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物性・原理

高強度テラヘルツパルスによる相変化材料の新たな結晶成長機構の発見 ~ナノスケールの新規メモリデバイス開発に期待

 京都大学,筑波大学,東海大学,及び国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年10月12日,京都大学 化学研究所の廣理 英基准教授ら,筑波大学 数理物質系の長谷 宗明教授,東海大学 工学部 光・画像工学科の立崎 武弘講師,産業技術総合研究所 ナノエレクトロニクス研究部門の齊藤 雄太主任研究員らの研究グループが,高強度テラヘルツパルスを相変化記録材料GeSbTe化合物(GST)に照射すると,アモルファス状態からナノスケールで結晶成長する機構を発見した,と発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」の支援を受け,成果は米国物理学会速報論文誌Physical Review Lettersで公開された(注).

 ビデオや大容量のデータの記録に用いられるDVDの記録材料であるGeSbTe化合物(GST)などのカルコゲン化合物半導体は,結晶から非晶質(アモルファス)への相変化に伴い電気抵抗や光屈折率が大きく変化する.DVDはこの相変化に伴う反射率の差(屈折率の差)を利用して情報を記録している.GSTにおける相変化に伴う電気抵抗の変化(電気的スイッチング)も,今後,コンピューターや電気機器の省エネルギー化に貢献する不揮発性メモリとして利用が期待される.電気的スイッチングは,1ナノ秒(ns)程度の電流を流したときに発生するジュール熱によって相変化を制御しているが,加熱中に熱がマイクロメートル程度に拡散してしまうので,熱拡散の抑制がナノスケールの超小型メモリ開発における課題となっている.

 これに対し本研究グループは,1ピコ秒(ps)極短時間だけ電場が持続する高強度テラヘルツパルス(THzパルス)を用いることにより,熱の拡散を極限的に抑制し,アモルファスGST薄膜においてナノスケールの結晶化を引き起こすことに成功した.膜厚40nmのGST薄膜をスパッタリング法によりSi基板上に形成し,その上に形成した厚さ20nmのZnS-SiO2に,アンテナとなるAu細線を厚さ100nm,幅10μm,長さ80μm,間隔5μmで複数本設けた.これに高強度レーザーパルスから発生させたTHzパルスを照射し,GSTの相変化を光プローブで観察した.2ps程度の遅れで200kV/cm近いTHz電界が誘起され,光反射率の増加が見られた.ラマンシフトの測定から,THzパルス照射により結晶化していることが確かめられた.高電界により電子が価電子帯から伝導帯に遷移するゼナートンネリングにより電界の集中する局所だけに電流が流れてジュール熱が発生して,結晶成長が進むため電場方向に沿った異方的な結晶成長がナノスケールで起こっていることがわかった.

 本研究により,高電場・短パルスの電場パルスを用いた新たな結晶化・結晶成長機構が明らかになった.今後,GSTを用いたメモリデバイスの微細化に向けた研究の発展,「高電場による物質の制御」を目指した研究の加速を期待している.

(注)Yasuyuki Sanari, Takehiro Tachizaki, Yuta Saito, Kotaro Makino, Paul Fons, Alexander V. Kolobov, Junji Tominaga, Koichiro Tanaka, Yoshihiko Kanemitsu, Muneaki Hase, and Hideki Hirori, "Zener tunneling breakdown in phase-change materials revealed by intense terahertz pulses", Physical Review Letters, Vol. 121, p. 165702 - Published 19 October 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.165702