2019 Fiscal Year Research-status Report
Proposal of high-performance materials for artificial synapses via atomic-scale observations of resistive switching oxides
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19K04484
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
福地 厚 北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (00748890)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有田 正志 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (20222755)
高橋 庸夫 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (90374610)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 抵抗スイッチング / 酸化物薄膜 / プローブ顕微鏡 / 酸化タンタル / メモリスタ / シナプス素子 / ニューロモルフィックデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低価数アモルファス酸化タンタル(TaOx)は、抵抗変化型不揮発性メモリのスイッチング層の実用材料として現在広く用いられており、また電圧の印加条件に依っては、ニューロモルフィック素子応用に向けた重要原理である、アナログ/可塑的抵抗変化動作を示す事が報告されている。しかしTaOxが示すアナログ/可塑的抵抗変化現象に関しては現在物理メカニズムの理解が進んでいない状況にあり、本研究課題ではその解明に向けて、プローブ顕微鏡計測によるTaOxのアナログ/可塑的抵抗変化時の原子移動の評価に取り組んだ。プローブ顕微鏡探針によるアナログ抵抗変化の誘起は従来研究では実現が困難であるとされてきた事から、本研究課題ではその実現に向けてアモルファスTaOx薄膜の表面平坦性の向上に取り組み、その結果、原子レベルの平坦性を持つTaOx膜の開発に成功した。
作製した超平坦TaOx/Nb:SrTiO3 (001)薄膜に対しRhコーティング探針による電圧印加実験を行った結果、印加電圧強度を+1.5－+3.0 Vの間で変化させる事で、TaOx膜の電気抵抗を15 kohm－3.0 Mohmの広範囲で連続的に変化させることに成功した。この結果によりTaOx膜のアナログ抵抗変化現象をプローブ顕微鏡内で誘起する事が可能となり、さらに動作時の原子・欠陥移動を原子スケールで観測する事が可能となった。保持時間100 nsの短パルス電圧を用いてのアナログ・可塑抵抗変化動作の誘起も、令和元年度内に成功している。観察されたTaOx膜の構造からは、膜内のOイオンとTaイオンとがそれぞれ異なる抵抗変化の動作速度を与える事が示されており、各イオンの寄与率がアナログ・可塑動作特性には重大な影響を与える事が示唆されている。これらの結果を通じて、ニューロモルフィック用途抵抗変化デバイスの材料最適化に向けた、直接的な知見を得る事に成功している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和元年度においてはプローブ探針を用いた直流電流－電圧測定による、TaOx薄膜のアナログ抵抗変化現象の評価プロセスを確立する事に成功した。また100 n－1.0 ms幅の短パルス電圧を用いたアナログ抵抗変化とその時間応答特性の測定・観察プロセスも年度内に確立する事が出来た。このほかにもパルス電圧測定では、膜の抵抗値が印加電圧の時間間隔に依存して変化する、可塑的な抵抗変化動作の観測をプローブ顕微鏡探針計測において達成している。さらにTaOx薄膜のアナログ抵抗変化動作の製膜時酸素圧依存性と膜厚依存性の評価、及びNbOx薄膜に対する抵抗変化動作観察に関しても年度内に着手しており、各パラメータと材料の変更が、アナログ抵抗変化現象に対して与える影響を、概要段階において明らかにする事が出来ている。当初目標として挙げたナノ秒領域での抵抗変化動作と、ニューロモルフィック応用における主要機能である可塑的な抵抗変化動作、及びそれらに伴う原子移動観察が令和元年度内に達成された事から、プローブ顕微鏡計測実験に関しては当初の計画以上の進展を得る事が出来たと判断している。一方で短パルス電圧実験の計画以上の進展を受けて、当初計画していた、プローブ顕微鏡によりアナログ抵抗変化を誘起したTaOx薄膜に対する、抵抗変化箇所の走査型・透過型電子顕微鏡による化学組成分析・構造解析は今年度には未実施となっている。全体の達成度についてはこの点を踏まえて「おおむね順調」であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度には、プローブ顕微鏡計測から現在までに得られている、TaOx薄膜のアナログ抵抗変化動作の物理モデルの裏付けに向けて、走査型・透過型電子顕微鏡による抵抗変化箇所の化学組成分析と構造解析を実施する。アナログ抵抗変化の発生箇所の空間的サイズは、幅が数 nm－数100 nm、高さが数nm以下である事がプローブ顕微鏡観察から分かっており、これらの微小箇所に対する走査型・透過型電子顕微鏡分析の実施のためには、観察用試料の加工プロセスに関して十分な条件出し実験が必要となる事が予測される。収束イオンビーム加工による数回の加工実験を経て、年度前半には抵抗変化部の組成分析と構造解析を達成させる予定である。
またTaOx薄膜のアナログ抵抗変化動作の、製膜時酸素圧依存性と膜厚依存性についても引き続き評価を進め、TaOxのアナログ抵抗変化デバイス材料としての最適組成と最適デバイス構造を年度内に明らかにさせたい。NbOx超平坦膜のアナログ抵抗変化動作についてもプローブ顕微鏡計測を進め、TaOx膜との特性比較を基に、各材料における抵抗変化の物理メカニズムの差異を明らかにさせる。これらの実験の完了後には、前年度までの実験から導かれたアナログ抵抗変化の物理モデルを基に、(Nb,Ta)Ox固溶系等の新たな材料での試料作製に着手し、そのアナログ抵抗変化動作のプローブ顕微鏡計測を実施する。これらの材料探索実験を通じて、アナログ抵抗変化デバイス用途においてTaOxを上回る動作安定性(低スイッチング電流・低電流ばらつき)を実現可能な、新たなスイッチング材料の提案につなげたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
パルス電圧測定において計画以上の進展が見られた事から、令和元年度にはパルス電圧測定を重点的に実施し、当初購入を予定していた電流像の高精度観察用の電流/電圧変換用アンプは購入しなかったため。
未使用額は電流/電圧変換用アンプを令和2年度に購入する費用に充て、電流像の高精度観察を実施する。
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Research Products
(37 results)
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[Presentation] Experimental and Theoretical Study on Tunnel Magnetocapacitance in Fe/MgF2 Nanogranular Films2019
Author(s)
Robin MSISKA, Shusaku HONJO, Yuki ASAI, Masashi ARITA, Atsushi TSURUMAKI-FUKUCHI, Yasuo TAKAHASHI, Norihisa HOSHINO, Tomoyuki AKUTAGAWA, Osamu KITAKAMI, Masaya FUJIOKA, Junji NISHII, and Hideo KAIJU
Organizer
The 6th Japan-Korea International Symposium on Materials Science and Technology 2019 (JKMST2019)
Int'l Joint Research
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