JP2003281794A - 半導体探針を用いた情報貯蔵装置 - Google Patents
半導体探針を用いた情報貯蔵装置Info
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Abstract
る。 【解決手段】 電極層15、前記電極層15上に積層さ
れた強誘電性膜13及び前記強誘電性膜13の表面に積
層された半導体層11を備えた記録媒体10、及び前記
強誘電性膜13に誘電分極を形成して情報を記録し、前
記記録媒体10とのp−n接合構造を利用して前記強誘
電性膜13に形成された誘電分極から情報を再生する半
導体探針を備えたヘッドを含む。よって、再記録が可能
であって高集積高速の小型化された情報貯蔵装置の提供
が可能である。
Description
記録媒体に情報の記録/再生を行う情報貯蔵装置に係
り、さらに詳細には強誘電性膜を備えた記録媒体情報の
記録/再生を行う情報貯蔵装置に関する。
製品への需要の増加に伴って、超小型高集積非揮発性記
録媒体の必要性が高まっている。このような状況のも
と、現在のハードディスクのさらなる小型化やフラッシ
ュメモリのさらなる高集積化は困難であるので、これら
の代替記憶媒体として、走査探針を利用する記録媒体が
注目され、種々の研究が行われている。
(Scanning Transmission Mic
roscope;STM)、原子間力顕微鏡(Atom
icForce Microscope;AFM)、走
査探針顕微鏡(Scanning Probe Micr
oscope;SPM)などにおいて用いられている探
針のことである。
録媒体には、強誘電体、強磁性体、熱可塑性、または熱
硬化性樹脂などから構成される記録媒体が含まれる。こ
のような記録媒体に情報を記録する方法には、走査探針
で記録媒体の強誘電体または強磁性体の磁化ドメインの
極性を、電磁力を用いて反転させることで記録する方
法、記録媒体に熱を加えて相転移を誘導して記録する方
法、そして、マークを物理的に記録媒体に形成して記録
する方法などがある。
る方法には、静電気力、静磁気力、圧電力などが探針に
作用する力を感知して再生する方法、電気伝導度あるい
は熱伝導度の差などの記録媒体の特性変化を感知して再
生する方法などがある。
71号公報
いた超高密度情報貯蔵装置が開示されている(図1参
照)。
れた超高密度情報貯蔵装置の構成が示されている。この
図に示す超高密度情報貯蔵装置は、情報を貯蔵する記録
媒体110と、この記録媒体110に記録された情報を
読み出すヘッド部120と、ヘッド部120を制御する
制御部130とから構成される。なお、この装置では、
誘電分極の極性を、電気的信号を用いて分析する構成と
なっている。ヘッド部120は探針部25と、スキャナ
22とを備えており、制御部130はコントローラ32
と、コンピュータ33と、ロックイン増幅器31とを備
えている。
は、基板41と、基板41に積層された電極層42と、
電極層42に積層された強誘電体膜43とを備えてい
る。そして、図1(c)に示すように、探針部25は、
深針40aと、この深針40aを支持するカンチレバー
(cantilever)40bと,探針40aとカン
チレバー40b間に設けられた圧電物質45を備えてい
る。
43と探針40aとが接触した状態で、所定周波数の交
流電圧を探針40aに印加する。そして、誘電分極間の
電気力に起因した交流電圧による強誘電体薄膜43の振
幅の変化を増幅器31を利用して増幅し、増幅したもの
を分析して情報を検出する。
した状態で情報を再生する方法の場合、探針と記録媒体
とが摩耗するという問題がある。
法では、探針を支持するカンチレバーの共振周波数(一
般的に、1MHz以下)が、情報を再生する速度を制限
するという欠点がある。
ンの分極状態を感知する方法の場合、記録媒体から感知
される信号を増幅するラックイン増幅器を設ける必要が
あるために、装置の小型化が困難である。
を再生する方法の場合は、探針と媒体表面との離間距離
を一定に保持するために各探針ごとにフィードバック回
路を設ける必要があり、情報貯蔵装置の小型化が困難で
ある。
は、このような従来技術の問題点を改善することを目的
とするものであり、再記録が可能な強誘電性媒体を含む
記録媒体に対して、情報の記録/再生を高速で行うこと
のできる小型の情報貯蔵装置を提供することである。
るために本発明は、電極層、前記電極層上に積層された
強誘電性膜及び前記強誘電性膜の表面に積層された半導
体層を備えた記録媒体と、前記強誘電性膜に誘電分極を
形成して情報を記録し、前記記録媒体とのp−n接合構
造を利用して前記強誘電性膜に形成された誘電分極から
情報を再生する半導体探針を備えたヘッドとを含むこと
を特徴とする半導体探針を用いた情報貯蔵装置を提供す
る。
導体である場合、前記半導体探針はn型半導体よりな
り、前記記録媒体の半導体層がn型半導体である場合、
前記半導体探針はp型半導体よりなることが好ましい。
体と接触または非接触状態で情報を記録する構成、前記
探針は前記記録媒体と接触して情報を再生する構成であ
ることが望ましい。なお、前記半導体層と前記半導体探
針間の抵抗は前記強誘電性膜の極性により変わることが
望ましい。
ンチレバーをさらに備えることが望ましい。そして、前
記強誘電性膜は残留分極が10μC/cm2以上である
ことが望ましい。
再生を行う装置に係り、特に半導体を含む記録媒体と半
導体探針とを利用してp−n接合構造を形成して情報を
高速で記録及び再生でき、接触式再生方式を選んでフィ
ードバック回路を必要とせずに小型化が可能である。ま
た、p−n接合構造の抵抗を簡単に測定して誘電分極を
判断するので、ロックイン増幅器を別途に必要とせずに
制御部を簡単に構成でき、誘電分極を利用して高集積度
の非揮発性情報貯蔵を可能にする。
用いた情報貯蔵装置の一実施形態を添付図面を参照しな
がら詳細に説明する。尚、以下の説明では、同一の構成
要素に対しては同一の符号を付して説明する。
蔵装置の記録媒体10の概略断面図である。図2に示す
ように、本発明の実施形態に係る記録媒体10は、電極
層15と、電極層15の上に設けられた強誘電性膜13
と、強誘電性膜13の上に設けられた半導体層11とを
備えて構成される。
は、強誘電性薄膜、強誘電性厚膜、または強誘電性バル
クといった強誘電性を備えた媒体である。ここで、強誘
電性物質としては、例えばPb(Zr,Ti)O3、ロ
ッシェル塩、チタン酸バリウムなどの物質が挙げられ
る。これらの強誘電性物質は、それぞれ自発分極を有し
ている物質である。
報の記録/再生が容易に行えるように、強誘電性膜13
に残留する誘電分極の大きさは10μC/cm2以上で
あることが望ましい。
を示す概略図である。この図には、記録媒体10に情報
を記録する際の電源23と情報貯蔵装置の配置が示して
ある。
おける情報貯蔵装置は、記録媒体10と、半導体探針2
1と、電源23とを備えて構成される。半導体深針21
は、情報を記録媒体10に記録する。電源23は、探針
21と電極層15に電圧(ゲート電圧)を印加する。な
お、本実施の形態では、情報記録媒体10への情報の記
録は、半導体探針21と記録媒体10とが、接触した状
態で行われてもよいし、非接触の状態で行われてもよ
い。すなわち、半導体探針21と記録媒体10とが接触
または非接触のいずれかの状態で、情報の記録媒体10
への記録が行われる。接触と非接触のどちらの方式で情
報を記録するかは適宜選択可能である。
層11がp型半導体である場合には、n型半導体より構
成される。一方、記録媒体10の半導体層11がn型半
導体である場合には、p型半導体より構成される。そし
て、半導体探針21の形状は、半径50nm以下の円錐
形、ピラミッド形、または円筒形のうちのいずれかから
適宜選択可能である。
実施の形態における情報貯蔵装置にはカンチレバー(図
示せず)がさらに設けられていることが好ましい。な
お、半導体探針21とカンチレバーには、伝導性向上と
酸化防止のために、厚さ10nm以下の金属伝導膜を塗
布してあることがより好ましい。
記録媒体に情報を記録するために半導体探針21に電圧
を加えて、半導体探針21の下に位置する強誘電性膜1
3に所定の大きさの誘電分極を形成させる。この場合、
誘電分極を形成することができるのであれば、半導体探
針21に電圧を印加する際に半導体探針21と半導体層
11とは接触状態であっても良いし、非接触状態であっ
ても良い。誘電分極は、半導体探針21と電極層15間
の電場により、強誘電性膜13の表面に対して直交する
方向に形成される。すなわち、電圧の極性に基づいて、
上向き(↑)と下向き(↓)のうちのいずれか一方向の
分極が形成される。この分極の方向に応じて情報「0」
と「1」とが記録されることになる。尚、図3には、共
誘電性膜13に上向きの分極が形成されていることが示
してある。
を示す概略図である。この図には、記録媒体に記録され
た情報を再生する際の、電源23と情報貯蔵装置との配
置が示されている。
して記録媒体10から情報を再生する場合、図4に示す
ように、半導体探針21と半導体層11とを接触させ
る。この際、前述したように、記録媒体10の半導体層
11がp型半導体である場合には、半導体探針21は、
n型半導体より構成され、記録媒体10の半導体層11
がn型半導体である場合には、半導体探針21はp型半
導体より構成されるので、p−n接合が、半導体深針2
1と半導体層11との間に形成されることになる。そし
て、半導体探針21と半導体層11とに電圧を印加し
て、半導体探針21と半導体層11との間の抵抗値を測
定する。その結果、強誘電性膜13の半導体探針21と
接触する位置(領域)の誘電分極の方向を知ることがで
きる。
り半導体層がn型半導体である場合に、半導体探針21
に正電圧が、半導体層に負電圧がそれぞれ印加される
と、順方向バイアスが形成される。この時、図4に示す
ような上向きの誘電分極が形成されている場合には、電
流がよく流れない。一方、下向きの誘電分極が形成され
ている場合は、電流がよく流れる。この際、電流がよく
流れない場合の情報を「0」と、電流がよく流れる場合
の情報を「1」とすることにより、「0」「1」情報の
読み出しが行われる。
半導体層がp型半導体である場合に、半導体探針21に
負電圧が、半導体層に正電圧が印加されると、逆方向バ
イアスが形成される。この場合に、上向きの誘電分極が
形成されていると、上記の構造の場合とは逆に電流がよ
く流れる。この場合、情報は「1」を示す。また、下向
きの誘電分極が形成さえている場合は、電流がよく流れ
ない。この場合、情報は「0」となる。
おけるI−V特性を示したグラフである。図5におい
て、g1は分極方向が下向きの場合のI−V特性、g2
は参照曲線を、g3は分極方向が上向きである場合のI
−V特性を示す。p−n接合部分の電圧がV0である時
に分極方向が下向きである場合の電流はI1、参照曲線
での電流はI2、分極方向が上向きである場合の電流は
I3である。
分極方向が上向きである場合の抵抗値と、分極方向が下
向きである場合の抵抗値は、オームの法則(V=I×
R)により求められる。なお、ここで参照曲線により算
出される抵抗値(R2=V/I2)を基準値とする。p−
n接合の所定の電圧を用いた半導体探針21による記録
媒体10のスキャニングにより検出された電流値や、各
ドメインの分極方向を判別する前記関係式から抵抗値を
求めることができる。
1の場合、抵抗R1はV0/I1となり、g3において電流
がI3の場合、抵抗R3はV0/I3となる。抵抗R1は抵
抗R2より小さくなり、抵抗R3は抵抗R2より大きくな
る(R3<R1<R2)ので、各抵抗値に「0」と「1」
との情報を与えることで情報を検出できる。
れた場合、分極方向の違いによる電流値の差がほとんど
ないので、分極方向の判別が困難である。一方、V0よ
り大きい電圧であるV2をp−n接合に与えた場合は、
分極方向の違いによる電流値の差が大きくなるが、熱に
起因する大量のエネルギ損失が生じてしまう。よって、
p−n接合に加える電圧として適切な値を求めることが
重要になる。
らなる積層構造のp−n接合部に加えられる電圧値の変
化に対するp−n接合の電流値の変化を表す図である。
この積層構造は、本実施の形態に係る情報記憶装置の半
導体探針21と半導体層11との間に形成されるp−n
接合とほぼ同様の構成となっている。
合に特徴的な性質を有しており、p型とn型双方の結晶
領域を有する半導体を製造するために、半導体における
不純物の比率が調節される。
る情報貯蔵装置の探針21と半導体層11とが接触して
形成されるp−n接合は、物理的な接触により形成され
たp−n接合であるので、この物理的な接触により形成
されたp−n接合における特性が、従来の半導体のp−
n接合における特性と同じであるか否かを検証すること
が必要である。
らなる積層構造において、p−n接合部に印加する電圧
値の変化に対するp−n接合の電流値の変化を示すグラ
フであり、それぞれ電圧が−5.48V、0V、5.4
8Vの条件にて測定して結果を示すグラフである。
5.48Vである場合、h2は電源の電圧が0Vである
場合、h3は電源の電圧が5.48Vである場合のp−
n接合の電圧値の変化に対するp−n接合の電流値の変
化が示してある。このI−V特性から、電圧Vgが−
5.48Vである場合には、p−n接合の電流値は大き
く変化するので、抵抗値を容易に調整できることが判
る。
た半導体探針と半導体層との接合により形成されるp−
n接合の特性が、従来の積層構造におけるp−n接合の
特性と同様にして測定されることが判る。
体探針のコーン角と探針半径との関係により変化する探
針の抵抗を示したグラフである。この図において、探針
半径が20nmであり、コーン角が20−25°である
場合、抵抗は10kΩほどであることが判る。従来公知
の制御回路にて感知することができる抵抗は、一般的に
100MΩ以下であるが、p−n接合での抵抗変化を感
知するために接触部分以外の探針部分の抵抗は、1k以
下であることが理想的である。従って、この抵抗値を有
する探針を製造するためには図7に示されたグラフに図
示されたように、チップの半径が35nmである場合の
コーン角が35°以上になるように製造することが良
い。
体探針の抵抗を求めるためのI−V特性を示したグラフ
である。図示されたように、I−V特性から抵抗Rが8
66Ωになることが判る。一般的に、抵抗が1kΩ程度
の探針を用いる。
る情報貯蔵装置の記録媒体において、電場の変化に応じ
た分極の変化を示すP−Eヒステリシス曲線を示してい
る。図9において、Pt/PZT/PtのPE特性グラ
フf1と、Pt/n−Si/PZT/PtのPE特性グ
ラフl1とを比較している。図10において、Pt/P
ZT/PtのPE特性グラフf1と、Pt/p−Si/
PZT/PtのPE特性グラフl2とを比較している。
ここで、PZTはPbZrxTi1-xO3の化学式を有す
る強誘電性物質である。
分極が明確に現れる場合のみ、本発明の実施形態による
情報貯蔵装置は使用可能である。図9及び図10に図示
されたように、半導体層を強誘電性膜の表面上に積層し
た構造の電場変化による分極曲線は、ヒステリシス曲線
と似た形を示し、特定電場において2方向の分極が明確
に現れることが判る。すなわち、誘電分極の変化を利用
して情報の記録/再生を行うことが可能であることが判
る。
を用いて強誘電体を局部的に分極反転させた場合の下部
伝導層の抵抗値の変化を示す図である。A、B、C領域
の各分極方向の組み合わせの違いにより、強誘電性膜の
下部伝導層の抵抗値が、25.7kΩ〜26.3kΩの
範囲で変化することが確認される。このような抵抗値の
変化を利用して、記録媒体のアドレス情報を記入するこ
とや、固有情報を記録することが可能となる。
半導体層を含む記録媒体と半導体物質より形成された探
針と備えている。この構成の情報貯蔵装置では、強誘電
性膜に誘電分極を形成させて、情報を高度に集積して記
録することができる。また、p−n接合における抵抗値
を測定することで、記録された情報を高速で再生するこ
とができる。また、記録媒体の表面層と探針とが同じ物
質から構成されるので、両者の接触に起因する摩耗を最
小限に抑えることが可能となる。また、本実施の形態で
は、適切な角度と半径とを有した探針を使用するので、
既存の制御回路のようにロックイン増幅器を設ける必要
がない。また、非接触で情報を再生する方式の場合に必
要となるフィードバック回路も設ける必要がない。よっ
て、情報貯蔵装置の小型化が可能となる。
記載されているが、それらは発明の範囲を限定するもの
とするより、望ましい実施形態の例示と解釈さるべきで
ある。
当業者ならば、本発明の技術的思想により多様な形の探
針と多様な構造を有した記録媒体とを利用して情報を記
録及び再生できる装置を製造できるであろう。ゆえに、
本発明の範囲は説明された実施形態により定められるの
ではなく、特許請求範囲に記載された技術的思想により
定めらるべきである。
の長所は、誘電分極を利用して情報を記録するので情報
の高集積化及び再起録が可能であり、p−n接合構造を
利用して情報を再生するので高速で情報を再生でき、全
体的な構造を単純化して小型に製作できるということで
ある。
略図であり、(b)は従来の情報貯蔵装置の記録媒体を
示した断面図であり、(c)は従来の情報貯蔵装置のヘ
ッド部を示した図面である。
図である。
情報記録方法を示した図面である。
情報再生方法を示した図面である。
ある。
p−n接合の電圧変化に対するp−n接合の電流変化を
示すグラフである。
角と探針半径とによる抵抗値を示したグラフである。
求めるためのI−V特性を示したグラフである。
曲線を示したグラフである。
シス曲線を示したグラフである。
することによる下部伝導層の抵抗値の変化を示したグラ
フである。
Claims (11)
- 【請求項1】 電極層、前記電極層上に積層された強誘
電性膜及び前記強誘電性膜の表面に積層された半導体層
を備えた記録媒体と、 前記強誘電性膜に誘電分極を形成して情報を記録し、前
記記録媒体とのp−n接合を利用して前記強誘電性膜に
形成された誘電分極から情報を再生する半導体探針を備
えたヘッドとを含むことを特徴とする半導体探針を用い
た情報貯蔵装置。 - 【請求項2】 前記記録媒体の半導体層がp型半導体で
ある場合、前記半導体探針はn型半導体よりなることを
特徴とする請求項1に記載の半導体探針を用いた情報貯
蔵装置。 - 【請求項3】 前記記録媒体の半導体層がn型半導体で
ある場合、前記半導体探針はp型半導体よりなることを
特徴とする請求項1に記載の半導体探針を用いた情報貯
蔵装置。 - 【請求項4】 前記探針は前記記録媒体と非接触状態で
情報を記録することを特徴とする請求項1乃至請求項3
のいずれか一項に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装
置。 - 【請求項5】 前記探針は前記記録媒体と接触状態で情
報を記録することを特徴とする請求項1乃至請求項3の
いずれか一項に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装
置。 - 【請求項6】 前記探針は前記記録媒体と接触して情報
を再生することを特徴とする請求項1乃至請求項3のい
ずれか一項に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。 - 【請求項7】 前記探針は半径50nm以下であること
を特徴とする請求項1に記載の半導体探針を用いた情報
貯蔵装置。 - 【請求項8】 前記探針の形状は、円錐形、ピラミッド
形、円筒形のうちのいずれか一つであることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。 - 【請求項9】 前記半導体層と探針との間の接触抵抗
は、前記強誘電性膜の極性により変わることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。 - 【請求項10】 前記ヘッドは、前記探針を支持するカ
ンチレバーをさらに備えることを特徴とする請求項1に
記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。 - 【請求項11】 前記強誘電性膜は誘電分極が10μC
/cm2以上であることを特徴とする請求項1に記載の
半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
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