DE3878583T2

DE3878583T2 - Aufzeichnungsvorrichtung, adressierbar mit einem elektronenbuendel.

Info

Publication number: DE3878583T2
Application number: DE8888303615T
Authority: DE
Inventors: Senri C O Patents Divi Miyaoka; Kanji C O Patents Divis Murano
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1987-04-29
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2008-04-22
Also published as: JPS63271795A; DE3878583D1; EP0289221A3; US4996667A; EP0289221B1; EP0289221A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aufzeichnungsvorrichtung, die mittels eines Elektronenstrahls adressierbar ist.
Es sind vielfältige Datenaufzeichnungsvorrichtungen bekannt, die beispielsweise Halbleiter-Speichereinrichtungen, Magnet-Speichereinrichtungen und optische Speichereinrichtungen enthalten.
Eine Halbleiter-Speichereinrichtung hat, in der Größenordnung von Mikrosekunden, eine geringe Aufzeichnungskapazität bei einer verhältnismäßig kurzen Zugriffszeit, in der Größenordnung von Mikrosekunden. Im Vergleich hierzu hat eine Magnet-Speichereinrichtung eine Aufzeichnungskapazität in der Größenordnung von 100 Mbits, sie hat jedoch eine verhältnismäßig lange Zugriffszeit, zum Beispiel 10 Millisekunden. Eine optische Speichereinrichtung kann eine Aufzeichnungskapazität von 1 Gigabit haben, jedoch ist ihre Zugriffszeit länger als 100 Millisekunden.
In der US-Patentschrift US-A-3 170 083 ist eine Speichereinrichtung offenbart, die Merkmale aufweist, die denen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechen. In der Internationalen Patentschrift WO 87/02481 ist eine Speichereinrichtung offenbart, die ein dielektrisches Material enthält, das eine sekundäre Elektronenabgabecharakteristik aufweist, die größer als eins ist.
Erfindungsgemäß ist eine Aufzeichnungsvorrichtung vorgesehen, die mittels eines Elektronenstrahls adressierbar ist, mit:
einer aus ferroelektrischem Material ausgebildeten Aufzeichnungsschicht,
einer auf der einen Oberfläche der Aufzeichnungsschicht aufgetragenen Elektrode, und
einer Potentialeinstelleinrichtung, um auf der anderen Oberfläche der Aufzeichnungsschicht durch Abtasten dieser anderen Oberfläche mittels eines Elektronenstrahls, ein Potential einzustellen, das aufzuzeichnenden Daten entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das ferroelektrische Material eine sekundäre Elektronenabgabefähigkeit 3 aufweist, die größer als eins ist, und
daß die Potentialeinstelleinrichtung eine der anderen Oberfläche gegenüberliegende Gitterelektrode und eine Vorrichtung aufweist, die entsprechend den Daten selektiv Potentiale, der Gitterelektrode zuführt, wobei durch das Abtasten der anderen Oberfläche mit dem Elektronenstrahl Potentialdifferenzen zwischen den Oberflächen der Aufzeichnungsschicht auftreten, wodurch das ferroelektrische Material in den Daten entsprechenden Richtungen gepolt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in denen :
Figur 1 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Aufzeichnungsvorrichtung zeigt,
Figur 2 eine vergrößerte Ansicht von Teilen der Vorrichtung in Figur 1 ist,
Figur 3 eine Kennlinien-Kurve der dielektrischen Flußdichte ist, die über dem elektrischen Feld aufgetragen ist, und
Figur 4 den Aufbau eines Trägers in einem veränderten Ausführungsbeispiel zeigt.
Das Ausführungsbeispiel einer Aufzeichnungs- oder Speichereinrichtung wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, enthält eine ferroelektrische Schicht 1, die eine sekundäre Elektronenabgabefähigkeit δ aufweist, die größer als eins ist, eine Elektrode 2, die auf einer Oberfläche der ferroelektrischen Schicht 1 aufgetragen ist, eine Potentialeinstelleinrichtung 3, die auf der anderen Oberflächenseite der ferroelektrischen Schicht 1 aufgetragen ist und dazu dient, diese durch Abtasten mit einem Elektronenstrahl auf ein vorbestimmtes Potential zu bringen, und einer Heizeinrichtung 4 zum Heizen der ferroelektrischen Schicht 1.
Zwei Potentiale, die gemäß "0" und "1" der aufzuzeichnenden binären Daten moduliert sind, werden mit der Potentialeinstelleinrichtung 3 eingestellt, und die Daten werden unter Mitwirkung von Elektronenstrahlabtastung als den Daten entsprechende Ladungs- oder Polungsmuster auf die ferroelektrische Schicht 1 geschrieben. Beim Auslesen der Daten wird ein dem Ladungsmuster entsprechender Elektronenstrahl-Strom durch Abtasten der ferroelektrischen Schicht 1 mittels eines Elektronenstrahls erfaßt.
Die Aufzeichnungsvorrichtung enthält weiterhin ein evakuiertes Glasröhrenteil 5 und einen Träger 6, der das auf der inneren Oberfläche eines Schirmträgers 5f angeordnete Aufzeichnungsmedium bildet. Die Potentialeinstelleinrichtung 3, die eine Gitterelektrode enthält, ist dem Träger 6 gegenüberliegend angeordnet. Eine Elektronenkanone 9 ist dem Träger 6 gegenüberliegend hinter der Gitterelektrode angeordnet.
Die Elektronenkanone 9 kann beispielsweise eine Kathode K und nacheinander angeordnet ein erstes bis drittes Gitter G1 bis G3 aufweisen.
Außerhalb des Röhrenteils 5 sind entsprechend, eine Fokussierspule 10 und eine Ablenkspule 11, zum Fokussieren des von der Elektronenkanone 9 abgegebenen Elektronenstrahls 12 auf der ferroelektrischen Schicht 1 des Träger 6, und zum horizontalen und vertikalen Abtasten der ferroelektrischen Schicht 1, angeordnet.
Insbesondere bezugnehmend auf Figur 2, ist das Aufzeichnungsmedium aus einem Ni-Cr-Heizer gebildet, der mit einer Dicke von beispielsweise 1 x 10&supmin;&sup4;mm, zur Ausbildung der Heizeinrichtung 4 auf der einen Oberfläche des isolierenden Substrates 7 aufgedampft ist, das aus Aluminium oder dergleichen zusammengesetzt ist und eine Dicke von 30 um aufweist.
Auf der anderen Oberfläche des Substrates 7 ist die Elektrode 2 durch Aufdampfen von Cr-Au oder dergleichen mit einer Dicke von 1x10&supmin;&sup4; mm ausgebildet.
Die Elektrode 2 ist mit einer Schicht aus ferroelektrischen Material wie PbTiO&sub3;-PbZrO&sub3; spinbelegt, beispielsweise durch einem sogenannten Solgel-Prozeß und durch nachfolgendes Ausheizen bei ca. 700ºC, wobei eine die ferroelektrische Schicht 1 bildende ferrodielektrische Schicht mit einer Dicke von 1 um ausgebildet ist.
Der Träger 6 weist eine Fläche von beispielsweise 5 x 5 cm². Der Träger 6 wird von einem Stützelement 8, wie zum Beispiel einer Stütze, auf dem Schirmträger in der Weise gehalten, daß die Seite mit der ferroelektrische Schicht der Elektronenkanone 9 gegenüberliegt.
Die Heizvorrichtung 4 führt der ferroelektrischen schicht 1 Wärme zu. Da die spezifische Wärme 3 Joule/cm³ deg beträgt, wird für das Heizen des Trägers 6, mit einem Volumen von 5 x 5 x 0,0033 cm³, eine Energie von etwa 25 Joule benötigt, um einen Temperaturanstieg von 100ºC zu erzielen. Die hierfür benötigte Heizzeit beträgt 1 Sekunde, wenn die Heizvorrichtung eine Leistung von 25 W aufweist, und die Heizzeit wird zu 100 Millisekunden, wenn die Leistung 250 W beträgt.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise beschrieben.
Die der Potentialeinstelleinrichtung 3 zugeführte Spannung VM ist hauptsächlich auf drei Werte VMO, VM1 und VMS veränderbar. In Figur 2 ist mit SW1 ein mechanischer Schalter bezeichnet, der veranschaulicht, wie die der Potentialeinstelleinrichtung 3 zugeführte Spannung wahlweise umgeschaltet wird. In diesem Beispiel wird, wenn ein mit der Potentialeinstelleinrichtung 3 verbundener beweglicher Kontakt einen festen Kontakt S10, S11 oder S1S beschaltet, wird entsprechend das Potential VMO, VM1 und VMS verwendet.
Inzwischen ist die Elektrode 2 auf ein vorbestimmtes Potential VT gelegt. Wenn ein beweglicher Kontakt eines Schalters SW2 seinen festen Kontakt S21 beschaltet, wird die Spannung VT (z.B. 500V, angelegt und wenn der bewegliche Kontakt einen anderen festen Kontakt S22 beschaltet, wird aufgrund eines Widerstandes R, mit einem Spannungsabfall vom Anschluß tout ein Ausgangssignal erhalten.
In einem Datenschreib-Modus, in dem der Schalter SW2 den Kontakt S21 beschaltet, wird, um die Elektrode 2 auf das vorbestimmte Potential VT zu legen, die Spannung VM an der Potentialeinstelleinrichtung 3 derart geändert, daß die Kontakte S10 und S11 des Schalter SW1, entsprechend den aufzuzeichnenden Daten, über eine gewählte Verbindung auf zwei Potentiale VM0 und VM1 beziehungsweise "0" und "1" gelegt werden. Die beiden Werte VM0 und VM0 des Potentials auf dem die Vorrichtung 3 liegt, betragen beispielsweise für VM0 = 495 V und für VM1 = 505 V.
Es sei angenommen, daß in dem Schalter SW1 der Kontakt S10 gewählt ist, daß die an der Vorrichtung 3 anliegende Spannung VM VM0 (495V) beträgt, und daß veranlaßt wird, daß der Elektronenstrahl 12 aus der Elektronenkanone 9 die ferroelektrische Schicht 1 beschießt. Falls in dem Zustand, in dem der beschleunigte Elektronenstrahl die ferroelektrische Schicht 1 beschießt die sekundäre Elektronenabgabefähigkeit 5 der ferroelektrischen Schicht 1 größer als eins ist, dann werden sekundäre Elektronen von der ferroelektrischen Schicht 1 abgegeben, und diese sekundären Elektronen werden von der Potentialeinstelleinrichtung 3 eingefangen, so daß das Oberflächenpotential der ferroelektrischen Schicht 1 entsprechend der Abgabe der sekundären Elektronen positiv angehoben wird. Mit dem Erreichen des angehobenen Wertes auf das Potential VM0 (495 V) der Potentialeinstelleinrichtung 3, werden die sekundären Elektronen nicht weiter von der Potentialeinstelleinrichtung 3 eingefangen, so daß die Abgabe der sekundären Elektronen unterdrückt wird, wodurch das Oberflächenpotential VB der ferroelektrischen Schicht 1 bei 495 V gehalten wird. Im Ergebnis beträgt das Potential VA auf der Seite der Elektrode 2 auf der ferroelektrischen Schicht 1 VT (500V) während das Oberflächenpotential VB zu VM0 (495 V) gewechselt ist. Eine Potentialdifferenz ist folglich in Richtung der Dicke verursacht.
VA -VB = (500 - 495) V = 5 V ...(1)
Falls die ferroelektrische Schicht 1 eine Dicke von 1 um aufweist, wird ein starkes elektrisches Feld mit einer Feldstärke von 5 V/um = 5 kV/mm in Richtung der Dicke eingeprägt. Wie bereits bekannt, kommt es zu einem Polungs- Phänomen mit einem Feld spontaner Polarisation, wenn ein derart starkes elektrisches Feld einer ferroelektrischen Substanz eingeprägt wird und möglicherweise wird die Polung P0 beispielsweise als Aufzeichnungsdaten "0" gespeichert.
Wenn in dem Schalter SW1 der Kcntakt S11 gewählt ist und die an der Vorrichtung 3 anliegende Spannung VM VM1 (505 V) beträgt wird, aufgrund eines vergleichbaren Phänomens, das Oberflächenpotential VB der ferroelektrischen Schicht 1 gleich VM1 (505 V> , wodurch die folgende Potentialdifferenz in Richtung der Dicke hervorgerufen wird:
VA - VB = ( 500 -505 V) = -5 V) ...(2)
Als ein Ergebnis wird zum Beispiel bezüglich dein Aufzeichnungszustand der zuvor genannten Daten "0" möglicherweise eine Polung P1 in der umgekehrten Richtung zum Aufzeichnen von Daten "1" erzeugt.
Dadurch ist die der Vorrichtung 3 zugeführte Spannung mit "1" und "0", d.h. die aufzuzeichnenden Daten, in Abhängigkeit von der Abtastposition des Elektronenstrahls, auf der ferroelektrischen Schicht 1 moduliert, d.h. wenn die Potentialeinstelleinrichtung 3 wahlweise auf das Potential VM0 oder VM1 liegt, kann in der ferroelektrischen Schicht 1, um darin binär "0" oder "1" zu schreiben, eines der gegeneinander umgekehrten Polungsmuster P0 und P1 erzeugt werden.
Die derart geschriebenen Daten "0" und "1" werden in der nachfolgenden Weise gelesen.
Um die Potentialeinstelleinrichtung 3 auf ein vorbestimmtes Potential VMS zu legen, ist in einem Datenlese-Modus der Schalter SW1 zum Auswählen des Kontaktes S1S betätigt, während, um die Elektrode 2 auf den selben Potentialwert VA (500 V) wie im Schreib-Modus zu legen, wird der Schalter SW2 zum Wählen des Kontaktes S22 betätigt. Das Potential VMS liegt zwischen VM0 und VM1 und das hier angenommen 500V beträgt, was gleich dem Potential V der Elektrode 2 ist. Wenn in diesem Fall die im Schreib-Modus erhaltene Oberflächenladung auf der Oberfläche der ferroelektrischen Schicht 1 besteht, wird der Elektronenstrahl 12 vom dem Abschnitt der ferroelektrischen Schicht 1 reflektiert, auf dem das Oberflächenpotential VB im Schreib-Modus gleich VM0 (495 V) ist, welches geringer als das Potential VMS (500 V) der Potentialeinstelleinrichtung 3 ist, so daß darin der Strahlstrom nicht fließt und in dem anderen Schichtabschnitt, in dem das Potential VB gleich VM1 (505 V) beträgt fließt. Folglich wird von dem Anschluß tout gemäß dem Potentialmuster "0" oder "1", das auf der Oberfläche der ferroelektrischen Schicht 1 aufgezeichnet ist, ein zu "0" und zu "1" entsprechendes Ausgangssignal erhalten.
Das von dem Potentialmuster auf der Oberfläche der ferroelektrischen Schicht gebildete Ladungsmuster kann jedoch gelöscht sein, wenn die Daten mit dem Elektronenstrahl einmal oder mehrmals ausgelesen sind. Um dies zu verhindern wird beim wiederholten Auslesen der aufgezeichneten Daten ein pyroelektrischer Effekt angewendet. Für eine ferroelektrische Substanz geben, wie in Figur 3 gezeigt, eine durchgehende Kurvenline 31 und eine gestrichelte Kurvenlinie 32 die Kennlinie der dielektrischen Flußdichte D bezüglich des elektrischen Feldes E bei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 (T1 ist geringer als T2) wieder, wobei solche D-E-Kennlinie in Abhängigkeit von der Temperatur sich in der Weise verändert, daß die dielektrische Flußdichte D mit einem Temperaturanstieg geringer wird. Angenommen, daß die Heizvorrichtung 4 zum Aufheizen der ferroelektrischen Schicht 1 auf eine gewünschte Temperatur betrieben wird, beispielsweise auf 50ºC über Raumtemperatur, dann wird die Ladung durch den pyroelektrischen Effekt induziert. Entsprechend den aufgezeichneten Daten wird ein latentes Bild der Ladung gemäß der Polungsrichtung P0 oder P1 ausgebildet, so daß die Daten erneut mit dem zuvorgenannten Elektronenstrahlabtasten gelesen werden können. Somit ist es ermöglicht die aufgezeichneten Daten wiederholt durch Verwendung des pyroelektrischen Effektes auszulesen, was im Lese-Modus, um die Daten zu erhalten, durch das Betreiben der Heizeinrichtung 4 erzielt wird.
Zum Neuschreiben der Daten wird in einem Überschreib- Modus, basierend auf den neuen Daten, der zuvor beschriebene Schreibvorgang entsprechend durchgeführt, so daß das auf den vorhergehenden Daten basierende Polungsfeld durch das auf den neuen Daten basierende Polungsfeld ersetzt wird.
Mit dem zuvor beschriebenen Aufbau ist die folgende Aufzeichnungsdichte zu erzielen.
Bezüglich der pyroelektrischen Konstante P der ferroelektrischen Schicht 1, des Aufzeichnungsgebietes (Elektronenstrahlpunkt-Gebiet) S und dem Temperaturanstieg ΔT, ist die pyroelektrische Ladung Q beschrIeben als:
Q = P S ΔT ...(3)
Ist nun angenommen, daß die ferroelektrische Schicht 1 aus einem keramischen Material wie PbTiO&sub3;-PbZrO&sub3; zusammengesetzt ist, dann ist die Pyrokonstante durch:
P = 2,5 x 10&supmin;&sup8;C/cm² deg
angegeben.
Der erfaßbare Pegel ist aus Gleichung 3 unter der Bedingung von 5x10&supmin;¹&sup5; C (Coulomb) bei einem Signal-Rausch- Verhältnis von 26 dB zu:
S ΔT = Q/P = 2 x 10&supmin;&sup7; cm² deg
errechnet.
Da der Wert von S ΔT konstant bleibt, nimmt der Temperaturanstieg ΔT mit der Verringerung der Punktfläche zu. Inzwischen ist der Temperaturanstieg ΔT im praktischen Gebrauch durch die Grenze des Curie-Punktes der Ferroelektrischen Schicht 1, und durch die Leistungsbegrenzung der Heizeinrichtung 4 bestimmt. Die einzelnen Werte sind in Tabelle 1 untereinander bezüglich eines Punktdurchmessers aufgelistet. Tabelle 1 Punkt-Durchmesser (um) Aufzeichnungsfläche S(um²) Aufzeichnungsdichte MBytes/cm² Kapazität(MB) bei 5 x 5 cm²
Ein Byte aus Tabelle 1 besteht aus acht Bits.
Mit Ausnahme der benötigten Zeit für eine Anfangserwärmung ist die Zugriffszeit durch die Elektronenstrahl Ausrichtzeit bestimmt. Die benötigte Heizzeit, die von dem Wert ΔT abhängt, beträgt, wenn ΔT 100 ºC beträgt und die Heizeinrichtung 4 eine Leistung von 250 W aufweist, etwa 100 Millisekunden, .
Die Übertragungsrate ist allein durch die Elektronenstrahl-Abtastzeit bestimmt.
Da, wie erwähnt, das Ladungsmuster möglicher Weise gelöscht wird, wenn die Daten einmal oder mehrmals ausgelesen werden, ist an das vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Vorgang des Kühlens der ferroelektrischen Schicht 1 und das dann erneute Heizen angepaßt. Um jedoch das wiederholte Lesen der Daten durch ein einmaliges Heizen der ferroelektrischen Schicht 1 zu ermöglichen, kann eine, wie in Figur 4 dargestellte, Abänderung angepaßt sein, bei der auf der ferroelektrischen Schicht 1 angeordnete parallele Streifenelektroden 13 und ein von diesen heraus führender Ausgangsanschluß t vorgesehen sind. In einem Datenschreib-Modus wird der Vorgang in der gleichen Weise wie zuvor erwähnt durchgeführt; wogegen in einem Datenlese-Modus der auf die Elektroden 13 einfallende Elektronenstrahl durch das den aufgezeichneten Daten entsprechende Potential an der Oberfläche der ferroelektrischen Schicht 1 moduliert wird, so daß ein die aufgezeichneten Daten darstellender Signalstrom erhältlich ist. In diesem Fall bleibt die Ladung auf der Oberfläche der ferroelektrischen Schicht 1 ohne Änderung erhalten und kann daher wiederholt ausgelesen werden.

Claims

1. Aufzeichnungsvorrichtung, die mittels eines Elektronenstrahls adressierbar ist, mit:

einer aus ferroelektrischem Material ausgebildeten Aufzeichnungsschicht (1),

einer auf der einen Oberfläche der Aufzeichnungsschicht (1) aufgetragenen Elektrode (2), und

einer Potentialeinstelleinrichtung (3), um auf der anderen Oberfläche der Aufzeichnungsschicht (1) durch Abtasten dieser anderen Oberfläche mittels eines Elektronenstrahls, ein Potential einzustellen, das aufzuzeichnenden Daten entspricht,

dadurch gekennzeichnet,

daß das ferroelektrische Material eine sekundäre Elektronenabgabefähigkeit δ aufweist, die gößer als eins ist, und

daß die Potentialeinstelleinrichtung (3) eine der anderen Oberfläche gegenüberliegende Gitterelektrode (3) und eine Vorrichtung (SW1) aufweist, die entsprechend den Daten selektiv Potentiale, der Gitterelektrode (3) zuführt, wobei durch das Abtasten der anderen Oberfläche mit dem Elektronenstrahl Potentialdifferenzen zwischen den Oberflächen der Aufzeichnungsschicht (1) auftreten, wodurch das ferroelektrische Material in den Daten entsprechenden Richtungen gepolt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Vakuumkammer (5), in der die Aufzeichnungsschicht (1) enthalten ist, und einer Vorrichtung (SW2), um der einen Oberfläche der Aufzeichnungsschicht (1) ein vorbestimmtes Potential zuzuführen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit einer Vorrichtung (4) zum Heizen der Aufzeichnungsschicht (1).