利用報告書 / User's Reports


【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23NM5072

利用課題名 / Title

イオニクス型人工知能デバイスの研究

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies

キーワード / Keywords

表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

土屋 敬志

所属名 / Affiliation

物質・材料研究機構

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

西岡大貴,山口優,北野比菜,柴田馨,西村麻希

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-636：マスクレス露光装置 [DL-1000]
NM-638：水蒸気プラズマ洗浄装置 [AQ-500 #2]
NM-643：電子銃型蒸着装置 [UEP-3000BS]
NM-647：FE-SEM+EDX [S-4800]
NM-654：触針式プロファイラー [Dektak 6M]


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究では半導体および固体電解質の固固界面におけるイオニクス現象を効果的に情報処理に利用するイオニクス型人工知能デバイスを開発した。特に、半導体材料への静電的なキャリア注入を可能とする電気二重層効果によって創生されるデバイスの情報処理能力を明らかにするために、半導体材料としては化学的に極めて安定で二次元ホール伝導体である水素終端ダイヤモンドを利用した。p型伝導層である水素終端ダイヤモンド薄膜が全面形成されたダイヤモンド基板に対して各種微細加工を行いデバイスを作製した。

実験 / Experimental

まず初めに、デバイス形状を規定するために、ダイヤモンド基板の一部を絶縁化する処理を行った。ダイヤモンド基板にスピンコーターでフォトレジストを塗布した後、マスクレス露光装置で目的とするデバイス形状に合わせた露光を行った。そして、現像後の試料を水蒸気プラズマ洗浄装置による酸素プラズマ処理を行うことで、試料の一部を酸素終端化して絶縁状態にした。次に、デバイスに電極を形成するために、上記の手順と同様にフォトレジストを塗布した後マスクレス露光装置を用いて目的とする電極パターンを形成した。電極は電子ビーム蒸着装置でパラジウム/白金電極を蒸着した後、リフトオフを行って作製した。

結果と考察 / Results and Discussion

水素終端ダイヤモンドをホモエピタキシャル成長したダイヤモンド(100)基板表面に先述の方法で作製したデバイスの光学顕微鏡写真を図に示す。予定した形状を持つ良好な電極を形成できていることを確認した。また、電極間の電気測定を行って酸素終端化処理も問題なく実施できていることが確認できた。以上の様に、電気二重層効果を用いるトランジスタを作製するための基盤となるチャネル構造を作製できた。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


図1. 作製したデバイスの光学顕微鏡写真


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究（の一部）は、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号JPMXP1223NM5072）の支援を受けた。


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Wataru Namiki, Asymmetric transition of electrical resistance in an all-solid-state redox device with Fe3O4 and Li-ion electrolyte thin films for physical reservoir computing, Japanese Journal of Applied Physics, 63, 03SP13(2024).
    DOI: 10.35848/1347-4065/ad1fb0
  2. Yu Yamaguchi, Inverted input method for computing performance enhancement of the ion-gating reservoir, Applied Physics Express, 17, 024501(2024).
    DOI: 10.35848/1882-0786/ad2906
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. TSUCHIYA, Takashi, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, TAKAYANAGI, Makoto, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. Ion and Electron Dynamics at Semiconductor/Solid Electrolyte Interfaces and the Application to Neuromorphic Computing. ICMAT 2023 Post Symposium Interface Ionics for All-Solid-State Batteries. 2023.6.30
  2. TSUCHIYA, Takashi, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, TAKAYANAGI, Makoto, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. Ion-gating Reservoir for Time-series Pattern Recognition and Prediction Tasks. 11th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2023). 2023.6.27.
  3. 土屋 敬志, 並木 航, 西岡 大貴, 和田 友紀, 山口 優, 柴田 馨, 髙栁 真, 鶴岡 徹, 新ヶ谷 義隆, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥. 固固界面近傍のイオニクス現象を利用する情報処理デバイス. 第85回固体イオニクス研究会. 2023.7.21.
  4. 土屋 敬志, 並木 航, 西岡 大貴, 和田 友紀, 山口 優, 柴田 馨, 髙栁 真, 鶴岡 徹, 新ヶ谷 義隆, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥. 固体電解質界面近傍のイオニクス現象を利用するニューロモルフィックデバイス. 新材料・新原理で築くニューロモルフィックシステム. 2023.8.31.
  5. NISHIOKA, Daiki, TSUCHIYA, Takashi, NAMIKI, Wataru, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. Deep Physical Reservoir Computing Achieved by Electric Double Layer Ion-Gating Reservoir. 2023 International conferences on solid state devices and materials (SSDM2023). 2023.9.8.
  6. 山口 優, 西岡 大貴, 並木 航, 土屋 敬志, 井村 将隆, 小出 康夫, 樋口透, 寺部 一弥. 電気二重層効果を利用したイオンゲーティングリザバーによる発話数字認識タスクの実証. 第84回応用物理学会秋季学術講演会. 2023.9.22.
  7. 北野 比菜, 西岡 大貴, 並木 航, 土屋 敬志, 樋口透, 寺部 一弥. グラフェン単層チャネルを用いたイオンゲーティングリザバー. 第84回応用物理学会秋季学術講演会. 2023.9.22.
  8. 土屋 敬志. イオニクス現象を利用する脳型情報処理デバイス. 「蓄電固体界面科学」第5回公開シンポジウム. 2023.9.26.
  9. SHIBATA, Kaoru, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, WADA, Tomoki, TSUCHIYA, Takashi, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. A Redox-Based Ion-Gating Reservoir, Utilizing (104) Oriented LiCoO2 Film and Physical Masking. The 6th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2023). 2023.11.5.
  10. YAMAGUCHI, Yu, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, TSUCHIYA, Takashi, IMURA, Masataka, KOIDE, Yasuo, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. Spoken digit recognition using an electric double layer-based ion-gating reservoir. The 6th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2023). 2023.11.5.
  11. TERABE, Kazuya, TSUCHIYA, Takashi, TSURUOKA, Tohru. Ionic Nanoarchitectonics to Enhance Memristive and Neuromorphic Technology. MEMRISYS2023(6th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems). 2023.11.5.
  12. SHIBATA, Kaoru, NISHIOKA, Daiki, NAMIKI, Wataru, WADA, Tomoki, TSUCHIYA, Takashi, Tohru Higuchi, TERABE, Kazuya. High-Performance Redox-based Ion-Gating Reservoir using (104) oriented LiCoO2 film, Assisted by Physical Masking. 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023). 2023.11.17
  13. TERABE, Kazuya, TSUCHIYA, Takashi, TSURUOKA, Tohru. Emergence of Neuromorphic Devices Using Conductive Materials of Various Ion Species. 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit. 2023.11.26.
  14. TERABE, Kazuya, TSUCHIYA, Takashi, TSURUOKA, Tohru. Fusion of solid-state ionics and electronics to advance neuromorphic technology. 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit. 2023.11.27.
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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