目前正在积极研究许多下一代非易失性存储器，例如FeRAM、MRAM、PRAM、RRAM、分子存储器和原子开关，以实现高速运行、高集成度和低功耗。其中，近年来，人们对利用纳米级空间的电阻开关进行了大量研究。其中包括分子开关，其中具有开关效应的化合物（导电有机化合物、碳纳米管、无定形碳等）夹在电极之间，以及原子开关，其中银或铜原子在铂（Pt）电极和硫化银（AgS）或硫化铜（CuS）电极之间转移以控制电极之间的连接/断开[1]。特别是，原子开关不使用任何电荷或磁性，而是通过使用施加的电压控制电极之间的金属硅酸盐来改变电阻。一般来说，存储器件的响应速度和功耗随着元件尺寸的减小而增加（MRAM 等一些例外），但信号保留时间往往会减少。然而，由于原子开关不会引起电荷扩散或激发态弛豫，因此认为即使尺寸很小，保留时间也不会变得很短。因此，基于这种传质的原子开关被认为比其他技术更容易小型化，并且是下一代非易失性存储器发展关键的重要技术。
内藤等人。等人发现，通过对硅基板上制作的微间隙约为10 nm的金电极（以下简称纳米间隙电极，见图1[2]）施加电压，通过金属原子的传质出现电阻切换效应[3]。可以看出，这种效应仅在间隙尺寸约为10 nm或更小时才起作用，并且是纳米尺度特有的现象。此外，开关引起的电阻变化的开/关比高达107如图2所示，即使在状态之间改变超过10,000次后仍能继续工作。根据同时电学测量和扫描电子显微镜（SEM）观察的结果，认为纳米间隙电极的电阻变化是由于隧道电阻的变化，该变化伴随着金原子的传质引起的间隙宽度的变化，如图3所示。此外，电极材料不限于金，而是可以与各种金属材料一起使用，并且具有广泛的材料范围选择性。
这种开关效应发生在纳米尺度，由于小型化的尺寸限制只是精细的布线处理，因此具有实现超小型非易失性存储器的潜力。此外，它可以在氧化硅薄膜基板上运行，并且绝缘体上金属结构用于各种器件的布线，因此与现有的硅技术兼容，使得开发超小型非易失性存储器成为可能，而无需开发新的昂贵的制造设备。为了实现下一代超紧凑非易失性存储器和存储，我们目前正在阐明开关效应背后的机制并开发基本技术。
NanoGapSwitch～Nano Gap Switch～是AIST纳米技术研究部的注册商标。
 |
|
图1 纳米间隙电极示意图及SEM图像
|
 |
|
图2 开关操作的重复特性
|
 |
|
图3 电阻开关效应模型图
|
[1] Kazuya Terabe、Tsuyoshi Hasekawa、Tomonobu Nakayama、Masakazu Aono，“原子开关 - 利用原子（离子）运动的纳米器件 -”，表面科学卷。 27，第4期，232（2006）。
[2] Y Naitoh、K Tsukagoshi、K Murata 和 W Mizutani，“一种无需使用电子束光刻技术即可制造亚 10 nm 间隙结的可靠方法”e-J。冲浪。科学。纳米技术。 1, 41 (2003).
[3] Y Naitoh、M Horikawa、H Abe 和 T Shimizu，“采用简单金属纳米间隙结的电阻开关”纳米技术 17, 5669-5674 (2006).
（研究员）
国立产业技术综合研究所
纳米技术研究部分子和纳米物理性质组
也是日本科学技术振兴机构PRESTO“纳米制造技术的探索和开发”研究领域
内藤泰久
电子邮件：ys-naitou*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）
国立产业技术综合研究所
纳米技术研究部纳米科学测量组
清水哲夫
电子邮件：tetsuo-shimizu*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）