相変化光スイッチの相変化状態制御の理論解析と最適なデバイス構造・材料の探索

昨年度行ったシミュレーションから、GST層の過熱が不均一であるため、急冷中に再結晶化が顕著に発生し、光スイッチの消光比性能が劣化することが分かった。不均一加熱の原因を調べるため、GST加熱時の電流・電位分布を解析したところ、GSTの乗っていないITO（ヒーター層）領域の相対的な電気抵抗が大きくなり、その部分で発生するジュール熱が大きくなることが不均一加熱の原因であることが分かった。この結果をもとに、GST内の温度差を小さくするための検討を行い、「GST膜の乗っていないITO領域の膜厚を2倍にしたモデル構造」を提案した。このモデル構造のシミュレーションでは、GST内の温度差が約半分になり、冷却後の再結晶化が大きく減少する結果を得た。波長1550nm付近の光吸収が非常に小さく、高速に相変化（変態）するMnTeは、光スイッチ用の有望な相変化材料であり、その物性と相変化メカニズムを明らかにすることを目的にMnTeの第一原理計算を進めた。αとβの２つのMnTe結晶相を対象に、計算手法（近似）としてGGA-UとHSE06を用い、構造最適化、状態密度分布（DOS）、エネルギーバンド図、光学誘電率の計算を行った。GGA-U近似を用いた場合、バンドギャップが実験値より30％程度小さくなったが、HSE06近似を用いた場合、バンドギャップは実験値とほぼ同じ値になった。研究分担者は、様々な物性評価のためにMnTe薄膜の作成を行った。スパッタによって作成した直後のβ相試料は平滑で均一な膜となるが、α相形成のためにアニールすると、数１０nmサイズのすき間が分布する膜となった。2つの層の密度が大きく異なり、βからαに相変化すると体積が大きく減少するためと考えられる。β相薄膜のエリプソメータ測定から得た屈折率は、第一原理計算で求めた結果と特徴が良く合っていることが分かった。

昨年度行ったシミュレーションから、GST層の過熱が不均一であるため、急冷中に再結晶化が顕著に発生し、光スイッチの消光比性能が劣化することが分かった。不均一加熱の原因を調べるため、GST加熱時の電流・電位分布を解析したところ、GSTの乗っていないITO（ヒーター層）領域の相対的な電気抵抗が大きくなり、その部分で発生するジュール熱が大きくなることが不均一加熱の原因であることが分かった。この結果をもとに、GST内の温度差を小さくするための検討を行い、「GST膜の乗っていないITO領域の膜厚を2倍にしたモデル構造」を提案した。このモデル構造のシミュレーションでは、GST内の温度差が約半分になり、冷却後の再結晶化が大きく減少する結果を得た。波長1550nm付近の光吸収が非常に小さく、高速に相変化（変態）するMnTeは、光スイッチ用の有望な相変化材料であり、その物性と相変化メカニズムを明らかにすることを目的にMnTeの第一原理計算を進めた。αとβの２つのMnTe結晶相を対象に、計算手法（近似）としてGGA-UとHSE06を用い、構造最適化、状態密度分布（DOS）、エネルギーバンド図、光学誘電率の計算を行った。GGA-U近似を用いた場合、バンドギャップが実験値より30％程度小さくなったが、HSE06近似を用いた場合、バンドギャップは実験値とほぼ同じ値になった。研究分担者は、様々な物性評価のためにMnTe薄膜の作成を行った。スパッタによって作成した直後のβ相試料は平滑で均一な膜となるが、α相形成のためにアニールすると、数１０nmサイズのすき間が分布する膜となった。2つの層の密度が大きく異なり、βからαに相変化すると体積が大きく減少するためと考えられる。β相薄膜のエリプソメータ測定から得た屈折率は、第一原理計算で求めた結果と特徴が良く合っていることが分かった。