Ferroelektrischer Speicher: Fraunhofer-Team schafft Sprung in die Chipfertigung

Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS hat gemeinsam mit dem Chiphersteller GlobalFoundries eine neue Speichertechnologie entwickelt. Ferroelektrische FRAM-Zellen auf Basis von Hafniumoxid speichern Daten dauerhaft, arbeiten mit extrem wenig Energie und lassen sich erstmals in eine bestehende industrielle Fertigungslinie einbauen. Damit adressieren die Forscher:innen ein Problem, an dem bisherige Speicherlösungen in der Automobiltechnik, der Industrieautomation und der Medizintechnik regelmäßig scheitern: Schnelligkeit, Langlebigkeit und Sparsamkeit gleichzeitig zu liefern. Für diese Leistung erhält das Team den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes „Forschung im Verbund“, der alle zwei Jahre gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft vergeben wird und mit 30.000 Euro dotiert ist.

Wie der Speicher funktioniert

Im Zentrum der Entwicklung steht das ferroelektrische Material Hafniumoxid. Ionen verschieben sich darin blitzschnell innerhalb eines Kristallgitters und verändern dabei die Polarisation des Materials. Genau diesen Effekt nutzen die Forscher:innen, um Informationen zu speichern. Der Vorteil: Die Daten bleiben auch ohne Stromzufuhr erhalten und lassen sich beliebig oft auslesen, ohne verloren zu gehen.

Sprung in die industrielle Fertigung

Bislang scheiterten viele vielversprechende Speicherkonzepte an der Massenproduktion, weil sich Laborergebnisse selten auf hochskalierte Fertigungsprozesse übertragen lassen. Dem Team gelang genau dieser Schritt: Die Ingenieur:innen entwickelten ein reproduzierbares Verfahren, um die FRAM-Zellen in den 22FDX-Technologieknoten von GlobalFoundries einzubetten, eine Plattform, die für besonders sparsame Mikrochips ausgelegt ist. Die neuen Zellen kommen mit Betriebsspannungen unter einem Volt aus, schalten innerhalb weniger Nanosekunden und überstehen viele Schreib- und Löschzyklen zuverlässig, ohne an Leistung einzubüßen.

Antrieb für KI direkt im Gerät

Der niedrige Energieverbrauch macht die Technologie besonders für autonome Sensoren, akkubetriebene Systeme und Künstliche Intelligenz direkt im Endgerät interessant. Statt Daten für die Auswertung erst in ein entferntes Rechenzentrum zu schicken, lassen sich KI-Anwendungen damit lokal auf dem Chip selbst ausführen. Für Hersteller bedeutet das kürzere Reaktionszeiten und geringere Betriebskosten, gerade dort, wo Geräte über Jahre hinweg autark mit begrenzter Energie auskommen müssen.

Enge Zusammenarbeit als Basis

Die Entwicklung fußt auf einer langjährigen Partnerschaft zwischen Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries am Standort Dresden, eingebettet in das Innovationsökosystem Silicon Saxony. Material, Prozess, Bauelement und Fertigung entstanden dabei eng verzahnt aus einer Hand. Die schnelle Marktreife der Technologie stärkt nach Einschätzung der Beteiligten die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in der internationalen Halbleiterfertigung.

via Fraunhofer Gesellschaft