東北大ら、クロム窒化物に高速な相変化機能を発見し相変化メモリの新材料に期待！✨
発表日：2024年8月5日
発表のポイント🌟
クロム窒化物（CrN）が高速な相変化により大きな電気抵抗変化を示すことを発見しました。
105以上の電気抵抗比と30ナノ秒（ns）の高速動作を実現！情報記録材料として有用です。
CrN型相変化メモリ素子は、動作電力を低減できることを確認されました。
研究の背景📚
近年、IoT（Internet of Things）、AI（Artificial Intelligence）、およびビッグデータ解析の発展に伴い、高速かつ大容量な不揮発性メモリ（NVM）の需要が急増しています。
このニーズに応えるべく、素子構造が単純な相変化メモリ（PCRAM）が注目されています。既存のPCRAMの情報記録層には、カルコゲン元素であるテルル（Te）をベースとした相変化材料（PCM）が用いられていますが、PCMのアモルファス相化に大きな熱エネルギーを必要とするため、動作電力が高いといった課題があります。
ここで、相変化メモリ（PCRAM）とは、 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）を示す相変化材料を用いた不揮発性メモリを指します。
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ます。アモルファス/結晶相変化は、電気パルスによるジュール加熱により行い、通常、電気抵抗が高いアモルファス相をリセット「0」、電気抵抗が低い結晶相をセット「1」として情報を記録します。
PCRAMメモリセルは、相変化材料の上下を電極で挟みこんだ単純な構造を有するため、他の次世代メモリに比較して、製造コストや集積度の面で有利とされています。最近では、DRAMとフラッシュメモリのアクセス時間の差を埋めるストレージクラスメモリとして実用化されています。
相変化メモリについてはこちらの記事でさらに詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇
研究成果の詳細🔍
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の双逸助教、同大学大学院工学研究科の須藤祐司教授（兼材料科学高等研究所）、慶應義塾大学理工学部のポール フォンス教授らの研究グループは、クロム窒化物（CrN）が高速ジュール加熱によりナノ秒での相変化が誘起され、電気抵抗が5桁以上変化することを発見しました。
このCrN系PCMは、商用のゲルマニウム・アンチモン・テルル（Ge-Sb-Te（GST））系PCMと同様に高速で動作し、動作エネルギーを1桁低減できます。また、CrNは化学的に安定しており、カルコゲナイド系PCMよりも環境に優しい、新たなグリーンメモリ材料として期待されています。
この成果は、米国化学会誌ACS Nanoに2024年8月1日（現地時間）付で掲載されました。
図1（a）に示すように、本研究で作製した記録素子は、30nsの電圧パルスを用いて徐々に電圧を印加したところ、1.1V付近で低抵抗状態（セット）から高抵抗状態（リセット）へと変化し、1.4V付近で再び低抵抗化するという、ナノ秒レベルの高速かつ不揮発な抵抗スイッチング挙動を示しました。
図1（b）では、本研究のCrNメモリの動作エネルギーと動作ウィンドウのベンチマークプロットを示し、他の代表的な次世代不揮発性メモリとの比較が行われました。注目すべきは、CrNが他のメモリ材料と比較しても動作エネルギーが低く、環境に優しい特性を持つ点です。
まとめ🌟
クロム窒化物（CrN）は、従来の相変化メモリ材料に代わる新たな相変化メモリ材料として期待されています。
CrNは高速かつ低電力での相変化を実現し、情報記録材料として有用な特性を持っています。
環境に優しいグリーンメモリとして、今後のIoTやAIの発展に貢献できる可能性があります。
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用語解説📝
カルコゲナイド: 周期表の酸素と同じ族に位置する元素（硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te））からなる化合物。特に、遷移金属を含むものを遷移金属カルコゲナイドと言います。
不揮発性メモリ（NVM）: コンピュータの電源を切ってもデータ（情報）を記録保持しているメモリ。
ゲルマニウム・アンチモン・テルル（GST）: GSTは、アモルファス相と結晶相間の相変化に伴って大きな光学反射率変化を示すため、PCRAMに先立って光記録ディスクとして実用化されました。GSTは、相変化に伴い大きな電気抵抗変化も示すため、PCRAM用材料としても使用されています。
ハッシュタグ🔖
#クロム窒化物 #相変化メモリ #IoT #AI #グリーンメモリ
参考文献
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