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Application of resistance change memory to ultrasensitive sensors -Exploration of new excitation processes in metal oxides-

Research Project

Project/Area Number 19K04476
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

Kinoshita Kentaro  東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 教授 (60418118)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords欠陥 / 抵抗変化メモリ / 学習デバイス / 物理リザバー / 金属酸化物 / 学習 / セレクター / 光 / ショットキー接合 / 素励起 / セレクタ / 金属酸化物薄膜
Outline of Research at the Start

申請者の予備的な実験により,ソフトエラー耐性が高いとされてきた抵抗変化メモリ(ReRAM)において,紫外光誘起のSEが発生することが示された.この結果は,金属酸化物(MO)中で「紫外光照射 ⇒ 電子励起 ⇒ 格子歪 ⇒ 欠陥生成・移動」という一連の励起過程が存在することを示唆しており,フィラメント状酸素欠陥というReRAMの特殊環境で初めて観測にかかったと解釈できる.本研究の目的は,MO膜内の環境変化に敏感なReRAMの酸素欠陥フィラメントを高感度のセンサーとして利用する新たな欠陥検出手法を確立し,同手法により,前記励起過程の存在を検証することにある.

Outline of Final Research Achievements

Focusing on Sn-doped In2O3 (ITO)/Nb-doped SrTiO3 (Nb:STO) junctions, whose electrical conductivity is modulated by both electrical and optical stimulation, we attempted to electrically control the photoresponse characteristics. In the fabricated ITO/Nb:STO junctions, both voltage-induced resistance change and photo-induced current generation due to UV light irradiation were confirmed. As a result of evaluating the relaxation characteristics of the increase/decrease of the photo-induced current while applying a bias voltage to the junction, it was found that the relaxation time of the photo-induced current can be controlled over two orders of magnitude in the voltage range of ±0.5 V. To evaluate the junction's physical reservoir performance, we performed an image classification task of handwritten digits, and found that learning was optimized by selecting an appropriate voltage according to the time scale of the input signal.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

物理リザバー計算(RC)は時系列信号の低電力かつ高速リアルタイム処理に適し、エッジ領域での学習適用性が高いため注目されている。RCのコアであるリザバーを物理系のダイナミクスに置き換えることでリザバーの物理実装が可能となり、計算コストと時間の削減が期待される。本研究はITO/Nb:STO接合におけるUV照射による光電流の緩和時間を、±0.5 V以内の微小電圧の印加により数桁にわたって変調できることを明らかにした。これにより様々な時間スケールの時系列信号を、単一のデバイスにより処理できることから、社会的意義は大きい。その機構は永続光伝導等、欠陥物理との関連性が考えられ、学術的にも大変興味深い。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Controlling filament growth mode in resistive random-access memory based on thermal flow2021

    • Author(s)
      Yuta Sasaki and Kentaro Kinoshita
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Issue: SB Pages: SBBB01-SBBB01

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abd9d3

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Oxide-based selector with trap-filling controlled threshold switching2020

    • Author(s)
      Shuhei Saitoh, and Kentaro Kinoshita
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 116 Issue: 11 Pages: 112101-112101

    • DOI

      10.1063/1.5143631

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 電極/Nb-dopedSrTiO3界面の光誘起電流を利用したリザバーコンピューティング2023

    • Author(s)
      山崎悠太郎・甲斐洋行・木下健太郎
    • Organizer
      電子情報通信学会総合大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ITO/Nb:SrTiO3接合における光誘起電流特性を利用したニューロモルフィックコンピューティング ~リザバーコンピューティング応用に向けて~2022

    • Author(s)
      山﨑悠太郎, 甲斐洋行, 木下健太郎
    • Organizer
      電子情報通信学会電子デバイス研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrode/Nb‐doped SrTiO3 junction as a physical reservoir device2021

    • Author(s)
      Kentaro Kinoshita
    • Organizer
      MEMRISYS 2021
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ペロブスカイト型酸化物抵抗変化メモリの光応答特性評価及び人工シナプスデバイス応用の検討2021

    • Author(s)
      山﨑悠太郎, 橋本悠太, 青木裕雅, 木下健太郎
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会10p-S203-4
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 熱流設計に基づく抵抗変化メモリ(ReRAM)のフィラメントデザイン2021

    • Author(s)
      佐々木 悠太, 木下 健太郎
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会 11p-Z07-1
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 金属酸化物における抵抗スイッチング現象とデバイス応用2020

    • Author(s)
      木下 健太郎
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] CoO/ITO二層構造で発現するノンポーラ閾値セレクタ特性2019

    • Author(s)
      齋藤 修平、木下 健太郎
    • Organizer
      第80回 応用物理学会 秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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