Development of high-speed nonvolatile memory using intersubband transitions for next-generation computing technology

• Project/Area Number: 20H02214
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: NAGASE Masanori 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (80399500)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
• Keywords: 窒化物半導体 / 共鳴トンネルダイオード / 量子井戸 / サブバンド間遷移現象 / 超高速情報処理 / トンネル現象 / サブバンド間遷移

Outline of Research at the Start

窒化ガリウム系共鳴トンネルダイオードでのサブバンド間遷移現象を用いることで、高速な不揮発メモリの実現を期待できる。しかし、この不揮発メモリの実現には、Siデバイスや他の不揮発メモリとの集積化を可能にする結晶成長技術やプロセス技術の確立が重要となる。本研究課題では、これらの技術の実現により、SRAMと同等な高速性を持つ不揮発メモリを実現するための基盤技術を構築し、将来の省エネルギー技術として期待されているノーマリ―オフコンピューティング技術の実現に貢献することを目的とする。

Outline of Final Research Achievements

High-speed nonvolatile memory using intersubband transitions in GaN-based resonant tunneling diodes (GaN-based RTDs) was studied to realize a high-speed nonvolatile memory operating at picosecond time scales. Nonvolatile memory operations were successfully achieved on Si(111) substrates by constructing a new design method for GaN-based RTDs and improving crystal growth techniques for GaN-based RTDs. In addition, guidelines for realizing higher-performance nonvolatile memory characteristics were shown based on the obtained results and an operation mechanism of nonvolatile memory using GaN-based RTDs.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

IoT社会を支えるコンピューターの低消費電力化に向けて、超高速かつ低消費電力で動作可能な不揮発メモリの実現が期待されている。本研究成果は、その候補となる不揮発メモリの実現の可能性を示したものである。また、本研究で得られた窒化物半導体に関する知見や技術は、他の窒化物半導体デバイスの進展にも寄与できる可能性があることから、学術的にも社会的にも意義がある。

Research Products

• [Journal Article] Nonvolatile memory operations using intersubband transitions in GaN/AlN resonant tunneling diodes grown on Si(111) substrates (2024)
  • Author(s): Nagase Masanori、Takahashi Tokio、Shimizu Mitsuaki
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 135 Issue: 14
  • DOI: 10.1063/5.0198244
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhancement of nonvolatile memory characteristics caused by GaN/AlN resonant tunneling diodes (2023)
  • Author(s): Nagase Masanori、Takahashi Tokio、Shimizu Mitsuaki
  • Journal Title: Semiconductor Science and Technology Volume: 38 Issue: 4 Pages: 045011-045011
  • DOI: 10.1088/1361-6641/acbaf8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Growth and Characterization of GaN/AlN Resonant Tunneling Diodes for High‐Performance Nonvolatile Memory (2020)
  • Author(s): Nagase Masanori、Takahashi Tokio、Shimizu Mitsuaki
  • Journal Title: physica status solidi (a) Volume: 218 Issue: 3 Pages: 2000495-2000495
  • DOI: 10.1002/pssa.202000495
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GaN/AlN共鳴トンネルダイオードを用いた不揮発メモリのエンデュランス特性の評価 (2024)
  • Author(s): 永瀬 成範、高橋 言緒、清水 三聡
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Characterization of Nonvolatile Memory Operations Using GaN/AlN Resonant Tunneling Diodes Fabricated on SOI Substrate (2023)
  • Author(s): Nagase Masanori、Takahashi Tokio、Shimizu Mitsuaki
  • Organizer: Compound Semiconductor Week 2023 (The 49th International Symposium on Compound Semiconductors/The 34th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Si(111)基板上に作製したGaN/AlN共鳴トンネルダイオードの不揮発メモリ特性の評価 (2022)
  • Author(s): 永瀬成範、高橋言緒、清水三聡
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Si(111)基板上へのGaN/AlN共鳴トンネルダイオードの作製 (2022)
  • Author(s): 永瀬成範、高橋言緒、清水三聡
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] GaN/AlN共鳴トンネルダイオードを用いた不揮発メモリ特性のON/OFF比増大 (2021)
  • Author(s): 永瀬成範、高橋言緒、清水三聡
  • Organizer: 2021年第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Remarks] 産業技術総合研究所 エレクトロニクス・製造領域 電子光基礎技術研究部門ホームページ
• [Patent(Industrial Property Rights)] 共鳴トンネルダイオード素子及び不揮発性メモリ (2024)
  • Inventor(s): 永瀬 成範、高橋 言緒、清水 三聡
  • Industrial Property Rights Holder: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-038382
  • Filing Date: 2024