不揮発メモリ機能発現に重要な役割を果たす酸素空孔：アモルファスアルミ酸化物ReRAM

日本原子力研究開発機構（JAEA）と物質・材料研究機構（NIMS）の研究グループは、次世代不揮発メモリ材料として注目されているアモルファスアルミ酸化物（AlOx）について、不揮発メモリ機能の発現と構造の関係性を明らかにした。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

原子間の微妙な距離の違いが不揮発メモリの機能に影響

　日本原子力研究開発機構（JAEA）物質科学研究センター強相関材料物性研究グループの久保田正人研究副主幹と、物質・材料研究機構（NIMS）国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の加藤誠一主任研究員らによる研究グループは2024年7月、次世代不揮発メモリ材料として注目されているアモルファスアルミ酸化物（AlO_x）について、不揮発メモリ機能の発現と構造の関係性を明らかにしたと発表した。

　次世代不揮発メモリとしては、タンタル酸化物（Ta₂O₅）など遷移金属酸化物を用いたReRAM（抵抗変化型不揮発メモリ）の開発が進んでいる。ところが、遷移金属酸化物だとメモリ動作時に化学反応が起こりやすく、それによってReRAMの書き換え回数が制限されるなど課題もあった。

　研究グループはこれまで、AlO_xを用いたReRAMの研究を行ってきた。AlO_x-ReRAMは、「応答速度が速く駆動電流が小さい」「環境負荷が小さい材料」「省電力でノイズにも強い」といった特長がある。ただ、アルミ酸化物の場合、アモルファス状態では不揮発メモリ機能を発現するが、結晶状態では発現しない、という特長がある。そこで今回、SPring-8の放射光を用いて、この理由を解明することにした。

左はアモルファスアルミ酸化物の構造図、右は各種次世代不揮発メモリにおける応答速度と駆動電流の関係［クリックで拡大］ 出所：JAEA

　アモルファスアルミ酸化物と結晶アルミ酸化物の微細な構造データをみると、アモルファスアルミ酸化物は、原子が乱れて分布しており、「強度が弱く、ピーク幅が広い」。これに対し結晶アルミ酸化物は、原子がきれいに並んでおり、「強度が強く、ピーク幅が狭い」という特長がある。

左はアモルファスアルミ酸化物、右は結晶アルミ酸化物の微視的構造データ［クリックで拡大］ 出所：JAEA

　研究グループはこれらの微細な構造データを解析し、アルミ酸化物を構成するアルミニウム（Al）と酸素（O）の原子ペアについて、種類ごとの原子間距離を求めた。これにより、結晶アルミ酸化物と比べて、アモルファスアルミ酸化物はAl-Al原子間距離が「約0.008nm短く」、Al-O原子間距離は「約0.01nm短い」ことが分かった。O-O原子間距離は「ほぼ同じ」であった。

　これらのデータから、原子間の微妙な距離の違いが、不揮発メモリの機能に影響することが明らかとなった。この理由について、「原子同士の距離が短いことで、不揮発メモリ機能を生み出す酸素空孔内の電子雲が、酸素空孔クラスター内に広がりやすくなるため」とみている。この結果は、理論計算による微視的構造の予想とも一致した。

　さらに、アモルファスアルミ酸化物には酸素空孔が数多く存在していることを確認しており、不揮発メモリ機能の発現には、酸素空孔が重要な役割を果たしていることが分かった。

アルミ酸化物の原子間距離［クリックで拡大］ 出所：JAEA

酸素空孔クラスター内における電子雲のイメージ［クリックで拡大］ 出所：JAEA