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JP5517065B2 - Switching element and switch array - Google Patents

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JP5517065B2 JP2010242874A JP2010242874A JP5517065B2 JP 5517065 B2 JP5517065 B2 JP 5517065B2 JP 2010242874 A JP2010242874 A JP 2010242874A JP 2010242874 A JP2010242874 A JP 2010242874A JP 5517065 B2 JP5517065 B2 JP 5517065B2
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剛 長谷川
正和 青野
克彦 有賀
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Description

本発明は、抵抗変化型ランダムアクセスメモリ素子(Resistive Random Access Memory、 RRAM)などとして使用可能な高分子電解質膜を用いたスイッチング素子及びそのようなスイッチング素子を使用して構成されたスイッチアレイに関する。   The present invention relates to a switching element using a polymer electrolyte membrane that can be used as a resistance random access memory element (RRAM) and a switch array configured using such a switching element.

従来から、電解質膜を用いたスイッチング素子について様々な提案がなされている。例えば、非特許文献1には銅と白金電極で挟んだCuSに電圧を印加すると銅イオンの移動により抵抗変化することが記載されている。しかし,CuSは力学強度に乏しく脆い性質を有するため、フレキシブル素子には向かないという問題がある。 Conventionally, various proposals have been made on switching elements using electrolyte membranes. For example, Non-Patent Document 1 describes that when a voltage is applied to Cu 2 S sandwiched between copper and a platinum electrode, the resistance changes due to the movement of copper ions. However, Cu 2 S has a problem that it is not suitable for a flexible element because it has poor mechanical strength and is brittle.

また、非特許文献2には、ナノメートルオーダーの空隙をもったAgSと白金の対向電極に電圧を印加すると、酸化還元反応により電極間に銀が析出して抵抗変化することが記載されている。しかし、AgSもCuSと同様の性質があるため、フレキシブル性が欠けるという問題は解決されていない。 Non-Patent Document 2 describes that when a voltage is applied to a counter electrode of Ag 2 S and platinum having a nanometer-order gap, silver is deposited between the electrodes due to an oxidation-reduction reaction, and the resistance changes. ing. However, since Ag 2 S has the same properties as Cu 2 S, the problem of lack of flexibility has not been solved.

さらに、非特許論文3には、TiO膜の両側を白金電極で挟んだ構造において電圧を印加すると、酸素イオンの移動により抵抗変化を起こさせることが記載されている。しかし,ここに記載された構成でもフレキシブル性に欠けるという問題は依然として解決されていない。 Furthermore, Non-Patent Document 3 describes that when a voltage is applied in a structure in which both sides of a TiO 2 film are sandwiched between platinum electrodes, a resistance change is caused by the movement of oxygen ions. However, the problem that the configuration described here lacks flexibility has not been solved.

上記の無機材料を用いたRRAM素子は、真空装置内での電解質膜の形成、電子線露光による電極のパターニング及びエッチング処理といった複雑な製造工程を経て作製されており、高い製造コストと誘起溶剤の大量消費という問題を抱えている。   The RRAM element using the above-mentioned inorganic material is manufactured through complicated manufacturing processes such as formation of an electrolyte film in a vacuum apparatus, patterning of an electrode by electron beam exposure, and an etching process. I have a problem of mass consumption.

本発明の課題は、上記問題点を解決して、フレキシブルなスイッチング素子を提供することにある。   The subject of this invention is solving the said problem and providing a flexible switching element.

ここにおいて、前記高分子電解質材料の高分子がポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかであってよい。
また、前記高分子電解質材料の電解質塩が銀電解質塩、銅電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、ニッケル電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩であってよい。
また、前記第1の電極の少なくとも一部が銀、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、またはマンガンで形成されてよい。
また、前記第2の電極が白金、金、イリジウム、タングステン、アルミニウムのいずれかであってよい。
前記高分子電解質材料の厚さが1μm以下であってよい。
また、前記高分子電解質材料の電解質塩の濃度を調整することによって、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移するオン電圧および低抵抗状態から高抵抗状態に遷移するオフ電圧を制御してよい。
また、このスイッチング素子は、印加電圧をゼロにしても低抵抗状態を保持する、揮発性を有するものであってよい。
また、このスイッチング素子は、印加電圧をゼロにすると低抵抗状態を保持しない、揮発性を有するものであってよい。
また、このスイッチング素子は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどのプラスチック基板上に形成してよい。
本発明の他の側面によれば、基板上に、前記第1の電極と第2の電極の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された前記スイッチング素子が少なくとも2つ以上配列されたスイッチアレイが与えられる。
ここにおいて、前記基板は柔軟な材料で構成してよい。
Here, the polymer of the polymer electrolyte material may be polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, or polymethyl methacrylate.
The electrolyte salt of the polymer electrolyte material may be a silver electrolyte salt, a copper electrolyte salt, a magnesium electrolyte salt, an iron electrolyte salt, a nickel electrolyte salt, a cobalt electrolyte salt, or a manganese electrolyte salt.
Further, at least a part of the first electrode may be formed of silver, copper, magnesium, iron, nickel, cobalt, or manganese.
The second electrode may be platinum, gold, iridium, tungsten, or aluminum.
The thickness of the polymer electrolyte material may be 1 μm or less.
Further, by adjusting the concentration of the electrolyte salt of the polymer electrolyte material, the on-voltage that transitions from the high-resistance state to the low-resistance state and the off-voltage that transitions from the low-resistance state to the high-resistance state may be controlled.
Further, this switching element may be volatile so as to maintain a low resistance state even when the applied voltage is zero.
The switching element may be volatile so as not to maintain a low resistance state when the applied voltage is zero.
The switching element may be formed on a plastic substrate such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, or polyimide.
According to another aspect of the present invention, a switch array in which at least two or more switching elements in which at least one of the first electrode and the second electrode is electrically connected to a common line are arranged on a substrate are arranged. Is given.
Here, the substrate may be made of a flexible material.

本発明により、フレキシブルなスイッチング素子の作製が可能になる。特に無機材料では、フレキシブル性に欠け、製造工程が高温になり、製造コストも高かった。本発明はこの無機材料の欠点を回避しており、フォトレジスト等によるパターン化及びエッチング等の処理を必要とせず、インクジェット等の印刷技術により低コストで作製可能であるという効果も得られる。   According to the present invention, a flexible switching element can be manufactured. In particular, inorganic materials lacked flexibility, the manufacturing process became high temperature, and the manufacturing cost was high. The present invention avoids the disadvantages of this inorganic material, and does not require patterning or etching with a photoresist or the like, and can be produced at low cost by a printing technique such as inkjet.

さらに、50Hz以上のスイッチ速度が得られることから、ペーパーディスプレイ、フラットパネルディスプレイの駆動回路への応用も可能になる。   Furthermore, since a switch speed of 50 Hz or more can be obtained, it can be applied to a drive circuit for a paper display or a flat panel display.

本発明のスイッチング素子の構成の概念図。The conceptual diagram of the structure of the switching element of this invention. 本発明のスイッチング素子の動作機構の概念図。The conceptual diagram of the operation mechanism of the switching element of this invention. 本発明のスイッチアレイの構成の概念図を示す。The conceptual diagram of the structure of the switch array of this invention is shown. 実施例で作製したスイッチング素子のI−V曲線の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the IV curve of the switching element produced in the Example. 実施例で作製したスイッチング素子のオン電圧とオフ電圧の塩濃度依存性を示すグラフ。The graph which shows the salt concentration dependence of the on-voltage and off-voltage of the switching element produced in the Example. 実施例で作製したスイッチング動作のオン/オフ比の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of on / off ratio of the switching operation produced in the Example. 実施例で作製したスイッチング素子のON状態の保持耐性の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the holding | maintenance tolerance of the ON state of the switching element produced in the Example. 実施例で作製したスイッチング素子のパルス印加電圧応答の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the pulse application voltage response of the switching element produced in the Example.

本発明のスイッチング素子は、例えば図1に示されるように、ガラスやプラスチックから成る基板11上に密着層12、下部金属電極13、500nm厚以下の高分子電解質膜14、および上部金属電極15を積層させた構造となっている。図1に示す例では、密着層12としてチタン、不活性な下部金属電極13として白金を、電気化学的に活性な金属電極15として銀を用いている。ここで電気化学的に活性な金属とは電圧を印加したときに陽極酸化反応によって高分子電解質中に溶け出し得る金属(具体的には銀、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン等)である。電極15は別の金属を含んでいてもよいし、またこの電気化学的に活性な金属は電極15の高分子電解質膜14に接触する側にだけ設けられていてもよい。また電気化学的に不活性な金属とは電圧を印加しても高分子電解質中に溶け出さない金属のことを言う。また、基板11の材料としてプラスチックを使用する場合には、もちろんこれに限定されるものではないが、たとえばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、またはポリイミドを使用することができる。   For example, as shown in FIG. 1, the switching element of the present invention includes an adhesion layer 12, a lower metal electrode 13, a polymer electrolyte membrane 14 having a thickness of 500 nm or less, and an upper metal electrode 15 on a substrate 11 made of glass or plastic. It has a laminated structure. In the example shown in FIG. 1, titanium is used as the adhesion layer 12, platinum is used as the inactive lower metal electrode 13, and silver is used as the electrochemically active metal electrode 15. Here, the electrochemically active metal is a metal that can be dissolved into the polymer electrolyte by an anodic oxidation reaction when a voltage is applied (specifically, silver, copper, magnesium, iron, nickel, cobalt, manganese, etc.) It is. The electrode 15 may contain another metal, or this electrochemically active metal may be provided only on the side of the electrode 15 that contacts the polymer electrolyte membrane 14. The electrochemically inactive metal is a metal that does not dissolve in the polymer electrolyte even when a voltage is applied. Further, when plastic is used as the material of the substrate 11, it is of course not limited to this, but for example, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, or polyimide can be used.

図1では高分子電解質膜14として、高分子に重量比で数%の電解質塩を混合したものを用いている。電解質膜の作製方法は以下の通りである。まず、メタノールないし純水に高分子と電解質塩を必要量混合し、スターラーで12時間以上攪拌して電解液を作製する。この電解液を白金電極上に数μリットル滴下した後、真空乾燥機内で120℃12時間以上加熱することによって電解質膜を形成する。ここで、電解質塩としては、金属電極15に使用する電気化学的に活性な金属の塩であり、例えばAgClO、AgNOなどの銀電解質塩、Cu(ClOなどの銅電解質塩、Mg(NOなどのマグネシウム電解質塩、Fe(NOなどの鉄電解質塩、Ni(NOなどのニッケル電解質塩、Co(NOなどのコバルト電解質塩、又はMn(NOなどのマンガン電解質塩を使用することができる。
なお、ここで使用できる高分子には、これに限定されるものではないが、例えばポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートなどがある。一般的にはこの高分子は以下の条件を満たすことが好ましい。
1)ガラス転移温度が室温よりも低いこと
高分子中のイオン伝導性は高分子の「柔らかさ」に起因している。つまり,熱的な振動に伴ってイオンは高分子中を移動する。一般的に、高分子は温度によってその状態が変わり、温度の上昇とともにガラス(完全な固体)状態→ゴムのような伸び縮みする状態→液体状態をとる。最初のガラス→ゴムへの転移をガラス転移温度、ゴム→液体への転移を融点と定義する。ガラス状態では電荷(イオンも電子も)は全く動かないので、イオン伝導性を発現するためには使用温度はガラス転移温度よりも高い必要がある。逆に言えば、室温で動作させることを考えると、ガラス転移温度は少なくとも室温よりも低くなければならない。より好ましくは、ガラス転移温度は0℃以下である方がよい。一方,融点に関しても、実際に動作させる温度で液体になっては困るので、室温領域での動作を考えると70℃以上程度であるのが好ましい。
2)平均分子量が1万以上であること
なお、好ましい分子量は高分子電解質の塗布方法(例えばインクジェット印刷技術など)で決まるものであるため、一般的に特定の値の範囲でなければならないとはいえない。
2)水及び有機溶剤に対する溶解性
高分子膜を作るためには,高分子と電解質塩を液材に溶かしてそれを基板に滴下する。したがって、高分子および電解質塩には水及び有機溶剤に対する溶解性があることが望まれる。
In FIG. 1, as the polymer electrolyte membrane 14, a polymer mixed with an electrolyte salt of several percent by weight is used. The manufacturing method of the electrolyte membrane is as follows. First, a required amount of a polymer and an electrolyte salt are mixed in methanol or pure water, and the mixture is stirred with a stirrer for 12 hours or more to prepare an electrolytic solution. After several μl of this electrolytic solution is dropped on the platinum electrode, an electrolyte membrane is formed by heating at 120 ° C. for 12 hours or more in a vacuum dryer. Here, the electrolyte salt is an electrochemically active metal salt used for the metal electrode 15, for example, a silver electrolyte salt such as AgClO 4 or AgNO 3 , a copper electrolyte salt such as Cu (ClO 4 ) 2 , Magnesium electrolyte salt such as Mg (NO 3 ) 2 , iron electrolyte salt such as Fe (NO 3 ) 2 , nickel electrolyte salt such as Ni (NO 3 ) 2 , cobalt electrolyte salt such as Co (NO 3 ) 2 , or Mn Manganese electrolyte salts such as (NO 3 ) 2 can be used.
Examples of the polymer that can be used here include, but are not limited to, polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and polymethyl methacrylate. In general, this polymer preferably satisfies the following conditions.
1) The glass transition temperature is lower than room temperature The ionic conductivity in the polymer is due to the “softness” of the polymer. In other words, ions move through the polymer with thermal vibration. In general, the state of a polymer changes depending on the temperature, and as the temperature rises, it takes a glass (completely solid) state → a state of stretching like a rubber → a liquid state. The first glass → rubber transition is defined as the glass transition temperature, and the rubber → liquid transition is defined as the melting point. Since charges (both ions and electrons) do not move at all in the glass state, the use temperature needs to be higher than the glass transition temperature in order to exhibit ionic conductivity. Conversely, when considering operation at room temperature, the glass transition temperature must be at least lower than room temperature. More preferably, the glass transition temperature should be 0 ° C. or lower. On the other hand, regarding the melting point, it is difficult to become a liquid at the temperature at which it is actually operated.
2) The average molecular weight is 10,000 or more Note that the preferred molecular weight is determined by the coating method of the polymer electrolyte (for example, ink jet printing technology), and therefore generally has to be within a specific value range. I can't say that.
2) Solubility in water and organic solvents To make a polymer film, a polymer and an electrolyte salt are dissolved in a liquid material and dropped onto a substrate. Therefore, it is desirable that the polymer and the electrolyte salt have solubility in water and an organic solvent.

次に素子構造全体の作製方法について説明する。まず、基板11上にメタルマスクを用いたスパッタ法によりチタン密着層12および白金電極13を形成する。その後、前記方法で高分子電解質膜14を形成する。最後に、メタルマスクを用いた真空蒸着法により銀電極5を形成する。この銀電極はスパッタ法によっても形成できるが、高分子膜に損傷を与えるため素子特性の劣化が見られた。また、電極形成時の温度が高いと銀が高分子電解質膜中に拡散してしまうため、電極間の初期抵抗が低くなってしまうこともわかった。本発明者による実験・検討の結果、冷却水で基板を冷却しながら真空蒸着ないしは電子線蒸着するのが最も良いことがわかった。   Next, a method for manufacturing the entire element structure will be described. First, the titanium adhesion layer 12 and the platinum electrode 13 are formed on the substrate 11 by sputtering using a metal mask. Thereafter, the polymer electrolyte membrane 14 is formed by the above method. Finally, the silver electrode 5 is formed by vacuum vapor deposition using a metal mask. The silver electrode can be formed by sputtering, but the device characteristics are deteriorated because the polymer film is damaged. It was also found that when the temperature during electrode formation is high, silver diffuses into the polymer electrolyte membrane, resulting in low initial resistance between the electrodes. As a result of experiments and examinations by the present inventors, it has been found that vacuum deposition or electron beam deposition is best performed while cooling the substrate with cooling water.

本発明のスイッチング素子の動作機構の様子を、銀/銀イオン伝導性高分子電解質/白金構造を例にして図2に示す。図2(a)に示すように、銀電極21に対して正の電圧を印加すると、電解質膜中の銀イオン(カチオン)24は白金電極22へ、アニオン25は銀電極21へと、母体高分子23の熱振動を介して移動する。このとき、銀/電解質界面では、陽極酸化反応により銀原子がイオン化し、それらの銀イオン24も白金電極22へと移動する。   The mode of operation of the switching element of the present invention is shown in FIG. 2 taking a silver / silver ion conductive polymer electrolyte / platinum structure as an example. As shown in FIG. 2A, when a positive voltage is applied to the silver electrode 21, the silver ions (cations) 24 in the electrolyte membrane are transferred to the platinum electrode 22 and the anions 25 are transferred to the silver electrode 21. It moves via thermal vibration of the molecule 23. At this time, silver atoms are ionized by the anodic oxidation reaction at the silver / electrolyte interface, and these silver ions 24 also move to the platinum electrode 22.

銀イオン24の移動により白金電極22上の銀イオン濃度は過飽和に達し、白金電極22上で多数の銀の不均一核形成が起こる。この銀の核は、銀イオン24を取り込みながら銀電極21に向かって優先的に成長し、やがて銀核の一つが銀電極に到達し、図2(b)に示すように、電極間に金属フィラメント27を形成して素子は低抵抗状態となる。   Due to the movement of the silver ions 24, the silver ion concentration on the platinum electrode 22 reaches supersaturation, and a large number of silver heterogeneous nucleation occurs on the platinum electrode 22. The silver nucleus grows preferentially toward the silver electrode 21 while taking in the silver ions 24, and eventually one of the silver nuclei reaches the silver electrode, and as shown in FIG. The filament 27 is formed and the element is in a low resistance state.

この低抵抗状態において、銀電極21に対して負の電圧を印加すると、フィラメント27の表面は酸化反応によって溶解する。その結果、図2(c)に示すように、最も細い部分でフィラメント27は切断され、素子は高抵抗状態に遷移する。   In this low resistance state, when a negative voltage is applied to the silver electrode 21, the surface of the filament 27 is dissolved by an oxidation reaction. As a result, as shown in FIG. 2C, the filament 27 is cut at the thinnest portion, and the element transitions to a high resistance state.

この高抵抗状態において、銀電極21に対して正の電圧を印加すると、母体高分子23中に溶解した銀イオン24が切断されたフィラメント27の先端に集まってきて、不均一核形成によりフィラメントが再構築される(図2(d))。   In this high resistance state, when a positive voltage is applied to the silver electrode 21, silver ions 24 dissolved in the base polymer 23 gather at the tip of the cut filament 27, and the filament is formed by heterogeneous nucleation. It is reconstructed (FIG. 2 (d)).

以後、正負の電圧を印加すると、銀フィラメント27の構築と溶解を繰り返しながら、素子は低抵抗状態と高抵抗状態をとる。このようにして、本発明では、高分子電解質中の金属イオンの移動とその酸化還元反応を印加電圧によって制御することにより、電極間の抵抗変化を繰り返し実現することができる。従来、無機材料の固体電解質を用いて同様の素子構造で抵抗変化が起こることは、特許文献1で述べられているが、無機材料の固体電解質では柔軟性がなく、応用に制限の有ることは上に述べたとおりである。高分子材料でスイッチ動作することは知られてなかったことであり、発明者らが初めて発見したものである。   Thereafter, when positive and negative voltages are applied, the element takes a low resistance state and a high resistance state while repeating the construction and dissolution of the silver filament 27. In this way, in the present invention, the resistance change between the electrodes can be repeatedly realized by controlling the movement of the metal ions in the polymer electrolyte and the oxidation-reduction reaction by the applied voltage. Conventionally, it has been described in Patent Document 1 that a resistance change occurs in a similar element structure using a solid electrolyte of an inorganic material. However, the solid electrolyte of an inorganic material is not flexible and has limited applications. As described above. It has not been known that a switch operation is performed with a polymer material, and the inventors have discovered it for the first time.

図3は、本発明の別の実施形態である、スイッチアレイの構成例を示す。ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどのプラスチック基板31上に、下部金属電極32、高分子電解質膜33、及び上部金属電極34をクロスバー型の構造で形成する。上部(行)及び下部(列)金属電極は共通化されており、特定の行及び列に電圧を印加することにより上部−下部電極間を電気的に接続することができる。このように、高分子の機械的な柔軟性を用いて、フレキシブルスイッチアレイを構築することが簡単に可能となる。   FIG. 3 shows a configuration example of a switch array which is another embodiment of the present invention. On a plastic substrate 31 such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, or polyimide, a lower metal electrode 32, a polymer electrolyte membrane 33, and an upper metal electrode 34 are formed with a crossbar structure. The upper (row) and lower (column) metal electrodes are shared, and the upper and lower electrodes can be electrically connected by applying a voltage to a specific row and column. In this way, it is possible to easily construct a flexible switch array using the mechanical flexibility of the polymer.

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用料、割合、処理手順、基板の種類等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は下記の実施例に制限されるものではない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. Materials, usage fees, ratios, processing procedures, substrate types, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

(素子作製)
高分子電解質として、ポリエチレンオキシド(PEO)に過塩素酸銀(AgClO)を1から6重量%(wt%)まで異なる塩濃度で電解質液を用意し、前記方法で図1の構造を有するスイッチング素子を作製した。
(Element fabrication)
As a polymer electrolyte, an electrolyte solution is prepared in polyethylene oxide (PEO) and silver perchlorate (AgClO 4 ) at different salt concentrations from 1 to 6% by weight (wt%), and the above method is used to perform the switching having the structure shown in FIG. An element was produced.

(電流―電圧特性の測定)
作製したスイッチング素子の電流電圧曲線(I−V曲線)を測定した。塩濃度が2、4、5、および6重量%の素子に対する結果の典型例を図4に示した。図4(a)は塩濃度が2wt%の素子のI−V曲線である。銀電極に対して正の電圧を印加すると素子は高抵抗(オフ)状態から低抵抗(オン)状態に急峻に変化する。この低抵抗状態は印加電圧を0Vに戻しても保持される。すなわち、不揮発性のスイッチ動作を示す。次に負の電圧を印加すると、オン状態からオフ状態に急峻に戻る。このオン−オフは、繰り返し可能であることが確認された。図4(b)は塩濃度が4wt%のI−V曲線である。オフ状態からオン状態に遷移するオン電圧は上昇するが、不揮発性動作は維持される。図4(c)は塩濃度が5wt%のI−V曲線である。オン電圧はさらに上昇し、印加電圧が0Vに戻る前に素子はオフ状態に遷移する。すなわち、揮発性の動作を示す。図4(d)は塩濃度が6wt%のI−V曲線である。この濃度では、もはやスイッチング動作は起こらない。
(Measurement of current-voltage characteristics)
The current-voltage curve (IV curve) of the produced switching element was measured. Typical results for devices with salt concentrations of 2, 4, 5, and 6 wt% are shown in FIG. FIG. 4A is an IV curve of an element having a salt concentration of 2 wt%. When a positive voltage is applied to the silver electrode, the element changes sharply from a high resistance (off) state to a low resistance (on) state. This low resistance state is maintained even when the applied voltage is returned to 0V. That is, a non-volatile switch operation is shown. Next, when a negative voltage is applied, the state rapidly returns from the on state to the off state. This on-off was confirmed to be repeatable. FIG. 4B is an IV curve with a salt concentration of 4 wt%. The on-voltage that transitions from the off-state to the on-state increases, but the nonvolatile operation is maintained. FIG. 4C is an IV curve with a salt concentration of 5 wt%. The on-voltage further increases, and the element transitions to the off state before the applied voltage returns to 0V. That is, it shows a volatile operation. FIG. 4D is an IV curve with a salt concentration of 6 wt%. At this concentration, switching action no longer takes place.

図5は観測されたオン電圧及びオフ電圧を塩濃度の関数として表示したものである。塩濃度が高くなるにつれて、オン電圧は大きくなり、一方オフ電圧は小さくなる。5wt%では、揮発性のスイッチ動作をすることもわかった。このことは、塩濃度を調整することによってオン/オフ電圧の値及び不揮発性/揮発性動作を制御できることを示唆する。   FIG. 5 shows the observed on and off voltages as a function of salt concentration. As the salt concentration increases, the on-voltage increases while the off-voltage decreases. It was also found that at 5 wt%, volatile switch operation occurs. This suggests that the on / off voltage value and non-volatile / volatile behavior can be controlled by adjusting the salt concentration.

図6は塩濃度が3wt%の素子を抵抗―電圧曲線の一例を示した。電圧印加による抵抗変化、すなわちオン/オフ比は10程度と極めて高いことが確認された。 FIG. 6 shows an example of a resistance-voltage curve of an element having a salt concentration of 3 wt%. It was confirmed that the resistance change due to voltage application, that is, the on / off ratio was as high as about 10 5 .

(メモリ動作の確認)
上記スイッチング素子のメモリ特性を測定した。銀電極に対して正の電圧を印加して素子をオン状態にした後、このオン状態の持続時間を測定した。その結果の一例を図7に示した。素子には1分間隔で5秒間だけ0.05Vを印加し、その時の電流を計測した。それ以外は、素子には電圧は印加しない。この測定の結果、電圧が印加されない状態でON状態は少なくとも1週間以上保持されることが認められた。さらに、オフ状態も1週間以上の保持耐性があることも確認された。これらの結果は、上記スイッチング素子がメモリ素子として十分な特性を有することを示している。
(Check memory operation)
The memory characteristics of the switching element were measured. After applying a positive voltage to the silver electrode to turn on the device, the duration of this on state was measured. An example of the result is shown in FIG. 0.05 V was applied to the device for 5 seconds at 1 minute intervals, and the current at that time was measured. Otherwise, no voltage is applied to the element. As a result of this measurement, it was confirmed that the ON state was maintained for at least one week when no voltage was applied. Furthermore, it was confirmed that the OFF state also has a retention resistance of one week or longer. These results indicate that the switching element has sufficient characteristics as a memory element.

(スイッチ速度の測定)
上記スイッチング素子のスイッチ速度を評価するために、パルス電圧印加の応答電流を計測した。その結果の一例を図8に示す。ON状態にするための書き込み用パルスは+1V、OFF状態にするための消去用パルスは−1V、素子の状態を確認する読み出しパルスは±0.2Vとし、それぞれのパルス幅は8ミリ秒に設定した。スイッチ速度は、少なくとも0.1ミリ秒以下であることが確認された。これは、50Hzで駆動するペーパーディスプレイ、フラットパネルディスプレイ回路への応用も可能であることを示している。
(Switch speed measurement)
In order to evaluate the switching speed of the switching element, the response current of pulse voltage application was measured. An example of the result is shown in FIG. The write pulse for turning on is + 1V, the erase pulse for turning off is -1V, the read pulse for checking the element state is ± 0.2V, and each pulse width is set to 8 milliseconds. did. The switch speed was confirmed to be at least 0.1 milliseconds or less. This indicates that application to a paper display and flat panel display circuit driven at 50 Hz is also possible.

以上詳細に説明したように、本発明は、電極間の電解質中で金属フィラメントの形成と切断を起こすことによるスイッチング素子において、このような電解質の材料として高分子を使用するという従来全く試みられていない構成のスイッチング素子及びそれを使用したスイッチアレイを提供するものである。本発明により柔軟性が高いために無機電解質を利用した従来型のスイッチング素子では不可能であった応用が可能となる。また低電圧で書き込みを行うことができるとともに、書き込み結果が長期間持続するため、ペーパーディスプレイやフラットパネルディスプレイ回路などの幅広い用途が期待される。   As described in detail above, the present invention has been completely attempted to use a polymer as a material for such an electrolyte in a switching element that causes formation and cutting of a metal filament in an electrolyte between electrodes. The present invention provides a switching element having no configuration and a switch array using the switching element. Because of the high flexibility according to the present invention, applications that were impossible with conventional switching elements using inorganic electrolytes are possible. Moreover, since writing can be performed at a low voltage and the writing result lasts for a long time, a wide range of applications such as a paper display and a flat panel display circuit are expected.

11 基板
12 密着層
13、32 下部金属電極
14、33 高分子電解質膜
15、34 上部金属電極
21 銀電極
22 白金電極
23 高分子
24 カチオン(金属イオン)
25 アニオン
26 析出した金属
27 金属フィラメント
31 プラスチック基板
11 Substrate 12 Adhesion layers 13 and 32 Lower metal electrodes 14 and 33 Polymer electrolyte membranes 15 and 34 Upper metal electrode 21 Silver electrode 22 Platinum electrode 23 Polymer 24 Cation (metal ion)
25 Anion 26 Precipitated metal 27 Metal filament 31 Plastic substrate

WO2003/028124WO2003 / 028124

Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3032Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3032 Nature 433 (2005) 47Nature 433 (2005) 47 Nature Nanotech. 3 (2008) 429Nature Nanotech. 3 (2008) 429

Claims (10)

イオン伝導性を有する高分子有機電解質材料と、
前記高分子有機電解質材料中に存在する金属塩と、
前記高分子有機電解質材料中の前記金属塩と同じ金属を含む第1の電極と、
前記第1の電極中の金属よりも電気化学的活性の低い第2の金属からなる第2の電極と
を設け
前記高分子有機電解質材料のガラス転移温度よりも高温かつその融点よりも低温で使用されるスイッチング素子。
A polymer organic electrolyte material having ionic conductivity;
A metal salt present in the polymer organic electrolyte material;
A first electrode containing the same metal as the metal salt in the polymer organic electrolyte material;
Providing a second electrode made of a second metal having a lower electrochemical activity than the metal in the first electrode ,
A switching element used at a temperature higher than the glass transition temperature of the polymer organic electrolyte material and lower than its melting point .
前記高分子有機電解質材料の高分子がポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルビロリドン、ポリアクリルニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルメタクリレートのいずれかである、請求項1に記載のスイッチング素子。 The switching element according to claim 1, wherein the polymer of the polymer organic electrolyte material is any one of polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and polymethyl methacrylate. 前記高分子有機電解質材料の電解質塩が銀電解質塩、銅電解質塩、マグネシウム電解質塩、鉄電解質塩、ニッケル電解質塩、コバルト電解質塩、またはマンガン電解質塩である、請求項1または2に記載のスイッチング素子。 The switching according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte salt of the polymer organic electrolyte material is a silver electrolyte salt, a copper electrolyte salt, a magnesium electrolyte salt, an iron electrolyte salt, a nickel electrolyte salt, a cobalt electrolyte salt, or a manganese electrolyte salt. element. 前記第1の電極の少なくとも一部が銀、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、コバルト、またはマンガンで形成されている、請求項3に記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 3, wherein at least a part of the first electrode is formed of silver, copper, magnesium, iron, nickel, cobalt, or manganese. 前記第2の電極が白金、金、イリジウム、タングステン、アルミニウムのいずれかである、請求項1から4のいずれかに記載のスイッチング素子。   The switching element according to claim 1, wherein the second electrode is any one of platinum, gold, iridium, tungsten, and aluminum. 前記高分子有機電解質材料の厚さが1μm以下である、請求項1から5のいずれかに記載のスイッチング素子。 The switching element according to claim 1, wherein the polymer organic electrolyte material has a thickness of 1 μm or less. 前記高分子有機電解質材料の電解質塩の濃度を調整することによって、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移するオン電圧および低抵抗状態から高抵抗状態に遷移するオフ電圧を制御する、請求項1から6のいずれかに記載のスイッチング素子。 By controlling the concentration of the electrolyte salt of the polymer organic electrolyte material, the on-voltage that transitions from the high-resistance state to the low-resistance state and the off-voltage that transitions from the low-resistance state to the high-resistance state are controlled. 7. The switching element according to any one of 6. ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどのプラスチック基板上に形成される、請求項1から7の何れかに記載のスイッチング素子。 The switching element according to claim 1, which is formed on a plastic substrate such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, or polyimide . 基板上に、前記第1の電極と第2の電極の少なくとも一方が電気的に共通線に接続された請求項1から8の何れかに記載のスイッチング素子が少なくとも2つ以上配列されたスイッチアレイ。9. A switch array in which at least two switching elements according to claim 1 are arranged on a substrate, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is electrically connected to a common line. . 前記基板は柔軟な材料で構成される、請求項9に記載のスイッチアレイ。The switch array according to claim 9, wherein the substrate is made of a flexible material.
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