PCM – Phase-Change Memory

Phase-Change Memory nutzt eine grundlegend andere physikalische Eigenschaft aus als die bislang behandelten Technologien: bestimmte Materialien lassen sich gezielt und reversibel zwischen einem ungeordneten (amorphen) und einem geordneten (polykristallinen) Zustand umschalten, deren atomare Strukturen sich in ihrem elektrischen Widerstand um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Im amorphen Zustand sind die Atome regellos angeordnet wie in einer eingefrorenen Flüssigkeit, was den Ladungstransport durch Streuung an der ungeordneten Struktur stark behindert – der elektrische Widerstand ist hoch, dieser Zustand codiert eine „0“. Im kristallinen Zustand bilden die Atome ein regelmäßiges Gitter, das den Ladungstransport deutlich erleichtert – der Widerstand ist niedrig, dieser Zustand codiert eine „1“. Das Widerstandsverhältnis zwischen beiden Zuständen liegt typischerweise bei mehreren Größenordnungen, was ein sehr robustes und fehlertolerantes Ausleseverfahren ermöglicht.

Das mit Abstand am häufigsten verwendete Material ist eine Legierung aus Germanium, Antimon und Tellur im ungefähren Verhältnis Ge₂Sb₂Te₅, kurz GST genannt. GST gehört zur Materialklasse der Chalkogenide (Verbindungen mit den Elementen der 6. Hauptgruppe wie Schwefel, Selen oder Tellur) und hat die für die Speicheranwendung entscheidende Eigenschaft, dass sich der Phasenübergang zwischen amorph und kristallin sehr schnell (im Nanosekundenbereich) und sehr oft reversibel durchführen lässt, ohne dass sich die chemische Zusammensetzung des Materials dabei verändert – im Gegensatz etwa zu elektrochemischen Vorgängen bei Batterien, bei denen Materialermüdung durch chemische Umwandlung eine zentrale Alterungsursache ist. Die Kristallisationstemperatur von GST liegt bei rund 150 bis 200 °C, deutlich unterhalb des Schmelzpunkts, was ein kontrolliertes, thermisch induziertes Umschalten erlaubt, ohne dass die Zelle bei normalen Betriebstemperaturen ungewollt ihren Zustand ändert.