Displacive transforamtion-type polymprohic semiconductors for non-volatile memory

Research Project

Project/Area Number	21H04604
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	須藤祐司東北大学, 工学研究科, 教授 (80375196)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	山本卓也東北大学, 工学研究科, 助教 (10804172) 齊藤雄太国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (50738052)
Project Period (FY)	2021-04-05 – 2022-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000) Fiscal Year 2021: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000)
Keywords	相変化メモリ / 無次元数 / トムソン効果 / 不揮発性メモリ / PCRAM / 多形転移
Outline of Research at the Start	IoTを介して人とモノが繋がる事で様々な知識や情報が共有されてきており、Society 5.0に向けては、それら膨大なデータを保管する不揮発性メモリ(NVM)の大容量化のみならず、省エネルギー化や高速化が強く望まれている。既存フラッシュメモリに代わる次世代NVMとして、相変化材料のアモルファス相/結晶相間の電気抵抗差を利用した相変化メモリが注目されている。現在、Ge-Sb-Te相変化材料が実用されているが、将来に向けては動作電力の高さに課題を残している。本研究では、結晶多形を持つ半導体を真相変化材料として提案し、超省エネ型の次世代NVM：「結晶多形メモリ」の創成に挑戦する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、結晶多形転移半導体を提案し、その多形転移機構の学理を構築すると共に、次世代メモリ：「結晶多形メモリ」に向けた材料ブレークスルーを目指すことを目的としている。本研究期間では、相変化メモリデバイスのメモリ層である相変化材料層のジュール加熱による温度上昇について、特に、温度上昇に及ぼすトムソン効果を評価するための新しい無次元数を作成した。本解析にあたっては、既存のＧｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系相変化材料（ＧＳＴ）を例として取り上げ評価した。その結果、トムソン効果は、電極とＧＳＴ相変化材料の界面での接触抵抗の寄与を示す無次元数：Ｃ＝ρ／（Δｘ／σ）に支配されることが分かった。ここで、ρは電極と相変化材料の接触抵抗、Δｘは相変化材料の厚さ、σは相変化材料の電気伝導度を示す。Ｃが１よりも非常に小さい場合、即ち、相変化材料の体積抵抗が支配的な場合は、トムソン効果は無次元数：Ｂ＝μ・σ・ΔΦ／ｋによって評価できることが分かった。ここで、μはトムソン効果、ΔΦは電圧、ｋは相変化材料の熱伝導度である。一方、Ｃが１に近いあるいは１より大きい場合、即ち、電極と相変化材料の接触抵抗が無視できない場合は、トムソン効果は無次元数：Ｂ／（１＋Ｃ）により評価できることが分かった。以上の無次元数を用いた解析により、ＧＳＴ系相変化材料の場合では、ＧＳＴが高温になるとトムソン効果に起因して温度上昇が約１０～２０％抑制されることが分かった。以上の無次元数解析を導入することで、多形半導体メモリの動作メカニズムをより深く理解することが可能となる。
Research Progress Status	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。