| Project/Area Number |
22K04933
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
樋口 透 東京理科大学, 先進工学部物理工学科, 准教授 (80328559)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | 全固体リチウム酸化還元素子 / 二酸化バナジウム薄膜 / 抵抗スイッチング / 全固体酸化還元素子 / リチウムイオン伝導体 / プロトン伝導体 / イオンの挿入・脱離 / 二酸化バナジウム / イオンの挿入脱離 |
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| Outline of Research at the Start |
本課題は、VO2膜上積層させた固体電解質膜から成る全固体酸化還元トランジスタを作製し、イオンの挿入・脱離によりVO2の抵抗スイッチングを可能にする新規の素子開発である。V-metalと酸素ラジカルを用いたスパッタ法により、Al2O3基板上に、価数制御したb軸のVO2膜を作製する。固体電解質には、酸化物プロトン伝導体とリチウムイオン伝導体を用い、構造・イオン伝導性を評価しつつ、VO2膜上にスパッタ成膜する。ゲート電圧をスイープさせた際のドレイン・ゲート電流および電圧を印加させた際の電気抵抗の温度依存性を評価する。条件最適化を行うことで、1V以下の低電圧で4桁の抵抗スイッチング素子を実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在使用されているパソコンや携帯電話の半導体メモリー素子は、微細化の限界を迎えており、将来的に、これまでは異なる原理で動作する高機能化・省電力化・小型化・大容量化を兼ね備えた新しいメモリー素子の開発が急務とされている。本研究の目的は、強相関酸化物ＶＯ２膜上積層させたリチウムイオン固体電解質膜から成る全固体酸化還元素子を作製し、イオンの挿入・脱離によりＶＯ２の電気抵抗やキャリアー密度を制御することで、可逆的な抵抗スイッチングを実現するすることである。
２０２３年前期は、種々の条件下で作成したＶＯ２－ＬｉＣｏＯ２多層膜について、Ｘ線回折・電気抵抗やＨａｌｌ係数の温度依存性を評価し、ＬｉやＯイオンがＶＯ２膜の電気特性及ぼす影響を検証した。この多層膜において、リチウムイオン伝導層のＬｉイオンがＶＯ２層に拡散し、ＬｉxＶＯ２膜としてふるまっていることを、電気特性と光電子スペクトルの形状から明らかにした。
２０２３年後期は、Ａｌ２Ｏ３基板上にＶＯ２/Ｌｉ－Ｓｒ－Ｚｒ－Ｏ系およびＬｉＣｏＯ２の各膜を積層させてトランジスタ化し、抵抗スイッチング現象の再現性について、慎重に評価と検討を行った。ゲート電圧印加により、単結晶に匹敵する約4桁の抵抗変更変化を示した。この結果は、全固体酸化還元素子において、電圧印加に伴うＬｉイオンの挿入が可能であることを示唆しており、前期までの予測した基礎的な知見とほぼ一致する挙動を確認できた。
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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
従来、ＶＯ２薄膜の再現性を得ることが難しいとされたが、２０２２年度のスパッタ装置の高性能化により、安定的に金属―絶縁体転移を有する薄膜の作製が可能になった。このことにより、リチウムイオン伝導体膜の積層化も容易になり、再現性のある素子を作製することができた。ただ単にデバイスを作製して評価するのではなく、結晶構造・キャリアー密度・電子構造などの基礎的な知見を活かした素子であり、素子の動作についても、ほぼ予測通りの挙動を確認できている。２０２４年度で、メモリー素子として評価を行う上で、十分な準備ができており、現状、研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
現状、ＶＯ２薄膜およぼリチウムイオン伝導体膜の作製とデバイス化はほぼ確立できている が、スパッタ装置内の残留ガスや不純物の混入を防ぐためには、装置の定期的な保守を欠かさずやっていくことが重要である。また、２０２４年度で、メモリー素子としての性能評価を行っていくが、絶縁破壊を起こさないように印加電圧を最適化し、高集積化のためにより微細な素子構造を進めていくことで、実デバイスとしての比較・検討ができるのではないかと考えている。
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