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平成18年10月17日

(財)高輝度光科学研究センター(JASRI)
URL: http://www.spring8.or.jp/ja/

(独)科学技術振興機構(JST)
URL: http://www.jst.go.jp

(独)理化学研究所
URL: http://www.riken.jp/

松下電器産業(株)
URL: http://panasonic.co.jp/

筑波大学
URL: http://www.tsukuba.ac.jp

DVD-RAMの記録速度を支配する構造の謎を解明

-さらなる記録速度向上への材料設計の指針を提示-

 (財)高輝度光科学研究センター(JASRI、理事長 吉良爽)、(独)科学技術振興機構(JST、理事長 沖村憲樹)、(独)理化学研究所(理事長 野依良治)、松下電器産業(株)(社長 大坪文雄)、国立大学法人筑波大学(学長 岩崎洋一)は、書き換え可能な※1変化光ディスクDVD-RAM (デジタル多目的ディスク−ランダムアクセスメモリ)の基本材料Ge2Sb2Te5(ゲルマニウム・アンチモン・テルライド)における高速相変化現象の完全解明への大きな第一歩として、ナノ秒オーダーで生じる構造変化の謎を明らかにすることに成功しました。
 本研究の成果は、JST戦略的創造研究推進事業 CRESTタイプ(チーム型研究)「物質現象の解明と応用に資する新しい計測・分析基盤技術」(研究総括:田中通義 東北大学 名誉教授/東北大学多元物質科学研究所 研究顧問)の研究テーマ「反応現象のX線ピンポイント構造計測(研究代表者:高田昌樹)」において、高田昌樹(理化学研究所 主任研究員)、小原真司(財団法人高輝度光科学研究センター 副主幹研究員)、山田 昇(松下電器 グループマネージャー )、守友 浩(筑波大学 教授)を中心とする産官学連携研究グループの共同研究によって得たもので、10月15日〜19日、香川県高松市で開かれるInternational Symposium on Optical Memory 2006で口頭発表されます。


背景

 書き換え可能な相変化光ディスクDVD-RAMは大容量のデータ記録媒体としてデジタル全盛の現代には欠かせないメモリ媒体であり、DVDビデオレコーダーにパソコン用データレコーダーにと広く普及が進んでいます。新規な相変化材料としてGe2Sb2Te5が1987年に松下電器の山田らにより提案されて以降、相変化型光記録の研究開発は急速に進み、2000年には4.7GB容量のDVD-RAMへと結実いたしました。
 DVD-RAMではGe-Sb-Te系材料で構成されるメモリ薄膜層にサブミクロンサイズの微小スポットに絞り込んだレーザ照射を行うことで、メモリ薄膜内部の原子結合状態(物質相)を局所的かつ可逆的に変化させ、その際に生じる状態間の反射率差を利用して情報の記録再生、書き換えを行います。
 記録を行う場合は、原子が規則正しく配列した結晶相(図1)にあるメモリ薄膜層に強いレーザ光を瞬時照射しますが、その際、照射部の薄膜材料は原子配列が大きく乱れる液体状態を瞬間的に経由して、そこから超急冷されることになり、液体の乱れた状態が室温に凍結されアモルファス※2相となるという現象を利用しています(ただし乱れがどの程度まで凍結されているのか、なんらかの配列を回復するのかという点が材料によって異なり、後述するように、本発表の骨子でもあります)。記録状態を再生する際は、アモルファス相が結晶化しない程度のパワーでレーザ照射し、照射部からの反射光強度の変化を検出します。また、消去する場合は、アモルファス相が融解しない程度のパワーでレーザ照射し、原子を再配列させることでメモリ薄膜層を結晶化させます。この結晶→液体→アモルファス→結晶の相変化のサイクルを繰り返すことにより、DVD-RAMは動作します(図1)。 Ge2Sb2Te5は相変化速度(相変化に必要なレーザ照射時間)が20ナノ秒(1億分の2秒)と極めて短く、しかもアモルファス相は室温では数10年以上も安定であるという優れたメモリ特性を有することからDVD-RAMの基本材料として使われてきましたが、その速度とくに消去速度を支配する因子は原子レベルでは明らかにされていませんでした。
 この重要な問題を解決するため、大型放射光施設SPring-8※3において、戦略的創造研究推進事業 CRESTタイプ(チーム型研究)「反応現象のX線ピンポイント構造計測(研究代表者:高田昌樹)」プロジェクトが発足し、高田昌樹(理化学研究所 主任研究員)、小原真司(財団法人高輝度光科学研究センター 副主幹研究員)、山田 昇(松下電器 グループマネージャー )、守友 浩(筑波大学 教授)を中心とする産官学連携研究グループがこの問題に取り組みました。

研究手法

 研究対象として、Ge2Sb2Te5とGe2Sb2Te5 よりも相対的に相変化速度が小さいGeTe(ゲルマニウム・テルライド)、相変化速度:100ナノ秒(1000万分の1秒))を選び、これらの結晶・液体・アモルファス各相の原子構造を調べることによって、構造と相変化速度の関係を解明しようと試みました。実験はSPring-8の高エネルギーX線回折ビームラインBL04B2、および粉末結晶構造解析ビームラインBL02B2において、X線回折法を用いて行われました。結晶構造の解析はリートベルト法※4を用いて行い、アモルファスの構造は、得られたデータに対して逆モンテカルロ法※5 (Reverse Mote Carlo, 以下「RMC」)と呼ばれるコンピュータシミュレーションを適用して3次元構造を決定し、詳細な解析を行いました。

研究成果

 図2にX線回折実験から得られたGe2Sb2Te5およびGeTe結晶、液体、アモルファスの規格化された回折パターンを示します。DVD-RAMでは実際には試料の融点を超えるパワーのレーザ照射によって結晶→液体→アモルファスと相変化することにより記録が行われます。図2に示した結晶の回折パターンは鋭いブラッグピーク※6を示し、明らかに原子配列の秩序を持っていることがわかります。一方、液体になると、鋭いピークは消失し、非晶質物質特有のピーク幅が広がったブロードな回折パターンが得られます。この時点で、記録層の原子配列は秩序を著しく失っていることがわかります。これらに対して、アモルファスの回折パターンは結晶相と比較するとかなりブロードですがそのピーク強度は液体よりも強く、液体よりも原子配列の秩序を持っていることがわかります。
 ここで得られた回折データをもとに、リートベルト解析およびRMCシミュレーションを用いて結晶相およびアモルファス相の構造解析を行いました。その結果を図3に示します。結晶Ge2Sb2Te5、結晶GeTeにはいずれも4つの原子が隣の原子と2本の手で結合した正方形ユニット(4員環)(図1)が存在しています。一方、アモルファス相の場合、アモルファスGe2Sb2Te5では上記正方形ユニット(4員環)が偶数個の原子からなるより大きな偶数員環※7ユニット(6、8、10員環)へと変化していますが、上記正方形ユニットの基本秩序は保持されていることがわかります(図3)。ところが、アモルファスGeTeでは上記正方形ユニット(4員環)の多くは奇数員環ユニット(3、5、7員環)に変化し、正方形ユニットという基本秩序を失っていました。
 この結果をもとに考えられたGe2Sb2Te5およびGeTeの相変化モデルの模式図を図4に示します。結晶相はレーザ照射によって一度液体を経由してアモルファス相になります(記録)が、この際アモルファスGe2Sb2Te5は正方形の秩序を持った偶数員環ユニットを多数保持して形成されます。これら多くの偶数員環ユニットは上述したように、正方形ユニット(4員環)を基本構造としていますから、わずかな結合の組み替えによって、容易に小さな4員環へと変化できるはずです。すなわち、極めて多くの結晶核が高速に生成し、アモルファスから結晶へと高速に変化(消去)することができると考えられます。一方、アモルファスGeTeの場合にはその構造中にかなりの奇数員環を含むため、結晶GeTeの基本構造である4員環に戻るためには、より多くの結合の組みかえが必要になり、Ge2Sb2Te5ほどの高速相変化ができなくなると考えられました。 この正方形の秩序を持った偶数員環ユニットをアモルファス相が保持するという特徴はGe2Sb2Te5固有のものであSb2Te3Sb2Te3Sb2Te3Sb2Te3Sb2Te3Sb2Te3り、GeTeにSb2Te3(アンチモン・テルライド)を添加することにより引き起こされる高速相変化の鍵と考えられます。ここで得られた知見は、新しい高速・大容量の相変化光ディスク材料の開発指針になると期待されます。

今後の展開

 本研究は、結晶とアモルファスの構造を比較することによって、DVD-RAMの高速相変化の秘密を解き明かす第一歩となりましたが、実際には相変化の最初と最後の状態を見たに過ぎません。さらなる相変化光ディスク材料開発のためには、1億分の2秒で起こる相変化の過程をSPring-8の高輝度放射光で直接観察する必要があります。本プロジェクトの最終ゴールである「DVD-RAM材料の高速相変化のその場観察」を目指し、今後も研究が進められていきます。

研究発表

今回の成果は10月15日〜19日、香川県高松市で開かれる
International Symposium on Optical Memory 2006
(光メモリの国際シンポジウム)で口頭発表されます。
RMC Analyses Solve High-Speed Phase-Change Mechanism
(逆モンテカルロシミュレーションによる相変化光記録材料の高速相変化機構の解析)
T. Matsunaga, R. Kojima, N. Yamada, S. Kohara, M. Takata

また、米国の応用物理誌Applied Physics Lettersに掲載されることになりました。
Structural basis for the fast phase change of Ge2Sb2Te5
- Ring statistics analogy between the crystal and amorphous states -
(Ge2Sb2Te5の高速相変化の構造原理−結晶とアモルファスにおけるリング分布の類似性)
Shinji Kohara, Kenichi Kato, Shigeru Kimura, Hitoshi Tanaka, Takeshi Usuki, Kentaro Suzuya, Hiroshi Tanaka, Yutaka Moritomo, Toshiyuki Matsunaga, Noboru Yamada, Yoshihito Tanaka, Hiroyoshi Suematsu, Masaki Takata* *: Corresponding author

用語解説
図1 DVD-RAMの記録/消去の原理
図2 Ge2Sb2Te5、GeTe結晶、液体、アモルファス相の規格化されたX線回折パターン
図3 アモルファスGe2Sb2Te5、アモルファスGeTeの構造および構造ユニット分布
図4 Ge2Sb2Te5およびGeTeの相変化モデル

研究領域等

 この研究テーマは以下のとおりです。
JST戦略的創造研究推進事業 CRESTタイプ(チーム型研究)
研究領域:物質現象の解明と応用に資する新しい計測・分析基盤技術(研究総括:田中通義 東北大学 名誉教授/東北大学多元物質科学研究所 研究顧問)
研究課題名:反応現象のX線ピンポイント構造計測
研究代表者:高田 昌樹
研究実施場所:(財)高輝度光科学研究センター SPring-8
研究実施期間:平成16年度〜平成21年度

<本研究に関する問い合わせ先>

(独)理化学研究所 高田構造科学研究室
   主任研究員 高田昌樹(たかた まさき)
   E-mail:
   Tel / Fax: 0791-58-0946

(財)高輝度光科学研究センター 利用研究促進部門
   副主幹研究員 小原真司(こはら しんじ)
   E-mail:
   Tel:0791-58-2750/Fax:0791-58-0830

松下電器産業(株) AVコア技術開発センター ストレージメディアグループ
   グループマネージャー 山田 昇(やまだ のぼる)
   E-mail:
   Tel:06-6906-4841/Fax:06-6904-6175

筑波大学大学院 数理物質科学研究科
   教授 守友 浩(もりとも ゆたか)
   Tel:029-853-4337/Fax:029-853-6618
   E-mail:

(独)科学技術振興機構 戦略的創造事業本部 研究領域総合運営室
   金子 博之(かねこ ひろゆき)
   E-mail:
   Tel:048-226-5904/Fax:048-222-1437

<SPring-8についての問い合わせ先>

(財)高輝度光科学研究センター
   広報室長 原 雅弘(はら まさひろ)
   E-mail:
   Tel:0791-58-2785/Fax:0791-58-2786

<JSTについてのお問い合わせ先>

(独)科学技術振興機構 広報・ポータル部 広報室
   広報室長 福島 三喜子(ふくしま みきこ)
   Tel:03-5214-8404/Fax:03-5214-8432

<理化学研究所についての問い合わせ先>

(独)理化学研究所
   広報室
   E-mail:
   Tel:048-467-9272/Fax:048-462-4715