100万分の1の消費電力で、演算も記憶も行う新しいトランジスタを開発

起動時間ゼロのPCの開発にも道

2010.12.24

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人 科学技術振興機構
国立大学法人　大阪大学
国立大学法人　東京大学

NIMS国際ナノアーキテクトニクス拠点は、大阪大学、ならびに東京大学の研究グループと共同で、従来の100万分の1の消費電力で、演算も記憶も行うことが可能な新しいトランジスタ「アトムトランジスタ」の開発に成功した。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (拠点長 : 青野 正和) の 長谷川 剛 主任研究者らのグループは、大阪大学大学院理学研究科の小川 琢治教授、ならびに東京大学大学院工学系研究科の山口 周教授らの研究グループと共同で、従来の100万分の1の消費電力で、演算も記憶も行うことが可能な新しいトランジスタ「アトムトランジスタ」の開発に成功した。状態を保持できる (記憶する) 演算素子は、起動時間ゼロのPC (パーソナルコンピューター) などの開発に不可欠であり、このたびの開発により、その実現がさらに早まることが期待される。
  2. このたび開発した「アトムトランジスタ」は、従来のトランジスタが半導体中における電子の移動を制御しているのに対して、わずかな金属原子を絶縁体中で移動させることにより動作する。半導体よりも抵抗の高い絶縁体を母材に用いたこと、その内部をわずかな量の金属原子が移動してオン/オフ状態を実現することから、極めて低い消費電力で、従来の半導体トランジスタと同等の高いオン/オフ比を示す。さらに、動作電圧の制御によって状態を保持する記憶素子としても動作することがわかった。
  3. 演算結果に応じて回路が再構成される不揮発ロジック回路は、電源を切っても状態を保つことが可能なことから、起動時間ゼロのPCなどを実現する新しいコンピューター回路として期待されている。従来、演算素子 (トランジスタ) と記憶素子 (メモリ) を組み合わせることで、ひとつの「記憶する演算素子」を形成していた。しかしながら、従来素子では記憶に要する消費電力が極めて高く、実用化にはその大幅な低消費電力化が必要となっていた。このたび開発した「アトムトランジスタ」は、この記憶に要する消費電力を従来素子の100万分の1にした。さらに、演算と記憶の双方の機能を併せ持つことから、人間の脳のような、より柔軟なコンピューター回路の実現に寄与することが期待される。
  4. この成果は、JST 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究 (CREST) 「次世代エレクトロニクスデバイスの創出に資する革新材料・プロセス研究」研究領域 (研究総括 : 渡辺 久恒　株式会社 半導体先端テクノロジーズ　代表取締役社長) における研究課題「3端子型原子移動不揮発性デバイス「アトムトランジスター」の開発」 (研究代表者 : 長谷川 剛) の一環として行われ、12月24日発行の科学雑誌「Applied Physics Express (APEX)」に掲載される。
「プレス資料中の図4 : 演算素子動作と記憶素子動作の原理(a)正の電圧をゲート電極に加えると、ゲート電極から金属原子が絶縁体中に供給される。(b)ソース・ドレイン電極近傍で金属原子の濃度が臨界値を超えると、絶縁体から金属的な状態へと変化する。(c)さらに高い電圧を加えると、金属原子が塊を形成する。(d)塊をほどくには、負のゲート電圧を加える必要がある。今回の動作実証では、絶縁体として酸化タンタ (Ta2O5) を、絶縁体中を移動する金属として銅 (Cu) ないし銀 (Ag) を用いた。これらの材料は、現在の半導体素子製造と互換性のある材料である。」の画像

プレス資料中の図4 : 演算素子動作と記憶素子動作の原理
(a)正の電圧をゲート電極に加えると、ゲート電極から金属原子が絶縁体中に供給される。(b)ソース・ドレイン電極近傍で金属原子の濃度が臨界値を超えると、絶縁体から金属的な状態へと変化する。(c)さらに高い電圧を加えると、金属原子が塊を形成する。(d)塊をほどくには、負のゲート電圧を加える必要がある。今回の動作実証では、絶縁体として酸化タンタ (Ta2O5) を、絶縁体中を移動する金属として銅 (Cu) ないし銀 (Ag) を用いた。これらの材料は、現在の半導体素子製造と互換性のある材料である。