| 研究課題/領域番号 |
15J06927
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
杉山 一生 東京工業大学, 物質理工学院, 特別研究員(PD)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| キーワード | メモリ / リチウム / 半導体デバイス / Liイオン電池 |
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| 研究実績の概要 |
スマートフォンを始めとする小型で高性能なデバイスの普及や、各種家電の電子制御化にともなって、半導体デバイスにも変革が求められている。特に、計算処理の一時記憶を行うメモリ素子は高速化・微細化・省電力化を同時に求められていることから、全く新しい革新的新型メモリの開発が強く望まれている。このような背景から、本研究では従来の性能を保ちつつ微細化・高機能化を実現する新型メモリの開発を行っている。
当初は酸化物材料中のイオン移動を活用して様々な物性を制御することにより、多値のメモリを実現することを想定していたが、室温における動作に難があることから、昨年度に方針を転換した。新しい方針のもと、室温でも動作しやすいLiイオンを活用して、昨年度中に素子自身の電圧を電圧印加により制御できる新型メモリの動作検証に成功している。このメモリは全固体Liイオン電池に着想を得たものであるが、電池のような素子電圧変化を極めて小さな電荷量により実現しており、従来型メモリと同程度の高速性を保ちながら、微細化と省電力化、多値化を実現できる。Liイオン電池はLiを電極中に蓄えたり放出したりすることにより、素子の電圧を変化させているが、本研究で開発した素子は電極と電解質との界面にのみLiを蓄積することで、極めて小さな電荷量で電圧の変化を実現していると考えられるが、その詳細なメカニズムを明らかにできていなかった。
そこで、界面におけるLiのふるまいを明らかにするために、固体中に埋もれた界面における軽元素の分布を検出できる手法としてラザフォード後方散乱と核反応分析法を組み合わせた手法、及び中性子反射率測定に着目し、素子中界面近傍におけるLi分布を解明した。界面から数 nm離れた位置でのLi分布はバルクと等しかったことから、界面におけるLi分布を適切に制御することにより、メモリ特性の更なる向上を目指せることが示された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初は酸化物薄膜をベースとしたメモリ素子を開発する予定であった。しかしながら、開発にあたって問題を生じたことから、方針を大きく転換してLiイオン電池をベースとするメモリ素子を開発している。
昨年度には、Liイオン電池に着想を得つつも、極めて小さな電荷量で動作するよう工夫を施すことにより、新型メモリとして十分な性能を有するメモリ素子の動作検証に成功した。当初予定では、この初年度に新型メモリの動作検証を完了させる予定であったことから、方針の転換はあったものの、昨年度は順調に進展していた。
当初の予定では、本年度はメモリの動作原理を解明するために、走査トンネル顕微鏡やその関連技術、透過型電子顕微鏡法などを駆使した材料のメモリ動作下その場解析を行う予定であった。しかしながら、方針を転換したことによりこれらの分析手法が本研究で開発しているメモリ素子には適さなくなった。
そこで、本年度はメモリの動作原理を解明するという目的は維持しつつも、素子に合わせた分析手法を取ることとした。本研究で開発しているメモリ素子は金属/固体電解質/金属という構成であることから、固体の内部に埋もれた界面における、Liという軽元素の分布を測定することが必要となる。固体内部を非破壊で軽元素の組成を検出する手法は極めて限られている。このような制約の中、本研究では大型放射光施設などと連携し、ラザフォード後方散乱法と核反応分析法を組み合わせた手法及び中性子反射率測定を、メモリ動作下で測定することにより、全固体素子内部の界面近傍におけるLi分布を解明することに成功した。これによって、金属と固体電解質との界面におけるLiの析出あるいはnmスケールの合金形成がメモリ動作の期限であることを突き止めた。このように、方針の転換こそあったものの、当初の予定通りメモリ動作原理の解明に成功していることから、概ね順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
従来型メモリを大きく上回る特性を有する新型メモリの開発を目的として、Liイオン電池に着想を得たメモリの開発を進めてきた。初年度に当たる昨年度にはメモリ素子の動作検証に成功し、本年度はその動作原理の解明に成功している。
最終年度にあたる次年度は、これまでに得られた知見をもとに、メモリ素子の更なる高性能化を目指す。まず、現状ではmmスケールのメモリ素子でしか動作検証を行っていないが、これを微細化した際に想定通りの特性を得ることができるかどうか検証を行う。実用的なデバイスにおいては、10 nm程度のスケールまで微細化を進める必要があるが、これを実験室レベルで行うことは現実的ではないため、まずは10 μmのスケールを目指す。電子線描画装置によって作製した金属電極パターン上に固体電解質薄膜と負極金属薄膜をそれぞれ成膜することによって、10 μmスケールのデバイスを作製する。そのようなデバイスについて、従来と同様のメモリ動作検証を行うことで、微細化を進める時に発生する問題を洗い出す。
さらに、本研究で開発したメモリ素子における問題点であった、データの記憶時間が従来型メモリと比べると短いという点を改善する。このような問題は、界面に蓄積したLiが容易に再溶解してしまうことに起因していると考えられる。動作速度に影響を及ぼす固体電解質中のLi伝導度は維持しつつも再溶解を防ぐために、界面構造の原子レベルでの緻密な制御と新たな界面層の導入、固体電解質の改良といった施策を進めていく。
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