Development of infrared photothermal deflection spectroscopy suitable for defect level evaluation of phase-change memory and selector materials

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カルコゲナイド系化合物半導体は、相変化メモリ・セレクタや神経細胞を模したニューロモーフィックシステムへの応用が期待されている。デバイス動作時の抵抗遷移過程を理解し、高性能化・信頼性向上を実現するには、半導体の基礎物性である局在準位情報が必要不可欠である。一方、一般的な局在準位評価法はこれらの材料に適用しにくい課題がある。そこで本研究では相変化メモリ・セレクタ材料の局在準位評価に適した赤外光熱偏向分光法を開発する。今年度は光熱偏向分光システムの改良とカルコゲナイド薄膜の作製を行った。システムの励起光の周波数を最適化し、従来よりも2倍程度の信号増大を実現した。薄膜試料の微弱光吸収を評価する際、基板からの信号をはじめとするバックグランドの取り扱いが課題となる。特に石英ガラスのOH関連の光吸収がバックグランドとして大きいことが分かってきた。対応策として、赤外線領域の吸収の少ないサファイアを用いることで、2500 nmより長い波長領域のバックグランド信号を低減した。わずかに残るバックグランドと試料の信号を分離することで、アモルファスカルコゲナイド薄膜の低密度欠陥や不純物の定量が可能となった。直流スパッタ装置を用い、代表的な相変化材料であるGe2Sb2Te5薄膜を作製した。従来用いてきた石英ガラスに加え、サファイアを基板として製膜を行い、従来と同様の物性を示すことを確認した。今後、相変化メモリに有望な新材料を製膜し、欠陥密度評価を行う。さらに、外部の研究機関からも材料の提供を受けることで、アモルファスカルコゲナイド材料群の局在準位情報を明らかにする計画である。研究成果の一部を2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会および2023年第70回応用物理学会春季学術講演会にて発表した。今後は膜質の異なる試料を作製し、欠陥密度の定量評価を進める予定である。