ReRAMとは？：電気抵抗の変化を利用したメモリ⁈

2024年7月14日 11:18

この記事では、半導体業界で大きな注目を集めているReRAM（Resistive Random Access Memory）について、深掘りしていきます。
この革新的なメモリ技術が、私たちの未来をどのように変えていくのか、一緒に探っていきましょう！💡

ReRAMとは？基本を押さえよう！📚

ReRAMは、抵抗変化型メモリとも呼ばれ、電圧の印加による電気抵抗の変化を利用してデータを記憶する半導体メモリです。

ReRAM（Resistive Random Access Memory）の構造と動作原理について、より詳しく説明いたします。

ReRAMの基本構造🏠

ReRAMの基本構造は非常にシンプルで、以下の3層からなる金属-絶縁体-金属（MIM）構造を持っています：

上部電極：通常は不活性な金属（例：白金）
抵抗変化層：金属酸化物（例：NiO、TiO2、Ta2O5）
下部電極：活性金属（例：銅）または不活性金属

この単純な構造により、ReRAMは高密度化が可能で、セル面積が約6F²（Fは配線の径で、数十nm程度）と非常に小さくなります。

ReRAMの動作原理⚛

ReRAMの動作原理は、電圧印加による電気抵抗の大きな変化（電界誘起巨大抵抗変化、CER効果）を利用しています。

主な動作は以下の通りです：

セット動作（低抵抗状態への遷移）：
- 正の電圧を印加すると、活性電極から金属イオンが放出され、絶縁層内に導電性フィラメントを形成します。
リセット動作（高抵抗状態への遷移）：
- 逆極性の電圧を印加すると、形成されたフィラメントが破壊され、高抵抗状態に戻ります。
読み出し：
- 低電圧を印加して抵抗値を測定し、データを読み取ります。

Cu アクティブ電極と Pt カウンター電極を備えたカチオンベースの ReRAM メモリセルの動作原理の概略図。(a) は初期状態または OFF 状態を示しています。(b) は、プログラムまたはセット操作で金属 Cu が Cu+ イオンに溶解し、金属フィラメントが形成される様子を示しています。(c) は短絡した ON 状態です。(d) は、逆バイアス下での消去またはリセット手順でフィラメントが溶解し、OFF 状態に戻る様子を示しています。（引用元）

抵抗変化のメカニズム🔍

ReRAMの抵抗変化メカニズムは、使用する材料によって界面型とフィラメント型の2種類に分類されます：

界面型：
- ペロブスカイト型金属酸化物などの多元系金属酸化物で見られます。
- 金属酸化物と電極の界面での抵抗変化を利用します。
- バイポーラ型の挙動を示し、電圧の極性に依存します。
フィラメント型：
- NiOやTiO2などの二元系金属酸化物で多く見られます。
- 金属酸化物中での電導経路（フィラメント）の形成・破壊による抵抗変化を利用します。
- ノンポーラ型の挙動を示し、電圧の絶対値に依存します。

下に、フィラメント型と界面型による動作原理の模式図を示します。

他のメモリ技術との比較：ReRAMの立ち位置は？🏆

従来のフラッシュメモリやDRAMとは異なり、ReRAMは以下の特徴を持っています：

低消費電力：電圧で書き換えるため、電流が微量で済みます🔋
高速動作：読み出し時間が10ナノ秒程度と、DRAM並みに高速です⚡
高密度化：単純な構造により、微細化・積層化が容易です📦
多値記憶：電気抵抗の変化率が数十倍にも及ぶため、多値化が可能です🔬
不揮発性：電源を切ってもデータが保持されます。💾

ReRAMを他のメモリ技術と比べて整理した表が以下です👇

ReRAMは、DRAMの高速性とNAND Flashの不揮発性を併せ持つ、まさに「いいとこ取り」のメモリと言えるでしょう！

ReRAMの応用：未来を変える可能性🌟

ReRAMは、DRAM等に比べて優れた特性を有している面があるため、次世代の不揮発性メモリとして大きな期待を集めています。

特に、IoTデバイスやエッジAI、モバイル機器など、低消費電力と高速動作が求められる分野での応用が期待されています。ReRAMの応用範囲は、私たちの想像を超えて広がっています：

エッジAI：低消費電力と高速処理でIoTデバイスの知能化を促進。
ニューロモーフィックコンピューティング：脳型コンピュータの実現に貢献。
宇宙応用：放射線耐性が高く、宇宙機器に最適。
自動運転：高速データ処理で安全性向上に寄与。
5G/6G通信：高速メモリとしてネットワーク機器の性能を向上。

最新の研究動向：ReRAMの進化は止まらない！🔬

ReRAM技術は日々進化しています。ここでは、ReRAMの最新研究動向について、わかりやすくお伝えします！🚀

サンケン電気の驚きの世界最先端マイコン開発 🖥️

サンケン電気が、驚くべき特徴を持つ32ビットマイコンの開発を進めています：

22nm世代の超微細プロセスで製造 🔬
ReRAMを不揮発性メモリとして内蔵 💾
独自設計のRISC-VベースCPUコア 🧠
DSPコアとイベント処理コアも独自設計 🛠️

これは、ReRAMの実用化が着実に進んでいることを示す素晴らしいニュースです！👏

また、RISC-Vをベースとした半導体は、設計の自由度が高いために現在注目を集めています。RISC-Vについてはこちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

二酸化バナジウム(VO2)における水素の挙動解明 🧪

東北大学を中心とする研究グループが、ReRAMの材料として注目されているVO2における水素の拡散運動を解明しました：

素粒子「ミュオン」を使用した革新的な研究手法 🔬
水素の挙動が電気抵抗変化に与える影響を原子レベルで解明 ⚡
高密度ReRAM開発につながる重要な成果 💡

アモルファスアルミ酸化物の構造解明 🔍

日本原子力研究開発機構(JAEA)の研究チームが、次世代不揮発メモリ材料として期待されるアモルファスアルミ酸化物の微細構造を解明：

不揮発メモリ機能を発現させるために必要な構造特徴を特定 🏗️
構造制御の精度に関する定量的な値を明らかに 📊
DRAMに代わる低消費電力メモリの実現に向けた重要な一歩 🌱

技術的課題と解決への取り組み🔧

ReRAMにも課題はあります。でも、研究者たちは懸命に解決策を探っています：

ばらつき：セル間の特性ばらつきを抑制する新材料・新構造の開発。
信頼性：高温動作や長期保存時の特性劣化を防ぐ保護層の導入。
スケーリング：微細化に伴う電流密度増大を抑制する3D構造の採用。

環境への影響：グリーンテクノロジーとしてのReRAM🌱

ReRAMは、その低消費電力特性から、環境にやさしい技術としても注目されています：

データセンターの消費電力削減に貢献。
電子機器のバッテリー寿命延長で、電子廃棄物削減に寄与。
製造プロセスの簡素化により、生産時のCO2排出量を削減。

特にデータセンターは今後もメモリ需要を支える非常に重要な分野です。データセンターに関してはこちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

まとめ：ReRAMが拓く、輝かしい未来🌈

ReRAMは、低消費電力、高速動作、高密度化を実現する革新的メモリ技術。
最新の研究開発により、性能と信頼性が飛躍的に向上。
大手企業の参入で、実用化と市場拡大が加速。
AI、IoT、5Gなど、次世代技術の基盤として期待大。
環境にやさしいグリーンテクノロジーとしての側面も。

ReRAMは、まさに未来のテクノロジーの要となる可能性を秘めています。この革新的なメモリ技術が、私たちの生活をどのように変えていくのか、今後の展開が本当に楽しみですね！🚀

この記事が勉強になったよという方は、スキお待ちしています🥰

今後も、半導体やテクノロジーに関する分かりやすい記事をお届けしますので、見逃したくない方はフォローも忘れないでくださいね！

最後まで読んでいただき、ありがとうございました！

#ReRAM #抵抗変化型メモリ #半導体 #次世代メモリ #IoT #AI #5G #グリーンテクノロジー #テクノロジー革命 #未来技術

参考文献

https://www.ieice-hbkb.org/files/10/10gun_04hen_05.pdf

https://eprints.lib.hokudai.ac.jp/dspace/bitstream/2115/57281/1/Masaki_Kudo.pdf

https://www.researchgate.net/publication/257598328_TaOx-based_resistive_switching_memories_Prospective_and_challenges

https://www.researchgate.net/publication/258261661_Cation-based_resistance_change_memory