CN101025969A - 信息介质以及使用其的写入和再现信息的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用半导体探针再现信息的方法和设备。该设备包括：存储介质，包括铁电记录层，其中通过排列极化畴的极化方向来存储信息，和形成于铁电记录层上的物理记录层，通过形成凹点来在其上写入信息；产生复合信号的半导体探针，复合信号包括由存储介质的铁电记录层的电场变化产生的电场信号和由于物理记录层的形状变化引起的温度变化产生的热信号；信号探测器，探测由半导体探针产生的复合信号；解调器，解调由信号探测器探测的复合信号且从复合信息提取电场信号和热信号。通过调制将由场变化产生的信号和由热变化产生的信号彼此分离且探测了有效的信息信号，从而改善了信噪比，即使在存在热噪声的情况下也可以稳定地再现信息信号。

Description

信息介质以及使用其的写入和再现信息的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种使用场效应半导体探针用于再现信息的方法和设备，且更具体而言，涉及一种再现信息的方法和设备，其中由介质的表面结构产生的热信号和介质的电场的变化产生的信息信号可以从彼此分开。

背景技术

随着比如便携通讯终端和电子笔记本的小尺寸产品的需求增加，日益需要高度集成的微非易失记录介质。不易减小现有的硬盘的尺寸且以低成本高度集成闪存。于是，已经研究了利用扫描探针的信息存储介质和方法作为可能的替代品。

扫描探针被用于各种类型的扫描探针显微镜(SPM)。例如，扫描探针用于扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、静电力显微镜(EFM)等。STM基于施加到探针和样品的电压之间的差异探测流过探针的电流来再现信息。AFM利用探针和样品之间的原子力。MFM利用接近样品的表面的磁场和磁化探针之间的磁力。SNOM具有小于可见光的波长的改善的分辨率。EFM使用样品和探针之间的静电力。

Lim、Geunbae等提出了一种利用场效应的用于探测介质的表面电荷的场效应探针(见美国专利No.6521921和韩国专利No.0366701)。由Lim、Geunbae等提出的探针具有场效应晶体管形状的半导体尖端，其中载流子沟道由电场形成。施加到半导体尖端的电场由俘获在介质表面上的电荷或偶极矩形成。当对应于写入信息的在盘上俘获的电荷形成的电场强度大于临界场强时，形成了沟道，且减小了场效应探针的电阻。由此，可以再现对应于写入信息的利用电阻变化写入的信息。

另外，Park、Hong-sik等提出了一种电阻半导体探针，其中半导体尖端的沟道区被轻掺杂(参见美国专利申请No.20050231225A1)，Park、Hong-sik也是本申请的发明人。电阻半导体探针的半导体尖端用杂质轻掺杂，从而即使在没有出现电场的情况下弱电流也可以流动。于是，即使在弱电场下半导体尖端也可以被探测。即，Park、Hong-sik提出的方法通过提供低电子迁移率从而保证了即使在弱电场中对于电荷的高灵敏度，其中载流子即使在非电场中也迁移到半导体尖端。

然而，电阻半导体尖端对于热敏感。由此，其电阻随着温度变化。由热不稳定性导致的电阻变化看起来是一种电阻半导体探针的缺陷。即，探针的不稳定温度的变化导致了不稳定电流变化，其是电阻半导体尖端的噪声电流。噪声电流由温度的变化产生，与电场无关。因为在探针或在支撑探针的悬臂中产生的热由于介质和探针之间的距离上或接触面积非稳定变化而不是均匀连续分布的，所以产生了电阻半导体探针中的不稳定温度变化。

为了抑制电阻半导体探针的温度中的不稳定变化，应保持探针和介质之间的距离。为此，面对探针的介质的表面可以被制得非常平滑。即使最大化了介质表面的平滑度，由于可实现的平滑度的限制不能获得足够和有效的热稳定性。这是因为，即使当介质和探针之间的距离在几个nm范围内变化时，由于温度的变化仍产生了噪声电流，且即使当介质的表面被处理成平滑如镜面时，也不能将介质的表面的平滑度调整在几个nm的范围。作为另一个替换例，探针和介质之间的距离可能是足够大的。该替换例的可行性低，因为难于制造具有高纵横比的电阻半导体探针。即使在由Lim、Geunbae等提出的半导体探针中也几乎不存在由热不稳定性导致的噪声电流被完全消除的可能性。

因此，应研究一种通过改善信噪比(S/N)而即使有由半导体探针的热不稳定性导致的噪声电流也可以有效再现信号的方法，以有效地利用其中电流的流动被场效应控制的半导体探针，从其上利用电荷写入信息的介质读取信息。

已经提出了一种信息写入/再现方法，通过该方法信息由盘表面的形状的变化来代表(William P.King等，Volume78，Number9，Applied Physics letters，26 February2001)。在该技术中，为了将信息写入在介质上，通过利用探针热熔化盘的表面而在介质上的薄膜上形成数据位。当从介质再现信息时，利用根据悬臂和介质表面之间的距离变化的热耗散量的变化，探测了悬臂中电阻或电流的变化，该距离的变化由代表信息位的衬底的形状的变化引起。

存储技术的发展的一个方面是最大化写入信息的密度。为此，需要开发新的介质来用于最大化写入信息的密度，且还需要一种可以支持新介质的开发的写入/再现信息的设备。

发明内容

本发明提供了一种写入/再现信息的方法，通过其可以显著增加信息的写入密度，本发明还提供了一种在该方法中使用的新的存储介质，和利用该新存储介质的写入和再现信息的设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种信息存储介质，该信息存储介质包括：衬底；形成于衬底上的铁电记录层，其中通过排列铁电记录层的极化畴的极化方向来存储信息；形成于铁电记录层上的物理记录层，通过在物理记录层中形成凹点来在其上写入信息；位于衬底和铁电记录层之间的电极。

根据本发明的另一方面，提供有一种再现信息的设备，该设备包括：存储介质，包括铁电记录层，其中通过排列铁电记录层的极化畴的极化方向来存储信息；形成于铁电记录层上的物理记录层，通过在物理记录层中形成凹点来在其上写入信息；产生复合信号的半导体探针，所述复合信号包括由存储介质的铁电记录层的电场变化产生的电场信号和由于物理记录层的形状变化引起的温度变化产生的热信号；信号探测器，探测由半导体探针产生的复合信号；解调器，解调由信号探测器探测的复合信号且从该复合信息提取电场信号和热信号。

该设备还可以包括：高频调制信号发生器；和设置于悬臂上的电极，通过高频调制信号发生器对其施加高频调制信号，其中半导体探针可以包括：p型半导体形成的尖端；在该尖端的尖点处形成沟道的区域；掺杂为n型半导体的形成沟道的该区域的任一侧的倾斜表面上的源极区和漏极区；和设置于尖端的端部上和由p型半导体形成的悬臂。沟道区可以被掺杂为n型半导体，其掺杂浓度低于源极区和漏极区。

高频调制信号可以为正弦信号。高频调制信号可以为频率至少是存储介质中产生的电场的频率5倍高的高频信号。

解调器可以包括：第一乘法器，其为乘法运算器，将由信号探测器探测的复合信号乘以解调信号；第一低通滤波器，从来自第一乘法器的初级信号输出提取频率小于预定频率的电场信号；第二乘法器，将初级信号乘以解调信号；和第二低通滤波器，从来自第二乘法器的次级信号输出提取频率小于预定频率的热信号；其中解调信号具有与高频解调信号的频率基本相同的频率，且具有与由信号探测器探测的复合信号基本相同的相位。低通滤波器的截止频率可以比调制信号的频率小10倍。

信号探测器可以被设置为电压分配器，以将电压分配并施加到半导体探针且提取信号。该电压分配器可以为包括至少一个电阻器和半导体探针的桥接电路，或可以为包括至少一个电阻器和运算放大器的反转放大器，其中利用半导体探针形成了反馈回路。桥接电路还可以包括微分放大器以去除由电压分配器产生的偏移电压。

根据本发明的另一方面，提供有一种利用半导体探针在存储介质上再现信息的方法，包括：存储介质，包括铁电记录层和物理记录层，在铁电记录层中通过排列铁电记录层的极化畴的极化方向来存储信息，物理记录层形成于铁电记录层上且通过在物理记录层中形成凹点而在其上写入信息；和半导体尖端，从所述介质的铁电记录层和物理记录层探测信息，所述方法包括：通过对于半导体探针施加高频调制信号并形成调制电场而调制由存储介质的铁电记录层的电场变化产生的电信号；探测对应于来自半导体探针的信息的复合信号；且通过彼此分离调制电场信号和非调制热信号并提取两个信号而解调调制电场信号和非调制的热信号。

解调可以包括：将在探测中探测的复合信号乘以解调信号；从来自复合信号的乘积的初级信号输出提取具有小于预定频率的频率的电场信号；将初级信号乘以解调信号；且从来自初级信号的乘积的次级信号输出提取具有小于预定频率的频率的热信号。解调信号可以具有与调制信号的频率基本相同的频率，且可以具有与探测中的复合信号的相位基本相同的相位。

探测可以包括将电压分配到半导体探针且提取半导体探针中产生的信号。探测还可以包括去除和放大分配的电压的偏移电压。

附图说明

参考附图，通过详细描述示范性实施例，本发明的以上和其他特征和优点将变得更加显见，在附图中：

图1A示出了常规场效应半导体探针和根据本发明的信息存储介质之间的关系；

图1B示出了利用常规的场效应半导体探针通过加热和充电的写入方法；

图1C是电阻探针的等效电路；

图2A是根据本发明实施例的再现信息的设备的示意图；

图2B是在图2A所示的设备中使用的场效应半导体探针的示意图；

图2C示出了图2B的探针的尖端的横向剖面；

图3A示出了信息读取操作过程中电阻半导体尖端中电场信号的调制；

图3B示出了调制信号的波形图；

图4是根据本发明实施例的再现信息的设备的示意性电路图；

图5是根据本发明另一实施例的再现信息的设备的示意性电路图；

图6是根据本发明实施例的利用半导体探针再现信息的方法的示意图；和

图7到9分别显示了图5中所示的实施例的模拟结果。

具体实施方式

其后，将参考其中显示本发明的实施例的附图更加全面地描述本发明。

图1A示出了常规的场效应半导体探针和根据本发明的信息存储介质之间的关系。如图1A所示，电阻探针30包括悬臂和设置于悬臂的前表面上的场效应晶体管型半导体尖端以面对介质的表面。根据本发明的介质10包括：铁电记录层2，其中信息存储于在电场中具有变化的极化畴中；物理记录层3，通过引发热发散的变化的凹点3’而在其上写入信息；和电极4，形成于铁电记录层2下。物理记录层3形成于铁电记录层2上且直接接触场效应晶体管型半导体尖端。这里，已知的材料可以被用于介质10。例如，电极4可以由选自由Pt、Pd、Ir、Ru和RuO₂组成的组的一种材料形成，铁电记录层2可以由选自由PZT、PbTiO₃、BiFeO₃和LiTaO₃组成的组的一种材料形成，且物理记录层3可以由选自由聚苯乙烯苯乙基环丁烯(PS-BCB)、PCBM([6，6]-苯C61-丁酸甲酯，[6，6]-phenul C61-butyric acid methyl ester)、OC1C10-PPV(聚[2-甲氧基-5-(3’，7’-二甲基亲氧基)]-p-亚苯基乙烯，poly[2-methoxy-5-(3’，7’-dimenthyloctyloxy)]-p-phenylene vinylene)和聚-3-己基噻吩(P3HT，poly-3-hexylhtiophene)组成的组的一种材料形成。

现将描述在介质上写入信息的操作。

首先，如图1B所示，将预定的电压施加在电阻探针30和电极4之间以在铁电记录层2上写入信息，从而在由介电材料形成的物理记录层中发生电荷注入。如此，对应于记录的信息的极化偶极子产生以垂直于铁电记录层2。

参考图1B，将预定的电压施加在电阻探针30的两端，以在尖端产生热发散，从而在上物理记录层3上写入信息。加热的尖端以适当的压力接触物理记录层3。于是，在尖端接触物理记录层3的部分中发生了熔化，且形成了凹点3’。

现将描述从介质读取信息的操作，在介质上以上述的形式写入信息。

首先，当从物理记录层3读取信息时，在悬臂中产生的热发散向介质10。在该情形，由于对应于写入信息的物理记录层3的凹点3之一，发生了介质10和电阻探针30之间的距离的变化。于是，由于热辐射的变化产生了悬臂和在其中固定的半导体尖端中的热阻变化。当从铁电记录层2读取信息时，由于形成于物理记录层3上的铁电层2上的极化畴所俘获的电荷，发生了电阻半导体尖端的电场的变化，且发生了电阻半导体尖端的电场的变化所导致的电阻的变化。整个电阻探针30中的电流i_RP由于通过热和电场引起的复合电阻的变化而变化。电流i_RP被探测为电阻探针30的输出V_o，且利用再现信息的设备，将热信号和电场信号从探测输出V_o分离，该设备将在后所述。

图1C是电阻探针的等效电路，其中在被配置为电压分配器的信号探测器中考虑了由于电场引起而变化的上述的热阻r_t和电阻r_f。即，电阻探针的电阻r_RP被表达为r_RP＝R_o+r_f+r_t，其中R_o是当在电阻探针中没有电场且没有热变化时的电阻组分。根据该等效电路，使用等式1获得了输出V_o：

$V_o=\frac{r_{\mathrm{RP}}}{R+r_{\mathrm{RP}}}{V}_{\mathrm{SS}}=\frac{R_o+r_f+r_t}{R+R_o+r_f+r_t}{V}_{\mathrm{SS}}\≈\frac{R_o+r_f+r_t}{R+R_o}{V}_{\mathrm{SS}}...\left(1\right)$

由于电场引起而变化的热阻r_t和电阻r_f的变化影响了输出V_o。根据本发明，由包括在输出V_o中的热阻的变化产生的热信号和由电场的变化产生的电场信号被分开，且被用作再现信号。

参考将在后描述的根据本发明的实施例的再现信息的设备，现将描述根据本发明的信息再现方法。

图2A是根据本发明的实施例的再现信息的设备的示意图。

参考图2A，具有半导体尖端31的电阻探针30设置于在介质10的表面上，介质10具有双记录层2和3，用于以预定的间距利用极化畴来存储信息。来自电阻探针30的输出连接到信号探测器20，且信号探测器20连接到解调器50。解调器50包括两个乘法器MPL1和MPL2和两个低通滤波器LPF1和LPF2，对其将在后描述。信号探测器20是一种信号预处理单元且从由电阻探针30的热阻和电场电阻导致的电流变化提取承载了两个信息信号的复合信号。调制器40连接到电阻探针30，调制器40用于调制介质10的铁电记录层2的电荷极化导致的电流的变化，即电场信号。调制器40产生具有预定频率的正弦波且在半导体尖端31的沟道区中形成调制电场。电场信号由调制电场来调制。在电阻探针30中发生由于由其中形成了凹点3’的介质10的物理记录层3产生的电阻探针30的温度变化引起的电阻变化(热信号)。

信号探测器20探测复合信号且允许该复合信号传输到解调器50，该复合信号包括热信号和从电阻探针30调制的电场信号。在解调器50中，热信号和由调制器40调制的电场信号从彼此分开且被解调。即，根据本发明，电场信号由高频调制信号在调制器40中被调制，而由热阻变化产生的热信号没有被调制，从而电场信号和热信号在解调器50中可以被分为电场信号输出V_FO和热信号输出V_TO。

将在后详细描述电场信号和热信号的分离，即信息的调制和解调。偏压Vss被施加到信号探测器20，从而驱动电压可以被施加到电阻探针30。偏压被直接施加到电阻探针30而不通过信号探测器20。当场效应半导体探针作为读取写入在记录介质上的信息的探针时，需要偏压。

图2A中上述的结构显示了根据本发明的实施例的用于再现信息的设备的功能分立的元件。所述功能根据设计来组合，且附加的功能可以被包括在根据本发明的用于再现信息的设备中。

常规的场效应晶体管型探针被用作电阻探针30。例如，在美国专利No.6521921中披露的具有场效应晶体管沟道的扫描探针或在美国专利公布No.20050231225A1中披露的具有电阻尖端的半导体探针可以被用作电阻探针30。

需要一种其中可以在半导体尖端中形成调制电场的结构，从而相同种类的不同探针以及以上的两种常规探针可以被用于根据本发明的用于再现信息的设备和方法中。大多数的场效应半导体探针满足该条件。作为用于形成调制场的结构的沟道区中形成电场的元件，可以使用用于在沟道区中形成调制场的衬底或与衬底分开形成的电极，且可以将具有预定频率的调制信号施加到电极。对其施加调制信号的电极(其后，被称为调制电极)可以设置于具有半导体尖端衬底的后表面上或在悬臂的一侧，如图2B所示。如果将调制信号施加到调制电极上，且因为耗尽层形成于沟道区中，所以形成了电极沟道。电极沟道的尺寸即电流量根据调制信号的强度而变化。

图2B是探针的透视图且图2C是图2B的探针的尖端的剖面图，该探针是在本发明中使用的探针且在美国专利公布No.20050231225A1中被披露。

参考图2B，绝缘层37设置于硅衬底33上，且电极39形成于绝缘层37上。悬臂35从衬底33的表面延伸，且具有源极和漏极以及源极和漏极之间的沟道区的半导体尖端31设置于悬臂35的前端上。源极电极32和漏极电极34每个分别电接触晶体管的源极和漏极，且形成于半导体尖端31的倾斜表面上。将第二杂质掺杂入半导体尖端31的尖端中，从而形成了具有电子迁移率的电阻沟道区36。源极电极32和漏极电极34分别经由悬臂35连接到两个焊垫39。如上所述，沟道区36仅通过电场或轻掺杂杂质来形成，从而即使在没有电场存在的情况下也可以提供电子迁移率。这里，作为调制器40的一个元件的调制信号发生器41可以连接到衬底33。为了更有效地将调制信号V_sub施加到半导体探针31，调制电极35a可以形成于从衬底33延伸的悬臂35的一侧上，如图2C所示。因此，可以理解，调制器40包括调制电极35a。这是因为信号调制在电阻探针30的半导体探针31中进行，且电阻探针30的功能的一部分被包括在调制器40中。可以参考美国专利公布No.20050231225A1充分理解电阻半导体尖端的结构和操作。

图3A示出了信息读取操作过程中电阻半导体尖端中电场信号的调制，图3B示出了波形图，其中图示了：具有频率ω的调制信号V_sub；电阻组分r_f，依据没有调制信号V_sub的电场变化而变化的电阻r_f而变化；电阻组分r_f+V_sub，依据由调制信号V_sub调制的电场变化而变化的电阻r_f而变化；电阻组分r_t，依据热变化而变化的热阻r_t而变化；和输出V_o，依据电阻探针的整个电阻而变化。即，图3B是图示电场电阻信号r_f、热信号r_t、调制信号V_sub、调制电场信号r_f+V_sub、包括所有合成的组分的输出V_o，i_rp＝r_f+r_f+V_sub之间的关系的比较波形图。

参考图3A，p层形成于衬底上，n型源极和漏极形成于p层的表面上，且轻掺杂的n^-沟道区形成于n型源极和漏极之间。为具有预定频率的正弦波的调制信号V_sub被施加到衬底，且由正弦波导致的电子迁移率的变化在沟道区中产生。如果电场从介质被施加到衬底，则来自介质的电场被施加到沟道区，且其中电子迁移率根据正弦波变化的沟道区的电子迁移率的宽度扩展。即，由电场导致的电子迁移率由正弦波放大，从而获得了调制部分r_frf ^ω。由于由凹点产生的热发散的变化，热信号r_t也被加到调制信号且获得了探针的最终电阻。在该情形，仅调制了由电场导致的信号，调制信号V_sub不影响由上述热变化产生的电子迁移率的变化，即热阻的变化和对应的电流的变化。

现将参考图4描述用于再现信息的设备和方法。

图4是根据本发明的实施例的再现信息的设备的示意性电路图。在图4所示的再现信息的设备中，调制信号V_sub由具有两个分支的惠斯通电桥探测。在附图中，左分支包括彼此串联连接的电阻半导体尖端31和第一电阻器R1，且右分支包括第二电阻器R2和第三电阻器R3。漏电极34被接地且连接到形成于电阻探针30的尖端的电阻半导体尖端31，且源极电极32连接到第一电阻器R1。右分支包括彼此串联连接的第二电阻器R2和第三电阻器R3，且第三电阻器R3被接地。将偏压V_SS共同地施加到惠斯通电桥的左分支和右分支。

将调制电压或调制信号V_sub通过调制信号发生器41施加到衬底33，优选地施加到调制电极35a。第一电阻器R1和源极电极32之间的节点P1以及第二电阻器R2和第三电阻器R3之间的节点P2分别连接到微分放大器21的非反相(+)输入端和反相(-)输入端。微分放大器21的输出端连接到解调器50。解调器50输出利用乘法器(MPL1和MPL2)和例如低通滤波器(LPF1和LPF2)的滤波器而最终获得的信息信号。

电阻探针30的电阻半导体尖端31受由介质产生的电场的影响，从而电阻半导体尖端31的电子迁移率即电阻变化。半导体尖端31和介质之间的间距依据介质的表面粗糙度而变化。如此，热发散量变化且电子迁移率的变化导致了电阻的变化。于是，电阻探针30的总电阻r_RP由电阻探针31的固有电阻组分R_o、依据来自介质的电场而变化的电阻组分r_f和由热不稳定性导致的电阻组分r_t的总和来决定。第一电阻器R1具有类似于固有电阻组分的值R_o，第二电阻器R2具有与第三电阻器R3相同的值，且调制信号V_sub是具有预定频率ω的正弦波。这里，使用等式2获得了调制信号的电压V_sub：

v_sub＝V_subsinωt    ...(2)

在该情形，使用等式3获得了惠斯通电桥的节点电压V₊：

$V_{+}=\frac{R_o+r_f^{\mathrm{\ω}}6+r_t}{{2R}_o+r_f^{\mathrm{\ω}}+r_t}{V}_{\mathrm{SS}}\≈\frac{R_o+r_f^{\mathrm{\ω}}+r}{{2R}_o}{V}_{\mathrm{SS}}...\left(3\right)$

其中依据电场变化的电阻组分r_f的上标ω指示电阻组分r_f对于调制电压V_sub的频率ω调制。惠斯通电桥的一个分支通过第二和第三电阻器R2和R3形成以去除偏移电压。使用等式4获得了分支的节点电压V_-：

$V\_=\frac{V_{\mathrm{ss}}}{2}...\left(4\right)$

当惠斯通电桥的节点电压V₊和V_-由具有增益A的微分放大器21放大时，利用等式5获得了输出电压V_o：

$V_o=A(V_{+}-V\_)=\frac{r_f^{\mathrm{\ω}}+r}{{2R}_o}A\·V_{\mathrm{SS}}...\left(5\right)$

解调器50被用于获得根据来自输出电压V_o的电场而变化的电阻组分r_f。与上述的实施例相似，解调器50包括第一乘法器MPL1和第一低通滤波器LPF1以及第二乘法器MPL2和第二低通滤波器LPF2。通过利用第一乘法器MPL1，将微分放大器21的输出电压V_o乘以调制信号V_sub’，获得了以下等式6A中的输出电压V_om，其中V_sub’具有与调制信号V_sub相同的频率和与输出电压V_o相同的相位：

$V_{\mathrm{om}}=V_o\×V_{\mathrm{sub}}=\frac{1}{{2R}_o}A{V}_{\mathrm{ss}}{V}_{\mathrm{sub}}(\frac{r_f^o+r_f^{2\mathrm{\ω}}}{2}+r_f^{\mathrm{\ω}})...\left(6A\right)$

其中每个电阻组分的上标o、ω和2ω代表了频率组分。

于是，通过使用第一低通滤波器LPF1仅探测了DC组分，可以仅探测依据电场变化的电阻组分r_f。

通过利用第二乘法器MPL2，将输出电压V_om与调制信号V_sub”相乘，获得了以下等式6B中的输出电压V_omm，V_sub”具有与输出电压V_om相同的相位：

$V_{\mathrm{omm}}=V_{\mathrm{om}}\×V_{\mathrm{sub}}=\frac{1}{{2R}_o}{\mathrm{AV}}_{\mathrm{ss}}{V}_{\mathrm{sub}}^2(\frac{r_f^o+r_f^{2\mathrm{\ω}}}{2}+\frac{{3r}_f^{\mathrm{\ω}}+r_f^{3\mathrm{\ω}}}{4})...\left(6B\right)$

其中每个电阻组分的上标o、ω、2ω和3ω代表了频率组分。输出电压V_omm通过第二低通滤波器LPF2，从而可以仅探测依据热信号变化的电阻组分r_t。

现将描述根据本发明的另一实施例的再现信息的设备和方法。

图5是根据本发明的另一实施例的再现信息的设备的示意性电路图。参考图5，电阻探针31连接到运算放大器21的输出端，且电阻探针31的漏极电极34连接到运算放大器21的反相输入端(-)。第一电阻器R1和第二电阻器R2分别连接到运算放大器21的反相输入端(-)和非反相输入端(+)，且将偏压V_SS共同地施加到其上。另外，第三电阻器R3与第二电阻器R2组合构成了电压分配器，且第三电阻器R3进一步连接到运算放大器21的非反相输入端。运算放大器21的输出端连接到解调器50。解调器50包括第一乘法器MPL1和第二乘法器MPL2以及第一低通滤波器LPF1和第二低通滤波器LPF2，如上所述。

如上所述，半导体尖端31的总电阻R_w由固有电阻R_o、依据电场而变化的电阻组分r_f和由热变化导致的电阻组分r_t的总和来决定。第一电阻R1具有与半导体尖端31的标称电阻R_o相同的值。在衬底33或调制电极33a中，调制信号或调制电压V_sub是具有预定频率ω的正弦波，使用等式7来表达：

V_sub＝V_subsinωt    ...(7)

使用等式8、9，分别获得了施加到非反相输入端和反相输入端的电压V₊和V_-：

$V_{+}=-\frac{V_{\mathrm{ss}}}{2}...\left(8\right)$

$V_{\_}=-\frac{V_{\mathrm{ss}}}{2}...\left(9\right)$

因为非反相输入端的阻抗实际上是无限的，使用等式10，获得了电流：

$\frac{V_{\mathrm{SS}}-V_{-}}{R_o}+\frac{V_o-V_{-}}{R_o+r_f^{\mathrm{\ω}}+r_t}=0...\left(10\right)$

在该情形，使用等式11获得了运算放大器21的输出电压：

$V_o=\frac{r_f^{\mathrm{\ω}}+r}{{2R}_o}{V}_{\mathrm{SS}}...\left(11\right)$

其中依据电场而变化的电阻组分r_f的上标指示电阻组分r_f对于调制电压V_sub的频率来调制。从解调器50获得了依据由以上电压引起的电场而变化的电阻组分r_f。解调器50包括乘法器51和低通滤波器52。通过使用乘法器将运算放大器21的输出电压V_o乘以调制电压V_sub，可以使用等式12A获得输出电压V_om：

$V_{\mathrm{om}}=V_o\×V_{\mathrm{sub}}=\frac{1}{{2R}_o}{V}_{\mathrm{ss}}{V}_{\mathrm{sub}}\left(\frac{r_f^o+r_f^{2\mathrm{\ω}}}{2}{r}_f^{\mathrm{\ω}}\right)...\left(12A\right)$

其中每个电阻组分的上标o、ω和2ω代表了频率组分。因此，通过使用低通滤波器52滤波输出电压V_om，从而可以仅探测依据电场变化的电阻组分r_f。

通过使用第二乘法器MPL2将第一乘法器51的输出电压V_om与调制电压V_sub”相乘，可以使用等式12B获得输出电压V_omm，且通过使用第二低通滤波器LPF2滤波输出电压V_omm，从而可以仅探测随温度变化的电阻组分r_t。

$V_{\mathrm{omm}}=V_{\mathrm{om}}\×V_{\mathrm{sub}}=\frac{1}{{2R}_o}{V}_{\mathrm{ss}}{V}_{\mathrm{sub}}^2(\frac{r_f^o+r_f^{2\mathrm{\ω}}}{2}+\frac{{3r}_f^{\mathrm{\ω}}+r_f^{3\mathrm{\ω}}}{4})...\left(12B\right)$

其中每个电阻组分的上标o、ω、2ω和3ω代表了频率组分。

如上所述，根据本发明，将具有预定频率的调制信号仅施加到复合信号的依据电场变化的信号，复合信号包括由热变化产生的信号和依据电场变化的该信号，因此，通过解调该复合信号，可以将热信号和电场信号从彼此分开。

图6是根据本发明的实施例的利用半导体探针再现信息的方法的示意图。

由俘获在信息介质的表面上的电荷和偶极矩产生了电场。半导体探针的沟道区依据该电场而变化，从而电阻探针30的电阻变化。由将驱动电压施加到电阻探针30而产生的信号可以被分为电阻探针30的固有电阻组分、根据电场而变化的电阻组分、由于物理记录层的形状的变化产生的温度变化引起的热阻变化组分。

在操作40(调制)中，通过将高频调制信号V_sub施加到半导体探针30而形成了调制场，且仅调制了依据电场而变化的电阻组分信号。

在操作20(信号探测)中，通过将驱动电压施加到半导体探针30而探测的信号可以由通过调制信号调制的信号来表达，即通过将半导体探针的依据电场而变化的调制电阻组分信号和包括固有电阻组分和热阻变化组分的信号的和调制。

在操作20(信号探测)中，可以构成将偏压Vss分配到半导体探针和提取在半导体探针中产生的信号的电压分配器。桥接电路或具有反馈回路的运算放大器可以被用作电压分配器。在该情形，操作20还可以包括去除在电压分配和放大探测信号的过程中产生的偏移电压。在以上已经描述了其细节。

操作50(解调)包括从操作20中探测的信号分离由调制电场调制的信号和非调制信号且提取两个信号。具体而言，操作50包括将在操作20中探测的信号乘以解调信号两次，且通过滤波两个分开信号的乘积中的输出来提取具有小于预定频率的频率的两个信号。解调信号V_sub’和V_sub”具有与调制信号相同的频率和与在操作20中探测的信号相同的相位。对其细节已经在上面参考图4到7进行了说明。

图7到9分别显示了图5中所示的实施例的模拟结果。

参考图7，第一波形是依据电场而变化的电阻组分r_f的波形，且第二波形是由热变化导致的电阻组分r_t的波形，即模拟中使用的数据。

参考图8，第一波形是通过第一乘法器的初级信号的输出波形，第二波形是通过第二乘法器的次级信号的输出波形。

参考图9，图的上部是由滤波初级信号获得的信号VFO的波形，且图的下部是由滤波次级信号获得的信号VTO的波形。

在以上的模拟数据中，图7的输入波形和图9的输出波形彼此一致。于是，使用利用根据本发明的半导体探针的再现信息的设备，相应的信号可以连续地从包括热信号和电场信号的复合信号分离。

本发明的最有价值的特征是提供了一种能够双层位存储的信息介质及使用其的设备。聚合物被涂布在铁电记录层上，从而改善了铁电记录层的表面粗糙度，且完全去除了由表面粗糙度导致的信号噪声。另外，聚合物被用作物理记录层，通过改变物理记录层的形状而在其上写入了信息，且物理记录层也作为相对于设置于该物理记录层下的铁电记录层的电荷注入层。根据本发明，形成了双层记录介质，从而可以最大化记录密度。

另外，提供了一种存储介质，其中可以通过在设置于物理记录层下的铁电层中的极化畴来存储信息，且信息可以被写入在介质上并从介质再现，从而可以同时实现电阻探针记录技术和热探针记录技术。另外，去除了介质的表面的粗糙，从而去除了由表面粗糙产生的噪声。另外，具有不同信息存储形式的两层记录层被集成在一个介质中，从而信息可以被密集地存储。

另外，本发明可以被用于使用场效应晶体管探针的各种领域，尤其是在信息再现领域中。

虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的一般技术人员可以理解在不脱离由权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的不同变化。

Claims (22)

1、一种信息存储介质，包括：

衬底；

形成于所述衬底上的铁电记录层，其中通过排列所述铁电记录层的极化畴的极化方向来存储信息；

形成于所述铁电记录层上的物理记录层，通过在所述物理记录层中形成凹点来在其上写入信息；和

位于所述衬底和所述铁电记录层之间的电极。

2、根据权利要求1所述的信息存储介质，其中所述电极由选自由Pt、Pd、Ir、Ru和RuO₂组成的组的一种材料形成。

3、根据权利要求1所述的信息存储介质，其中所述铁电记录层由选自由PZT、PbTiO₃、BiFeO₃和LiTaO₃组成的组的一种材料形成。

4、根据权利要求1所述的信息存储介质，其中所述物理记录层由选自由聚笨乙烯苯乙基环丁烯、[6，6]-苯C61-丁酸甲酯、聚[2-甲氧基-5-(3’，7’-二甲基亲氧基)]-p-亚苯基乙烯和聚-3-己基噻吩组成的组的一种材料形成。

5、一种再现信息的设备，包括：

存储介质，包括铁电记录层，其中通过排列所述铁电记录层的极化畴的极化方向来存储信息；和形成于所述铁电记录层上的物理记录层，通过在所述物理记录层中形成凹点来在其上写入信息；

产生复合信号的半导体探针，所述复合信号包括由所述存储介质的铁电记录层的电场变化产生的电场信号和由于所述物理记录层的形状变化引起的温度变化产生的热信号；

信号探测器，探测由所述半导体探针产生的复合信号；和

解调器，解调由所述信号探测器探测的复合信号且从所述复合信息提取所述电场信号和所述热信号。

6、根据权利要求5所述的设备，还包括：

高频调制信号发生器；和

设置于悬臂上的电极，通过所述高频调制信号发生器对所述电极施加高频调制信号，

其中所述半导体探针包括：

p型半导体形成的尖端；

在所述尖端的尖点处形成沟道的区域；

掺杂为n型半导体的在形成沟道的所述区域的任一侧的倾斜表面上的源极区和漏极区；和

设置于所述尖端的端部上和由p型半导体形成的悬臂。

7、根据权利要求6所述的设备，其中所述高频调制信号为正弦信号。

8、根据权利要求7所述的设备，其中所述高频调制信号为频率至少是所述存储介质中产生的电场的频率5倍高的高频信号。

9、根据权利要求5或6所述的设备，其中所述解调器包括：

第一乘法器，为乘法运算器，将由所述信号探测器探测的复合信号乘以解调信号；

第一低通滤波器，从来自所述第一乘法器的初级信号输出提取频率小于预定频率的电场信号；

第二乘法器，将所述初级信号乘以所述解调信号；和

第二低通滤波器，从来自所述第二乘法器的次级信号输出提取频率小于预定频率的热信号，

其中所述解调信号具有与所述高频解调信号的频率基本相同的频率，且具有与由所述信号探测器探测的复合信号基本相同的相位。

10、根据权利要求9所述的设备，其中所述低通滤波器的截止频率比所述调制信号的频率小10倍。

11、根据权利要求5所述的设备，其中所述信号探测器被设置为电压分配器，以将电压分配并施加到所述半导体探针且提取信号。

12、根据权利要求11所述的设备，其中所述电压分配器为包括至少一个电阻器和所述半导体探针的桥接电路。

13、根据权利要求7所述的设备，其中所述解调器包括：

第一乘法器，为乘法运算器，将由所述信号探测器探测的复合信号乘以解调信号；

第一低通滤波器，从来自所述第一乘法器的初级信号输出提取频率小于预定频率的电场信号；

第二乘法器，将所述初级信号乘以所述解调信号；和

第二低通滤波器，从来自所述第二乘法器的次级信号输出提取频率小于预定频率的热信号，

其中所述解调信号具有与所述高频解调信号的频率基本相同的频率，且具有与由所述信号探测器探测的复合信号基本相同的相位。

14、根据权利要求13所述的设备，其中所述桥接电路是包括所述半导体探针和一个电阻器的半桥电路，且在串联连接所述半导体探针的节点处探测复合信号。

15、根据权利要求13所述的设备，其中所述桥接电路是包括所述半导体探针和三个电阻器的惠斯通电桥，且还包括微分放大器，且

其中所述微分放大器的反相输入端和非反相输入端中的一个连接到所述惠斯通电桥的第一臂的第一连接节点，其中所述半导体探针被包括以连接到第一电阻器，所述第一连接节点设置于所述半导体探针和所述第一电阻器之间，且所述反相输入端和非反相输入端中的另一个连接到所述惠斯通电桥的第一臂的第二连接节点，所述第二节点设置于第二电阻器和第三电阻器之间。

16、根据权利要求15所述的设备，其中所述第一电阻器的电阻与所述半导体探针的固有电阻组分的电阻基本相同，且所述第二电阻器和所述第三电阻器的电阻基本相同。

17、根据权利要求16所述的设备，其中所述解调器包括：

乘法器，将由所述信号探测器探测的复合信号乘以所述解调信号；和

第一低通滤波器，从来自所述乘法器的信号输出提取频率低于预定频率的信号；

其中，所述解调信号具有与所述高频解调信号的频率基本相同的频率，且具有与来自所述信号探测器的复合信号基本相同的相位。

18、根据权利要求11所述的设备，其中所述电压分配器是包括至少一个电阻器和运算放大器的反转放大器，其中利用所述半导体探针形成了反馈回路。

19、一种利用半导体探针在存储介质上再现信息的方法，包括：存储介质包括铁电记录层和物理记录层，在所述铁电记录层中通过排列所述铁电记录层的极化畴的极化方向来存储信息，所述物理记录层形成于所述铁电记录层上且通过在所述物理记录层中形成凹点而在其上写入信息；和半导体尖端，从所述介质的铁电记录层和物理记录层探测信息，所述方法包括：

通过对于所述半导体探针施加高频调制信号并形成调制电场而调制由所述存储介质的铁电记录层的电场变化产生的电信号；

探测对应于来自所述半导体探针的信息的复合信号；且

通过彼此分离所述调制电场信号和所述非调制热信号并提取两个信号而解调所述调制电场信号和所述非调制的热信号。

20、根据权利要求19所述的方法，其中所述解调包括：

将在所述探测中探测的复合信号乘以解调信号；

从来自所述复合信号的乘积的初级信号输出提取具有小于预定频率的频率的电场信号；

将所述初级信号乘以所述解调信号；且

从来自所述初级信号的乘积的次级信号输出提取具有小于预定频率的频率的热信号。

21、根据权利要求19所述的方法，其中所述探测包括将电压分配到所述半导体探针且提取所述半导体探针中产生的信号。

22、根据权利要求20所述的方法，其中所述探测还包括去除和放大所述分配的电压的偏移电压。

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