Atomic switches: atomic-movement-controlled nanodevices for new types of computing

原子スイッチは、金属陽イオンの拡散、還元／酸化過程を制御し、金属原子の架橋を形成／消滅させてスイッチ動作をさせるナノイオニクスデバイスである。架橋の形成がスイッチのオン状態での電極間の伝導パスとなる。通常の半導体デバイスに比べ、原子スイッチはナノサイズでも高い伝導チャンネルとなり得る。微小サイズと低いイオン抵抗に加え、不揮発性は新しいタイプのプログラマブルデバイスの開発を可能にし、必要な機能の全てをワンチップ内で処理できるようになる可能性がある。ソース／ドレイン間の金属原子架橋の形成／消滅をゲート電極で制御する三電極型スイッチも開発した。三電極型スイッチは不揮発性論理回路のような新しいタイプの論理回路の開発を加速すると期待されている。最近の、金属酸化物をイオン伝導体として用いる原子スイッチの開発は金属ー酸化物ー半導体からなる相補的デバイスとして原子スイッチの集積を可能にし、原子スイッチの商用化を進展させるであろう。学習、光感応機能といった原子スイッチの新しい特性についてもレビュー後半で述べられる。

Atomic switches are nanoionic devices that control the diffusion of metal cations and their reduction/oxidation processes in the switching operation to form/annihilate a metal atomic bridge, which is a conductive path between two electrodes in the on-state. In contrast to conventional semiconductor devices, atomic switches can provide a highly conductive channel even if their size is of nanometer order. In addition to their small size and low on-resistance, their nonvolatility has enabled the development of new types of programmable devices, which may achieve all the required functions on a single chip. Three-terminal atomic switches have also been developed, in which the formation and annihilation of a metal atomic bridge between a source electrode and a drain electrode are controlled by a third (gate) electrode. Three-terminal atomic switches are expected to enhance the development of new types of logic circuits, such as nonvolatile logic. The recent development of atomic switches that use a metal oxide as the ionic conductive material has enabled the integration of atomic switches with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices, which will facilitate the commercialization of atomic switches. The novel characteristics of atomic switches, such as their learning and photosensing abilities, are also introduced in the latter part of this review.