| 研究課題/領域番号 |
20K05373
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| 研究機関 | 石川工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
佐野 陽之 石川工業高等専門学校, 一般教育科, 教授 (80250843)
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| 研究分担者 |
桑原 正史 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, 上級主任研究員 (60356954)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 相変化 / 光スイッチ / 物理シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
相変化材料GSTを用いた光スイッチ動作を完全に理解するため、光スイッチ動作の時間スケールでの実験結果を正しく再現できる「リアルなGST相変化シミュレーションモデル」の開発を昨年度に引き続き行った。「GSTの過冷却的な振る舞いの考慮」と「シミュレーションにおいて安定に結晶成長させるための制御項の調整」の改良を行うことによって、レーザー光加熱による結晶化実験のシミュレーション結果を改善することができた。
GSTを用いた光スイッチ全体の連成物理シミュレーションシステムの開発を行い、研究分担者の桑原らが試作した光スイッチの構造を元にしたシミュレーションを行った。ITOヒーター層に2V-520nsのパルス電圧を印加すると、GST全体が速やかに結晶化し、また、4V-90nsのパルス電圧を印加すると、融解後の急冷によってGSTが概ねアモルファス化することをシミュレーションによって確認した。アモルファス化のシミュレーションの詳細な解析から、GST層の過熱が不均一であるため、急冷中に再結晶化が顕著に発生し、また、GST層及びITO層に熱的損傷が生じる可能性があることが分かった。
光吸収の小さい相変化材料の探索に関して、東北大学・須藤らのグループから、「磁性半導体であるMnTeが400℃以下の温度領域で異なる結晶構造への相変態が高速に起こり、波長1000nm以上で光吸収が非常に小さい」という報告があった。そのため、光スイッチ用の有望な相変化材料候補として、MnTeの物性と相変化メカニズムを明らかにするための第一原理計算を始めることにした。熱的に最も安定なα-MnTeに関して、計算手法や計算パラメーター等の情報を収集し、予備的な第一原理計算を行った。構造最適化による格子定数の決定、エネルギーバンド図、誘電率などの計算結果が得られ、その妥当性について検討を行っている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
GSTの相変化シミュレーションモデルの改良を行い、光スイッチの動作解析に十分なリアルな相変化計算ができるようになった。また、相変化光スイッチの動作全体を解析するための総合的なシミュレーションシステムを作成し、試作デバイス構造をもとにしたシミュレーションを実施した。その結果、試作デバイス構造における不均一な加熱に関する問題点を見つけることが出来た。本研究においては、「光スイッチの総合的なシミュレーションシステムの開発」が最も大きな課題であるが、今年度、シミュレーションによって実デバイスの動作解析をすることが出来たので、概ねこの課題を達成することができたことになる。この一連の結果は、当初の研究計画で予定していた重要な成果である。
光吸収の小さい相変化材料の探索に関しては、有望な相変化材料であるMnTeに関する第一原理計算を開始し、α-MnTeの計算結果を得ることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
試作デバイスのシミュ―レーションによって、「GSTの不均一な加熱が、融解後の急冷中おける再結晶化とGST層やITO層の熱的損傷を引き起こす」という問題が明らかになった。この問題を解決するため、不均一な加熱の原因を調べ、ITOヒーター層を含む光スイッチ構造の改良を検討し、最適なデバイス構造の提案を行っていく。
これまで試作やシミュレーションの対象としてきた光スイッチは、ITOヒーター層の通電過熱によってGST層の相変化をコントロールする構造であったが、作成プロセスが複雑であり、ITO層の上にGST層を精度よく形成するのが難しいという問題があった。そのため、ドープSiの通電過熱の仕組みを取り入れた、これまでとは異なる構造の相変化光スイッチについての検討を進め、研究分担者によるデバイスの試作を始める。
光スイッチのための相変化材料として、光吸収が非常に小さいMnTeに関する第一原理計算を進める。まず、熱的に最も安定なα-MnTeについて、第一原理計算の「近似の手法」や計算パラメーターの最も適切な設定を見つける。その後、他の結晶相（β’など）を含む電子状態計算を行い、相変化のメカニズム、電子状態、光学特性について調べていく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナ感染対策・対応のため、研究打ち合わせ及び成果発表のための出張を控えることになり旅費の支出が当初の予定より減少した。また、計算用ワークステーションの購入に関して、大規模モデルのシミュレーションに対応するための十分なメモリ量を確保することを優先し、CPU性能をある程度抑える仕様とすることによって購入価格が当初計画より低くなった。無理のない適正な研究計画の実行とそれに伴う予算執行を行ったため、約13万円を次年度に繰り越すことになった。
（使用計画）
次年度は、主にソフトウェアのアップグレード（バージョンアップ）及びメンテナンスのための費用として使用していく予定である。
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