| 研究課題/領域番号 |
20H00248
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
酒井 朗 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20314031)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | メモリスタ / ヘテロシナプス / 多端子クロスバーアレイ / 酸素空孔 / ニューロモルフィック |
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| 研究実績の概要 |
当該年度は、メモリスタ材料として、抵抗変化の誘因媒体が酸素空孔であるGaOxの薄膜プロセスの立ち上げと特性評価を行った。成膜にはパルスレーザー蒸着装置を用いて、同装置のレーザーフルエンス、基板温度、成長雰囲気、雰囲気分圧、蒸着時間等のパラメータを変化させて、酸素空孔濃度・初期分布等を調節し、さらにアモルファス化することで膜質の均一化を図った。同GaOx薄膜を用いて、Pt、ITOをそれぞれ上部、下部電極としてキャパシタ型メモリスタ素子を作製し、その電流電圧特性を計測した。Arガス分圧下で成膜したGaOxの素子においては、電圧掃引の周回を繰り返しても安定した電気的特性が得られ、酸素ガス分圧下で成膜した場合と比べて、非常に大きな抵抗比が得られた。また、同素子に対して電圧パルスによるコンダクタンス変調や対称・非対称のSTDP特性を実装し、酸素分圧下で成膜した場合に比べてより高速なスイッチングを示すことがわかった。
さらに、酸素ガス分圧下蒸着GaOxを用いて、最小線幅3μmの 5×5クロスバー型メモリスタを作製した。正電圧のみや負電圧のみの連続した電圧掃引では安定した抵抗変化特性が得られ、本素子の抵抗変化がGaOx中の酸素空孔の移動によって引き起こされていることが示唆された。電圧パルスによるコンダクタンス変調やSTDP特性の実装も行い、アモルファスGaOxを用いたクロスバー型メモリスタによるニューラルネットワークの実現可能性を実証した。
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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
当該年度は、本研究で用いるメモリスタ材料系の探索から始め、その有力候補であるGaOxの薄膜生成プロセスを構築すると同時に、それを用いたキャパシタ型ならびにクロスバーアレイ型メモリスタ素子の作製プロセスを立ち上げた。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の基礎的評価の結果からは、特に、Arガス分圧下で成膜したGaOxのキャパシタ型メモリスタ素子では、高抵抗／低抵抗比を10倍近くまで向上させることができ、人工シナプス素子として応用するうえで有効な特性が得られている。また、GaOxのクロスバーアレイ構造の作製は世界発である。GaOx系メモリスタをニューラルネットワークハードウェアへ展開し、さらにそれを多端子クロスバーアレイへと発展させるうえでの準備段階ではあるものの、現時点では、おおむ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 |
画像解析等の最低限の入出力データ数を確保するため、最小線幅1μmの 5×5クロスバーアレイの作製を目標として、バー間隔や膜厚方向の積層間隔を最適化する。プロセス構築にあたっては、走査電子顕微鏡、原子間力顕微鏡等を用いたインライン評価によりプロセス制御性・正確性を随時確認・検討する。特に単位シナプス素子あたりに4つの端子を有するクロスバーアレイ構造の作製を目指す。一方で、これまでの4端子平面型メモリスタ素子の作製も並行して進め、その特性との比較検証、シミュレーション解析、電気的特性の検証に基づく構造予測を有機的に行い、構造・材料・プロセス手順の最適化を図る。
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