2021 Fiscal Year Annual Research Report
Heterosynaptic platform functionalized by topological control of oxygen vacancy distribution in memristive devices
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20H00248
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
酒井 朗 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20314031)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | メモリスタ / ヘテロシナプス / 4端子平面型素子 / パルスレーザー蒸着法 / 酸素空孔 / 有限要素法シミュレーション / ドーパント / ドリフト・拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高次シナプス機能の実現には、これまでに開発してきた2端子キャパシタ型メモリスタ素子では困難であるため、多端子構造が必要である。当該年度は、比較的容易に4端子構造を作製することができる平面型を採用し、アモルファスGaOx内の酸素空孔分布の変化に伴い、素子抵抗が如何に変化するかを調べるため、種々の条件で素子を作製し電気特性評価を行った。YAGレーザーの第4次高調波（波長266 nm）及びGa2O3ターゲットを用いたパルスレーザー蒸着法により、SiO2/Si基板上に種々のAr分圧、膜厚でGaOx薄膜を成長させ、反射高速電子回折観察により、成長した膜がアモルファスであることを確認した。その後マグネトロンスパッタリングでPt電極を成膜することで、2組の対向する2つの電極からなる4端子平面型素子を作製した。電気測定にあたっては、1組の対向電極間の抵抗値（R1-3）が、もう1組の対向電極への印加電圧（V2-4）によって変化する様子を調べた。その結果、素子は正（負）のV2-4印加に伴いR1-3が減少（増加）して低抵抗状態（高抵抗状態）となる不揮発変化（ループ特性と称する）が確認された。これによって、4端子による酸素空孔分布のトポロジー制御とそれによる不揮発素子抵抗の制御が可能であることが実証された。一方、メモリスタの抵抗変化メカニズムに関しては、これまではキャリア及びドーパントイオン（酸素空孔）分布の1次元モデルが提唱されているものの、２次元モデルは未達である。今回、２次元有限要素法シミュレーションモデルを構築し、実験で観測された酸素空孔分布と抵抗変化挙動を調べた。ドリフト・拡散を考慮したキャリア連続式、ポアソン方程式、ドリフト・拡散を考慮した酸素空孔の連続式を再帰的に解くことで、特定の電圧印加条件下でのドナー密度分布変化を再現することができた。
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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
当該年度は、前年度までにメモリスタ材料としての基礎物性が確認されたGaOxに着目し、酸素空孔分布の制御とそれに伴う素子抵抗の制御の可能性を実証するために、4端子平面型メモリスタ素子の開発とその素子構造における２次元ドナー密度分布シミュレーションを行った。これらは今後、素子性能や機能の改善や向上を図るうえで不可欠な研究開発項目である。実際に作製された素子に対する電気特性評価から得られたループ特性は、対向2端子が、もう1対の対向2端子間の（擬）2次元的な酸素空孔分布の変化をもたらしていることの証しである。これは、介在シナプスからの作用によるシナプス間結合強度変化であるヘテロシナプス可塑性をはじめとする高次のシナプス機能を模倣するうえで、本素子が有する重要な鍵となる機能である。また、これらの制御機能を理論的に裏付ける意味で行った２次元有限要素法による拡散・ドリフト効果を考慮した酸素空孔分布シミュレーションは、これまでにない新規の取り組みである。これらの成果は、今後のデバイス構造の最適化へフィードバックするうえで重要な実績であり、それゆえ、現時点で本研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
アモルファスGaOxを用いた4端子メモリスタ素子を人工シナプス素子としてさらに発展させるため、抵抗変化特性と相関するシナプス強度の増強や減弱等のシナプス機能に着目し、そうした機能に及ぼすゲート制御の効果を明らかにしていく。また、アモルファスGaOxの物性の改善はルーティン的に継続して行い、GaOx膜の性能をシナプス機能により良く適合させることを念頭に、成長プロセスに依存する膜構造・組成等を明らかにする。特に、膜中酸素空孔濃度のコントロールは必須である。そうしてコントロールされた素子を、雰囲気およびその分圧制御および温度依存計測が可能なマイクロプローバに設置し、半導体パラメータアナライザを用いて電圧印加周波数、掃引範囲、パルス幅・間隔・印加タイミングをふり、電流-電圧ヒステリシス特性の計測から、双安定状態の抵抗値・抵抗比、抵抗変化しきい値電圧・電流、保持特性、繰り返し耐性を測定する。また、キャリア伝導の支配的機構を電流-電圧もしくは容量-電圧の温度特性から定量的に決定する。
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