JP2003157672A - 情報記録素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不揮発性の特性を備え、極めて簡易な構造
で、しかも極めて低い電圧で記録できる情報記録素子を
提供する。 【解決手段】 本発明の一態様は、情報記録単位を複数
個備えてなる情報記録素子であって、前記情報記録単位
は、対向配置された少なくとも２つの電流印加用電極層
と、これら２つの電極の対向配置側にそれぞれ形成され
た第１および第２の活物質層と、第１および第２の活物
質層に挟持された電解質層とを有し、前記第１および第
２の活物質層は、それぞれ、少なくとも１種以上のイオ
ンを可逆的に吸蔵、放出できる物質からなり、前記電解
質層は、前記イオンを伝導しつつ電子伝導しない物質か
らなり、前記情報記録単位は、電極間の電位を変えるこ
とによって情報が記録され、電極間の電位差を検出する
ことによって情報が読み出されるように作用してなるよ
うに構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気的に動作する情
報記録素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯型電子機器、携帯電話などの
発展に伴ない、より低消費電力で大容量なメモリーのニ
ーズが高まっている。現在、電子デバイスなどにもっと
も広く使われているメモリーはDRAM(Dynamic Random Ac
cess Memory)である。しかしながら、このものは、通電
して、かつリフレッシュ動作をしなければ、メモリー内
容が揮発してしまうため、消費電力の点や扱いやすさの
点で問題があった。

【０００３】ところで、携帯電話などの低消費電力を要
求されるデバイスにおいては、最近、不揮発性のFlash
EEPROM(Flash Electrically Erasable Read Only Memor
y)が使用されるようになり、消費電力の低下に役立って
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Flash
EEPROMにおいても、フローティングゲートに電子を注入
する方法としてチャネルホットエレクトロン法を用いた
場合は電流効率が悪いという問題があり、また、Fowler
-Nordheim法では、１０Ｖ以上の高電圧をかけなければ
いけないため、無駄な回路が必要になってしまうという
問題が生じていた(例えば、特公平６-８２８４１号公
報)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような実状のもと
に本発明は創案されたものであり、その目的は、不揮発
性の特性を備え、極めて簡易な構造で、しかも極めて低
い電圧で記録できる情報記録素子を提供することにあ
る。極めて簡易な素子構造は、記録デバイスへの展開を
容易にすることができる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明は、情報記録単位を複数個備えてなる
情報記録素子であって、前記情報記録単位は、対向配置
された少なくとも２つの電流印加用電極層と、これら２
つの電極の対向配置側にそれぞれ形成された第１および
第２の活物質層と、第１および第２の活物質層に挟持さ
れた電解質層とを有し、前記第１および第２の活物質層
は、それぞれ、同種の少なくとも１種以上のイオンを可
逆的に吸蔵、放出できる物質からなり、前記電解質層
は、前記イオンを伝導しつつ電子伝導しない物質からな
り、前記情報記録単位は、電極間の電位を変えることに
よって情報が記録され、電極間の電位差を検出すること
によって情報が読み出されるように作用してなるように
構成される。

【０００７】また、本発明における好ましい態様とし
て、情報の読み出し時に電気量の総和が実質的に零にな
る電流パルスをかけて電極間の電位差を検出してなるよ
うに構成される。

【０００８】また、本発明における好ましい態様とし
て、前記電極間の電位差として、正、０、および負の三
値を用いて情報を記録してなるように構成される。

【０００９】また、本発明における好ましい態様とし
て、前記電解質層は、無機固体電解質を用いて形成され
る。

【００１０】本発明は、情報記録単位を複数個備えてな
る情報記録素子であって、前記情報記録単位は、第１お
よび第２の活物質層と、第１および第２の活物質層に挟
持された電解質層と、第１の活物質層の上に所定の間隙
を設けて形成された電流印加用電極層および抵抗測定用
電極層と、第２の活物質層の上に形成された電流印加用
電極層を有し、前記第１および第２の活物質層は、それ
ぞれ、同種の少なくとも１種以上のイオンを可逆的に吸
蔵、放出できる物質からなり、前記電解質層は、前記イ
オンを伝導しつつ電子伝導しない物質からなり、前記情
報記録単位は、対向する電流印加用電極間の電位を変え
ることによって情報が記録され、第１の活物質層の上に
所定の間隙を設けて形成された電流印加用電極層および
抵抗測定用電極層によって第１の活物質層の内部抵抗を
測定することによって情報が読み出されるように作用し
てなるように構成される。

【００１１】また、本発明における好ましい態様とし
て、前記電解質層は、無機固体電解質を用いて形成され
る。

【００１２】また、本発明における好ましい態様とし
て、上記の情報記録素子は、半導体基板の上に絶縁物を
介して形成されてなるように構成される。

【００１３】また、本発明における好ましい態様とし
て、さらに絶縁物層を介して、平面配置された情報記録
素子は多層に積層して構成される。

【００１４】本発明では、縮小した電池類似構造物を半
導体基板上に複数集積することによって、より低消費電
力で、集積度の高い記憶デバイスを提供することが可能
になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の情報記録素子の具
体的実施の形態について詳細に説明する。

【００１６】なお、本発明では、いわゆる電池の持つ電
圧の保持という特性と、充電状態による電極インピーダ
ンスの変化という現象を応用している。

【００１７】（１）本発明の第１の実施の態様 本発明の第１の実施の態様が図１および図２に示され
る。

【００１８】図１は本発明における情報記録単位１０の
基礎的な構造を示す概略断面図であり、図２は、情報記
録単位１０を半導体基板であるシリコン基板２の上に絶
縁層３を介して形成した状態を示す概略断面図である。

【００１９】本発明の情報記録素子１は、情報記録単位
１０をシリコン基板２上に複数個配置することにより構
成される（図２においては、図面の大きさの制約上、情
報記録単位１０は２つしか描かれていない）。情報記録
単位１０を配置するに際しては、高密度化できるような
構造を形成することが重要となる。すなわち、図２に示
されるように、基板２上に情報記録単位１０を平面的に
配置することによって実際の高密度記録が可能な素子と
して利用できる。さらには、このような平面的に配置さ
れた素子を、絶縁層を介して上方向に、複数層積層する
こと、すなわち、３次元的配置とすることによって、さ
らなる高記録密度化を図ることができる。これにより記
録デバイスへの展開が可能になる。

【００２０】図１において、情報記録単位１０は、対向
配置された少なくとも２つの電流印加用電極層１１，１
５と、これら２つの電極層１１，１５の対向配置側（内
側）にそれぞれ形成された第１の活物質層２１および第
２の活物質層２５と、第１および第２の活物質層２１，
２５に挟持された電解質層３０とを有し構成されてい
る。

【００２１】本実施形態の場合、図面上方側の電流印加
用電極層１１は、いわゆる負極電極層１１であり、図面
下方側の電流印加用電極層１５は、いわゆる正極電極層
１５である。また、負極電極層１１に接する第１の活物
質層２１は、いわゆる負極活物質層２１であり、正極電
極層１５に接する第２の活物質層２５は、いわゆる正極
活物質層２５である。正極および負極の活物質層１５，
１１は、後述するようにそれぞれ、少なくとも同種の１
種以上のイオンを可逆的に吸蔵、放出できる物質から構
成される。

【００２２】なお、図１の中央に位置する電解質層３０
を中心として、正極と負極は入れ替わっても、もちろん
かまわない。また、活物質層における第１、第２という
呼び方は、正極側および負極側を便宜上、区別するだけ
もものであり、特に、特別な意味はない。

【００２３】上記各電極層１１，１５は、電子導電性が
高いものであるならば、材質は限定されるものではない
が、金属であることが好ましい。特に、Ａｌ、Ｃｕの単
体もしくは、これらと他の金属との合金であることが好
ましい。電極の厚さは特に制限されないが、厚すぎると
成膜に時間がかかるのとイオン拡散の妨げとなるので１
０μｍ以下であることが好ましい。ただし、電極の厚さ
が薄すぎると膜が完全に形成されないので、下限は５ｎ
ｍ程度とすることが好ましい。

【００２４】正極活物質層２５を構成する正極活物質
は、いわゆるイオン電池に用いられる全ての活物質が使
用できる。代表的なものはリチウムイオン電池の活物質
であるが、特開平6-163080号公報に示されているカルシ
ウムイオン電池の活物質や、J.Electrochem. Soc., 40,
1,(1993),140に示されるようなマグネシウムイオン電
池の活物質を用いることも可能である。ただし、一価の
イオンの方が、活物質へのイオンの挿入、脱離に伴う結
晶構造へのストレスが小さいので、アルカリ金属イオン
を用いるのが好ましく、中でもイオン半径の小さいリチ
ウムイオンを用いるのが可逆性の点から特に好ましい
（リチウムイオン電池の活物質が特に好ましい）。有
機、無機は問われないが、スパッタ、蒸着等の真空成膜
が可能であるいう点から、無機化合物、特に、リチウム
金属複合酸化物を用いるのが良い。なお、正極側ではな
く負極側にリチウム原子を持たすのであれば、正極活物
質は、単なる金属酸化物としても良い。

【００２５】正極活物質層２５を構成する正極活物質の
代表的なものとしては、ＬｉＣｏＯ ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、
ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＶ₂Ｏ₄、ＬｉＴｉＯ₂などが挙げられ
る。ただし、本発明においては正極活物質層２５に高い
エネルギーを蓄えることが目的ではないので、必ずしも
電位が高い材質を選ぶ必要はない。

【００２６】正極活物質層２５の膜厚は、容量を少なく
して反応速度を速めるために、できるだけ薄くすること
が好ましく、特に１０μｍ以下、さらには１００ｎｍ以
下とすることが好ましい。ただし、上記の電極１１，１
５と同様に、膜厚が薄すぎると膜形成が不完全になる恐
れがあるので下限は、５ｎｍ程度とすることが望まし
い。

【００２７】負極活物質層２１を構成する負極活物質
は、上記した正極活物質と同様に、いわゆるイオン電池
に用いられる全ての活物質が使用できる。代表的なもの
はリチウムイオン電池の活物質であるが、特開平6-1630
80号公報に示されているカルシウムイオン電池の活物質
や、J.Electrochem. Soc., 40, 1,(1993),140に示され
るようなマグネシウムイオン電池の活物質を用いること
も可能である。ただし、一価のイオンの方が、活物質へ
のイオンの挿入、脱離に伴う結晶構造へのストレスが小
さいので、アルカリ金属イオンを用いるのが好ましく、
中でもイオン半径の小さいリチウムイオンを用いるのが
可逆性の点から特に好ましい（リチウムイオン電池の活
物質が特に好ましい）。その中でも、リチウム金属複合
酸化物や金属酸化物、炭素などが好適例として挙げられ
る。負極活物質においても上述した正極活物質と同様
に、負極活物質層２１内に高いエネルギーを蓄えること
が目的ではないので、必ずしも電位が低い材質を選ぶ必
要はない。

【００２８】また、正極側と負極側に同じ活物質を使う
ことも可能である。例えば、Ｌｉ_{0. 75}ＣｏＯ₂という同
一組成比で、正極活物質層、および負極活物質層を作成
すれば、充放電によって正極と負極の電位を逆転させる
ことも可能である。この方法を用いれば電位＋（プラ
ス）、電位０（ゼロ）、電位−（マイナス）のように容
易に３値の記録が可能となる。また、０．５Ｖ以下の極
めて低い電位で動作させることも可能になる。このよう
な実施の形態は後述の実施例により、より明確になるで
あろう。

【００２９】このような第１および第２（負極および正
極）の活物質層２１，２５に挟持された電解質層３０
は、固体電解質を用いて形成される。このような電解質
は、前記正極活物質層と負極活物質層との間で移動する
イオン（特に、リチウムイオン）を伝導しつつ、かつ電
子伝導しない物質から構成される。

【００３０】具体的な固体電解質としては、30LiI-41Li
₂O-29P₂O₅、40Li₂O-35B₂O₅-25LiNbO ₃、25Li₂O-25Al₂O₃-
50SiO₂、40Li₂O-6Y₂O₃-54SiO₂、65LiNbO₂-35SiO₂、Li
_1+xM_xTi_2-x(PO₄)₃ (M=Al,Sc,Y,La)、Li_1+xTi_2-x(P
O₄)₃、Li_0.3-3xR_0.5+xTiO₃ (R=La,Pr,Nd,Sm)、Li_1+x+yA
l_xTi_2-xSi_yP_3-yO₁₂といった化合物や；特開2000-34134
で挙げられるような17.5Li₂O-5Nd₂O₃-40GeO₂-37.5P
₂O₅、15Li₂O-3In₂O₃-44.5GeO₂-37.5P₂O₅といった酸化物
や；特開1999-297358で挙げられる0.01Li₃PO₄-0.63Li₂S
-0.36SiS₂といったカルコゲン化物などが好適例として
挙げられる。ただし、本発明においては、特にこれらの
ものに限定されるものではない。

【００３１】電解質層３０の厚さは、薄い方がイオン伝
導性が向上する。従って、その厚さは、１μｍ以下が好
ましく、特に１００ｎｍ以下が好ましい。ただし薄すぎ
ても膜が不完全でショートする可能性があるので、下限
は１ｎｍ程度とされる。

【００３２】固体電解質は数種知られており、特に有機
固体電解質では、実用レベルに近い１０^-3S/cmという伝
導度も得られている。しかしながら、有機固体電解質
は、基板表面に有機物を均一厚さに形成するのが難し
く、半導体プロセスには向いていない。一方、無機固体
電解質は、伝導度がかなり低い１０^-5S/cm程度である
が、スパッタ、真空蒸着、分子線エピタキシー、電子ビ
ーム蒸着、レーザ蒸着、化学気相蒸着等で膜形成できる
ので、半導体基板の上に均一厚さに形成することが容易
である。

【００３３】通常、無機固体電解質は、例えばリチウム
二次電池に用いようとした場合、極めて小さい電流でな
いと放電することは不可能であるが、本発明で用いる情
報記録単位１０は極めて小さいもので、大電流を流す必
要がない。さらに、通常の電池では電解質は数十μｍの
厚みが必要であるのに対し、本発明では、薄膜プロセス
で作成した膜厚数十ｎｍ程度のもの（５〜１０００ｎ
ｍ、特に、１０〜５００ｎｍ）で十分である。つまり、
本発明では、通常の膜厚の1/1000以下にすることが可能
であり、低い伝導度でも全く問題ない。このような理由
により、本発明においては無機固体電解質を用いること
が好ましい。

【００３４】このように構成される第１の実施形態の情
報記録素子１（情報記録単位１０）は、電極１１，１５
間の電位を変えることによって情報が記録されるように
作用する。また、電極１１，１５間の電位差を検出する
ことによって情報が読み出されるように作用するように
なっている。

【００３５】すなわち、記録（書き込み）時は、電極１
１，１５に電流を流すことによって図１に示される情報
記録単位１０である電池構造の充電状態を変化させる。
この一方で、情報を読み出す時は、電極１１，１５間の
電圧を測定することによって、その電圧値により記録内
容を認識するようにしているのである。

【００３６】本発明の第１の実施の態様、すなわち、情
報読み出しの際に電圧を測定する電圧測定型の素子の場
合、電圧を測定するために基板１１，１５間に単純に微
小電流を流してしまうと、読み込みを繰り返すにつれて
電位が変化していってしまう。このため、電圧測定は微
小電流パルスを用い、読み出し動作終了後に逆方向に同
じ電気量のパルスを印加してやる必要がある。つまり、
情報の読み出し時に電気量の総和が実質的に零になる電
流パルスをかけて電極間の電位差を検出することが要求
される。

【００３７】ところで、前述したように本発明の情報記
録単位１０は、いわゆる正極および負極の活物質が、イ
オンを吸蔵、放出する時の化学ポテンシャルの差を利用
している。従って、イオンを吸蔵、放出できる物質であ
れば、どのような物質であっても情報記録単位１０とし
て使用することは可能である。

【００３８】本実施例においては、リチウムイオンを電
荷担体として用いたが、他のアルカリ金属やアルカリ土
類金属、もしくは他のいずれかのイオンを用いても同様
な効果を得ることができる。この場合、正および負極の
活物質は、該当するイオンを吸蔵、放出できるものであ
ればよい。

【００３９】このため、本発明では、通常、代表的なイ
オン電池であるリチウム電池用として市販されているよ
うな平均３．６Ｖ程度の高電圧が得られる活物質の組み
合わせ以外にも多数の組み合わせが考えられる。特に、
本発明における情報記録素子の場合は、情報を保持する
ことが大事であって、エネルギーを保持する必要はない
ので、電位差がより小さな電極活物質を選べばよい。

【００４０】例えば、正極側の活物質にチタン酸リチウ
ム、負極側の活物質にカーボンを使用すれば１〜１．５
Ｖ程度の電位差で書き換えをすることが可能である。こ
れは従来技術で言及したFlash EEPROMに比べてはるかに
有利であり、また現在の半導体回路の駆動電圧に近いた
めに、書き換え動作を非常に簡単に行なうことが出来
る。

【００４１】前述のごとく電池に類似する構造である情
報記録単位１０は、充電すれば電位が上がり、放電によ
り電位が下がることから、読み出し時に電極間の電位を
測定すれば、簡単に記録されているデータの内容がわか
る。すなわち、電池活物質に合わせて任意のしきい電圧
を決めておき、それより高いか低いかで書き込み内容を
判定することができる。

【００４２】（２）本発明の第２の実施の態様 本発明の第２の実施の態様が図３に示される。図３は本
発明における情報記録単位６０の基礎的な構造を示す断
面図である。

【００４３】本発明の第２の実施の態様が、前記第１の
実施の態様と異なるのは、一方の活物質層の上に、所定
の間隙を設けて形成された電流印加用電極層および抵抗
測定用電極層を形成し、当該電流印加用電極層および抵
抗測定用電極層によってこれらが接触する活物質層の内
部抵抗を測定することによって情報が読み出されるよう
に作用させている点にある。

【００４４】すなわち、図３に示される第２の実施の態
様における情報記録素子６は、情報記録単位６０を複数
個備えてなる情報記録素子であって、情報記録単位６０
は、第１の活物質層２１および第２の活物質層２５と、
第１および第２の活物質層２１，２５に挟持された電解
質層３０と、第１の活物質層２１の上に所定の間隙を設
けて形成された電流印加用電極層７１および抵抗測定用
電極層７２と、第２の活物質層２５に接して形成された
電流印加用電極層７５を有して構成されている。抵抗測
定用電極層７２は、電流印加用電極層７１に並列かつ接
しないように配置されている。

【００４５】そして、第２の実施の態様における情報記
録単位６０は、図面の上下に対向する電流印加用電極７
１，７５間の電位を変えることによって情報が記録さ
れ、第１の活物質層２１の上に所定の間隙を設けて形成
された電流印加用電極層７１および抵抗測定用電極層７
２によって第１の活物質層２１の内部抵抗を測定するこ
とによって情報が読み出されるように作用するように構
成されている。

【００４６】すなわち、図３に示される第２の実施の態
様においては、正極側と負極側の電位を変えることによ
って情報を記録し、正極もしくは負極側の活物質の内部
抵抗を測定することによって情報を読み出すように作用
する。

【００４７】読み出し原理をより分かりやすく説明して
おくと、活物質層は、イオンの吸蔵、放出に伴ない、電
気抵抗が変化する。例えば、活物質としてカーボンを用
いた場合、このものに金属イオンが挿入される前は比較
的抵抗が高いのに対し、金属イオン、例えば、リチウム
が挿入された後は金属に近い伝導性を示すので抵抗は低
くなる。この内部抵抗差を利用して、比較的簡単に読み
出しを行なうことが出来るのである。

【００４８】なお、第２の実施の態様における各構成要
素の構成材料は、前記第１の実施の態様における各構成
要素の構成材料と同様である。

【００４９】このような構成のもとに上述のごとく、実
際に使用する際には、書き込み時は正、負極の電流印加
用電極７１，７５同士で電流を流して充電状態を変化さ
せ、読み込み時は抵抗測定用電極７２と、それと同じ極
に接続されている電流印加用電極７１の間に微小電流を
流すことによって、抵抗値を測定すればよい。

【００５０】

【実施例】以下に具体的実施例を示し、本発明をさらに
詳細に説明する。

【００５１】〔実施例1〕以下に、本発明の第１の実施
態様の素子、すなわち図２に示されるような電圧測定型
の素子についての実施例を示す。

【００５２】まず、シリコン基板２の上に予め酸化皮膜
絶縁層３が形成されている基体を準備した。この上に、
図２に示されるごとく、活物質面積が０．１×０．１ｍ
ｍとなるようにスパッタにより情報記録素子（情報記録
単位）を作製した。

【００５３】すなわち、Ａｌからなる電極層（膜厚１０
０ｎｍ）、ＬｉＴｉＯ₂からなる正極活物質層（膜厚５
０ｎｍ）、25Li₂O-25Al₂O₃-50SiO₂からなる固体電解質
層（膜厚２０ｎｍ）、カーボンからなる負極活物質層
（膜厚５０ｎｍ）、Ｃｕからなる電極層（膜厚１００ｎ
ｍ）を順次積層して素子を完成させた。

【００５４】なお、ここで、述べた膜構造、特に活物質
層は、イオンの保持、イオン伝導の能力によって任意に
選ばれるべきものであり、本発明は、本実施例の構成の
みに制限されるものではない。

【００５５】このようにして完成した素子（情報記録単
位）を用い、下記の要領で、Ａｌ電極層、Ｃｕ電極層
に、微小電流を流して1ビットデータの記録、読み出し
を行なった。すなわち、まず最初に、この素子の正極か
ら負極に１ｍｓ、１．５Ｖのパルスをかけることによ
り、信号の記録を行なった。

【００５６】その後、１０ｎｓ、1μＡの電流パルスを
正極から負極方向と、負極から正極方向へと交互にかけ
てその電位を測定した。その結果、１．４３Ｖの電位が
素子に残留していることが確認できた。

【００５７】その後、さらに測定用の電流パルスを１０
００万回かけた後に再び電位を測定した。その結果、素
子電位は１．４５Ｖで変化は見られなかった。この実験
結果より、本発明の素子が、高い読み出し耐性を持って
いることが確認された。また、記録後の電位を、時間経
過とともに測定して表示すると以下のようになった。

【００５８】時 間 電位(Ｖ) 記録時 １．４３ １分 １．４３ １時間 １．４２ １日 １．４２ ３０日 １．４２

【００５９】上記の結果より、本発明の素子が優れた不
揮発性を持っていることがわかる。次に、上記の操作で
記録後の素子に負極から正極方向に１ｍｓ、０Ｖ(ショ
ート状態)のパルスをかけて記録状態を変化させた。そ
の結果、０．４７Ｖの電位が素子に残留していることが
確認できた。その後、測定用の電流パルスを１０００万
回かけた後に再び電位を測定した。その結果、素子電位
は０．４８Ｖであった。また、記録後の電位を、時間経
過とともに測定して表示すると以下のようになった。

【００６０】時 間 電位(Ｖ) 記録時 ０．４７ １分 ０．４８ １時間 ０．４９ １日 ０．４９ ３０日 ０．４９

【００６１】上記の２つの実験結果より、素子の高電位
状態と低電位状態の間にはほぼ１Ｖの電位差があり、し
かも長期にわたる保存を経ても情報の劣化が起こること
はないことが確認された。

【００６２】また、本実施例の素子における記録動作速
度は、一般の半導体素子に比べて遅いが、これは電流に
比べて電極面積が大きいことによるものであるので、半
導体の微細化プロセスを適用して、例えば０．５μｍ×
０．５μｍ程度の素子を作成すれば、面積比から素子の
電気容量は本実施例の4万分の1となるので、記録速度も
それに応じて高速化することが可能である。

【００６３】〔実施例２〕以下に、実施例２として、本
発明の３値保持ができる電圧測定型の素子についての実
施例を示す。

【００６４】まず、シリコン基板２の上に予め酸化皮膜
絶縁層３が形成されている基体を準備した。この上に、
図２に示されるごとく、活物質面積が０．１×０．１ｍ
ｍとなるようにスパッタにより情報記録素子（情報記録
単位）を作製した。

【００６５】すなわち、Ａｌからなる電極層（膜厚１０
０ｎｍ）、Li_0.75CoO₂からなる正極活物質層（膜厚５０
ｎｍ）、25Li₂O-25Al₂O₃-50SiO₂からなる固体電解質層
（膜厚２０ｎｍ）、Li_0.75CoO₂からなる負極活物質層
（膜厚５０ｎｍ）、Ａｌからなる電極層（膜厚１００ｎ
ｍ）を順次積層して素子を完成させた。

【００６６】なお、ここで、述べた膜構造、特に活物質
層は、イオンの保持、イオン伝導の能力によって任意に
選ばれるべきものであり、本発明は、本実施例の構成の
みに制限されるものではない。

【００６７】このようにして完成した素子（情報記録単
位）を用い、下記の要領で、素子の正極側電極層、負極
側電極層から、微小電流を流して３値データの記録、読
み出しを行なった。

【００６８】すなわち、まず最初に、この素子の正極−
負極間に１ｍｓ、＋０．５Ｖのパルスをかけることによ
り、信号の記録を行なった。

【００６９】その後、１０ｎｓ、１μＡの電流パルスを
正極から負極方向と、負極から正極方向へと交互にかけ
てその電位を測定した。その結果、０．３８Ｖの電位が
素子に残留していることが確認された。

【００７０】その後、測定用の電流パルスを１０００万
回かけた後に再び電位を測定した。その結果、素子電位
は０．３８Ｖで変化は見られなかった。このことから、
本発明の素子が、高い読み出し耐性を持っていることが
確認された。また、記録後の電位を、時間経過とともに
測定して表示すると以下のようになった。

【００７１】時 間 電位(Ｖ) 記録時 ０．３８ １分 ０．３８ １時間 ０．３８ １日 ０．３８ ３０日 ０．３８

【００７２】次にこの素子の正極−負極間に１ｍｓ、０
Ｖ(ショート状態)のパルスをかけることにより信号の記
録を行なった。その後、１０ｎｓ、１μＡの電流パルス
を正極から負極方向と、負極から正極方向へと交互にか
けてその電位を測定した。

【００７３】その結果、０．０５Ｖの電位が素子に残留
していることが確認された。その後、測定用の電流パル
スを１０００万回かけた後に再び電位を測定したとこ
ろ、素子電位は０．０５Ｖで変化は見られなかった。こ
の実験結果より、本発明の素子が、高い読み出し耐性を
持っていることが確認された。また、記録後の電位を、
時間経過とともに測定して表示すると以下のようになっ
た。

【００７４】時 間 電位(Ｖ) 記録時 ０．０５ １分 ０．０５ １時間 ０．０６ １日 ０．０６ ３０日 ０．０６

【００７５】次に、この素子の正極−負極間に１ｍｓ、
−０．５Ｖのパルスをかけることにより信号の記録を行
なった。その後、１０ｎｓ、1μＡの電流パルスを正極
から負極方向と、負極から正極方向へと交互にかけてそ
の電位を測定した。その結果、−０．３８Ｖの電位が素
子に残留していることが確認できた。

【００７６】その後、測定用の電流パルスを１０００万
回かけた後に再び電位を測定してみたところ、素子電位
は−０．３８Ｖで変化が見られなかった。この実験結果
より、本発明の素子が、高い読み出し耐性を持っている
ことが確認された。また、記録後の電位を、時間経過と
ともに測定して表示すると以下のようになった。

【００７７】時 間 電位(Ｖ) 記録時 −０．３８ １分 −０．３８ １時間 −０．３８ １日 −０．３８ ３０日 −０．３８

【００７８】次に、この素子の正極−負極間に再び１ｍ
ｓ、０Ｖ(ショート状態)のパルスをかけることにより信
号の記録を行なった。

【００７９】その後、１０ｎｓ、１μＡの電流パルスを
正極から負極方向と、負極から正極方向へと交互にかけ
てその電位を測定した。その結果、−０．０５Ｖの電位
が素子に残留していることが確認できた。

【００８０】その後、測定用の電流パルスを１０００万
回かけた後に、再び電位を測定したところ、素子電位は
−０．０５Ｖで変化が見られなかった。この実験結果よ
り、本発明の素子が、高い読み出し耐性を持っているこ
とが確認された。また、記録後の電位を、時間経過とと
もに測定して表示すると以下のようになった。

【００８１】時 間 電位(Ｖ) 記録時 −０．０５ １分 −０．０５ １時間 −０．０６ １日 −０．０６ ３０日 −０．０６

【００８２】このことから、本実施例の活物質系を用い
れば電位が−０．２Ｖ以下、＋０．２Ｖ以上、およびそ
の中間という簡単な基準で単一素子に３値を保持するこ
とが可能であることがわかる。また、この系は、不揮発
性であることもわかる。

【００８３】〔実施例３〕以下に、実施例３として、本
発明の第２の実施態様の素子、すなわち図３に示される
ような抵抗測定型の素子についての実施例を示す。

【００８４】まず、シリコン基板２の上に予め酸化皮膜
絶縁層３が形成されている基体を準備した。この上に、
図３に示されるごとく、活物質面積が０．１×０．１ｍ
ｍとなるようにスパッタにより情報記録素子（情報記録
単位）を作製した。

【００８５】すなわち、Ａｌからなる電極層（膜厚１０
０ｎｍ）、ＬｉＴｉＯ₂からなる正極活物質層（膜厚５
０ｎｍ）、25Li₂O-25Al₂O₃-50SiO₂からなる固体電解質
層（膜厚２０ｎｍ）、カーボンからなる負極活物質層
（膜厚５０ｎｍ）を順次形成させ、さらにカーボンから
なる負極活物質層の上に、電流印加用のＣｕ電極層（膜
厚１００ｎｍ）と抵抗測定用Ｃｕ電極層を（膜厚１００
ｎｍ）とを２０μｍの間隙をあけて並列に形成して素子
を完成させた。

【００８６】なお、ここで、述べた膜構造、特に活物質
層は、イオンの保持、イオン伝導の能力によって任意に
選ばれるべきものであり、本発明は、本実施例の構成の
みに制限されるものではない。また、正極と負極のいず
れかに抵抗測定極を設けるかについても、材料次第で任
意であり、正極側に端子を設けても特に問題はない。

【００８７】このようにして完成した素子（情報記録単
位）を用い、下記の要領で、対向配置された電流印加用
Ａｌ電極層と電流印加用Ｃｕ電極層との間に微小電流を
流して1ビットデータの記録を行ない、しかる後、並列
配置された電流印加用Ｃｕ電極層と抵抗測定用Ｃｕ電極
層との間に微小電流を流してデータの読み出しを行なっ
た。

【００８８】すなわち、まず最初に、この素子のＡｌ電
極層から電流印加用Ｃｕ電極層に１ｍｓ、１．５Ｖのパ
ルスをかけることにより、信号の記録を行なった。

【００８９】その後、１μＡ、１０ｎｓの電流を並列配
置された電流印加用Ｃｕ電極層と抵抗測定用Ｃｕ電極層
との間に流して抵抗を測定した。その結果、３．５Ωの
抵抗が素子にあることがわかった。

【００９０】その後、測定用の電流パルスを１０００万
回かけた後に再び電位を測定したところ、素子抵抗は
３．５Ωで変化が見られなかった。この実験結果から、
本発明の素子が、高い読み出し耐性を持っていることが
確認された。また、記録後の抵抗を、時間経過とともに
測定して表示すると以下のようになった。

【００９１】時 間 抵抗(Ω) 記録時 ３．５ １分 ３．５ １時間 ３．５ １日 ３．５ ３０日 ３．５

【００９２】次に、Ａｌ電極層から電流印加用Ｃｕ電極
層に１ｍｓ、０Ｖ(ショート状態)のパルスをかけ、信号
を記録した後に１μＡ、１０ｎｓの電流を、並列配置さ
れた電流印加用Ｃｕ電極層と抵抗測定用Ｃｕ電極層との
間に流して抵抗を測定した。

【００９３】その結果、２８４Ωの抵抗が素子にあるこ
とが確認できた。その後、測定用の電流パルスを１００
０万回かけた後に再び電位を測定したところ、素子抵抗
は２８４Ωで変化が見られなかった。また、記録後の抵
抗を、時間経過とともに測定して表示すると以下のよう
になった。

【００９４】時 間 抵抗(Ω) 記録時 ２８４ １分 ２８４ １時間 ２８３ １日 ２８３ ３０日 ２８３

【００９５】このことから、本発明の素子は極めて大き
い抵抗変化を持ち、極めて容易に情報を読み出すことが
可能であることが確認できた。

【００９６】

【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明の一態様は、情報記録単位を複
数個備えてなる情報記録素子であって、前記情報記録単
位は、対向配置された少なくとも２つの電流印加用電極
層と、これら２つの電極の対向配置側にそれぞれ形成さ
れた第１および第２の活物質層と、第１および第２の活
物質層に挟持された電解質層とを有し、前記第１および
第２の活物質層は、それぞれ、少なくとも１種以上のイ
オンを可逆的に吸蔵、放出できる物質からなり、前記電
解質層は、前記イオンを伝導しつつ電子伝導しない物質
からなり、前記情報記録単位は、電極間の電位を変える
ことによって情報が記録され、電極間の電位差を検出す
ることによって情報が読み出されるように作用してなる
ように構成されているので、不揮発性の特性を備え、極
めて簡易な構造で、しかも極めて低い電圧で記録でき
る。より具体的には、従来のFlash EEPROM素子に比べ、
極めて低い電圧で記録でき、かつDRAMにない不揮発性を
持った記録素子を簡素な回路で製造できる。さらに、極
めて簡易な素子構造は、記録デバイスへの展開を容易に
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における情報記録素子を構成する情報記
録単位の基礎的な構造を示す概略断面図である。

【図２】本発明における情報記録素子を構成する情報記
録単位を半導体基板であるシリコン基板の上に絶縁層を
介して形成した状態を示す概略断面図である。

【図３】本発明における情報記録素子を構成する情報記
録単位を半導体基板であるシリコン基板の上に絶縁層を
介して形成した状態を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１，６…情報記録素子 １０，６０…情報記録単位 １１，１５，７１，７５…電流印加用電極 ２１，２５…活物質層 ３０…電解質層 ７２…抵抗測定用電極層

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 情報記録単位を複数個備えてなる情報記
   録素子であって、 前記情報記録単位は、対向配置された少なくとも２つの
   電流印加用電極層と、これら２つの電極の対向配置側に
   それぞれ形成された第１および第２の活物質層と、第１
   および第２の活物質層に挟持された電解質層とを有し、 前記第１および第２の活物質層は、それぞれ、同種の少
   なくとも１種以上のイオンを可逆的に吸蔵、放出できる
   物質からなり、 前記電解質層は、前記イオンを伝導しつつ電子伝導しな
   い物質からなり、 前記情報記録単位は、電極間の電位を変えることによっ
   て情報が記録され、電極間の電位差を検出することによ
   って情報が読み出されるように作用してなることを特徴
   とする情報記録素子。
2. 【請求項２】 情報の読み出し時に電気量の総和が実質
   的に零になる電流パルスをかけて電極間の電位差を検出
   してなる請求項１に記載の情報記録素子。
3. 【請求項３】 前記電極間の電位差として、正、０、お
   よび負の三値を用いて情報を記録してなる請求項１また
   は請求項２に記載の情報記録素子。
4. 【請求項４】 前記電解質層は、無機固体電解質を用い
   て形成される請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
   の情報記録素子。
5. 【請求項５】 情報記録単位を複数個備えてなる情報記
   録素子であって、 前記情報記録単位は、第１および第２の活物質層と、第
   １および第２の活物質層に挟持された電解質層と、第１
   の活物質層の上に所定の間隙を設けて形成された電流印
   加用電極層および抵抗測定用電極層と、第２の活物質層
   の上に形成された電流印加用電極層を有し、 前記第１および第２の活物質層は、それぞれ、同種の少
   なくとも１種以上のイオンを可逆的に吸蔵、放出できる
   物質からなり、 前記電解質層は、前記イオンを伝導しつつ電子伝導しな
   い物質からなり、 前記情報記録単位は、対向する電流印加用電極間の電位
   を変えることによって情報が記録され、第１の活物質層
   の上に所定の間隙を設けて形成された電流印加用電極層
   および抵抗測定用電極層によって第１の活物質層の内部
   抵抗を測定することによって情報が読み出されるように
   作用してなることを特徴とする情報記録素子。
6. 【請求項６】 前記電解質層は、無機固体電解質を用い
   て形成される請求項５に記載の情報記録素子。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれかに記
   載の情報記録素子は、半導体基板の上に絶縁物を介して
   形成されてなることを特徴とする情報記録素子。
8. 【請求項８】 さらに絶縁物層を介して、平面配置され
   た情報記録素子を多層に積層してなる請求項７に記載の
   情報記録素子。