二次元層状物質を積層したトランジスタ型の光多値メモリー素子を開発――光と電子を繋いださまざまな素子に発展することに期待 NIMS

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物質・材料研究機構(NIMS)は2020年8月25日、光と電圧の二つの入力値で複数の値を記録できる多値メモリ素子を開発したと発表した。開発したメモリー素子は、二次元層状物質を積層したトランジスタ型のメモリー素子で、記録容量の大幅な向上に寄与する他、光と電子を繋いださまざまな素子に発展することが期待される。

メモリー素子はここ20年で大幅に記録密度が向上したが、IoT(モノのインターネット)化が進む将来に向けてデータ処理の高速化や記録容量の大容量化が求められている。しかし、シリコンの微細加工技術だけでは大容量化や省電力化に限界が見えてきており、これまでとは異なる動作原理のメモリー素子の開発が求められていることから、二次元層状物質を積層したトランジスタ型のメモリー素子を開発したという。

開発したメモリー素子は、複数の二次元層状物質を積層したトランジスタを用いて、光と電圧の二つの入力値で複数の値を記録できる。半導体の二硫化レニウム(ReS2)はトランジスタチャネル、絶縁体の六方晶窒化ホウ素(h-BN)はトンネル絶縁層、グラフェンはフローティングゲートとして機能し、情報はこれまでのフラッシュメモリーと同じようにフローティングゲートに電荷を蓄積することで記録する。

ReS2は、光で電子と正孔の対を励起させやすく、その数も光の強度で制御できる。グラフェン内の正孔とこの電子を再結合させ、グラフェン内の電荷量を段階的に減少させることに成功したという。その結果、光と電圧を使い分けながら、電荷の保持量を効率よく多段階に制御した多値メモリーの動作を実証した。

(a)メモリー素子の断面模式図。(b)多値メモリ素子の電流特性。パルス電圧とパルス光を印加することによりグラフェンへの蓄積電荷量を制御してメモリ機能を発現する。特に照射パルス光の強度により電荷蓄積量が制御できるため、L1からL4までの四つの値に電流量を制御することができる。

素子を構成する主要材料はすべて二次元層状物質で形成され、異なる材料が接する界面は原子層レベルで平坦で、格子欠陥が極めて少ないという特長を持ち、駆動電圧の低減や高い信頼性に寄与する。

なお、多層構造は転写法と呼ばれる手法で作製した。高結晶で清浄な異種材料界面を形成することに優位な手法である。今後、この手法を使ってさらなる大面積化ができれば高集積化への道を開ける。

今回の研究結果は、記録密度の向上や素子の省電力化に寄与する。また、光と電圧を使い分けて電荷の保持量を制御する仕組みを応用し、電圧と光の二つの入力値で出力値である電流を制御する光ロジック回路、わずかな光を感知する超高感度光センサーなど様々な展開が期待できる。

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