2021 Fiscal Year Annual Research Report
Proposal of high-performance materials for artificial synapses via atomic-scale observations of resistive switching oxides
| Project/Area Number |
19K04484
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
福地 厚 北海道大学, 情報科学研究院, 助教 (00748890)
|
|---|
| 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, 名誉教授 (90374610)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | ニューロモルフィックデバイス / メモリスタ / アモルファス酸化物 / プローブ顕微鏡 / 人工シナプス / 抵抗変化型メモリ / 酸化タンタル |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度においてはアモルファス酸化タンタル(a-TaOx)の原子平坦薄膜に対して、導電性探針原子間力顕微鏡(C-AFM)法による電流-電圧測定・構造観察と、オージェ電子分光法による局所組成分析を相補的に進展させ、a-TaOx原子平坦薄膜において前年度までに観測した各種のアナログ抵抗変化現象の発生時における、膜内のタンタルイオンと酸化物イオンの移動機構の明確化を図った。その結果、a-TaOxにおける連続的なアナログ抵抗変化現象は、a-TaOxにおいて構造・相には顕著な変化が発生せず、一方で抵抗率には顕著な酸素組成依存性が存在する、2.0 < x < 2.5の範囲の組成変調を基に発現する事が分析結果より示唆された。またこの組成変調は実験的には、隣接する酸素供給層との間での可逆的かつ連続的な界面電気化学反応によって得られることを、C-AFM法による構造観察を基に実証した。一方で電場印加によってa-TaOxにより広範囲の還元性の組成変調を加えた場合には、x = 2.0を境に膜内には異相析出が確認され、その際にはa-TaOx膜の電気特性には連続的なアナログ型動作ではなく、100 ns以下のスイッチング速度を示す、急峻・高速かつ確率論的な抵抗変化現象が発生する事が観測された。この確率論的抵抗変化現象の際に膜内に発生する異相は、金属的な伝導特性を持つ準安定相であるa-TaO2であることが分析結果より示唆されており、その相発生における準安定性が、観測された抵抗スイッチングの確率動作性の起源であると推察される。これらの結果を基に本研究計画では、電気抵抗率に急峻な酸素組成依存性を持ち、また中間組成に安定相を持たないアモルファス金属酸化物の使用が、連続的かつ安定なアナログ抵抗変化機能を持つ人工シナプス素子の作製には有効であるとの知見を得ることができた。
|
