フレキシブル不揮発性メモリー開発に期待――東北大、グラフェンナノリボンを使った新型メモリーを開発

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(a)本手法で合成した架橋 GNR アレーの走査型電子顕微鏡像と酸素プラズマによる GNR 機能化に関する構造模式図 (b)典型的な光照射に伴う GNR の PPC 特性

東北大学は2018年8月8日、原子オーダーの厚みを持つシート材料であるグラフェンナノリボン(GNR)を用いた新型メモリーの開発に成功したと発表した。水中でも情報が消えない耐環境性に優れた不揮発性メモリー動作を実証している。

半導体材料に光を照射すると、照射された部分の電子状態が一時的に変化する。さらに特殊な半導体材料では、光照射後もその変化した状態が長時間維持されるパーシステント光伝導(PPC)と呼ばれる現象が発現することが知られている。この現象を、光書き込みによる不揮発性メモリー等へ応用することが期待されている。

これまでPPCは3次元のバルク半導体においてみられる現象だった。ところが、近年原子オーダーの厚みを持つ原子層シートでもPPCが発現することが報告され、フレキシブル不揮発性メモリーの実現に向け注目されている。しかし、これまで原子層シートによるPPC発現は、極低温下など特定の環境下に限られていたり、変調情報の保持時間が非常に短いなど、実用化に向け障壁があった。

今回東北大学の研究グループは、原子層シートの中でも環境安定性に優れた半導体材料であるGNRに着目。独自の手法で合成したGNRを使い、さらに表面をプラズマ処理により機能化することで、様々な環境下で安定に動作するGNR-PPC不揮発性メモリーの開発に成功した。

同研究グループではこれまで、GNRの構造制御合成する新たな手法を開発してきており、大面積ウェハー上への集積化合成にも成功している。今回さらに、高集積GNRデバイスに対して酸素プラズマ処理を施すことで、GNRデバイス中でPPCが発現することを見出した。このGNRでのPPC特性は、真空中のほか、大気中、水中でも安定に発現し、また光照射終了後も72時間以上も変調電流が維持されることがわかった。この維持時間は、類似の原子層物質によるPPCデバイスの2万5000倍以上だという。

(a)GNR の構造模式図 (b)GNR 合成手法概略図と(c)合成された GNR アレーの様子

さらに、不揮発性メモリーのための必須要素である”消去”の動作についても、GNR下部に設置したゲート電極にパルス的に高電圧を印加することで、変調した電流値を光照射前に戻せることを見出した。これにより、不揮発性メモリーとしての動作実証に成功した。

また研究グループは、動作性能の向上を目指して動作原理の解明も試みた。その結果、酸素プラズマ照射によりGNR中に局所欠陥が導入されること、およびGNRが接合しているNi電極の界面がNi(OH)2のナノ構造に変化することが明らかになった。さらに様々な系統的実験により、このようなPPCは酸素プラズマを照射したGNR/Niデバイスだけで発現することが確認された。

今回のGNR-PPC不揮発性メモリーを活用することで、フレキシブル不揮発性メモリーの実現が期待できる。さらに、光を照射した領域のみの情報が変化するという性質を使って、ナノスケールスキャナーや生体センサー等への応用も期待できるという。

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