積層メモリーが1000億回を超える状態切り替えに耐えた

メモリーには、電気状態を明確に区別し、給電なしで保持し、繰り返し書き換えても壊れないことが求められる。Yue Wangらは、1000億回を超える切り替えサイクルに耐えた実験的な接合を作製した。Science誌の装置は13ナノ秒のパルスで状態を変え、1パルス当たりの推定エネルギーは6.5フェムトジュール、すなわち6.5×10⁻¹⁵ジュールだった。

装置は原子レベルに薄い材料を積み重ねる。菱面体構造の二硫化モリブデン、六方晶窒化ホウ素、単層グラフェン、クロムである。これらは、比較的弱い原子間引力で層が結びつくファンデルワールス・ヘテロ構造をつくる。厚い結晶内部でイオンを動かす代わりに、電圧が隣接層をわずかに滑らせる。新しい位置は、電荷の集団的な向きである分極を反転させ、パルス後も記録として残る。

状態の読み取りには、小さな配置変化を電流差に変える必要がある。電子は量子トンネル効果によって薄い障壁を通過する。古典物理では越えられない障壁の向こう側に粒子が現れる確率をもつ現象だ。この構造では、分極が障壁の高さと電荷担体濃度の両方を変える。論文要旨によると、相乗効果でトンネル電気抵抗比は1000万を超えた。

高伝導状態の電流密度は0.5ボルトで1平方センチメートル当たり222アンペアに達した。この大きな読み取り幅は、滑り強誘電体の弱点に応える。層は低摩擦で動くため反復に強い一方、分極は従来の強誘電体よりはるかに小さく、通常は信号も小さい。研究チームは端子を三つに増やすことなく、弱い信号を測定可能な差へ変換した。

Xinyu Lvらが9月1日にChinese Physics Bで発表した別の研究は、機構を理解する手掛かりになる。ねじれた六方晶窒化ホウ素と二セレン化モリブデン電極を扱う計算で、分極はエネルギーバンド端を約0.2電子ボルト動かし、モデルは約100の電気抵抗比を予測した。その別系では、トンネル障壁だけでなく電極の状態密度が増幅を支配した。Scienceの装置の追試ではないが、小さな分極が大きな読み取り信号を制御できることを独立の経路で示している。

今回の数値は、新しい接合を低消費電力の不揮発性メモリー候補に位置づける。ただし製造可能な製品が完成したわけではない。一次論文の要旨は、大規模配列での歩留まり、年単位の保持、産業回路との統合を報告していない。実証されたのは物理・素子段階の高速切り替え、低い推定エネルギー、読み取れる電流、試料における優れたサイクル耐久性である。次の決定的試験は、数百万セルを製造して接続したときにも四つを同時に保てるかどうかだ。