JP4214055B2 - 青色レーザおよび／またはプラズモンレンズを用いて光データ記憶検索システムにおいて増大されたデータ記憶 - Google Patents

Description

関連出願の参照
本発明は、２００１年９月１日の出願日を有する米国仮特許出願第６０／３１６５６６号の本願より前の出願日の利益および優先権に関連し、その権利を有し、同出願の内容全体は、参照により本願明細書に援用されたものとする。

技術分野
本発明は、光記録材料および光データ記憶検索システムに関する。より詳しく言えば、本発明は、短波長レーザを用いて効率的に記録および消去されてよい相変化材料を含む光記録媒体を提供する。さらに詳しく言えば、本発明は、低出力エネルギー源を介して記録および消去ができるように、光スタック内に、補助的なエネルギーを相変化材料に供給するための設備を含む。また、本発明は、青色レーザ、またはプラズモンレンズを通る光のプラズモン結合を用いた、光データ記憶容量の増大に関する。

背景技術
コンピュータ、情報技術、および娯楽の用途範囲が継続的に拡大するのに伴って、情報およびデータを処理するための記憶検索システムの高速化および効率化の需要が高まっている。これらのシステムにとって最も重要なものは、迅速に情報を記録、読み出し、および消去できるとともに、可能な限り多くの情報を記憶することができる記録媒体である。光記録媒体は、今後の情報記憶需要にとって最も有望なものとなり得る。現在、これらにより、全光手段を介して情報を読み出し、書き込み、および消去することができる。

光記録媒体が順調であるためには、増大された回数の記憶検索サイクルにわたって、迅速かつ高忠実度で情報を読み出し、書き込み、および消去できなければならない。この性能には、光記録媒体が、光が当たると、再現可能に可逆的に、物理的または化学的な変態を受けることができる必要がある。現在、主要な書き換え可能な光記録媒体として、相変化材料が浮上している。これらの材料は、変調された光ビームの影響下で、２つの物理状態間で可逆的に変態するという働きをする。最も一般的な相変化材料において、変態は、アモルファス相と、結晶または部分的結晶相との間で生じる。典型的な動作状況下において、アモルファス相は、記録された状態に対応し、結晶または部分的結晶相は、消去された状態に対応する。書込みまたは記録プロセスは、典型的に、相変化材料の一部分を十分なエネルギーをもつレーザビームにさらして、その材料の一部を融点を超える温度まで加熱することを伴う。引き続き、レーザが取り除かれると、急冷され、構造的な不規則性および無秩序性を特徴とするアモルファス状態が形成される。アモルファス状態は、相変化材料の周囲部分とは構造的に異なるものであり、反射率などの特性により区別が可能なコントラスト領域を与える。書込みビームにより作り出されるアモルファス領域は、アモルファスマークと呼ばれることが多く、記録媒体上に格納された情報の領域に対応するものとして見なされてよい。書込みビームを記録媒体の選択された部分に適用することにより、結晶または部分的結晶空間の間に、格納したい特定の情報に対応するアモルファスマークのパターンが形成されてよい。アモルファスマーク間の長さ、幅、および間隔などの特性が、情報をコード化するために使用されてよい。

読出しプロセスでは、相変化材料上に存在するアモルファスマークのパターンと結晶空間とを識別する必要がある。このプロセスでは、アモルファスマークと相変化材料の周囲部分との間のコントラストを検出することを伴う。検出では、材料の周囲部分に対するアモルファスマークの少なくとも１つの特性の差を認識することを伴う。状態の差は、電気抵抗率、光反射率、または光透過率などの特性の差により検出される。光読出しビームにより光特性を検出することは、全光記憶検索システムを組み立てることができるため好ましい。読出しビームとしてレーザが使用される場合、その出力は、相変化材料の物理状態を変化させない程度に十分に低く設定される。読出しビームの出力は、例えば、溶解しない程度、さらに、故意ではないアモルファスマークが不注意に形成されたり、アモルファスマーク内に結晶領域が形成されたりしない程度に十分に低いものでなければならない。

消去プロセスでは、アモルファスマークを取り除く必要があり、典型的に、相変化材料の記録されたアモルファス相を結晶または部分的結晶相に変態させることを伴う。この変態は、例えば、アモルファス相をその結晶温度より高く、溶解温度より低い温度まで加熱する程度の出力を備えたレーザにより与えられる消去ビームで、光学的に達成され得る。消去ビームを用いて、結晶温度と溶解温度との間の温度まで加熱すると、消去ビームを取り除いた後にアモルファス相を再形成しやすい高移動度または溶解状態を生じることなく、結晶または部分的結晶相への構造的再編成に必要な原子運動を促す程度のエネルギーが与えられる。結晶または部分的結晶消去領域は、相変化材料の記録されていない領域に対応するものとして理解されてよく、電気抵抗率、光反射率、または光透過率などの少なくとも１つの物理特性により、アモルファスマークとの区別が可能である。全光システムにおいて、光反射率や光透過率などの特性を空間的に調べるために読出しビームを使用すると、相変化材料の記録された部分と記録されていない部分とを認識でき、区別できるようになる。消去は、アモルファスマークの既存するパターンを取り除くためだけのプロセスではない。この代わりとして、既存パターンが、新しい情報を表す新パターンにより単に直接上書きされることができる。

いくつかのカルコゲニド系材料が、相変化材料として効率的な働きをすることが示されてきた。これらの材料は、室温で、アモルファス状態、結晶および部分的結晶状態において存在することが可能であり、アモルファス相と結晶または部分的結晶相との間で容易に変態することができる。典型的な相変化材料は、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｓ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｇ、Ｓｉ、およびＡｓの元素のうち１つ以上のものを含有する合金を含む。

ＣＤ技術は、最初に広く使用されてきた光記録技術であり、現在では、より新しい高データ密度ＤＶＤ技術に取って代わられている。現在利用可能な光相変化材料により、優れた読出し、書込み、および消去特徴が得られるが、さらなる改良が可能であり、今後の情報記憶需要に対して望まれている。１つの可能性がある改良部分は、情報記憶密度である。現在利用可能な光相変化材料は、多くの従来の磁気メモリ媒体より高い情報記憶密度を提供する場合があるが、今のところ制限されている。記憶密度は、例えば、相変化材料への情報の記録や書込みに使用される光の波長により制限されることがある。光の波長が長いほど、記録されたアモルファスマークのサイズが大きくなり、情報記憶密度が下がる。現在の相変化材料で使用されている光の波長は、記録された状態と記録されていない状態との間に必要な構造的変態をもたらすのに十分な出力を備えた半導体ダイオードレーザの利用度により大きく制御されている。現在利用可能な最も適切なレーザは、可視スペクトルの赤部から近赤外部で動作する。ＣＤの書込みは、例えば、約７８０ｎｍまたは８３０ｎｍで動作するレーザで行われてよい。このような光の波長により、約１ミクロンの長さスケールで記録されたマークが得られる。対比的に、より最近のＤＶＤは、６５０ｎｍの光を使用し、約０．５ミクロンの長さスケールで記録されたマークを含む。光の波長を短くすることにより、記録されたアモルファスマークのサイズをさらに小さくして、情報記憶密度を上げることができるようになる。

書込みビームの波長をより短くするためには、経済的で小型の短波長レーザと、より短い波長で機能することが可能な新しい相変化材料との両方を開発する必要がある。半導体レーザ分野での最近の開発では、可視スペクトルの青部で動作するＧａＮに基づいた小型レーザが、高密度光媒体からデータを読み出すさいに有用な場合があることが示されている。残念ながら、高出力青色レーザは、現在のところ、大量生産される製品で使用するには経済的に実現可能ではない。さらに、現在の相変化材料のコントラストは、このようなより短い波長で、初期化された状態と書き込まれた状態または書き込まれた状態と消去された状態との間を十分に区別するのに好ましいコントラストより低い。その結果、青色レーザ源から潜在的に利用可能な十分に高い情報記憶密度を完全に実現することができる、新しい相変化材料と、光記憶検索システムとを開発することが望まれる。

記憶密度を上げる別の方法は、現在の光源のスポットサイズを小さくすることである。任意の記録技術において、最小マークサイズの物理寸法は、記録密度を最終的に支配する。したがって、現世代ＤＶＤ製品では、約４００ｎｍ直径の最小マークは、１２ｃｍ直径のディスクの片面あたり約４．７ＧＢを達成でき、これは、バイナリ記録の約２．７Ｇｂｉｔｓ／ｉｎ^２を表す。マルチレベル（ＭＬ）記録において、４００ｎｍ直径と約１５０ｎｍの最小マークとの間には、ある範囲のマークサイズが生じる。これにより、バイナリ記録の記憶容量が約２Ｘ（倍）増大することになる。この記憶容量は、各マークが光学系により区別されなければならないため、言い換えれば、任意のサイズのマークが十分に離れた間隔に設けられなければならないため、ＭＬ記録のものより大きくない。実際のところ、これらのマークは、約４００ｎｍの一定の「データセル」寸法、すなわち、バイナリ記録のさいの最小マークサイズに等しい寸法の間隔に設けられる。

ＤＶＤ製品およびＭＬ拡張において、分解能は、６５０ｎｍ波長光と、０．６開口数（ＮＡ）を有する対物レンズとを用いた回折制限された光学系により制御される。厳密に言えば、これらの光学パラメータの場合、ガウス入力ビームを、約５４０ｎｍの半値全幅で集束させることができる（＝λ／２ＮＡ）。適用されたガウスビームのプロファイルの出力および時間的特徴を制御することにより、光学系で区別できるものよりも著しく小さなマークが得られる。しかしながら、ＭＬマークの間隔とバイナリ記録における最小マークサイズはともに、光学系の分解能制限値に実質的に従わなければならない。明確に言えば、４００ｎｍ寸法がこの制限に近い。

光記憶密度をさらに高く押し上げる最近の活動は、（１）標準的な「遠視野」光学系を押し進めること、（２）「標準的な近視野」光学系を開発すること、（３）近視野概念でもある開口光学系を開発すること、からなる少なくとも３つの異なる方策に基づいている。標準的な「遠視野」光学系を押し進めるために、光の波長とレンズのＮＡは、より高い分解能にとっての重要な要素である。波長を約４００ｎｍまで短くし、ＮＡを０．８５に挙げると、１２ｃｍ直径ディスクの片面あたり約２５ＧＢの記憶容量に対して分解能が２．３Ｘ高められる（〜１４Ｇｂｉｔｓ／ｉｎ^２）。「標準的な近視野」光学系を開発するさい、ＮＡは、固相液浸レンズ（ｓｉｌ）を用いて１．０を超えるようにされて、青色レーザ光を用いて約３５ＧＢの容量に近づく。ｓｉｌと活性相変化層との間の一過性の結合には、レンズと媒体との間の距離を１００ｎｍ未満のように非常に短くする必要がある。１つの新規なアプローチにおいて、近視野光学系が、ディスク自体に組み込まれることにより、光学系のこのような微細制御を不要にする。

最後に、開口光学系を開発するさい、マークの寸法は、レンズの光原理ではなく、開口によって制御される。この場合、「Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳ」技術において、ディスクは、制御可能な開口として作用するＳｂなどの１つの低溶解温度層を含む。ガウスプロファイルのレーザビームを使用することにより、６３５ｎｍ波長光を用いて、１００ｎｍ未満の分解能限界で、小さな開口を獲得することができる（Ｊ．Ｔｏｍｉｎａｇａら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３、２０７８（１９９８）を参照）。最近、Ｔｏｍｉｎａｇａらにより、表面プラズモンを用いて光結合をさらに高めることにより、より大きな読出し信号強度を達成することが提案された。彼等の研究では、幾何学的な制約により、金属性のＳｂ層上に表面プラズモン（ＳＰ）が許容されず、これは、運動量が保存されないためである。その代わり、彼等の提案では、ＳＰを発生するための格子として作用するように、ＧｅＳｂＴｅ相変化層自体に記録されたマークが使用される。その後、ＳＰは、より小さなマークの周りに優先的に局所化することによって、それらの効率的な結合断面を増幅する。マーク自体を使用することが、実際に、格子を発生するためにどの程度効率的であるかは明確でない。これには、２つの相関する部分間（すなわち、ＧｅＳｂＴｅ化合物の結晶状態とアモルファス状態との間）の誘電体関数の実数部の符号が変わる必要がある。それらの分析により使用される光定数は、六方晶系およびアモルファス状態に対応する。それらには、相変化応用に相関するＧｅＳｂＴｅ材料の結晶状態、すなわち、ｆｃｃ状態が使用されていない。誘電率関数の実数部は、ｆｃｃ状態とアモルファス状態の両方で正であり、ＳＰは発生しそうにない。

別の開発最前線では、最終的に光メモリ応用においてある役割を果たすであろう表面プラズモンそのものの開発が進められている。最近、Ｅｂｂｅｓｅｎらにより、多数の小さな孔の直径が光の波長のほぼ１０分の１未満であっても、それらの孔が穿孔された平坦で光学的に厚みのある金属膜を、垂直に入射する光が透過できる（最大１０％レベル）ということが示された（Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎら、「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｈｏｌｅ ａｒｒａｙｓ」、Ｎａｔｕｒｅ ３９１、６６７（１９９８）、およびＨ．Ｆ．Ｇｈａｅｍｉら、「Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎｓ ｅｎｈａｎｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｈｏｌｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ５８、６７７９（１９９８）を参照）。これらの直径は、伝播を可能にするカットオフ寸法より著しく小さい。一般に、金属表面に対して垂直に入射する光は、電場と伝播ベクトルが平行である表面に沿って縦波である表面プラズモンと結合できず、これは、光が、電場と伝播ベクトルが垂直である横波として伝播するためである。言い換えれば、これは、エネルギーと運動量が同時に保存されないために、結合が生じないということである。しかしながら、格子に孔を分散させることにより、光の運動量は、格子の「運動量」を介して金属表面に平行なある一定の成分を得ることができる。

ＳＰと結合するさいの格子運動量の重要性が明らかになれば、分散部位が金属膜を通る孔である必要がなくなることが分かる。実際、任意の周期的（すなわち、回折のような）格子が、表面プラズモンをシミュレートできる。実際、ＮＥＣのグループにより、単一の孔を通る光の透過性を高めるために、２Ｄピットアレイの使用方法が示された。Ｄ．Ｅ．Ｇｒｕｐｐらの「Ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ ｂｅｔｈｅ Ｌｉｍｉｔ： Ｔｕｎａｂｌｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅ」、Ａｄｖ．Ｍａｓｔｅｒ．１１、８６０（１９９９）、Ｔｈｉｏら、「Ｓｔｒｏｎｇｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｈｏｌｅｓ ｉｎ Ｍｅｔａｌ Ｆｉｌｍｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａ Ｂ、２７９、９０（２０００）、およびＴｈｉｏら、「Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｕｂ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ａｐｅｒｔｕｒｅ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔ．２６、１９７２（２００１）を参照されたい。同文献には、単一の孔を介した透過には、円形の同心パターンが最適であることが示されている。

相変化光記録媒体での光データ記憶密度を上げるためには、このような表面プラズモンの明確に適切な応用が効率的であり得る。光記録媒体上に波長より小さいスポットを作り出すために、波長より小さい開口を介して十分な量の光エネルギーを伝達できる効率的なプラズモンレンズが必要とされる。

発明の概要
本発明により、短波長または低出力励起源を用いる場合、記録および／または消去効率が高められた改良された光記録媒体および光データ記憶システムが提供される。

本発明の光記録媒体は、一般的に、結晶およびアモルファス状態を有する相変化材料を含む多層光スタックである。１つの実施形態において、相変化材料により、可視スペクトルの青部などの短波長で、結晶状態とアモルファス状態との間の吸収コントラストが高められる。別の実施形態において、光記録媒体は、相変化材料の結晶を助長するために、相変化材料と連通する結晶層を含む。別の実施形態において、光記録媒体は、場強化された記録を与えるように、外場からエネルギーを受けるための手段を含む。

本発明により、さらに、光記録媒体に情報を記録し、そこから引き出すための方法および装置が提供される。この方法および装置において、より少量の適用されたレーザエネルギーを用いることにより、または異なる種類の適用されたエネルギーを共用することにより、相変化材料の後続的な状態が変化する。構造的な状態の変化が、より高い比率で与えられるか、または短波長励起源によりもたらされる実施形態も提供される。

また、本発明は、光入射表面と、光入射表面と反対の光プラズモン結合表面とを有する光透過性基板を含む光プラズモン結合レンズを含む。光プラズモン結合表面は、円形同心の山／谷の少なくとも１つのセットを含み、これらは、円形同心の山／谷の半径方向にフーリエ正弦波パターンを形成する。基板の光プラズモン結合表面上には、金属のコンフォーマル（同形）層が堆積され、その中心でプラズモンが透過する開口を有する。

本発明をより完全に理解するために、以下の詳細な記載および添付の図面を参照されたい。

好ましい実施形態の詳細な説明
青色レーザ
本発明により、青色および他の短波長レーザ源とともに使用するのに適した光記録媒体および光記憶検索システムが提供される。本発明は、光記録媒体上に情報を読み出し、書き込み、および消去するために青色レーザを使用する利益を実現するために必要な２つの重要な態様に取り組んでいる。第１に、本発明は、青色レーザに基づいて情報記憶検索システムに組み込むための現行の材料よりも適した新しい相変化材料を開発する必要性に対処するものである。第２に、本発明は、経済的で小型の青色レーザの出力が、光記録システムにおいて現在使用されている赤色および近赤外線レーザより低いと予測されることに対処するものである。

青色または他の短波長レーザに基づいた光記憶検索システムへ転向するためには、光記録媒体として使用するための現在の相変化材料の適応性を再度考慮する必要がある。１つの重要な考慮すべき点は、青色レーザの励起が、相変化材料との間での情報の書込みおよび消去に必要な構造的な変態をもたらすことができるかということである。情報を書き込んだり記録したりするためには、相変化材料が、その溶解温度またはそれよりも高い温度まで加熱されるのに十分な青色レーザ励起を吸収することが可能でなければならない。その結果、青色光を吸収する潜在的な相変化材料の能力を考慮する必要がある。

図１は、現在、光記録媒体として使用されている典型的な相変化材料Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５の結晶形態およびアモルファス形態の吸収スペクトルを示す。他の一般的な相変化材料も同様のスペクトルを示す。また、図１は、ＣＤおよびＤＶＤの応用で現在使用されている光の典型的な波長とともに、典型的な青色レーザ励起波長も示している。図１は、青色レーザに基づいた光記録検索システムにおいて現在相変化材料を使用しようとする場合に生じる予測される問題を示す。すなわち、励起波長がスペクトルの青色部分にシフトするのに伴い、吸収強度が劇的に低下することが観察される。現在のＣＤおよびＤＶＤシステムにおいて使用されている赤色および近赤外波長では、結晶状態とアモルファス状態の両方が、レーザ誘導による構造的な変態が可能な程度に十分な吸収が得られる。スペクトルの短波長部分における吸収強度が急速に低下するということは、言い換えれば、青色レーザを用いて変態を誘導することがより困難になることがあるということである。少なくとも、青色の吸収強度が低いということは、すなわち、青色レーザに基づいた記憶検索システムにおける光記録媒体として現在の相変化材料が適切なものであるためには、非常に高出力の青色レーザが要求されるということである。このようなレーザは、入手可能でない場合があり、または、経済的に実現可能でない場合がある。

また、図１は、青色レーザに基づいた光記憶検索システムにおいて現在の相変化材料を使用するさいに伴う別の考慮すべき点を示す。この第２の考慮すべき点とは、青色レーザが、相変化材料の書き込まれたまたはアモルファス領域と、消去されたまたは記録されていない結晶または部分的結晶領域とを区別することができるかということである。すなわち、青色レーザを用いて、相変化材料のアモルファス相と結晶または部分的結晶相との間の変態を誘導することができたとしても、異なる状態の少なくとも１つの物理的特性の違いを検出することができる必要がある。この検出は、読出しプロセスに対応する。システムのデザインを単純化し、コストを最小限に抑えるために、読出しプロセスは、情報を記録するさいに使用される青色レーザを用いて達成されなければならない。

光読出しプロセスにおいて使用するには、光反射率が最も利便性のある物理的特性であるため、青色波長での相変化材料のアモルファス状態と結晶または部分的結晶状態との間の光反射率の高コントラストを示す光スタックを有することが望まれる。図１は、現在利用可能な相変化材料に共通した状況を示す。短波長で光吸収が低下するのに加え、Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５のアモルファス状態と結晶状態との吸収のコントラストまたは差も同様に減少する。また、アモルファス状態と結晶状態との間の反射率のコントラストが減少することもある。青色波長でコントラストが減少するということは、すなわち、青色レーザを用いて相変化材料の書き込まれたアモルファス領域と消去された結晶または部分的結晶領域との間を区別することが困難になるということである。

図１により示される１つの考慮すべき点は、現在、ＣＤおよびＤＶＤの応用において使用される青色および近赤外波長で十分に作用する相変化材料が、青色波長では適切ではないと予測されることである。その代わり、青色レーザから得られる情報記憶密度の利益を実現するために、新しい相変化材料が必要とされている。許容可能な新しい材料は、スペクトルの青色部分においてと強度の吸収性と高コントラストを備えていることが最適である。本願明細書に含まれている図２は、青色レーザを用いて使用するのに適した結晶または部分的結晶相の吸収帯の一例を示す。結晶Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５の吸収帯との比較も与えられる。図２は、相変化材料の吸収帯をより高いエネルギー（より短い波長）にシフトすると、青色レーザの場合の適合性がより優れたものになる。

本願発明者等は、相変化材料の吸収エネルギーを制御するために使用可能な要因を考慮した。Ｔｅに基づいた相変化材料は、Ｔｅ原子の鎖様の構造を有する。ＧｅおよびＳｂなどの元素は、鎖の分断や鎖間の架橋を行うように作用する架橋剤である。吸収エネルギーは、Ｔｅ鎖に沿った相互作用により制御される。本願発明者等は、鎖に沿った化学結合強度が、相変化光材料の吸収ネネルギーを確立するさいの決定要因であると結論付けた。さらに詳しく言えば、鎖に沿った化学結合が強いほど、エネルギー吸収帯が高くなる。その結果、本願発明者等は、相変化光材料の鎖に沿った結合強度を高める方法について考慮した。

本発明の１つの態様は、アモルファス状態と結晶または部分的結晶状態との間で容易に変態する能力を維持しながら、鎖に沿って結合強度を高めるように、Ｔｅ系の相変化材料の組成を変えることである。鎖に沿った結合強度が高められ過ぎると、構造は、堅牢になり過ぎて、１つの状態から別の状態へ変態することが困難になる。しかしながら、結合強度が十分に高められなければ、青色レーザに望ましいとされる吸収特性が達成されなくなる。その結果、構造的な堅牢性と吸収エネルギーとの効果のバランスをとらなければならない。

結合強度の考慮点に基づいて、本願発明者等は、青色または短波長レーザに基づいた光記憶検索システムに相変化材料を適用するさい、Ｔｅの全部または一部に取って代わるものであってよい変性元素として、Ｓｅを特定した。ＳｅがＴｅと等晶形であるため、変性元素としてＳｅを組み込んだ相変化材料は、同様の鎖構造をとり、Ｔｅ系相変化材料として状態間で同様の変態を示すことが予測される。Ｔｅのように、Ｓｅも非共有電子対の軌道を有する。非共有電子対の軌道は、構造的な安定性に重要な影響を及ぼし、反発的な相互作用構造的な変態の役割を担い、構造的な変態中の原子の再配置を促進する。ＴｅとＳｅとの間のこのような類似性は、さらに、Ｓｅ修正された相変化材料が、アモルファス状態と結晶または部分的結晶状態との間の変態を容易に受けることを示す。また、Ｓｅ原子間の結合が、Ｔｅ原子間の結合より強いため、Ｓｅを相変化材料に組み入れると、吸収帯がより短い波長にシフトし、材料が青色レーザに対してより適切なものになる。さらに、Ｓｅ系およびＴｅ系の相変化材料の構造的な変態の性質が類似しているということは、アモルファス相と結晶または部分的結晶相との両方の吸収帯が、同様の程度でより高いエネルギーにシフトするということを示す。結果的に、赤色および近赤外線レーザに基づいた光記憶検索システムにおいて、Ｔｅ系相変化材料により現在得られる好適なコントラストは、青色または短波長レーザに基づいたシステムにおけるＳｅ修正された相変化材料にも及ぶことがある。

相変化材料は、未変性組成に対して、４００〜４１０ｎｍなど、４３０ｎｍより短い１つ以上の青色波長で、アモルファス状態と結晶または部分的結晶状態との間の吸収または反射率のコントラストまたはコントラスト比を実質的に高めるのに十分な量のＳｅなどの少なくとも１つの変性剤を含むことが好ましい。変性剤は、相変化媒体がアモルファス状態にあるとき、記録媒体または光スタックの反射率を３〜１０％、より好ましくは、５％に高めるのに十分な量が与えられることが好ましい。変性剤は、相変化材料が結晶状態にあるとき、記録媒体の反射率を１５〜３０％、より好ましくは、２０％に高めるのに十分な量が与えられることが好ましい。変性剤は、５％〜２７％、より好ましくは、約１５％のコントラストまたは動的範囲（すなわち、結晶状態とアモルファス状態との間の媒体の反射率の差）を与えるのに十分な量で、相変化媒体に与えられることが好ましい。別の実施形態において、変性剤により、アモルファス状態と結晶または部分的結晶状態の一方または両方の吸収が、未変性組成に対して４３０ｎｍより短い波長で、少なくとも１０％上がる。吸収係数の増大は、未変性組成に対して、約５０％より大きいことがより好ましく、１００％より大きいことが最も好ましい。別の実施形態において、相変化材料のアモルファス状態と結晶または部分的結晶状態との間の吸収係数のコントラストは、４３０ｎｍより短い波長で少なくとも１０％である。前記吸収係数のコントラストは、少なくとも５０％であることが好ましく、少なくとも１００％であることが最も好ましい。

本発明の好適な実施形態において、相変化記録材料は、Ｔｅのすべてまたは一部をＳｅに置き換えることで、青色レーザに基づいた光データ記録検索システムにおいて使用するのにより適した材料が得られるＴｅ系相変化材料である。Ｔｅのすべてまたは一部をＳｅに置き換えた、Ｔｅ系の相変化材料の原形の変性形が、Ｓｅを有するＴｅ系相変化材料の固溶体と見なされてよい。相変化合金は、共晶合金であることが好ましく、化学量論的な化合物または固溶体であることが最も好ましい。本発明によりＳｅの代替を適用するＴｅ系相変化材料は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓ、Ａｓ、Ａｇ、およびＢｉの１つ以上を有するＴｅの合金を含む。

本発明の相変化材料は、結晶状態とアモルファス状態とを有し、エネルギーを付与することにより、これらの状態間を可逆的に変態されるものであってよい。相変化材料の多くの特性および組成は、当業者に公知のものであり、例えば、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第３，２７１，５９１号、同第３，５３０，４４１号、同第４，６５３，０２４号、同第４，７１０，８９９号、同第４，７３７，９３４号、同第４，８２０，３９４号、同第５，１２８，０９９号、同第５，１６６，７５８号、同第５，２９６，７１６号、同第５，５３４，７１１号、同第５，５３６，９４７号、同第５，５９６，５２２号、同第５，８２５，０４６号、同第５，６８７，１１２号、同第５，９１２，１０４号、同第５，９１２，８３９号、同第５，９３５，６７２号、同第６，０１１，７５７号、および同第６，１４１，２４１号とともに、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／０２６３９５号および同第６０／３１６５６６号にすでに記載されており、その内容全体は、本願明細書に参照により援用されたものとする。

本発明によれば、Ｔｅ系の相変化合金においてＴｅのすべてまたは一部をＳｅに置き換えることにより、合金組成における他の元素の量またはタイプを変性せずに相変化材料を変性すると、青色および短波長での吸収が増大し、コントラストが上がる。例えば、一般的に知られているＧｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５合金は、本発明により修正されてよい。本発明の好適な実施形態によれば、ＧｅとＳｂの相対割合を変更することなく、ＴｅのいくつかまたはすべてをＳｅで置き換えて固溶体のを形成すると、青色波長での吸収とコントラストが向上する。したがって、Ｓｅを含有する固溶体Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５−ｘＳｅ_ｘ（ｘは０より大きく、５以下）は、原形（すなわち未変性）Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５より、青色波長での吸収およびコントラストが高い。Ｓｅは、青色レーザとともに使用するのに適した相変化記録媒体を当たれるのに十分な量で与えられる。

青色波長での光記録媒体としてより適切な相変化材料を開発することに加え、本発明は、さらに、初期世代の小型青色レーザ源から予想される低出力に関する問題に取り組む。現在のＣＤおよびＤＶＤシステムで使用されている赤色および近赤外線レーザは、成熟した技術であり、小型の経済的なパッケージで高出力を与えるように最適化されている。現在、青色および他の短波長での高出力は、高価で嵩張る気相の色素レーザまたは非半導性固体レーザからのみ利用可能である。小型の青色および短波長レーザ技術は有望であるが、まだ発展途上にある技術である。

光記録応用において青色レーザの出力が低い場合の問題は、潜在的な光記録媒体の範囲を大幅に制限してしまうということである。満足を得るためには、青色レーザが、相変化材料において構造的な変態を誘導するのに十分な出力を与えなければならない。最大のエネルギー要求は、アモルファス相を形成するのに十分なエネルギーを与える必要がある（例えば、相変化材料を少なくともその溶解温度まで加熱する）書込みプロセスに関連する。初期世代の青色レーザから利用可能な低出力では、実質的にすべて知られている相変化材料においてアモルファス相の形成を誘導するのに十分なエネルギーが与えられない。アモルファス相の形成を誘導するための出力またはエネルギーが不十分であるレーザを、以下、閾値下レーザと呼ぶ。青色波長で高吸収を達成する上述した一般的な問題は、低出力青色レーザ出力に関する問題をさらに悪化させてしまう。

閾値下レーザ出力に関する問題にかかわらず、青色レーザから潜在的に得られる高記憶密度の利益を得ることが望ましい。本願発明者等の認識によれば、何らかの方法で、例えば、青色レーザを含む複数のエネルギー源が存在するようにさらなるエネルギー源を用いることにより、または、書込み出力の一部またはすべてを赤色または他の長波長に置き換えることにより、または、光媒体に触媒層を追加して、書込みおよび消去に必要な出力要求を低減させるか、または結晶からアモルファスへおよびその逆への変化を容易にするか、または相変化記録媒体の結晶化能力を軽減するかのいずれかにより、青色レーザから得られるエネルギーが補充されれば、青色レーザにより得られる利点が達成される。

さらなるエネルギー源の方策によれば、１つの以上の第２の光学的、電気的、磁気的、熱的、または化学的なエネルギー源と組み合わせて、閾値下青色レーザが使用されることにより、相変化材料のアモルファス状態と結晶または部分的結晶状態との間で変態を誘導するのに必要なエネルギーが得られる。結果的に、閾値下出力であっても、青色レーザの利益を得ることが可能になる。

閾値下青色レーザのエネルギーを補充する１つのアプローチは、電気エネルギーの形態のエネルギーを相変化材料に追加することである。図３は、レーザからのエネルギーと電気エネルギーとを組み合わせるための１つの方法を表している。図３は、オンボード電力発生の概念を示す。読出し、書込み、または消去動作中、光記録媒体（図３に「回転ディスク」として表示）は回転している。本願発明者等の認識によれば、光記録媒体を回転させることで、媒体内に電気エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ワイヤを光記録媒体内に組み込んで、媒体を非均一な磁場で回転させることにより生成されてよい。このような手順により、図３の電圧Ｖ_０で示されるような相変化層に対して垂直な方向に、電流と電場が誘導される。その結果、相変化層（図３の「カルコゲニド」を参照）に、電気エネルギーが追加される。この電気エネルギーは、相変化材料の異なる構造状態間での変態をもたらすように、レーザからのエネルギーと組み合わされてよい。

図３に示す伝導性のある酸化物層および金属層は、相変化層を含む光記録媒体内へのワイヤの組み込み方法の例である。伝導層は、光記録媒体の成長中に導入されてよく、または、仕上げられた光記録媒体上にパターン化されてよい。図３に、磁場を作り出すために使用される磁石のＮ極およびＳ極が示されている。非均一な磁場は、図３に示すような記録媒体の選択された領域にわたって適用されてよく、または、媒体の全体にわたって適用されてよい。ワイヤおよび磁場を導入し構成するための他の方法が可能であることは言うまでもなく、それらは本発明の範囲内のものである。また、本発明の範囲内には、非均一な磁場によって回転光媒体に発生する電流の操作または制御がある。電流は、発生すると、光記録媒体上に集積された電気回路により引き続き処理されてよい。回路は、光記録媒体内のさらなる層として組み込まれてよく、または、光記録媒体の外部上にパターン化されてよい。非均一な磁場により最初に生成される電流は、交流電流である。交流電流を直流電流に変換するために、整流回路が使用されてよい。論理回路が、電流のターゲットを相変化層の特定の場所へ絞ったりその方向を決めたりする機会をさらに与える。この構成により、相変化層内の局所領域またはメモリセルのアドレッシングが可能になる。

閾値下レーザのエネルギーを補充するための本願発明者等による第２のアプローチは、相変化層以外の光記録媒体の層にエネルギーを格納することである。エネルギー格納層の背景にある概念は、消去された状態と書き込まれた状態との間の変態を促しやすいように、相変化層に対して制御可能に放出および伝達されてよいエネルギーを格納する光記録媒体の層を含むことである。エネルギー格納層に格納されたエネルギーは、レーザにより与えられるエネルギーを補充するために使用される場合がある潜在的なエネルギーの形態のものであってよい。エネルギー格納層から相変化層へのエネルギー伝達は、電気的、化学的又は機械的エネルギーによるものであってよい。エネルギー格納層の基本的な要求は、高エネルギー状態から低エネルギー状態へ変態できるということである。変態は、相変化材料の状態の変態の開始と同時に生じることが好ましい。エネルギー格納層の変態は、可逆的であることが最も好ましい。

好適なモードによれば、高エネルギー状態と低エネルギー状態との間のエネルギー格納層の変態は、記録されていない状態と記録された状態との間の相変化材料の変態と同時に生じる。典型的な相変化材料では、消去プロセス（アモルファス相から結晶または部分的結晶相への変態）よりも、書込みプロセス（結晶または部分的結晶相からアモルファス相への変態）を実行するために、より多くのエネルギーが必要とされる。その結果、典型的な相変化材料が、閾値下出力の書込みビームにさらされる場合、エネルギーは、書込みビームの助力となるように、エネルギー格納層から相変化材料へと移されて、書込みまたは記録プロセスを実行する。このようなエネルギーの移動は、高エネルギー状態から低エネルギー状態へのエネルギー格納層の変態と一致する。エネルギーが移動すると、相変化材料は、記録されたアモルファス状態にあり、エネルギー格納層は、低エネルギー状態にある。

より好適なモードにおいて、閾値下の書込みビームが存在するさいに、多数回の書込みサイクルが達成されてよい高エネルギー状態にエネルギー格納層を回復させることが可能である。原則的に、エネルギー格納層を回復するのに必要とされるエネルギーは、外部エネルギー源により与えられてよい。実際の応用では、光記録媒体の通常動作の間、エネルギー格納層を回復することが望まれる。本発明において、消去または上書きプロセス中、エネルギー格納層の回復が生じると考えられる。結晶プロセスに要求されるエネルギーは、アモルファス化のプロセスに要求されるより低いとされるため、結晶化をもたらすのに必要なエネルギーを超えた結晶化ビームのエネルギーが、低エネルギー状態から高エネルギー状態へエネルギー格納層を変態するために使用されてよい。アモルファス化に対して閾値以下であるレーザビームは、結晶化に対して必ずしも閾値以下ではない。閾値下アモルファス化ビームにより与えられる出力が、結晶化の閾値を超えれば、超過したエネルギーは、エネルギー格納層を高エネルギー状態へ回復するために使用されてよい。エネルギー格納層は、回復されると、さらなる書込みサイクルを助力するように利用可能である。閾値下アモルファスビームにより与えられる出力が、結晶化閾値より低ければ、結晶化の実行とエネルギー格納層の回復との両方を行うために、さらなるエネルギー源が必要となる。

１つの実施形態において、エネルギー格納層は、アモルファス化ビームが存在するさいに発熱化学反応を受けることが可能な材料からなる。本発明のこの実施形態の記載のこの部分において、アモルファス化および結晶化に１つのレーザが使用され、レーザ出力は、アモルファス化プロセスに対して閾値以下であり、結晶化プロセスに対して閾値より高い。アモルファス化の前に、相変化材料のいくつかは、結晶または部分的結晶状態にあり、エネルギー格納層は、アモルファス化ビームが存在するさいに発熱化学反応を受けることが可能な反応分子を含む高エネルギー状態にある。アモルファス化プロセスが始まると、アモルファス化ビームからのエネルギーの一部が、ビームに露光されるエネルギー格納層の部分で化学反応を開始するために使用されてよい。反応が発熱を伴うため、エネルギー格納層の露光部分からエネルギーが放出され、相変化層へ移されて、結晶または部分的結晶状態からアモルファス状態への変態を助力する。発熱化学反応により与えられるエネルギーと、閾値下のアモルファス化ビームにより与えられるエネルギーとを組み合わせると、相変化材料のアモルファス化変態をもたらすのに十分なものとなる。

記録プロセスが終わると、相変化材料は、書き込まれた状態またはアモルファス状態にあり、エネルギー格納層の一部分が低エネルギー状態にある。エネルギー格納層の一部分を高エネルギー状態へ回復させるには、化学反応を反転させる必要がある。記録プロセス中に生じる反応は発熱を伴うため、反応の反転は吸熱性のものであり、したがって、エネルギーの投入が必要とされる。この実施形態において、化学反応を反転させ、エネルギー格納層を高エネルギー状態へ回復するのに要求されるエネルギーは、消去または上書きプロセス中、レーザにより与えられる。この実施形態のレーザビームのエネルギーは、結晶化閾値より高いため、エネルギー格納層の反応部分を高エネルギーの非反応状態に回復するために使用されてよい過剰なエネルギーを含む。消去または上書きプロセスが終わると、相変化材料は、結晶または部分的結晶の記録されていないまたは上書きされた状態にあり、エネルギー格納層は高エネルギー状態にある。

また、上述した実施形態は、書込みプロセス中に発熱相変化または構造的変態を受けることが可能な材料からなるエネルギー格納層により容易に達成される。詳細には記載しないが、上述した実施形態に代替するこのような実施形態は、前述した記載から容易に理解されるであろう。同様に、この実施形態は、複数のレーザ源、または、熱的、機械的、または電気的な供給源などの非レーザエネルギー源とレーザ源との組み合わせにより容易に達成される。

別の実施形態において、エネルギー格納層は、電気エネルギーの形態のエネルギーを相変化材料に与える。この実施形態において、エネルギー格納層は、電荷を格納および放出可能な容量性の材料からなる。この実施形態において、アモルファス化および結晶化のために１つのレーザが使用され、そのレーザ出力は、記録プロセスに対して閾値以下であり、消去または上書きプロセスに対して閾値より高い。記録前、相変化材料の一部は、結晶または部分的結晶状態にあり、エネルギー格納層は、高い電荷量を含む高エネルギー状態にある。記録プロセスが始まると、書込みビームからのエネルギーの一部を使用して、ビームに露光されるエネルギー格納層の部分からの電荷の放出を開始する。この電荷放出は、容量性の放電と同等であり、相変化材料に電気エネルギーを移す効果を有し、記録されていない結晶または部分的結晶状態から記録された状態またはアモルファス状態への変態を助力する。容量性放電により与えられる電気エネルギーと、閾値下の記録ビームにより与えられるエネルギーとを組み合わせると、相変化材料のアモルファス化変態をもたらすのに十分なものになるであろう。

書込みプロセスが終わると、相変化材料は、記録された状態またはアモルファス状態にあり、エネルギー格納層の一部分は低電荷状態にある。エネルギー格納層の一部分を高電荷状態に回復させるには、アモルファス化プロセス中に生じる容量性放電中に失う電荷を回復させる必要がある。回復にはエネルギーの入力が必要である。この実施形態において、エネルギー格納層の電荷を回復させるのに要求されるエネルギーは、結晶プロセス中、レーザにより与えられる。この実施形態のレーザビームのエネルギーは、結晶化閾値を超えているため、エネルギー格納層の容量性放電部分を高電荷状態に回復させるために使用されてよい過剰のエネルギーを含む。電荷の回復は、電荷の変換の後に続くエネルギー格納層による光子吸収により、または、エネルギー格納層と電気的に連通したオンボード回路を伴う類似したプロセスにより生じてよい。結晶化プロセスが終わると、相変化材料は、結晶または部分的結晶の記録されていないまたは上書きされた状態にあり、エネルギー格納層は高電荷状態にある。

前述した実施形態におけるエネルギー格納層は、相変化層に対してすぐに隣接した位置に設けられてよく、または、さらに離れた位置に移動されてよい。エネルギー格納層が、相変化層とエネルギー的に連通している（すなわち、エネルギーを相変化層に移したり与えたりすることができる）とすれば、それが直接的であっても、中間層を介したものであっても、エネルギー格納層は、多層光記録媒体内のどの場所に設けられてもよい。低出力の青色または短波長レーザに基づいた光記憶検索システムを開発する状況において記載してきたが、本願発明者等は、エネルギー格納層の利点が、補充エネルギーが効果的である必要がある低出力レーザまたは相変化材料を統合させるための１つの方法として、エネルギー格納層の利点をより一般的に認識している。

本発明の関連する態様は、書込みレーザの出力が結晶または部分的結晶状態からアモルファス状態への変態をもたらすのに必要な閾値を超える相変化材料に基づいた光記憶検索システムにおいて、結晶化の反応速度を高めるために、エネルギー格納層を使用することである。低速の結晶化は、多数の実際または潜在的な相変化材料に関連した現象である。アモルファス相を形成するプロセスとは対照的に、結晶化のプロセスは、結晶化の反応速度により制限された低速プロセスであることが多い。したがって、結晶化に必要な熱力学的エネルギー要求が満たされた場合であっても、結晶化の速度が遅すぎるため、実用的に有用ではない。これらの反応速度が制限された結晶化プロセスにおいて、結晶化の速度が速くすることが望まれている。

上述したエネルギー格納層に基づいた実施形態に関連する実施形態において、本願発明者等は、光記憶検索システムにおいて使用されるレーザの出力が、結晶または部分的結晶状態からアモルファス状態への相変化材料の変態をもたらすのに必要な閾値を超える場合に適用可能である結晶層をさらに発明した。これらの状況下において、記録、消去、上書き、および読出しは、レーザにより達成されてよく、消去または上書きプロセスに関連する結晶化は、システムの速度を制限する。

消去または上書きプロセスにおいて生じる結晶化を加速させるために、光記録媒体に結晶化層が含まれてよい。この加速は、結晶化層における構造的または化学的な変態の結果として生じる。結晶化層に関連した変態の範囲は、エネルギー格納層に対して上述したものに類似している。結晶化層は、消去または上書きプロセス中、アモルファス記録状態から結晶または部分的結晶状態へ変態する間、エネルギーまたは運動量を相変化層へ移すことにより作用する。結晶化層がエネルギーを相変化層へ移す状況において、エネルギーの移動は、エネルギー格納層の記載において上述したものと類似しているが、異なる点は、アモルファスプロセス中ではなく、結晶化プロセス中にエネルギーが移動し、結晶化プロセス中ではなく、アモルファスプロセス中に回復が生じるということである。結晶化層により与えられる追加エネルギーは、本願発明者等により、分子運動を高めることにより結晶化を加速させると考えられている。

エネルギーの移動とは関係なく、結晶化層は、結晶化を開始させるための運動量または推進力を与えることにより、相変化層の結晶化を高めてよい。低速に結晶化する材料は、結晶化プロセスを開始させることが困難であるため、停滞している場合が多い。結晶化を開始させるための推進力を与えることで、結晶化層は、結晶化プロセスを加速させる。理論により制限されるべきではないが、本願発明者等により、結晶化層により与えられる運動量や推進力は、結晶化層が１つの状態から別の状態へと変態する間に生じる量的変化からのものであってよいと考えている。量的変化は、膨張または収縮であってよく、相変化層における対抗する量的変化を誘起する。この対抗する量的変化により、結晶化を促進、加速、または開始させる運動量または推進力が与えられてよい。

結晶化が、結晶化を開始させるための運動量または推進力により高められれば、エネルギー移動の方向は、任意のものであり、決定的ではない。結晶化層は、エネルギーを移動させてもさせなくてもよく、または、相変化材料からエネルギーを受け入れてもよい。結晶化層の変態に関連する量的変化は、本願発明者等により、結晶化を高めると考えられている。

１つの実施形態において、本発明の結晶化層は、上述したＳｅ系の相変化材料と組み合わせて使用される。本発明のＳｅ系の相変化材料に関連する１つの可能な欠点は、Ｓｅ系材料の結晶化が低速であることが多いということである。Ｓｅ系の相変化材料を含む光記録媒体に結晶化層が含まれれば、結晶化が加速され、消去時間がより高速になる。

図４の参照番号１０に、結晶化層を含む光記録媒体の１つの実施形態が開示されている。図４に示す実施形態は、基板１、金属性または反射性の層６、誘電体層２、結晶化層７、相変化材料を含む記録層３、結晶化層８、誘電体層４、および保護層５を含む。結晶化層を１つしか含まない類似した実施形態および記録層と物理的に接触しない１つ以上の結晶化層を含む実施形態、またはそれらの組み合わせも、本発明の範囲内のものである。

本発明の範囲は、上述した相変化材料および光記録媒体を組み合わせた光記憶検索システムに及ぶ。このようなシステムは、典型的に、少なくとも１つが相変化材料を含む１つ以上の記録層を含む光記録媒体に対して、データの読出し、記録、上書き、および消去を行うための光ヘッドを備えた光ドライブを含む。光ドライブは、相変化材料のアモルファス化および結晶化を誘起するための光源、好ましくは、レーザを含む。保護層、誘電体層、反射層、基板層などを含んでよい１つ以上の層を有する光スタックに、上述したような、青色または短波長で高い性能を示す相変化材料、エネルギー格納層、結晶層などが一般的に含まれてよい。

プラズモンレンズ
本願発明者等は、単純な格子が発生するものよりも光プラズモン結合強度を高めるプラズモンレンズを作製した。さらに、ｔｅｒａｂｉｔ／ｉｎ^２の記憶密度には、約３０ｎｍの開口が必要になる。６５０ｎｍレーザ光を使用した場合であっても、要求される開口は、依然として、λより２０Ｘ以上小さい。格子運動量を使用することが、光子がプラズモンと結合できる唯一の方法ではないことは言うまでもない。別の方法は、エバネッセント結合により広義にあらわされる。格子とエバネッセント結合との両方を組み合わせることにより、光プラズモン相互作用強度は、おそらく、ＰＣ光記録を可能にするレベルまで高められる。

２０〜１２８ｎｍの厚みのＡｌ膜をさまざまな基板上に堆積する実験セットを実行した。これらは、理想的に平坦なガラス基板、ベアＣＤ−ＲＷおよびＤＶＤ−ＲＷポリカーボネート溝付き基板、とともに、集積近視野光学系（ＩＮＦＯ）を含む基板を含む。平坦なガラス基板は、Ａｌ膜を透過する参照基線を与える。ＣＤおよびＤＶＤ基板は、それぞれ、１．５５μｍおよび０．７４μｍのピッチを有する「単純な」一次元の平坦な格子の参照を与える。最後に、ＩＮＦＯ基板は、（０．７４μｍの有効ピッチに対して）高さが１列おきに変調する０．３７μｍ直径の円筒状のナノ光学レンズからなる。これらのナノ光学構造にわたってＡｌ層をコンフォーマルにコーティングするために、ＵＶ／オゾン処理で２０分間わずかにエッチングすることにより、受け取ったディスクの深いプロファイル特徴を取り除いた。ＳＥＭにより、コンフォーマルであることが確認された。本願発明者等が発見したことによれば、ＩＮＦＯサンプルのより複雑な形状は、プラズモンへの光のエバネッセント結合（およびその逆）を高めたものであった。

図５Ａ〜Ｃは、本願発明者等によりテストされた異なるサンプルタイプを示し、表Ｉに、サンプルの識別が与えられている。偏光された反射率および透過率［Ｒ，Ｔ］の測定を、二重ビーム機器のＰｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ Ｌａｍｂｄａ９００分光測光器を用いて、３００〜２５００ｎｍのスペクトル範囲にわたって行った。２つのＧｌａｎ−Ｔｈｏｍｐｓｏｎ偏光結晶を使用し、１つを機器の参照ビームにおいて、もう１つをサンプルビームにおいて使用した。透過測定は、積分球（６０ｍｍ直径）検出器から約５０ｃｍ離れた位置のサンプルに対して垂直入射で行った。反射測定は、ほぼ垂直入射（８°）で行い、サンプルは、検出器に直接取り付けられた。この場合、反射されたエネルギーの集合の有効ＮＡは、０．９０〜０．９５である。このようにして、［Ｔ］（透過）を測定するとき、最も回折された光は逃れるが、［Ｒ］（反射）を測定するとき、６４°を超える光線だけが逃れる。分光計の光ビームの垂直方向および水平方向の空間寸法の高さと幅は、それぞれ、約１ｃｍ×０．２ｃｍである。サンプルは、溝が垂直方向に対して実質的に平行になるような向きにされる。そのようにしても、感度のよい偏光依存の測定に対するこのような不十分な位置決めには依存しない。サンプルを位置決めした後、分光系の波長を、異なる偏光に対して最大の感度を予想する値に設定する（経験に基づいて）。この波長で、極限状態を決定するために偏光スキャンを実行する。ここで、両方の偏光子が１０°〜３３０°の間で回転される。これにより、ｓ方向およびｐ方向を数度内に決定することができる。この作業において、ｓ偏光およびｐ偏光は、サンプルの溝方向に対して特定される。したがって、ｓ偏光において、光の電場方向は、溝方向に対して垂直である。一旦決定されると、サンプルを移動させることなく、偏光結晶は、適切な角度に回転され、この角度で、波長スキャンが実行される。最後のコメントは、反射率測定に関する。これらは、第１の表面Ａｌミラーに対して行われる。その後、公認の鏡面反射標準の測定により決定された補正を用いて、アルミニウムの反応に対して、生反射データが補正される。一定の０．４ｓ積分時間で１ｎｍ間隔ですべてのスキャンを実行した。

表１は、サンプルの詳細を示し、Ａｌ層は、１．５原子％Ｔｉを含む。誘電体操は、光メモリ媒体で典型的に使用される（ＺｎＳ）_０．８（ＳｉＯ_２）_０．２である。すべての層は、室温で堆積されるスパッタである。ＩＮＦＯ基板に、２０分間のＵＶ／オゾンエッチを施した。

図６Ａおよび図６Ｂは、ＣＤ−ＲＷサンプル（実行ｏ３３０８）のＡｌ膜（４０ｎｍ）面上に入射した光の両方の偏光における反射（Ｒ）および透過（Ｔ）をそれぞれ示しさらに、同じ公称Ａｌ厚みを有するが、平坦な溶融シリカガラス（ＦＳＧ）上にある参照サンプル（ｏ３１１２）の偏光されていないデータを示す。予想の通り、［Ｒ_ｐ］は、平坦なＦＳＧ上での変更されていない［Ｒ］測定と密接に比較して、スペクトル範囲のほとんどのわたってかなり単調である。サンプルｏ３１１２の［Ｒ，Ｔ］データの両方に対して、８５０ｎｍ付近を中心にした幅広い特徴は、Ａｌ［１６］において２つの異なる伝導帯の間の遷移によるものである。サンプルｏ３３０８の［Ｒ_ｐ］および［Ｒ_ｓ］の両方は、６４０ｎｍを中心にして幅広く急降下するとともに、４００ｎｍより低いところで降下している。これらの急降下は、一部の光エネルギーが損失し、ほとんどの場合、回折により損失していることを意味する。サンプルが、積分球検出器（有効ＮＡが０．９０〜０．９５）と直接接触している場合でも、表面に対してグレージング角で回折されたエネルギーは測定されない。透過データに関して、サンプルｏ３３０８の［Ｔ_ｐ］および［Ｔ_ｓ］の両方は、本質的に同一のものであるが、平坦な参照サンプルの［Ｔ］より若干低い。アルミニウムの帯間吸収特徴は、８５０ｎｍで特定されることができる。しかしながら、参照の［Ｔ］は、一貫して、サンプルｏ３３０８の偏光データより約０．１％大きく現れる。これには２つの利用がある。公称Ａｌ厚み値は同一であるが、ｏ３３０８の有効厚みはわずかに大きいことがある。さらに、サンプルと検出器の距離が長いことから、ｏ３３０８の屈折エネルギーのほとんどが測定されない。

図６Ａおよび図６Ｂは、ＣＤ−ＲＷサンプル、実行ｏ３３０８、Ａｌ厚み４０ｎｍに対する、ｐ偏光［ＲＴｍ１，青］およびｓ偏光［ＲＴｍ２，緑］における反射および透過をそれぞれ示す。また、平坦なＦＳＧ上にある４０ｎｍＡｌを有するサンプルｏ３１１２［ＲＴｃ１，赤］の偏光されていないデータが参照用に示されている。すべての場合において、膜側から光が入射する。格子変化が、８６２ｎｍで生じ、この位置での［Ｒ］の不連続性および［Ｔ］のノイズを理由である。

明らかに、図６Ａおよび図６Ｂの最も大きな差は、サンプルｏ３３０８の［Ｒｓ］にあり、１８４０ｎｍから６８０ｎｍおよびそれ以下で多数の急激な降下が見られる。これらの急降下は、検出器内への光エネルギーの損失を表す。これらは、表面プラズモン（ＳＰ）共鳴の励起による純吸収とともに、単純な回折のような検出器からの散乱の両方を表す。このようなＳＰの特徴は、ｓ偏光に対して、金属性の屈折格子［１７］において共通してみられる。興味深いことに、この効果は、透過データにわずかしか影響を与えず、［Ｔ_ｐ］および［Ｔ_ｓ］は、約８２５ｎｍ付近での［Ｔ_ｓ］のわずかな高まりを除いて、実質的に同一である。これは、弱い光プラズモン結合の場合である。

図７Ａおよび図７Ｂは、ＩＮＦＯサンプル、実行ｏ３３０８、Ａｌ厚み４０ｎｍに対する、ｐ偏光［Ｒｍ１，青］およびｓ偏光［Ｒｍ２，緑］をそれぞれ示す。参照用に、平坦なＦＳＧ上に４０ｎｍＡｌを有するサンプルｏ３１１２［ＲＴｃ１，赤］に対して、偏光されていないデータが示されている。すべての場合において、膜側から光が入射する。

図７Ａおよび図７Ｂは、強い光プラズモン結合の場合であると考えられるものを示す。この場合、同じ堆積実行（ｏ３３０８）において、ＩＮＦＯ基板のナノ光学要素にわたって４０ｎｍＡｌ膜を堆積した。この基板のピッチが７４０ｎｍであるため（ＣＤ−ＲＷ基板の１５００ｎｍと比較した場合）、［Ｒ_ｓ］における第１のプラズモン共鳴は、９１５ｎｍ付近を中心にして、エネルギーがかなり高い。さらに、ＣＤ−ＲＷ基板の［Ｒ_ｓ］と比較して、共鳴吸収の深さは著しく高い。ＩＮＦＯ基板の［Ｔ_ｓ］データは、８７５ｎｍおよび４３６ｎｍを中心にして２つの著しい山を有し、それらの振幅は、それぞれ、１．９％および２．３％であり、同等の厚みの平坦なＡｌ膜より、これらの位置での透過が４〜５Ｘ大きいことを表す。また、５８０ｎｍに低い山がある。これらのＵＶ／オゾン処理されたＩＮＦＯ基板上のコーティングは、ＳＥＭにより確認されたようにコンフォーマルであるため、ここで見られる高められた透過は、小さな開口の結果ではない。サンプルと検出器の距離が非常に長いものであっても（５０ｃｍ）、このような大きな透過ピークを測定するということは、光が、前方方向（すなわち、基板の面に対して垂直方向）に選択的に高められていることを示す。また、１１５５ｎｍおよび６５０ｎｍに谷があることも興味深い。これらは、ウッドの異常（アノマリー）による。ｓ偏光とは対照的に、［Ｒ_ｐ，Ｔ_ｐ］の両方は、ＣＤ−ＲＷ基板に対して本質的に同一である。

したがって、データは、プラズモンレンズの最良の構造が、図８Ａ（側面図）および図８Ｂ（底面図）に示すようなものである。レンズは、例えば、ポリカーボネートまたはｔのようなポリマーから形成された光学的に透明な基板１００上に作製されることが好ましい。その光入射表面は平坦であるのに対して、その反対側は、プラズモン形成表面形状が刻み込まれている。基板１００には、例えば、アルミニウムまたは銀（他の金属が用いられてもよい）から作られた金属膜１０１が堆積される。表面形状は、距離１０２だけ離れた同心リングを含む。距離１０２は、１つの特徴から隣のものまでの表面経路長の大きさである。この表面経路長１０２は、同心リングの山／谷間の表面に沿った距離である。表面経路長１０２の距離は、結合された光の波長と同一である。したがって、表面経路長は、所望の光波長を結合するように設定されなければならない。表面経路長１２０は、従来の赤色（８３０ｎｍ）または青色（６５０ｎｍ）レーザ光波長、または、４３０ｎｍなどのさらに短い波長を使用するように設定されることが好ましい。レンズの中心に開口１０４がある。開口のサイズは、データ記録媒体上に望まれる記録されたマークのサイズに左右される。このサイズは、１５０ｎｍから２０ｎｍまでの範囲のものであってよく、平方インチ当たりテラビットの範囲まで光ディルクの容量を上げるには、３０ｎｍが有用である。

本発明のプラズモンレンズの同心表面特徴の形状は、所望の光プラズモン結合を作り出すさいに大変重要である。表面特徴は、高さが規則的に変動し、正弦パターンまたはフーリエ級数を形成する複数の正弦パターンの組み合わせを形成することが好ましい。

図面および上述した記載において本発明を詳細に記載してきたが、上記記載は、特徴を説明するものであって制限するものでないと考えられるべきであり、好適な実施形態のみ示され完全に記載されており、本発明の範囲内にあるすべての変更および修正が保護されることが望まれることを理解されたい。

Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５の結晶状態およびアモルファス状態の吸収スペクトルのプロットである。 本発明による青色レーザを用いて使用するための相変化材料の吸収スペクトルの典型的なプロットである。 本発明による好適な光データ記憶システムの図である。 本発明による光記録媒体の断面図である。 図５Ａ〜Ｃは光プラズモン結合レンズを開発するために、本願発明者等によりテストされた異なるサンプルタイプを示す。 本発明の光プラズモン結合レンズを形成しないＣＤ−ＲＷサンプルのＡｌ膜（４０ｎｍ）側上に入射する光の偏光における反射率データを示す。 本発明の光プラズモン結合レンズを形成しないＣＤ−ＲＷサンプルのＡｌ膜（４０ｎｍ）側上に入射する光の偏光における透過率データを示す。 本発明の光プラズモンレンズに入射する光の偏光における反射率データを示す。 本発明の光プラズモンレンズに入射する光の偏光における透過率データを示す。 本発明の光プラズモン結合レンズの略図的側面図を示す。 本発明の光プラズモン結合レンズの略図的底面図を示す。

Claims (7)

1. 相変化材料を含み、前記相変化材料はＧｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５−ｘＳｅ_ｘ、ただし０＜ｘ≦５であり、
   前記相変化材料は、エネルギーを供給することにより、第１の光反射率を有する第１の検出可能な状態と第２の光反射率を有する第２の検出可能な状態との間を可逆的に変態可能な光記録媒体であって、
   ４３０ｎｍより短い波長で、前記相変化材料における前記第１の光反射率の値が、前記第２の光反射率の値と、少なくとも５０％異なり、かつ、
   前記相変化材料におけるＳｅが、４３０ｎｍより短い波長で、前記第１の光反射率と第２の光反射率の差５％〜２７％を与える量で含まれている、光記録媒体。
2. ４３０ｎｍより短い波長で、前記第１の光反射率の値が、前記第２の光反射率の値と、少なくとも１００％異なる、請求項１に記載の光記録媒体。
3. 前記第１の検出可能な状態が、前記第２の検出可能な状態より結晶度が高い、請求項１に記載の光記録媒体。
4. 前記第１の検出可能な状態が、結晶または部分的結晶状態であり、前記第２の検出可能な状態が、実質的にアモルファス状態である、請求項１に記載の光記録媒体。
5. 前記第１の光反射率が、１５から３０％の間である、請求項１に記載の光記録媒体。
6. 前記相変化材料が、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓ、Ａｓ、Ｂｉ、およびＡｇからなる群から選択された元素をさらに含む、請求項１に記載の光記録媒体。
7. 誘電体層をさらに含む、請求項１に記載の光記録媒体。

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