Dresden. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat gemeinsam mit dem Unternehmen GlobalFoundries eine neuartige Speichertechnologie entwickelt. Dafür gab es nun einen Wissenschaftspreis.
Dem Team ist es gelungen, ultraschnelle ferroelektrische FRAM-Speicher auf Basis von Hafniumoxid in eine bestehende industrielle Fertigungstechnologie zu integrieren. Dafür erhielt es den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes »Forschung im Verbund«.
Digitale Systeme stellen immer höhere Anforderungen an Speicher: Sie sollen schnell, langlebig, nicht flüchtig und zugleich extrem stromsparend sein. Gerade bei Anwendungen im Automotive-Bereich, der Industrieautomation oder der Medizintechnik stoßen bisherige Speicherlösungen dabei an ihre Grenzen. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts haben das Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries diese Problematik adressiert: Dr. Franz Müller, Dr. Maximilian Lederer, Dr. Nandakishor Yadav und Konrad Seidel sowie Dr. Sven Beyer und Dr. Robert Seidel haben eine neuartige Speichertechnologie etabliert, die energieeffiziente Elektronik und neue Rechenarchitekturen ermöglicht.
Im Zentrum der Arbeiten steht ein FRAM-Speicher (Ferroelectric Random Access Memory), der das ferroelektrische Material Hafniumoxid nutzt, um Informationen dauerhaft zu speichern: »Bei der ferroelektrischen Speichertechnologie werden Ionen sehr schnell in einem Kristallgitter verschoben, was zu einer veränderten Polarisation führt. Genau diesen Effekt kann man zum Speichern von Informationen nutzen«, erklärt Konrad Seidel, Leiter des Geschäftsfelds Emerging Memory Solutions am Fraunhofer IPMS. Der große Vorteil dieser Methode: Die Information bleibt auch ohne Strom erhalten und kann beliebig oft ausgelesen werden, ohne dabei verloren zu gehen.
Ein zentraler Erfolg des Projekts ist die Integration der Speicher in eine bestehende industrielle Fertigungstechnologie. Die Forschenden entwickelten einen reproduzierbaren Ansatz, um ferroelektrische FRAM-Zellen in den 22FDX® Technologieknoten von GlobalFoundries einzubetten – eine Plattform, die speziell auf die Herstellung von Ultralow-Power-Mikrochips ausgelegt ist. »Es ist ein großer Schritt, wenn man zeigen kann, dass das, woran man intensiv forscht, auch tatsächlich auf hochskalierten industriellen Strukturen gefertigt werden kann«, sagt Dr. Franz Müller, Leiter des Projekts am Fraunhofer IPMS. Die neuartigen Speicherzellen arbeiten mit energiesparenden Betriebsspannungen unter einem Volt, schalten in wenigen Nanosekunden und weisen eine hohe Zyklenfestigkeit auf, d. h. sie überstehen viele Schreib- und Löschvorgänge zuverlässig.
Die neue Speichertechnologie ist besonders für Anwendungen relevant, bei denen Energieeffizienz entscheidend ist – etwa autonome Sensoren, batterie- oder akkubetriebene Systeme oder Künstliche Intelligenz direkt im Gerät.
Das Projekt baut auf einer langjährigen, engen Zusammenarbeit zwischen Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries am Standort Dresden auf. Material, Prozess, Bauelement und Fertigung wurden gemeinsam und eng verzahnt im Innovationsökosystem »Silicon Saxony« entwickelt.