JP2010506343A - 超解像近接場構造を伴うマスク層を備える光学記憶媒体 - Google Patents

Abstract

本発明による光学記憶媒体は、超解像近接場構造としてマスク層（２）を使用し、前記マスク層は、ドープされた半導体物質を備える。半導体物質は、レーザービームを照射されたとき、特に半導体物質の反射率が増加するようｎドープされる。半導体物質として有利に、インジウム合金およびドーピング物質としてセレンまたはテルルを使用することができる。それぞれの光学記憶媒体の製造のために、マスク層として前記ドープされた半導体物質を堆積するスパッタリング法を、使用することができる。スパッタリング法において、ドーパントは半導体のスパッタリングターゲットにすでに含まれる。

Description

本発明は、超解像近接場構造を伴うマスク層を備える光学記憶媒体およびそれぞれの光学記憶媒体の製造方法に関する。この種の記憶媒体は、例えば、家電製品用アプリケーションと共に用いられるようなデータの格納および記録のために使用することができる。

超解像近接場構造（Super-RENS）を有する光学記憶媒体は、通常の光学記憶媒体と比較して、１つの次元につき３倍まで、光学記憶媒体のデータ密度を増加させる可能性を提供する。これは、いわゆるSuper-RENS構造により可能となる。このSuper-RENS構造は、光学記憶媒体のデータ層の上に置かれ、光学記憶媒体からの読み出しおよび／または光学記憶媒体への書き込みに使用される光スポットの実効サイズを著しく減少させる。超解像層は、簡易化された図でマスク層とも一致する。なぜならば、マスク層は、データ層の上に置かれ、レーザービームの高強度の中心部分だけがSuper-RENS構造を貫通することができるからである。しかしながら、レーザービームの中心点における反射率が増加する他の種類のSuper-RENS層も知られている。

光学的回折限界を超えた小さいマークを記録および取り出すための超解像近接場技術は、非特許文献１に記載されており、超解像層としてＳｂ薄膜を用いることが記載されている。

未来の光学記憶媒体のため現在開発中のSuper-RENS層は、マスク層およびそれぞれの周囲の保護層を加熱するため高レーザーパワーを必要とするという欠点を有する。

Super-RENS光学記憶媒体のマスク層として、ＺｎＯなどの半導体物質も使用することができることが知られている。Super-RENS層のこの種の半導体物質は、非特許文献２により説明される。タカモリ他は、ＲＯＭタイプの基板上に堆積した活動層として、ＺｎＯを有するSuper-RENSディスクについて説明し、温度上昇がＺｎＯの透過率を局所的に増加させることができることを示す。従って、回折限界より下での検出が可能な近接場相互作用をトリガーする。

非特許文献３、および非特許文献４の記事では、半導体特性のマスク層が提示され、この半導体特性のマスク層内で、自由キャリアのフォト生成を通じて屈折率の局所的変化を得ることができる。データ層のリードアウトの間の温度分布に関する情報を提供するために、熱の説明が与えられる。

特許文献１では、Super-RENSのマスク層を備える光学ディスクは、半導体のフィルムを備えることが説明される。この半導体のフィルムは、半導体に混合されたコンタミネーションまたはマトリクス材を有することができ、このコンタミネーションまたはマトリクス材は、％で２０より多くない。Super-RENSの検出は、入射するレーザービームによる放射での半導体層の吸収飽和により増加させられた、マスク層の透過率の増加に基づく。このマスク層は、不純物を含むことができる。この不純物が、エネルギーギャップをシフトさせて、ある波長に対し効率的な吸収を得ることができるようにする。アクセプターレベルを与える、Ｂｅ、またはドナーレベルを与える、ＴｅでＧａＰ層をドープする場合、ＧａＰ層をSuper-RENS層として利用することができる実施形態が説明される。これは、６５０ｎｍの波長を有する再生ビームを使用する場合に、電子励起を与えることで、ＧａＰ層の吸収飽和を可能にする。吸収飽和を与えるために、比較的高いレーザーパワーが求められる。例えば、パルス状のレーザー光源を使用する場合、１．３ｍＷである。

米国特許出願公開第２００３／１９３８５７号明細書

Tominaga, Nakano and Atoda、「An approach for recording and readout beyond the diffraction limit with an Sb thin film」、Applied Physics Letters、12 October 1998、Vol.73、no.15 Takamori et al、「Energy-Gap-Induced super-Resolution Optical Disk using ZnO Interference film」、Japanese Journal of Applied Physics、2005、Vol.44、no.5b、p.3627-3630 Hyot et al、「Phase change materials and Super-RENS」、Technical Digest、Cambridge、2005、E*PCOS 05 Pichon et al、「Multiphysics Simulation of Super-Resolution BD ROM Optical Disk Readout」、2006IEEE、0-7803-9494-1/06、p.206-208

本発明の目的は、容易に製造することができ、特により低いレーザーパワーで使用することができる、超解像近接場構造を有するマスク層を備える光学記憶媒体を提供することである。

この目的は、請求項１に記載されるような特徴および請求項８に記載されるような光学記憶媒体の製造方法によって、光学記憶媒体に対し達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属項に記載される。

本発明による光学記憶媒体は、超解像近接場構造としてマスク層を使用する。このマスク層は、ドープされた半導体物質を備える。この半導体物質は、固体内の自由電子のドルーデモデルに従って、レーザービームで照射されたときに高い反射率係数を提供するために、半導体物質の反射率を増加させるよう、特にｎドープされる。

半導体物質として、有利にインジウム合金を、ドーピング物質としてセレンまたはテルルを使用することができる。測定されたデータは、セレンまたはテルルがドープされた半導体マスク層を使用する場合、レーザーパワーが増加するにつれて典型的には約２倍の反射率変化を得ることができることを示す。他のドープされた半導体物質でさえ、より高い反射率変化を与えることができる。

それぞれの光学記憶媒体の製造のため、マスク層としてドープされた半導体を堆積するスパッタリング法を用いることができる。このスパッタリング法において、ドープされた半導体物質は好ましくはＩｎＳｂであり、ドーパントは半導体のスパッタリングターゲットにすでに含まれている。

光学記憶媒体は、特に、マスク層として超解像近接場構造（Super-RENS）を備える光学記憶ディスクである。このようなマスク層は、ドープされた半導体物質を用いた場合、容易に製造することができ、適切なドネーションを用いることにより、他のSuper-RENS記憶媒体と比較すると、データの書き込みおよび読み出しのためのより低いレーザーパワーが可能なように思われる。

本発明の好ましい実施形態が、概略図を参照して、例として、以下でより詳細に説明される。

ＩｎＳｂ層に関する自由キャリア濃度の関数として計算された反射率係数を示す図である。 ＩｎＳｂ層に関する自由キャリア濃度の依存状態での吸収係数の計算を示す図である。 レーザーパワーおよび半導体のドーピング濃度の依存状態でのｎドープされた半導体の反射率の計算を示す図である。 マスク層としてドープされた半導体層を備える光学記憶媒体の簡易化された横断面図を示す図である。 異なるテルル濃度を持つドープされた半導体マスク層に対するレーザーパワーの関数としての反射率の測定値を示す図である。 異なるセレン濃度を持つドープされた半導体マスク層に対するレーザーパワーの関数としての反射率の測定値を示す図である。

薄い半導体層の反射率Ｒは、自由キャリア濃度および厚さの関数である。自由キャリア濃度を、固体内で自由電子のドルーデモデルを用いることで計算することができる。厚さｄを伴う半導体の層に対し、自由キャリア濃度Ｎを次式で書くことができる。

αは物質の吸収係数である。自由キャリア濃度の関数として生じる反射率Ｒが図１にＩｎＳｂ層に関して示される。図に示すように、自由キャリア濃度のある閾値より上で、反射率は、ほとんど一つのレベルに上昇する。

吸収係数αと自由キャリア濃度Ｎとの間の依存性は、図２に示される。これは、ＩｎＳｂ層に関して自由キャリア生成Ｎ₀の関数として、計算された吸収係数αを示す。このように、増加するαに従って、自由キャリア濃度は高められる。

半導体がドープされた場合、吸収係数αはずっと高く、また自由キャリア生成Ｎ₀も対応してより高いので、半導体層の反射率は高められる。加えて、特に、照射されたとき初めに内在するキャリア濃度Ｎから濃度Ｎ’へのレーザー吸収により、自由キャリア濃度を、高めることができる。これは図３に示され、幾つかのドーピング濃度に対して、レーザーパワーの関数として反射率Ｒがプロットされる。

半導体物質は、自由キャリア濃度Ｎを表す自由電子の数を増やすために、特に、ｎドープされる。ドーピングが１０²⁴ｍ^-3の値に増加したとき、比較的低いレーザーパワーを用いた場合でさえ、高い反射率係数を得ることができる。次いで、より低いレーザーパワーですでに近接場Super-RENS効果を誘引することを期待でき、そのため、ディスク内で熱放散を制限する。図３に見られるように、Ｎ₀＝１０²⁴ｍ^-3の濃度でのドーピングは、０．２から０．４任意単位へレーザーパワーを増加するときに約０．２から０．８へ反射率係数の変化を与えるために十分である。

従って、光学記憶媒体からデータを読み出すレーザーパワーを調整して、レーザービームの小さい中心部分に対してのみ、高い反射率を得ることができる。故に、レーザービームの外側部分の低い反射率を有する。これは、超解像近接場効果によって、センタービームのみがデータ層と相互作用する、という効果を有する。従って、これにより、加えられるレーザービームの回折限界より下にリードアウトのスポットサイズを大幅に減少させることができる。従って、すでに１ｍＷより下のレーザーパワーは、適度な線速度で、Super-RENS光学記憶媒体を読み出すのに十分であることが予期される。

半導体物質の十分に高いドーピングを用いることにより、レーザーパワーおよびこれによる光学記憶媒体の熱放熱を大幅に減少させることができる。これは特に、従来技術のSuper-RENS光学記憶媒体に対して必要なマスク層の加熱効果によってではなく、外側のレーザービームに関する内側のレーザービーム部分へのマスク層の反射率の変化によって、Super-RENS効果が与えられるからである。

それぞれの光学記録媒体の単純化された構造が、図４に横断面図で示される。マークおよびスペースを有するデータ情報は、プラスチック基板１にピット構造としてエンボス加工される。基板１の上に、マスク層２としてSuper-RENS層が配置され、マスク層は、例えば、インジウム‐アンチモニド合金、ＩｎＳｂ、半導体を備え、ｎドープされる。物質ＺｎＳ：ＳｉＯ２から成る、基板１とマスク層２との間に第１の保護層３およびマスク層２の上に第２の保護層４を配置することができる。保護層４の上にカバー層５が配置される。

インジウム‐アンチモニド層２をｎドープするための物質として、例えば、セレンすなわちＳｅ、テルルすなわちＴｅを使用することができる。ＩｎＳｂの代わりに、例えば、それぞれにドープされた、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの他のインジウム合金の半導体物質も使用することができる。特に、１ｅＶ未満のバンドギャップを有する３‐５族の半導体の物質が有利である。とりわけ、ＩｎＡｓ（０．３５４ｅＶ）、ＩｎＳｂ（０．１７ｅＶ）、ＧａＳｂ（０．７２６ｅＶ）の場合である。前に述べたように、低いバンドギャップは、レーザービームを照射されたとき、高い自由キャリア濃度、および、これによる高い反射率係数を提供する。

図４に示される光学記憶媒体は、次のステップにより製造することができる。すなわち、読み出し専用ディスク、ＲＯＭディスクの場合においては、ピット構造がプラスチック基板１にエンボス加工またはモールド加工される。次いで、層３、２、および４が、物質ＺｎＳ−ＳｉＯ２、ｎドープされたＩｎＳｂ、および再度ＺｎＳ−ＳｉＯ２をスパッタリングすることにより、多層として、層１の上に堆積される。次のステップでは、カバー層５が光学記憶媒体に対し加えられる。ドープされた半導体層３を提供するために、ドーピング物質を、例えばＩｎＳｂのスパッタリングターゲット等の半導体のスパッタリングターゲット内に前から含むことができる。スパッタリングターゲットに対し選択されたドーピング濃度を、次に、マスク層４へ容易に伝達することができる。

実験データは、低いレーザーパワーでの初めの反射率に比べて、レーザーパワーの増加と共に、２倍の反射率係数の変化を示す。異なるＴｅドーピング濃度に対しレーザーパワーの関数として反射率Ｒを％で示す図４、および異なるＳｅドーピング濃度に対しレーザーパワーの関数として反射率Ｒを％で示す図５に示されるように、反射率のジャンプは、ドーパント濃度が増加する場合に、より低いレーザーパワーの方へシフトさせられる。より高いドナー濃度で、特にＴｅドーピングに対し、もはや著しい反射率のジャンプは見られない。

上述のように、図３に示すように光学記憶媒体の読み出しに対し、レーザーパワーを調整して、レーザービームの中心部分だけが、マスク層２の反射率を実質的に増加させるのに十分な、強度を有するようにする。次に、センタービームによって増加した数のキャリアだけが、マスク層２と接近して配置されるデータ層１のトラックのマークおよびスペースとともに、近接場相互作用を生成する。近接場相互作用は、マスク層２の下の基板１のピット構造およびランド構造に強く依存する。レーザービームの中心部分の反射率は、従って、対応するトラックのピット構造によって変調される。

マスク層２のSuper-RENS効果は、ドープされた半導体物質の反射率の変化に基づくので、マスク層２の実質的な加熱は必要なく、それぞれに発生しない。このことは、ディスクの寿命およびレーザーの寿命をも増加させ、それぞれ光学データ読取機または光学データ記録機の電力消費をそれに応じて減少させることができる、という利点を有する。特にｎドーピングを用いることにより、半導体物質の高い反射率を提供する自由キャリアの生成を、実質的に増加させることができる。

本発明の趣旨および範囲から逸脱しなければ、本発明の他の実施形態も、当業者によって作成することができる。それゆえ、本発明は本明細書に添付された特許請求の範囲に存する。

Claims (9)

1. 超解像近接場構造を有するマスク層（２）を備える光学記憶媒体であって、前記マスク層は、レーザービームで照射されたとき、前記マスク層の反射率が増加するように選択されたドーパントを有する、ｎドープされた半導体物質を備えることを特徴とする光学記憶媒体。
2. 請求項１に記載の光学記憶媒体において、前記半導体物質は、１ｅＶ未満のバンドギャップを有する３‐５族半導体のうちの一つであることを特徴とする光学記憶媒体。
3. 請求項２に記載の光学記憶媒体において、前記半導体物質は、例えばＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、またはＩｎＳｂのインジウム合金を備えることを特徴とする光学記憶媒体。
4. 請求項２に記載の光学記憶媒体において、前記ドープされた半導体物質は、例えばＧａＳｂのＧａ合金を備えることを特徴とする光学記憶媒体。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の光学記憶媒体において、前記半導体物質のドーパントは、セレンまたはテルルであることを特徴とする光学記憶媒体。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の光学記憶媒体において、前記半導体物質は、可視域内の波長を有するレーザービームで照射されたとき、前記半導体物質の反射率を少なくとも２倍に増加させるように、ｎドープされることを特徴とする光学記憶媒体。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の光学記憶媒体において、基板層（１）と、マスク層（２）としてSuper-RENS層と、前記基板層（１）と前記マスク層（２）との間に第１の保護層（３）と、前記マスク層（２）の上に第２の保護層（４）と、前記保護層（４）の上にカバー層（５）とを備えることを特徴とする光学記憶媒体。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の光学記憶媒体を製造するための方法であって、前記ドープされた半導体物質を堆積するためのスパッタリング法を使用するステップを備えることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記半導体物質はＩｎＳｂであり、前記ドーパントは半導体のスパッタリングターゲットにすでに含まれているセレンまたはテルルであることを特徴とする方法。

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