NIMS、Al陽極酸化膜を用いてReRAMのオフ電流を1/1000低下させることに成功
同成果は、木戸勇元強磁場センター長らによるもの。
この他、AlOx-ReRAMの動作原理解明に関しては、理論計算科学ユニット 籾田浩義外来研究員らのバンド構造計算結果に基づき、原子力研究開発機構 久保田正人研究副主幹と行ったリガクのTSC測定結果の実験的解釈による成果という。
携帯電話やスマートフォンなどの電池の長寿命化対策として、電池の性能向上と共に電子デバイスの消費電力削減が求められている。
電源を切ってもデータが消えない不揮発メモリとして、すでにフラッシュメモリがあるが、書き換え回数制限があるため高頻度に書き換える必要のあるメモリには利用できない。
このため、不揮発性でかつDRAMと同等の書き換えが可能な次世代メモリ(ユニバーサルメモリ)の開発が待たれている。
表1に示す各種メモリのうち、次世代メモリとして3種類が有力候補として開発されており、すでにMRAMは、一部の分野で利用されているが、コスト競争力のあるフラッシュメモリを凌駕するといった展望は、現時点では見えてこない。
一方、今回の技術が属するReRAM(抵抗変化型メモリ)は、金属酸化膜を金属電極で挟んだ単純な構造のため、電圧駆動により高速応答する省電力型不揮発メモリとして期待されているが実用化には至っていない。
実用化を妨げる要因として、耐久性が実証されていないことや、動作原理が解明されていないことなどが挙げられる。
今回の技術で用いられたAl陽極酸化膜は、窓ガラスサッシやアルミのやかんの表面に施されたアルマイトのことで優れた耐食性と強度が特徴。
100年以上も前から知られた技術で、図1に示すように膜の表面に規則的なナノ構造を有している。
最近では、数十〜数百nm間隔の孔が規則正しく配列した細孔を利用したナノフィルタや、フォトニック結晶としての利用が検討されている。
同研究グループでは、Al陽極酸化膜を用いたAlOx-ReRAMが、NiやTaなどの遷移金属の酸化膜を用いたReRAMと同様に、数Vの電圧印加で絶縁体から金属状態に変換し、逆バイアスを印加すると金属状態から絶縁体状態に戻ることを利用したAlOx-ReRAMの開発とその動作原理解明を目的に研究を進めてきた。
現在までに、電流モードの原子間力顕微鏡によって、AlOx-ReRAMでは細孔の隔壁部でオン・オフ動作していることを突き止めている。
また、透過電子顕微鏡を用いたEELS測定によって隔壁部の厚み方向に酸素空孔(Vo)が局在していることを確認。
これにより、陽極酸化によって自己組織的に形成された膜面に垂直に局在したVoがスイッチング現象に関わっていることが予想されていた。
一方、分子動力学シミュレーションによって生み出されたアモルファスアルミナの第1原理計算によって、Voに電子が注入・抽出されるとバンドギャップ内の電子状態が双安定的に変化し、Voに電子1個が捕捉された状態が空間的に重なるとバンドギャップ内にバンドが形成され、金属状態になり得ることを見出した。
考えられるメカニズムとして、図2右下に示すVo+2(電子の存在しないVo:Al3O12(Vo+2)1中央の白丸)に電子1個が注入されると、左下に示すVo+1に変わり、Vo+1が増加してオーバーラップすると電極間に電流パスが形成され、左上に示すオン状態になる。
Al3O12(Vo+1)1のVo+1電子は、Voの位置に局在することなく、図2左下Al3O12(Vo+1)1の黄色で示すように、Vo近傍の12個の酸素原子(赤色)に浸み出し、Vo+1電子が2×1021/cm3以上に増加すると、Vo+1電子が空間的にオーバーラップして非局在化してオン状態になる。
