JP2003094400A - ナノチューブ電子源を含むデータ記憶デバイス - Google Patents
ナノチューブ電子源を含むデータ記憶デバイスInfo
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- Y10S977/902—Specified use of nanostructure
- Y10S977/932—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application
- Y10S977/943—Information storage or retrieval using nanostructure
Abstract
(57)【要約】
【課題】ナノチューフ゛を電子源として用いるテ゛ータ記憶テ゛ハ゛イス
の実現。 【解決手段】テ゛ータ記憶テ゛ハ゛イス(110)は、相変化記憶層(11
2)と、電子源としてナノチューフ゛(212)のアレイ(114)とを含む。
の実現。 【解決手段】テ゛ータ記憶テ゛ハ゛イス(110)は、相変化記憶層(11
2)と、電子源としてナノチューフ゛(212)のアレイ(114)とを含む。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は概して電子源に関す
る。また、本発明はデータ記憶デバイスに関する。 【０００２】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】数十年
間、研究者たちは、磁気ハードドライブ、光ドライブお
よび半導体ランダムアクセスメモリのようなデータ記憶
装置の記憶密度を高め、記憶コストを削減するために研
究を続けている。しかしながら、従来の技術は記憶密度
に関する根本的な限界に近づきつつあるように思われる
ため、記憶密度を高めることが益々困難になってきてい
る。たとえば、従来の磁気記録に基づく情報記憶は、そ
れ以下では磁気ビットが室温で安定しない超常磁性限界
のような、根本的な物理的限界に急速に近づきつつあ
る。 【０００３】これらの根本的な限界に直面しない記憶デ
バイスが研究されている。そのような情報記憶デバイス
の一例がGibson等の米国特許第５，５５７，５９６号に
記載されている。そのデバイスは、記憶媒体に隣接した
電子放出表面を有する多数の電子源を含む。書込み動作
中、電子源は、比較的強い強度の電子ビームで記憶媒体
をボンバードする。読出し動作中、電子源は、相対的に
弱い強度の電子ビームで記憶媒体をボンバードする。 【０００４】そのようなデバイス内の記憶ビットのサイ
ズは、電子ビーム径を小さくすることにより縮小するこ
とができる。記憶ビットのサイズを縮小することによ
り、記憶密度および記憶容量が増加し、記憶コストが削
減される。 【０００５】「Spindt」放出器（emitter）は、そのよ
うなデバイスにおいて、集束された電子ビームを生成す
るために用いることができる。Spindt放出器は円錐形で
あり、その円錐の先端部において電子ビームを放出す
る。円錐の先端部は、動作電圧を低減し、かつ小さな電
子ビーム径を達成するために、できる限り先鋭に作成さ
れる。 【０００６】しかしながら、Spindt放出器では、ある種
の問題が生じる。１つの問題は、Spindt放出器が衝撃に
弱いことである。Spindt放出器の先端部は記憶媒体から
わずか数ナノメートルの距離にある。先端部が記憶媒体
と接触する場合には、損傷を受ける可能性がある。別の
問題は、Spindt放出器から放出される電子ビームの方向
性である。場合によっては、電子ビームが、先端部では
なく、円錐の側面から放出され得る。さらに別の問題
は、エネルギーが仕事関数より大きいことに起因して、
先端部から材料が失われることである。材料が失われる
ことにより、先端部の有効性が低下する。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、データ記憶デバイスは電子源としてナノチューブを
含む。本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を
一例として示す添付図面に関連してなされる、以下の詳
細な説明から明らかになるであろう。 【０００８】 【発明の実施の形態】例示のために図面に示されるよう
に、本発明は、超高密度のデータ記憶デバイスにおいて
具現化される。そのデータ記憶デバイスは、記憶媒体
と、電子源として機能するナノチューブのアレイとを含
む。ナノチューブは、Spindt放出器よりも堅牢であり、
記憶媒体と接触する場合でも損傷を受けない。さらに、
ナノチューブはSpindt放出器よりも高い電子ビーム方向
性を有する。方向性が高い結果として、電子ビームは集
束度が増し、精度が高くなり、それによりビットサイズ
を縮小することが可能になる。ビットサイズが縮小され
ることにより、記憶密度が高くなり、記憶コストが削減
される。また、方向性が高くなることにより、ナノチュ
ーブの先端部を記憶媒体からさらに間隔をおいて配置す
ることが可能になる。また、ナノチューブは、Spindt放
出器よりも遅い材料伝達速度（material transfer rat
e）を有する。材料伝達速度が遅くなることにより、電
子源の有効寿命が長くなる。 【０００９】図１を参照すると、データ記憶デバイス１
１０の記憶媒体１１２は記憶層を含む。記憶層は、カル
コゲナイド系の相変化材料（phase change material）
のような相変化材料から作成され得る。適切な時間依存
性の電力振幅を有する、集束された放射を加えることに
より、記憶層の局所的な領域を少なくとも２つの状態間
で可逆的に変化させることができる。たとえば、局所的
な領域はアモルファス状態と結晶状態との間で変化させ
ることができるか、あるいは異なる結晶状態間で変化さ
せることができる。相変化材料を溶融するだけの十分に
強い強度の電子ビームでその領域を加熱し、その後、ビ
ームの強度を急速に低下させて、その領域を急冷するこ
とにより、ある領域の状態を結晶状態からアモルファス
状態に変化させることができる。相変化材料を急冷する
ことにより、結晶性粒子の核を形成して結晶性粒子を成
長させることなく、アモルファス状態まで急速に冷却さ
れる。エネルギービームを用いて、結晶性粒子の核を形
成して結晶性粒子を成長させることができるだけの十分
な温度で相変化材料を加熱することにより、ある領域の
状態をアモルファス状態から結晶状態に変化させること
ができる。異なる状態は異なる論理値を表す。 【００１０】また、記憶デバイス１１０は、電子源とし
て機能するナノチューブ（たとえば、カーボンナノチュ
ーブ、窒化ホウ素ナノチューブ）のアレイ１１４も含
む。各ナノチューブは、適切な時間依存性の電力振幅を
有する電子ビームを放出し、ある局所的な記憶領域を、
アモルファス状態と結晶状態との間で、または異なる結
晶状態の間で変化させる。ナノチューブの先端部は記憶
層に隣接する。電子光学系を用いて、電子ビームを記憶
媒体１１２上に集束することができる。 【００１１】ナノチューブ電子源のアレイ１１４は、記
憶媒体１１２に対して固定されることができる。したが
って、各ナノチューブ先端部は、ある局所的な記憶領域
上に配置され得る。代替案において、マイクロムーバ
（図示せず）を用いて、読出しおよび書込み動作中に、
記憶層の表面に沿ってナノチューブのアレイ１１４を走
査することができる。典型的なマイクロムーバは、譲受
人の米国特許第５，９８６，３８１号に記載されてい
る。 【００１２】ナノチューブの堅牢性および高い方向性に
よって、ナノチューブ先端部と相変化層の表面との間の
距離の公差、相変化層の表面の平坦性等を緩和すること
が可能になる。 【００１３】ここで図２を参照すると、ナノチューブ２
１２のアレイ１１４が示される。ナノチューブ２１２は
単一壁または二重壁とすることができ、それらは、それ
らの直径、長さ、導電率およびカイラリティー又はねじ
り（twist）によって規定される。アスペクト比が高く
なると良好な方向性が与えられるので、ナノチューブ２
１２は伸長されることが好ましい。ナノチューブ２１２
は、１０：１より大きなアスペクト比を有することがで
きる。たとえば、カーボンナノチューブは、長くて薄い
炭素のチューブであるフラーレン関連構造である。カー
ボンナノチューブは密接に結合されており、結果とし
て、記憶媒体１１２の相変化層との材料伝達速度が遅く
なる。 【００１４】ナノチューブ２１２は基板２１４上に形成
される。フォトリソグラフィ技術または他のマスク技術
を用いて、基板２１４上にナノチューブ２１２を成長さ
せる場所を画定することができる。図２には、１０本の
ナノチューブ２１２の１つの列のみが示されるが、アレ
イ１１４は、任意の数の行および列を有することができ
る。アレイ１１４は、数百または数千のナノチューブ２
１２を含むことができる。ナノチューブ２１２間の間隔
は、部分的には、記憶層の表面にわたってアレイ１１４
を走査するためにマイクロムーバが用いられるか否かに
依存するであろう。 【００１５】シリコン基板上にカーボンナノチューブ１
１４を製作する、フォトリソグラフィ以外の技術は、Ni
lsson等による「Scanning filed emission from patter
nedcarbon nanotube films」（Applied Physics Letter
s, Vol. 76, No. 15, April, 2000）に記載されてい
る。触媒インクがシリコン基板の自然酸化膜上にパター
ンとして「印刷」され、カーボンナノチューブを成長さ
せる。 【００１６】さらに図３を参照すると、基板２１４上
に、ナノチューブ２１２をアドレス指定するためのワー
ド線およびビット線２１６および２１８も形成される。
ナノチューブ２１２は、読出しおよび書込み動作中に、
同時にまたは多重化された態様でアドレス指定されるこ
とができる。読出しまたは書込み動作中に、ナノチュー
ブを選択して電子ビームを生成するために、選択された
ナノチューブ２１２と記憶媒体１１２との間に電圧が生
成される。ワード線２１６およびビット線２１８を用い
て、選択されたナノチューブ２１２に電圧が印加され
る。記憶媒体１１２には基準電位が印加されており、そ
のため選択されたナノチューブ２１２が陰極になり、記
憶媒体１１２が陽極になる。ナノチューブ２１２の導電
率は変化させることができ、電位が変更されて、所望の
時間依存性の振幅の電子ビームを得ることができる。電
子ビームを生成するために、ナノチューブ２１２は超高
真空である必要はない。 【００１７】読出しおよび書込み動作は、Spindt放出器
の代わりにナノチューブが用いられることを除いて、Gi
bson等による米国特許第５，５５７，５９６号に記載さ
れるように実行されることができる。 【００１８】ナノチューブ電子源は、データ記憶デバイ
スにおいて用いられることに限定されない。たとえば、
ナノチューブ電子源を、リソグラフィの応用形態におい
て電子放出器として用いることができる。 【００１９】本発明の特定の実施形態が説明され、図示
されてきたが、本発明は、そのように説明され図示され
た特定の形態または部品の構成に限定されない。代わり
に、本発明は、特許請求の範囲に従って解釈される。 【００２０】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．データ記憶デバイス（110）であって、電子源とし
てナノチューブ（212）のアレイ（114）を含む、データ
記憶デバイス。 ２．前記ナノチューブ（212）がカーボンベースであ
る、上記１に記載のデバイス。 ３．前記ナノチューブ（212）が窒化ホウ素ベースであ
る、上記１に記載のデバイス。 ４．前記電子源の先端部に隣接する相変化記憶層（11
2）をさらに含む、上記１に記載のデバイス。 ５．各ナノチューブ（212）が伸長される、上記１に記
載のデバイス。 ６．前記ナノチューブ（212）が１０：１より大きいア
スペクト比を有する、上記５に記載のデバイス。 ７．前記ナノチューブ（212）をアドレス指定するため
のワード線およびビット線（216、218）をさらに含む、
上記１に記載のデバイス。 ８．前記アレイを位置決めするためのマイクロムーバを
さらに含む、上記１に記載のデバイス。 【００２１】 【発明の効果】上記のように、本発明によれば、堅牢で
あり、高い電子ビーム方向性を有するナノチューブを電
子源として用いるデータ記憶デバイスを実現することが
できる。
る。また、本発明はデータ記憶デバイスに関する。 【０００２】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】数十年
間、研究者たちは、磁気ハードドライブ、光ドライブお
よび半導体ランダムアクセスメモリのようなデータ記憶
装置の記憶密度を高め、記憶コストを削減するために研
究を続けている。しかしながら、従来の技術は記憶密度
に関する根本的な限界に近づきつつあるように思われる
ため、記憶密度を高めることが益々困難になってきてい
る。たとえば、従来の磁気記録に基づく情報記憶は、そ
れ以下では磁気ビットが室温で安定しない超常磁性限界
のような、根本的な物理的限界に急速に近づきつつあ
る。 【０００３】これらの根本的な限界に直面しない記憶デ
バイスが研究されている。そのような情報記憶デバイス
の一例がGibson等の米国特許第５，５５７，５９６号に
記載されている。そのデバイスは、記憶媒体に隣接した
電子放出表面を有する多数の電子源を含む。書込み動作
中、電子源は、比較的強い強度の電子ビームで記憶媒体
をボンバードする。読出し動作中、電子源は、相対的に
弱い強度の電子ビームで記憶媒体をボンバードする。 【０００４】そのようなデバイス内の記憶ビットのサイ
ズは、電子ビーム径を小さくすることにより縮小するこ
とができる。記憶ビットのサイズを縮小することによ
り、記憶密度および記憶容量が増加し、記憶コストが削
減される。 【０００５】「Spindt」放出器（emitter）は、そのよ
うなデバイスにおいて、集束された電子ビームを生成す
るために用いることができる。Spindt放出器は円錐形で
あり、その円錐の先端部において電子ビームを放出す
る。円錐の先端部は、動作電圧を低減し、かつ小さな電
子ビーム径を達成するために、できる限り先鋭に作成さ
れる。 【０００６】しかしながら、Spindt放出器では、ある種
の問題が生じる。１つの問題は、Spindt放出器が衝撃に
弱いことである。Spindt放出器の先端部は記憶媒体から
わずか数ナノメートルの距離にある。先端部が記憶媒体
と接触する場合には、損傷を受ける可能性がある。別の
問題は、Spindt放出器から放出される電子ビームの方向
性である。場合によっては、電子ビームが、先端部では
なく、円錐の側面から放出され得る。さらに別の問題
は、エネルギーが仕事関数より大きいことに起因して、
先端部から材料が失われることである。材料が失われる
ことにより、先端部の有効性が低下する。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明の一態様によれ
ば、データ記憶デバイスは電子源としてナノチューブを
含む。本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を
一例として示す添付図面に関連してなされる、以下の詳
細な説明から明らかになるであろう。 【０００８】 【発明の実施の形態】例示のために図面に示されるよう
に、本発明は、超高密度のデータ記憶デバイスにおいて
具現化される。そのデータ記憶デバイスは、記憶媒体
と、電子源として機能するナノチューブのアレイとを含
む。ナノチューブは、Spindt放出器よりも堅牢であり、
記憶媒体と接触する場合でも損傷を受けない。さらに、
ナノチューブはSpindt放出器よりも高い電子ビーム方向
性を有する。方向性が高い結果として、電子ビームは集
束度が増し、精度が高くなり、それによりビットサイズ
を縮小することが可能になる。ビットサイズが縮小され
ることにより、記憶密度が高くなり、記憶コストが削減
される。また、方向性が高くなることにより、ナノチュ
ーブの先端部を記憶媒体からさらに間隔をおいて配置す
ることが可能になる。また、ナノチューブは、Spindt放
出器よりも遅い材料伝達速度（material transfer rat
e）を有する。材料伝達速度が遅くなることにより、電
子源の有効寿命が長くなる。 【０００９】図１を参照すると、データ記憶デバイス１
１０の記憶媒体１１２は記憶層を含む。記憶層は、カル
コゲナイド系の相変化材料（phase change material）
のような相変化材料から作成され得る。適切な時間依存
性の電力振幅を有する、集束された放射を加えることに
より、記憶層の局所的な領域を少なくとも２つの状態間
で可逆的に変化させることができる。たとえば、局所的
な領域はアモルファス状態と結晶状態との間で変化させ
ることができるか、あるいは異なる結晶状態間で変化さ
せることができる。相変化材料を溶融するだけの十分に
強い強度の電子ビームでその領域を加熱し、その後、ビ
ームの強度を急速に低下させて、その領域を急冷するこ
とにより、ある領域の状態を結晶状態からアモルファス
状態に変化させることができる。相変化材料を急冷する
ことにより、結晶性粒子の核を形成して結晶性粒子を成
長させることなく、アモルファス状態まで急速に冷却さ
れる。エネルギービームを用いて、結晶性粒子の核を形
成して結晶性粒子を成長させることができるだけの十分
な温度で相変化材料を加熱することにより、ある領域の
状態をアモルファス状態から結晶状態に変化させること
ができる。異なる状態は異なる論理値を表す。 【００１０】また、記憶デバイス１１０は、電子源とし
て機能するナノチューブ（たとえば、カーボンナノチュ
ーブ、窒化ホウ素ナノチューブ）のアレイ１１４も含
む。各ナノチューブは、適切な時間依存性の電力振幅を
有する電子ビームを放出し、ある局所的な記憶領域を、
アモルファス状態と結晶状態との間で、または異なる結
晶状態の間で変化させる。ナノチューブの先端部は記憶
層に隣接する。電子光学系を用いて、電子ビームを記憶
媒体１１２上に集束することができる。 【００１１】ナノチューブ電子源のアレイ１１４は、記
憶媒体１１２に対して固定されることができる。したが
って、各ナノチューブ先端部は、ある局所的な記憶領域
上に配置され得る。代替案において、マイクロムーバ
（図示せず）を用いて、読出しおよび書込み動作中に、
記憶層の表面に沿ってナノチューブのアレイ１１４を走
査することができる。典型的なマイクロムーバは、譲受
人の米国特許第５，９８６，３８１号に記載されてい
る。 【００１２】ナノチューブの堅牢性および高い方向性に
よって、ナノチューブ先端部と相変化層の表面との間の
距離の公差、相変化層の表面の平坦性等を緩和すること
が可能になる。 【００１３】ここで図２を参照すると、ナノチューブ２
１２のアレイ１１４が示される。ナノチューブ２１２は
単一壁または二重壁とすることができ、それらは、それ
らの直径、長さ、導電率およびカイラリティー又はねじ
り（twist）によって規定される。アスペクト比が高く
なると良好な方向性が与えられるので、ナノチューブ２
１２は伸長されることが好ましい。ナノチューブ２１２
は、１０：１より大きなアスペクト比を有することがで
きる。たとえば、カーボンナノチューブは、長くて薄い
炭素のチューブであるフラーレン関連構造である。カー
ボンナノチューブは密接に結合されており、結果とし
て、記憶媒体１１２の相変化層との材料伝達速度が遅く
なる。 【００１４】ナノチューブ２１２は基板２１４上に形成
される。フォトリソグラフィ技術または他のマスク技術
を用いて、基板２１４上にナノチューブ２１２を成長さ
せる場所を画定することができる。図２には、１０本の
ナノチューブ２１２の１つの列のみが示されるが、アレ
イ１１４は、任意の数の行および列を有することができ
る。アレイ１１４は、数百または数千のナノチューブ２
１２を含むことができる。ナノチューブ２１２間の間隔
は、部分的には、記憶層の表面にわたってアレイ１１４
を走査するためにマイクロムーバが用いられるか否かに
依存するであろう。 【００１５】シリコン基板上にカーボンナノチューブ１
１４を製作する、フォトリソグラフィ以外の技術は、Ni
lsson等による「Scanning filed emission from patter
nedcarbon nanotube films」（Applied Physics Letter
s, Vol. 76, No. 15, April, 2000）に記載されてい
る。触媒インクがシリコン基板の自然酸化膜上にパター
ンとして「印刷」され、カーボンナノチューブを成長さ
せる。 【００１６】さらに図３を参照すると、基板２１４上
に、ナノチューブ２１２をアドレス指定するためのワー
ド線およびビット線２１６および２１８も形成される。
ナノチューブ２１２は、読出しおよび書込み動作中に、
同時にまたは多重化された態様でアドレス指定されるこ
とができる。読出しまたは書込み動作中に、ナノチュー
ブを選択して電子ビームを生成するために、選択された
ナノチューブ２１２と記憶媒体１１２との間に電圧が生
成される。ワード線２１６およびビット線２１８を用い
て、選択されたナノチューブ２１２に電圧が印加され
る。記憶媒体１１２には基準電位が印加されており、そ
のため選択されたナノチューブ２１２が陰極になり、記
憶媒体１１２が陽極になる。ナノチューブ２１２の導電
率は変化させることができ、電位が変更されて、所望の
時間依存性の振幅の電子ビームを得ることができる。電
子ビームを生成するために、ナノチューブ２１２は超高
真空である必要はない。 【００１７】読出しおよび書込み動作は、Spindt放出器
の代わりにナノチューブが用いられることを除いて、Gi
bson等による米国特許第５，５５７，５９６号に記載さ
れるように実行されることができる。 【００１８】ナノチューブ電子源は、データ記憶デバイ
スにおいて用いられることに限定されない。たとえば、
ナノチューブ電子源を、リソグラフィの応用形態におい
て電子放出器として用いることができる。 【００１９】本発明の特定の実施形態が説明され、図示
されてきたが、本発明は、そのように説明され図示され
た特定の形態または部品の構成に限定されない。代わり
に、本発明は、特許請求の範囲に従って解釈される。 【００２０】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。 １．データ記憶デバイス（110）であって、電子源とし
てナノチューブ（212）のアレイ（114）を含む、データ
記憶デバイス。 ２．前記ナノチューブ（212）がカーボンベースであ
る、上記１に記載のデバイス。 ３．前記ナノチューブ（212）が窒化ホウ素ベースであ
る、上記１に記載のデバイス。 ４．前記電子源の先端部に隣接する相変化記憶層（11
2）をさらに含む、上記１に記載のデバイス。 ５．各ナノチューブ（212）が伸長される、上記１に記
載のデバイス。 ６．前記ナノチューブ（212）が１０：１より大きいア
スペクト比を有する、上記５に記載のデバイス。 ７．前記ナノチューブ（212）をアドレス指定するため
のワード線およびビット線（216、218）をさらに含む、
上記１に記載のデバイス。 ８．前記アレイを位置決めするためのマイクロムーバを
さらに含む、上記１に記載のデバイス。 【００２１】 【発明の効果】上記のように、本発明によれば、堅牢で
あり、高い電子ビーム方向性を有するナノチューブを電
子源として用いるデータ記憶デバイスを実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】データ記憶デバイスを示す図である。
【図２】記憶デバイス用のナノチューブのアレイを示す
図である。 【図３】記憶デバイス用のナノチューブのアレイを示す
図である。 【符号の説明】 110 データ記憶デバイス 114 アレイ 212 ナノチューブ 216 ワード線 218 ビット線
図である。 【図３】記憶デバイス用のナノチューブのアレイを示す
図である。 【符号の説明】 110 データ記憶デバイス 114 アレイ 212 ナノチューブ 216 ワード線 218 ビット線
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 データ記憶デバイス（110）であって、
電子源としてナノチューブ（212）のアレイ（114）を含
む、データ記憶デバイス。
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