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公開番号2025016165
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-31
出願番号2023119267
出願日2023-07-21
発明の名称抵抗変化素子、記憶装置、及びニューラルネットワーク装置
出願人株式会社東芝
代理人弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
主分類H10B 63/00 20230101AFI20250124BHJP()
要約【課題】繰り返し特性と線形性に優れた抵抗変化素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、抵抗変化素子10は、第1電極21と、第2電極22と、第1電極と第2電極との間に設けられ、リチウムイオンを格子位置に含む金属化合物である第1遷移金属化合物層23と、第1遷移金属化合物層と第2電極との間に設けられ、リチウムイオンを格子位置に含む金属化合物である第2遷移金属化合物層24と、第1遷移金属化合物層と第2遷移金属化合物層との間に設けられ、リチウムイオンを通過させ、電子を通過させにくい固体物質であるリチウムイオン伝導体層25と、を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、リチウムイオンを格子位置に含む金属化合物である第１遷移金属化合物層と、
前記第１遷移金属化合物層と前記第２電極との間に設けられ、前記リチウムイオンを前記格子位置に含む前記金属化合物である第２遷移金属化合物層と、
前記第１遷移金属化合物層と前記第２遷移金属化合物層との間に設けられ、前記リチウムイオンを通過させ、電子を通過させにくい固体物質であるリチウムイオン伝導体層と、
を備える、
抵抗変化素子。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記第１遷移金属化合物層は、岩塩型遷移金属酸化物またはスピネル型遷移金属酸化物のいずれか、あるいは前記岩塩型遷移金属酸化物と前記スピネル型遷移金属酸化物との混合物である、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項３】
前記岩塩型遷移金属酸化物は、ＬｉＴｉＯ
２
、Ｌｉ
７
Ｔｉ
５
Ｏ
１２
、Ｌｉ
２
［ＣｒＴｉ］Ｏ
４
、（Ｌｉ
３／２
Ｆｅ
１／２
）［Ｌｉ
１／２
Ｆｅ
１／２
Ｔｉ］Ｏ
４
のいずれか、あるいはそれらの混合物により構成されている、
請求項２に記載の抵抗変化素子。
【請求項４】
前記スピネル型遷移金属酸化物は、ＬｉＴｉ
２
Ｏ
４
、Ｌｉ
４
Ｔｉ
５
Ｏ
１２
、Ｌｉ［ＣｒＴｉ］Ｏ
４
、（Ｌｉ
１／２
Ｆｅ
１／２
）［Ｌｉ
１／２
Ｆｅ
１／２
Ｔｉ］Ｏ
４
のいずれか、あるいはそれらの混合物により構成されている、
請求項２に記載の抵抗変化素子。
【請求項５】
前記第２遷移金属化合物層は、岩塩型遷移金属酸化物Ｌｉ
７
Ｔｉ
５
Ｏ
１２
またはスピネル型遷移金属酸化物Ｌｉ
４
Ｔｉ
５
Ｏ
１２
のいずれか、あるいはそれらの混合物である、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項６】
前記第２遷移金属化合物層は、λ型立方晶金属酸化物λＭｎＯ
２
とスピネル型遷移金属酸化物Ｌｉ
１／２
ＭｎＯ
２
との混合物である、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項７】
前記第２遷移金属化合物層における前記リチウムイオンの組成は、前記第１遷移金属化合物層における前記リチウムイオンの組成よりも低い、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項８】
前記第２遷移金属化合物層の膜厚は、前記第１遷移金属化合物層の膜厚よりも薄い、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項９】
前記第２遷移金属化合物層の膜厚は、前記第１遷移金属化合物層の膜厚以上である、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
【請求項１０】
前記第２遷移金属化合物層に含まれる前記リチウムイオンの組成に基づいて、低抵抗状態または高抵抗状態に変化する、
請求項１に記載の抵抗変化素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、抵抗変化素子、記憶装置、及びニューラルネットワーク装置に関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、ハードウェアで実現したニューラルネットワーク装置が研究されている。また、人間の脳を模倣したニューロモルフィック・ニューラルネットワーク、すなわち、脳型ニューラルネットワークが知られている。脳型ニューラルネットワークは、低消費エネルギーで作動し、誤り耐性の強い人間の脳を模倣したニューラルネットワークである。
【０００３】
脳型ニューラルネットワークの分野では、アルゴリズムと並んで、新しいハードウェアの開発が望まれている。新しいハードウェアの開発において、新規な抵抗変化型不揮発メモリの開発が望まれている。これまでニューロン、あるいは、シナプス回路用の素子として種々の抵抗変化型不揮発メモリ（ＲｅＲＡＭ：Resistive Random Access Memory）が提案されてきた。しかし、何れの種類の抵抗変化型不揮発メモリも、素子毎の特性のばらつきが大きい。このため、抵抗変化型不揮発メモリを用いた大型の脳型ニューラルネットワークは開発されていない。
【０００４】
例えば、従来のＲｅＲＡＭの一つとして、ＴｉＯ
２
等の遷移金属酸化物の両端に、金属電極を設けた構造を有する素子が知られている。このような構造のＲｅＲＡＭは、金属電極間に電圧または電流パルスを印加することにより、遷移金属酸化物中に存在する酸素欠損の量または分布を変化させる。このような構造のＲｅＲＡＭは、遷移金属酸化物中の酸素欠損が増加すれば、電気的中性を保つため酸素欠損近傍に電子が導入されるので、低抵抗状態（ＬＲＳ：Low Resistive State）となる。反対に、このような構造のＲｅＲＡＭは、遷移金属酸化物中の酸素欠損が減少すれば、高抵抗状態（ＨＲＳ：High Resistive State）となる。しかし、このような構造のＲｅＲＡＭは、特性バラツキが大きい。このため、このような構造のＲｅＲＡＭの大型の脳型ニューラルネットワークへの適用は困難である。近年、酸素欠損に替えてリチウムイオンを用いた薄膜電池型ＲｅＲＡＭが提案されているが、素子の線形性や繰り返し特性のさらなる向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０２３－４３１４２号公報
【非特許文献】
【０００６】
T. Marukame et. al., “Lithium-ion-based resistive devices of LiCoO2/LiPON/Cu with ultrathin interlayers of titanium oxide for neuromorphic computing”, IEEE J. El. Dev. Soc. Special Issue, 2023, p.1-9
M. G. Verde et. al., “Elucidating the Phase Transformation of Li4Ti5O12 Lithiation at the Nanoscale”, ACS Nano 2016, 10, p.4312-4321.
Juan Carlos Gonzalez-Rosillo1 et. al., “Lithium-Battery Anode Gains Additional Functionality for Neuromorphic Computing through Metal-Insulator Phase Separation”, Adv. Mater. 2020, doi: 10.1002/adma.201907465, p.1-27
K. Mukai et.al., “Understanding the Zero-Strain Lithium Insertion Scheme of Li[Li1/3Ti5/3]O4: Structural Changes at Atomic Scale Clarified by Raman Spectroscopy”, J. Phys. Chem. C 2014, 118, p.2992-2999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、繰り返し特性と線形性に優れた抵抗変化素子、記憶装置、及びニューラルネットワーク装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る抵抗変化素子は、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に設けられ、リチウムイオンを格子位置に含む金属化合物である第１遷移金属化合物層と、第１遷移金属化合物層と第２電極との間に設けられ、リチウムイオンを格子位置に含む金属化合物である第２遷移金属化合物層と、第１遷移金属化合物層と第２遷移金属化合物層との間に設けられ、リチウムイオンを通過させ、電子を通過させにくい固体物質であるリチウムイオン伝導体層と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１実施形態に係る抵抗変化素子の断面構造の一例を示す図。
第１実施形態に係る抵抗変化素子が低抵抗状態である場合の一例を示す図。
第１実施形態に係る抵抗変化素子が高抵抗状態である場合の一例を示す図。
遷移金属化合物Ｌｉ
４＋ε
Ｔｉ
５
Ｏ
１２
（０＜ε＜３）の放電時の対金属リチウム起電力を示す図。
第１実施形態に係る抵抗変化素子にセットパルスが印加された場合の第２遷移金属化合物層の状態変化を示す図。
第１実施形態に係る抵抗変化素子にセットパルスが印加された場合の第２遷移金属化合物層の状態変化を示す図。
第１実施形態に係る抵抗変化素子にセットパルスが印加された場合の第２遷移金属化合物層の状態変化を示す図。
第１実施形態に係る抵抗変化素子が低抵抗状態である場合において、入力パルスが印加された抵抗変化素子の状態を示す図。
第２実施形態に係る記憶装置の構成の一例を示す図。
第３実施形態に係る記憶装置の構成の一例を示す図。
第４実施形態に係る記憶装置の構成の一例を示す図。
第５実施形態に係る記憶装置の構成の一例を示す図。
第６実施形態に係るニューラルネットワーク装置の構成の一例を示す図。
第６実施形態に係るニューラルネットワーク装置におけるニューラルネットワークの１つのレイヤを説明するための図。
第６実施形態に係るニューラルネットワーク装置に含まれる積和演算回路による積和演算を説明する図。
第７実施形態に係るニューラルネットワーク装置の構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。
（【００１１】以降は省略されています）

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