CN101359493B - 提高电场传感器的灵敏度的方法、存储设备及再现方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种提高电场传感器的灵敏度的方法、存储设备及再现方法。该存储设备包括：铁电记录介质；电场传感器，包括源区、漏区和电阻区，所述电阻区将源区电连接到漏区并具有电阻，所述电阻根据由铁电记录介质的电畴的极化电压引起的电场的强度而变化；电压施加单元，在源区和漏区之间施加电压；再现信号检测单元，包括至少一个负电阻器，所述至少一个负电阻器安装在将漏区连接到电压施加单元的电路中，用于检测漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化。

Description

提高电场传感器的灵敏度的方法、存储设备及再现方法
技术领域
本发明涉及一种存储设备和再现该存储设备的信息的方法，更具体地讲，涉及这样一种存储设备和再现该存储设备的信息的方法，其中，利用电场传感器来读取记录在铁电(ferroelectric)记录介质中的信息。
背景技术
作为计算机的主要存储装置的硬盘驱动器(HDD)通过使数据记录介质旋转并使读/写头悬在数据记录介质上方来工作，以便读取和写入数据。传统的HDD通常利用磁场来在磁记录介质上创建在第一方向上或者与第一方向相反的第二方向上磁化的多个磁畴。在第一和第二方向上磁化的磁畴分别对应于数据“0”和数据“1”。
在过去的几十年间，采用该磁写入方法的HDD经历了其写入密度的巨大提高。因此，HDD上的水平磁写入可产生大约100Gb/in2的记录密度，而HDD上的垂直磁写入可产生大约500Gb/in2的记录密度。然而，由于磁读/写头难以形成强局部化的磁场，所以记录密度的增加有限。
近来，已对铁电介质(利用电场来在其上写数据)及相应的读/写头(以下，称为电场读/写头)进行了研究。电场写入方法利用电场来在铁电体表面上形成在第一方向或与第一方向相反的第二方向上极化的电畴(electricdomain)。在第一和第二方向上极化的电畴分别对应于数据“0”和数据“1”。根据电畴的极化方向，电畴上方的电场读/写头的电阻改变，从而在电场读/写头的源电极和漏电极之间流动的电流的量会改变。通过检测电流量的改变，可辨别出电畴中所写的数据。根据电场读取/写入，可实现1Tb/in2或更高的高记录密度。
电场读/写头在记录期间施加使记录介质极化的电场，而在再现期间检测由于记录介质的电畴的极化电压而引起的电场变化。电场读/写头在再现期间用作具有电场效应晶体管的沟道结构的电场传感器。为了实现更有效和大规模的存储设备，应该提高电场传感器的灵敏度。
发明内容
本发明提供一种提高电场传感器的灵敏度的方法、具有提高的读取灵敏度的存储设备以及再现该存储设备的信息的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种提高电场传感器的灵敏度的方法，该电场传感器包括源区、漏区和将源区电连接到漏区的电阻区，该电阻区具有根据电场的强度而变化的电阻，该方法通过测量流过电阻区的漏电流的变化来检测电场的变化，其中，测量漏电流的变化的步骤包括：使漏电流经过至少一个负电阻器；检测漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化。
串联和/或并联的多个隧道二极管可用作负电阻器。所述隧道二极管可串联和/或并联，以使得隧道二极管的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和线性区彼此相交。
根据本发明的另一方面，提供一种存储设备，其包括：铁电记录介质；电场传感器，包括源区、漏区和电阻区，所述电阻区将源区电连接到漏区，并且所述电阻区的电阻根据由铁电记录介质的电畴的极化电压引起的电场的强度而变化；电压施加单元，在源区和漏区之间施加电压；再现信号检测单元，包括至少一个负电阻器，所述至少一个负电阻器安装在将漏区连接到电压施加单元的电路中，用于检测漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化。
所述负电阻器可以是隧道二极管。
所述再现信号检测单元可包括串联和/或并联的多个隧道二极管。所述隧道二极管可串联和/或并联，以使得隧道二极管的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和线性区彼此相交。
所述电场传感器还可包括：设置在所述电阻区上的写电极，其中，在所述写电极和电阻区之间设置有绝缘层，并且将绝对值等于或大于阈值电压的电压施加到该写电极，以便记录和再现信息。
根据本发明的另一方面，提供一种再现存储设备的信息的方法，该存储设备包括：铁电记录介质；电场传感器，包括源区、漏区和电阻区，所述电阻区将源区电连接到漏区，并且所述电阻区的电阻根据由铁电记录介质的电畴的极化电压引起的电场的强度而变化；电压施加单元，在源区和漏区之间施加电压，其中，该方法可包括：在将漏区连接到电压施加单元的电路中安装至少一个负电阻器，以使电场传感器的输出电流经过所述至少一个负电阻器；检测所述漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化，以获得再现信号。
串联和/或并联的多个隧道二极管可用作所述负电阻器。
所述隧道二极管可串联和/或并联，以使得隧道二极管的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和线性区彼此相交。
附图说明
从下面参照附图对本发明的示例实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征将更明显，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的存储设备的结构图；
图2是根据本发明另一示例性实施例的存储设备的示意性结构图；
图3是根据本发明示例性实施例的图2的存储设备中使用的电场传感器的透视图；
图4是电场传感器的漏电压-漏电流曲线图；
图5是根据本发明示例性实施例的再现信号检测单元的结构图；
图6是根据本发明另一示例性实施例的使用隧道二极管作为负电阻器的再现信号检测单元的结构图；
图7是隧道二极管的电压对电流曲线图；
图8是用于获得根据本发明示例性实施例的电场效应晶体管M的漏电压和漏电流之间的关系的电场效应晶体管M的电路图；
图9是图8的电路图中的电场效应晶体管M的漏电压-漏电流曲线图；
图10是用于获得根据本发明示例性实施例的隧道二极管的负载线的电路图；
图11是由图8的电路图仿真的隧道二极管的负载线的曲线图；
图12是根据本发明示例性实施例的合成了图8和图10中的电路的电路图；
图13是合成了图9和图11中的曲线的曲线图；
图14是电压Vg-漏电流Id曲线图。
具体实施方式
以下将描述提高电场传感器的灵敏度的方法、具有提高的读取灵敏度的存储设备以及再现该存储设备的信息的方法。在附图中，为了清晰起见，夸大了层和区域的厚度。附图中的相同的标号表示相同的部件。
图1是根据本发明示例性实施例的存储设备的结构图。该存储设备包括电阻探针类型的电场传感器100a。在电场传感器100a的主体B上设置有电阻区G、源区S和漏区D，其中，电阻区G是低浓度掺杂的区域，源区S和漏区D可设置在电阻区G的两侧，并且源区S和漏区D都是高浓度掺杂的区域。当主体B是p型半导体时，电阻区G是n-型区，而源区S和漏区D都是n+型区。当主体B是n型半导体时，电阻区G是p-型区，而源区S和漏区D都是p+型区。电阻区G面向记录介质500。电场传感器100a相对于记录介质500移动。
图2是根据本发明另一示例性实施例的存储设备的示意性结构图。图3是根据本发明示例性实施例的图2中的存储设备中使用的电场传感器的透视图。该存储设备的驱动系统与传统的硬盘驱动器(HDD)的驱动系统相同。但是，传统的HDD的磁记录介质可被铁电记录介质代替，传统的HDD的磁记录-再现头可被滑撬(slider)类型的电场传感器100b代替。
参照图2，记录介质500是旋转的盘类型。图3的电场传感器100b附着到构成摆臂300的一端的悬架200上，由音圈电机400使摆臂300转动。然后，电场传感器100b由于气垫效应(air bearing effect)而浮在记录介质500的表面上方。
参照图3，电场传感器100b包括半导体基底10，该半导体基底10具有面向记录介质500的表面的第一表面11和与第一表面11接触的第二表面12。半导体基底10可以由p型或n型半导体材料形成。第一表面11和第二表面12彼此垂直。在半导体基底10上设置有电阻区G、源区S和漏区D，其中，电阻区G是低浓度掺杂的区域，源区S和漏区D分别设置在电阻区G的两侧，并且源区S和漏区D都是高浓度掺杂的区域。源电极E1和漏电极E2分别电连接到源区S和漏区D。当半导体基底10是p型半导体时，电阻区G是n-型区，而源区S和漏区D都是n+型区。当半导体基底10是n型半导体时，电阻区G是p-型区，而源区S和漏区D都是p+型区。当电场传感器100b具有写功能时，在电阻区G上形成有绝缘层21，并且在绝缘层21上形成有栅电极W。栅电极W是写电极。以下，栅电极W将被称为写电极W。在源区S和漏区D的暴露于外的部分上形成有绝缘层22。
在半导体基底10的第一表面11上可形成气垫面(ABS)图案30。ABS图案30起到这样的作用：包括形成于其上的ABS图案30的电场传感器100b可浮在记录介质500的面上方。
记录介质500是铁电记录介质。尽管没有示出，但是记录介质500被构造为在基底上顺次形成有下电极和铁电层的结构。所述基底可由Si、玻璃等形成。所述下电极可由半导体存储器装置中使用的电极材料形成，并且可由金属(例如，Pt、Al、Au、Ag、Cu等)或金属氧化物(例如，SrRuO3、(La，Sr)CoO等)形成。所述下电极还接地。所述铁电层可由铁电材料(例如，PZT(PbZrxTi1-xO3)、PbTiO3、PbZrO3、SrBi2Ta2O9(SBT)、KNbO3、LiTaO3、LiNbO3等)形成。还可在铁电层上形成钝化层。该钝化层可由类金刚石碳(DLC)连同普通HDD的表面上使用的润滑剂一起形成，并且可由DLC和所述润滑剂中的任一种形成。
以下，将参照图1至图3描述从记录介质500再现信息的原理。
电压施加单元610在源区S和漏区D之间施加漏电压Vd。电阻区G用作沟道，电流通过该沟道在源区S和漏区D之间流动。根据施加到电阻区G的电场，电阻区G的电阻改变。然后，从源区S流到漏区D的漏电流Id的量改变。再现信号检测单元620检测漏电流Id的变化量。以下，滑撬类型的电场传感器100a和100b将被称为电场传感器100。
当电场传感器100的源区S和漏区D都为n+区，电阻区G为n-区时，如果记录介质500的面向电阻区G的电畴在第一极化方向上极化，从而记录介质500的表面电荷为负(-)，则电阻区G的电子密度减小，从而电阻区G的电阻增大。然后，通过电阻区G从源区S流到漏区D的电流量减小。另一方面，当记录介质500的面向电阻区G的电畴在第二极化方向上极化，从而记录介质500的表面电荷为正(+)时，电阻区G的电子密度增大，从而电阻区G的电阻减小。然后，通过电阻区G从源区S流到漏区D的电流量增大。再现信号检测单元620基于电流量的改变产生再现信号。可基于该再现信号读取记录在记录介质500的表面上的信息。
将参照图2和图3描述将信息记录在记录介质500上的操作。正(+)电压或负(-)电压(其绝对值等于或大于阈值电压)被施加到电场传感器100的写电极W。当正(+)电压被施加到写电极W上时，记录介质500的面向写电极W的电畴在第一极化方向上极化，并且相应电畴的表面为负(-)。另一方面，当负(-)电压被施加到写电极W上时，记录介质500的面向写电极W的电畴在第二极化方向上极化，并且相应电畴的表面为正(+)。因此，根据施加到写电极W的电压，记录介质500(铁电记录介质)的电畴的极化方向可改变，信息可被记录在记录介质500上。
图4是电场传感器100的漏电压-漏电流曲线图。当在漏电压-漏电流曲线的线性区域中，直接读取到漏电流Id的相对于记录介质500的表面电压Vg的微小变化时，灵敏度非常低。当灵敏度低时，检测信号容易受到噪声的影响。因此，为了提高电场传感器100的分辨能力，应该保证高灵敏度。例如，如图5中所示，电场传感器100可被设计为电场效应晶体管(FET)。图5是根据本发明示例性实施例的再现信号检测单元的结构图。为了检测漏电流Id的变化，在连接漏区D和电压施加单元610的电路中安装电阻器R。假设电阻器R是正电阻器以使得在电压-电流曲线(见图4)中负载线(load line)L1具有负的梯度。在图4中，当记录介质500的表面电压Vg为Vg1和Vg2时，输出电压Vo分别为V1和V2，并且输出电压Vo的变化ΔVo是V1与V2之差。输出电压Vo的变化ΔVo越大，灵敏度越高。当正电阻器被用作电阻器R时，如图4中所示，很难增大输出电压Vo的变化ΔVo。即，由于当正电阻器被用作电阻器R时，相对于记录介质500的表面电压Vg的改变，漏电流Id的变化非常小，所以很难增大输出电压Vo的变化ΔVo。
根据本发明的示例性实施例，在连接漏区D和电压施加单元610的电路中可安装负电阻器作为电阻器R，从而提高灵敏度。参照图4，负电阻器的负载线L2具有与正电阻器的负载线L1的梯度相反的梯度。当负电阻器被用作电阻器R时，如果记录介质500的表面电压Vg为Vg1和Vg2，则输出电压Vo分别为V1′和V2′。因此，可以看出，当负电阻器被用作电阻器R时的输出电压Vo的变化ΔVo′比正电阻器被用作电阻器R时的输出电压Vo的变化ΔVo大许多。
以下，将描述当负电阻器被用作电阻器R时灵敏度提高效果的仿真结果。
图6是根据本发明另一示例性实施例的将隧道二极管T用作负电阻器的再现信号检测单元的结构图。隧道二极管T是p-n结二极管，其中，p和n掺杂物的浓度增大以便具有非常窄的耗尽层。图7是Microsemi公司的Si隧道二极管1N2927的电压-电流曲线图。参照图7，在区域R1(负电阻区)中，当电压增大时，电流减小。
图8是用于获得根据本发明示例性实施例的电场效应晶体管M的漏电压和漏电流之间的关系的电路图。在图8中，电场传感器100被电场效应晶体管M代替，以便检验包括隧道二极管T的再现信号检测单元620的效果。
在该电路图中，使用n沟道垂直DMOSFET(2N7002/PLP)作为电场效应晶体管M。图9是在图8的电路图的电场效应晶体管M中，当漏电压Vd从0V改变至2V，施加到栅电极的电压Vg为3.95V和4.05V时，漏电压Vd-漏电流Id曲线图。当电压Vg从3.95V改变为4.05V时，漏电流Id的变化仅为大约40μA。
图10是用于获得根据本发明示例性实施例的负电阻器的负载线的电路图。为了通过增大输出电压Vo的变化ΔVo来提高灵敏度，负电阻器的负载线的负电阻区应该与电场传感器100的线性区相交。当负电阻器的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器100的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度非常相似时，输出电压Vo的变化ΔVo增大，并且灵敏度也提高。为此，可使用串联和/或并联的多个负电阻器(例如，多个隧道二极管T)。当隧道二极管T串联时，负电阻区的负载线的梯度较缓。当隧道二极管T并联时，负电阻区的负载线的梯度较陡。
在该电路图中，使用21个Microsemi公司的Si隧道二极管1N2927作为隧道二极管T，以使得负电阻器的负载线的负电阻区和2N7002/PLP(n沟道垂直DMOFET)的漏电压-漏电流曲线的线性区彼此相交。
图11是根据本发明示例性实施例的从图10的电路获得的漏电压-漏电流曲线图，示出了通过使电压Va从0V变化到2V并且将电压Vb保持为2V所获得的负载线L3。与图4相比，图11中的负载线L3的区域R1′的形状与图4的负载线L2的形状相同。
图12是根据本发明示例性实施例的组合了图8和图10的电路的电路图。参照图12，当针对电压Vg，电场效应晶体管M中流动的电流量等于隧道二极管T中流动的电流量时，该电流量是工作电流量。图13是包括图9和图11的曲线的曲线图。参照图13，当电压Vg为4.05V时，曲线C2和隧道二极管T的负载线L3在工作点A处彼此相交。当电压Vg为3.95V时，曲线C1和隧道二极管T的负载线L3在工作点B处彼此相交。当电压Vg从3.95V改变为4.05V时，输出电压Vo的变化ΔVo为VB-VA，并且漏电流Id的变化ΔId为IdB-IdA。当没有使用隧道二极管T时，在电压Vg从3.95V变化至4.05V时可检测到的漏电流Id的变化ΔId的最大值仅为IdA′和IdB′之差。图14是电压Vg-漏电流Id曲线图。参照图14，根据包括隧道二极管T的再现信号检测单元620，当电压Vg从3.95V改变为4.05V时，漏电流Id的变化ΔId约为120μA。另一方面，当没有使用隧道二极管T时，在电压Vg从3.95V变化至4.05V时可检测到的漏电流Id的变化ΔId的最大值大约为40μA。因此，根据包括隧道二极管T的再现信号检测单元620，灵敏度可几乎增加至三倍。
如上所述，使用电场效应晶体管来代替电场传感器100。然而，由于电场传感器100可被设计为电场效应晶体管，所以本领域普通技术人员可以理解的是，这样的设计提高了电场传感器100的灵敏度。
此外，如上所述，根据n沟道垂直DMOSFET(2N7002/PLP)的漏电压-漏电流曲线，使用了21个Microsemi公司的Si隧道二极管1N2927，然而，这是示例性的。本领域普通技术人员应该理解的是，多个负电阻器可串联和/或并联，以使得负载线可与电场传感器100a的电压Vd对电流Id曲线相交(如图1所示)，或者与电场传感器100b的漏电压-漏电流曲线的线性区相交(如图2所示)，并且负载线的负电阻区的梯度可与漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似。
如上所述，通过使用包括负电阻器的再现信号检测单元620，可提高电场传感器100的灵敏度。再现信号检测单元620还可包括对输出电压Vo进行放大的放大器以及用于将放大的信号变换为数字信号的模拟-数字变换器。由信息处理设备(如计算机)对从其可检测输出电压Vo的再现信号进行处理的过程是本领域普通技术人员所公知的，因此将省略其详细描述。例如，可使用传统的硬盘驱动器(HDD)的信号处理结构。
根据依据本发明示例性实施例的提高电场传感器的灵敏度的方法，由于可以以非常高的灵敏度检测到施加到电阻区的电场强度的微小变化，所以可减少由于噪声引起的效应。此外，根据存储设备和该存储设备的再现方法，可获得非常高的读取灵敏度。
尽管已参照本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

Claims (12)

1.一种提高电场传感器的灵敏度的方法，该电场传感器包括源区、漏区和将源区电连接到漏区的电阻区，该电阻区具有根据电场的强度而变化的电阻，该方法通过检测流过电阻区的漏电流的变化来检测电场的变化，检测漏电流的变化的步骤包括：
使漏电流流过至少一个负电阻器；
检测漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化，
其中，负电阻器的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和所述线性区彼此相交。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：使用隧道二极管作为所述至少一个负电阻器。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：使用串联和/或并联的多个隧道二极管作为负电阻器。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述多个隧道二极管串联和/或并联，以使得隧道二极管的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和线性区彼此相交。
5.一种存储设备，包括：
铁电记录介质；
电场传感器，包括源区、漏区和电阻区，所述电阻区将源区电连接到漏区，并且所述电阻区的电阻根据由铁电记录介质的电畴的极化电压引起的电场的强度而变化；
电压施加单元，在源区和漏区之间施加电压；
再现信号检测单元，包括至少一个负电阻器，用于检测漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化，所述至少一个负电阻器安装在将漏区连接到电压施加单元的电路中，
其中，负电阻器的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和所述线性区彼此相交。
6.如权利要求5所述的存储设备，其中，所述负电阻器是隧道二极管。
7.如权利要求6所述的存储设备，其中，所述再现信号检测单元包括串联和/或并联的多个隧道二极管。
8.如权利要求7所述的存储设备，其中，所述隧道二极管串联和/或并联，以使得隧道二极管的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和线性区彼此相交。
9.如权利要求5所述的存储设备，其中，所述电场传感器还包括：设置在所述电阻区上的写电极，绝对值等于或大于阈值电压的电压被施加到该写电极，以便在铁电记录介质上记录信息，其中，在所述写电极和电阻区之间设置有绝缘层。
10.一种再现存储设备的信息的方法，该存储设备包括：铁电记录介质；电场传感器，包括源区、漏区和电阻区，所述电阻区将源区电连接到漏区，并且所述电阻区的电阻根据由铁电记录介质的电畴的极化电压引起的电场的强度而变化；电压施加单元，在源区和漏区之间施加电压，其中，该方法包括：
在将漏区连接到电压施加单元的电路中安装至少一个负电阻器，以使电场传感器的输出电流流过所述至少一个负电阻器；
检测所述漏区和所述至少一个负电阻器之间的电压的变化，以获得再现信号，
其中，负电阻器的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和所述线性区彼此相交。
11.如权利要求10所述的方法，其中，串联和/或并联的多个隧道二极管被用作所述负电阻器。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述隧道二极管串联和/或并联，以使得隧道二极管的负载线的负电阻区的梯度与电场传感器的漏电压-漏电流曲线的线性区的梯度相似，并且所述负电阻区和线性区彼此相交。
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