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二次元層状物質を使った光多値メモリの開発に成功

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)は2020年8月25日,同機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 量子デバイス工学グループの若山 裕グループリーダー,Bablu Mukherjeeポスドク研究員と中払周 主幹研究員の研究チームが,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.本研究は,独立行政法人日本学術振興会(JSPS)の科研費特別研究員奨励費の支援を受けて実施され,成果はWiley社が発行する科学誌Advanced Functional Materialsに掲載された(注).

 フラッシュメモリなどの情報を記録するメモリ素子では,Si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,従来とは異なる動作原理のメモリ素子の開発が求められている.炭素原子層一層で形成されたグラフェンは,電荷移動度の高さからSiに替わる新しい電子材料として期待を集めた.しかし,エネルギーギャップのないグラフェンだけでは素子は形成できない.同じ二次元層状物質で半導体として機能する遷移金属カルコゲナイド,絶縁体として機能する六方晶窒化ホウ素(h-BN)が見出され,これらを積み重ねた素子で動作速度・動作電圧・不揮発性の同時達成ができるのではないかと期待を集めている.

 本研究チームは,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多値メモリ素子を開発した.半導体の二硫化レニウム(ReS2)がトランジスタチャネル,絶縁体のh-BN(厚さ~9nmなど)がトンネル絶縁層,グラフェン(単層)がフローティングゲートとして機能し,従来のフラッシュメモリと同様,フローティングゲートに電荷を蓄積して情報を記録する.ReS2は直接遷移型半導体であるため,光で電子と正孔の対を励起させやすく,その数は光の強度で制御できる.

 具体的には,まず短いパルス電圧(10Vなど)で一定量の正の電荷(正孔)をグラフェンに蓄積し,ドレイン電流を一定量に保つ.次にパルスレーザー光によりReS2に電子と正孔の対を励起し,そのうち負の電荷(電子)がグラフェンに注入される.すると先に蓄積された正孔と再結合し,グラフェン内の蓄積電荷量が減少する.この時,照射する光の強度に依存してドレイン電流量は段階的に減少する.これにより,電子の注入量を光の強度で制御して,4つの異なる値を記録できることを確認した.

 今回開発した素子では,素子を構成する主要材料がすべて二次元層状物質で形成,ファンデルワールス結合されている.そのため異なる材料が接する界面は原子層レベルで平坦で,なおかつ格子欠陥が極めて少ない.これらの特長は駆動電圧の低減や高い信頼性(繰り返し1,000サイクル,記録保持104以上)に寄与している.もうひとつの特長は,チャネルに光を照射して,光と電圧を適宜使い分けながら,記録の書込・消去・読出を実現している.単なる記録密度の特性の向上だけでなく,間接遷移型半導体のSiが不得手としてきた光機能との融合も可能にした.

 本成果は,光と電圧の二つの入力値を使って多値メモリを実現し,記録密度の向上に資するだけでなく,光機能と融合する道筋を示した.今後は,光信号と電気信号を繋ぐ光インターコネクション,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,などの応用展開が期待される,としている.

(注)Bablu Mukherjee, Amir Zulkefli, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Yutaka Wakayama, and Shu Nakaharai , "Laser-assisted multilevel non-volatile memory device based on 2D van-der-Waals fewlayer-ReS2/h-BN/Graphene Heterostructures", Advanced Functional Materials, Early View, DOI: 10.1002/adfm.202001688; First published: 25 August 2020