新たな次世代メモリ候補：カーボンナノチューブを使った「NRAM」の基本動作を実証

中央大学の竹内健教授らのグループは2014年6月12日、米国のNanteroと共同でカーボンナノチューブを用いた半導体メモリ「NRAM」に最適な書き込み方法を開発し、140nmサイズの単体素子によって基本動作を実証したと発表した。

　中央大学の竹内健教授らのグループは2014年6月12日、米国のNanteroと共同でカーボンナノチューブを用いた半導体メモリ「NRAM」に最適な書き込み方法を考案するとともに、140nmサイズのNRAM素子に適用して基本動作を実証したと発表した。中央大学では、「高速、低電力、大容量、高信頼な基本的な動作を世界で初めて実証した」としている。

抵抗の変化を応用、将来10nmへ

　NRAMは、Nanteroが考案した半導体メモリで、電圧印加や微小な電流を流すことでカーボンナノチューブが接触（低抵抗化）、分離（高抵抗化）し抵抗値が変化する現象を利用してデータを記憶する。

左上の模式図がカーボンナノチューブを使った半導体メモリ「NRAM」の構造で右上の写真が実際の素子の写真。左下の写真が低抵抗状態（カーボンナノチューブが接触した状態）で、右下の写真が高抵抗状態 （クリックで拡大） 出典：Nantero/中央大学

NRAM素子で構成されるメモリセルアレイ 出典：中央大学

　今回、中央大学とNanteroは、NRAM素子で構成されるメモリセルアレイにおけるばらつきや揺らぎに対して、メモリセルに印加する電圧を段階的に増加させることで安定的に書き換える手法を考案。140nmサイズのNRAM素子（単体）による測定を行った結果、20ナノ秒の短い書き込みパルスで20μA以下という高速、低電流での書き換えを確認したという。また、書き換え時には100倍以上の抵抗の変化が得られたとし、「大きな信号変化を得られたことで、1つのメモリセルに複数のビットを記憶する大容量なMLC（マルチレベリングセル：多値記憶）動作が可能になると考えられる」（中央大学）という。

印加パルスの電圧波形と動作電流。左が低抵抗化時、右が高抵抗化時。20ナノ秒の書き換えパルスにより、20μA以下の低電流動作が行えるという （クリックで拡大） 出典：中央大学

1000億回の書き換え回数

　信頼性に関しても1000億回の書き換えが可能であることを確認した。中央大学では「NRAMの書き換え回数は、フラッシュメモリの1000万倍に相当し、NRAMがストレージのみならず、メインメモリとしてDRAMを置き換える可能性を示唆している」とする。

左のグラフは、NRAMのMLC動作の可能性を示すグラフ。低抵抗から高抵抗に変化する際に、「抵抗が100倍変化するため4つの状態を記憶することが可能なる」（中央大学）。右は、NRAMの10¹¹回の書き換えと高信頼動作を示すグラフ （クリックで拡大） 出典：中央大学

　今回の評価結果について中央大学は、「140nmという大きなサイズで、単体の素子を測定したもので、NRAMをLSIとして実用化するためにはごく初期段階の結果にすぎない。実用化に向けては素子を10nmまで微細化し、ギガビット以上の統計データを評価することが必要になる」としている。