JP2005175202A

JP2005175202A - 記録素子

Info

Publication number: JP2005175202A
Application number: JP2003413153A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Murashita; 達村下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】光信号による直接的な記録再生が可能で、高信頼性、小型軽量、高記録密度、繰り返し記録・消去可能な固体型記録素子を提供すること。
【解決手段】基板５の上に、第二の電極層４、高電気抵抗状態と低電気抵抗状態との間を可逆的に遷移できる相変化材料層２、光導電材料層３、導電性と光透過性とを有する第一の電極層１をこの順で積層して記録素子を構成する。第一の電極層１と第二の電極層４との間に電圧を印加し、照射光７を素子に照射すると、第一の電極層１と第二の電極層４との間に位置する光導電材料層３が導電性となり、その位置の相変化材料層２に電流８が流れ、アモルファス状態にあった相変化材料層２がその電流によって加熱され、相変化を起こして結晶領域２ｂ（マーク）を形成し、そのマークは相変化材料層２の抵抗の変化（この場合は抵抗低下）として読み出される。
【選択図】図１

Description

本発明は記録素子に関し、特に、リライタブル・メモリ、すなわち、繰り返し記録・消去可能な記録素子に関する。

近年の情報通信データ量の著しい増大や、コンピュータソフトの規模や処理データ量の飛躍的増大などにより、これらの情報を記録再生する記録素子（メモリ）の大容量化・高速化が強く求められている。今後、長時間の動画情報などの記録へ適用するには、テラ（１０^１２）ビット／インチ級の超高記録密度が求められる。メモリには記録が１度しかできないライトワンス・メモリと、繰り返し記録・消去ができるリライタブル・メモリがあるが、機器搭載用にはリライタブル・メモリの方が汎用性があり、市場規模が大きい。また、種々の電子機器の小型化・高機能化が進み、移動体（モバイル、ウェアラブル）通信機器等への搭載に適したメモリの小型・軽量化のニーズが高まっている。

これらの機器搭載用のメモリでは、データの消失や誤記録が生じないように高い信頼性が要求される。さらに、光を使った高速データ通信の普及に伴って光信号で直接入出力できる光メモリが求められている。

従来の光メモリには、機械的駆動機構を有し媒体上を走行するヘッドで記録再生する構造のディスクと、機械的駆動機構を有しない構造の固体型メモリとがある。機械的駆動機構を有するデイスクには、ハードディスクに代表される媒体とヘッドが一体構造となった非可換型ディスクと、光磁気（ＭＯ）ディスクのように媒体をヘッドからはずして持ち運びできる可換型ディスクがある。

面記録密度がテラビット／平方インチ程度のメモリ（テラビットメモリ）では、媒体上の記録単位（マーク）のサイズを約２０ナノメートル（１ナノメートル＝１０^−９ｍ）以下程度と極めて小さくしなければならない。このサイズでは媒体とヘッド間のギャップを数ナノメートル程度以下に狭くする必要があり、ギャップ制御が非常に難しくなる。ギャップ制御をなくすために、媒体とヘッドを接触させる方法もあるが、この方法ではギャップ制御の必要性は無いが、接触による磨耗でヘッドや媒体が劣化する問題がある。また、面内方向でもマークサイズよりも一桁以上小さな誤差でマーク位置を制御しなくてはならないため、ヘッドの位置決め（これをトラッキングと呼ぶ）が非常に難しくなる。

可換型ディスクでは、媒体表面に汚染物質が付着したり、媒体交換ごとに媒体の位置が大きくずれたりするので、ヘッドの制御はさらに難しくなる。また、機械的駆動構造は衝撃等に対して脆弱であり、構造全体のサイズを小さくすることも困難なため小型軽量で振動も多いモバイル機器等に装着することに適さない。そこで小型軽量で高記録密度のメモリを実現するには媒体とピックアップ機構が一体化した機械的駆動機構のない固体型メモリが適する。

しかし、固体型メモリの代表である半導体メモリはひとつの記録単位を形成するのに多数の素子を組み合わせる必要があるため高密度化が難しい。特にテラビット級の記録密度を実現するのは困難である。記録単位の占有面積を小さくするには、記録単位の構造を小さくする必要がある。

半導体メモリよりも記録単位の構成が簡素で小型化が容易なメモリとして、たとえば下記特許文献１に記載されているように、加熱によって光学および電気特性が異なる２種類の安定状態間を可逆的に変化する相変化材料を用いた相変化メモリがある。相変化記録は、相変化材料の微小部分を単純に加熱冷却するだけで動作するため、構造を単純にでき、また加熱による相変化を利用するためマークサイズが小さくなるほど投入エネルギーが小さく高速にできるという利点もある。相変化材料を用いて電流による加熱で相変化記録を行う固体型メモリとしてオボニック・ユニファイド・メモリ（ＯＵＭ）が知られている。しかし、従来のＯＵＭでは光信号を直接入出力することはできない。

このように、光信号で直接記録する固体型光リライタブルメモリはまだなく、その実現が切望されていた。

特開２００３−２５７０９７号公報

光信号を直接入出力できる固体型光リライタブル・メモリを実現するには、相変化に十分な強いパワーの光を直接相変化材料に照射すればよい。しかし、単純に光をレンズや凹面鏡で集光して照射しても、収束光のビームサイズは波長の半分程度（可視光ではサブミクロン程度）より小さくすることはできない。したがって、テラビット級の記録密度を実現することは不可能である。波長サイズ以下の微小サイズの開口からにじみ出る近接場光を用いる方法もあるが近接場光では光の伝送損失が大きく強いパワーを照射することが困難であることと、記録のために光をメモリ上で走査することが困難であり実用化された例はない。

そこで、光信号を高効率で記録再生に使用できる固体型光リライタブル・メモリを実現するメモリ構造の実現が課題となっていた。

本発明の目的は、上記課題を解決し、光信号による直接的な記録再生が可能で、高信頼性、小型軽量、高記録密度、繰り返し記録・消去可能な固体型記録素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
基板上に形成された記録素子であって、導電性と光透過性とを有する第一の電極層と、第二の電極層と、前記第一の電極層と前記第二の電極層との間に介在する光導電材料層および高電気抵抗状態と低電気抵抗状態との間を可逆的に遷移できる相変化材料層とを有することを特徴とする記録素子を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
基板上に形成された記録素子であって、導電性と光透過性とを有する第一の電極層と、第二の電極層と、前記第一の電極層と前記第二の電極層との間に介在する光導電材料層、高電気抵抗状態と低電気抵抗状態との間を可逆的に遷移できる相変化材料層および通電によって発光する発光材料層とを有することを特徴とする記録素子を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
前記第一の電極層は複数の第一の線状導電層からなり、前記第二の電極層は複数の第二の線状導電層からなり、前記第一の線状導電層の長さ方向と前記第二の線状導電層の長さ方向とは交差していることを特徴とする請求項１または２に記載の記録素子を構成する。

本発明の実施によって、光信号による直接的な記録再生が可能で、高信頼性、小型軽量、高記録密度、繰り返し記録・消去可能な固体型記録素子を提供することが可能となる。

本発明は、光信号による直接的な記録再生が可能で信頼性の高い小型軽量の高記録密度リライタブル・メモリに関する。

本発明は、上記の課題を解決するために、バイアスを印加した一対の電極で相変化材料を挟み、電極と相変化材料との間に光の有無によって電気抵抗が大きく変化する光導電材料を設ける。ここで、外部から光信号が入射すると、光の有無による光導電材料の抵抗変化が電流スイッチとして働き、相変化材料への電流がオン／オフされる。電流が流れれば、相変化材料が相変化して電気抵抗が変化して光信号の有無に対応してマークが記録されるのである。このとき、記録されるマークのサイズは光ビームのサイズではなく、電流流路のサイズで決まる。そこで、このサイズは光の回折限界と無関係に小さくできる。マークが記録されていない領域をランド領域と呼ぶ。

一方、光導電材料に定常的な光を照射した状態で電極間にバイアス電圧を印加し、電流の大小を検出すれば、マークの有無に対応するデータを読み出せる。

この方法を用いて、機械的駆動部がない小型軽量の高密度光メモリを実現させる。具体的には、次に列挙する特徴的手段および手法を採用することにより、このような高密度光メモリを実現させる。

このように、本発明は、前記の材料および構成を採用したことにより、伝播光を用いても光の回折限界より小さなサイズのマークを容易に記録再生できる。また、機械的駆動部がなく、記録・再生・消去の一連の動作が高速であり、衝撃に強く、長期間使用しても性能劣化しない高い信頼性を持ち、さらに小型・軽量な高密度光記録素子が実現できる。

本発明と上記特許文献１に記載の発明との大きな相違点は、上記特許文献１に記載の発明においては光記録媒体に可動式のプローブから電流を注入することによって光記録媒体の相変化を誘起しているのに対して、本発明においては相変化材料に固定電極から電流を流すことによって相変化材料の相変化を誘起している点にある。すなわち、上記特許文献１に記載の発明に係る光記録媒体の処理装置には可動部分が必要であるのに対して、本発明に係る記録素子の動作には可動部分が不要である点において、本発明と上記特許文献１に記載の発明とは大きく異なっている。

以下に、本発明の実施例を、図を用いて詳説する。

実施例１
図１は、本発明の一実施例である記録素子を断面図によって示したものである。図において、１は導電性と光透過性とを有する第一の電極層、２は高電気抵抗状態と低電気抵抗状態との間を可逆的に遷移できる相変化材料層、２ａは相変化材料層２のアモルファス領域（ランド）、２ｂは相変化材料層２の結晶領域（マーク）、３は光導電材料層、４は第二の電極層、５は基板、６はバイアス電源、７は照射光、８は電流を示す。第一の電極層１、相変化材料層２、光導電材料層３、第二の電極層４は、それぞれ、隣合う層と電気的に接続している。以下のすべての場合において、隣合う層は、上記の場合と同様に、電気的に接続しているものとする。

図１において、この光記録素子の素子構造は、基板５の上に第二の電極層４である電極層（これを下部電極層と呼ぶ）と光導電材料層３、相変化材料層２、第一の電極層１である電極層（これを上部電極層と呼ぶ）をこの順で積層した構造になっている。そして、上部電極層は光透過性を有する透明電極材料でつくられる。透明電極材料は空気に触れると特性が劣化する場合があるので、必要に応じて、透明電極層（第一の電極層１）の表面に、さらに光透過性で絶縁性のある保護膜を形成する。

また、素子の構造は、図１に示した素子の構造（これを第１の素子構造とする）とは逆の積層順序をもつ素子の構造、すなわち、基板５の上に第一の電極層１、光導電材料層３、相変化材料層２、第二の電極層４をこの順で積層した構造（これを第２の素子構造とする）であってもよい。この第２の素子構造では、透明電極材料からなる第一の電極層１が空気に触れないので、劣化の心配が無く、上記の保護膜は不要となる。なお、この第２の素子構造の場合には、基板５は照射光７を通す材料で構成され、照射光７は基板５を通して第一の電極層１に入射するものとする。

図２は、図１に断面図で示した光記録素子の平面図である。図２に示したように、第一の電極層１と第二の電極層４は、それぞれ、複数の第一の線状導電層と複数の第二の線状導電層からなり、かつ、第一の線状導電層の長さ方向と第二の線状導電層の長さ方向とは交差（この場合は直交）するように配置されている。ここでは、図２に示したように、第一の線状導電層の線を順にＡ線、Ｂ線、Ｃ線、・・・、第二の線状導電層の線を順にａ線、ｂ線、ｃ線、・・・と呼ぶことにする。

一般に、光導電材料は、光照射が無い状態では絶縁性あるいは著しく高抵抗であるが光の照射により電気的に良導体となる材料である。光導電材料としては、例えば低ドープの半導体など多くの材料が知られている。

また、一般に、相変化材料は、温度履歴により低抵抗の結晶相と高抵抗のアモルファス相の間を可逆的に変化し、かつ双方の状態が室温で安定的に存在する材料である。ここでは、相変化材料としてゲルマニウム・アンチモン・テルル（ＧｅＳｂＴｅ）系化合物（以下ではＧＳＴと略記する）を用いた場合について述べるが、本発明は他の相変化材料を用いた場合にも同様な効果を奏する。

第一の電極層１として用いられる導電透明電極は、電気に対する導電性と光に対する透過性の双方を有する材料であり、そのような材料としては、例えば酸化インジウムやドーピングした酸化亜鉛などがある。

次に、本実施例における素子の動作について述べる。
（０）記録媒体の初期化
スパッタされたＧＳＴ膜あるいは一旦結晶を溶融温度まで再加熱し急冷したＧＳＴ膜はアモルファス（非結晶）状態になっている。また、アモルファスのＧＳＴを溶解温度以下で結晶粒が成長しやすい温度（結晶化温度）まで加熱するとＧＳＴが再結晶する。これらのアモルファスあるいは結晶のいずれかを初期状態（未記録状態）とする。初期状態をアモルファスとするか結晶とするかは原理的には同じであり、装置構成上はどちらを初期状態としても良い。ここでは、初期状態をアモルファスとして説明する。すなわち、相変化材料層２は初期状態としてアモルファス状態にあるとする。
（１）記録
この初期状態で、第一の電極層１と第二の電極層４との間に電流を流すと、２電極間に挟まれた部分の相変化材料層２（ＧＳＴ）を通過する電流により、その部分のＧＳＴ膜は加熱され、相変化して電気抵抗が低い微小の再結晶領域（マーク）が形成される。

具体的には、まず下部電極線（第二の線状導電層）のうちのａ線と上部電極線（第一の線状導電層）のうちのＡ線との間にバイアス電源６からのバイアス電圧を、スイッチＳａとＳＡとを閉じることによって、印加する。この状態で、透明電極層（第一の電極層１）を通して信号光をパルス状の照射光７として照射する。この信号光は相変化材料層２を熱的に相変化させない程度の弱い光とする。信号光が照射されていないときには、光導電材料層３は絶縁性なのでａ線とＡ線との間には電流は流れない。信号光（図１の照射光７）が照射されると光導電性材料層３は導電性となりａ線とＡ線との交差部分（図２中、Ａａにて示す）において、図１に示すように、光導電材料層３と相変化材料層２を横切って電流８が流れる。この電流８による発熱で、電極交差部分の相変化材料層２が相変化し、この場合には電気抵抗が低い結晶状態となる。これにより信号光のオン／オフに対応する情報がａ線とＡ線との交差部分に相変化材料のマークの有無として記録される。図１に、マークを結晶領域２ｂで示す。

つぎに、スイッチＳｂとＳＡとを閉じることによって、ｂ線とＡ線との間にバイアス電圧を印加する。このとき、照射光７が照射されなければ光導電材料層３は高抵抗のままで電流が流れず、マークは記録されず、照射光７が照射されればｂ線とＡ線との交差部分Ａｂに電流が流れマークが記録される。以下同様に、バイアスを印加する線を、スイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、・・・とスイッチＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、・・・との開閉により、ａ線、ｂ線、ｃ線、・・・、さらにＡ線、Ｂ線、Ｃ線、・・・と順次切り替えてゆく。そのつど各交差点で光照射の有無に対応してマークの記録、不記録が対応してゆく。すなわち照射光７の有無がこの素子に記録される。

このように、照射光７（アシスト光と呼ぶ）が照射された場合のみに電極電流が流れ、ＧＳＴ（相変化材料層２）にマークが記録されていく。マークサイズは電極間電流で加熱された領域のサイズで決まり、電極線の幅を狭くすることにより、照射光７の波長に関係なく、記録密度を高めることができる。

バイアスを電気的にオン／オフする方式では途中の電流供給線の浮遊容量により応答速度を高くすることが難しいが、本発明では、光でオン／オフするので、電気容量は電極と媒体間の電気容量のみなので小さく、記録速度を高速化できる利点がある。

記録終了後は光の照射を停止する。すると光照射停止中は光導電材料層３が絶縁性となるので電極電流が止まり、待機時の消費電力を低滅できる。
（２）再生
再生時には、素子に連続的にアシスト光（照射光７）を照射したうえで、第一の電極層１と第二の電極層４との間に、順にバイアスを印加してゆく。電極交差領域にマークがあれば電流が流れ、なければ電流が流れないので、電流の多少がマークの有無に対応し、読み出し信号となる。このときＧＳＴ（相変化材料層２）を流れる読み出し電流によりＧＳＴが相変化しないように、バイアスは記録時よりも低く設定されている。

再生動作終了後はアシスト光照射を停止する。光照射停止中は光導電材料層３が絶縁性となって電極電流が止まり消費電力を低滅できる。
（３）消去
消去時には、消去したいマーク上を交差する一対の電極間に消去用のバイアスを印加し、アシスト光を照射する。消去用のバイアス電圧とアシスト光の照射時間は、電極電流による加熱でＧＳＴが逆相に変化する条件に設定する。すなわち、アモルファス状態を結晶化状態にしてマークを記録した場合には結晶を再アモルファス化する条件で、結晶状態をアモルファス状態にしてマークを記録した場合には再結晶化する条件で、それぞれのバイアス電圧と光の照射時間を設定する。この動作でマークは消去される。

上記手順により、光リライタブル・メモリに必要な記録、再生、消去の一連の動作が行える。

なお、素子の構造としては、図１に示した素子の構造（第１の素子構造）およびその積層順序を逆にした構造（第２の素子構造）における相変化材料層２と光導電材料層３との積層順序を反対にした構造であってもよい。すなわち、たとえば第１の素子構造と同じ電極層配置で、基板５の上に第二の電極層４、光導電材料層３、相変化材料層２、第一の電極層１をこの順で積層した構造の記録素子を用いて、上記と同じ記録、再生、消去の一連の動作が行える。

実施例２
図３は、本発明に係る記録素子が発光材料層を備えている場合の実施例を示す断面図である。本実施例における記録、再生、消去の一連の動作は実施例１におけるものと同じであるが、本実施例においては、記録の読み出しを光の検出によって行える点が実施例１とは異なる。

図３に示したように、第二の電極層４と光導電材料層３との間に、電流通電によって発光する発光材料層９が設けられている。発光材料層９に流れる電流（これは電極間に流れる電流である）により発光材料層９中の発光媒体が励起されて、発光材料層９からの光１０が放出される。発光媒体としては有機あるいは無機のエレクトロルミネセンス材料を用いることができる。この発光材料層９からの光１０の波長を照射光７の波長と違えておけば、発光材料層９からの光１０を照射光７と分離して容易に検出することができる。これにより記録と読み出しを両方とも光で行うことができる。すなわち、記録は照射光７の有無によって行い、読み出しは発光材料層９からの光１０の検出によって行う。

また、素子の構造は、図３に示した素子の構造（これを第３の素子構造とする）とは逆の積層順序をもつ素子の構造、すなわち、基板５の上に第一の電極層１、相変化材料層２、光導電材料層３、発光材料層９、第二の電極層４をこの順で積層した構造（これを第４の素子構造とする）であってもよい。この第４の素子構造では、透明電極材料からなる第一の電極層１が空気に触れないので、劣化の心配が無く、上記の保護膜は不要となる。なお、この第４の素子構造の場合には、基板５は照射光７および発光材料層９からの光１０を通す材料で構成され、照射光７は基板５を通して第一の電極層１に入射し、発光材料層９からの光１０は基板５を通して出射するものとする。

なお、素子の構造としては、図３に示した素子の構造（第３の素子構造）およびその積層順序を逆にした構造（第４の素子構造）における相変化材料層２と光導電材料層３と発光材料層９との積層順序を任意に変更した構造であってもよい。すなわち、たとえば、第３の素子構造と同じ電極層配置で、基板５の上に第二の電極層４、発光材料層９、相変化材料層２、光導電材料層３、第一の電極層１をこの順で積層した構造の記録素子を用いて、上記と同じ記録、再生、消去の一連の動作が行える。

以上述べたように、本発明によれば、基板の上に、電極層、相変化材料層、光導電材料層、透明電極層を積層し、電極間に順次バイアスを印加する手段を用いることにより、機械的駆動機構がなく、高信頼性であり、小型軽量である固体型光リライタブル・メモリ、すなわち、高記録密度で繰り返し記録・消去可能な固体型記録素子が実現できる。この記録素子は、機構部が不要であり、プロセス技術だけで作製できるので大量生産が可能であり、安価で提供可能である。

本発明の構成の一例を説明する断面図である。本発明の構成の一例を説明する平面図である。本発明の構成の他の例を説明する断面図である。

符号の説明

１…第一の電極層、２…相変化材料層、２ａ…アモルファス領域（ランド）、２ｂ…結晶領域（マーク）、３…光導電材料層、４…第二の電極層、５…基板、６…バイアス電源、７…照射光、８…電流、９…発光材料層、１０…発光材料層からの光。

Claims

基板上に形成された記録素子であって、導電性と光透過性とを有する第一の電極層と、第二の電極層と、前記第一の電極層と前記第二の電極層との間に介在する光導電材料層および高電気抵抗状態と低電気抵抗状態との間を可逆的に遷移できる相変化材料層とを有することを特徴とする記録素子。
基板上に形成された記録素子であって、導電性と光透過性とを有する第一の電極層と、第二の電極層と、前記第一の電極層と前記第二の電極層との間に介在する光導電材料層、高電気抵抗状態と低電気抵抗状態との間を可逆的に遷移できる相変化材料層および通電によって発光する発光材料層とを有することを特徴とする記録素子。
前記第一の電極層は複数の第一の線状導電層からなり、前記第二の電極層は複数の第二の線状導電層からなり、前記第一の線状導電層の長さ方向と前記第二の線状導電層の長さ方向とは交差していることを特徴とする請求項１または２に記載の記録素子。