JP2008052892A - 高密度データ格納装置及びその記録／再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高密度データ格納装置及びその記録／再生方法、より詳しくは、接触なしに高密度のデータを記録／再生して、接触によるデータの誤りが防止できる高密度データ格納装置及びその記録／再生方法を提供するためのものである。
【解決手段】本発明の高密度データ格納装置は、記録媒体と探針を用いたものであって、記録媒体は、相（phase）変換物質、または、酸化物抵抗変化物質で形成された薄膜であり、探針の下部には記録媒体の上部に離隔して移動するチップ（tip）が形成されたことを特徴とする。本発明によれば、探針のチップで発生される電場や熱放出により記録媒体と探針が直接接触しなくて、データの記録／再生を行って、記録媒体と探針の接触により発生する不安定性を除去し、記録媒体にデータをエラーなしに安定に記録／再生することができる効果がある。
【選択図】図２

Description

本発明は、高密度データ格納装置及びその記録／再生方法に関し、より詳しくは、接触なしに高密度のデータを記録／再生し、接触によるデータの誤りが防止できる高密度データ格納装置及びその記録／再生方法に関する。

インターネット関連技術の発展に従って、動画を含んだ大容量の情報が記録できる記録媒体と、このような記録媒体に格納された情報を常に自由に携帯して使用しようとする需要の増加は、次世代の情報記録媒体市場を導く重要な要因の１つになっている。

現在、ポータブルメモリ素子は、フラッシュメモリのような固体状態（solid-state）メモリ素子とハードディスクのようなディスク形態に大別されている。ところが、固体状態メモリ素子の場合、数年内にその容量が数十ＧＢ範囲に予想されるので、巨大規模のデータ格納装置として使用することは困難である。また、ポータブル機器に装着されるハードディスクの場合にも近い将来に数十ＧＢ位の範囲まで大きくなることと予想されるが、その以上の磁気記録密度は達成し難いことと予想されている。

このような限界を克服するために、最近の記録及び再生手段として、走査探針（scanning probe）あるいは探針を使用した技術、すなわちＳＰＭ（Scanning Probe Microscope）技術を用いて記録媒体を数ｎｍ乃至数十ｎｍ領域に分けて高密度のデータが記録できる方案が紹介されている。

特に、米国特許第５３７４４９３号明細書、米国特許第５５３５１８５号明細書、及び米国特許第６９８５３７７号明細書等に開示されたように、探針を用いて高密度のデータが記録／再生できる種々の構造の高密度データ格納装置が紹介されている。

図１は、従来の高密度データ格納装置で使われる構造を概略的に示す断面図である。

図１に示すように、従来の高密度データ格納装置で情報を記録／再生する場合、探針１０のチップ部分が直接記録媒体２０と接触することになる。例えば、記録媒体２０に部分的に抵抗が異なるように形成されたデータ部分２１、２２に探針１０のチップが接触して記録媒体２０に記録されたデータを再生する。

従来の高密度データ格納装置において、記録媒体２０に格納されたデータを再生するために探針１０が記録媒体２０と接触する場合、探針１０に接続された電源４０とセンサ５０を通じて探針１０と記録媒体２０及び記録媒体２０の下部に電気的に接続された導電膜３０に接続された経路で流れる電流をセンサ５０を通じて感知することになる。

ところが、従来の高密度データ格納装置において、記録媒体２０に記録されたデータを記録及び再生する場合に、探針１０が記録媒体２０と接触しなければならないが、この際、探針１０と記録媒体２０が接触する条件及び環境によって、記録／再生の特性が変わるために、従来の高密度データ格納装置で記録／再生されるデータが変わる不安定な特性を有するという問題がある。

また、第１データ部分２１と第２データ部分２２を探針１０が接触して抵抗あるいは電流を感知する場合、電源４０あるいはセンサ５０から第１データ部分２１と第２データ部分２２に接続される導電膜３０の長さが異なるため、これによって抵抗が変わり、再生されるデータが位置によって変更される問題が発生することがある。

米国特許第５３７４４９３号明細書 米国特許第５５３５１８５号明細書 米国特許第６９８５３７７号明細書

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、記録媒体と探針の接触により発生するデータ記録／再生の不安定性を除去し、記録媒体にデータをエラーなしに安定するように記録／再生できるように、記録媒体と探針との間に接触しないながら動作できる高密度データ格納装置を提供することにある。

また、本発明は、記録媒体と探針を用いた高密度データ格納装置において、高密度のデータをエラーなしに安定的に記録及び再生できるように記録媒体と探針との間に接触を実施しなくて、記録媒体にデータを記録または再生することができる高密度データの記録／再生方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の実施形態に係る高密度データ格納装置は、記録媒体と探針を用いたものであって、記録媒体は、相（phase）変換物質、または、酸化物抵抗変化物質で形成された薄膜であり、探針の下部には記録媒体の上部に離隔して移動するチップ（tip）が形成されたことを特徴とする。

好ましい実施形態において、チップは電界効果トランジスタのチャネル構造を有することを特徴とする。

相変換物質は、ＧｅＳｂＴｅ化合物、またはＩｎＳｂＴｅ化合物であり、酸化物抵抗変化物質は、遷移金属酸化物であることを特徴とする。

記録媒体の下部に導電膜が形成され、探針と導電膜との間が電気的に接続されることを特徴とする。

また、本発明に係る高密度データの記録／再生方法は、基板上に薄膜で形成された記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて探針のチップから熱が放出する段階と、チップから発生される熱により探針の下部の記録媒体の結晶状態が変更される段階と、を含む。

好ましい実施形態において、チップは電界効果トランジスタのチャネル構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る高密度データの記録／再生方法は、下部電極上に薄膜で形成された記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、探針と下部電極との間に印加された電圧により探針のチップと下部電極との間に電場が発生される段階と、チップと下部電極との間の電場により探針の下部の記録媒体の抵抗状態が変更される段階と、を含む。

また、本発明に係る高密度データの記録／再生方法は、基板上に薄膜で形成された記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて探針のチップから熱が放出される段階と、探針の下部の記録媒体の熱伝導特性により探針のチップから熱の放出量が変動され、これによるチップ部分の抵抗変化が探針に印加された電圧により感知される段階と、を含む。

また、本発明に係る高密度データの記録／再生方法は、下部電極上に形成された薄膜の記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、探針と下部電極との間に電圧が印加された状態で記録媒体の抵抗に従って記録媒体の表面の電場が変化し、これによって探針のチップ部分の抵抗が変更される段階と、探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて、チップ部分での抵抗変化が感知される段階と、を含む。

前述のように、本発明によれば、次のような効果を達成する。

本発明の高密度データ格納装置は、記録媒体として相変換物質や酸化物抵抗変化物質を適用し、電界効果トランジスタ構造の探針を使用することによって、探針のチップから発生される電場や熱放出により記録媒体と探針が直接接触しなくて、データの記録／再生を実施して、記録媒体と探針の接触により発生する不安定性を除去し、記録媒体にデータをエラーなしに安定に記録／再生できるという効果がある。

また、本発明による高密度データの記録／再生方法により記録媒体と探針との間に接触を実施しなくて、記録媒体にデータを記録または再生することができるので、記録媒体にデータをエラーなしに安定に高密度で記録／再生することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の一実施形態を詳細に説明する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る高密度データ格納装置の断面図である。

図２に示すように、記録媒体２００と探針１００を用いる本発明による高密度データ格納装置は、基板（図示していない）上に相（phase）変換物質で形成された薄膜からなる記録媒体２００と、記録媒体２００の上部に離隔して移動するチップ（tip）１４０が下部に形成されている探針１００を含む。

探針１００は、探針１００に連結された制御部（図示していない）により記録媒体２００の表面と離隔して記録媒体２００の表面でデータが記録される全ての位置に移動することができるように制御されることが好ましい。

本発明に使われた探針１００は、大韓民国特許番号１０−０３６６７０１、または１０−０４６８８４９等に開示されたような電界効果トランジスタチャネル（field effect transistor channel ; FET channel）構造を有するスキャニングプローブマイクロスコープ（scanning probe microscope ; ＳＰＭ）の探針と同一な形態を有するものであって、探針のチップは電界効果トランジスタチャネル構造を有することが好ましい。

探針１００のチップ１４０は突出部１３０の頂点を含み、電界効果トランジスタのチャネル部分を形成する。突出部１３０に電気的に接続される第１領域１１０及び第２領域１２０は、各々電界効果トランジスタのソース及びドレン領域であって、第１電圧（Ｖ１）及び第２電圧（Ｖ２）が各々第１領域１１０及び第２領域１２０に印加される構造を有することが好ましい。

この際、探針１００の内側には第３領域１５０が存在するが、第３領域１５０は第１領域１１０及び第２領域１２０の間で第１領域１１０及び第２領域１２０の不純物と異なる類型の不純物、例えば、第１領域１１０及び第２領域１２０がｎ型であれば、第３領域１５０はｐ型導電性不純物でドーピングされている。第１乃至第３領域のドーピング濃度は探針１００の動作条件によって変わることができ、チャネル部分であるチップ１４０は相対的に低濃度領域であってドーピング濃度が変わる。

記録媒体２００の材質として使われる相変換物質は、温度の変化に反応して部分的にその結晶状態（phase）が非晶質（amorphous）と結晶（crystal）との間で変換される物質であって、例えば、ＧｅＳｂＴｅ化合物、またはＩｎＳｂＴｅ化合物などが相変換物質として使われる。

基板上に記録媒体２００として相変換物質が薄膜で形成された場合、探針１００の第１領域１１０と第２領域１２０との間に印加された第１電圧（Ｖ１）と第２電圧（Ｖ２）の差により両端子間に電流パルス（pulse）を発生させ、これによって、電界効果トランジスタチャネルであるチップ１４０から熱が放出される。チップ１４０から放出された熱によりチップ１４０付近の記録媒体２００に熱が伝えられ、この熱により例えば、チップ１４０から数ナノメートル（ｎｍ）乃至数十ナノメートルまで距離が離隔した記録媒体２００の結晶状態が変更されることで、データが結晶状態の変化により記録媒体２００に記録されてデータ部分２１０が形成される。この際、記録媒体２００が結晶質から非晶質への変化及び非晶質から結晶質への変化は、探針１００に印加される電流の大きさを調節して温度を変化させることにより可能になる。

このように記録されたデータにより結晶状態が位置によって変わった記録媒体２００において、探針１００の下部の結晶状態によって第１電圧（Ｖ１）と第２電圧（Ｖ２）の差により電圧が印加された探針１００のチップ１４０から放出される熱の放出量が変わる。このようにチップ１４０から放出される熱が変わることによって、チップ１４０部分の温度が変わることになり、チップ１４０部分に形成された電界効果トランジスタチャネルの温度が変化する。この際、温度変化によって電界効果トランジスタチャネルの抵抗が変わることになることで、第１領域１１０と第２領域１２０との間の電流が変わることを感知して記録媒体２００の結晶状態が隣接した探針１００により感知され、これをデータに再生することになる。

従って、本発明の高密度データ格納装置により記録媒体２００と探針１００が直接接触しなくて、記録媒体２００にデータを記録／再生することが可能になる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る高密度データ格納装置の断面図である。

図３に示すように、記録媒体２００と探針１００を用いる本発明による高密度データ格納装置は、基板（図示していない）上に酸化物抵抗変化物質で形成された薄膜からなる記録媒体２００と、記録媒体２００の上部に離隔して移動するチップ１４０が下部に形成されている探針１００、及び基板上で記録媒体２００の下部に形成された導電膜３００を含む。

この際、探針１００は第１実施形態で説明したことと同一な構造を有しており、導電膜３００は記録媒体２００の下部で下部電極の役割をする。

記録媒体２００の材質として使われる酸化物抵抗変化物質は、電場により部分的に伝導性のフィラメント（filament）が形成される物質であって、例えば、遷移金属酸化物であるＮｉＯ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＴｉＯ_２などがある。

基板上の導電膜３００の上に酸化物抵抗変化物質である遷移金属酸化物で形成された薄膜が記録媒体２００として使われる場合、探針１００の第１領域１１０及び第２領域１２０と導電膜３００との間に電圧を印加して探針１００のチップ１４０と導電膜３００との間に電場が発生されれば、チップ１４０から数ナノメートル（ｎｍ）乃至数十ナノメートルまで距離が離隔した絶縁体である記録媒体２００に部分的に伝導性フィラメントが形成される。伝導性フィラメントが形成された部分の記録媒体２００が部分的に抵抗が変更されることで、部分的な抵抗の変化によりデータが記録される領域であるデータ部分２１０が記録媒体２００に形成される。この際、第１領域１１０と第２領域１２０は同一な電圧が印加されて下部電極に対して１つの電極の役割をすることになる。

探針１００と導電膜３００、または探針と記録媒体２００との間の電圧履歴（hysteresis）にしたがって記録媒体の抵抗が変化されることができるが、これは酸化物抵抗変化物質の一般的な特徴を用いるものである。

このように記録されたデータにより酸化物抵抗変化物質の位置によって絶縁体及び伝導体に変わった記録媒体２００において、探針１００の下部の抵抗によって第１電圧（Ｖ１）と第２電圧（Ｖ２）との差により電圧が印加された探針１００のチップ１４０から放出される熱の放出量が変わる。このようにチップ１４０から放出される熱が記録媒体２００の抵抗により変わることにより、チップ１４０部分の温度が変わることになり、第１実施形態でのようにチップ１４０部分に形成された電界効果トランジスタチャネルの温度が変化される。この際、温度変化によって、電界効果トランジスタチャネルの抵抗が変わることになることで、第１領域１１０と第２領域１２０との間の電流が変わることを感知して記録媒体２００の電気伝導状態が隣接した探針１００により感知され、これをデータに再生することになる。

したがって、上記本発明の第１実施形態と同様な作用により記録媒体２００と探針１００が直接接触しなくて、記録媒体２００にデータを記録／再生することが可能になる。

図４は、本発明の第３実施形態に係る高密度データ格納装置の断面図である。

図４に示すように、記録媒体２００と探針１００を用いる本発明による高密度データ格納装置は、基板（図示していない）上に相変換物質、または酸化物抵抗変化物質で形成された薄膜からなる記録媒体２００と、記録媒体２００の上部に離隔して移動するチップ１４０が下部に形成されている探針１００及び基板上で記録媒体２００の下部に形成された導電膜３００を含む。この際、探針１００と導電膜３００との間が電気的に接続されて電圧が印加できるように電源（Ｖ０）に接続されている。

この際、探針１００は、第１実施形態で説明したことと同一な構造を有しており、相変換物質または酸化物抵抗変化物質が使われる記録媒体２００にデータが記録される方法は、前述した第１実施形態または第２実施形態と同様である。

したがって、記録媒体２００に記録されたデータにより記録媒体２００は位置によって結晶状態や抵抗が変わり、探針１００と導電膜３００との間に電源（Ｖ０）を通じて電圧が印加される場合に、探針１００付近の記録媒体２００の結晶状態やまたは抵抗によって記録媒体２００の表面の電場が変わることになり、これによって、探針１００のチップ１４０部分にある電界効果トランジスタチャネル部分の状態が空乏層（depletion layer）から蓄積層（accumulation layer）に変わることになる。したがって、チャネル付近の電荷濃度が変わってチャネル部分の抵抗が変わり、第１地域と第２地域との間に各々印加された第１電圧（Ｖ１）と第２電圧（Ｖ２）の差によりチャネル部分の抵抗を感知することによって、探針１００の下部の記録媒体２００の結晶状態または抵抗状態を感知し、これをデータに再生することになる。

したがって、本発明の第３実施形態でも記録媒体と探針１００が直接接触しなくて、記録媒体にデータを記録／再生することが可能になる。

以下では、本発明の高密度データ格納装置を使用して高密度でデータを記録／再生するための方法に対して説明する。

前述の本発明の高密度データ格納装置に対する説明において、各実施形態の構造によって変わるデータ記録／再生方法に対する原理については既に説明した。以下では、高密度データ格納装置構造によって変わる本発明の高密度データ格納装置の記録／再生方法を順序に従って説明する。

第１実施例のように基板上に薄膜で形成された記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法において、データを記録するために、まず探針が記録媒体の表面から離隔してデータを記録する位置に移動し、探針の下部の記録媒体にデータを記録するために探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて探針のチップから熱が放出される。

次に、記録媒体の表面から離隔したチップから発生される熱により探針の下部の記録媒体の結晶状態が変更されてデータが記録される。この際、チップは電界効果トランジスタのチャネル構造を有し、記録媒体は前述した相変換物質で形成された薄膜からなることが好ましい。

このように記録されたデータを再生するために、本発明の高密度データの記録／再生方法によって、また探針が記録媒体の表面から離隔して移動され、探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて探針のチップから熱放出されることは同様である。

次に、部分的に結晶状態が変わってデータが記録された記録媒体において、探針が下部の結晶状態によって部分的に記録媒体の熱伝導特性が変わるので、記録媒体の結晶状態によって探針のチップで熱の放出量が変動し、これによるチップ部分の抵抗変化が発生することは、前述の通りである。したがって、探針に印加された電圧により抵抗変化が電流の変化により感知されることにより、データが再生される。

第２実施例のように、下部電極上に薄膜で形成された記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法において、データを記録するためにまず探針が記録媒体の表面から離隔してデータを記録する位置に移動し、探針と下部電極との間に電圧を印加して探針のチップと下部電極との間に電場が発生される。

次に、チップと下部電極との間に発生された電場により探針の下部の記録媒体の抵抗状態が変更されてデータが記録される。この際、チップは、電界効果トランジスタのチャネル構造を有し、記録媒体は前述した酸化物抵抗変化物質として電場により部分的に伝導性のフィラメント（filament）が形成されることが好ましい。

このように記録されたデータを再生する方法は、第１実施形態に対することと同一な順序により実施される。

第３実施例のように、下部電極上に薄膜で形成された記録媒体と、記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法において、データを記録するために使われた記録媒体が相変換物質であるか、酸化物抵抗変化物質であるかよって、第１実施形態及び第２実施形態に詳述した方法をその通り適用することが好ましい。

但し、この場合に、記録されたデータを再生するために本発明による高密度データの記録／再生方法によって、また探針が記録媒体の表面から離隔して移動され、探針と下部電極との間に接続された電源を通じて電圧が印加される。

この際、探針と下部電極との間に印加された電圧により記録媒体の表面に電場が発生されるが、このように発生される電場は、記録媒体の抵抗状態または結晶状態によって変わるために、記録媒体に記録されたデータによって記録媒体の表面の電場が変わることになる。

そして、記録媒体の表面の電場により探針のチップ部分で電荷の分布が変更され、これによって、探針のチップ部分での抵抗が変わることになる。この際、探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加される場合、チップ部分での抵抗の変化が電流の変化として感知されることによって、記録媒体のデータが探針により再生される。この際、探針のチップ部分にある電界効果トランジスタチャネル部分の状態が空乏層から蓄積層に変わって、記録媒体の結晶状態及び抵抗によって電荷の分布が変わる。

以上、本発明の構成及び動作を前述した説明及び図面に基づいて図示したが、これは例として説明したことに過ぎないのであり、本発明の技術的思想及び特許請求範囲を越えない範囲内で多様な変化及び変更が可能であることは勿論である。

従来の高密度データ格納装置で使われる構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る高密度データ格納装置の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る高密度データ格納装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る高密度データ格納装置の断面図である。

符号の説明

１０、１００ 探針
２０、２００ 記録媒体
３０、３００ 導電膜
１１０ 第１領域
１２０ 第２領域
１３０ 突出部
１４０ チップ、低濃度領域
１５０ 第３領域
２１０ データ部分
４００ 電源

Claims (11)

1. 記録媒体と探針を用いた高密度データ格納装置であって、
   前記記録媒体は、相（phase）変換物質、または、酸化物抵抗変化物質で形成された薄膜であり、
   前記探針の下部には前記記録媒体の上部に離隔して移動するチップ（tip）が形成されたことを特徴とする高密度データ格納装置。
2. 前記相変換物質は、ＧｅＳｂＴｅ化合物、またはＩｎＳｂＴｅ化合物であることを特徴とする請求項１記載の高密度データ格納装置。
3. 前記酸化物抵抗変化物質は、遷移金属酸化物であることを特徴とする請求項１記載の高密度データ格納装置。
4. 前記チップは、電界効果トランジスタのチャネル構造を有することを特徴とする請求項１記載の高密度データ格納装置。
5. 前記記録媒体の下部に導電膜が形成されたことを特徴とする請求項１記載の高密度データ格納装置。
6. 前記探針と前記導電膜との間が電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の高密度データ格納装置。
7. 基板上に薄膜で形成された記録媒体と、前記記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、
   前記探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、
   前記探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて前記探針のチップから熱が放出する段階と、
   前記チップから発生される熱により前記探針の下部の前記記録媒体の結晶状態が変更される段階と、
   を含むことを特徴とする高密度データの記録／再生方法。
8. 前記チップは電界効果トランジスタのチャネル構造を有することを特徴とする請求工７記載の高密度データの記録／再生方法。
9. 下部電極上に薄膜で形成された記録媒体と、前記記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、
   前記探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、
   前記探針と前記下部電極との間に印加された電圧により前記探針のチップと前記下部電極との間に電場が発生される段階と、
   前記チップと前記下部電極との間の電場により前記探針の下部の前記記録媒体の抵抗状態が変更される段階と、
   を含むことを特徴とする高密度データの記録／再生方法。
10. 基板上に薄膜で形成された記録媒体と、前記記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、
    前記探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、
    前記探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて前記探針のチップから熱が放出される段階と、
    前記探針の下部の前記記録媒体の熱伝導特性により前記探針のチップから熱の放出量が変動され、これによる前記チップ部分の抵抗変化が前記探針に印加された前記電圧により感知される段階と、
    を含むことを特徴とする高密度データの記録／再生方法。
11. 下部電極上に形成された薄膜の記録媒体と、前記記録媒体の表面から離隔して移動される探針を含む高密度データの記録／再生方法であって、
    前記探針が記録媒体の表面から離隔して移動される段階と、
    前記探針と前記下部電極との間に電圧が印加された状態で前記記録媒体の抵抗に従って前記記録媒体の表面の電場が変化し、これによって前記探針のチップ部分の抵抗が変更される段階と、
    前記探針に大きさの異なる第１電圧及び第２電圧が印加されて、前記チップ部分での抵抗変化が感知される段階と、
    を含むことを特徴とする高密度データの記録／再生方法。

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