4端子メムリスタを用いた信号伝達相関型シナプス素子の創製

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25600098
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 酒井 朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20314031)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 転位 / メモリスタ / 抵抗スイッチング / 直接接合基板 / 還元 / 酸素空孔 / 電流‐電圧特性 / ヒステリシス

Research Abstract

本研究では、酸化物結晶中の転位ネットワーク構造と素子構造を精密にデザインし、信号伝達の相互作用を実現するメムリスタで構成されるシナプス素子を作製し、その基本動作特性と機能を実証することを目的としている。具体的には、① 駆動電極、修飾電極を介して各入力状態に応答する電気伝導特性を計測し、抵抗遷移の制御性と可塑性を検討する、②集束イオンビーム（FIB）加工を駆使し、サブミクロンスケールの改良型クロスバーアーキテクチャを構築する、③駆動電極と修飾電極を連合させたデュアルシナプス回路を作製し、シナプス間における抵抗遷移の相関特性を観測する、ことである。当該年度は、SrTiO3（STO）基板結晶に着目し、電気伝導特性の計測を基に抵抗遷移の制御性と可塑性を検討した。ノンドープSTO基板結晶は、結晶中に生成された酸素空孔によって抵抗スイッチング特性を発現することが確認されており、それは主に転位に沿う酸素空孔の電界ドリフトが関与していると示唆されている。今回、報告者らがこれまでに立ち上げた、貼り合わせ・原子接合プロセスをノンドープSTO(001)基板結晶に適用し、接合界面に高配向らせん転位ネットワークを有する直接接合STO基板を作製した。この基板を超高真空下で還元熱処理することによって、当初の透明色が黒色に変化し、ホール測定による電子濃度が3E18 cm-3であったことから、結晶内に酸素空孔が形成されたことを確認した。接合界面を含む状態のショットキー金属／STO／オーミック金属からなる2端子素子を形成し、電流-電圧特性を計測した結果、高抵抗状態と低抵抗状態の二つの安定状態からなるバイポーラ型のヒステリシス特性が確認された。これは、ショットキー電極側を正電圧印加した状態で、低抵抗から高抵抗に遷移するヒステリシスであり、抵抗遷移を誘発する媒体が酸素空孔であることを示唆している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度は、ノンドープSrTiO3基板結晶を対象に、結晶中に高配向転位ネットワークを形成する貼り合わせ原子接合プロセス、結晶中に酸素空孔を導入する超高真空還元熱処理プロセス、ショットキー／オーミック電極形成技術、接合界面を含む金属／STO／金属2端子素子作製技術、およびその素子の電気的特性計測技術等、プロセス、素子作製、測定評価の立ち上げに注力した。それぞれの技術は今後の研究展開に向けて拡充できる段階にあるため、全体の研究目的に照らし合わせて、研究は順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

現在までの達成度を受けて、今後は、当初の計画どおり、基本素子の機能拡張を図る。特に、電気伝導の駆動電圧を加える2端子とその電気伝導機構を修飾する2端子からなる4端子デバイスを試作することが必須の課題である。こうした構造の多様化と、将来的な集積構造を視野に入れた微細化を実現するために、今後、FIBや電子線リソグラフィーを用いた微細加工技術を積極的に適用する予定である。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

研究課題の遂行に伴い、順次、成果を関連する国際学会等に発表する予定で予算を組んだが、発表時期を来年度以降に変更することとした。また、当初外注する予定であった試料分析を、学内の施設を活用することで実行できたため、大幅な費用削減が達成され、その分も含めて当該助成金が生じた。
次年度の研究費に加算し、本研究課題に関わる物品費、学会参加のための旅費・参加費、英文添削等に関わる謝金等に使用する予定である。