Einbau von Graphen könnte dazu beitragen, die Lebensfähigkeit der Flash-Speichertechnologie für die kommenden Jahre zu verlängern und es zukünftigen tragbaren Elektronikgeräten ermöglichen, weit mehr Daten zu speichern.

Chiphersteller packen immer größere Datenmengen in den gleichen physikalischen Bereich, indem sie die Speicherzellen miniaturisieren, die zum Speichern einzelner Bits verwendet werden. In den heutigen Flash-Laufwerken sind diese Zellen nanoskalige Floating-Gate-Transistoren. In den letzten Jahren wurden Flash-Zellen rasant miniaturisiert, sodass beispielsweise das iPhone 4 doppelt so viele Daten speichern kann wie das iPhone 3. Unterhalb einer bestimmten Zellengröße wird Silizium jedoch weniger stabil, und dies hat das Potenzial, die Marsch der Miniaturisierung.

Graphen-basierte Technologie wie diese demonstrierte das UCLA-Team und Samsung könnten Flash-Speicher weiter schrumpfen lassen. Die Prototypen der Geräte der Gruppe werden online in der Zeitschrift beschrieben ACS Nano .

Wir ersetzen Silizium nicht vollständig, sondern verwenden Graphen als Speicherschicht, sagt Augustin Hong, der an der UCLA an den Geräten gearbeitet hat und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am Watson Research Center von IBM ist. Wir verwenden Graphen, um die Fähigkeiten der herkömmlichen Technologie zu erweitern.

Die Prototypen des Graphen-Flash-Speichers können mit weniger Energie gelesen und beschrieben werden als herkömmliche Flash-Speicher, und sie können Daten im Laufe der Zeit stabiler speichern, selbst wenn sie miniaturisiert sind. Die UCLA-Forscher haben auch gezeigt, dass sie den Industriestandard einer geplanten Datenspeicherung von 10 Jahren erfüllen – der heutige Flash-Speicher tut dies auch, zukünftige Versionen jedoch möglicherweise nicht. Am wichtigsten ist, dass sich die Graphen-Speicherzellen nicht gegenseitig elektrisch stören – ein Problem bei herkömmlichen Flash-Zellen, da sie kleiner gebaut werden und zu Fehlfunktionen führen können.

Andere Forscher arbeiten an radikal neuen Arten von Computerspeichern, die versprechen, mehr Daten zu speichern. Viele dieser Alternativen erfordern jedoch exotische Materialien und völlig neue Herstellungsverfahren. Der Ersatz von Silizium durch Graphen in Flash-Speicherzellen könnte zumindest kurzfristig eine einfachere und praktischere Lösung darstellen.

Graphen-Flash-Speicherzellen funktionieren aufgrund der ungewöhnlichen chemischen Struktur und elektrischen Eigenschaften des Materials besser, sagt Kang Wang , Professor für Elektrotechnik an der UCLA, der die Arbeit leitete. Ein Teil des Problems bei siliziumbasiertem Flash besteht darin, dass bei kleiner werdenden Speicherzellen die Transistorgates im Vergleich zum Rest der Schaltung dicker sein müssen, um ausreichend Ladung zu speichern, und diese Zellen mit dickem Gate neigen dazu, ihre Nachbarn zu stören . Da Gates aus Graphen ultradünn seien, so Wang, würden sie sich nicht gegenseitig stören. Graphen kann auch viel mehr Ladung halten als Silizium, ohne dass es austritt – ein weiteres Problem bei herkömmlichem Flash, da die Zellen miniaturisiert sind.

Bisher sind die von den Forschern hergestellten Graphen-Flash-Speicherzellen relativ groß – in der Größenordnung von zehn Mikrometern. Aber Graphen hat im Gegensatz zu Silizium keine bekannten physikalischen Eigenschaften, die zu einem Leistungsabfall führen würden, wenn die Geräte miniaturisiert werden. Ihre Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass aus Graphen hergestellte Geräte auf etwa zehn Nanometer verkleinert werden können, sagt Barbaros Ozyilmaz , Assistant Professor für Physik an der National University of Singapore, der nicht an der Forschung beteiligt war. Es wird erwartet, dass herkömmlicher Blitz unter etwa 22 Nanometer instabil wird.

Wang sagt, dass die Forscher jetzt kleinere Graphenzellen bauen, um sie zu testen. Seine Gruppe hat bei dem Projekt mit Forschern von Samsung zusammengearbeitet und spricht mit Micron über die Kommerzialisierung.

Eine Frage ist, wann man damit beginnen sollte, Graphen in eine kommerzielle Prozesslinie zu bringen, sagt Wang. Die Halbleiterherstellung ist ein extrem gut kontrollierter Prozess – Defekte in der Größenordnung einzelner Atome können einen Hochleistungschip in Müll verwandeln – daher erfordert die Einführung eines neuen Materials viel Zeit und Sorgfalt.

Wang sagt, dass es theoretisch nicht schwierig sein sollte, Graphen zu Chips hinzuzufügen, da das Material relativ stabil ist und mit Prozessen, die in Chipherstellungsanlagen bereits üblich sind, auf Wafern gezüchtet werden kann.

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