東北大ら,次世代相変化メモリの新材料を開発

東北大学の研究グループは,産業技術総合研究所および韓国Hanyang大学らと共同で,既存材料とは逆の電気特性を示す相変化材料(Cr2Ge2Te6)の開発に成功した(ニュースリリース)。

次世代不揮発性メモリとして,相変化メモリ(PCRAM)が注目されている。PCRAMの記録層には「相変化材料」と呼ばれる,アモルファス相と結晶相の可逆的な変化が可能な材料が用いられる。通常,アモルファス相は高い電気抵抗を有し,結晶相は低い電気抵抗を有する。

PCRAMでは,異なる大きさの電気パルスを印加してジュール加熱することで相変化を可逆的に生じさせ,その変化に伴う電気抵抗変化を利用して情報を記録する。現在,PCRAM用の相変化材料には,Ge-Sb-Te 系カルコゲナイド化合物(GST)が利用されている。

GSTのメリットは,数十nsの短時間で相変化を示すことで,PCRAMの高速動作を可能にしている。しかしながら,次世代PCRAMに向け,GSTの材料的課題が指摘されている。第一の課題は,GSTが160℃程度の温度で容易に結晶化してしまうこと。このため,意図せず記録情報が書き換えられるリスクがある。

第二の課題は,GSTを相変化させるために要するエネルギー,特に,アモルファス化するための消費電力が高いこと。これは,GSTの融点が高く,また,結晶相が低い電気抵抗を有していることに起因する。

開発したCr2Ge2Te6化合物は270℃程度と高い結晶化温度を有し,極めてアモルファス相の耐熱性に優れていることを見出した。さらに,この材料は従来材とは逆に,結晶相の方がアモルファス相よりも高い電気抵抗を有することが分かった。また,この材料のアモルファス相および結晶相は共に半導体的性質を持つが,この結晶化に伴う電気抵抗の上昇は,相変化に伴うキャリア濃度(電流の担い手の濃度)の減少に起因していることを突き止めた。

この材料は,結晶相が高い電気抵抗を有するというユニークな特長を有するため,ジュール加熱によるアモルファス化に必要な電流を大幅に低減できる。また,記憶素子の電気抵抗は界面接触抵抗(この場合,金属電極と相変化材料の界面に生じる電気抵抗)に支配されるため,高い電気抵抗を示す結晶相を持つこの材料では電極界面上に極小のアモルファス領域が形成されるだけで大きな電気抵抗変化が得られ,PCRAM動作の消費電力を従来材に比して90%以上低減できることを実証している。

加えてこの材料は,30nsでの高速書き換え動作が可能であり,低消費電力,高速動作,高温データ保持性を兼ね備えるPCRAMの実現が大いに期待出来るとしている。

研究グループは今後,この材料を用いたPCRAM実現に向け,長期データ書き換え性などのメモリ動作性能の更なる評価と共に,高速相変化メカニズムを解明していく計画。

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