CN101523492A - 包括具有超分辨率近场结构的掩模层的光学存储介质 - Google Patents

Abstract

根据本发明的光学存储介质使用作为超分辨率近场结构的掩模层(2)，该掩模层(2)包括掺杂半导体材料。具体地，n型掺杂半导体材料使得当辐照激光束时半导体材料的反射率增加。对于半导体材料，有利地可以使用铟合金，而对于掺杂材料，可以使用硒或碲。为了制造相应的光学存储介质，可以使用溅射方法来沉积作为掩模层的掺杂的半导体材料，其中掺杂剂已经包括在了半导体溅射靶中。

Description

包括具有超分辨率近场结构的掩模层的光学存储介质

技术领域

本发明涉及包括具有超分辨率近场结构的掩模层的光学存储介质，并涉及相应的光学存储介质的制造方法。这种类型的存储介质，正如在消费电子装置中所使用的，例如可以用于数据的存储和记录。

背景技术

与常规的光学记录介质相比，具有超分辨率近场结构(super resolutionnear field structure，Super-RENS)的光学存储介质可以在一个维度上使光学记录介质的数据密度增加到三倍。这可以通过所谓的超分辨率近场结构来实现，超分辨率近场结构位于光学记录介质的数据层之上，并显著地降低用于从光学存储介质读出或者向光学存储介质写入的光斑的有效尺寸。简单地说，超分辨率层也对应于掩模层，因为它位于数据层之上并且只有激光束的高强度的中心部分可以穿透该超分辨率近场结构层。然而，已知还有其它类型的超分辨率近场结构层，它们增加了激光束中心的反射率。

Tominaga、Nakano和Atoda在“An approach for recording and readoutbeyond the diffraction limit with an Sb thin film”，Applied Physics Letters，Vol.73，No.15，12 October 1998中描述了用于记录和重现(retrieve)超过光学衍射极限的小的标记的超分辨率近场技术，其中描述了用Sb薄膜作为超分辨率层。

目前正在发展的用于未来光学存储介质的超分辨率近场结构层具有需要高的激光功率来加热掩模层和相应的周围保护层的缺点。

已知半导体材料—例如ZnO—也可以用作超分辨率近场结构光学存储介质的掩模层。Takamori等人在“Energy-Gap-Induced Super-Resolution OpticalDisc using ZnO Interference Film”，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.44，No.5b，2005，pp.3627-3630中曾描述了这种用于超分辨率近场结构层的半导体材料。Takamori等人描述了以ZnO作为有源层沉积在ROM型基板上的超分辨率近场结构盘(Super-RENS disc)并表明了温度上升可以局部地增加ZnO的透光度，从而引起能实现低于衍射极限的探测的近场相互作用。

在一些文章(Hyot et al，“Phase change materials and Super-RENS”，E*PCOS 05，Technical Digest，Cambridge，2005以及Pichon et al，“MultiphysicsSimulation of Super-Resolution BD ROM Optical Disk Readout”2006 IEEE，0-7803-9494-1/06，PP206-208)中提出了一种半导体掩模层，其中可以通过光生自由载流子获得折射率的局部改变。给出了关于热的描述以提供在数据层的读出过程中温度分布的信息。

在US2003/0193857中，包括超分辨率近场结构掩模层的光盘被描述为包括半导体膜，该半导体膜可以具有混入半导体的不超过20at％的杂质或者基体材料(matrix material)。超分辨率近场结构探测是基于掩模层的透射率的增加，其中通过使用入射激光束辐照时半导体层的吸收饱和来增加透射率。掩模层可以包括杂质，该杂质使能带偏移以对于特定波长可以获得高效的吸收。还描述了这样的实施例：当以提供受主能级的Be或以提供施主能级的Te对GaP层进行掺杂时，GaP层可以用作超分辨率近场结构层。这使得当使用650nm波长的再现光束(reproduction beam)时可以通过提供电子激发而实现GaP层的吸收饱和。为了提供吸收饱和，当使用脉冲激光光源时需要相对较高的激光功率，例如1.3mW。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括具有超分辨率近场结构的掩模层的光学存储介质，该光学存储介质易于制造并且特别地可以以较低的激光功率来使用。

该目的通过具有权利要求1所述的技术特征的光学存储介质和权利要求8所述的光学存储介质的制造方法来实现。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。

根据本发明的光学存储介质使用了掩模层作为超分辨率近场结构，该掩模层包括掺杂的半导体材料。具体地，根据固体中自由电子的Drude模型，为了在辐照激光束时提供高的反射率，半导体材料为n型掺杂以使得半导体材料的反射率增加。

至于半导体材料，可以有利地使用铟合金，而对于掺杂材料，可以使用硒或碲。测试数据表明当使用硒或碲掺杂的半导体掩模层时，随着激光功率的增加，反射率可以典型地变化到2倍。其它的掺杂的半导体材料甚至可以提供更高的反射率变化。

为了制造相应的光学存储介质，可以使用溅射的方法来沉积作为掩模层的掺杂半导体，其中掺杂的半导体材料优选为InSb并且掺杂剂已经包含在了半导体溅射的靶中。

具体地，光学存储介质是包括作为掩模层的超分辨率近场结构(Super-RENS)的光学存储盘。当使用掺杂的半导体材料并通过使用合适的掺杂，该掩模层可以容易地制造，并且与其它的超分辨率近场结构存储介质相比，数据的写和读似乎可以使用较低的激光功率。

附图说明

下面将参考附图通过示例的方式更加详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1InSb层的作为自由载流子浓度的函数的计算的反射率因子；

图2InSb层的依赖于自由载流子浓度的吸收系数的计算；

图3依赖于激光功率和半导体掺杂浓度的n型掺杂半导体的反射率的计算；

图4包括作为掩模层的掺杂半导体层的光学存储介质的简化截面图；

图5具有不同碲浓度的掺杂半导体层掩模层的作为激光功率的函数的反射率测试结果；以及

图6具有不同硒浓度的掺杂半导体层掩模层的作为激光功率的函数的反射率测试结果。

具体实施方式

薄的半导体层的反射率是自由载流子浓度和厚度的函数。自由载流子浓度可以使用固体中自由电子的Drude模型来计算。对于具有厚度d的半导体层，自由载流子浓度N可以表示如下：

$N\∝(1-R)\·[1-\exp (-\mathrm{\αd})]\frac{1}{d}$

其中α是材料的吸收系数。对于InSb层而言，得到的作为自由载流子浓度的函数的反射率R示于图1中。可以看出，在自由载流子浓度的特定阈值之上，反射率几乎增加到1的水平。

吸收系数α与自由载流子浓度N之间的依赖关系示于图2，其中示出了对于InSb层的作为自由载流子产生(free carrier generation)N₀的函数的计算的吸收系数α。因此，通过增加α，自由载流子的浓度将增加。

如果半导体被掺杂，吸收系数α将更高，并且因为自由载流子产生N₀也相应地更高，所以半导体层的反射率增加。此外，特别地，自由载流子浓度因为激光吸收可以从初始的本征载流子浓度N增加到被辐照时的浓度N’。这示于图3中，其中对于几个掺杂浓度绘制了作为激光功率的函数的反射率R。

特别地，半导体材料被n型掺杂以增加代表自由载流子浓度N的自由电子的数目。当掺杂增加到10²⁴m^-3的值时，即使使用相对较低的激光功率也可以获得高的反射率因子。然后，人们就可以期望在较低的激光功率下引发近场Super RENS效应，从而限制盘中的热耗散。正如从图3中可以看到的，当激光功率从任意单位的0.2增加到0.4时，N₀＝10²⁴m^-3的掺杂浓度足以提供从大约0.2到0.8的反射率因子变化。

因此，用于从光学存储介质读出数据的激光功率可以调节为仅仅对于激光束的小的中心部分获得高的反射率，因此激光束的外侧部分具有低的反射率。这就具有了这样的效果：通过超分辨率近场效应只有中心光束与数据层相互作用，从而使得读出光斑尺寸显著地降低到施加的激光束的衍射极限之下。因此，期望低于1mW的激光功率就足以以适当的线性速度读取超分辨率近场结构光学存储介质。

通过使用足够高掺杂的半导体材料，激光功率以及光学存储介质的热耗散就可以显著地降低。这里正是这种情况，因为超分辨率近场结构效应通过掩模层的反射率对于内部激光束部分相对于外部激光束的变化来提供，而不是如现有技术的超分辨率近场结构光学存储介质所必需的通过掩模层的加热效应来提供。

相应的光学记录介质的简化结构以截面示于图4中。数据信息以标记和间隔通过凹坑结构(pit structure)被压印到塑料基板1中。在基板1上，布置作为掩模层2的超分辨率近场结构层，该层包括例如n型掺杂的锑化铟(InSb)合金半导体。在基板1和掩模层2之间布置包含材料ZnS:SiO2的第一保护层3，在掩模层2上可以布置包含材料ZnS:SiO2的第二保护层4。在保护层4上布置覆盖层5。

作为n型掺杂锑化铟层2的材料，例如可以使用硒Se或者碲Te。代替InSb，也可以使用各个被掺杂的其它铟合金半导体材料，例如InN、InP、InAs或者InSb。具体地，有利的是带隙小于leV的III-V半导体族的材料，InAs(0.354eV)、InSb(0.17eV)和GaSb(0.726eV)正是这种情况。如前所述，窄的带隙提供高的自由载流子浓度，由此当激光束辐照时提供高的反射率因子。

如图4所示的光学存储介质可以通过下述步骤来制造：在只读数据盘(ROM盘)的情形下，凹坑结构被压印或者模制(molded)到塑料基板1中。然后通过溅射ZnS:SiO2材料、n型掺杂InSb材料以及再次溅射ZnS:SiO2材料而在层1上沉积作为多层的层3、2和4。在随后的步骤中，为光学存储介质涂敷覆盖层5。为了提供掺杂的半导体层3，掺杂材料可以已经包括在半导体溅射靶(例如InSb溅射靶)中。然后，为溅射靶选择的掺杂浓度可以容易地传送到掩模层2。

实验数据表明在低的激光功率下，随着激光功率增加，反射率因子变化到初始反射率的2倍。正如图5和图6中所看到的，当掺杂剂浓度增加时反射率突变(jump)朝向较低的激光功率移动，其中图5示出了对于不同Te掺杂浓度作为激光功率的函数的反射率R(％)，图6示出了对于不同Se掺杂浓度作为激光功率的函数的反射率R(％)。在较高的施主浓度下，具体而言对于Te掺杂，不再观察到明显的反射率突变。

如上所述，为了读出图3中所示出的光学存储介质，激光功率调节为只有激光束的中心部分具有强度，该强度足以充分地增加掩模层2的反射率。然后，只有根据中心光束的载流子的增加的数目产生与数据层1的轨道的标记和间隔的近场相互作用，数据层1接近于掩模层2布置。近场相互作用强烈地依赖于在掩模层2下方的基板1的凹坑和台面结构(land structure)。因此，激光束的中心部分的反射率通过相应轨道的凹坑结构来调节。

因为掩模层2的超分辨率近场结构效应是基于掺杂半导体材料的反射率变化，所以掩模层2的大量加热不再需要或分别地发生。这样就有了盘和激光器的寿命增加的优点，以及相应地各个光学数据读出器或者数据记录器的功率消耗可以下降的优点。具体地，通过使用n型掺杂可以显著地增加自由载流子的产生，从而提供半导体材料的高反射率。

同样地，本领域的技术人员可以实施本发明的其它实施例而不会脱离本发明的精神和范围，因此本发明由权利要求限制。

Claims (9)

1、包括具有超分辨率近场结构的掩模层(2)的光学存储介质，其特征在于，所述掩模层包括具有掺杂剂的n型掺杂半导体材料，选择所述n型掺杂半导体材料使得当辐照激光束时所述掩模层的反射率增加。

2、根据权利要求1所述的光学存储介质，其中所述半导体材料是具有小于1eV的带隙的III-V半导体族中的一种。

3、根据权利要求2所述的光学存储介质，其中所述半导体材料包括铟合金，例如InN、InP、InAs或者InSb。

4、根据权利要求2所述的光学存储介质，其中所述掺杂半导体材料包括Ga合金，例如GaSb。

5、根据前述权利要求中的任一项所述的光学存储介质，其中所述半导体材料的掺杂剂是硒或碲。

6、根据前述权利要求中的任一项所述的光学存储介质，其中所述半导体材料为n型掺杂，使得当辐照具有可见光范围内的波长的激光束时所述半导体材料的反射率至少增加到2倍。

7、根据前述权利要求中的任一项所述的光学存储介质，包括基板层(1)、作为掩模层(2)的超分辨率近场结构层、在所述基板层(1)和所述掩模层(2)之间的第一保护层(3)、在所述掩模层(2)之上的第二保护层(4)和在所述保护层(4)之上的覆盖层(5)。

8、根据权利要求1-7中任一项的光学存储介质的制造方法，包括使用溅射方法来沉积所述掺杂半导体材料的步骤。

9、根据权利要求8所述的方法，其中所述半导体材料是InSb，所述掺杂剂已经包括在半导体溅射靶中的硒或碲。

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