Vergeet Flash, het is tijd voor phase-change

Flashgeheugen, je vindt het overal. In je telefoon, tablet, netbook of het SD-kaartje van je camera. Maar deze geheugensoort kent een aantal nadelen, dus zoeken bedrijven halgeleiders produceren naarstig naar een opvolger. Phase-change geheugen is een serieuze kandidaat. RUG-promovendus Jasper Oosthoek legde dit nieuwe geheugen eens onder de microscoop. Letterlijk.

De plaatjes die hij kan laten zien ogen niet spectaculair. Grijze prut en zwart/witte klontjes, meer lijkt het niet. Maar dat zijn wel de twee verschillende fasen waarin het phase-change (faseverandering) materiaal kan verkeren. En dat gaat misschien voor sneller en beter digitaal geheugen zorgen.

‘Dit materiaal kan kristallijn of amorf zijn’, legt Oosthoek uit. In de kristallijne vorm liggen de atomen netjes geordend, als keurig gestapelde knikkers. Maar als het snel is verhit en weer afgekoeld, verliezen de atomen die ordening. ‘En dat beïnvloedt de elektrische geleiding van het materiaal. De kristallijne vorm is een veel betere geleider.’

Met materiaal dat is te schakelen tussen geleidend en isolerend kan je een prima digitaal geheugen maken. En dat gebeurt ook al: ‘Rewritable cd’s en dvd’s werken met phase-change materiaal dat met behulp van een laser wordt geschakeld’, zegt Oosthoek. Maar het geheugen waar hij aan werkte is te schakelen met een elektrische puls.

Het Nederlandse bedrijf NXP semiconductors (voorheen Philips semiconductors) werkte al een tijd aan phase-change geheugen en wilde meer weten over het gedrag van hun materiaal tijdens de fase overgang. Zij zochten hulp bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG om die overgang in beeld te brengen. Deze vraag vormde de basis van het promotie onderzoek van Oosthoek, dat behalve door NXP ook door het Materials Innovations Institute (M2i) werd gefinancierd. Oosthoek verdedigt zijn proefschrift op 11 april.

‘NXP leverde ons een aantal schakelbare geheugencellen.’ NXP en Oosthoek zelf moesten het geheugen nog wel aanpassen voordat het in de elektronenmicroscoop kon worden bekeken. Het materiaal mocht daarvoor niet dikker zijn dan zo’n 200 nanometer, veel dunner dan een gewone computerchip. ‘We moesten een heleboel ondersteunend materiaal weg etsen om het materiaal dun genoeg te maken om af te beelden. Daardoor werden de geheugencellen nogal kwetsbaar.’

Om die reden lukte het ook nauwelijks om de cellen in de elektronenmicroscoop te schakelen. Maar Oosthoek kon wel afbeeldingen maken van cellen die al eerder waren geschakeld. De geheugencellen hebben de vorm van een op z’n kant liggende letter H, twee dikke staven met daartussen een dunne verbindende lijn. In die lijn vindt de fase overgang plaats, dus dit deel bepaalt de weerstand van de cel.

Wat opviel was dat de amorfe fase niet uniform was binnen de dunne lijn in de geheugencel. ‘De verklaring is dat de elektronen die gebruikt zijn voor de puls om de fase overgang te krijgen, warmte met zich meenemen. Daardoor wordt de lijn niet overal even sterk verhit.’

Een andere ontdekking die Oosthoek deed was dat bij herhaald schakelen er materiaal uit de lijn weg kan lekken. ‘Deze bevindingen geven aanleiding om nog eens goed naar het ontwerp van de cel te kijken’, zegt Oosthoek.

Een belangrijk voordeel van phase-change geheugen boven flash is dat je er vaker mee kunt schakelen. Dat kon Oosthoek met zijn onderzoek bevestigen. ‘Een flash geheugencel kan je maximaal zo’n 10.000 keer schakelen. Maar phase-change geheugen gaat tien tot honderd keer langer mee.’ Flash geheugenchips krijgen nu nog een complex algoritme mee om er voor te zorgen dat alle cellen even vaak worden gebruikt. ‘Als er bestanden op staan die bijna nooit veranderd worden, zou anders het gebruik van de rest van het geheugen veel intensiever zijn, wat de levensduur van he geheugen doet afnemen.’

Zal phase-change ooit echt flash gaan vervangen? ‘Op dit moment is de investering in onderzoek naar verbetering van flash geheugen vele malen hoger dan voor phase-change. Zeven jaar geleden waren producenten bang dat flash niet verder was te verkleinen en dat dit geheugentype binnen enkele jaren tegen z’n grens aan zou zitten. Maar dat is niet gebeurd.’

Wel heeft Samsung een prototype solid state drive op basis van phase-change geheugen gemaakt. ‘En op een conferentie zag ik een filmpje wat liet zien dat dit phase-change geheugen echt sneller werkt dan flash.’ En Nokia, weet Oosthoek, heeft een goedkope telefoon met phase-change geheugen gemaakt.

Maar er is nog heel wat werk te verrichten om phase-change geheugen verder te verbeteren. ‘Het grootste probleem op dit moment is dat het niet goed genoeg bestand is tegen hitte.’ Het mag dan een tot twee weken stabiel blijven bij 100 graden Celsius, de norm is tien jaar bij 80 graden. ‘Maar er zijn voldoende aanknopingspunten voor verbeteringen’, zegt Oosthoek. ‘En phase-change materiaal zou ideaal zijn voor ruimtemissies, omdat het zeer goed bestand is tegen straling. En daar is flash juist erg gevoelig voor.’

Zelf werkt Oosthoek niet meer aan geheugencellen. ‘Ik werk nu bij Sentron, een bedrijf in Roden dat sensoren ontwikkelt voor medische doeleinden. Dat is ook een interessant terrein voor onderzoek!’

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.