Uma memória não volátil mantendo suas informações digitais sem energia e trabalhando ao mesmo tempo na velocidade ultra-alta da memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM) de hoje - esse é o sonho dos cientistas de materiais da TU Darmstadt.

Em um artigo recente publicado online na revista de alto impacto Materiais Funcionais Avançados , os pesquisadores investigaram por que os dispositivos baseados em óxido de háfnio são tão promissores para aplicações de memória e como o material pode ser ajustado para funcionar no nível desejado. Esse conhecimento pode ser a base para futuras aplicações em massa em todos os tipos de dispositivos eletrônicos.

Este novo tipo de memória não volátil salva informações alterando a resistência elétrica de uma estrutura de metal isolante. Os estados de alta resistência respectivamente baixa representam zero e um e não desaparecem mesmo quando o computador é desligado. O princípio principal desta memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) é conhecido há vários anos, mas os pesquisadores e desenvolvedores ainda estão lutando para trazê-lo para aplicativos reais e ativos.

A memória baseada em óxido de háfnio é particularmente interessante devido às suas propriedades superiores. Contudo, os dispositivos ainda não podem ser fabricados com baixa variabilidade e baixa disseminação de propriedades eletrônicas, conforme necessário para a produção em grande escala. Além disso, o comportamento de comutação é complexo e ainda não foi totalmente compreendido.

Vagas de oxigênio

Os pesquisadores da TU Darmstadt estão seguindo uma receita que tem sido extremamente bem-sucedida na tecnologia de dispositivos semicondutores:eles se concentram nos defeitos do material. "Até agora, não estava totalmente claro quais propriedades físicas e químicas do material governam o processo de comutação resistiva, "diz o Prof. Dr. Lambert Alff, chefe do grupo Advanced Thin Film Technology no departamento de Ciência de Materiais da TU Darmstadt. Sua equipe concentrou sua pesquisa no papel dos defeitos de oxigênio no material funcional.

Usando epitaxia de feixe molecular, uma técnica bem conhecida da tecnologia de semicondutores, o grupo foi capaz de produzir estruturas RRAM onde apenas a concentração de oxigênio foi variada, enquanto todo o resto do dispositivo era idêntico. "Ao alterar a concentração do defeito de oxigênio no óxido de háfnio, poderíamos correlacionar inequivocamente o estado do material com o comportamento de comutação resistiva do dispositivo de memória, "explica Sankaramangalam Ulhas Sharath, Aluno de doutorado do grupo e primeiro autor da publicação.

Com base nesses resultados, os pesquisadores desenvolveram um modelo unificado conectando todos os estados de comutação relatados até agora ao comportamento de vacâncias de oxigênio. Outra consequência empolgante de seu trabalho é a descoberta de que os estados de condutância quantizados podem ser estabilizados à temperatura ambiente ao controlar as lacunas de oxigênio, abrindo caminho para uma nova tecnologia quântica.

O RRAM substituirá a memória Flash?

A melhor compreensão do papel das vacâncias de oxigênio pode ser a chave para a produção de células RRAM com propriedades reproduzíveis em maior escala. Devido às suas limitações físicas inerentes, espera-se que nos próximos anos a tecnologia flash prevalecente atual seja substituída por outra tecnologia de memória não volátil. Pode ser o RRAM, que satisfará a necessidade cada vez maior de memória onipresente e mais eficiente em termos de energia nos carros, celulares, geladeiras, etc. Pode até ser particularmente adequado para circuitos neuromórficos que imitam a funcionalidade do cérebro humano - um conceito visionário.