金属絶縁体転移周辺の異常な物理現象の理解とニューロモルフィック素子開発の協奏

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03686
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 井上 公 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (00356502)
• 研究分担者: 山田 浩之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00415762) ; 渋谷 圭介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00564949) ; 矢嶋 赳彬 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (10644346) ; 浅沼 周太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30409635) ; 押川 正毅 東京大学, 物性研究所, 教授 (50262043) ; 白川 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 総括研究主幹 (60357241) ; 富岡 泰秀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (60357572)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ニューロモルフィック / 強誘電金属 / 強誘電体 / 強誘電量子臨界点 / 超伝導 / リーク付き積分 / ニューラルネットワーク / 電界効果トランジスタ

研究実績の概要

本研究で開発したSrTiO3を用いた電界効果トランジスタ(FET)はコンデンサなしで数百ミリ秒もの時定数を持つリーク付き積分動作をします。これはSrTiO3中の酸素欠損のゲート電場によるドリフトと、濃度勾配に対する拡散によって説明できることをCOSMOLによる数値シミュレーションにて明らかにしました。そこで抽出した素子パラメータを用いたニューラルネットワークをFPGAで動作させて、筆跡のリアルタイム認証を行うことにも成功しました。５個のSrTiO3のFETを実際に用いた小規模ニューラルネットワークでリザバー動作することにも成功し、IEEEの旗艦国際会議の一つであるVLSI2023に採択されました。さらにSrTiO3のFET並の大きな時定数を持つニューロンとシナプスをアナログCMOS回路を用いて設計し、実際にASIC上で作製しました。これもAPLで発表することができました。いずれも本研究の当初の想定を大きく超える成果になりました。
SrTiO3のSrをCaやBaで置換して強誘電体にした試料にTi/Nb置換でキャリアドープすると、強誘電的な性質(空間反転対称性の破れた状態)を持つ金属状態が出現し、0.75KというSrTiO3系の超伝導では最高のTcを得たことを報告する論文がnpj QMから出版されました。さらにBa濃度を変えた研究を行い、Ba濃度を変えてキュリー温度が変化(つまりQCPも変化)しても、Tcが最大になるキャリア濃度はほぼ一定に見えること(Lifshitz pointに近い)、Tcはさらに0.8Kにも上昇すること、強誘電金属領域でTcの増大が大きいこと、さらにLifshitz pointの近傍で磁気抵抗の磁場依存性の冪がフェルミ流体のKohler則であるHの2乗から急激に変化して、Hに線型な振る舞いになるという非常に興味深い現象も発見した。これも予想外の成果となった。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ESPCI/Collage de France(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ESPCI/Collage de France
• [国際共同研究] NHMFL/LANL/University of Chicago(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NHMFL/LANL/University of Chicago
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Bar-Ilan University/Technion(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: Bar-Ilan University/Technion
• [国際共同研究] Hanyang University(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Hanyang University
• [雑誌論文] CMOS-based area-and-power-efficient neuron and synapse circuits for time-domain analog spiking neural networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen Xiangyu、Byambadorj Zolboo、Yajima Takeaki、Inoue Hisashi、Inoue Isao H.、Iizuka Tetsuya
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 122 ページ: 074102～074102
  • DOI: 10.1063/5.0136627
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Superconductivity enhancement in polar metal regions of Sr0.95Ba0.05TiO3 and Sr0.985Ca0.015TiO3 revealed by systematic Nb doping (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomioka Yasuhide、Shirakawa Naoki、Inoue Isao H.
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 7 ページ: 111
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00524-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Controlling proton volatility in SiO2-capped TiO2 thin films for neuromorphic functionality (2022)
  • 著者名/発表者名: Yajima T.、Pati S. P.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 120 ページ: 241601～241601
  • DOI: 10.1063/5.0094481
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epitaxial growth and polarized Raman scattering of niobium dioxide films (2022)
  • 著者名/発表者名: Shibuya Keisuke、Sawa Akihito
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 12 ページ: 055103～055103
  • DOI: 10.1063/5.0087610
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Superconductivity enhancement in polar metals Nb:(Sr,Ba)TiO3 and Nb:(Sr,Ca)TiO3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Isao H. Inoue
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プロトンを用いたニューロモルフィック情報素子の設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢嶋赳彬
  • 学会等名: 春季応用物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] VO2金属絶縁体転移における静特性と過渡特性の結びつき (2023)
  • 著者名/発表者名: 浜砂 智, パティ サトウヤ プラカシュ, 矢嶋 赳彬
  • 学会等名: 春季応用物理学会
• [学会発表] Electrical control of two-terminal protonic device using an amorphous WO3 thin film (2023)
  • 著者名/発表者名: Satya Prakash Pati, Satoshi Hamasuna, Takeaki Yajima
  • 学会等名: 春季応用物理学会
• [学会発表] VO2三端子素子におけるゲート誘起相転移と温度誘起相転移の等価性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 浜砂 智, パティ サトウヤ プラカシュ, 矢嶋 赳彬
  • 学会等名: 春季応用物理学会
• [学会発表] 持続可能社会のためのニューロモルフィックデバイス設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 矢嶋赳彬
  • 学会等名: 学振R031ハイブリッド量子ナノ技術委員会 第7回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] VO2三端子素子における絶縁転移の速度の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浜砂 智, パティ サトウヤ プラカシュ, 矢嶋 赳彬
  • 学会等名: 秋季応用物理学会
• [学会発表] Ultra-sharp conductance change with proton potential in WO3 heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Satya Prakash Pati, Satoshi Hamasuna, Takeaki Yajima
  • 学会等名: 秋季応用物理学会
• [学会発表] An Ultra-low-voltage Synaptic Behavior of WO3/Pd based 2-terminal Protonic Memristive Device (2022)
  • 著者名/発表者名: Satya Prakash Pati, Satoshi Hamasuna, Takeaki Yajima
  • 学会等名: SSDM2022
• [学会発表] Modulation of synaptic behavior in a 2-terminal protonic device through proton potential and applied voltage (2022)
  • 著者名/発表者名: Satya Prakash Pati, Satoshi Hamasuna, Takeaki Yajima
  • 学会等名: 秋季応用物理学会
• [学会発表] Protecting Quantum Criticality - when is the system conducting/insulating? (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Oshikawa
  • 学会等名: APCTP-IACS-SNBNC Workshop on Computational Methods for Emergent Quantum Matter, SNBNC/IACS Kolkata, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Dr. Isao H. Inoue
  • URL: https://sites.google.com/view/isao