2020 Fiscal Year Research-status Report

遷移金属元素ドープによる相変化材料GeTeの結晶歪を制御した結晶化温度の改善

Research Project

Project/Area Number	20K04568
Research Institution	Ube National College of Technology
Principal Investigator	仙波伸也宇部工業高等専門学校, 電気工学科, 教授 (40342555)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	浅田裕法山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70201887) 佐藤仁広島大学, 放射光科学研究センター, 准教授 (90243550)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	相変化 / 不揮発性メモリ / 結晶化温度
Outline of Annual Research Achievements	次世代不揮発性メモリとして、アモルファス－結晶間の相変化に伴う電気抵抗の差を利用した相変化メモリに注目している。現在の相変化材料に対する主要な問題点として高書き換え電力及び低データ保持性能が挙げられる。改善策として、相変化材料に遷移金属元素を添加し、アモルファス相における原子間結合を強固化することによって結晶化温度を上昇させることを提案している。本研究では、高いMn固溶性と良好な結晶性をもつGe1-xMnxTeに着目し、結晶化温度と電気抵抗変化に対するMn添加効果を調べるとともに、T型構造をもつデバイスを作製し、相変化メモリ材料としての機能性について検証することを目的としている。 2020年度には、第一に、石英基板上に室温でGeTe、MnおよびTeの3つのKセル蒸着源を用いて種々のMn濃度を有するアモルファスGe1-xMnxTeを成膜し、その抵抗の温度特性から結晶化温度を評価した。測定試料は、200nm成膜後に50μm幅の細線加工を施し、さらに10μmギャップの電極を蒸着することで測定領域を限定することによって測定精度の向上を図った。第二に、微細加工によるT型構造のメモリデバイスを作製するために、有限要素法による電界／熱伝導特性のシミュレーション実験を行い、その寸法について検討した。特に、アモルファス化を実現するための電力について検討し、ヒーター電極に凹型構造を施すことによって、30％程度の電力削減効果を得ることができた。第三に、メモリのスイッチング特性を評価するための測定システムを構築した。システムはパルス信号発生器、オシロスコープ、高感度電流増幅アンプをコンピューターで自動制御するものである。微小電流に対するノイズ対策が今後の課題である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason １．石英基板上に室温でGeTe、MnおよびTeの3つのKセル蒸着源を用いて種々のMn濃度を有するアモルファスGe1-xMnxTeを成膜してきたが、超高真空装置の基板加熱機構に不具合が生じ、修復に時間を要したために試料作製が滞り、全体として遅れている。また、Ｍｎ組成の調整にも課題が残された。２．研究計画では、広範囲なMn濃度をもつ試料に対して価電子及び内殻の電子状態観測を行うことで結晶化温度のMn依存性を電子状態の観点から考察することとしている。その実験は研究分担者所属の実験設備を使用する計画であったが、コロナ禍の影響によって移動が制限されたために、計画通りに実現できていない。
Strategy for Future Research Activity	試料製作について、当初の予定を変更し、GeTeとMnTeの2つのKセル蒸着源を用いてアモルファスGe1-xMnxTeを成膜することとする。入力条件を一つ削減することによって、種々のMn濃度を有する試料の作成を効率的に作製する。各試料に対する結晶化温度の評価については、2020年度に微細加工を施すことによって精度向上が認められたので、そのまま適用して実験を進める。メモリ素子の作製については、2020年度に要素技術としてヒーター部と相変化膜をシーケンシャルに作製する手法を提案できているので、ヒーター部の量産を進めて、素子の試作を行う。大きな課題は円柱状ヒーターの断面積をどこまで小さくできるかである。素子寸法とスイッチング条件については、引き続き、有限要素法を用いたシミュレーション実験を併用しながら検討する。メモリ素子の作製が実現できた後に実施するスイッチング特性の評価については、そのシステムの改良を進める。2021年度には高精度なパルス信号発生器を導入すると同時にノイズ対策を施し、高速かつ微小電流測定を実現する。 Mn添加による化学結合状態の変化を光電子分光実験で探る計画である。温度可変で内殻の結合エネルギーに対するMn添加効果を実験できる環境の整備を進める。
Causes of Carryover	コロナ禍の影響で移動が制限されたので予定していた学会と研究打ち合わせの旅費が繰り越される。また、光電子分光実験の環境整備が進まず、その消耗品購入経費も繰り越される。繰り越される予算については2021年度に、実験環境の整備費、またその打ち合わせ経費として使用する。