Gerätefehlfunktionen durch Dauerstrom führen zu einer Entdeckung, die das Design mikroelektronischer Geräte verbessern kann

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Elektronik der nächsten Generation, darunter Speicherkomponenten in Computern, mit der Zeit kaputtgeht oder sich abnutzt. Das Verständnis der Gründe für die Abnutzung könnte dazu beitragen, die Effizienz von Datenspeicherlösungen zu verbessern.

Die Forschung ist veröffentlicht In ACS Nano und ist auf dem Cover der Zeitschrift abgebildet.

Fortschritte in der Computertechnologie erhöhen weiterhin die Nachfrage nach effizienten Datenspeicherlösungen. Spintronische magnetische Tunnelkontakte (MTJs) – nanostrukturierte Geräte, die den Spin der Elektronen nutzen, um Festplatten, Sensoren und andere Mikroelektroniksysteme, einschließlich magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM), zu verbessern – stellen vielversprechende Alternativen für die nächste Generation von Speichergeräten dar.

MTJs sind die Bausteine ​​für den nichtflüchtigen Speicher in Produkten wie Smartwatches und In-Memory-Computing und versprechen Anwendungen zur Verbesserung der Energieeffizienz in der KI.

Mithilfe eines hochentwickelten Elektronenmikroskops untersuchten die Forscher die Nanosäulen in diesen Systemen, bei denen es sich um extrem kleine, transparente Schichten innerhalb des Geräts handelt. Die Forscher ließen einen Strom durch das Gerät laufen, um zu sehen, wie es funktioniert. Als sie den Strom erhöhten, konnten sie in Echtzeit beobachten, wie das Gerät abbaut und schließlich den Geist aufgibt.

„Echtzeit-Experimente mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) können selbst für erfahrene Forscher eine Herausforderung sein“, sagte Dr. Hwanhui Yun, Erstautor des Artikels und Postdoktorand in der Abteilung für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der University of Minnesota. „Aber nach Dutzenden von Fehlschlägen und Optimierungen wurden durchweg funktionierende Proben hergestellt.“

Dabei stellten sie fest, dass die Schichten des Geräts bei kontinuierlichem Strom mit der Zeit eingeklemmt werden und das Gerät dadurch nicht mehr richtig funktioniert. Frühere Forschungen hatten dies theoretisiert, aber dies ist das erste Mal, dass Forscher dieses Phänomen beobachten konnten. Sobald das Gerät ein „Nadelstichloch“ (die Einklemmung) bildet, befindet es sich in den frühen Stadien der Degradation. Als die Forscher dem Gerät immer mehr Strom zuführten, schmolz es und brannte vollständig durch.

„Das Ungewöhnliche an dieser Entdeckung ist, dass wir dieses Ausbrennen bei einer viel niedrigeren Temperatur beobachtet haben, als es frühere Forscher für möglich gehalten hatten“, sagte Andre Mkhoyan, einer der Hauptautoren des Artikels und Professor und Ray D. und Mary T. Johnson-Lehrstuhlinhaber am Institut für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der University of Minnesota. „Die Temperatur war fast halb so hoch wie zuvor erwartet.“

Bei genauerer Betrachtung des Geräts auf atomarer Ebene stellten die Forscher fest, dass so kleine Materialien ganz andere Eigenschaften haben, darunter auch die Schmelztemperatur. Das bedeutet, dass das Gerät zu einem ganz anderen Zeitpunkt komplett ausfallen wird, als bisher bekannt war.

„Es besteht ein großer Bedarf daran, die Schnittstellen zwischen den Schichten in Echtzeit unter realen Arbeitsbedingungen, wie etwa bei der Anwendung von Strom und Spannung, zu verstehen, doch niemand hat zuvor dieses Verständnisniveau erreicht“, sagte Jian-Ping Wang, einer der Hauptautoren der Studie und Distinguished McKnight Professor sowie Inhaber des Robert F. Hartmann Chair im Department für Elektro- und Computertechnik der University of Minnesota.

„Wir freuen uns sehr, sagen zu können, dass das Team etwas entdeckt hat, das direkte Auswirkungen auf die nächste Generation mikroelektronischer Geräte unserer Halbleiterindustrie haben wird“, fügte Wang hinzu.

Die Forscher hoffen, dass dieses Wissen in Zukunft genutzt werden kann, um das Design von Computerspeichereinheiten zu verbessern und so die Lebensdauer und Effizienz zu erhöhen.

Zum Team gehörten neben Yun, Mkhoyan und Wang der Postdoktorand Deyuan Lyu von der Fakultät für Elektro- und Computertechnik der University of Minnesota, der wissenschaftliche Mitarbeiter Yang Lv, der ehemalige Postdoktorand Brandon Zink sowie Forscher der Fakultät für Physik der University of Arizona.