2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of d-electron based phase change chalcogenide for next generation non-volatile memory
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18H02053
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
須藤 祐司 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80375196)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 相変化材料 / 相変化メモリ / アモルファス / 伝導機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Ｃｕ２ＧｅＴｅ３やＣｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６といった遷移金属を含有するカルコゲナイド系相変化材料について、その物性や伝導機構変化、局所構造や結合状態変化を調査し、新タイプの相変化材料：ｄ電子系相変化材料の相変化機構を解明する事を目的とし、本期間において以下の知見を得た。
（１）結晶化メカニズム
Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスの結晶化過程について、示差走査熱量計を用いた非等温測定により、Ｏｚａｗａ法を用いて評価した。その結果、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスの結晶化のＡｖｒａｍｉ次数は昇温速度に殆ど影響せず、３程度を示す事が分かった。この事は、その結晶化は界面成長支配である事を示す。一方で、従来材のＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５アモルファスは、同様の実験において大きなＡｖｒａｍｉ次数を示し、核生成支配により結晶化が進行する事を確認した。また、結晶化における速度定数を評価した所、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスの速度定数はＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５のそれとほぼ同等であり、その結晶化速度は高速に進行する事が示された。以上より、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６は、高い結晶化温度を示すと同時に、成長支配による高速結晶化が可能である事が分かった。
（２）伝導機構
低い電気抵抗を有する特異なＣｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスの伝導機構について、伝導の温度依存性から評価した。その結果、３００Ｋ以上の温度領域ではバンド伝導、３００Ｋ以下の温度領域では、ホッピング伝導により伝導している事が明らかとなった。更に、３００Ｋ以下のホッピング伝導は、２００Ｋ以上ではＭｏｔｔ ＶＲＨ伝導、２００Ｋ以下ではＥｆｒｏｓ－Ｓｈｋｌｏｖｓｋｉｉ ＶＲＨ伝導に変化する事が分かった。また、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスでは、従来材料のように、フェルミ準位はバンドギャップの中央にピンニングされておらず、価電子帯の直上に位置している事が明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２０１８年度は、特に、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６に焦点をあて、その結晶化メカニズムを明らかにすると共に、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファス相が有する特異な性質、即ち、一般的な相変化材料アモルファス相よりも極めて低い電気抵抗を有する特徴について、その伝導機構の観点から解析を行った。その結果、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスは、界面成長支配により結晶化が進行すること、アモルファス相の伝導機構は、３００Ｋを境にバンド伝導とホッピング伝導に変化し、更に、２００Ｋを境に、Ｍｏｔｔ－ＶＲＨとＥＳ－ＶＲＨに変化する事を明らかにし、伝導機構の観点からも従来材とは異なる事が分かってきた。また、一般的には、相変化材料のアモルファス相のフェルミ準位は、その不規則構造に由来して、バンドギャップの中央に位置（ピンニングされている）すると理解されているが、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファスでは、そのフェルミ準位は価電子帯近傍に位置している事が明らかとなった。以上のように、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６アモルファス相の伝導機構は、従来材とは異なる特徴を持っている事が示された。以上のように、ｄ電子系相変化材料は、これまでのｐ電子系相変化材料とは、結晶化メカニズムや伝導メカニズムも異なる事を明らかにしており、今後の材料設計指針に重要な知見を与えるものであり、当初の計画通りに進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度も、引き続き、伝導機構について、特に、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６の結晶相について解析を行い、相変化に伴う伝導機構の変化について議論する。また、ｄ電子系相変化材料の化学結合や局所構造の観点から、その相変化メカニズムを解明する。その為、光電子分光測定やＸ線吸収微細構造測定を行う予定である。更に、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６のみならず、Ｃｕ２ＧｅＴｅ３といったｄ電子系相変化材料のメモリ動作についても評価を進める。メモリ動作にあたっては、特に、動作エネルギーや動作速度に注目しながら評価を行う。更に、Ｃｒ２Ｇｅ２Ｔｅ６では、アモルファス相の伝導機構が従来材とは異なる事が分かってきたが、この伝導機構の相違が、アモルファス中の電気抵抗のドリフト現象（材料をある温度で等温保持した時、電気抵抗が徐々に変化してしまう現象）に及ぼす影響を調査し、実用へのメリットデメリットを明確する予定である。
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