JP3854569B2 - 半導体探針を用いた情報貯蔵装置 - Google Patents
半導体探針を用いた情報貯蔵装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査探針を用いて記録媒体に情報の記録／再生を行う情報貯蔵装置に係り、さらに詳細には強誘電性膜を備えた記録媒体情報の記録／再生を行う情報貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯用通信端末機、電子手帳などの小型製品への需要の増加に伴って、超小型高集積非揮発性記録媒体の必要性が高まっている。
このような状況のもと、現在のハードディスクのさらなる小型化やフラッシュメモリのさらなる高集積化は困難であるので、これらの代替記憶媒体として、走査探針を利用する記録媒体が注目され、種々の研究が行われている。
【０００３】
ここで、走査探針とは、走査貫通顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）、走査探針顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＰＭ）などにおいて用いられている探針のことである。
【０００４】
走査探針を利用して情報を記録する情報記録媒体には、強誘電体、強磁性体、熱可塑性、または熱硬化性樹脂などから構成される記録媒体が含まれる。
このような記録媒体に情報を記録する方法には、走査探針で記録媒体の強誘電体または強磁性体の磁化ドメインの極性を、電磁力を用いて反転させることで記録する方法、記録媒体に熱を加えて相転移を誘導して記録する方法、そして、マークを物理的に記録媒体に形成して記録する方法などがある。
【０００５】
また、記録媒体に記録された情報を再生する方法には、静電気力、静磁気力、圧電力などが探針に作用する力を感知して再生する方法、電気伝導度あるいは熱伝導度の差などの記録媒体の特性変化を感知して再生する方法などがある。
【０００６】
【特許文献１】
韓国特許公開公報 第２００１−１９８７１号公報
【０００７】
この、特許文献１には、強誘電体薄膜を用いた超高密度情報貯蔵装置が開示されている（図１参照）。
【０００８】
図１（ａ）には、この特許文献１に開示された超高密度情報貯蔵装置の構成が示されている。この図に示す超高密度情報貯蔵装置は、情報を貯蔵する記録媒体１１０と、この記録媒体１１０に記録された情報を読み出すヘッド部１２０と、ヘッド部１２０を制御する制御部１３０とから構成される。なお、この装置では、誘電分極の極性を、電気的信号を用いて分析する構成となっている。
ヘッド部１２０は探針部２５と、スキャナ２２とを備えており、制御部１３０はコントローラ３２と、コンピュータ３３と、ロックイン増幅器３１とを備えている。
【０００９】
図１（ｂ）に示すように、記録媒体１１０は、基板４１と、基板４１に積層された電極層４２と、電極層４２に積層された強誘電体膜４３とを備えている。
そして、図１（ｃ）に示すように、探針部２５は、深針４０ａと、この深針４０ａを支持するカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）４０ｂと，探針４０ａとカンチレバー４０ｂ間に設けられた圧電物質４５を備えている。
【００１０】
超高密度情報貯蔵装置では、強誘電体薄膜４３と探針４０ａとが接触した状態で、所定周波数の交流電圧を探針４０ａに印加する。そして、誘電分極間の電気力に起因した交流電圧による強誘電体薄膜４３の振幅の変化を増幅器３１を利用して増幅し、増幅したものを分析して情報を検出する。
【００１１】
このように、走査探針と記録媒体とが接触した状態で情報を再生する方法の場合、探針と記録媒体とが摩耗するという問題がある。
【００１２】
情報を再生するために圧電力を利用する方法では、探針を支持するカンチレバーの共振周波数（一般的に、１ＭＨｚ以下）が、情報を再生する速度を制限するという欠点がある。
【００１３】
特に、圧電力を利用して強誘電体のドメインの分極状態を感知する方法の場合、記録媒体から感知される信号を増幅するラックイン増幅器を設ける必要があるために、装置の小型化が困難である。
【００１４】
走査探針と記録媒体とが非接触状態で情報を再生する方法の場合は、探針と媒体表面との離間距離を一定に保持するために各探針ごとにフィードバック回路を設ける必要があり、情報貯蔵装置の小型化が困難である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、このような従来技術の問題点を改善することを目的とするものであり、再記録が可能な強誘電性媒体を含む記録媒体に対して、情報の記録／再生を高速で行うことのできる小型の情報貯蔵装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために本発明は、電極層、前記電極層上に積層された強誘電性膜及び前記強誘電性膜の表面に積層された半導体層を備えた記録媒体と、前記強誘電性膜に誘電分極を形成して情報を記録し、前記記録媒体とのｐ−ｎ接合構造を利用して前記強誘電性膜に形成された誘電分極から情報を再生する半導体探針を備えたヘッドとを含むことを特徴とする半導体探針を用いた情報貯蔵装置を提供する。
【００１７】
ここで、前記記録媒体の半導体層がｐ型半導体である場合、前記半導体探針はｎ型半導体よりなり、前記記録媒体の半導体層がｎ型半導体である場合、前記半導体探針はｐ型半導体よりなることが好ましい。
【００１８】
また、本発明では、前記探針は前記記録媒体と接触または非接触状態で情報を記録する構成、前記探針は前記記録媒体と接触して情報を再生する構成であることが望ましい。
なお、前記半導体層と前記半導体探針間の抵抗は前記強誘電性膜の極性により変わることが望ましい。
【００１９】
また、前記ヘッドは前記探針を支持するカンチレバーをさらに備えることが望ましい。そして、前記強誘電性膜は残留分極が１０μＣ／ｃｍ2以上であることが望ましい。
【００２０】
本発明は誘電分極を利用して情報の記録／再生を行う装置に係り、特に半導体を含む記録媒体と半導体探針とを利用してｐ−ｎ接合構造を形成して情報を高速で記録及び再生でき、接触式再生方式を選んでフィードバック回路を必要とせずに小型化が可能である。また、ｐ−ｎ接合構造の抵抗を簡単に測定して誘電分極を判断するので、ロックイン増幅器を別途に必要とせずに制御部を簡単に構成でき、誘電分極を利用して高集積度の非揮発性情報貯蔵を可能にする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体探針を用いた情報貯蔵装置の一実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
尚、以下の説明では、同一の構成要素に対しては同一の符号を付して説明する。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態における情報貯蔵装置の記録媒体１０の概略断面図である。
図２に示すように、本発明の実施形態に係る記録媒体１０は、電極層１５と、電極層１５の上に設けられた強誘電性膜１３と、強誘電性膜１３の上に設けられた半導体層１１とを備えて構成される。
【００２３】
本実施の形態において、強誘電性膜１３は、強誘電性薄膜、強誘電性厚膜、または強誘電性バルクといった強誘電性を備えた媒体である。
ここで、強誘電性物質としては、例えばＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ロッシェル塩、チタン酸バリウムなどの物質が挙げられる。これらの強誘電性物質は、それぞれ自発分極を有している物質である。
【００２４】
本発明に係る情報貯蔵装置においては、情報の記録／再生が容易に行えるように、強誘電性膜１３に残留する誘電分極の大きさは１０μＣ／ｃｍ2以上であることが望ましい。
【００２５】
図３は本実施の形態における情報貯蔵装置を示す概略図である。
この図には、記録媒体１０に情報を記録する際の電源２３と情報貯蔵装置の配置が示してある。
【００２６】
図３に示すように、本発明の実施の形態における情報貯蔵装置は、記録媒体１０と、半導体探針２１と、電源２３とを備えて構成される。
半導体深針２１は、情報を記録媒体１０に記録する。
電源２３は、探針２１と電極層１５に電圧（ゲート電圧）を印加する。
なお、本実施の形態では、情報記録媒体１０への情報の記録は、半導体探針２１と記録媒体１０とが、接触した状態で行われてもよいし、非接触の状態で行われてもよい。すなわち、半導体探針２１と記録媒体１０とが接触または非接触のいずれかの状態で、情報の記録媒体１０への記録が行われる。
接触と非接触のどちらの方式で情報を記録するかは適宜選択可能である。
【００２７】
半導体探針２１は、記録媒体１０の半導体層１１がｐ型半導体である場合には、ｎ型半導体より構成される。一方、記録媒体１０の半導体層１１がｎ型半導体である場合には、ｐ型半導体より構成される。
そして、半導体探針２１の形状は、半径５０ｎｍ以下の円錐形、ピラミッド形、または円筒形のうちのいずれかから適宜選択可能である。
【００２８】
この半導体探針２１を支持するために、本実施の形態における情報貯蔵装置にはカンチレバー（図示せず）がさらに設けられていることが好ましい。なお、半導体探針２１とカンチレバーには、伝導性向上と酸化防止のために、厚さ１０ｎｍ以下の金属伝導膜を塗布してあることがより好ましい。
【００２９】
本発明の実施形態による情報貯蔵装置は、記録媒体に情報を記録するために半導体探針２１に電圧を加えて、半導体探針２１の下に位置する強誘電性膜１３に所定の大きさの誘電分極を形成させる。この場合、誘電分極を形成することができるのであれば、半導体探針２１に電圧を印加する際に半導体探針２１と半導体層１１とは接触状態であっても良いし、非接触状態であっても良い。
誘電分極は、半導体探針２１と電極層１５間の電場により、強誘電性膜１３の表面に対して直交する方向に形成される。すなわち、電圧の極性に基づいて、上向き（↑）と下向き（↓）のうちのいずれか一方向の分極が形成される。この分極の方向に応じて情報「０」と「１」とが記録されることになる。
尚、図３には、共誘電性膜１３に上向きの分極が形成されていることが示してある。
【００３０】
図４は本実施の形態における情報貯蔵装置を示す概略図である。この図には、記録媒体に記録された情報を再生する際の、電源２３と情報貯蔵装置との配置が示されている。
【００３１】
本実施の形態における情報貯蔵装置を利用して記録媒体１０から情報を再生する場合、図４に示すように、半導体探針２１と半導体層１１とを接触させる。
この際、前述したように、記録媒体１０の半導体層１１がｐ型半導体である場合には、半導体探針２１は、ｎ型半導体より構成され、記録媒体１０の半導体層１１がｎ型半導体である場合には、半導体探針２１はｐ型半導体より構成されるので、ｐ−ｎ接合が、半導体深針２１と半導体層１１との間に形成されることになる。
そして、半導体探針２１と半導体層１１とに電圧を印加して、半導体探針２１と半導体層１１との間の抵抗値を測定する。その結果、強誘電性膜１３の半導体探針２１と接触する位置（領域）の誘電分極の方向を知ることができる。
【００３２】
ここで、半導体探針２１がｐ型半導体であり半導体層がｎ型半導体である場合に、半導体探針２１に正電圧が、半導体層に負電圧がそれぞれ印加されると、順方向バイアスが形成される。
この時、図４に示すような上向きの誘電分極が形成されている場合には、電流がよく流れない。一方、下向きの誘電分極が形成されている場合は、電流がよく流れる。
この際、電流がよく流れない場合の情報を「０」と、電流がよく流れる場合の情報を「１」とすることにより、「０」「１」情報の読み出しが行われる。
【００３３】
一方、半導体探針２１がｎ型半導体であり半導体層がｐ型半導体である場合に、半導体探針２１に負電圧が、半導体層に正電圧が印加されると、逆方向バイアスが形成される。
この場合に、上向きの誘電分極が形成されていると、上記の構造の場合とは逆に電流がよく流れる。この場合、情報は「１」を示す。
また、下向きの誘電分極が形成さえている場合は、電流がよく流れない。この場合、情報は「０」となる。
【００３４】
図５は誘電分極の方向によるｐ−ｎ接合におけるＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
図５において、ｇ１は分極方向が下向きの場合のＩ−Ｖ特性、ｇ２は参照曲線を、ｇ３は分極方向が上向きである場合のＩ−Ｖ特性を示す。
ｐ−ｎ接合部分の電圧がＶ0である時に分極方向が下向きである場合の電流はＩ1、参照曲線での電流はＩ2、分極方向が上向きである場合の電流はＩ3である。
【００３５】
各分極方向における抵抗値Ｒは、すなわち分極方向が上向きである場合の抵抗値と、分極方向が下向きである場合の抵抗値は、オームの法則（Ｖ＝Ｉ×Ｒ）により求められる。
なお、ここで参照曲線により算出される抵抗値（Ｒ2＝Ｖ／Ｉ2）を基準値とする。
ｐ−ｎ接合の所定の電圧を用いた半導体探針２１による記録媒体１０のスキャニングにより検出された電流値や、各ドメインの分極方向を判別する前記関係式から抵抗値を求めることができる。
【００３６】
すなわち、図５のｇ１において電流値がＩ1の場合、抵抗Ｒ1はＶ0／Ｉ1となり、ｇ３において電流がＩ3の場合、抵抗Ｒ3はＶ0／Ｉ3となる。
抵抗Ｒ1は抵抗Ｒ2より小さくなり、抵抗Ｒ3は抵抗Ｒ2より大きくなる（Ｒ3＜Ｒ1＜Ｒ2）ので、各抵抗値に「０」と「１」との情報を与えることで情報を検出できる。
【００３７】
この時、ｐ−ｎ接合に電圧がＶ1が与えられた場合、分極方向の違いによる電流値の差がほとんどないので、分極方向の判別が困難である。
一方、Ｖ0より大きい電圧であるＶ2をｐ−ｎ接合に与えた場合は、分極方向の違いによる電流値の差が大きくなるが、熱に起因する大量のエネルギ損失が生じてしまう。よって、ｐ−ｎ接合に加える電圧として適切な値を求めることが重要になる。
【００３８】
図６は、ｎ型半導体／金属／ｐ型半導体からなる積層構造のｐ−ｎ接合部に加えられる電圧値の変化に対するｐ−ｎ接合の電流値の変化を表す図である。
この積層構造は、本実施の形態に係る情報記憶装置の半導体探針２１と半導体層１１との間に形成されるｐ−ｎ接合とほぼ同様の構成となっている。
【００３９】
従来のｐ−ｎ接合では、この種のｐ−ｎ接合に特徴的な性質を有しており、ｐ型とｎ型双方の結晶領域を有する半導体を製造するために、半導体における不純物の比率が調節される。
【００４０】
しかしながら、本発明の実施の形態における情報貯蔵装置の探針２１と半導体層１１とが接触して形成されるｐ−ｎ接合は、物理的な接触により形成されたｐ−ｎ接合であるので、この物理的な接触により形成されたｐ−ｎ接合における特性が、従来の半導体のｐ−ｎ接合における特性と同じであるか否かを検証することが必要である。
【００４１】
図６は、ｐ型半導体／金属／ｎ型半導体からなる積層構造において、ｐ−ｎ接合部に印加する電圧値の変化に対するｐ−ｎ接合の電流値の変化を示すグラフであり、それぞれ電圧が−５．４８Ｖ、０Ｖ、５．４８Ｖの条件にて測定して結果を示すグラフである。
【００４２】
図６において、ｈ1は電源の電圧Ｖｇが−５．４８Ｖである場合、ｈ2は電源の電圧が０Ｖである場合、ｈ3は電源の電圧が５．４８Ｖである場合のｐ−ｎ接合の電圧値の変化に対するｐ−ｎ接合の電流値の変化が示してある。
このＩ−Ｖ特性から、電圧Ｖｇが−５．４８Ｖである場合には、ｐ−ｎ接合の電流値は大きく変化するので、抵抗値を容易に調整できることが判る。
【００４３】
このグラフから、本発明の金属が塗布された半導体探針と半導体層との接合により形成されるｐ−ｎ接合の特性が、従来の積層構造におけるｐ−ｎ接合の特性と同様にして測定されることが判る。
【００４４】
図７は、１０19ドーピングされたｐ型半導体探針のコーン角と探針半径との関係により変化する探針の抵抗を示したグラフである。
この図において、探針半径が２０ｎｍであり、コーン角が２０−２５°である場合、抵抗は１０ｋΩほどであることが判る。
従来公知の制御回路にて感知することができる抵抗は、一般的に１００ＭΩ以下であるが、ｐ−ｎ接合での抵抗変化を感知するために接触部分以外の探針部分の抵抗は、１ｋ以下であることが理想的である。
従って、この抵抗値を有する探針を製造するためには図７に示されたグラフに図示されたように、チップの半径が３５ｎｍである場合のコーン角が３５°以上になるように製造することが良い。
【００４５】
図８は、１０19ドーピングされたｐ型半導体探針の抵抗を求めるためのＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
図示されたように、Ｉ−Ｖ特性から抵抗Ｒが８６６Ωになることが判る。一般的に、抵抗が１ｋΩ程度の探針を用いる。
【００４６】
図９、図１０は、本発明の実施形態における情報貯蔵装置の記録媒体において、電場の変化に応じた分極の変化を示すＰ−Ｅヒステリシス曲線を示している。
図９において、Ｐｔ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｆ1と、Ｐｔ／ｎ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｌ1とを比較している。
図１０において、Ｐｔ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｆ1と、Ｐｔ／ｐ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｌ2とを比較している。
ここで、ＰＺＴはＰｂＺｒxＴｉ1-xＯ3の化学式を有する強誘電性物質である。
【００４７】
分極方向の変化により同じ電場に２方向の分極が明確に現れる場合のみ、本発明の実施形態による情報貯蔵装置は使用可能である。
図９及び図１０に図示されたように、半導体層を強誘電性膜の表面上に積層した構造の電場変化による分極曲線は、ヒステリシス曲線と似た形を示し、特定電場において２方向の分極が明確に現れることが判る。
すなわち、誘電分極の変化を利用して情報の記録／再生を行うことが可能であることが判る。
【００４８】
図１１は、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）チップを用いて強誘電体を局部的に分極反転させた場合の下部伝導層の抵抗値の変化を示す図である。
Ａ、Ｂ、Ｃ領域の各分極方向の組み合わせの違いにより、強誘電性膜の下部伝導層の抵抗値が、２５．７ｋΩ〜２６．３ｋΩの範囲で変化することが確認される。
このような抵抗値の変化を利用して、記録媒体のアドレス情報を記入することや、固有情報を記録することが可能となる。
【００４９】
本発明の実施形態による情報貯蔵装置は、半導体層を含む記録媒体と半導体物質より形成された探針と備えている。この構成の情報貯蔵装置では、強誘電性膜に誘電分極を形成させて、情報を高度に集積して記録することができる。また、ｐ−ｎ接合における抵抗値を測定することで、記録された情報を高速で再生することができる。
また、記録媒体の表面層と探針とが同じ物質から構成されるので、両者の接触に起因する摩耗を最小限に抑えることが可能となる。
また、本実施の形態では、適切な角度と半径とを有した探針を使用するので、既存の制御回路のようにロックイン増幅器を設ける必要がない。
また、非接触で情報を再生する方式の場合に必要となるフィードバック回路も設ける必要がない。よって、情報貯蔵装置の小型化が可能となる。
【００５０】
前記の説明において多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示と解釈さるべきである。
【００５１】
例えば、本発明が属する技術分野における当業者ならば、本発明の技術的思想により多様な形の探針と多様な構造を有した記録媒体と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。ゆえに、本発明の範囲は説明された実施形態により定められるのではなく、特許請求範囲に記載された技術的思想により定めらるべきである。
【００５２】
【発明の効果】
前述の通り、本発明による情報貯蔵装置の長所は、誘電分極を利用して情報を記録するので情報の高集積化及び再起録が可能であり、ｐ−ｎ接合構造を利用して情報を再生するので高速で情報を再生でき、全体的な構造を単純化して小型に製作できるということである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は従来の情報貯蔵装置の構成を示した概略図であり、（ｂ）は従来の情報貯蔵装置の記録媒体を示した断面図であり、（ｃ）は従来の情報貯蔵装置のヘッド部を示した図面である。
【図２】本発明の実施形態による記録媒体を示した断面図である。
【図３】本発明の実施形態による情報貯蔵装置を用いた情報記録方法を示した図面である。
【図４】本発明の実施形態による情報貯蔵装置を用いた情報再生方法を示した図面である。
【図５】ｐ−ｎ接合構造のＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
【図６】ｐ−Ｓｉ／金属／ｎ−Ｓｉの層構成におけるのｐ−ｎ接合の電圧変化に対するｐ−ｎ接合の電流変化を示すグラフである。
【図７】１０19ドーピングされたｐ型Ｓｉ探針のコーン角と探針半径とによる抵抗値を示したグラフである。
【図８】１０19ドーピングされたｐ型Ｓｉ探針の抵抗を求めるためのＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
【図９】ｐ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔのＰ−Ｅヒステリシス曲線を示したグラフである。
【図１０】ｎ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔとのＰ−Ｅヒステリシス曲線を示したグラフである。
【図１１】ＡＦＭチップで強誘電体を局部的に分極反転することによる下部伝導層の抵抗値の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
１０ 記録媒体
１１ 半導体層
１３ 強誘電性膜
１５ 電極層
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査探針を用いて記録媒体に情報の記録／再生を行う情報貯蔵装置に係り、さらに詳細には強誘電性膜を備えた記録媒体情報の記録／再生を行う情報貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯用通信端末機、電子手帳などの小型製品への需要の増加に伴って、超小型高集積非揮発性記録媒体の必要性が高まっている。
このような状況のもと、現在のハードディスクのさらなる小型化やフラッシュメモリのさらなる高集積化は困難であるので、これらの代替記憶媒体として、走査探針を利用する記録媒体が注目され、種々の研究が行われている。
【０００３】
ここで、走査探針とは、走査貫通顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）、走査探針顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＰＭ）などにおいて用いられている探針のことである。
【０００４】
走査探針を利用して情報を記録する情報記録媒体には、強誘電体、強磁性体、熱可塑性、または熱硬化性樹脂などから構成される記録媒体が含まれる。
このような記録媒体に情報を記録する方法には、走査探針で記録媒体の強誘電体または強磁性体の磁化ドメインの極性を、電磁力を用いて反転させることで記録する方法、記録媒体に熱を加えて相転移を誘導して記録する方法、そして、マークを物理的に記録媒体に形成して記録する方法などがある。
【０００５】
また、記録媒体に記録された情報を再生する方法には、静電気力、静磁気力、圧電力などが探針に作用する力を感知して再生する方法、電気伝導度あるいは熱伝導度の差などの記録媒体の特性変化を感知して再生する方法などがある。
【０００６】
【特許文献１】
韓国特許公開公報 第２００１−１９８７１号公報
【０００７】
この、特許文献１には、強誘電体薄膜を用いた超高密度情報貯蔵装置が開示されている（図１参照）。
【０００８】
図１（ａ）には、この特許文献１に開示された超高密度情報貯蔵装置の構成が示されている。この図に示す超高密度情報貯蔵装置は、情報を貯蔵する記録媒体１１０と、この記録媒体１１０に記録された情報を読み出すヘッド部１２０と、ヘッド部１２０を制御する制御部１３０とから構成される。なお、この装置では、誘電分極の極性を、電気的信号を用いて分析する構成となっている。
ヘッド部１２０は探針部２５と、スキャナ２２とを備えており、制御部１３０はコントローラ３２と、コンピュータ３３と、ロックイン増幅器３１とを備えている。
【０００９】
図１（ｂ）に示すように、記録媒体１１０は、基板４１と、基板４１に積層された電極層４２と、電極層４２に積層された強誘電体膜４３とを備えている。
そして、図１（ｃ）に示すように、探針部２５は、深針４０ａと、この深針４０ａを支持するカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）４０ｂと，探針４０ａとカンチレバー４０ｂ間に設けられた圧電物質４５を備えている。
【００１０】
超高密度情報貯蔵装置では、強誘電体薄膜４３と探針４０ａとが接触した状態で、所定周波数の交流電圧を探針４０ａに印加する。そして、誘電分極間の電気力に起因した交流電圧による強誘電体薄膜４３の振幅の変化を増幅器３１を利用して増幅し、増幅したものを分析して情報を検出する。
【００１１】
このように、走査探針と記録媒体とが接触した状態で情報を再生する方法の場合、探針と記録媒体とが摩耗するという問題がある。
【００１２】
情報を再生するために圧電力を利用する方法では、探針を支持するカンチレバーの共振周波数（一般的に、１ＭＨｚ以下）が、情報を再生する速度を制限するという欠点がある。
【００１３】
特に、圧電力を利用して強誘電体のドメインの分極状態を感知する方法の場合、記録媒体から感知される信号を増幅するラックイン増幅器を設ける必要があるために、装置の小型化が困難である。
【００１４】
走査探針と記録媒体とが非接触状態で情報を再生する方法の場合は、探針と媒体表面との離間距離を一定に保持するために各探針ごとにフィードバック回路を設ける必要があり、情報貯蔵装置の小型化が困難である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、このような従来技術の問題点を改善することを目的とするものであり、再記録が可能な強誘電性媒体を含む記録媒体に対して、情報の記録／再生を高速で行うことのできる小型の情報貯蔵装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために本発明は、電極層、前記電極層上に積層された強誘電性膜及び前記強誘電性膜の表面に積層された半導体層を備えた記録媒体と、前記強誘電性膜に誘電分極を形成して情報を記録し、前記記録媒体とのｐ−ｎ接合構造を利用して前記強誘電性膜に形成された誘電分極から情報を再生する半導体探針を備えたヘッドとを含むことを特徴とする半導体探針を用いた情報貯蔵装置を提供する。
【００１７】
ここで、前記記録媒体の半導体層がｐ型半導体である場合、前記半導体探針はｎ型半導体よりなり、前記記録媒体の半導体層がｎ型半導体である場合、前記半導体探針はｐ型半導体よりなることが好ましい。
【００１８】
また、本発明では、前記探針は前記記録媒体と接触または非接触状態で情報を記録する構成、前記探針は前記記録媒体と接触して情報を再生する構成であることが望ましい。
なお、前記半導体層と前記半導体探針間の抵抗は前記強誘電性膜の極性により変わることが望ましい。
【００１９】
また、前記ヘッドは前記探針を支持するカンチレバーをさらに備えることが望ましい。そして、前記強誘電性膜は残留分極が１０μＣ／ｃｍ2以上であることが望ましい。
【００２０】
本発明は誘電分極を利用して情報の記録／再生を行う装置に係り、特に半導体を含む記録媒体と半導体探針とを利用してｐ−ｎ接合構造を形成して情報を高速で記録及び再生でき、接触式再生方式を選んでフィードバック回路を必要とせずに小型化が可能である。また、ｐ−ｎ接合構造の抵抗を簡単に測定して誘電分極を判断するので、ロックイン増幅器を別途に必要とせずに制御部を簡単に構成でき、誘電分極を利用して高集積度の非揮発性情報貯蔵を可能にする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体探針を用いた情報貯蔵装置の一実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
尚、以下の説明では、同一の構成要素に対しては同一の符号を付して説明する。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態における情報貯蔵装置の記録媒体１０の概略断面図である。
図２に示すように、本発明の実施形態に係る記録媒体１０は、電極層１５と、電極層１５の上に設けられた強誘電性膜１３と、強誘電性膜１３の上に設けられた半導体層１１とを備えて構成される。
【００２３】
本実施の形態において、強誘電性膜１３は、強誘電性薄膜、強誘電性厚膜、または強誘電性バルクといった強誘電性を備えた媒体である。
ここで、強誘電性物質としては、例えばＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ロッシェル塩、チタン酸バリウムなどの物質が挙げられる。これらの強誘電性物質は、それぞれ自発分極を有している物質である。
【００２４】
本発明に係る情報貯蔵装置においては、情報の記録／再生が容易に行えるように、強誘電性膜１３に残留する誘電分極の大きさは１０μＣ／ｃｍ2以上であることが望ましい。
【００２５】
図３は本実施の形態における情報貯蔵装置を示す概略図である。
この図には、記録媒体１０に情報を記録する際の電源２３と情報貯蔵装置の配置が示してある。
【００２６】
図３に示すように、本発明の実施の形態における情報貯蔵装置は、記録媒体１０と、半導体探針２１と、電源２３とを備えて構成される。
半導体深針２１は、情報を記録媒体１０に記録する。
電源２３は、探針２１と電極層１５に電圧（ゲート電圧）を印加する。
なお、本実施の形態では、情報記録媒体１０への情報の記録は、半導体探針２１と記録媒体１０とが、接触した状態で行われてもよいし、非接触の状態で行われてもよい。すなわち、半導体探針２１と記録媒体１０とが接触または非接触のいずれかの状態で、情報の記録媒体１０への記録が行われる。
接触と非接触のどちらの方式で情報を記録するかは適宜選択可能である。
【００２７】
半導体探針２１は、記録媒体１０の半導体層１１がｐ型半導体である場合には、ｎ型半導体より構成される。一方、記録媒体１０の半導体層１１がｎ型半導体である場合には、ｐ型半導体より構成される。
そして、半導体探針２１の形状は、半径５０ｎｍ以下の円錐形、ピラミッド形、または円筒形のうちのいずれかから適宜選択可能である。
【００２８】
この半導体探針２１を支持するために、本実施の形態における情報貯蔵装置にはカンチレバー（図示せず）がさらに設けられていることが好ましい。なお、半導体探針２１とカンチレバーには、伝導性向上と酸化防止のために、厚さ１０ｎｍ以下の金属伝導膜を塗布してあることがより好ましい。
【００２９】
本発明の実施形態による情報貯蔵装置は、記録媒体に情報を記録するために半導体探針２１に電圧を加えて、半導体探針２１の下に位置する強誘電性膜１３に所定の大きさの誘電分極を形成させる。この場合、誘電分極を形成することができるのであれば、半導体探針２１に電圧を印加する際に半導体探針２１と半導体層１１とは接触状態であっても良いし、非接触状態であっても良い。
誘電分極は、半導体探針２１と電極層１５間の電場により、強誘電性膜１３の表面に対して直交する方向に形成される。すなわち、電圧の極性に基づいて、上向き（↑）と下向き（↓）のうちのいずれか一方向の分極が形成される。この分極の方向に応じて情報「０」と「１」とが記録されることになる。
尚、図３には、共誘電性膜１３に上向きの分極が形成されていることが示してある。
【００３０】
図４は本実施の形態における情報貯蔵装置を示す概略図である。この図には、記録媒体に記録された情報を再生する際の、電源２３と情報貯蔵装置との配置が示されている。
【００３１】
本実施の形態における情報貯蔵装置を利用して記録媒体１０から情報を再生する場合、図４に示すように、半導体探針２１と半導体層１１とを接触させる。
この際、前述したように、記録媒体１０の半導体層１１がｐ型半導体である場合には、半導体探針２１は、ｎ型半導体より構成され、記録媒体１０の半導体層１１がｎ型半導体である場合には、半導体探針２１はｐ型半導体より構成されるので、ｐ−ｎ接合が、半導体深針２１と半導体層１１との間に形成されることになる。
そして、半導体探針２１と半導体層１１とに電圧を印加して、半導体探針２１と半導体層１１との間の抵抗値を測定する。その結果、強誘電性膜１３の半導体探針２１と接触する位置（領域）の誘電分極の方向を知ることができる。
【００３２】
ここで、半導体探針２１がｐ型半導体であり半導体層がｎ型半導体である場合に、半導体探針２１に正電圧が、半導体層に負電圧がそれぞれ印加されると、順方向バイアスが形成される。
この時、図４に示すような上向きの誘電分極が形成されている場合には、電流がよく流れない。一方、下向きの誘電分極が形成されている場合は、電流がよく流れる。
この際、電流がよく流れない場合の情報を「０」と、電流がよく流れる場合の情報を「１」とすることにより、「０」「１」情報の読み出しが行われる。
【００３３】
一方、半導体探針２１がｎ型半導体であり半導体層がｐ型半導体である場合に、半導体探針２１に負電圧が、半導体層に正電圧が印加されると、逆方向バイアスが形成される。
この場合に、上向きの誘電分極が形成されていると、上記の構造の場合とは逆に電流がよく流れる。この場合、情報は「１」を示す。
また、下向きの誘電分極が形成さえている場合は、電流がよく流れない。この場合、情報は「０」となる。
【００３４】
図５は誘電分極の方向によるｐ−ｎ接合におけるＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
図５において、ｇ１は分極方向が下向きの場合のＩ−Ｖ特性、ｇ２は参照曲線を、ｇ３は分極方向が上向きである場合のＩ−Ｖ特性を示す。
ｐ−ｎ接合部分の電圧がＶ0である時に分極方向が下向きである場合の電流はＩ1、参照曲線での電流はＩ2、分極方向が上向きである場合の電流はＩ3である。
【００３５】
各分極方向における抵抗値Ｒは、すなわち分極方向が上向きである場合の抵抗値と、分極方向が下向きである場合の抵抗値は、オームの法則（Ｖ＝Ｉ×Ｒ）により求められる。
なお、ここで参照曲線により算出される抵抗値（Ｒ2＝Ｖ／Ｉ2）を基準値とする。
ｐ−ｎ接合の所定の電圧を用いた半導体探針２１による記録媒体１０のスキャニングにより検出された電流値や、各ドメインの分極方向を判別する前記関係式から抵抗値を求めることができる。
【００３６】
すなわち、図５のｇ１において電流値がＩ1の場合、抵抗Ｒ1はＶ0／Ｉ1となり、ｇ３において電流がＩ3の場合、抵抗Ｒ3はＶ0／Ｉ3となる。
抵抗Ｒ1は抵抗Ｒ2より小さくなり、抵抗Ｒ3は抵抗Ｒ2より大きくなる（Ｒ3＜Ｒ1＜Ｒ2）ので、各抵抗値に「０」と「１」との情報を与えることで情報を検出できる。
【００３７】
この時、ｐ−ｎ接合に電圧がＶ1が与えられた場合、分極方向の違いによる電流値の差がほとんどないので、分極方向の判別が困難である。
一方、Ｖ0より大きい電圧であるＶ2をｐ−ｎ接合に与えた場合は、分極方向の違いによる電流値の差が大きくなるが、熱に起因する大量のエネルギ損失が生じてしまう。よって、ｐ−ｎ接合に加える電圧として適切な値を求めることが重要になる。
【００３８】
図６は、ｎ型半導体／金属／ｐ型半導体からなる積層構造のｐ−ｎ接合部に加えられる電圧値の変化に対するｐ−ｎ接合の電流値の変化を表す図である。
この積層構造は、本実施の形態に係る情報記憶装置の半導体探針２１と半導体層１１との間に形成されるｐ−ｎ接合とほぼ同様の構成となっている。
【００３９】
従来のｐ−ｎ接合では、この種のｐ−ｎ接合に特徴的な性質を有しており、ｐ型とｎ型双方の結晶領域を有する半導体を製造するために、半導体における不純物の比率が調節される。
【００４０】
しかしながら、本発明の実施の形態における情報貯蔵装置の探針２１と半導体層１１とが接触して形成されるｐ−ｎ接合は、物理的な接触により形成されたｐ−ｎ接合であるので、この物理的な接触により形成されたｐ−ｎ接合における特性が、従来の半導体のｐ−ｎ接合における特性と同じであるか否かを検証することが必要である。
【００４１】
図６は、ｐ型半導体／金属／ｎ型半導体からなる積層構造において、ｐ−ｎ接合部に印加する電圧値の変化に対するｐ−ｎ接合の電流値の変化を示すグラフであり、それぞれ電圧が−５．４８Ｖ、０Ｖ、５．４８Ｖの条件にて測定して結果を示すグラフである。
【００４２】
図６において、ｈ1は電源の電圧Ｖｇが−５．４８Ｖである場合、ｈ2は電源の電圧が０Ｖである場合、ｈ3は電源の電圧が５．４８Ｖである場合のｐ−ｎ接合の電圧値の変化に対するｐ−ｎ接合の電流値の変化が示してある。
このＩ−Ｖ特性から、電圧Ｖｇが−５．４８Ｖである場合には、ｐ−ｎ接合の電流値は大きく変化するので、抵抗値を容易に調整できることが判る。
【００４３】
このグラフから、本発明の金属が塗布された半導体探針と半導体層との接合により形成されるｐ−ｎ接合の特性が、従来の積層構造におけるｐ−ｎ接合の特性と同様にして測定されることが判る。
【００４４】
図７は、１０19ドーピングされたｐ型半導体探針のコーン角と探針半径との関係により変化する探針の抵抗を示したグラフである。
この図において、探針半径が２０ｎｍであり、コーン角が２０−２５°である場合、抵抗は１０ｋΩほどであることが判る。
従来公知の制御回路にて感知することができる抵抗は、一般的に１００ＭΩ以下であるが、ｐ−ｎ接合での抵抗変化を感知するために接触部分以外の探針部分の抵抗は、１ｋ以下であることが理想的である。
従って、この抵抗値を有する探針を製造するためには図７に示されたグラフに図示されたように、チップの半径が３５ｎｍである場合のコーン角が３５°以上になるように製造することが良い。
【００４５】
図８は、１０19ドーピングされたｐ型半導体探針の抵抗を求めるためのＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
図示されたように、Ｉ−Ｖ特性から抵抗Ｒが８６６Ωになることが判る。一般的に、抵抗が１ｋΩ程度の探針を用いる。
【００４６】
図９、図１０は、本発明の実施形態における情報貯蔵装置の記録媒体において、電場の変化に応じた分極の変化を示すＰ−Ｅヒステリシス曲線を示している。
図９において、Ｐｔ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｆ1と、Ｐｔ／ｎ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｌ1とを比較している。
図１０において、Ｐｔ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｆ1と、Ｐｔ／ｐ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔのＰＥ特性グラフｌ2とを比較している。
ここで、ＰＺＴはＰｂＺｒxＴｉ1-xＯ3の化学式を有する強誘電性物質である。
【００４７】
分極方向の変化により同じ電場に２方向の分極が明確に現れる場合のみ、本発明の実施形態による情報貯蔵装置は使用可能である。
図９及び図１０に図示されたように、半導体層を強誘電性膜の表面上に積層した構造の電場変化による分極曲線は、ヒステリシス曲線と似た形を示し、特定電場において２方向の分極が明確に現れることが判る。
すなわち、誘電分極の変化を利用して情報の記録／再生を行うことが可能であることが判る。
【００４８】
図１１は、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）チップを用いて強誘電体を局部的に分極反転させた場合の下部伝導層の抵抗値の変化を示す図である。
Ａ、Ｂ、Ｃ領域の各分極方向の組み合わせの違いにより、強誘電性膜の下部伝導層の抵抗値が、２５．７ｋΩ〜２６．３ｋΩの範囲で変化することが確認される。
このような抵抗値の変化を利用して、記録媒体のアドレス情報を記入することや、固有情報を記録することが可能となる。
【００４９】
本発明の実施形態による情報貯蔵装置は、半導体層を含む記録媒体と半導体物質より形成された探針と備えている。この構成の情報貯蔵装置では、強誘電性膜に誘電分極を形成させて、情報を高度に集積して記録することができる。また、ｐ−ｎ接合における抵抗値を測定することで、記録された情報を高速で再生することができる。
また、記録媒体の表面層と探針とが同じ物質から構成されるので、両者の接触に起因する摩耗を最小限に抑えることが可能となる。
また、本実施の形態では、適切な角度と半径とを有した探針を使用するので、既存の制御回路のようにロックイン増幅器を設ける必要がない。
また、非接触で情報を再生する方式の場合に必要となるフィードバック回路も設ける必要がない。よって、情報貯蔵装置の小型化が可能となる。
【００５０】
前記の説明において多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示と解釈さるべきである。
【００５１】
例えば、本発明が属する技術分野における当業者ならば、本発明の技術的思想により多様な形の探針と多様な構造を有した記録媒体と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。ゆえに、本発明の範囲は説明された実施形態により定められるのではなく、特許請求範囲に記載された技術的思想により定めらるべきである。
【００５２】
【発明の効果】
前述の通り、本発明による情報貯蔵装置の長所は、誘電分極を利用して情報を記録するので情報の高集積化及び再起録が可能であり、ｐ−ｎ接合構造を利用して情報を再生するので高速で情報を再生でき、全体的な構造を単純化して小型に製作できるということである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は従来の情報貯蔵装置の構成を示した概略図であり、（ｂ）は従来の情報貯蔵装置の記録媒体を示した断面図であり、（ｃ）は従来の情報貯蔵装置のヘッド部を示した図面である。
【図２】本発明の実施形態による記録媒体を示した断面図である。
【図３】本発明の実施形態による情報貯蔵装置を用いた情報記録方法を示した図面である。
【図４】本発明の実施形態による情報貯蔵装置を用いた情報再生方法を示した図面である。
【図５】ｐ−ｎ接合構造のＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
【図６】ｐ−Ｓｉ／金属／ｎ−Ｓｉの層構成におけるのｐ−ｎ接合の電圧変化に対するｐ−ｎ接合の電流変化を示すグラフである。
【図７】１０19ドーピングされたｐ型Ｓｉ探針のコーン角と探針半径とによる抵抗値を示したグラフである。
【図８】１０19ドーピングされたｐ型Ｓｉ探針の抵抗を求めるためのＩ−Ｖ特性を示したグラフである。
【図９】ｐ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔのＰ−Ｅヒステリシス曲線を示したグラフである。
【図１０】ｎ−Ｓｉ／ＰＺＴ／ＰｔとのＰ−Ｅヒステリシス曲線を示したグラフである。
【図１１】ＡＦＭチップで強誘電体を局部的に分極反転することによる下部伝導層の抵抗値の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
１０ 記録媒体
１１ 半導体層
１３ 強誘電性膜
１５ 電極層
Claims (11)
- 電極層、前記電極層上に積層された強誘電性膜及び前記強誘電性膜の表面に積層された半導体層を備えた記録媒体と、
前記強誘電性膜に誘電分極を形成して情報を記録し、前記記録媒体とのｐ−ｎ接合を利用して前記強誘電性膜に形成された誘電分極から情報を再生する半導体探針を備えたヘッドとを含むことを特徴とする半導体探針を用いた情報貯蔵装置。 - 前記記録媒体の半導体層がｐ型半導体である場合、前記半導体探針はｎ型半導体よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記記録媒体の半導体層がｎ型半導体である場合、前記半導体探針はｐ型半導体よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記探針は前記記録媒体と非接触状態で情報を記録することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記探針は前記記録媒体と接触状態で情報を記録することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記探針は前記記録媒体と接触して情報を再生することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記探針は半径５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記探針の形状は、円錐形、ピラミッド形、円筒形のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記半導体層と探針との間の接触抵抗は、前記強誘電性膜の極性により変わることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記ヘッドは、前記探針を支持するカンチレバーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
- 前記強誘電性膜は誘電分極が１０μＣ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体探針を用いた情報貯蔵装置。
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