DE2309106C3 - Verfahren zur optischen Informationsspeicherung und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Bereiche des Halbleitermaterials nut zur Eraefung der Schmelztemperatur des Halbleiterma-SaIs ausreichender Strahlleistung im ns-Be-S ein Antriebssystem zur Verschiebung des SeUermaterials relativ zum Laserstrahl eine Heizeir^chtung zur Vorheizung des HalbleitermaSTvor einem Einschreibvorgang auf einer ¥emperatur knapp unterhalb Γ eine optische Soeicherausleseeinrichtung, in der die in den knäSwTiiiid amorphen Halbleitermatenalbereichen unterschiedlichen Reflexions- bzw^ Absorotionseigenschaften feststellbar sind und eine locheinrichtung zur Rückumwandlung beim EinsSen inden amorphen Zustand übcrführfer Bereiche in den kristallinen Ausgangszustand 12 Einrichtung nach Anspruch11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlenergiedichte geringer als V.nJ/μ« ist und die Verschiebegeschwindigkeit des Speichermediums etwa Wcmls beträgt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen optischen Informationsspeicherung unter Verwendung einer auf einem Substrat angeordneten dünnen kristallinen Schicht aus einem Chalkogenid-Halbleitermaterial, das im kristallinen wie im amorphen Zustand befindliche selektive Bereiche stabil aufrechtzuerhalten gestattet, bei dem die im kristallinen bzw. amorphen Zustand auftretenden optischen, vorzugsweise Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften zur Informationsspeicherung ausgenutzt werden, indem zum Einschreiben der Speicherinformation mittels eines Laserstrahles selektive Bereiche der Halbleiterschicht bis zur Schmelztemperatur des Halbleiters erhitzt und dann so schnell abgekühlt werden, daß eine selektive Umwandlung in amorphe Bereiche erzwungen wird, und bei den aus den unterschiedlichen Reflexions- bzw. Ab· Sorptionseigenschaften der amorphen bzw. kristal linen Bereiche bei erneuter Bestrahlung der Speicher inhalt ermittelt werden kann.

Es ist bekannt, daß verschiedene Halbleitern« terialien bei Raumtemperatur stabile Zustände so wohl in amorpher als auch kristalliner Struktur auf

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weisen. Es ist weiterhin bereits ckannt worden, daß in diesem Fall relativ teure Hochleistungslaser zum solche Materialien von einem Zustand in den anderen Betrieb solcher Speicher erforderlich sind. Weiterhin überführt werden können, indem man ihnen zunächst ist bei einer solchen Vorgehensweise von Nachteil, ausreichend Wärmeenergie zur Erreichung ihres daß die um die eigentlichen bestrahlten Speicher-Schmelzpunktes zuführt und ihnen dann erlaubt, 5 bereiche liegende Speicherfläche mit aufgeheizt wird, sich in kontrollierter Weise abzukühlen, *o daß eine so daß keine großen Speicherdichten erzielbar sind. Rekristallisation entweder auftritt oder unterdrückt Überdies erhält man in einem solchen Fall keine für wird. Es wurde auch bereits die Verwendung sol- den Auslesevorgang wichtige scharfe Abgrenzung eher Materialien und deren Eigenschaften zu Infor- zwischen den diskreten Speicherstellen,
mationsspeichfrzwecken vorgeschlagen, indem man io Ein weiteres Problem resultiert aus der Wärmeverdiskrete Bereiche von dem einen in den anderen Zu- teilung, weil die zugeführte Wärme nicht nur die umstand überführt (vgl. Applied Physics Letters, gebenden Speicherbereiche, sondern auch das Sub-VoI. 18, Nr_; 6, 15. März 1971, S. 254 bis 257, femer strat mit aufheizt. Da ein rascher Kühlvorgang zur US-PS 35 30 441). Erzielung des amorphen Zustandes unbedingt erfor-

Ebenfalls bekannt ist, daß die Geschwindigkeit, mit 15 derlich ist, kann eine Aufheizung der Umgebung der

der ein solches Material vom amorphen in den kri- Speicherstelle und insbesondere des Substrats die

stallinen Zustand umgewandelt werden kann, durch Erzielung des amorphen Zustandes somit unmög-

die zur Ermöglichung der Kristallisation erforder- lieh machen.

liehe Zeit begrenzt ist. Eine solche Zustandsumwand- Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, lung kann erreicht werden, indem man einen 20 ein Verfahren sowie eine Einrichtung anzugeben, die Energieimpuls geringer Amplitude über eine aus- bei Speichern der eingangs genannten Art eine Verreichend lange Zeit — im allgemeinen größer 1 ms — schnellerung des Einschreibvorganges zuläßt, ohne benutzt, um das Material langsam auf einen Punkt daß man dabei zu Hochleistungslasern greifen muß. etwas unterhalb seiner Schmelztemperatur aufzu- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im heizen, woraufhin das Material anschließend lang- as Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen sam abkühlt und auskristallisiert. Auf der anderen gelöst.

Seite ist zur Zustandsänderung vom kristallinen in Solche Speicher eignen sich vorzugsweise als Festden amorphen Zustand ein schnelles Abkühlen not- speicher, d. h., dem Einschreibvorgang kommt erwendig. Eine solche Zustandsumwandlung kann so höhte Bedeutung zu. Dieser Einschreibvorgang bevorgenommen werden, daß man das Material mit 30 deutet gemäß der Erfindung jedoch die bereichsweise einem hochenergetischen Strahl beaufschlagt, so daß Umwandlung vom kristallinen in den amorphen Zues die Schmelztemperatur erreicht, und anschließend stand, die ohnehin schneller als die umgekehrte Umeine schnelle Abkühlung vornimmt, so daß das Ma- Wandlung vor sich geht, die aber dadurch noch beterial in diesem amorphen Zustand »einfriert«, noch sonders verschnellert wird, daß ein gegenüber dem bevor eine Kristallisation stattfinden kann. 35 Halbleitermaterial besser wärmeleitfähiges Substrat

Nach dem Stand der Technik, wie er aus der oben eine raschere Abkühlung bei gleichzeitig geringerer angegebenen Literaturstelle in Applied Physics Let- seitlicher Wärmediffusion im Halbleitermaterial und ters hervorgeht, wird zum Einschreiben der Spei- damit eine größere erreichbare Bitdichte ermöglicht, cherinformation von einem amorphen Material aus- In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist gegangen, das in den kristallinen Zustand umge- 40 ferner vorgesehen, daß die Einschreibzeit noch daschrieben wird. Lediglich zum Löschen der Informa- durch weiter verkürzt werden kann, daß man vor tion werden die kristallinen Bereiche wieder in den einem Einschreibvorgang, d. h. vor der Impulsbeaufamorpher! Zustand zurückversetzt. Bei einer sol- schlagung durch den Laserstrahl, das Speichermechen Verfahrensweise ist die bei diesen Speicher- dium auf eine Temperatur etwas unterhalb der Kriarten maßgebliche Schreibgeschwindigkeit sehr stark 45 stallisationstemperatur T_e vorheizt, so daß zur Zubegrenzt, da das Aufheizen und insbesondere das Standsänderung lediglich eine Temperaturanhebung Abkühlen des Materials so langsam erfolgen muß, von etwa T_g auf die Schmelztemperatur erfolgen daß eine gute Kristallisation stattfinden kann. Bei muß.

der weiter zum Stand der Technik genannten Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltun-US-PS 35 30 441 ist zwar keiner der beiden Zustände 5» gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen geals Ausgangszustand zwingend vorgeschrieben, es kennzeichnet. Die Erfindung wird im folgenden an kommt jedoch zum Ausdruck, daß für den Schreib- Hand eines Ausführungsbeispie.les unter Zuhilfevorgang, d. h. für die Umwandlung vom kristallinen nähme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Ausgangszustand in den amorphen Zustand, Be- Fig. 1 eine schemaüsche Blockdarstellung eines Strahlungszeiten im μ-Sekundenbereich erforderlich 55 Speichersystems mit sehr schneller Einschreibfahigsind. Obwohl bekannt ist, daß die Umwandlung vom keit, in dem die Vorrichtungen zum Vorl eizen, Lekristallinen in den amorphen Zustand etwas schneller sen und zum Teil- als auch Gesamtlöschen angedeuvor sich gehen kann als die umgekehrte Umwandlung tet sind,

weil die für die Rekristallisation erforderliche Zeit Fig. 2a bis 2d Darstellungen der für den Über-

nicht benötigt wird, sind die bisher erreichbaren Ge- ⁶<> gang vom kristallinen in den amorphen Zustand und

schwindigkeiten jedoch noch um Größenordnungen umgekehrt benötigten Zeiten mit verschiedenen

langsamer, als man eigentlich anstrebt. Eine Auf- Energiedichten und Impulszeite" als Parameter;

gäbe der Erfindung besteht deshalb darin, die Schreib- dabei zeigen im einzelnen:

geschwindigkeiten bzw.-zeiten bei solchen Speichern Fig. 2a den Temperatur-Zeit-Verlauf zur Um-

auf den Nanosekunden-Bereich zu reduzieren. Eine 65 Wandlung eines Materials vom amorphen in den kri-

einfache Verschnellerung des Schmelzprozesses stallinen Zustand und umgekehrt, bei der in be-

durch Beaufschlagung des Halbleitermaterials mit er- kannter Weise eine relativ geringe Energiedichte ver-

höhter Energie löst jedoch dieses Problem nicht, da wendet wird,

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F i g. 2 b die Umwandlung eines Materials vom kri- extrem kurze Impulse im Bereich kleiner 10 ns er-

stallinen in den amorphen Zustand unter Benutzung zeugt. Das Lasersystem kann ein Nd-YAG, Argon-

eines schnellen gepulsten und fokussierten Lasers, oder GaAs-Laser sein, der kontinuierlich in einem

um eine hohe Energiedichte zu erhalten, bestimmten Mode strahlt und selektiv über eine

Fig. 2c den Umwandlungsvorgang vom kristal- 5 schnelle Pockels-Zelle 12 oder einen optischen Molinen in den amorphen Zustand, bei dem das Ma- dulator außerhalb der Lasereinrichtung gepulst wird, terial auf annähernd T_g vorgeheizt ist, Der total reflektierende Spiegel 14 überträgt die

Fig. 2d verdeutlicht ein Problem, daß bei einer Impulsmuster, die mittels der Linse 16 auf das Spei-

Vorheizung des Materials auf etwa seine Schmelz- chermaterial derart fokussiert werden, daß ein Be-

temperatur auftreten kann, 10 Strahlungsbereich kleiner als 3 μ im Durchmesser ent-

Fig. 3 die Temperaturverteilung in verschiedenen steht. Die Linse 16 muß von hoher Qualität sein, um

Entfernungen vom fokussierten Laserstrahl als Funk- die Laserenergie auf einen sehr kleinen Bereich

tion der Zeit unter Verwendung eines wärmeablei- fokussieren zu können, wodurch die hohe Energie-

tenden Substrats, dichte erreicht wird, die zum Aufheizen des Ma-

F i g. 4 eine Darstellung der Temperaturvertei- 15 terials auf seinen Schmelzpunkt mit Nanosekunden-

lungen in verschiedenen Tiefen unterhalb der be- geschwindigkeiten erforderlich ist. Die sehr präzise

strahlten Oberfläche in Abhängigkeit von der Zeit, Fokussierung ist weiterhin nötig, um zu gewährlei-

F i g. 5 die Temperatur-Zeit-Abhängigkeiten für sten, daß diskrete Belichtungsstellen entstehen, wenn

verschiedene Entfernungsbereiche vom Mittelpunkt das Speichermaterial entlang dem Strahl bewegt wird,

eines Laserstrahls mit einer Weite von etwa 7 μ ao F i g. 4 zeigt das Temperaturprofil, das mit einem gut

(d. h. / = /„e-¹) für eine Einfallsleistung von 1W, fokussierten Strahl und einem wärmeableitenden

ein Te₈₀Ge₁₅As₆-Material und einem Quarzsubstrat Substrat vom Mittelpunkt der Strahlauftrittsstelle

und ^nacn außen erhalten wird. Das derart aufgebrachte

Fig. 6 eine zu Fig. 5 entsprechende Darstellung und formierte Material wird unmittelbar anschließend

für verschiedene Tiefen unterhalb der bestrahlten »5 zur Fehlererkennung oder zur Auswertung in einem

Oberfläche. Rechner über einen optischen Impulsdetektor 18 ge-

In Fig. 1 besteht das Speichermaterial aus einer lesen. Über einen zweiten Laser20 kann ein Lichtdünnen Schicht 2 aus Chalkogenid-Halbleiterma- strahl zum Impulsdetektor 18 übertragen werden, interialien, welche Schicht auf ein dünnes leitfähiges dem die Drehspiegel 22 und 30 in die mit b bezeich-Substrat aufgebracht ist, das vorzugsweise zur Ermög- 30 neten Stellungen gedreht werden. Der Laserstrahl lichung eines Lesevorgangs durch das Substrat hin- wird dann vom Spiegel 22 zu den Spiegeln 24 und 26 durch transparent ist. Das Speichermaterial ist über reflektiert und über die Linse 28 auf den Speicherden Antrieb 6 bewegbar. Die Zusammensetzung des film fokussiert. Da die optischen Reflexions- und Ab-Halbleitermaterials kann verschieden gewählt wer- Sorptionscharakteristiken im kristallinen Zustand den. Es enthält im allgemeinen Halbleitermaterialien 35 gegenüber dem amorphen Zustand sehr stark unteraus der VI. und/oder IV. Gruppe (Sauerstoff, schiedlich sind, ist der vom Speicherfilm absorbierte Schwefel, Selen, Tellur, Silizium, Germanium, Zinn), Strahlanteil in kristallinen Bereichen sehr stark unterweiche Chalkogenid-Legierungen bilden. Es können schiedlich gegenüber den amorphen Bereichen. Dieauch Elemente der V. Gruppe Legierungsbestand- ses Licht wird vom Spiegel 30, der in der fc-Stellung teile bilden sowie zwei, drei oder mehrere Elemente 40 ist, zum optischen Impulsdetektor 18 reflektiert. Da die Legierungsmischung darstellen. Eine geeignete sich auch andere physikalische Eigenschaften in Ab-Materialzusammenstellung, die bei Raumbedingung hängigkeit vom kristallinen und amorphen Zustand sowohl im amorphen als auch kristallinen Zustand re- des Speichermaterials ändern, können auch andere lativ stabil ist, ist TeGeAs. Vorrichtungen zur Erkennung dieser Unterschiede

Das Substrat, auf das das Halbleitermaterial nie- 45 statt eines optischen Impulsdetektors 18 eingesetzt

dergeschlagen wird, kann ein Band, eine Platte, eine werden.

Trommel oder eine andere für den Antrieb mit hohen Der Laser 20 kann auch zum Löschen einzelner Geschwindigkeiten geeignete Vorrichtung sein. Für Bereiche des Aufzeichnungsmediums benutzt werden, Platten- und Trommelanordnungen erweist sich ein wenn die Spiegel 22 und 30 in die α-Position gedreht klares Quarzsubstrat als geeignet, während für Band- 50 werden, worauf im folgenden noch näher eingegananordnungen Quarz oder eine extrem dünne auf gen wird. Eine Heizvorrichtung 32 dient zur Voreinen durchsichtigen flexiblen Träger niedergeschla- heizung des aufgerollten Materials 34 auf annähernd gene Metallschicht verwendet werden kann. In den seine Glasübergangstemperatur T_g, um die vom Laser meisten Fallen wird eine genügende Transparenz 10 erforderliche Energieabgabe möglichst klein zu vorhanden sein, die den Lichtdurchgang durch das 55 halten. Die Heizvorrichtung 36 kann gegebenenfalls Substrat beim Lesen und Löschen erlaubt. Wenn zur vollständigen Löschung des Speichermaterials jedoch kein transparentes Substrat benutzt wird, kann verwendet werden, indem die amorphen Speicherzum Lesen auch der vom halbleitenden Material re- bereiche in den kristallinen Zustand umgewandelt flektierende Strahl benutzt werden. Das Halbleiter- werden. Das Speichermaterial kann dann auf die material wird auf das Substrat durch Aufdampf- 60 Rolle 38 aufgewickelt werden und dort zur Wiederoder Sputtertechniken niedergeschlagen, worauf das verwendung oder bei nicht vollständiger Löschung Material langsam auf eine Temperatur oberhalb der zur Archivspeicherung zur Verfügung stehen.
Temperatur T_g erhitzt, bei der das Glas in den kri- _
stallinen Zustand übergeht Bei der anschließenden ^Dcr Schreibvorgang
langsamen Abkühlung findet dann im wesentlichen 65 Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann das Speicherdie Kristallisation statt. material 2, wie oben beschrieben, zunächst in der

Dieses Speichermaterial wird unter einem vom Heizvorrichtung 32 auf annähernd seine Glasüber-

Laser 10 erzeugten Strahl 8 entlangbewegt, der gangstemperatur T_g aufgeheizt werden. Das Speicher-

material befindet sich zu Anfang im wesentlichen in Dabei bedeutet /₀ die maximale Lichtintensität prc

seinem kristallinen Zustand, der so lange stabil Flächeneinheit, r den Abstand vom Strahlzentrum zi aufrechterhalten bleibt, wie die Schmelztemperatur irgendeinem Punkt auf der Oberfläche, /■„ ist die mitt nicht erreicht wird. Es ist festzustellen, daß ein sol- lere Gaußsche Abweichung, und α ist die optisch« eher Vorheizschritt nicht möglich wäre, wenn sich 5 Absorptionskonstante des Halbleitermaterials,
das Material zu Anfang im amorphen Zustand be- Indem man die Schichtdicke ζ des Halbleitern«·

fände, da beim Aufheizen auf die Glasübcrlragungs- terials so auslegt, daß α ζ größer 1 ist, werden nur die temperatur der Kristallisationsvorgang beginnen belichteten Bereiche des Halbleitermaterials vom j würde, wodurch das Material zur Ausbildung diskre- kristallinen in den amorphen Zustand umgewandelt, f ter kristalliner oder amorpher Bereiche ungeeignet io da die Überschußwärme schnell vom gut leitfähigen j würde. Substrat abgeleitet wird. Es wurde gefunden, daß

j In Fig. 2a ist die erforderliche Zeit dargestellt, dieser ungewöhnlich schnelle Abkühlvorgang (vgl.

', die bei bekannten Anordnungen erforderlich ist, um F i g. 2 b) lediglich beim Einsatz von Impulszeiten j vom amorphen in den kristallinen Zustand und vom von 100 ns oder weniger auftritt. Die Belichtung des

ι kristallinen in den amorphen Zustand überzugehen. 15 Materials über eine längere Zeit ergibt eine relativ

Aus dem Kurvenzug A kann die Mindestzeit entnom- weite radiale Ausdiffusion der Hitze in nicht belichmen werden, während der sich das Speichermaterial tete Bereiche des Halbleitermaterials, was — unge-

j oberhalb der Glasübergangstemperatur T_d befinden achtet der Ableitung eines Teils dieser Wärme über

j muß, damit ein anfänglich im amorphen Zustand das gut leitfähige Substrat — eine schnelle Abküii-

j vorliegendes Material in den kristallinen Zustand 20 lung und damit die Ausbildung sehr kleiner diskreter

j übergehen kann. Um den Kurven verlauf A zu erhal- Speicherbereiche verhindert.

j ten, ist ein relativ langer Impuls in der Größen- Aus Fig. 2b kann ersehen werden, daß bei Fo-

Ordnung von Mikrosekunden in Verbindung mit einer kussierung des Laserstrahls auf einen sehr schmalen

J relativ niedrigen Energiedichte erforderlich. Eine Bereich eine ausreichende Energiedichte zur Ver-

J Abkürzung des Impulses ist nicht möglich, da eine 25 fügung steht, um das Material in kurzer Zeit auf

Mindestzeit oberhalb der Temperatur 7"^ für das seine Schmelztemperatur aufzuheizen, wonach in-

Auskristallisicrcn erforderlich ist. Der Kurvenzug C folge der schnellen Wärmeableitung ein schneller

j zeigt die benötigte Zeit, um vom kristallinen in den Kühlvorgang und damit das »Einfrieren« des

amorphen Zustand überzugehen. Es ist zu erkennen, amorphen Zustandes auftritt. Die erforderliche Imdaß der bei weitem bedeutendste Kurvenanteil auf 30 pulszeit ist lediglich durch die Energie beschränkt, die Abkühlzeit entfällt, nachdem das Material auf die zur Aufheizung des Materials auf seine Schmelz-

J eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur temperatur benötigt wird. Diese Energieanforderung

aufgeheizt worden ist. Um jedoch eine ausreichend kann weiter gemindert werden, indem man den Strahl schnelle Abkühlung zur »Einfrierung« des geschmol- auf ein Material fokussiert, daß vorher auf annähernd senen Materials in seinem amorphen Zustand zu er- 35 seine Glasübergangstemperatur T_e vorgeheizt worden halten, muß die dem Material als Funktion der Zeit ist (vgl. Fig. 2c). Unter Verwendung eines solchen zugeführte Energie beschränkt und sehr genau kon- Vorheizvorganges wird die zum Aufheizen des Matrolliert werden, um ein übermäßiges Aufheizen der terials von seiner Umgebungstemperatur auf die umgebenden Materialbereiche sowie des Substrates Glasübergangstemperatur T_e erforderliche Zeit einzu verhindern, was ja unzureichende Abkühlraten zur 40 gespart. Dies ist möglich, da mit den erfindungsge-Folge hätte. mäßen Maßnahmen ungewöhnlich schnelle Abkühl-

Im Rahmen der Erfindung wurde nun festgestellt, raten erzielbar sind, die mit einem Durchschnittsdaß die Laser-Impulszeit bis in den ns-Bereich hinein wert von 10¹⁰°C/sec angesetzt werden können. Wie verkürzt werden kann, wobei relativ billige Laser- jedoch aus Fig. 2d zu ersehen ist, muß dafür Sorge anordnungen von relativ niedriger Energieabgabe ein- 45 getragen werden, daß das Material nicht zu sehr vorgesetzt werden können. Dies wird dadurch erreicht, geheizt wird, da dann die schnelle Abschreckmögdaß man extrem kleine Bereiche vom kristallinen in lichkeit zur »Einfrierung« des amorphen Zustandes den amorphen Zustand umwandelt, wobei man trotz verlorengeht und man in einem solchen Fall eine Reeines Lasers mit insgesamt niedriger Gesamtaus- kristallisierung des geschmolzenen Materials erhielte. gangsenergie den belichteten Materialstellen genügend 50 Geeignete Hochtemperaturfeste Materialien, z. B. Energie zum Schmelzen zuführen kann. Auf Grund Quarz, weisen eine ausreichende Wärmeableitfähigder außerordentlich klein gehaltenen belichteten Be- keit auf, um im Rahmen der Erfindung mit Vorteil reiche können zusätzlich extrem große Bitdichten er- eingesetzt werden zu können. Metallisierte Kunststoffzielt werden. Das rasche Abkühlen wird dadurch er- filme, deren physikalische Eigenschaften durch den reicht, daß man die Leitfähigkeit des Substrats an die 55 Vorheizschritt nicht nachteilig beeinflußt werden, optischen Absorptionscharakteristiken des Halbleiter- können ebenfalls zur Ausbildung eines flexiblen Submaterials anpaßt. Auf diese Weise wird eine Wärme- strats verwendet werden (vgl. Fig. 1).
diffusion in die umgebenden unbelichteten Halbleiter- Es ist festzustellen, daß die minimale erforderliche

materialbereiche sowie eine lokale Aufheizung des Energie davon abhängt, daß dadurch ein genügen-Substrates vermieden, was in einer ausreichend 60 der Materialbereich vom kristallinen in den amorphen schnellen Abkühlmöglichkeit zur Fixierung des Zustand umgewandelt wird, so daß er über den opamorphen Zustandes resultiert. tischen Detektor 18 erkannt werden kann. Es wurde

Ein einfallender Laserstrahl nimmt exponentiell gefunden, daß dazu eine Energie ausreicht, mittels mit der Entfernung bzw. Eindringtiefe ζ in den Spei- derer ein 1 μ breiter Bereich bis zu einer Tiefe von cherfilm und das Substrat ab gemäß der Beziehung 65 ungefähr 100 A durch den optischen Detektor der

Anordnung nach Fig. 1 erkannt werden kann. Dazu

_ . _v __ ι sind Einfallsenergiedichten in der Größenordnung

= I₀ exp j ,_, I · _von i/_{2 η}ί/μ2 bej einem Wert r„ von 2Vs μ ausreichend.

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F i g. 3 zeigt das Temperaturprofil für einen Bc- diesen Materialbereichen genügend Energie zugereich aus Halbleitermaterial, der mit einem fokus- führt wird, um sie in für die Rekristallisation aussierten Laserstrahl von ungefähr 5 ns Dauer belich- reichender Zeit auf ihre Schmelztemperatur aufzutet ist, so daß ein 1μ breiter Bereich auf seine heizen (vgl. Fig. 2a). Der Löschvorgang kann mit Schmelztemperatur erhitzt und dabei erfindungsge- 5 einem zweiten Laser durchgeführt werden, der gemäß in den amorphen Zustand übergeführt wird. In nügend Energie zur Veranlassung der Rekristalli-Fig. 4 ist ein Temperaturprofil über die Dicke des sation liefert. Zum Löschen werden die Drehspiegel belichteten Halbleitermaterials dargestellt, indem in 22 und 30 in ihre «-Position gebracht. Die Ausgangseiner Tiefe von etwa 100 A unterhalb der Oberfläche leistung des Lasers 20 wird so eingestellt, daß sich die Schmelztemperatur erreicht und damit die Um- io die in Fig. 2a ersichtliche Kurve beim Dauerbetrieb Wandlung in den amorphen Zustand bewirkt wird. des Lasers einstellt, womit eine ganze Spur des Spei-Auf Grund der sehr kleinen Schmelzbereiche sowie chermaterials gelöscht werden kann. Betreibt man des Vorheizschrittes wird zum Schmelzen nur eine den Laser in einer zum Schreibvorgang entsprcchengeringe Gesamtenergie benötigt, so daß mit einem den gepulsten Weise, kann das Speichermaterial selekrelativ niederenergetischen Laser 10 mit extrem kur- 15 tiv gelöscht werden. Es ist festzustellen, daß auf zen über die Zelle 12 gesteuerten Impulsen gearbeitet Grund der beim Löschen vorgenommenen Umwerden kann. Diskrete Speicherstellen werden er- Wandlung der amorphen Bereiche in kristalline Behalten, wenn man das Speichermaterial 2 über den reiche längere Impulse als im Vergleich zum Schreib-Antrieb 6 bis zu Geschwindigkeiten von 10⁵ cm/sec Vorgang erforderlich sind. Um selektiv zu löschen, bewegt, wobei die Linse 22 den Laserstrahl auf 20 muß daher die Antriebsgeschwindigkeit herabgesetzt 1 bis 2 μ breite Belichtungsstellen fokussiert. Wenn werden. Bei einem Einsatz dieses Speichersystems man den Laserstrahl alle 5 ns pulst, werden Belich- zu Archivspeicherzwecken ist diese Bedingung jetungsbereiche mit einem Durchmesser von 2 μ und doch kaum störend. Will man eine vollständige Mitte'abständen von 5 μ erhalten. Das Einschreiben Löschung des Speichermediums oder eine Löschung der Speicherinformation über die gesamte Breite des 25 großer Bereiche vornehmen, kann die Heizvorrich-Halbleitermaterials kann durch eine Richtungsab- tung 36 benutzt werden, mittels derer genügend hohe lenkung des Laserstrahls erzielt werden. Temperaturen zur Umwandlung der amorphen Be-

^ _¥ reiche in ihren kristallinen Ausgangszustand er-

Der Lesevorgang _{zidbar sind}

Die Information kann zu Fehlererkennungszwecken 30 . .
oder zur Auswertung in einen Rechner ausgelesen Besondere Beispiele
werden, indem man den Unterschied zwischen den Es wurden Musterstücke von Speichermaterialien Bereichen amorphen Zustandes gegenüber dem kri- sowohl durch Sputtern als auch Aufdampfen hergestallinen Untergrund abfühlt. Wie bereits erwähnt stellt, wobei die Substrate sowohl auf Raumtemwurde, können Speicherbereiche mit einem Durch- 35 peratur als auf der Temperatur von flüssigem Stickmesser von 2 μ mit einer Tiefenerstreckung von stoff gehalten wurden. Im Falle des Sputterns be-100 A und Mittelabständen von 5 μ leicht ausge- stand das Ausgangsmaterial aus einer pulvrigen lesen werden. Da zwischen dem kristallinen und dem Mischung der drei Elemente Te, Ge und As in entamorphen Zustand ein großer Unterschied hinsieht- sprechendem Mischungsverhältnis, um Schichten der lieh der Reflexion bzw. Absorption besteht, wird das 40 Zusammensetzung Te₈₀Ge₁₅As₅ zu bilden. Die Speichermuster über einen optischen Detektor ausge- Schichtzusammensetzung wurde nach dem Niederlesen, der ein Signal zur Veranlassung z. B. eines schlag mit einer Elektronenstrahlprüfung bestimmt. Rechnerausdruckes oder einer Anzeige abgibt. Der Die aufgedampften Muster wurden aus entsprechen-Laser 20 sendet einen Strahl aus, der von den Spie- den kleinen Mengen eines festen Materials hergestellt, geln 22, 24 und 26 reflektiert, über die Linse 28 45 Die Schichtdicken betrugen nominell 600 A; die fokussiert, durch das transparente Substrat sowie Ebenheit der Schichten wurde in weißem Licht bei das Speichermaterial hindurchgeführt wird und lOOOfacher Vergrößerung durch Reflexions- und schließlich über den Spiegel 30 in den optischen Transmissionsverfahren geprüft. Als Substrate wur-Impulsdetektor 18 geleitet wird. Dabei sind die Spie- den einige zig μ dicke Schichten aus glasartigem gel 22 und 30 in der b-Position. Das Ausgangssignal 50 Quarz und reinkristallinem Saphir verwendet. Soll des optischen Detektors 18 kann z. B. als Reaktion jedoch der Speicher die Form eines Bandes aufweidarauf ausgelegt sein, daß auf Grund verminderter sen, sollten geeignete biegsame Substrate, z. B. Absorption in den amorphen Bereichen ein erhöhter dünne Schichten von Quarz oder Aluminium auf Lichteinfall festgestellt wird. Als Alternative kann Mylar, d. h. einer Kunststoff-Folie benutzt werden, ebenfalls benutzt werden, daß ein Lichtstrahl vom 55 Zur Untersuchung der Speicherschichten im durch-Speichermaterial reflektiert wird und die vermin- scheinenden Licht mit einem Elektronenmikroskop derte Energie in dem Speicherbereich die Abgabe wurden einige Speicherüberzüge auf NaCl-Substrate eines Signals durch den optischen Detektor ein- niedergeschlagen und die Filme von diesen Substraten leitet. Die letztere Möglichkeit wird besonders dann abgelöst. Um die auf diese Art niedergeschlagenen anzuwenden sein, wenn lichtundurchlässige Sub- 60 amorphen Schichten zum Schreiben vorzubereiten, strate verwendet werden. wurden kleine Stücke der Proben abgetrennt und auf TW τ ncrhvnrnano ^e'^{ne trans}Parente Heizstufe montiert. Wenn man uer Losenvorgang _{diese Proben in Luft au{} Temperaturen im Bereich

Zum Löschen der aufgezeichneten Information von 75 bis 90° C brachte, wurde eine beträchtliche

können verschiedene Wege beschriften werden. Das 65 Kristallisation erzielt, die man anschließend gleich

Löschen wird dadurch erreicht, daß die amorphen mittels des Elektronenmikroskops feststellen konnte.

Informationsbereiche wieder in ihren kristallinen Diese Phasenänderung konnte an Ort und Stelle

Ausgangszustand rückverwandelt werden, indem durch Beobachtung der Änderung in der. optischen

Reflexions- und/oder Übertragungseigenschaften betrachtet werden.

Für den im Millisekunden-Bereich stattfindenden Lesevorgang wurde der Ausgang eines chromatischen Lasers, der über einen gepulsten Stickstoff-Laser angeregt wurde, verwendet. Da die optischen Eigenschaften solcher chromatischer Laser variiert werden können, können damit die optischen Eigenschaften in einem weiten Bereich untersucht werden. Es sind jedoch auch weniger aufwendige Laser mit fixierten optischen Eigenschaften, wie z. B. GaAS-Laser in gleichem Maße einsatzfähig. Als Pulslängen wurden Impulse von 2 bis 5 ns mit einer Wellenlänge um etwa 580OA und einer optischen Leistung von einigen kW benutzt. Der Ausgang des chromatischen Lasers wurde abgeschwächt und in ein Mikroskop fokussiert, um die Probe sowohl in durchscheinendem als auch im reflektierenden Licht betrachten zu können.

Zur Messung der Reflektivitätsänderungen zwischen geschriebenen und ungeschriebenen Speicherbereichen wurden relativ große (12 μ im Durchmesser aufweisende) Speicherbereiche erzeugt, und zwar mit einem chromatischen Laser (unter Verwendung eines 20fach vergrößernden Mikroskopobjektivs), woraufhin diese Bereiche mit schmalen Bereichen verglichen wurden, die mit Impulsen niedriger Intensität bei etwa 6471 A (Kryptonlicht unter Verwendung der Pockelszelle und eines 45fach vergrößernden Mikroskopobjektivs) erzeugt wurden. Zur Erzielung eines absoluten Wertes für die Reflektivität wurden diese Amplituden mit solchen verglichen, die von der Vorderseite eines Aluminiumspiegels mit einer Reflektivität von ungefähr 90% bei 6500A erhalten wurden.

An diesen Proben wurden nach zwei und nach acht Wochen Messungen vorgenommen, um das Ausmaß von Charakteristikvcrschicbungen festzustellen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I niedergelegt. Die Probe A wurde dabei in völliger Dunkelheit gehalten, die Probe B bei normaler Raumbeleuchtung (im Labor mit etwa 50% Beleuchtung über die Zeit) und C wurde in direktem Sonnenlicht aufbewahrt, wobei im letzteren Fall eine nicht näher bekannte Temperatursteigerung anzunehmen ist.

Tabelle I

Probe Ein- Unbeschriebene

geschriebene Unterlage Bereiche

(¹Vo Reflexion) ("Ό Reflexion)

A	36	59
B	40	63
C	36	60,5
A	43	61,5
B	43	61,5
C	44	61,5
A	41	58
B	41	58
C	41	58

Aus dieser Tabelle I ist ersichtlich, daß nur eine sehr geringe Verschiebung der optischen Werte erfolgte, so daß das Material als geeignet für permanente Speichermedien anzusehen ist.

Der strukturelle Zustand des Speichermaterials wurde im durchscheinenden Licht mittels eines Elektronenmikroskops und mittels Elektronenbeugung untersucht. Für eine Elektronenmikroskopierung geeignete Chalkogenid-Muster wurden auf NaCl-Substratc aufgedampft. Diese Proben wurden anschließend mit einem Laser bestrahlt (Einschreiben) und im Anschluß daran durch thermische Kristallisation wieder gelöscht. Die Gruppe von Musterstücken stammt aus beschriebenen und thermisch bzw. optisch (Laserstrahl) gelöschten und wiederbeschriebenen Probestücken. Nach den Schreib- und Löschschritten wurden die Proben von dem NaCl-Substrat getrennt, indem letzteres in Wasser aufgelöst wurde. Die Chalkogenid-Proben wurden daran anschließend unter einem Elektronenmiskroskop untersucht.

Es wurde festgestellt, daß das unbeschriebene Grundmaterial (nach einem thermischen Zyklus) ein Zweiphasensystem darstellte, das nahezu aus reinen Te-Kristallen der Größe von etwa 250 bis 500A und einer amorphen Ge-Te-Phase bestand. Nach einer Bestrahlung mittels des chromatischen Lasers im ns-Bereich zum Einschreiben waren die meisten Kristallite verschwunden, und das Material wies ein für amorphe Materialien charakteristisches Beugungsmuster auf. Der thermische Löschvorgang erzeugte eine Kristallisation des Tellurs, wobei sich eine der anfänglichen Materialstruktur ähnliche Kristallstruktur einstellte. Eine dazu gleiche Kristallstruktur wurde auch durch optische Löschung erhalten. Die an den Laser zu stellenden Anforderungen zur Ausbildung von Schmelzbereichen in u-Größe wurden durch die Lösung der inhomogenen thermischen Diffusionsgleichung

oc ^dT-=KTV² + A(x,y,z,i) dt

erhalten, wobei K, η und c die thermische Leitfähigkeit, die Massendichte und die Wärmekapazität bedeuten und diese Werte alle als temperaturunabhängig angenommen sind. Der Ausdruck A (x, y, z, t) beschreibt die Wärmequelle (entsprechend dem Laserpuls) in Einheiten von Leistung/Volumen als Funktion des Ortes und der Zeit. T und t bedeuten die Temperatur bzw. Zeit. Das einfallende Laserlicht nimmt exponentiell mit der Entfernung bzw. Eindringtiefe ζ in den Film und das Substrat ab, und zwar gemäß der Beziehung
55

/ = I₀ exp

2 V

a) = unmiltelbar anschließendes Lesen;

b) = Lesen nach zwei Wochen;

c) = Lesen nach acht Wochen.

Dabei ist /„ die maximale Lichtintensität pro Flächeneinheit, r der Abstand vom Strahlmittelpunkt zu einem beliebigen Punkt auf der Oberfläche und r„ die Gaußsche Abweichung. Es wurde ein Reflexionskoeffizient von 0,65 an der Grenzfläche Luft/Chalkogenid angenommen, sowie eine optische Absorptionskonstante von « = 5,0 · IO⁵Cm"¹. Der Reflexionskoeffizient stimmt mit den Werten von Tabelle I für 6471 A überein, während der Absorptionskoeffizient ein nähpriinosu/picor rim-.-v.c-M...:...-

vert des Koeffizienten f'ir reines Tellur im amorphen ind kristallinen Zustand ist. Die erhaltenen Lösungen galten für 600 A dicke Schichten auf glasartigen Duarzsubstraten, die' sich anfänglich auf Raumtemperatur befanden. Der Eingangsimpuls war 1 W stark, seine Dauer betrug 5 ns. Die (benutzten) Werte von weiteren Parametern sind in der folgenden Tabelle II angegeben.

Tabelle II

K Cc

(W/cm ° K) (J/g ° K) (gern')

15

^Te8O^Gei5^AV

Schicht 6,15-10-3 2,9· 10"' 5,7

Quarzsubstrat 1,02 · 10 - *- 1,35 3,0

175° C beträgt. Die Kurven zeigen an, daß eine Ein-, ,ncvrai etwa 0,8 W oder eine Energie-S4 S ?-njV ausreichend ist, um Γ. zu er- ? ichen was' mit relativ niederenergetischen Lasern reicnen, wa. _Rerechnuneen wurde die Schmelz-

ÄS lS£Ä «ο daß zu diesen Löwarme nicni » erfolgen muß. Da die Schmelzwärme Sc Volumendnheft für Tellur ungefähr dopwarme pro ν Anheben einer Volumen-

Tralur erforderliche Wärme, sind die Abkuhl-SÄ geschmolzene Bereiche etwa dreimal langer al die füT ungeschmolzene Bereiche bei einer Temais aie im s Kurven kann weiterhin

Ken Äiß die Aufheizung nahezu adiabatih erfolgt mit einer vernachlässigbaren radialen DifLon §ie Diffusionslänge in 5 ns betragt unge-Sh 400 A) und daß nur ein geringer Wanneverlust fahr 4UU AJIU Weiterhin ist zu ersehen,

Im Rahmen der Erfindung ist es von Wichtigkeit, daß die thermische Leitfähigkeit und die Wärmekapazität des Substrats so gewählt werden, daß das Substrat die überschüssige Wärme ableiten kann und damit eine Ausdiffusion der Wärme in die Halbleitermaterialschicht verhindert. Ob demnach ein Substratmaterial für den Einsatz im Rahmen der Erfindung geeignet ist, hängt somit von den physikalischen Eigenschaften des Halbleitermaterials ab, die die Temperaturausbreitung festlegen.

Alle diese Lösungen hängen linear von der Leistung ab, da die thermischen und optischen Parameter als von der Temperatur unabhängig angenommen wurden. In F i g. 5 ist der zeitliche Temperaturverlauf des Halbleitermaterials in einer Tiefe von 100 A unterhalb der Oberfläche dargestellt, wobei als Parameter der Abstand ;■ vom Mittelpunkt des Laserstrahls von 1 W Eingangsleistung berücksichtigt ist. Die Spitzentemperatur in der Strahl mitte liegt etwas oberhalb der Schmelztemperatur T_m, die etwa r = 0) erreicht, während im Abstand 3

des Laserimpulses eine schnelle Abkühlung einsetzt Sei die Oberflächentemperatur innerhalb 5 ns auf etwa die Hälfte des maximalen Temperaturwertes Sl was einer durchschnittlichen Abkuhlrate bis zu ' O-oJ/sec entspricht. Eine vergleichende Darstellung der Temperaturverläufe in Abhang.gkeit von der Eindringtiefe ist in Fig. 6 fur die Fosi Zn τ = 0 dargestellt. Aus dieser Darstellung werden d°e Auswirkungen der endgültigen optischen Absorp-UonVkons ante deutlich, wenn man berücksichtigt, daß die Speicherschicht in einer Dicke von etwi 500A nur noch auf die Hälfte des Wertes in eine, Tiefe von lOOA ansteigt. Nach etwa 25 ns erreich dkϊ Sperrschicht eine einheitliche Temperatur übe: die Tiefenerstreckung.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche: selektiven Löschen erneut mit einem Laserstrahl seieKuyen i^ ^ ^^ Tempepatur etwas unter- erhitzt und an-

1. Verfahren zur schnellen optischen Informationsspeicherung unter Verwendung einer auf S einem Substrat angeordneten dünnen kristallinen Schicht aus einem Chalkogenid-Halbleitermaterial, das im kristallinen wie im amorphen Zustand befindliche selektive Bereiche stabil aufrechtzuerhalten gestattet, bei dem die im kri- *° stallinen bzw. amorphen Zustand auftretenden optischen, vorzugsweise Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften zur Informationsspeicherung ausgenutzt werden, indem zum Einschreiben der Speicherinformation mittels eines Laserstrahles selektive Bereiche der Halbleiterschicht bis zur Schmelztemperatur des Halbleiters erhitzt und dann so schnell abgekühlt werden, daß eine selektive Umwandlung in amorphe Bereiche erzwungen wird, und bei dem aus den unterschiedlichen »° Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften der amorphen bzw. kristallinen Bereiche bei erneuter Bestrahlung der Speicherinhalt ermittelt werden kainn, dadurch gekennzeichnet, daß die kristalline Halbleiterschicht auf einem dem- »5 gegenüber besser wärmeleitfähigen Substrat ausgebildet wird und die selektive Bestrahlung zum Einschreiben der Speicherinformation mittels eines extrem fokussierten Laserstrahles mit Bestrahlungszeiten im ns-Bereicli erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine transparente Quarzschicht verwendet wird, deren Wärmeleitfähigkeit größer ist als die der darauf angeordneten Halbleiterschicht, so daß bei einer durch den Laserstrahl erzeugten Überschußvärme diese statt in der Halbleiterschicht seitlich abzufließen, über das Substrat abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat einkristalliner 4" Saphir verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine flexible mit Quarz oder einer dünnen Metallschicht, z. B. aus Aluminium, beschichtete Kunststoff-Folie, z. B. Mylar, verwendet wird.

5. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht zum Einschreiben der Speicherinformation vor der Beaufschlagung mit dem Laserstrahl auf eine Temperatur von etwas unterhalb T_g, d. h. die unterhalb der Schmelztemperatur liegende Glastemperatur, bei der normalerweise die Kristallisation einsetzt, vorgeheizt wird.

6. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiven Speicherbereiche Durchmesser von < 5 μ aufweisen.

7. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbestrahlungszeit < 100 ns beträgt.

8. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke Z des Speichermaterials so gewählt wird, daß αΖ>1 ist, wobei α die optische Absorptionskonstante des Speichermaterials darstellt.

9. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Speicherinformation beschriebene Halbleiterschicht zum > W^Hdbieiter-

ΐϊΑΐ Durchführung des Verfaiens n?ch rinem der vorhergehenden An- £ gekennzeichnet durch ein Speichern*-