JP2007226949A - 情報メディア及びそれを利用する情報の記録及び再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体探針を利用した情報再生方法及びそれを適用する装置を提供する。
【解決手段】情報記録媒体から発生する電場によりチャンネルが変わる半導体チップを有する半導体探針と、電場により発生した情報信号を変調するように、半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成させる変調部と、半導体探針から発生する信号を検出する信号検出部と、信号検出部で検出された信号から、変調電界により変調された情報信号を抽出する復調部と、を備える装置である。これにより、変調により電界変化による信号と熱的変化による信号とを分離して有効な情報信号を検出することによって、ＳＮＲが向上し、これによって熱的ノイズにかかわらず、情報信号を安定的に再生できる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、電界効果半導体探針を利用した情報再生方法及びそれを適用した装置に係り、メディアの表面構造による熱的信号と、メディアの電場の変化に起因する情報信号とを分離する情報再生方法及び装置に関する。

今日、携帯用通信端末機、電子手帳などの小型製品に対する需要が増加するにつれて超小型高集積不揮発性記録媒体の必要性が増加している。既存のハードディスクは、小型化し難く、フラッシュメモリは、安価及び高集積度を同時に達成し難いので、これに対する代案として走査探針を利用した情報記録装置及びその方法が研究されている。

探針は、多様なＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）技術に利用される。例えば、探針と試料との間隔によって流れる電流を検出して情報を再生するＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、探針と試料との間の原子的力を利用するＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、試料の磁場と磁化された探針間の力を利用するＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、可視光線の波長による解像度の限界を改善した近接場走査光学顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＮＯＭ）、試料と探針との間の静電力を利用した静電気力顕微鏡（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＥＦＭ）などに探針が利用される。

林・クンベら（Ｌｉｍ，Ｇｅｕｎｂａｅ ｅｔ ａｌ）は、メディアの表面電荷を電界効果により検出する電界効果探針を提案した（特許文献１及び特許文献２を参考）。林・クンベらが提案した探針は、電界によりキャリアチャンネルが形成される電界効果トランジスタ形態の半導体チップを有する。半導体チップに印加される電界は、メディアの表面にトラップされた電荷あるいはダイポールモーメントにより形成される。記録された情報に対応して、ディスクにトラップされた電荷が閾電界強度以上の強度を有する電界を形成すれば、チャンネルが形成されて電界効果探針の抵抗が小さくなる。したがって、記録された情報に対応した抵抗変化によって記録された情報を再生できる。

また、本出願の共同発明者である朴・ホンシク（Ｐａｒｋ，Ｈｏｎｇ−ｓｉｋ ｅｔ ａｌ）らは、半導体チップのチャンネル領域が弱くドーピングされている抵抗性半導体探針を提案した（特許文献３を参照）。抵抗性半導体探針の半導体チップは、無電界時にも弱い電流が流れうるほどに不純物が弱くドーピングされているため、弱い電界も検出できる。すなわち、朴・ホンシクらが提示した方法は、チャンネルに無電界時にもキャリアが移動できる低い電子移動度を半導体チップに与えることによって、弱い電界の電荷に対しても高い感度を保証する。

しかし、このような抵抗性半導体チップは、熱に敏感であり、したがって、温度の変化によって抵抗が変わるという特性がある。このような熱的不安定性による抵抗の変化は、抵抗性半導体探針の欠点として表れる。すなわち、不安定な探針の温度の変化は、抵抗性半導体チップでノイズ電流である不安定な電流の変化を引き起こす。このようなノイズ電流は、電界と関係なく温度の変化によって発生する。抵抗性半導体探針の不安定な温度の変化は、メディアと探針との不安定な間隔の変動、あるいは接触面積などにより探針や、これを支持するカンチレバーから発生した熱が一定かつ持続的に排出されないために発生する。

このような抵抗性半導体探針の不安定な温度の変化を抑制するためには、探針とメディアとの間隔を一定に維持させる必要がある。このようにするための一方法としては、探針に対面するメディアの表面を非常に滑らかにすることであるが、いくらメディア表面の平滑度を極大化するとしても、その限界によって十分かつ効果的な熱的安全性を確保できない。これは、メディアと探針との間隔が数ｎｍの範囲内で変化しても、温度の変化によるノイズ電流が発生し、メディアの表面を鏡のように滑らかに加工するとしても、その平滑度を数ｎｍの範囲内で調節できないためである。他の方案としては、探針とメディアとの間隔を十分に大きくことがあるが、この方案は、高い開口率を有する抵抗性半導体探針を製作し難いため、その可能性は低い。このような熱的不安定性によるノイズ電流の発生は、前述の林・クンベらにより提示された半導体探針でも発生する可能性がある。

したがって、電界効果により電流の流れが制御される半導体探針を利用して、電荷により情報が記録されたメディアから効果的に情報を読み取るためには、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ）比などの向上を通じて、半導体探針の熱的不安定性によるノイズ電流にかかわらず効果的に信号を再生できる方法の研究が必要である。

一方、情報の形態がディスクの表面の物理的なモーフォロジーの変化によってなされる改善された情報記録／再生方法が提示された（非特許文献１）。この技術は、情報記録時にディスクの表面を探針による熱的溶融によりメディア上の薄い薄膜にデータビットを形成する。そして、情報再生時、ビットによる基板のモーフォロジーの変化によるカンチレバーとメディアの表面との間の距離の変化による熱放出量の変化によりカンチレバーの抵抗変化または電流変化を検出する。

現在、ストレージ技術の課題の一つは、記録情報の密度を極大化することであり、そのための新たなメディアの開発及びそれを裏付けうる情報記録／再生装置である。
米国特許第６，５２１，９２１号明細書 韓国特許第０３６６７０１号明細書 米国特開第２００５／０２３１２２５Ａ１号公報 Ｗｉｌｌｉａｍ Ｐ．Ｋｉｎｇｅｔａｌ，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．９，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ，２６ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００１

本発明は、情報の記録密度を画期的に高めうる情報記録／再生方法、それに適用される新たなメディア並びにそれを利用する情報の記録及び再生装置を提供する。

本発明に係るメディアは、基板と、基板上に形成される分極により情報を記録する強誘電性記録層と、前記強誘電性記録層上に形成されるものであって、熱機械的に形成されるピットにより情報が記録される物理的記録層と、を備える。

本発明に係る情報記録／再生装置は、分極により情報を記録する強誘電性記録層と、前記強誘電性記録層上に形成されるものであって、ピットにより情報が記録される物理的記録層を備えるメディアと、前記メディアの強誘電性記録層から電場の変化により発生する電場信号、及び前記物理的記録層のモーフォロジーにより発生する温度の変化による熱的信号を備える複合信号を検出する半導体探針と、前記探針から出力された複合信号を復調して、前記電場信号と熱的熱的信号とを分離する復調部と、を備える。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記半導体探針は、ｐ型半導体から形成されたチップと、前記電場によって前記チップの先頭部に前記チャンネルが形成される領域と、前記チャンネルが形成される領域の両側傾斜面にｎ型半導体でドーピングされたソース及びドレイン領域と、前記チップの末端に設けられて、ｐ型半導体から形成されたカンチレバーと、を備え、前記変調部は、高周波変調信号発生器と、前記カンチレバーに設けられて、前記高周波変調信号発生器から前記高周波変調信号が印加される電極とを備え、さらに望ましくは、前記チャンネル領域は、ｎ型半導体で前記ソース及びドレイン領域より低濃度でドーピングされている。

本発明の望ましい他の実施形態によれば、前記高周波変調信号は、正弦波信号であり、さらに望ましくは、前記高周波変調信号は、前記情報記録媒体から発生する電場の周波数より少なくとも５倍以上大きい高周波信号である。

本発明のさらに他の望ましい実施形態によれば、前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算する第１乗算器（乗算演算器）と、前記第１乗算器から出力された１次信号から所定の周波数以下の周波数領域信号を抽出する第１低域通過フィルタと、前記１次信号と前記復調信号とを乗算する第２乗算器と、前記第２乗算器からの２次信号から所定の周波数以下の周波数領域信号を抽出する第２低域通過フィルタと、を備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が概して同じであり、前記信号検出部で検出された信号と位相が概して同じであり、さらに望ましくは、前記低域通過フィルタの遮断周波数は、前記変調信号の周波数より少なくとも１０倍以上小さい。

本発明のさらに他の望ましい実施形態によれば、前記信号検出部は、前記半導体探針に電圧を分配印加して信号を抽出するように、電圧分配器回路から構成され、前記電圧分配器回路は、少なくとも一つ以上の抵抗及び前記半導体探針から構成されたブリッジ回路であるか、または少なくとも一つ以上の抵抗を含み、前記半導体探針で帰還ループを形成した演算増幅器を備えた反転増幅回路でありうる。さらに望ましくは、電圧分配器回路によって発生するオフセット電圧を除去するために、差動増幅器をさらに備えうる。

本発明に係る電界効果半導体探針を利用した情報再生方法は、分極により情報を記録する強誘電性第１記録層、及び前記強誘電性記録層上に形成されるものであって、ピットにより情報が記録される物理的第２記録層を備えるメディアと、前記メディアの第１記録層及び第２記録層から情報を検出する半導体チップとを有する半導体探針を利用して媒体に記録された情報を再生する方法において、前記半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成して、電場の変化により発生する電場信号を変調する変調ステップと、前記半導体探針から前記情報に対応する電気的複合信号を検出する信号検出ステップと、前記複合信号から変調された電場信号と、変調されていない熱的信号とを分離して抽出する復調ステップと、を含む。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記復調ステップは、前記信号検出ステップで複合信号と復調信号とを乗算する第１乗算演算ステップと、前記第１乗算演算ステップから得られた第１次信号から所定の周波数より小さな周波数領域の電場信号を抽出するステップと、前記第１次信号と前記復調信号とを乗算する第２乗算演算ステップと、前記第２乗算演算ステップから得られた第２次信号から所定の周波数より小さな周波数領域の熱的信号を抽出するステップと、を含み、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が概して同じであり、前記信号検出ステップで検出された信号と位相が概して同じである。

本発明の望ましい他の実施形態によれば、前記信号検出ステップは、前記半導体探針に電圧を分配して、前記半導体探針から発生する信号を抽出し、さらに望ましくは、前記分配された電圧のオフセット電圧を除去して増幅するステップをさらに含む。

本発明の大きな特徴は、二重層ビット保存の可能な情報媒体及びそれを利用する装置を提供することである。強誘電性記録層上にポリマーをコーティングすることによって、強誘電性記録層の表面粗度が向上し、したがって、従来の表面粗度による信号ノイズが基本的に除去される。また、このようなポリマーは、それ自体がモーフォロジーにより情報を記録する物理的記録層として使用されて、これは、その下部の強誘電性記録層に対する電荷注入層としての役割も有する。これにより、本発明によれば、二重構造の記録層を有することによって記録密度の極大化が可能になる。

このような本発明は、抵抗性探針記録の技術と熱的探針記録の技術とを同時に具現できるように、強誘電性記録層上に熱的に情報を記録しつつも、その下部の強誘電層に対する分極の形成を誘導するメディアを提供し、このようなメディアに情報を記録及び再生できる方法及び装置を提示する。このような本発明は、メディアの粗い表面を除去して、表面荒度によるノイズを除去する。また、本発明によれば、情報記録形態の異なる二つの記録層を一つのメディアに集積することによって、情報の高密度化が可能である。

このような本発明は、電界効果トランジスタ型探針が利用される多様な分野に適用可能であり、特に、情報再生分野に適用されることが望ましい。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る半導体探針を利用した情報再生方法を詳細に説明する。
図１Ａは、電界効果型半導体探針と本発明に係る情報記録メディアとの関係を説明する図面である。
図１Ａに概略的に示すように、探針３０は、カンチレバーと、カンチレバーの先端にメディアの表面に対面して形成される電界効果トランジスタ型半導体チップとを備える。本発明に係るメディア１０は、基板１上に、電場の変化を誘導する分極ドメインにより情報を記録する強誘電性記録層２と、熱放出の変化を誘導するピット３’により情報が記録される物理的記録層３と、前記強誘電性記録層２の下部の電極４とを備え、物理的記録層３は、前記強誘電性記録層２上に形成されて、抵抗性チップに直接的に接触する。ここで、メディア１０の材料は、既知の物質が利用されうる。例えば、前記電極４は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、ＲｕまたはＲｕＯ_２、強誘電性記録層２は、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３、ＢｉＦｅＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、そして、物理的記録層３は、ＰＳ−ＢＣＢ（ポリスチレンベンジルシクロブテン）、ＰＣＢＭ［６，６］−フェニル Ｃ６１−酪酸メチルエステル）、ＯＣ１Ｃ１０−ＰＰＶ（ポリ［２−メトキシ−５−（３’，７’−ジメチルオクチルオキシ）］−ｐ−フェニレンビニレン）、Ｐ３ＨＴ（ポリ−３−へキシルチオフェン）などで形成され、望ましくは、ＰＳ−ＢＣＢを利用する。

一方、書き取り動作は、次の通りに行われる。
まず、図１Ｂに示すように、強誘電性記録層２に情報を記録するために、探針３０と電極４との間に所定の電圧を印加して、遺伝性物質からなる物理的記録層を通じた電荷の注入が行われ、したがって、強誘電性記録層２に記録情報に対応する分極が垂直方向に発生する。

一方、図１Ｂに示すように、上部の物理的記録層３に情報を記録するためには、前記探針３０の両端に所定の電圧を印加して、チップでの発熱を誘導する。加熱されたチップは、物理的記録層に適切な圧力で接触しており、したがって、チップが接触した部分での溶融が発生して、ピット３’が形成される。

前記のような形態に情報が記録されたメディアから情報を読み取る動作は、次の通りである。まず、物理的記録層３から情報を読み取るとき、カンチレバーから発生した熱は、メディア１０側に放出されるが、このとき、記録情報に対応して形成される物理的記録層３のピット３’によりその距離の変化が発生し、これにより、熱的放射の変化によりカンチレバーと、それに固定された半導体チップとで熱的抵抗の変化が発生する。一方、強誘電性記録層２から情報を読み取るとき、強誘電層２に形成された分極ドメインにより、物理的記録層３にトラップされた電荷により抵抗性半導体チップに対する電場の変化、及びそれによる電気的な抵抗変化が発生する。このような熱及び電場による複合的な抵抗変化は、探針全体の電流ｉＲＰを変化させ、このような電流は、探針３０の出力Ｖ_ｏとして検出され、後述する再生装置により前記検出信号Ｖ_ｏから熱的信号と電場信号とが分離されて抽出される。

図１Ｃは、電圧分配器を使用した信号検出部において、前記のような熱的抵抗ｒ_ｔ 及び電界により変化する探針の抵抗ｒ_ｆが考慮された抵抗性探針の等価回路である。すなわち、抵抗性探針の抵抗ｒ_ＲＰは、ｒ_ＲＰ＝Ｒ_０＋ｒ_ｆ＋ｒ_ｔで表現され、ここで、Ｒ_０抵抗性探針が電界及び熱的変化のないときの抵抗成分である。このような等価回路によれば、出力Ｖ_ｏは、下記の公式により得られる。

前記公式を通じて、熱的抵抗ｒ_ｔ変化及び電界により変化する抵抗ｒ_ｆは、出力Ｖ_ｏに影響を及ぼすという点が分かる。本発明は、出力Ｖ_ｏに含まれた熱的抵抗の変化による熱的信号と電界変化による電場信号とを分離して、再生信号として利用する。

以下で説明される本発明の実施形態による情報再生装置の説明によって、本発明に係る情報再生方法が理解できるであろう。

図２Ａは、本発明に係る情報再生装置の概略的な構成を示す図面である。
分極ドメインにより情報を記録する図２に示すような二重の記録層２、３を有するメディア１０の表面に、半導体チップ３１を有する半導体探針３０が所定間隔離隔されて配置される。探針３０からの出力は、信号検出部２０に連結され、信号検出部２０は、復調器５０に連結されている。復調器５０の二つの乗算器ＭＰＬ１、ＭＰＬ２、及び二つの低域通過フィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２を有し、これについては後述する。一方、前記信号検出部２０は、一種の信号前処理部であって、探針における熱的抵抗及び電場抵抗の変化による電流変化から二つの情報信号が載せてある複合的信号を抽出する。そして、探針３０には、メディア１０の強誘電性記録層２の分極により捕獲された電荷による電流変化、すなわち、前記電場信号を変調する変調器４０が連結される。前記変調器４０は、所定周波数の正弦波を発生させ、半導体チップ３１のチャンネル領域に変調電界を形成する。変調電界によって前記電場信号が変調される。一方、メディア１０でピット３’が形成される物理的記録層３により発生する探針３０の温度の変化により、探針３０での抵抗変化（熱的信号）が発生する。

前記信号検出部２０は、前記半導体探針３０から変調された前記電場信号及び熱的信号を含む複合信号を検出して復調器５０を通過させる。前記変調器４０によって変調された電場信号と熱的信号とが別途に分離されて復調される。すなわち、本発明によれば、高周波変調信号により電場信号が変調され、熱的抵抗の変化による熱的信号は変調されず、したがって、前記復調部で前記電場信号出力Ｖ_ＦＯと熱的信号出力Ｖ_ＴＯとに分離される。

電場信号と熱的信号との分離、すなわち、情報信号の変調及び復調については後述する。一方、前記信号検出部２０には、探針３０に駆動電圧が印加されるようにバイアス電圧Ｖ_ｓｓを印加する。バイアス電圧は、信号検出部２０を経ずに前記探針３０に直接適に印加されうる。バイアス電圧は、電界効果半導体探針が記録媒体の情報を読み取るプローブとして動作するために必要な電圧である。

本発明に係る情報再生装置の構成要素は、以上で説明された図２Ａの構造を機能的に分離したものであって、設計により機能が統合され、このような再生装置には追加的な機能がさらに含まれうる。

前記探針３０は、従来に知られた電界効果トランジスタ型探針が適用される。例えば、米国特許第６，５２１，９２１号明細書に開示された電界効果トランジスタチャンネル構造が形成された走査探針や、米国公開特許第２００５／０２３１２２５Ａ１号公報に開示された抵抗的チップを有する半導体プローブを利用できる。

前記二つの従来の探針だけでなく、他の同種の探針が本発明の再生装置及び情報再生方法に適用されるためには、半導体チップに変調電界が形成されうる構造を有さねばならないが、ほとんどの電界効果半導体探針は、このような条件を備えている。変調電界を形成するための構造チャンネル領域に電界を形成する要素としては、チャンネル領域に変調電界を形成する基板またはこれに別途に形成される電極であり、この電極に所定周波数の変調信号が印加される。変調信号が印加される電極（以下、変調電極）は、半導体チップが形成される基板の背面に設けられるか、または図２Ｂに開示されているように、カンチレバーの一面に設けられうる。変調電極に変調信号が印加されれば、チャンネル領域で空乏層の発生によって電荷チャンネルが形成されるが、変調信号の強度によってチャンネルのサイズ、すなわち、電流の量が変化する。

図２Ｂは、本発明に適用される探針の一種として、米国公開特許第２００５／０２３１２２５Ａ１号公報に開示されたプローブの構造を概略的に示す図面であり、図２Ｃは、図２Ｂに示す探針のチップ部分の側端面を示す図面である。

図２Ｂに示すように、シリコン基板３３の上部に絶縁層３７が積層されており、絶縁層３７の上面には、電極３９が形成されている。基板３３の表面からカンチレバー３５が延びており、カンチレバー３５の先端部に、ソースとドレイン及びこの間のチャンネル領域を有する半導体チップ３１が形成されている。チップ３１の傾斜面には、トランジスタのソース及びドレインと電気的に接触させたソース電極３２及びドレイン電極３４が形成されている。チップ３１の先端部には、第２不純物が低濃度でドーピングされて、若干の移動度を有する抵抗性チャンネル領域３６が形成される。ソース電極３２及びドレイン電極３４は、カンチレバー３５を通じてパッド３９、３９と連結される。前述のように、前記チャンネル領域３６は、電界のみによってチャンネルが形成されるか、または不純物が弱くドーピングされて、無電界時にも若干の移動度が与えられうる。ここで、前記基板３３に変調器４０の一つの構成要素である変調信号発生部４１が連結されうる。さらに効果的な変調信号Ｖ_ｓｕｂの印加のために、図２ｃに示すように、前記基板３３から延びたカンチレバー３５の一面に変調電極３５ａが形成されうる。前記変調器４０は、前記変調電極３５ａを備えるものと理解されうる。これは、信号変調が探針の半導体チップで行われ、これにより、探針の一部の機能が変調器に含まれるためである。このような抵抗性半導体チップの構造及び動作は、米国公開特許第２００５／０２３１２２５Ａ１号公報を参照すれば十分に理解されうる。

図３Ａは、情報の読み取り動作において、抵抗性半導体チップにおける電場信号の変調を説明する図面であり、図３Ｂは、ｗの周波数を有する変調信号Ｖ_ｓｕｂ、変調信号なしに電場の変化によって変わる抵抗成分ｒ_ｆ、変調信号により変調された電場の変化によって変わる抵抗成分ｒ_ｔ＋Ｖ_ｓｕｂ、熱的変化によって変わる抵抗成分ｒ_ｔ、そして抵抗性プローブの全体抵抗を示す波形図である。

電場信号ｒ_ｆ、熱的信号ｒ_ｔ及び変調信号Ｖ_ｓｕｂ、変調された電場信号ｒ_ｆ＋Ｖ_ｓｕｓ及びあらゆる信号が合成された出力Ｖ_ｏ、ｉ_ｒｐ＝ｒ_ｆ＋Ｖ_ｓｕｂ＋ｒ_ｔの関係を示す比較波形図である。

基板にｐ層が形成されており、ｐ層の表面にｎ型ソース及びドレイン、そしてその間に弱くドーピングされたｎ−チャンネル領域が設けられている。基板には、所定周波数の正弦波である変調信号Ｖ_ｓｕｂが印加されて、チャンネル領域には、正弦波による移動度の変化が起こる。このとき、メディアからの電界が印加されれば、メディアからの電界がチャンネル領域に印加されて、正弦波による移動度の変化が表れるチャンネル領域の移動度の変化幅が拡張される。すなわち、電界による移動度は、正弦波により増幅され、このときに変調された成分ｒ_f ^ωｒ_ｆを得る。一方、ピットにより発生する熱放出の変化に熱的信号ｒ_ｔも前記変調された信号に合算されて、プローブの最終的な抵抗が得られる。このとき、電界による信号のみが変調され、前述のような熱的変化により発生する移動度の変化、すなわち、熱的抵抗の変化（電流変化）には前記変調信号が影響を及ぼさない。

以下の具体的な実施形態を通じて、本発明の情報再生装置及び情報再生方法について理解できる。
図４は、本発明の一実施形態に係る情報再生装置の概略的な回路図である。
図４に示す実施形態の情報再生装置は、変調信号の検出が二つのブレンチを有するホイートストンブリッジにより形成される。図面において左側ブレンチは、直列で連結される抵抗性半導体チップ３１及び第１抵抗器Ｒ１により構成され、右側ブレンチは、第２抵抗器Ｒ２及び第３抵抗Ｒ３により構成される。探針３０の先端に形成されている抵抗性半導体チップ３１のドレイン電極３４は接地され、ソース電極３２は、前記第１抵抗Ｒ１に連結される。直列の第２抵抗器Ｒ２及び第３抵抗器Ｒ３のブレンチは、第３抵抗器Ｒ３により接地される。ホイートストンブリッジの左側ブレンチと右側ブレンチとには、共にバイアス電圧Ｖ_ｓｓが印加される。

ここで、基板３３に、望ましくは、変調電極３５ａには、変調信号発生部４１から変調電圧または変調信号Ｖ_ｓｕｂが印加される。第１抵抗器Ｒ１とソース電極３２との間のノードＰ１と、第２抵抗Ｒ２と第３抵抗Ｒ３との間のノードＰ２とは、差動増幅器２１の非反転（＋）入力端と反転（−）入力端とにそれぞれ連結される。差動増幅器２１の出力端は、復調器５０に連結される。復調器５０は、乗算器（ＭＰＬ）及びフィルタ、例えば、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を通じて最終的に獲得された情報信号を出力する。

探針３０の抵抗性半導体チップ３１は、メディアにより発生する電界を検出して、これにより移動度、すなわち、電気的抵抗が変わる。チップ３１とメディアとの間隔は、メディアの表面粗度により変化し、したがって、熱の放出量が変わり、したがって、これによる移動度の変化によって抵抗が変化する。したがって、抵抗性探針の総抵抗ｒ_ＲＰは、半導体チップ３１の純抵抗成分Ｒ_ｏ、メディアからの電界の変化により変化する抵抗成分ｒ_ｆ、そして熱的な不安定性による抵抗成分ｒ_ｔの和によって決定される。前述の第１抵抗器Ｒ１は、前記純抵抗成分のような値Ｒ_ｏを有し、前記第２抵抗器Ｒ２は、前記第３抵抗器Ｒ３のような値を有し、前記変調信号Ｖ_ｓｕｂは、所定周波数ωの正弦波である。ここで、変調信号の電圧Ｖ_ｓｕｂは、下記のように表現される。

このとき、ブリッジのノード電圧Ｖ_＋は、次の通りに計算される。

ここで、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆの上付き文字ωは、変調電圧Ｖ_ｓｕｂの周波数ωに変調されたことを意味する。オフセット電圧を除去するために、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３によりホイートストンブリッジの一方のブレンチが形成される。このとき、ブレンチのノード電圧ｖ₋は、次の通りである。

両ブレンチのノード電圧ｖ_＋及びｖ₋を、利得Ａを有する差動増幅器１０を利用して増幅すれば、出力電圧Ｖ_ｏは、次の値を有する。

前記電圧Ｖ_ｏから電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆを求めるために、復調器５０を使用する。復調器５０は、前述の実施形態と同様に、第１乗算器ＭＰＬ１、第１低域通過フィルタＬＰＦ１、第２乗算器ＭＰＬ２及び第２低域通過フィルタＬＰＦ２を備える。差動増幅器２１の出力Ｖ_ｏ及び前記変調信号Ｖ_ｓｕｂと同じ周波数を有し、前記出力電圧Ｖ_ｏと同じ位相の復調信号Ｖ_ｓｕｂ’を、第１乗算器５１を利用して乗算すれば、下記のような出力電圧Ｖ_ｏｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上付き文字０、ω、２ωは、周波数成分であることを表す。
したがって、低域通過フィルタＬＰＦ１を利用して直流成分のみを検出すれば、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆのみを検出できる。

前記出力電圧Ｖ_ｏｍと同じ位相の復調信号Ｖ_ｓｕｂ”を、第２乗算器ＭＰＬ２を利用して乗算すれば、下記のような出力電圧Ｖ_ｏｍｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上付き文字０、ω、２ω、３ωは、周波数成分であることを表す。このように得られた出力電圧Ｖ_ｏｍｍを第２低域通過フィルタＬＰＦ２に通過させれば、熱的信号により変わるｒ_ｔのみを検出できる。

以下では、本発明の他の実施形態に係る情報再生装置及び方法について説明する。
図５に示すように、抵抗性探針３０は、演算増幅器２１の出力端に連結され、ドレイン電極３４は、演算増幅器２１の反転入力端（−）に連結されている。演算増幅器２１の反転入力端と非反転入力端とには、第１抵抗器Ｒ１及び第２抵抗器Ｒ２がそれぞれ接続され、これらに共にバイアス電圧Ｖ_ｓｓが印加される。これに加えて、非反転入力端（＋）に前記第２抵抗器Ｒ２と、電圧分配部を構成する第３抵抗器Ｒ３とが接続される。前記演算増幅器２１の出力端は、復調器５０に連結される。復調器５０は、前述のように、第１乗算器ＭＰＬ１、第２乗算器ＭＰＬ２、第１低域通過フィルタＬＰＦ１及び第２低域通過フィルタＬＰＦ２を有する。

前記のように、半導体チップ３１の総抵抗Ｒ_ｗは、正常抵抗Ｒ_０と、電界により変化するｒ_ｆと、熱変化による抵抗成分ｒ_ｔとの和によって決定される。第１抵抗は、前記半導体チップの正常抵抗Ｒ_０と同じ値を有する。基板３３または変調電極３３ａには、所定周波数ωの正弦波である変調信号または変調電圧Ｖ_ｓｕｂが表現される。

ここで、非反転入力端及び反転入力端に適用される電位Ｖ_＋、Ｖ₋は、下記の通りである。

前記非反転入力端におけるインピダンスは無限大であるので、ここでの電流方程式は次の通りである。

このとき、演算増幅器２１の出力電圧は、次の通りである。

ここで、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆの上付き文字は、変調電圧Ｖ_ｓｕｂの周波数ωに変調されたことを意味する。前記電圧から電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆは、復調器５０から得られる。復調器５０は、乗算器５１及び低域通過フィルタ５２を備える。演算増幅器２１の出力Ｖ_ｏと変調電圧Ｖ_ｓｕｂとを、乗算器を利用して乗算すれば、次のような出力電圧Ｖ_ｏｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上付き文字０、ω、２ωは、周波数成分であることを表す。したがって、低域通過フィルタ５２を利用してフィルタリングすれば、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆのみを検出できる。

第１乗算器ＭＰＬ１の出力Ｖ_ｏｍと変調電圧Ｖ_ｓｕｂ”とを、第２乗算器ＭＰＬ２を利用して乗算すれば、次のような出力電圧Ｖ_ｏｍｍが得られ、この出力Ｖ_ｏｍｍを、第２低域通過フィルタＭＰＬ２を利用してフィルタリングすれば、熱によって変わる抵抗成分ｒ_ｔのみを検出できる。

ここで、各抵抗成分の上付き文字０、ω、２ω、３ωは、周波数成分であることを表す。

前記のように、本発明は、熱的変化による信号と、電界により変わる信号とを含む複合信号を所定周波数の変調信号を加えて、電界により変わる抵抗による信号のみを変調し、それを復調することによって、熱的信号と電場信号とを分離して得ることができる。

図６は、本発明に係る半導体探針を利用した情報再生方法についての手順を概略的に示すフローチャートである。

媒体に記録された情報によって発生する電場は、前記情報媒体の表面にトラップされた電荷またはダイポールモーメントにより発生する。前記電場によって半導体探針のチャンネル領域が変わって、探針３０の抵抗が変わる。探針３０に駆動電圧を加えて発生する信号は、探針の純抵抗成分によるものと、前記電場によって変動される抵抗成分と、物理的記録層のピットによる熱抵抗変動成分によるものとに分けられる。

変調ステップ４０では、前記半導体探針３０に高周波変調信号Ｖ_ｓｕｂを加えて変調電界を形成して、前記電場により変動される抵抗成分信号のみを変調する。

信号検出ステップ２０において、半導体探針に駆動電圧を加えて検出する信号には、前記変調信号によって変調された信号、すなわち、電場により変動される変調された抵抗成分信号と、探針の純抵抗成分及び熱抵抗変動成分の信号との和で表現されうる。

前記信号検出ステップ２０は、前記半導体探針にバイアス電圧Ｖ_ｓｓを分配して、前記半導体探針から発生する信号を抽出するように電圧分配回路から構成され、前記電圧分配回路としてブリッジ回路を使用するか、または帰還ループを有する演算増幅回路を使用してもよい。このとき、電圧の分配時に発生するオフセット電圧を除去するステップと、検出信号を増幅するステップとをさらに含んでもよい。これについての詳細な内容は既に前述した。

復調ステップ５０は、前記信号検出ステップで検出された信号から、前記変調電界により変調された信号と変調されていない信号とを分離抽出するステップであり、前記信号検出ステップで検出された信号と２回にかけて復調信号とを乗算するステップと、前記分離された二つの乗算ステップから出力された二つの信号をフィルタリングして、所定の周波数より小さな周波数領域の二つの信号を抽出するステップとを含む。前記復調信号Ｖ_ｓｕｂ’、Ｖ_ｓｕｂ”は、前記変調信号と周波数が概して同一であり、前記信号検出ステップで検出された信号とその位相が概して同じである。これについての詳細な内容も、図４ないし図７に説明されている。

図７ないし図９は、図５に示す実施形態のシミュレーション結果をそれぞれ示すグラフである。
図７において、第１波形は、電界により変わる抵抗ｒ_ｆの波形であり、第２波形は、熱変化による抵抗成分ｒ_ｔであって、シミュレーション時に使用されたデータ波形である。

図８において、第１波形は、１次乗算器を通過した１次信号の出力波形であり、第２波形は、２次乗算器を通過した２次信号の出力波形である。

そして、図９において、上側波形は、１次信号をフィルタリングした信号ＶＦＯの波形であり、下側波形は、２次信号をフィルタリングした信号ＶＴＯの波形である。

前記シミュレーションデータを説明すれば、図７の入力波形と図９の出力波形とが一致するということが分かり、したがって、本発明の再生装置により熱的信号及び電場信号を備える複合信号から成功的に各信号を分離できるということが分かる。

前記のような実施形態を通じて、当業者ならば、本発明の技術的思想により多様な形態の探針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。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態により決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決定されなければならない。

本発明は、情報記録装置関連の技術分野に好適に用いられる。

一般的な電界効果型半導体探針とメディアとの関係を説明する図面である。 一般的な電界効果型半導体探針による情報記録方法を示す図面である。 一般的な電界効果型半導体探針の等価回路図である。 本発明に係る情報再生装置の概略的な構成を示す図面である。 本発明に係る情報再生装置に使用される電界効果型半導体探針の概略的な斜視図である。 図２Ｂに示す探針のチップ部分を示す側面図である。 本発明によって変調信号による情報信号の変調を説明する図面である。 本発明によって変調信号による情報信号の変調を説明する図面である。 本発明の一実施形態に係る情報再生装置の概略的な等価回路図である。 本発明の他の実施形態に係る情報再生装置の概略的な等価回路図である。 本発明に係る情報再生方法を示すフローチャートである。 本発明の情報再生装置及びその方法によるＳＮＲの増大を示すシミュレーショングラフである。 本発明の情報再生装置及びその方法によるＳＮＲの増大を示すシミュレーショングラフである。 本発明の情報再生装置及びその方法によるＳＮＲの増大を示すシミュレーショングラフである。

符号の説明

１０ メディア
２０ 信号検出部
３０ 半導体探針
３１ 半導体チップ
４０ 変調器
４１ 変調信号発生部
５０ 復調器
ＭＰＬ１、ＭＰＬ２ 乗算器
ＬＰＦ１、ＬＰＦ２ 低域通過フィルタ
Ｖ_ＦＯ 電場信号出力
Ｖ_ＴＯ 熱的信号出力
Ｖ_ｓｓ バイアス電圧
Ｖ_ｏｍ 出力電圧
Ｖ_ｓｕｂ 変調信号
Ｖ_ｓｕｂ’、Ｖ_ｓｕｂ” 復調信号

Claims (22)

1. 基板と、
   基板上に形成される分極により情報を記録する強誘電性記録層と、
   前記強誘電性記録層上に形成されるものであって、ピットにより情報が記録される物理的記録層と、
   前記基板と前記強誘電性記録層との間に位置する電極と、を備えることを特徴とする情報記録メディア。
2. 前記電極は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、ＲｕＯ２のうち何れか一つから形成されることを特徴とする請求項１に記載の情報記録メディア。
3. 前記強誘電性記録層は、ＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ_３、ＢｉＦｅＯ_３、ＬｉＴａＯ_３のうち何れか一つから形成されることを特徴とする請求項１に記載の情報記録メディア。
4. 物理的記録層は、ＰＳ−ＢＣＢ、ＰＣＢＭ、ＯＣ１Ｃ１０−ＰＰＶ、Ｐ３ＨＴのうち何れか一つから形成されることを特徴とする請求項１に記載の情報記録メディア。
5. 分極により情報を記録する強誘電性記録層と、前記強誘電性記録層上に形成されるものであって、ピットにより情報が記録される物理的記録層とを備えるメディアと、
   前記メディアの強誘電性記録層から電場の変化により発生する電場信号と、前記物理的記録層のモーフォロジーにより発生する温度の変化による熱的信号とを含む複合信号を発生させる半導体探針と、
   前記半導体探針から複合信号を検出する信号検出部と、
   前記信号検出部からの複合信号を復調して、前記電場信号と熱的信号とを分離する復調部と、を備えることを特徴とする情報再生装置。
6. 前記半導体探針は、ｐ型半導体から形成されたチップと、前記電場によって前記チームの先頭部に前記チャンネルが形成される領域と、前記チャンネルが形成される領域の両側傾斜面にｎ型半導体でドーピングされたソース及びドレイン領域と、前記チップの末端に設けられて、ｐ型半導体から形成されたカンチレバーとを備え、
   前記変調部は、高周波変調信号発生器と、前記カンチレバーに設けられ、前記高周波変調信号発生器から前記高周波変調信号が印加される電極を備えることを特徴とする請求項５に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
7. 前記高周波変調信号は、正弦波信号であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
8. 前記高周波変調信号は、前記メディアから発生する電場の周波数より少なくとも５倍以上大きい高周波信号であることを特徴とする請求項７に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
9. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算する第１乗算器（乗算演算器）と、前記第１乗算器から出力された１次信号から所定の周波数以下の周波数領域信号を抽出する第１低域通過フィルタと、前記１次信号と前記復調信号とを乗算する第２乗算器と、前記第２乗算器からの２次信号から所定の周波数以下の周波数領域信号を抽出する第２低域通過フィルタと、を備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が概して同じであり、前記信号検出部で検出された信号と位相が概して同じであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の情報再生装置。
10. 前記低域通過フィルタの遮断周波数は、前記変調信号の周波数より少なくとも１０倍以上小さいことを特徴とする請求項９に記載の情報再生装置。
11. 前記信号検出部は、前記半導体探針に電圧を分配印加して信号を抽出するように電圧分配器回路から構成されたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の情報再生装置。
12. 前記電圧分配器回路は、少なくとも一つ以上の抵抗及び前記半導体探針から構成されたブリッジ回路であることを特徴とする請求項１１に記載の情報再生装置。
13. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算する第１乗算器（乗算演算器）と、前記第１乗算器から出力された１次信号から所定の周波数以下の周波数領域信号を抽出する第１低域通過フィルタと、前記１次信号と前記復調信号とを乗算する第２乗算器と、前記第２乗算器からの２次信号から所定の周波数以下の周波数領域信号を抽出する第２低域通過フィルタと、を備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が概して同じであり、前記信号検出部で検出された信号と位相が概して同じであることを特徴とする請求項７に記載の情報再生装置。
14. 前記ブリッジ回路は、前記半導体探針及び一つの抵抗を備えたハーフブリッジ回路であり、前記抵抗及び前記半導体探針が直列で連結されたノードから信号が検出されることを特徴とする請求項１３に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
15. 前記ブリッジ回路は、前記半導体探針及び３つの抵抗を備えたホイートストンブリッジ回路であり、差動増幅器をさらに備え、前記差動増幅器の反転あるいは非反転入力端は、前記半導体探針が備えられて、第１抵抗と連結された第１ハーフブリッジ連結ノード、または前記抵抗のみから構成された第２抵抗と第３抵抗との間の第２ハーフブリッジ連結ノードに連結され、前記差動増幅器の出力端から信号を検出することを特徴とする請求項１３に記載の情報再生装置。
16. 前記第１抵抗の抵抗値は、前記半導体探針の純抵抗成分の抵抗値と概して同じであり、前記第２抵抗と前記第３抵抗との抵抗値が概して同じであることを特徴とする請求項１５に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
17. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算する乗算器と、前記乗算器から出力された信号から所定の周波数より小さな周波数領域の信号を抽出する低域通過フィルタとを備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が概して同じであり、前記信号検出部から出力された信号と位相が概して同じであることを特徴とする請求項１６に記載の情報再生装置。
18. 前記電圧分配器回路は、少なくとも一つ以上の抵抗を備え、前記半導体探針で帰還ループを形成した演算増幅器を備えた反転増幅回路であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
19. 分極により情報を記録する強誘電性第１記録層と、前記強誘電性記録層上に形成されるものであって、ピットにより情報が記録される物理的第２記録層とを備えるメディアと、前記メディアの第１記録層及び第２記録層から情報を検出する半導体チップを有する半導体探針を利用して媒体に記録された情報を再生する方法において、
    前記半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成して、電場の変化により発生する電場信号を変調する変調ステップと、
    前記半導体探針から前記情報に対応する電気的複合信号を検出する信号検出ステップと、
    前記複合信号から変調された電場信号と、変調されていない熱的信号とを分離して抽出する復調ステップと、を含むことを特徴とする情報再生方法。
20. 前記復調ステップは、前記信号検出ステップで複合信号と復調信号とを乗算する第１乗算演算ステップと、前記第１乗算演算ステップから得られた第１次信号から所定の周波数より小さな周波数領域の電場信号を抽出するステップと、前記第１次信号と前記復調信号とを乗算する第２乗算演算ステップと、前記第２乗算演算ステップから得られた第２次信号から所定の周波数より小さな周波数領域の熱的信号を抽出するステップと、を含むことを特徴とする請求項１９に記載の情報再生方法。
21. 前記信号検出ステップは、前記半導体探針に電圧を分配して前記半導体探針から発生する信号を抽出することを特徴とする請求項１９に記載の半導体探針を利用した情報再生方法。
22. 前記信号検出ステップは、前記分配された電圧のオフセット電圧を除去して増幅するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体探針を利用した情報再生方法。

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