究極のナノデバイス「原子スイッチ」を開発し実用化にも目途

−ナノテクノロジーによって生まれた原子スケールデバイス−

平成17年1月5日

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
独立行政法人 理化学研究所

概 要
 独立行政法人物質・材料研究機構(理事長:岸輝雄)ナノマテリアル研究所の青野正和所長、長谷川剛アソシエートディレクター、中山知信アソシエートディレクター、寺部一弥主任研究員らのグループ、科学技術振興機構(JST,理事長:沖村憲樹)および理化学研究所(理事長:野依良治)は、原子の移動をナノスケールで制御することによって動作する究極の極微細デバイス「原子スイッチ」を開発し、かつその集積化技術の開発に成功した。そして、それを用いて記憶や演算の回路を構築し、その優れた動作特性を確認した。これは、コンピューターエレクトロニクスの発展を加速するものと期待され、我が国独自のナノテクノロジー研究から生まれた大きい成果である。

 このたび開発した「原子スイッチ」は、これまでの半導体デバイスが電子の移動を制御することによって動作しているのに対し、原子の移動を制御して動作させる新しい原理のデバイスである。電子より重たい原子の移動を利用するにもかかわらず、ナノ寸法のデバイスを実現することによって、これまでの半導体デバイスを凌駕する機能の実現が可能であることがわかった。この開発は、固体電解質とよばれる物質の特性をうまく利用すれば1個〜数個の原子の移動をナノ寸法の精度で制御できるという発見と、その現象の機構を詳細に解明する基礎研究に基づいてなされた。

 コンピューターは巨大な数のスイッチの集合体と言えるが、現在そこに用いられている半導体トランジスターのようなスイッチの微細化と高性能化は極限に近づきつつあり、物理的にも経済的にも限界を迎えようとしている。原子スイッチは、半導体スイッチに比べて、「寸法が小さい」、「消費電力が少ない」、「不揮発性である」などの優れた特徴をもつので、いたるところに小型で高性能のコンピューターが存在するユビキタス情報通信社会の実現に寄与するであろう。さらに、「学習機能をもつ」という半導体デバイスでは実現が容易でない特徴を「原子スイッチ」はもつため、人間の脳の神経回路網に類似した機能をもつコンピューターの開発などへの応用も期待される。

 この成果は、1月6日発行の英国科学雑誌「ネイチャー」に掲載される。

<「ネイチャー」発表論文 >
論文題名:“Quantized conductance atomic switch” (量子伝導原子スイッチ) doi :10.1038/nature03190
著 者 名 :寺部一弥、長谷川剛、中山知信、青野正和

研究の背景

 今日の高度情報通信社会は、コンピューターエレクトロニクスにおける半導体デバイスの微細化と高性能化によって実現されてきた。しかし、半導体デバイスの微細化も極限まで進みつつあり、動作の物理的限界を迎えようとしている。 また、微細化にともなう製造コストの上昇も限界に達しようとしている。高度情報通信社会を将来にわたって持続的に発展させるためには、電子デバイスの微細化と高性能化を低コストでさらに進めなければならないが、これは従来の半導体デバイスの延長線上では実現が困難であり、それに代わる新しいナノデバイスの開発が不可欠である。
 このために、世界中で新しいナノデバイスの熾烈な開発競争がおこなわれている。たとえば、機能性有機分子を用いる分子デバイスが有力候補として精力的に研究されているが、有機分子の安定性、相互配線、電極との接合など多くの問題点が山積しており、これらの問題点を克服できる新しいナノデバイスの開発が待ち望まれていた。

成果の内容

 本研究グループでは、以前から進めてきた固体電解質1)の基礎研究において、「その中を金属イオンが高速で動き回っている固体電解質の性質をうまく利用すれば、1個〜数個の金属原子の移動をナノ寸法の精度でしかも電圧の加え方だけで制御しうる」ことを発見した。このたびの「原子スイッチ」の開発は、この現象に注目し、それを利用して新しいスイッチングデバイスを創成するために必要ないくつかの技術的ハードルを克服することによって達成された。
 開発された「原子スイッチ」は、1ナノメートル程度の間隙をもって対向した固体電解質電極と金属電極からなる(図1)。この2つの電極の間に適切な電圧を加えると、電圧の正負の向きに依存して、固体電解質電極に源をもつ金属原子のクラスターが電極間隙において生成または消滅し、これによってオンまたはオフのスイッチング動作がおこなわれる。研究の結果、「原子スイッチ」は次の (1)〜(5) の特徴をもつことが明らかになった:
(1)デバイスのサイズが小さく、ナノ寸法である(10x10x10ナノメートル以下)。
(2)動作電圧が小さく(最小動作電圧:約10ミリボルト)、そのため消費電力が小さい。
(3)高速動作が可能(少なくとも約1ギガヘルツと予測される)。
(4)オン状態の電気抵抗が小さいので(1キロオーム以下)、配線遅延が発生しない。
(5)構造が簡単なために、低製造コストで超高集積化が可能。
 これらの特徴によって、「原子スイッチ」は現在の半導体デバイスが抱える課題を一挙に解決できる可能性がある。
 さらに、このたびの成果として、「原子スイッチ」を用いてコンピューターの基本となるAND、OR、NOTの論理演算回路2)を作製し、その動作を確認することにも成功した(図2図3)。情報処理理論によれば、これら3つの論理演算回路さえできれば、その組み合わせによっていかなる論理演算回路も構築できる。なお、これらの回路は従来の半導体デバイス製造に用いられている微細加工技術を用いて作製されたものであり、これは現在の半導体集積回路に「原子スイッチ」を組み込んでその機能を向上させることも可能であることを意味している。

波及効果と今後の展開

 「原子スイッチ」は、構造が単純で現在の微細加工技術を用いて作製が可能であるため、短期的には、現在の半導体集積回路の中に組み込まれて回路の微小化と高性能化に寄与し、今後ほとんど全てのエレクトロニクス機器において使用される可能性が大きい。とくに、ユビキタス情報通信社会3)における高性能携帯端末など、高度情報通信社会の実現に必要なさまざまなエレクトロニクス機器の開発に広く用いられると期待される。長期的には、半導体デバイスよりは「原子スイッチ」が主体である新しい「原子エレクトロニクス」の世界が開けると我々は期待している。さらに、量子化された複数の情報を記憶する機能4)学習の機能5)など、従来のデバイスにはなかった「原子スイッチ」の機能を利用することによって、ニューロコンピューター6)などの新しいコンピューターの開発も進むことが期待される。
 エレクトロニクスの歴史を振り返ると、半世紀前に真空管から半導体トランジスターへの劇的な変化があり今日に至っている。しかし、どちらも電子の運動を制御するという点では変わりがなかった。これとは対照的に、「原子スイッチ」は電子ではなく原子の運動を制御する点で非常に大きい変革である。また、原子スイッチは機械的スイッチのナノ寸法版とも考えられ、歴史はらせん状に繰り返すということの一例とも言える。
 付言として、新しいナノデバイスの開拓は、ナノテクノロジーが目指す最重要課題と言っても過言ではないが、その開拓は意外に進んでいないのが現状である。このたびの成果は、その方向における顕著なしかも我が国から世界に向けて発信する成果である。

【用語解説】
図1 原子スイッチの構造と動作原理
図2 半導体微細加工技術により作製した原子スイッチ回路
図3 原子スイッチにより構成した基本論理演算回路

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