アルミでコンピューターメモリーを省電力化する――アルミ酸化膜を用いた新しい不揮発メモリーの動作メカニズムを解明 日本原子力研究開発機構

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日本原子力研究開発機構は2019年11月14日、物質・材料研究機構、高エネルギー加速器研究機構と共同で、次世代不揮発メモリーの材料として期待されるアモルファスアルミ酸化膜において、半導体メモリーの全く新しい動作メカニズムを説明する電子状態変化を世界で初めて直接観測したと発表した。

DRAMは、コンピューターの主記憶メモリーとして広く活用されているが、揮発性のためリフレッシュ動作が常時必要なので電力消費が大きいという問題がある。DRAM素子を不揮発メモリー素子で置き換えることができれば、消費電力を劇的に少なくできることから、同研究では、低消費電力、高速応答性、大規模集積化、高耐久性(書き換え回数)を持つ、次世代不揮発メモリーの開発に力を入れた。

次世代不揮発メモリーの中でも、ReRAM(抵抗変化型不揮発メモリー)は有力な候補とされている。ReRAMとしては、Ta2O5などの遷移金属酸化物材料が広く研究されている。しかし、メモリー状態のオン/オフが切り替わる際に、遷移金属酸化物材料では、遷移元素価数が変わるために、材料物質自体が変わってしまい劣化しやすいことが問題で、書き換え回数には限界があることから、DRAMの代替不揮発メモリーとすることは困難だった。

そこで同研究グループは、遷移金属ではないアルミニウムを使ったアモルファスアルミ酸化物(AlOx)ReRAMに注目。AlOx-ReRAMは、高速応答速度や低駆動電流性能を持ち、稀少元素/有害元素を含まない低環境負荷な材料で、オン/オフ抵抗比が非常に大きいという特徴がある。

研究者らは、メモリー動作原理として、AlOx-ReRAM内に存在する酸素空孔に電子が出入りすることにより動作するというモデル(酸素空孔モデル)を提唱した。電子の出入りによる変化は、クラスタの膨張/収縮だけで、化学変化に伴う副生成物が生じないため、ReRAMは劣化しないという。具体的には、試料に電子が注入されると伝導性のあるクラスタが増えて重なることで導通し、電子が抽出されると反対に絶縁化する仕組みだ。

研究では、AlOx-ReRAMが酸素空孔モデルに基づいてメモリー動作し、書き換えによる劣化が生じにくい不揮発メモリー材料になり得ることを検証。放射光を用いてXAFS測定で物質の構成元素ごとの吸収スペクトルを測定し、AlOx-ReRAMのオン/オフ時における電子状態を捉える実験を行った。

最初に、酸素吸収端付近のエネルギーを持つ放射光を用いて、オン/オフ状態の酸素サイトの吸収スペクトル測定したところ、オン状態では、バンドギャップ内にサブバンドを検出したが、オフ状態ではサブバンドは観測されなかった。

続いて、アルミニウムの吸収端近傍のエネルギーを持つ放射光を用いて、アルミニウムサイトの吸収スペクトルを測定すると、アルミサイトのオン状態とオフ状態での電子状態に変化は無かったという。

つまり、AlOx-ReRAMのオン/オフの切り替わり時には化学変化が生じていないことを意味し、オン/オフのメモリー動作により、酸素サイトの電子分布が変化することを直接観測したことに相当する。

オン状態のキャリアが酸素サイトに広がっているのに対して、アルミニウムサイトには電子が広がっておらず、これは、酸素空孔に電子が出入りすることによりメモリー動作するドーピングレス半導体における酸素空孔モデルの内容と一致する結果であり、アモルファスアルミ酸化膜がメモリー動作として動作する可能性を示唆するという。

アモルファスアルミ酸化物は、稀少元素/有害元素を含まない低環境負荷材料で、耐久性の高い不揮発メモリー材料であり、酸素空孔に電子が出入りする可逆的な電子ポケットとして活用できたり、オン/オフ抵抗比が非常に大きいため、全く新しいドーピングレス半導体の新規電子材料として多様な用途への活用が期待される。

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