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二次元層状物質を用いた光多値メモリ素子を開発電荷蓄積量を光で多段階に調整

物質・材料研究機構(NIMS)は、二次元層状物質を用いた光多値メモリ素子を開発した。照射するパルス光の強度によって、電荷蓄積量を多段的に調整することができる。

» 2020年08月27日 10時30分 公開
[馬本隆綱EE Times Japan]

ボトムゲート型の素子構造を採用

 物質・材料研究機構(NIMS)は2020年8月、二次元層状物質を用いた光多値メモリ素子を開発したと発表した。照射するパルス光の強度によって、電荷蓄積量を多段的に調整することができる。

 開発したメモリ素子は、二硫化レニウム(ReS2)や六方晶窒化ホウ素(h-BN)、グラフェンを積層した構造である。各層はそれぞれ、トランジスタチャネル、トンネル絶縁層、フローティングゲートとして機能する。この素子に短いパルス電圧を印加すると、グラフェンに電荷(正孔)を蓄積し、情報を記録することが可能となる。

左は素子構造の模式図、右は電荷の蓄積プロセスを説明するバンド構造 出典:NIMS

 素子を形成する主な材料は、全て二次元層状物質である。このため、異なる材料が接する界面は原子層レベルで平たんとなっている。その上、格子欠陥も極めて少なくリーク電流を抑えることができ、信頼性も高いという。

 ReS2は、パルスレーザー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することが可能である。グラフェン内に蓄積されている正孔と、負の電荷(電子)を再結合させたら、グラフェン内の電荷量は段階的に減少した。この時のドレイン電流量を計測すると、照射する光の強度に応じて、「L1」から「L4」まで4段階に減少していることが分かった。

左はメモリ素子の断面模式図、右は多値メモリ素子の電流特性 (クリックで拡大) 出典:NIMS

 研究チームは、光の強度を利用できた理由を2つ挙げた。1つは、「ReS2は層数にかかわらず、常に直接遷移型半導体である」ことだ。これによって、「光の吸収と電荷の励起」「トランジスタチャネル内での電荷移動」「グラフェンへの定量的な電荷注入」といった過程を同時に達成することができたという。もう1つは、「ボトムゲート型の素子構造」としたことである。これによって、チャネルへの光照射が行えるようになり、光と電圧を使い分けながら、記録の書き込みや消去、読み出しが可能となった。

 研究成果の応用分野については、多値メモリ素子の他、光インターコネクションや光ロジック回路、超高感度光センサーなどを想定している。今回は、転写法と呼ばれる技術で多層構造の素子を実現した。今後、大面積化に対応できれば高集積化にもつながるとみている。

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