Ｃｒ－Ｇｅ－Ｔｅ系層状物質の高速相変化機構の解明及び不揮発性メモリへの応用

• 研究課題/領域番号: 17J02967
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 畑山 祥吾 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2019年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 相変化メモリ / 相変化材料 / カルコゲナイド / アモルファス / 遷移金属

研究実績の概要

本研究の目的は、CrGTの高速相変化機構の解明および不揮発性メモリへの応用である。本年度は、以下の知見を得た。
初めにEXAFSとHAXPESを用いて局所構造の観点からCrGTの相変化機構を調査した。その結果、CrGTは結晶化直後にアモルファス相と局所構造の類似した準安定相が出現し、その後、Crが僅かに移動するだけで安定相に変化することを突き止めた。これは、CrGTの高速相変化が相同士の局所構造類似性によってもたらされていることを示唆している。加えて、相変化による結合状態変化を調査し、結晶CrGTのキャリア生成起源がCr空孔であることも突き止め、準安定相から安定相へと変化する過程でCr空孔が徐々に減少し高抵抗化していることを明らかにした。このようなアモルファス相から安定相へと変化する過程で生じる高抵抗化は価電子端近傍のスペクトルにも明確に反映されることが分かった。アモルファス相では価電子端近傍に位置していたフェルミ準位が、安定相へと変化するにつれてバンドギャップ中に入り込み、最終的にはバンドギャップの殆ど中央付近に位置するため高抵抗になることを明らかにした。
上記に加えてCrGTデバイスの動作特性を調査し、2000回を上回る繰り返し書き換え性能を実証した。また、デバイスを微細化させていくとCrGTは急激な動作エネルギーの低減を示し、実製品レベルまで微細化した際には実用材GSTよりも98%以上低いエネルギーで動作可能であることが分かった。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Hanyang University(韓国)
• [国際共同研究] Hanyang University(韓国)
• [国際共同研究] Hanyang University(韓国)
• [雑誌論文] Relation between density and optical contrasts upon crystallization in Cr2Ge2Te6 phase-change material: Coexistence of a positive optical contrast and a negative density contrast (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, D. Ando, Y. Sutou
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 52 号: 32 ページ: 325111-325111
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ab233f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cr-Triggered Local Structural Change in Cr2Ge2Te6 Phase Change Material (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, Y. Shuang, P. Fons, Y. Saito, A.V. Kolobov, K. Kobayashi, S. Shindo, D. Ando, Y. Sutou
  • 雑誌名: ACS Applied Materials and Interfaces 巻: 11 号: 46 ページ: 43320-43329
  • DOI: 10.1021/acsami.9b11535
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrical transport mechanism of the amorphous phase in Cr2Ge2Te6 phase change material (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, Y. Sutou, D. Ando, J. Koike and K. Kobayashi
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 52 号: 10 ページ: 105103-105109
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aafa94
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystallization mechanism and kinetics of Cr2Ge2Te6 phase change material (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, Y. Sutou, D. Ando, J. Koike
  • 雑誌名: MRS Communications 巻: 8 号: 3 ページ: 1167-1172
  • DOI: 10.1557/mrc.2018.176
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contact resistance change memory using N-doped Cr2Ge2Te6 phase-change material showing non-bulk resistance change (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Shuang, Y. Sutou, S. Hatayama, S. Shindo, Y.-H. Song, D. Ando and J. Koike
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 18 ページ: 183504-183508
  • DOI: 10.1063/1.5029327
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inverse Resistance Change Cr2Ge2Te6-Based PCRAM Enabling Ultralow-Energy Amorphization (2018)
  • 著者名/発表者名: Shogo Hatayama, Yuji Sutou, Satoshi Shindo, Yuta Saito, Yun-Heub Song, Daisuke Ando, and Junichi Koike
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 10 号: 3 ページ: 2725-2734
  • DOI: 10.1021/acsami.7b16755
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Inverse Resistance Change PCRAM with Cr2Ge2Te6 (2019)
  • 著者名/発表者名: Shogo Hatayama and Yuji Sutou
  • 学会等名: The Future of Materials Engineering - Dramatic Innovation to the next 100 years
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Conduction mechanism of sputtered amorphous Cr2Ge2Te6 film (2019)
  • 著者名/発表者名: Shogo Hatayama, Daisuke Ando, Keisuke Kobayashi and Yuji Sutou
  • 学会等名: European Phase-Change and Ovonic Symposium 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 逆抵抗変化型Cr2Ge2Te6相変化材料のメモリ特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, 安藤大輔, 須藤祐司
  • 学会等名: 日本金属学会 第165回秋期講演大会
• [学会発表] Local Structural Change in Cr2Ge2Te6 Phase Change Material, Inducing Abnormal Phase Change Behavior (2019)
  • 著者名/発表者名: Shogo Hatayama, Yi Shuang, Paul Fons, Yuta Saito, Alexander V. Kolobov, Keisuke Kobayashi, Satoshi Shindo, Daisuke Ando and Yuji Sutou
  • 学会等名: The Symposium on Phase Change Oriented Science 2019
  • 招待講演
• [学会発表] スパッタ法により成膜したCr-Ge-Te化合物薄膜の相変化挙動 (2019)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, 安藤大輔, 須藤祐司
  • 学会等名: 日本材料科学会 第26回若手研究者討論会
• [学会発表] 逆抵抗変化型Cr2Ge2Te6相変化材料の局所構造変化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, イ・シュアン, フォンス・ポール, 齊藤雄太, コロボフ・アレキサンダー, 小林啓介, 進藤怜史, 安藤大輔, 須藤祐司
  • 学会等名: 日本金属学会 第166回秋期講演大会
• [学会発表] 不揮発性メモリ用Cr2Ge2Te6相変化材料の局所構造の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, シュアン・イ, フォンス・ポール, 齊藤雄太, コロボフ・アレキサンダー, 小林啓介, 進藤怜史, 安藤大輔, 須藤祐司
  • 学会等名: 応用物理学会 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 相変化メモリ(PCRAM)の省エネルギー化に向けた材料開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 須藤祐司, 畑山祥吾
  • 学会等名: 応用物理学会 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 低抵抗アモルファスCr2Ge2Te6の電気伝導機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, 須藤祐司, 安藤大輔, 小池淳一, 小林啓介
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] アモルファスCr2Ge2Te6相変化材料の電気伝導機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, 須藤祐司, 安藤大輔, 小池淳一, 小林啓介
  • 学会等名: 第164回金属学会春期講演大会
• [学会発表] Inverse Resistance Change PCRAM with Cr2Ge2Te6 Phase Change Material (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, Y. Sutou, S. Shindo, Y.-H. Song,
  • 学会等名: MRS 2018 Spring meetig
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrogen-Doped Cr-Ge-Te Films for Phase Change Random Access Memory (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Shuang, S. Hatayama, S. Shindo, D. Ando, Y. Sutou and J. Koike
  • 学会等名: MRS 2018 Spring meetig
  • 国際学会
• [学会発表] Phase Change Characteristics of TM-Ge-Te (TM: Cu and Cr) (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sutou, S. Shindo, S. Hatayama, Y. Shuang, J. Koike and Y. Saito
  • 学会等名: MRS 2018 Spring meetig
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 逆抵抗変化Cr2Ge2Te6相変化材料の結晶化メカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, 須藤祐司, 安藤大輔, 小池淳一, 齊藤雄太, 進藤怜史, ユン ヘブ ソン
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Crystallization Kinetics of Inverse Resistance Change Cr2Ge2Te6 (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, Y. Sutou, D. Ando and J. Koike
  • 学会等名: European Phase-Change and Ovonic Symposium 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Phase Change Behavior of Non-bulk Resistance Change N-doped Cr2Ge2Te6 Phase Change material (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Shuang, S. Hatayama, Y. Sutou, D. Ando, J. Koike, H. Tanimura and T. Ichitsubo
  • 学会等名: European Phase-Change and Ovonic Symposium 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 低抵抗アモルファス相と高抵抗結晶相を有するCr2Ge2Te6を用いた相変化メモリ (2018)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾, 須藤祐司, 安藤大輔, 小池淳一
  • 学会等名: シリコン材料・デバイス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Non-isothermal crystallization kinetics of amorphous Cr2Ge2Te6 film (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Hatayama, Y. Sutou, D. Ando and J. Koike
  • 学会等名: Symposium on Phase Change Oriented Science 2018
• [学会発表] Cr2Ge2Te6を用いた相変化メモリの動作特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 畑山祥吾、須藤祐司、安藤大輔、小池淳一
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Inverse resistance switching behavior of Cr2Ge2Te6-based PCRAM (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Hatayama, Yuji Sutou, Satoshi Shindo, Yuta Saito, Yun-Heub Song, Daisuke Ando and Juncihi Koike
  • 学会等名: The 29th Symposium on Phase Change Oriented Science (PCOS2017)
• [学会発表] Inverse resistance change behavior of Cr2Ge2Te6 phase change material (2017)
  • 著者名/発表者名: Shogo Hatayama, Yuji Sutou, Satoshi Shindo, Yuta Saito, Yun-Heub Song, Daisuke Ando and Junichi Koike
  • 学会等名: European Phase Change and Ovonic Symposium 2017 (EPCOS2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Phase Change Behavior of N-doped Cr-Ge-Te Film (2017)
  • 著者名/発表者名: Yi Shuang, Shogo Hatayama, Satoshi Shindo, Daisuke Ando, Yuji Sutou, Junichi Koike
  • 学会等名: European Phase Change and Ovonic Symposium 2017 (EPCOS2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Nitrogen doping on the properties of Cr-Ge-Te ternary compound film (2017)
  • 著者名/発表者名: Yi Shuang, Shogo Hatayama, Satoshi Shindo, Daisuke Ando, Yuji Sutou, Junichi Koike
  • 学会等名: The 29th Symposium on Phase Change Oriented Science (PCOS2017)
• [学会発表] Transition Metal-Ge-Te Chalcogenides for PCRAM Material (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sutou, S. Shindo, S. Hatayama, Y. Saito, J. Koike
  • 学会等名: Solid State Devices and Materials (SSDM2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 次世代相変化メモリーの新材料を開発 超低消費電力でのデータ書き込みが可能に
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2018/01/press20180112-03.html