東北大ら,相変化メモリの消費電力減に新材料発見

東北大学,産業技術総合研究所,慶應義塾大学は,次元層状物質であるNbTe4が,アモルファス/結晶相変化により,一桁以上の大きな電気抵抗変化を生じることを発見した(ニュースリリース)。

外場によって生じる相の変化により大きな物性変化(電気特性や光学特性)を示す相変化材料が,不揮発性メモリやセンサー用の次世代材料として注目されている。相変化材料を用いた不揮発性メモリを相変化メモリ(PCRAM)と呼ぶ。

一般的に,PCRAMに用いられる相変化材料は,アモルファス相と結晶相の間での相変化が利用される。通常,アモルファス相は高い電気抵抗を持つ一方,結晶相は低い電気抵抗を持ち,この相の電気抵抗差を利用してデータを記録する。材料の相変化は電気パルスの印加によりジュール加熱をすることで行なう。

現在,実用のPCRAMには,Ge-Sb-Te化合物(GST)が利用されている。GSTのメリットは,数十ナノ秒といった高速動作が可能であることと,データ書き換えの耐久性にも優れていることがある。しかし次世代 PCRAMの開発に向け,GSTの材料的課題が指摘されている。

第一の課題は,GSTが持つ低い結晶化温度(約160℃)に起因した低い耐熱性により,意図しないデータの書き換えが生じてしまうリスク。このリスクは,メモリ素子の微細化・高密度化に伴って益々顕著になる。

第二の課題は,GSTを相変化させる際に要するエネルギー,特に,アモルファス化するために大きなジュールエネルギーが必要になること。これはGSTの融点が高いことに起因する。次世代に向けPCRAMをさらに本格的に普及させるため,これらの課題を解決する新しい相変化材料の創成が待ち望まれていた。

研究グループは今回,二次元層状物質であるNbTe4が,アモルファス/結晶相変化により,一桁以上の大きな電気抵抗変化を生じることを発見した。またNbTe4のアモルファス化温度(=融点)は約450℃と極めて低いにもかかわらず,その結晶化温度が約270℃と高いことが分かった。

このことはNbTe4がアモルファス化しやすく,かつそのアモルファス相が熱的にも安定であることを意味する。さらにアモルファス/結晶相変化が数十ナノ秒といった極短時間で生じることを実証した。

研究グループは,高い結晶化温度でかつ低い融点を両立し,高速相変化を示すNbTe4について,省エネルギー,高速動作かつ高温使用を可能とする不揮発性メモリの新しい材料となることが期待されるとしている。

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