[論文レビュー] Leakage-free electrolytes with different conductivity for non-volatile memory device utilizing insulator/metal ferromagnet transition of SrCoOx

Takayoshi Katase, Yuki Suzuki+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2017

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、調整可能なイオン伝導度を持つ漏れのない電解質が、SrCoOxを用いた不揮発性メモリデバイスにおける効率的な電気化学的スイッチングを可能にすることを示している。ナノポーラスな a-12CaO·7Al2O3 およびナノピラーレスな a-Na_xTaO3 薄膜を電解質として用いることで、高いイオン伝導度（最大 2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹）が、必要なゲート電圧（−3 V まで）を低下させるとともに、スイッチング時間を2桁短縮することを実証した。これは、フェロ磁性絶縁体から金属への相転移において、電解質内でのイオン移動が反応速度律速段階であることを示している。

ABSTRACT

The electrochemical switching of SrCoOx-based non-volatile memory with thin-film-transistor structure was examined by using liquid-leakage-free electrolytes with different conductivity (s) as the gate insulator. We first examined leakage-free water, which is incorporated in the amorphous (a-) 12CaO 7Al2O3 film with nanoporous structure (CAN), but the electrochemical oxidation/reduction of SrCoOx layer required the application of high gate voltage (Vg) up to 20 V for a very long retention-time (t) 40 minutes, primarily due to the low s (2.0 x 10-8 S cm-1 at RT) of leakage-free water.We then controlled the s of leakage-free electrolyte, infiltrated in the a-NaxTaO3 film with nanopillar array structure, from 8.0 x 10-8 S cm-1 to 2.5 x 10-6 S cm-1 at RT by changing the x = 0.01-1.0. As the result, the t, required for the metallization of SrCoOx layer under small Vg = -3 V, becomes two orders of magnitude shorter with increase of the s of the a-NaxTaO3 leakage-free electrolyte. These results indicate that the ion migration in the leakage-free electrolyte is the rate-determining step for the electrochemical switching, compared to the other electrochemical process, and the high s of the leakage-free electrolyte is the key factor for the development of the non-volatile SrCoOx-based electro-magnetic phase switching device.

研究の動機と目的

• SrCoOx薄膜における絶縁体から金属への転移およびフェロ磁性体転移に基づく不揮発性メモリデバイスの開発を目的とする。
• 従来の電解質ベースのデバイスにおける高ゲート電圧および長時間スイッチングの制限を克服することを目的とする。
• 漏れのない電解質におけるイオン伝導度が電気化学的スイッチング効率に与える影響を調査することを目的とする。
• 電解質内でのイオン移動が SrCoOx の電気化学的スイッチング過程において速度律速段階であることを実証することを目的とする。

提案手法

• 水を封入したが漏れのない電解質として、ナノポーラス構造を有する非アモルファス 12CaO·7Al2O3 (CAN) を用い、イオン漏れを防ぐ。
• ナノピラー配列を有するナトリウムドープタナライト（a-Na_xTaO3）にナトリウム含量 x を変化させることで、イオン伝導度を 8.0×10⁻⁸ から 2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹ に調整した（x = 0.01–1.0）。
• 活性チャネルとして SrCoOx を、ゲートダイレクトリックとして電解質を用いた薄膜トランジスタ（TFT）構造を形成した。
• SrCoOx の電気化学的酸化／還元を誘発するために、−3 V から −20 V のゲート電圧（Vg）を印加した。
• 異なるイオン伝導度におけるスイッチング時間（t）および保持時間の測定を通じて、デバイス性能を評価した。
• 電解質のイオン伝導度（σ）とスイッチング速度、必要ゲート電圧の関係を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 漏れのない電解質におけるイオン伝導度は、SrCoOx を用いた不揮発性メモリデバイスのスイッチング速度にどのように影響するか？
• RQ2 漏れのない電解質において、高いイオン伝導度を有する場合に、低ゲート電圧（例：−3 V）でのスイッチングが可能になるか？
• RQ3 電解質内でのイオン移動は、SrCoOx の電気化学的スイッチングにおいて速度律速段階であるか？
• RQ4 電解質の構造（ナノポーラス対ナノピラー）とイオン輸送効率の関係は何か？
• RQ5 最適化された電解質の伝導度によってスイッチング時間を短縮しつつ、保持時間を維持できるか？

主な発見

• イオン伝導度が 2.0×10⁻⁸ S cm⁻¹ と低い漏れのない水を含む a-12CaO·7Al2O3 電解質を用いる場合、スイッチングには最大 20 V のゲート電圧と 40 分間の保持時間が必要であった。
• a-Na_xTaO3 電解質のイオン伝導度を 8.0×10⁻⁸ から 2.5×10⁻⁶ S cm⁻¹ に向上させることで、−3 V のゲート電圧下でスイッチング時間が2桁短縮された。
• −3 V の条件下で、イオン伝導度が高くなるほどスイッチング時間が著しく短縮され、電解質内でのイオン輸送がスイッチング速度を制限していることが示された。
• 電解質のイオン伝導度がスイッチングキネティクスを支配する主要要因であり、SrCoOx の界面での電気化学反応はその要因でないことが判明した。
• 結果から、電解質内を通過するイオン移動が、電気化学的スイッチングプロセスにおける速度律速段階であることが確認された。
• 漏れのない電解質における高いイオン伝導度は、低電圧・高速・安定な不揮発性スイッチングを SrCoOx を用いたメモリデバイスに可能にした。