Une mémoire non volatile conservant ses informations numériques sans alimentation et fonctionnant en même temps à la vitesse ultra-élevée de la mémoire vive dynamique (DRAM) d'aujourd'hui - c'est le rêve des scientifiques des matériaux de la TU Darmstadt.

Dans un article récent qui vient d'être publié en ligne dans la revue High Impact Matériaux fonctionnels avancés , les chercheurs ont étudié pourquoi les dispositifs à base d'oxyde d'hafnium sont si prometteurs pour les applications de mémoire et comment le matériau peut être réglé pour fonctionner au niveau souhaité. Cette connaissance pourrait être la base d'une future application de masse dans tous les types d'appareils électroniques.

Ce nouveau type de mémoire non volatile enregistre des informations en modifiant la résistance électrique d'une structure métal-isolant-métal. Les états résistifs respectivement haut et bas représentent zéro et un et ne disparaissent pas même lorsque l'ordinateur est éteint. Le principe de base de cette mémoire vive résistive (RRAM) est connu depuis plusieurs années, mais les chercheurs et les développeurs se battent toujours pour l'intégrer dans de vraies applications en direct.

La mémoire à base d'oxyde d'hafnium est particulièrement intéressante en raison de ses propriétés supérieures. Cependant, les dispositifs ne peuvent toujours pas être fabriqués avec une faible variabilité et une faible diffusion des propriétés électroniques comme requis pour une production à grande échelle. Par ailleurs, le comportement de commutation est complexe et n'a toujours pas été entièrement compris.

Vacance d'oxygène

Les chercheurs de la TU Darmstadt suivent une recette qui a connu un grand succès dans la technologie des dispositifs à semi-conducteurs :ils se concentrent sur les défauts du matériau. "Jusqu'à maintenant, il n'était pas tout à fait clair quelles propriétés physiques et chimiques des matériaux régissent le processus de commutation résistive, " dit le Pr. Dr Lambert Alff, chef du groupe Advanced Thin Film Technology dans le département de science des matériaux de la TU Darmstadt. Son équipe a concentré ses recherches sur le rôle des défauts d'oxygène dans le matériau fonctionnel.

En utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire, une technique bien connue de la technologie des semi-conducteurs, le groupe a pu produire des structures RRAM où seule la concentration en oxygène était modifiée alors que tout le reste de l'appareil était identique. "En modifiant la concentration de défaut d'oxygène dans l'oxyde d'hafnium, nous pourrions corréler sans ambiguïté l'état du matériau avec le comportement de commutation résistif du dispositif de mémoire, " explique Sankaramangalam Ulhas Sharath, Doctorant dans le groupe et premier auteur de la publication.

Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont développé un modèle unifié reliant tous les états de commutation signalés jusqu'à présent au comportement des lacunes en oxygène. Une autre conséquence passionnante de leur travail est la découverte que les états de conductance quantifiés peuvent être stabilisés à température ambiante lors du contrôle des lacunes d'oxygène ouvrant la voie à une nouvelle technologie quantique.

La RRAM remplacera-t-elle la mémoire Flash ?

Une meilleure compréhension du rôle des lacunes en oxygène pourrait être la clé pour produire des cellules RRAM avec des propriétés reproductibles à plus grande échelle. En raison de ses limitations physiques inhérentes, on s'attend à ce que dans les prochaines années, la technologie flash actuellement dominante soit remplacée par une autre technologie de mémoire non volatile. Ce pourrait être la RRAM qui satisfera la soif toujours croissante de mémoire plus économe en énergie et omniprésente dans les voitures, portables, réfrigérateurs, etc. Il pourrait même être particulièrement adapté aux circuits neuromorphiques imitant la fonctionnalité du cerveau humain – un concept visionnaire.