CN1490805A - 基于发光的数据存储 - Google Patents

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Abstract

一种依靠光信号的超高密度数据存储装置。所述装置包括在受到电子束激励时能发光的发光层(210)。所述装置还包括含有数据位的相变层(230)，在光到达检测器(220)之前它可吸收或反射所述激励的光。此外，一种数据存储和检索方法，所述方法包括：在相变层(230)写入数据位；激励发光层(210)的发射；以及监测到达检测器(220)的光量而读出数据位(140、150)。

Description

基于发光的数据存储
技术领域
本发明涉及数据存储装置以及数据存储和检索方法，更具体地说，涉及依靠光信号的超高密度数据存储装置以及与所述数据存储装置有关的数据存储和检索方法。
背景技术
数据存储装置可用在计算机和其他电子设备中以数据位的形式存储信息。早期的数据存储装置包括计算机打孔卡，其中数据由毫米级大小的孔组成。将打孔卡放入计算机，就可读出打孔卡上的数据。今天，毫米大小的孔已由小得多的数据位替代。由于数据位变得越来越小，数据位就可越来越靠近，数据存储装置上存储的数据密度就可增加。当数据位是微米级、亚微米级或纳米级时，数据存储装置可以称为超高密度数据存储装置。
图1示出在授于Gebson等人的美国专利No.5557596(‘596专利)(已作为参考全部包括在本文中)中公开的一种超高密度数据存储装置。所述超高密度数据存储装置包括：一组场致发射体100；位于场致发射体100下面的数据存储层110；微推进器120，它将数据存储层110保持在场致发射体100下面并且可以将数据存储层110定位在相对于场致发射体100的所需位置；以及电连接线130，它能够向场致发射体100提供能量。当向场致发射体100提供能量时，场致发射体100可以用电子束轰击数据存储层110并能将数据存储层的纳米级部分从未写数据位(图1中用标号140表示)转变成已写数据位(用标号150表示)。这种转变通过下面将会讨论的写入过程实现。
在向数据存储层110写入数据时，各场致发射体100通过电连接线130被激励，并用电子束轰击所选的未写数据位140。在写入过程中，电子束有足够的功率密度将轰击的未写数据位140从第一材料状态(例如结晶态，可赋于其“0”数值)转变到第二材料状态(例如非晶态，可赋于其“1”数值)。这样，通过轰击结晶态的未写数据位140并适当冷却数据位140以形成非晶态的已写数据位150，具有数值“1”的数据位就可写入并存储在数据存储层110上。
从数据存储层110擦除数据时，各场致发射体100通过电连接线130被激励，并用电子束轰击所选的已写数据位150。在擦除过程中，电子束有足够的功率密度将轰击的已写数据位150从第二材料状态(例如非晶态，可赋于其“1”数值)转变到第一材料状态(例如结晶态，可赋于其“0”数值)。通过轰击非晶态的已写数据位150并适当加热数据位150以形成结晶的已擦除的数据位140，在数据存储层110上就可恢复具有数值“0”的数据位。
从数据存储层110读出数据时，场致发射体100又用电子束轰击数据位140、150。但场致发射体100不是用有足够能量使数据位140、150在上述第一和第二材料状态之间转变的电子束来轰击数据位140、150，而是用不能实现转变但却可实现识别的低功率密度的电子束来轰击数据位140、150。因此，对低功率密度的电子束和数据位140、150之间的交互作用进行监测以便读出数据。
在读出过程中，低功率密度的电子束与未写数据位140的交互作用和低功率密度的电子束与已写数据位150的交互作用不同。例如，在轰击结晶的未写数据位140时，低功率密度的电子束所产生的二次电子比轰击非晶的已写数据位150时要少。所以，监测低功率密度的电子束与电子束正在轰击的数据位140、150之间的交互作用(即监测所产生的二次电子数)，就可确定被轰击的数据位140、150是存储的数值“1”或“0”，并读出存储在数据存储层110中的数据。
发明内容
一种数据存储装置，它包括：能发射具有亚微米级斑点尺寸的电子束的电子源；位于电子源附近的发光层，所述发光层包括在受到来自电子源的电子束轰击时能发射光的发光材料；位于发光层附近用于检测光的检测器；以及位于发光层和检测器之间的相变层，所述相变层能被来自电子源的电子束从第一相局部转变到第二相。
在一种装置中存储和检索数据的方法，所述装置包括：能发射具有亚微米级斑点尺寸的电子束的电子源；位于电子源附近的发光层，所述发光层包括在受到来自电子源的电子束轰击时能发射光的发光材料；位于发光层附近用于检测光的检测器；以及位于发光层和检测器之间的相变层，所述相变层能被来自电子源的电子束从第一相局部转变到第二相，所述方法包括：通过电子束将部分相变层从第一相转变为第二相的数据写入步骤；以及通过利用降低功率密度的电子束激励发光层发光并监测从发光层发射的到达检测器的光而从存储介质读出数据的步骤。
附图说明
以下将参阅附图详细说明存储和检索超高密度数据的装置和方法的优选实施例，附图中同样的数字代表同样的元件，附图中：
图1是有关技术的数据存储装置的侧视透视图；
图2是具有发光层和相变层的数据存储装置的截面图。相变层包括光学透明的第一相区和光学不透明的或吸收的第二相区，所述第二相区不位于产生光的发光层的位置和检测器位置之间；
图3是图2所示的数据存储装置的截面图，其中光学不透明的第二相区位于产生光的发光层的位置和检测器之间；
图4是具有发光层和相变层的数据存储装置的截面图，其中相变层包括光学透明的第一相区和反射的第二相区；
图5是一种数据存储装置的截面图，所述数据存储装置包括折射匹配层、相变层和含有旋光纳米粒子的光学中性介质；
图6是相变层中一种材料的吸收光谱和同一材料的移位发射光谱的曲线图；以及
图7是存储数据和从数据存储装置检索数据的方法的流程图。
具体实施方式
以下的详细说明使本专业的技术人员能够制造和使用数据存储装置。为了说明，提出一些具体的术语，以便透彻理解数据存储装置以及存储和检索数据的方法。但对本专业的技术人员来说，很明显，要制造或操作数据存储装置不一定需要这些具体细节。具体应用的说明只不过是代表性的实例。对本专业的技术人员来说，对于优选实施例的各种改动显而易见，此处定义的通用原理可适用于其他实施例和应用而不背离本文说明的装置和方法的精神和范围。此处讨论的装置和方法不限于所示实施例，而符合与此处公开的原理和特性相一致的最广泛的可能范围。
除上述之外，需要更多类型的超高密度数据存储装置。为适应此需要，以下将讨论以光学方法工作的超高密度数据存储装置的几个实施例。这些装置可包括微米级，亚微米级和/或纳米级的数据位。
参阅图2，图中示出超高密度数据存储装置一个实施例的截面图。所述装置包括能发射或高功率密度或低功率密度电子束e-(以虚线表示)的电子源200。电子束e-最好在电子束的整个通路上保持其亚微米级的斑点尺寸。
正如本专业中所了解的，许多超高密度数据存储装置包括能发射在电子束的整个通路上保持其纳米级斑点尺寸的电子源200。电子源200可以是能发射有足够功率密度的电子束并能保持所需斑点尺寸的场致发射体或其他这样的器件。
如图2所示，在电子源200上方附近是发光层210。发光层210包括在受到来自电子源200的电子束的轰击时能发光的发光材料。发光层210可以包括钇铝石榴石(YAG)基或钇铝钙钛矿(YAP)基的材料。发光层210还可以包括稀土元素掺杂剂和/或氧化锌、GaN、硫化锌和Si3O4中的至少一种。
再参阅图2，发光层210发射的部分光用波纹箭头代表，以符号hυ表示。虽然光通常会向所有方向发射，为清楚起见，仅示出离开发光层210底部的那部分光。
如图2所示，邻近发光层210的是相变层230。如下面将讨论的，相变层230能够从第一相局部转变为第二相，而且，在一些实施例中，它紧靠发光层210，共用一个界面。在一些实施例中，所述界面上还可以存在防反射涂层。
仍参阅图2，可以这样设置检测器220、使得检测器220位于相变层230附近(例如几个微米范围内)。根据另一些实施例，检测器220甚至与相变层230相接触。例如，可以将相变层230、任选的防反射涂层(图2中未示出)和发光层210都淀积在诸如(但不限于)光电二极管或光电晶体管的检测器220上。
在超高密度数据存储装置中，特别是当装置中包括并行读出通道时，可以使用多个检测器220。在使用多个检测器220时，为了将相邻数据位和检测器220之间的交扰减至最小，与检测器220彼此之间的距离相比、检测器220最好更靠近相变层230。
以上所讨论的检测器220(或各检测器220)通常能够检测由发光层210发射的光hυ。但为了能被检测器220检测到，光hυ必须传输到用于检测的检测器220的位置。在某些数据存储装置中，这样选择检测器220、使得检测器220能够选择性地检测与发光层210发射的光波长范围不是准确地一致的波长范围中的光。这些类型的检测器220将参阅附图6作进一步讨论。
相变层230中第一相和第二相之间的转变可以由电子源200引发。如果电子源200发射具有适当脉冲形状的足够高功率密度的电子束，就可引发这种转变。电子束最好还应当入射(即轰击)到待写入/相变的相变层230的区域附近的相变层230的区域或发光层210的区域。
正如本专业中所了解的，用足够高功率密度的电子束重复轰击相变层230或发光层210中邻近相变层230的区域，加上适当的冷却条件，就会导致在相变层230的第一相区250中出现多个第二相区240，如图3所示并将作详细描述。
按照图2所示的数据存储装置，一旦光在发光层210中被激发，至少有一部分被激发的光会相对自由地通过相变层230的第一相区250。这是因为图2中的第一相区250是光学透明的或光透射的。但是，如图3所示，如果光企图穿过第二相区240，那么，至少部分光被第二相区240所吸收(在某些实施例中，所述光线中的一些光线还可能或代之以被反射)。因此，如果第二相区240位于发光层210光被激发的位置和检测器220之间，如图3所示，那么，大部分或全部光就不能到达检测器220，也就不能被检测。
发光层210以及相变层230构成了图2-3所示的装置的数据存储介质，而第一相区250和第二相区240构成各个数据位。如果需要，可把例如值“0”赋予第一相区250，把例如“1”赋予第二相区240。从存储介质读出数据时，可以利用来自电子源200的较低功率密度的电子束在发光层210的局部区域激励光发射。较低功率密度的电子束进入发光层并激励光发射。
检测器220用来监测接收了多少所述发射的光。在激励光发射的位置和检测器220的位置之间如果没有第二相区240阻挡发射，则检测器220将检测到相对地大量的光。但是，如果在光发射的位置和检测器220的位置之间存在第二相区240、基本上阻挡了发射的光，则检测器220将检测到相对地小量的光。因此，通过利用能量基本恒定的低功率密度的电子束连续轰击存储介质并产生电子源200和存储介质之间的相对运动，那么，如果检测器220检测到相对地小量的光，就可从存储介质检测到或读出“1”数据位，如果检测到相对地大量的光，就可从存储介质读出“0”数据位。这样就可以从图2-3所示的高密度数据存储装置中进行数据检索。
将数据写入如图2所示的高密度数据存储装置，包括将相变层230的一部分或多部分从透明的第一相转变为不透明的第二相，或相反，从而在相变层230中分别形成第一相区250和第二相区240。如上述，用电子束轰击相变层230中所选的区域并随后适当冷却轰击区就可实现相转变。例如，如果通过利用具有足够功率密度的电子束轰击光学透明的结晶的第一相材料使材料熔融、然后快速冷却使材料淬火，那么，所述材料就可变为不透明的非晶的第二相。同理，如果利用具有足够功率密度的电子束轰击光学不透明的非晶的第一相材料使非晶相熔融，然后缓慢冷却形成结晶结构，那么，所述材料就可变为透明的结晶的第二相。
作为另一个实例，电子束可以轰击相变层230中光学不透明的化合物，形成上述的第二相区240，并通过挥发、氧化等将不透明的化合物转变为透明的化合物。这样，不透明化合物可作为第一材料状态，透明化合物作为第二材料状态。
写入存储介质的另一种方法包括首先用电子束局部加热发光层210。然后，当发光层210中的热从发光层210扩散或传输到相变层230时，此热量可将相变层230的一部分从第一相局部转变为第二相。当发光层210的熔化温度比相变层23高时，这种写入过程最有效。这是因为在写入相变层230时通常最好防止发光层210的熔融。还可以这样选择发光层210、使它包括在写入相变层230时发光层210内所达到的温度不会破坏其发光特性的材料。
根据包括局部加热发光层210而转变相变层230的写入过程，可以这样选择发光层210、使它包括导热率高的材料(例如，导热率高于相变层230所包括的材料)。当发光层210包括导热率高的材料时，发光层210上的温度梯度可以减小，从而减少了因局部加热使发光层210的任何部分温度过高而引起损坏的可能性。
另一方面，可以这样选择发光层210、使它包括导热率低的材料(例如，导热率低于相变层230所包括的材料)。当薄的发光层210包括导热率低的材料时，可以将较小的数据位写入相变层230，因为可以把使相变层230转变的热更集中地限制在某一局部。这种较小的数据位就可允许在存储介质中存储更高密度的数据。此外，较低的导热率可以降低实现相变所需的功率，从而可以使用较小功率的电子源200或发射体，降低装置的总体功率需求，等等...。
一旦写入，存储介质就可存储数据，并用上述方法读出。这为亚微米级或在某些情况下的纳米级数据位的非易失性数据存储作好了准备。
显然，在某些实施例中，相变层230的第二相部分240可以延伸到靠近(或者全部通过)发光层210和相变层230之间的界面。在这种实施例中，界面附近的局部发射或非发射再组合的速率取决于相变层230的各邻近区域是第一相还是第二相。因此，在这些实施例中，在用低功率密度的电子束轰击发光层210时，根据是第一相区250还是第二相区240位于界面处而产生不同数量的光。这就提供了另一种对比机制，即在电子源200和存储介质作相对移动时，通过测量到达检测器220的光的相对数量，即可读取数据位。
现参阅图4，图中示出具有发光层210和相变层230的另一超高密度数据存储装置的截面图。图4的装置具有包括光学透明的第一相区250和数个反射的第二相区240的相变层230。第一相区250使试图通过第一相区250的大部分光线透射过去，而第二相区240反射试图通过第二相区240的大部分光线。(在超高密度数据存储装置的某些实施例中，第二相区240还可以吸收试图通过第二相区240的相当大一部分光线)。因此，从图4所示的装置中读出数据时，电子源200和存储介质作相对运动，同时电子源200发射一种能量基本恒定的低功率密度的电子束。然后使用检测器220来监测到达检测器220的光量。低光量检测可以检测或读出“1”数据位，而高光量检测可以检测或读出“0”数据位。或相反。
与图2-3的数据存储装置类似，利用电子束和适当的冷却条件，可以把第二相区240写入相变层230中。在一些数据存储装置中，例如图2-5所示的装置中，用于使各区域在第一和第二相之间转变的冷却条件仅要求在环境温度下足够快地断开电子束。这样就不需要附加的冷却元件。
现参阅图5，图中示出超高密度数据存储装置的截面图，其中发光层210包括光学中性介质260和包含在光学中性介质260中的旋光纳米粒子270(即纳米级粒子)。图5所示的装置还包括任选的靠近电子源200的反射涂层275，它将来自发光层210的光反射到检测器220。任选的第一折射匹配层280(可以是防反射层)位于前述发光层210和相变层230之间。任选地，尤其是当检测器220与存储介质相接触时，存储介质可以包括位于相变层230和检测器220之间的第二折射匹配层285(可以是防反射层)。
除了其他材料之外，纳米粒子270还可以包括II-VI和III-V半导体化合物。除了其他材料之外，发光层210还可以包括ZnO，GaN，YAG，YAP和ZnS。相变层230可以包括例如类似于光学记录所用的硫属元素化合物基相变材料。第一相区250可以例如是这些材料之一的结晶态，第二相区240是非晶态。准确的相变材料选择可以取决于发光层210所发光的波长范围以及检测器220对其敏感的波长范围。另外，也可以对相变层230、发光层210和检测器220的组合进行选择以优化信噪比。相变层230的选择还可以取决于：需要多么低的熔点才不致于破坏其它层、相变层230与邻近层的反作用等等。
反射涂层275可以选择成非常薄(例如，不到1微米厚)，最好耐热，这样可避免损坏反射涂层275与发光层210的界面的反射特性。第一折射匹配层280和第二折射匹配层285和/或反射层都可以选择成非常薄和耐热。
使发光层210、反射涂层275和第一折射匹配层280很薄的原因是要将横跨这些层的温度变化减至最小。如果这些层210、275、280很厚，那么，最靠近发射体的表面的温度就会比在相变层230中实现相变所需的温度高得多。另一个使层210、275、280薄的原因是，如果层210、275、280都很厚，那么，在相变层230中写入小数据位就很困难，因为较厚的层会使在热量到达相变层230之前横向扩散。
在受到低功率密度电子束的轰击时，所述数据存储装置中的纳米粒子270发光。一部分发射光射向用于检测的检测器220，或者可能基本上(例如超过80％)被吸收、基本上被反射而远离检测器220，或者二者兼有，视相变层230中存在的第二相区240的类型而定。因此，参阅图2-4所讨论的读出和写入步骤就可容易地适用于图5所示的装置。
图5所示的折射匹配层280的目的是使从发光层210发出的光量最大化。由于具有相似的折射率的邻近材料在界面处反射的光比较少，所以，与没有折射匹配层280的装置相比，图5所示的装置使更多的光可以射向检测器220。因此，只需要在发光层210中产生较少量的光就可以为检测器220的检测作好准备。
下面参阅图6，图中示出在上述讨论的相变层230之一中可能包括的一种材料的吸收光谱600和同一材料的移位的发射光谱610的曲线。某些超高密度数据存储装置包括吸收的第二相区240，它吸收试图通过第二相区240的大部分在第一波长范围(例如，由发光层210发射的光的波长范围)内的光。然后，第二相区240将所述吸收的光中的至少一些在第二波长范围(例如，检测器220敏感的波长范围)内的光再发射出去。
在数据存储装置中使用再发射的第二相区240时，如图2-3和5所示，还可用其他的读出方法。例如，可以提供检测所述再发射波长范围610内所选分段的光的检测器220。于是，可以从发光层210激励在吸收波长范围600内的光发射。吸收波长范围600，如图6所示，可以与再发射波长范围610有少许重叠，或与再发射波长范围610丝毫不重叠。于是，如果来自发光层210的光发射的至少一些光被相变层230的第二相区240所吸收(即，如果在发光层210中的光发射位置和检测器220之间有第二相区240)，那么，被吸收的光至少部分地在再发射波长范围610内被第二相区240重新发射。
因此，可以选择优先或仅仅检测在再发射波长范围610内而不在发射波长范围600内的波长子集的光的检测器220来检测第二相区240。靠检测有或没有第二相区240，就可从存储介质读出“0”和“1”数据位。这种检测可以更敏感和/或更少噪声，因为可以这样选择相变层230、使它包括一种材料、所述材料在检测器220敏感的波长范围内能提供比依赖光吸收和/或反射的变化的装置更强的对比和/或更好的信噪比。
在一些实施例中，相变层230中的材料仅在检测器220监测的波长范围内对到达检测器220的光提供较大的调制。在这些实施例中，来自其他波长未调制光的相对恒定的背景的噪声可以用仅监测调制光的检测器220来消除。使用仅检测所选波长的检测器220的优点是可以将检测器220更容易和/或更价廉地包括在装置的制造过程中。
要有效地再发射光，一种可能性是利用一种产生所需波长的辐射缺陷的材料掺杂相变层230。或者，某些直接带隙相变层230可以在没有缺陷的情况下在结晶态下有效地再发射。根据上述装置和方法，可以使用任一种可能性。
图7示出存储数据和从超高密度数据存储装置检索数据的方法的流程图。步骤700指定提供一种装置，所述装置具有：能发射具有亚微米级斑点尺寸的电子束的电子源200；以及位于电子源200附近的发光层210，其中，所述发光层210包括在受到电子束的轰击时能发射光的发光材料。步骤710指定提供位于发光层210附近用来检测光的检测器220和位于发光层210和检测器220之间的相变层230，其中，相变层230可以局部地被电子源200从第一相转变为第二相。步骤720指定通过相对地较高功率密度的电子束将一部分相变层230从第一相转变为第二相而写入数据。最后，步骤730指定通过利用相对地较低功率密度的电子束激励发光层210的光发射、并监测从发光层210发射的并到达检测器220的光而读出数据。
虽然已经结合示范的实施例描述了以上图解说明的用于存储和检索超高密度数据的装置和方法，但是，本专业技术人员会理解，根据这些说明进行许多修改是可能的，本申请的意图是涵盖对以上说明的任何修改。

Claims (10)

1.一种数据存储装置，它包括
能发射具有亚微米级斑点尺寸的电子束的电子源(200)；
位于电子源(200)附近的发光层(210)，所述发光层(210)包括在受到来自所述电子源200的所述电子束的轰击时能发射光的发光材料；
位于所述发光层(210)附近用来检测所述光的检测器(220)；以及
位于所述发光层(210)和所述检测器(220)之间的相变层(230)，所述相变层(230)可以被来自所述电子源200的所述电子束局部地从第一相转变为第二相。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一相使所述光透射所述相变层(230)，而所述第二相反射所述光。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一相使所述光透射所述相变层(230)，而所述第二相吸收所述光。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一相阻止第一波长范围的所述光透射所述相变层(230)，而所述第二相吸收所述第一波长范围的所述光并再发射至少部分第二波长范围的所述光。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述发光层(210)包括光学中性介质(260)和所述光学中性介质(260)中的旋光纳米粒子(270)。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括位于所述发光层(210)和所述相变层(230)之间的折射匹配层(280)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括位于所述发光层(210)和所述电子源(200)之间的反射层(280)。
8.一种数据存储和检索方法，所述方法包括如下步骤：
将数据写入一种装置，所述装置包括：能发射具有亚微米级斑点尺寸的电子束的电子源(200)；位于所述电子源(200)附近的发光层(210)，所述发光层(210)包括在受到所述电子源(200)的所述电子束轰击时能发射光的发光材料；位于所述发光层(210)附近用于检测所述光的检测器(220)；位于所述发光层(210)和所述检测器(220)之间的相变层(230)，所述相变层(230)能被所述电子源(200)的所述电子束局部地从第一相转变到第二相；所述写入步骤包括借助所述电子束将所述相变层(230)的一部分从所述第一相转变为所述第二相；以及
从所述装置读出数据，其方法是：利用降低功率密度的电子束激励所述发光层(210)中的光发射并监测从所述发光层(210)发射的到达所述检测器(220)的所述光。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述写入步骤还包括以下步骤：
利用所述电子束加热所述发光层(210)、使得当热从所述发光层(210)传输到所述相变层(230)时所述相变层(230)的所述第一部分从所述第一相转变为所述第二相。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述读出步骤还包括以下步骤：
提供检测第一波长范围内光的检测器(220)；
激励来自所述发光层(210)的第二波长范围的光发射；
利用所述相变层(230)吸收所述光中的至少一部分；以及
从所述相变层(230)再发射所述第一波长范围的光。
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