Opvolger flash-geheugen gaat veel langer mee

Flash-geheugens gebruiken we allemaal. In onze telefoon, als SD-kaart in het fototoestel of de usb-stick. Maar dit permanente geheugen kent een aantal nadelen. Een beter alternatief is het zogeheten phase-change geheugen, dat een veel intensiever gebruik toelaat. Dit ontdekte Jasper Oosthoek in zijn onderzoek waarop hij 11 april promoveert aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Oosthoek voerde zijn onderzoek naar de structuur van phase-change geheugencellen uit in samenwerking met NXP (het voormalige Philips Semiconductors).

Phase-change geheugen

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 Oosthoek uit. Het materiaal dat hij onderzocht schakelt niet met laserlicht, maar met een elektrische puls. ‘Verder is het vergelijkbaar. 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 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. ‘Maar je kunt deze geheugencellen niet zomaar in de elektronenmicroscoop stoppen’, zegt Oosthoek. 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.’

Gekantelde H

Zo’n cel ziet er een beetje uit als een gekantelde H (zie onderstaande foto), 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 Oosthoek 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.’

Goed belastbaar

Wat Oosthoek verder vond was 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, weet Oosthoek. 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. ‘Zeven jaar geleden, toen dit project begon, was die angst reëel. Inmiddels is gebleken dat de rek nog niet uit het flash-geheugen is’, vertelt Oosthoek.

Toch is phase-change geheugen sneller en in potentie stabieler dan flash. Maar het vraagt nog flink wat ontwikkelwerk om deze geheugencellen te optimaliseren. Oosthoek denkt dat phase-change geheugen een kans maakt flash te verdringen. ‘Zeker in een niche markt als de ruimtevaart. Flash geheugen is zeer gevoelig voor straling, terwijl phase-change materiaal daar uitstekend tegen kan.’

Curriculum Vitae

Ir. Jasper Oosthoek promoveert op het proefschrift ‘Structural and electrical characterization of phase-change memory line cells’. Het onderzoek is uitgevoerd bij de afdeling Nano-structured Materials and Interfaces van het Zernike Institute for Advanced Materials onder leiding van prof.dr.ir. Bart Kooi en werd gefinancierd door het Materials innovation institute (M2i) en NXP. Oosthoek werkt bij Sentron Europe in Roden.