JP2009181649A - 情報記録媒体、情報記録方法及び情報記録再生装置 - Google Patents

情報記録媒体、情報記録方法及び情報記録再生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】クロスイレーズを伴うことなく高速記録消去する。
【解決手段】光照射によって情報を記録層に記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体において、光照射によって前記記録層に形成されたアモルファス記録マーク周辺の再結晶化幅WRと記録マーク幅WA及びトラックピッチTPが1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<4/3を満たす。
【選択図】 図１

Description

本発明は大容量で且つ長期保存が可能な情報記録媒体とその記録方法、及び情報記録再生装置に関する。
DVD-RAM、DVD-RWなどに代表される相変化記録材料を使った書き換え可能な情報記録媒体では、特定波長の光源から照射されたレーザービームによって記録、消去、再生が行われる。予め初期結晶化された相変化媒体に対してマルチパルスからなる記録ビームを照射すると被照射部はアモルファス化して記録マークとなり結晶化部と比べて反射率が低くなる。記録マークに連続光を照射して再結晶化させることで記録マークを消去することが可能で、通常はこれら記録と消去は同時に行われオーバーライト(重ね書き)と呼ばれる。このような記録部と未記録部の反射率差を利用して情報を再生する。
DVD-RAMの場合はグルーブと呼ばれるスパイラル状の溝とそれに挟まれた台地状のランドに沿って記録される。片面容量4.7GBのDVD-RAMで0.615μmであったランドとグルーブの間隔が次世代DVDであるHD DVD-RAMでは0.34μmにまで縮まり、ランド(グルーブ)に記録された情報が隣接するグルーブ(ランド)に記録する際に一部が消去されるクロスイレーズが問題となり始めている。一方グルーブにのみ記録するDVD-RWでもこの現象は避けられず、グルーブ間隔が0.4μmとなるHD DVD-RWでも無視できなくなってきている。
高密度記録時に発生するクロスイレーズ現象及びクロストークを低減するための技術として特許文献１に示される技術がある。ここでは、記録媒体において、非晶相のマーク幅Ｗ１と記録レーザ光のビーム幅Ｗ２の関係を規定している（Ｗ１／Ｗ２≦０．６５）。また溶融領域幅Ｗ３とマーク幅Ｗ１との関係も規定している（Ｗ１／Ｗ３≦０．８５）。しかしこの技術では、記録層がいわゆる擬似２次元系ＧｅＳｂＴｅ合金であり、高速記録ができないという課題を残している。
特開平１１−５３７７３号公報
記録済みトラックの隣接トラックを記録する際に記録済みトラックの記録マークの一部を消去するクロスイレーズ現象は、トラック幅に比べて大きなビーム径とそれに起因する膜内温度分布によって生じる。隣接トラックを記録中のビームエッジがすでにある記録マークの端を通過するとき、該すでにある記録マークの端が結晶化温度以上になり結晶化するためにこのクロスイレーズ現象が起こる。またこのとき結晶化温度を越えて冷却される際に結晶化が起こるに十分な時間だけ結晶化温度以上に保持された場合にのみクロスイレーズが起こる。また記録マーク端部が融点以上にまで昇温され結晶化する場合も稀ではない。この場合もクロスイレーズが起こるメカニズムは同様で、融点を超えた後冷却される際に結晶化に十分な時間だけ結晶化温度以上に保持された場合にクロスイレーズが起こる。
上記のクロスイレーズ現象は用いられる相変化材料の物性に強く依存する。高速オーバーライトを可能にするSbTe系の共晶材料は主にDVD-RWに用いられており、溶融状態から冷却される際の結晶成長速度が非常に速いと考えられている。このため消去する際にビームが記録マークを通過する時間が非常に短い高線速条件でも容易に結晶化される。ところが、記録する際にはこの高速結晶化が故にアモルファス記録マークの形成が難しくなる。すなわちガウス強度分布を持つレーザーにより、相変化材料の照射部は、ビーム中心から同心円状に温度変化する温度分布を持って昇温される。少なくとも融点を超えた部分が冷却時にアモルファス化するが、高速結晶化材料では冷却速度が遅い部分が一部再結晶化される。
レーザービーム照射の場合は温度が高い照射部の中心ほど冷却速度が速く周辺ほど遅いため、アモルファス化は中心部でのみ起こる。つまり高速結晶化材料を用いてアモルファス記録マークを形成するためには、溶融するも再結晶化する記録マーク周辺部を伴うことになる。記録マーク周辺の再結晶化部を再結晶化リングと呼ばれる。つまりトラック幅程度の記録マークを形成するためにはトラック幅を超える領域を融点以上に昇温して溶融させる必要がある。この溶融領域が隣接トラックにまで及ぶ場合は、すでに記録されている隣接トラック上の記録マークの一部を再結晶化させ情報を壊す恐れがある。高線速でも容易に結晶化可能な共晶型相変化材料であるが、クロスイレーズを伴うことなくアモルファスマークを形成することはトラックピッチが狭くなる次世代、或いは次々世代ではますます困難になる。
そこで、本発明ではクロスイレーズを伴うことなく高速記録消去が可能な情報記録媒体、情報記録方法、及び情報記録再生装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、この発明の一実施形態では、高速結晶化材料と超短パルス記録方法を組み合わせて記録処理を行うことができるようにし、高速・大容量記録を可能にする。
また、この発明の一実施形態では、光照射によって情報を記録層に記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体において、光照射によって前記記録層に形成されたアモルファス記録マーク周辺の再結晶化幅WRと記録マーク幅WA及びトラックピッチTPが1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<4/3を満たす。
また、この発明の一実施形態では、光照射によって情報を記録層に記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体において、前記記録層に情報を記録するに際してパルス幅200ps以上1ns以下の短パルス半導体レーザーを照射する。
上記の手段によると、クロスイレーズがなく高密度かつ大容量で記録情報の信頼性の高い情報記録媒体を得ることができる。
以下図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。まず基本的な概念を説明する。
本発明による、光照射によって情報を記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体は、光照射によって形成されたアモルファス記録マーク周辺の再結晶化幅WRと記録マーク幅WA及びトラックピッチTPが1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<4/3を満たすことを特徴とする。
本発明による情報記録媒体は、相変化材料からなる記録層、誘電体からなる光学干渉層、金属からなる反射層で構成される。記録層は結晶成長速度が速い共晶化合物であるSbTe系、InSb系、GaSb系が適している。共晶化合物にはGe、In、Co、Agなどを適量添加することで光学コントラストや記録特性をさらに向上させることが出来る。記録前後の反射率変化を大きくするためや機械的、熱的に記録層を保護するために用いられる光学干渉層は、ZnS、SiO2、Al2O3、Si3N4、ZrO2、AlN、Cr2O3、GeN、Ta2O5、Nb2O5、のいずれかからなる複合化合物が適している。光学干渉層は光学的エンハンスだけでなく、記録層に加わる応力の緩和やレーザー照射による昇温をコントロールする役目も持つ。これらの目的を達成するために光学干渉層は2層以上で構成されても構わない。主にAl、Ag、Au、を主成分とする反射層は再生時に反射光を得るためや、記録時のビーム照射に際して温度コントロールをするために存在する。
次に本発明による記録方法について説明する。本発明による情報記録媒体に記録するためにはパルス幅200ps以上1ns以下の短パルスを用いる。
このような短パルスは半導体レーザー(LD)による緩和振動の1次成分から作られ、ピーク出力は数10mWである。
例えばHD DVD-RAM仕様である最短マーク長0.19μmのマークを記録する際には通常、出力5〜10mW、パルス幅10ns程度のパルス光を照射してマークを形成する。しかしこの方法で上述の高速結晶化材料に記録を試みた場合、マーク周辺部に溶融後の再結晶化リングが形成され隣接トラックの記録マークを消去する恐れがある。
これに対して本発明ではピーク出力が数10mW、パルス幅200ps以上1ns以下の短パルスを照射することで再結晶化リングが少ないマークを形成することが可能である。本発明で用いる高速結晶化材料は結晶化温度以上融点以下の温度域に数10ns程度保持されることで結晶化が起こる現象が見られる。
特にSbTe系共晶化合物は、溶融後の冷却過程において高速に結晶化が進むため、結晶化温度以上融点以下の温度にわずかな時間(数10ns)保持されただけで結晶化が進行する。このため高速データ転送を可能にする高速オーバーライト時もアモルファス部分を容易に消去(結晶化)状態にすることが出来る。
ところが記録を行う際はこの特徴がマイナスに働く。通常のパルス状の記録ビームが照射された部分は同心円状に溶融し温度が高い中心部は冷却速度が速いためアモルファス化する。一方アモルファス化部の周辺は溶融するも冷却速度が遅いため結晶化する。このため所望の大きさのアモルファスマークを形成するとマーク周辺には溶融結晶化したドーナツ状の再結晶化リングを伴う。
ガイド溝であるトラック(グルーブ或いはランド)幅いっぱいにアモルファスマークを形成しようとすると上述の再結晶化リングが隣接するトラックにはみ出すことになる。このことは隣接トラックに既に記録されたアモルファスマークの一部を溶融させて再結晶化させることを意味し、記録情報の損壊に通じ大きな問題となる。
このような問題を避けるためには、本発明による高速結晶化材料に200ps以上1ns以下の短パルスの組み合わせで記録することが効果的である。この方法によりアモルファスマーク周辺の再結晶化幅WRは半径方向の記録マーク幅WAに対して1.0<WR/WA<1.1を満たし、隣接トラックの記録マークに影響を与えることなく重ね書きすることが可能となる。トラック幅いっぱいのアモルファスマークを形成する条件で温度シミュレーションを行うと、線速に関わらずビーム照射中の隣接トラックの温度はほとんど融点を超えない。すなわちマーク周辺部に再結晶化リングがない理想的な記録が可能なことを示している。又この場合、1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<4/3とすることが品質のよい記録状態を得ることができる。TPはトラック幅である。図1には、上記の条件を満足した記録マークとトラックの関係を模式的に示している。
以上のように、本発明による相変化材料と短パルス記録の組み合わせによって、クロスイレーズが少ない高密度記録が可能となる。特にディスク半径方向の密度を高めるのに有効な手段である。この場合、1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<3/4としてもよい。
図2は本発明による情報記録媒体を基板上に作製し、その一部を示す断面図である。本発明の情報記録媒体１は、樹脂、ガラス等の基板2上に成膜されている。3は光学干渉層、4は相変化記録層、5は光学干渉層、6は反射層である。さらに紫外線硬化樹脂層7を介して基板8が貼り合わせられている。このとき再生装置の対物レンズNAに合わせて基板2と基板8の厚さを選ぶことができる。例えば記録再生装置の光源波長が405nm、対物レンズNAが0.65の場合は両基板とも約0.6mmとすることが望ましい。あるいは光源波長が405nm、対物レンズNAが0.85の場合は基板2を約0.1mm、基板8を約1.1mmとすることが望ましい。このように本発明による光ディスクは記録再生装置の光学系によらず効果を発揮することができる。
（実施例）以下に、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
実施例1
トラックピッチ0.30μmのランド／グルーブが形成された直径120mm、厚さ0.6mmのPC基板10をマグネトロンスパッタ装置内にて6.0 x 10-4 Pa程度まで真空引きした後以下に示す各層を形成した。ZnS(80mol%)-SiO2(20mol%)をRFマグネトロンスパッタにて50nm性膜して光学干渉層11とし、Sb(70at%)Te(30at%)をRFマグネトロンスパッタにて10nm成膜し記録層12とし、ZnS(80mol%)-SiO2(20mol%)をRFマグネトロンスパッタにて20nm成膜し光学干渉層13とし、Ag98Pd1Cu1をDCマグネトロンスパッタ法で100nm成膜し反射層14とした。
引き続き紫外線硬化樹脂15をスピンコートして、PC基板16を貼り合わせて本実施例によるディスクAを作製した(図3にこのディスクAを示している)。ディスクAは記憶容量にして25GBに相当する。
ディスクAに対して、波長650nmの半導体レーザーで初期結晶化した後、表1に示す条件で記録再生評価を行った。表１は明細書の後半に示している。ここで記録消去に用いた記録ストラテジを図4に示す。最短マークである2Tマークを記録する際は図4の上図に示すように標準クロック先頭からTD=0.5T(ここでT=9ns)だけ遅らせてパルス幅TWのパルスを発生させた。Tは最も短いマークであり、２ビット分の長さに相当する。NRZIは記録信号に対応する波形である。LDDは、半導体レーザーの光出力である。
一方nTマーク(nは整数、3≦n≦11)を記録する際は、図4の下図に示すように先頭からTD=0.5Tだけ遅らせてパルス幅TWのパルスを1T間隔でn-1回発生させた。このような記録ストラテジでnTをランダムに発生させてランダムパターンを記録した後、再生時に評価指標であるPRSNR(Partial Response Signal to Noise Ratio)を測定した。なお、グルーブ(ランド)を測定対象とする場合は、はじめに該当グルーブ(ランド)に記録した後両側に隣接するランド(グルーブ)を隔てた2本のグルーブ(ランド)に順次記録する。その後隣接する2本のランド(グルーブ)にも順次記録する。これを10回繰り返した。このように連続する5本のトラックに記録した後該当するグルーブ(ランド)から信号を再生するいわゆる5トラック記録・再生を行った。
本実施例1において記録時のパルス幅TWを変化させたときのPRSNRを図5に示す。パルス幅TWが0.2ns未満、1.0ns以上ではPRSNRが15より小さくHD DVDの規格値を満足していないことが明らかである。逆にパルス幅TWが0.2ns以上1.0ns未満で最も優れた特性を示すことがわかった。
このときTW=0.1ns、0.15ns、0.25ns、0.5ns、及び1.5nsとしたときの記録マークを透過型電子顕微鏡で観察した。それぞれの条件で形成された2Tマークと11Tマークの再結晶化幅とアモルファスマーク幅、及びWR/WAとWA/TPを表2にまとめる。2Tマークの場合、パルス幅0.1nsでは再結晶化幅WRとマーク幅WAが同じでWR/WA=1であるが、WA/TP=0.6となりトラックピッチに比べて記録マーク幅が著しく小さいことがわかった。このため再生信号が小さくなりPRSNRが規格である15以下になったと考えられる。TW=1.5nsの場合はWR/WA=1.25となり再結晶化幅が大きく隣接トラックの記録マークを消去したためにPRSNRが低下したと考ええられる。さらに2Tマーク自体もTW=1.0nsと比べて縮小傾向にある。TWに対して11Tでもほぼ同様の傾向で変化している。
上記の結果から、ピーク出力が数10mW、パルス幅200ps以上1ns以下の短パルスを照射する本発明の情報記録方法で記録すれば、非常に良好な特性を得られることが明らかになった。
比較例1
実施例1と同じディスクAを用いて記録時の線速依存性を調べた。線速5.0m/sを基準として、0.5倍速(0.5X)、2倍速(2X)、4倍速(4X)、8倍速(8X)、16倍速に対応する2.5m/s、5.0m/s、10m/s、20m/s、40m/s、80m/sで記録を行った。このとき記録密度を一定とするために記録周波数を変更して最短ピット長が一定となるようにした。例えば1Xのときは14MHzで記録していたものを2Xでは28MHzで記録することによって最短ピット長は0.177μmと一定にすることが出来る。いずれの線速でもパルス幅TWは0.1nsから1.5nsまで変化させて再生時のPRSNRを測定した。線速以外の記録再生条件は実施例1と同様である。PRSNRは全ての線速において0.2ns以上1.0ns未満のパルス幅で規格値15以上の値を示しており、本発明による情報記録媒体に本発明による情報記録方法で記録すれば、広い線速マージンで非常に良好な特性を得られることが明らかになった。図6には,それぞれの線速度にて記録された信号の測定結果を示している。
実施例2
実施例1と同じ層構成で、記録層のみGa11Sb88Co1としたディスクBを作製し実施例1と同様のディスク評価を行った。その結果パルス幅0.2ns以上1.0ns未満の領域においてPRSNR15以上を示し、本発明による情報記録媒体に本発明による情報記録方法で記録すれば非常に良好な特性を得られることが明らかになった。
記録再生装置
次に上記の記録再生を実行する記録再生装置について説明する。図7に示すように、本実施形態に係る記録再生装置では、光源には短波長の半導体レーザ２０が用いられる。その出射光の波長は、例えば400nm〜410nmの範囲の紫色波長帯のものである。
半導体レーザ光源20からの出射光100は、コリメートレンズ21により平行光となり偏光ビームスプリッタ22、λ／４板23を透過する。そして、対物レンズ24に入射する。その後、光ディスク1の基板を透過し、目的とする情報記録層に集光される。光ディスク１の情報記録層による反射光101は、再び光ディスク1の層2を透過し、対物レンズ24、λ／４板23を透過し、偏光ビームスプリッタ22で反射された後、集光レンズ25を透過して光検出器26に入射する。
光検出器26の受光部は通常複数に分割されており、それぞれの受光部から光強度に応じた電流を出力する。出力された電流は、図示しないＩ／Ｖアンプにより電圧に変換された後、演算回路27により、ユーザデータ情報を再生するＨＦ信号及び光ディスク１上の光源によるビームスポット位置を制御するためのフォーカス誤差信号及びトラック誤差信号などに演算処理される。演算回路27は、コントローラＣＴＲによって制御される。
対物レンズ24はアクチュエータ28にて上下方向、ディスクラジアル方向に駆動可能であり、サーボドライバＳＤによって光ディスク１上の情報トラックに追従するように制御される。光ディスク１は情報の書き込みが可能な記録形ディスクであり、半導体レーザ20の出射光100により情報が記録される。半導体レーザ20は半導体レーザ駆動回路29により、出射光100の光量が制御可能であり、光ディスク1への情報記録時には半導体レーザ20の緩和振動パルスが出射されるように制御される。半導体レーザ駆動回路29はコントローラＣＴＲによって制御される。光ディスク1への情報記録時の記録パルスについては後に詳しく述べる。
光ディスク1は、少なくとも一方の基板上に本発明による記録膜を含む情報記録層が形成されたディスクを２枚反対向きに貼り合わせたものである。１つの基板の厚さは例えば約0.6mmで、光ディスク1全体の厚さは約1.2mmである。
なお、この実施形態では、情報記録層が４層から成る光ディスクの例を示したが、記録層の上下に界面層を設けるなど、５層以上からなる情報記録層を持つ光ディスクにも本発明は適用可能である。また、この実施形態では情報記録層が１層の場合を示したが、本発明は２層以上の情報記録層を持つ光ディスクにも適用可能である。さらに、本実施形態では、円盤状の光ディスクを記録媒体として用いているが、たとえばカード状の記録媒体でも、本発明は適用可能である。
図8は本実施形態に係る光記録装置における光源に用いる半導体レーザ20の例である。図8に図示されているのは、半導体レーザの発光体となる半導体チップ部のみであり、通常はこのチップ部がヒートシンクとなる金属ブロックに固定され、さらに基材およびガラス窓付キャップ等により構成される。
ここでは、レーザ発光に直接関係する半導体チップ部のみを用いて説明する。半導体レーザチップは一例として厚さ（図の面内上下方向）が0.15mm、長さ（図中Ｌ）が0.5mm、横幅（図中奥行き方向）が0.2mm程度の微小ブロックである。レーザチップの上端31および下端32はそれぞれ電極であり、上端31が−（マイナス）電極、下端32が＋（プラス）電極である。
レーザ光を発光するのは中央の活性層33であり、これを挟んで上下に上側クラッド層34および下側クラッド層35が形成されている。上側クラッド層34は電子が多数存在するｎ型クラッド層、下側クラッド層35は正孔が多数存在するｐ型クラッド層である。
電極32と電極31間に電極32から電極31に対して順方向に電圧を印可する、すなわち、電極32から電極31に向かって電流を流すと、活性層33内で励起した多数の正孔と電子が再結合し、その際に失うエネルギーに相当する光を放出することになる。上側クラッド層34および下側クラッド層35の屈折率は活性層33の屈折率に対して低くなるよう材料選択されており（一例として5％低下）、活性層33にて発生した光は上下のクラッド層34、35との境界を反射しながら活性層33内を図中左右に進行する光波となる。
図中左右の端面は鏡面Ｍとなっており、活性層33はそれ自体で光共振器を形成するものとなる。活性層33内を左右に進行し、かつ左右両端の鏡面にて反射した光波は活性層33内で増幅され、最終的にレーザ光として図の右端（および左端）から放出される。この際、半導体レーザ20の共振器長とは図中の左右方向の長さＬである。
半導体レーザ20は半導体レーザ（ＬＤ： Laser Diode）駆動回路29により生成される駆動電流によって、出射波形が制御される。ＬＤ駆動回路29の駆動電流により、光ディスク１の記録に用いる記録パルスを生成する様子を図9A、９B,図10A、10Bを用いて説明する。
図9A、および図9Bが通常のＬＤ駆動電流とＬＤ出射波形を表し、図10A、および図10Bが緩和振動パルスを生成する際のＬＤ駆動電流とＬＤ出射波形を表す。駆動電流は、図9A、および図9Bに示すバイアス電流Ｉｂｉとピーク電流Ｉｐｅの２レベルに制御されている。なお、バイアス電流がさらに２つのレベル、あるいは、３つのレベルに細分化されて制御される場合もあるがここでは、説明の簡易化のため、バイアス電流Ｉｂｉとピーク電流Ｉｐｅがそれぞれ１レベルずつの場合を用いて説明する。
通常の記録パルス生成の場合、ＬＤ駆動回路29は、図9Aに示すように、半導体レーザ20がレーザ発振を開始する閾値電流Ｉｔｈよりもやや高いレベルに設定されたバイアス電流Ｉｂｉをまず生成し、半導体レーザ20を駆動する。その後、時刻Aにて、所望のピークパワーを得るためのピーク電流Ｉｐｅが印可され、一定時間、ピーク電流Ｉｐｅが印可されたのち、時刻Bにて再度、バイアス電流Ｉｂｉへと引き下げられる。このときの、半導体レーザ20の出射光強度の時間変化を図9Bに示す。
図9Bに示すように、バイアス電流Ｉｂｉにより駆動されている時刻Ａまでは出射光強度は光ディスク１へデータ記録が不可能な極く低いパワーであるが、ピーク電流Ｉｐｅが印可されるとともに、記録パワーまで強度が引き上げられ、時刻Bにて駆動電流がバイアス電流Ｉｂｉレベルまで引き下げられるまでこのレベルを維持する。時刻B以降は出射光強度が再び低パワーとなる。こうして時刻AからBまでの期間に記録パルスが出射されるように半導体レーザ20は制御されることとなる。
より詳細に出射光強度を観測すると、時刻Aにおいて強度が記録パワーまで引き上げられた際に、定常の記録パワーに安定するまでに、強度が瞬間的に上昇して低下する様子が伺える（図中の矢印部分）。これが、半導体レーザ20の緩和振動によるものであり、通常の記録パルス生成においては、この緩和振動がなるべく小さくなるように制御を行なう。
緩和振動とは、このように半導体レーザにおいて、駆動電流があるレベルから、閾値電流を大きく超える一定のレベルまで急激に上昇した際に生ずる、過渡的な振動現象である。緩和振動は、振動を繰り返す毎に小さくなり、やがて振動は治まる。
本実施形態に係る光記録装置においては、この緩和振動を積極的に記録に利用するものである。緩和振動を記録パルスとして用いる場合には、図10Aに示すように、ＬＤ駆動回路29は半導体レーザ20の閾値電流Ｉｔｈより低いレベルに設定されたバイアス電流Ｉｂｉをまず生成し、半導体レーザ20を駆動する。
その後、時刻Ａにて、通常の記録パルス生成よりも、早い立ち上がり時間で、急激に駆動電流をピーク電流レベルＩｐｅまで引き上げ、通常の記録パルス生成よりも短い時間ののち、時刻Ｃにて再度、バイアス電流Ｉｂｉへと引き下げられる。このときの、半導体レーザ20の出射光強度の時間変化を図10Bに示す。
図10Bに示すように、閾値電流Ｉｔｈより低いバイアス電流Ｉｂｉにより駆動されている時刻Ａまでは、半導体レーザ20はレーザ発振を開始しておらず、無視レベル程度の発光ダイオードとしての光出射がある程度である。その後、時刻Aにて急激な電流印可に伴い、緩和振動が開始され、出射光強度は急激に上昇する。その後、印可電流が再度閾値電流以下に戻される時刻Cまでの間、緩和振動による光出射が持続する。この例の場合、緩和振動の２周期目のパルスが生成されたタイミングで時刻Cに到達し、記録パルス生成が終了している。
このように、緩和振動によるパルスは、通常の記録パルスに比べて、非常に短い時間で出射光強度が上昇し、半導体レーザの構造によって決まる一定の周期で出射光強度が低下するという特徴を持っている。したがって、緩和振動によるパルスを記録パルスに用いることにより、通常の記録パルスでは得られない、短い立ち上がり・立下り時間を持ち、かつ強いピーク強度を持った短パルスを得ることが可能となるのである。
一般的に知られた関係として、ＬＤの共振器長Ｌと緩和振動周期Ｔには以下の関係がある。
Ｔ ＝ ｋ・｛２ ｎＬ ／ｃ｝ …（１）
ここで、ｋは定数、ｎは半導体レーザの活性層の屈折率、ｃは光速（３．０×１０８ （ｍ／ｓ））である。したがって、ＬＤ共振器長Ｌと緩和振動周期Ｔ、ひいては、緩和振動パルス幅は、比例関係にあることが分かる。
このことから、緩和振動パルス幅を長くしたい場合は、ＬＤ共振器長Ｌを長く、緩和振動パルス幅を短くしたい場合には、ＬＤ共振器長Ｌを短くすればよいことになる。すなわち、緩和振動パルス幅はＬＤ共振器長Ｌによって制御可能であると言える。
図11は、共振器長Ｌが650μｍの半導体レーザによる緩和振動波形の計測結果である。緩和振動パルス幅は半値全幅でおよそ81psであることが分かる。上述の式（１）から、ＬＤの共振器長Ｌと緩和振動パルス幅は比例関係にあることが判っていることから、半導体レーザの共振器長Ｌと得られる緩和振動パルス幅（ＦＷＨＭ）Ｗｒの変換式として以下の関係が得られる。
Ｗｒ （ｐｓ） ＝ Ｌ （μｍ） ／ ８．０ （μｍ／ｐｓ）…（２）
次に、本実施形態に係る光記録装置における光記録媒体へのデータの記録について述べる。光ディスク1は例えば、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＨＤ ＤＶＤ−ＲＷ、ＨＤ ＤＶＤ−ＲＡＭといった書換え形ディスクであり、記録層に本発明による相変化材料を用いている。相変化形光ディスクでは、データビットの記録と消去とは記録層に集光されるパルス状のレーザ光の強度を制御することによって行なわれる。
記録は、記録層の結晶状態に初期化された領域にアモルファスのマークを形成することを意味する。アモルファスマークは、相変化材料が溶融し、直後に急冷されることにより形成される。このためには、比較的短くて高いパワーのパルス状レーザ光を相変化記録層に集光し、局所的な温度を相変化材料の融点Ｔｍを超える温度にまで上昇させて、局所的な溶融を生じさせる必要がある。その後、記録パルスが途切れると溶融した局所領域は急激に冷やされ、溶融−急冷過程を経た固体のアモルファスマークが形成される。
一方、記録されたデータビットの消去は、アモルファスマークを再結晶化することにより行なわれる。結晶化は、今度は局所的なアニーリングにより実現される。記録層にレーザ光を集光し、記録パワーよりやや低いレベルに制御することで、相変化記録層の局所的な温度を結晶化温度Ｔｇ以上にまで上昇させるとともに、融点Ｔｍよりは低い温度に保つ。
このとき、一定の時間に渡り、局所的な温度を結晶化温度Ｔｇと融点Ｔｍとの間に保つことで、アモルファスマークを結晶状態に相変化させることが出来る。こうして記録マークの消去が可能となるのである。
なお、このとき結晶化するのに要求される、結晶化温度Ｔｇと融点Ｔｍとの間に保つべき時間を結晶化時間と呼ぶ。記録されたデータビットの再生には、記録層を相変化させない程度に低いパワー、すなわち再生パワーのＤＣレーザ光を情報記録層に照射する。
本実施形態に係る光記録装置では、データビットの記録に用いる記録パルスを緩和振動パルスのような短パルスとすることを特徴としている。従来の記録パルスによって形成されたアモルファスマークは上述のように相変化材料の溶融−急冷過程を経て形成される際、図12Aに示すようにアモルファスマークの周縁部に再結晶化の環状領域（再結晶化リング）を生ずる。
これは、アモルファスマークの周縁部で一旦溶融された領域が冷却過程で結晶化温度Ｔｇと融点Ｔｍとの温度領域を結晶化時間以上経ることで、再結晶化されたものである。これは、アモルファスマークのサイズを結果的に小さくする効果（セルフシャープニング効果）があるものの、マーク周縁部での再生信号のジッタ（ゆらぎ）や、トラック上の前後のマーク同士の熱的干渉や、隣接トラックに形成されたマークの部分的消去（クロスイレーズ）を引き起こす場合がある。
一方、本実施形態に係る光記録装置の緩和振動パルスのような短パルスを、本発明による共晶系相変化材料からなる記録層に照射して形成されたアモルファスマークは図12Bのように、アモルファスマークの周縁部に再結晶化リングを生じない。これは、短パルスにより短時間に高いパワーのレーザ光を照射することで、レーザ光照射直後に相変化層を溶融させ、溶融領域が熱伝導により周縁部に有意に広がる前に照射を終了させることにより、レーザ光照射直後の溶融部のみをアモルファスマーク化することによるものである。本来共晶系材料は結晶化速度が非常に速いため従来の記録方法ではアモルファスマーク周縁部に大きな再結晶化リングが形成されるが、本実施形態に係る短パルスで記録することによってのみ最結晶化リグがないアモルファスマークを形成することが出来る。
このように、短パルスによる再結晶化リングを生じないアモルファスマークでは、マーク周縁部のジッタが低減することや、トラック上の前後のマーク同士の熱的干渉によるマーク変形やエッジシフトや、隣接トラックに形成されたマークのクロスイレーズが生じないといった利点がある。
勿論、短パルスによる記録には上記のような記録マークの質的向上といった利点があると共に、短時間にマークを記録出来ることから、高転送レート記録に適しているという利点があることは言うまでもない。
光ディスクにおいて、大容量化と共に、高転送レートに対する要求は強く、ＨＤ ＤＶＤ−ＲやＨＤ ＤＶＤ−ＲＷでも、標準の１倍速（線速度 ６．６１ｍ／ｓ）に対して、２倍速の規格が既に発行されている。今後も、４倍速や８倍速といった高倍速化が期待されている状況である。
高転送レートを達成するためには、記録マークを高速に、すなわち短時間に記録する必要がある。相変化形ディスクでは、これはとりもなおさずアモルファスマークを短パルスにより記録することを意味する。例えば、ＨＤ ＤＶＤでは、８倍速になるとチャネルクロックレートは、518.4Mbpsとなり、１チャネルビットに相当する時間は1.929nsとなる。
本実施形態に係る光記録装置で言う短パルス記録に要求されるパルス幅は、アモルファスマーク形成時に再結晶化リングを生じないようなパルス幅である。アモルファスマーク形成時に再結晶化リングとなる領域は、上述のようにアモルファスマーク周縁部で一旦溶融された、すなわち、相変化材料の融点を超えた、領域である。このとき、融点をわずかに超えた領域のみが、再結晶化される。
なぜなら、融点を大きく超えた温度まで昇温された領域は、温度低下の勾配が大きく、比較的急峻に冷却されるため、アモルファス化されるからである。これは、温度勾配δＴ／δｘ と、熱流量密度 ｑ（Ｗ／ｍ２）との良く知られた関係（フーリエの熱伝導則）ｑ＝Ｋ・δＴ／δｘ から分かるように、温度勾配が大きいほど、温度が高い領域から低い領域への熱流量が大きくなるからである。ここでＫ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は熱伝導率、ｘは温度差を持った界面での熱伝導の方向（界面の法線ベクトル方向）の距離である。
短パルス記録の場合、レーザ光照射直後に光スポット中央部が融点を超えるように、高いパワーのレーザ光を照射する。図13は、記録トラック上の温度分布を説明する図であり、上段が記録パルス照射直後のトラック上の融点超過領域、中段が記録パルス終了時の融点超過領域、下段が中段のＡ−Ａ’断面での温度分布を表している。
図13が短パルス記録の場合、図14が従来の記録パルスによる記録の場合を表している。なお、本来は、記録ビームスポット（図13で破線で表した領域）は、パルス照射中に図の上下方向に移動するが、この例では説明の簡易化のため、移動しないものとした。
いずれの記録パルスの場合も、パルス照射直後からパルスが終了するまでの間に、光スポット中央の融点を超えた領域は、伝熱により拡大する。しかし、短パルスの場合は、パルス照射時間が短いため、ほとんど拡大しない。
短パルス記録の場合、パルス終了時の光スポット中央を含む断面における温度分布は、光ビーム照射直後とほぼ同一のガウス分布形状となっており、融点以上と融点以下の境界前後では急峻な温度勾配となっている。このため、再結晶化する領域、すなわち融点をわずかに超える範囲の領域（図中、融点Ｔｍと温度Ｔｍ２との間の温度を持つ領域）は、平面方向にはほとんど広がりを持っていない。したがって、伝熱による光スポット中央の融点以上の領域の拡大が無視できる程度の時間でレーザパワーが０となれば、再結晶化リングはごく狭い領域に限られることとなる。
一方、従来の記録パルスによるマーク形成の場合、比較的低いパワーを長時間照射するため、光スポット中央の融点を超える領域は徐々に拡大していく（図14上段から中段）。この際、光スポット中央を含む断面における温度分布はもはやガウス分布ではなく、よりなだらかな温度勾配を有する形状となる（図14下段）。
このため、再結晶化する領域は、平面方向に比較的大きな広がりを持つこととなる。図７B中段の破線は再結晶化限界を示しており、この破線の内部がアモルファスマークとなる領域である。このように、従来の記録パルスでは、マーク形成時に大きな再結晶化リングを伴うこととなる。
この再結晶化リングの平面方向の幅は、パルス照射時間における融点領域の平面方向の拡散距離とほぼ同様になると考えられる。一般的な相変化材料として、熱伝導率Ｋ＝０．００５ Ｊ／ｃｍ／ｓ／℃、 比熱 Ｃ＝１．５ Ｊ／ｃｍ３／℃、とすると、パルス照射時間内における熱拡散距離を推定することが出来る。時間ｔの間に、熱は距離Ｌ ＝ （Ｋｔ／Ｃ）１／２だけ拡散すると考えられることから、再結晶化リングの領域が、ＨＤ ＤＶＤ−ＲＷの最短マーク長０．２０４μｍの１０％以下の範囲に限られる、すなわち、一方向で、10.2nm以下の範囲に限られるためには、パルス照射時間は0.44nsとなる。これが、短パルス記録に要求されるパルス幅と言える。
既に述べたように、半導体レーザの共振器長Ｌと得られる緩和振動パルス幅Ｗｒの関係として式（２）が得られていることから、短パルス記録には、440ps以下のパルス幅を用いること、すなわち、共振器長3520μｍ以下の半導体レーザを用いる必要があることが分かった。
一方、再結晶化リングを縮小する観点から言えば、パルス照射時間は短いほど良いことになるが、現実には相変化材料を融点以上に昇温するためのエネルギーを与えるのが困難になる。すなわち極めて高いパワーを短時間に照射する必要が生じる。したがって、現実的にはパルス照射時間は50ps程度以上は必要と考えてよい。これは、式（２）の関係を用いると、共振器長400μｍ以上の半導体レーザが必要となることに相当する。
式（２）から分かるように、緩和振動パルスを光ディスク１への情報記録に用いるとき、光記録装置に用いる半導体レーザ20の共振器長が決まると、緩和振動パルス幅が一意に決まることになる。上述したように、パルス幅が短い場合には、高いパワーを照射することで相変化材料を融点以上に昇温することになるが、半導体レーザ20の最高パワーで照射しても融点以上に達しない場合もある。このような場合には、緩和振動パルスを複数回照射することが有用である。
図15は、緩和振動パルスが３回発生するように、半導体レーザ20の駆動パルスを制御した場合の、光パルス波形である。緩和振動パルスを３回発生させることでパルスによる照射エネルギー（図中のパルスによる時間積分値）が増加することで、相変化材料を融点以上に上昇させることが可能となる。しかし、図からわかるように、１回目の緩和振動パルスに比べて、２回目、３回目のパルス強度が徐々に低下する。このため、これ以上の複数回のパルスの照射は、余り有効でない。
このように、半導体レーザ20の緩和振動パルスを用いて光記録媒体にデータを記録する光記録装置では、レーザの共振器長に応じて、緩和振動パルスのパルス数を加減することが必要となる。また、半導体レーザの定格出力が低いレーザを用いる場合にも、複数回の緩和振動パルスを用いることは有用である。
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上述の実施例では、相変化材料を用いた書換え形光ディスクを例に用いたが、これは例えば１回記録形（追記形）の光ディスクであっても、本発明は適用可能である。
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
Figure 2009181649
Figure 2009181649
発明の一実施形態に係る情報記録媒体における記録マークとトラックの関係を模式的に示した図。 発明の一実施形態に係る情報記録媒体の一部を示す断面図。 発明の一実施形態に係る情報記録媒体の一部を示す断面図。 発明の一実施形態に係る情報記録媒体における記録消去に用いた記録ストラテジを示す図。 発明の一実施形態に係る情報記録媒体に対する記録時のパルス幅TWを変化させたときのPRSNRの関係を示す図。 発明の一実施形態に係る情報記録媒体に対する記録において、線速度ごとのパルス幅TWを変化させたときのPRSNRの関係を示す図。 本発明の一実施形態に係る光記録装置の構成例を概略的に示す図。 本発明の一実施形態に係る光記録装置における光源に用いる半導体レーザの一例を示す図。 通常の記録を行う際の半導体レーザの駆動電流の波形の一例を示す図。 通常の記録を行う際の半導体レーザの出射波形の一例を示す図。 緩和振動パルスを生成する際の半導体レーザの駆動電流の波形の一例を示す図。 緩和振動パルスを生成する際の半導体レーザの出射波形の一例を示す図。 共振器長が６５０μｍの半導体レーザによる緩和振動波形の計測結果の一例を示す図。 従来の記録パルスにより形成されたアモルファスマークについて説明するための図。 短パルスにより形成されたアモルファスマークについて説明するための図。 短パルス記録の場合の記録トラック上の温度分布の一例を説明するための図。 従来の記録パルスによる記録の場合の記録トラック上の温度分布の一例を説明するための図。 緩和振動パルスが３回発生するように、半導体レーザの駆動パルスをした場合の光パルス波形の一例を示す図。
符号の説明
ＷＲ…再結晶化幅、ＷＡ…記録マーク幅、ＴＰ…トラックピッチ、１…情報記録媒体、２…基板、３…光学干渉層、４…相変化記録層、５…光学干渉層、６…反射層。７…紫外線硬化樹脂層、８…基板、２０…半導体レーザ光源、２１…コリメートレンズ、２４…対物レンズ、２６…光検出器、２７…演算回路、２９…半導体レーザ駆動回路、Ｌ…共振器長。

Claims (9)

  1. 光照射によって情報を記録層に記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体において、
    光照射によって前記記録層に形成されたアモルファス記録マーク周辺の再結晶化幅WRと記録マーク幅WA及びトラックピッチTPが1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<4/3を満たすことを特徴とする情報記録媒体。
  2. 情報が記録される前記記録層がSbとTe、Ge、Bi、Sn、Ga、Inから選ばれる少なくとも一つを組み合わせた材料を含むことを特徴とする請求項1記載の情報記録媒体。
  3. 前記記録マークは、情報を記録するに際してパルス幅200ps以上1ns以下の短パルス半導体レーザーで照射されて形成されることを特徴とする請求項1記載の情報記録媒体。
  4. 前記記録マークは、情報を記録するに際してパルス幅200ps以上1ns以下の短パルス半導体レーザーで照射されて形成されることを特徴とする請求項2記載の情報記録媒体。
  5. 光照射によって情報を記録層に記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体において、
    前記記録層に情報を記録するに際してパルス幅200ps以上1ns以下の短パルス半導体レーザーを照射することを特徴とする情報記録方法。
  6. 前記相変化材料は、情報が記録される前記記録層がSbとTe、Ge、Bi、Sn、Ga、Inから選ばれる少なくとも一つを組み合わせた材料を含むことを特徴とする請求項５記載の情報記録方法。
  7. 光照射によって情報を記録層に記録・再生・消去する相変化材料を用いた情報記録媒体において、前記記録層に対して情報を記録・再生・消去するに際してパルス幅200ps以上1ns以下の短パルスで前記記録層を照射するように半導体レーザーを制御する手段を有する情報記録再生装置。
  8. 前記半導体レーザによる照射によって前記記録層に形成されたアモルファス記録マーク周辺の再結晶化幅WRと記録マーク幅WA及びトラックピッチTPが1.0<WR/WA<1.1且つ2/3<WA/TP<4/3を満たすことを特徴とする請求項7記載の情報記録再生装置。
  9. 前記相変化材料は、情報が記録される前記記録層がSbとTe、Ge、Bi、Sn、Ga、Inから選ばれる少なくとも一つを組み合わせた材料を含むことを特徴とする請求項７記載の情報記録再生装置。
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