JP4503587B2 - 半導体探針を利用した情報再生方法及びそれを適用した装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界効果半導体探針を利用した情報再生方法及びそれを適用した装置に係り、熱的な不安定に起因したノイズ信号と媒体の電界変化に起因した情報信号とを分離する情報再生方法及び装置に関する。

最近、携帯用通信端末機、電子手帳のような小型製品に対する需要が増加するにつれて、超小型・高集積・不揮発性記録媒体の必要性が増加している。既存のハードディスクは、小型化が容易でなく、フラッシュメモリを高集積化することも難しいので、これに対する代案として走査探針(scanning probe)を利用した情報記録装置及び方法が研究されている。

探針は、色々なＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）技術に利用される。例えば、探針と試料との間に印加される電圧差によって、流れる電流を検出して情報を再生するＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、探針と試料との間の原子間力(atomic force)を利用するＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、試料の磁場と磁化した探針との間の磁力を利用するＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、可視光線の波長による解像度の限界を改善した走査型近接場光学顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＮＯＭ）、試料と探針との間の静電気力を利用した静電気力顕微鏡（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＥＦＭ）に利用される。

韓国の林・グンベら（Ｌｉｍ,Ｇｅｕｎｂａｅ ｅｔ ａｌ）は、メディアの表面電荷を電界効果によって検出する電界効果探針を提案した（特許文献１及び２参照）。Ｌｉｍらが提案した探針は、電界によってキャリアチャンネルが形成される電界効果トランジスタ形態の半導体チップを有する。半導体チップに印加される電界は、メディアの表面にトラップされた電荷あるいはダイポールモーメントによって形成される。記録された情報に対応してディスクにトラップされた電荷がしきい電界強度以上の強度を有する電界を形成すれば、チャンネルが形成されて、電界効果探針の抵抗が小さくなる。したがって、記録された情報に対応した抵抗の変化によって記録された情報を再生しうる。

また、本出願の共同発明者である韓国のバク・ホンシクら（Ｐａｒｋ,Ｈｏｎｇ−ｓｉｋ ｅｔ ａｌ）は、半導体チップのチャンネル領域が弱くドーピングされている抵抗性半導体探針を提案した（特許文献３参照）。抵抗性半導体探針の半導体チップは、無電界時にも弱い電流が流れうるほどに不純物が弱くドーピングされているため、弱い電界も検出しうる。すなわち、バク・ホンシクらが提示した方法は、無電界時にもキャリアがチャンネルで移動できるように低い移動度を半導体チップに付与することによって、弱い電界に対しても高い感度を保証する。

しかし、このような抵抗性半導体チップは、熱に敏感であり、したがって、温度変化によって抵抗変化が大きいという特性を有する。このような熱的不安定性による抵抗の変化は、抵抗性半導体探針の欠点として現れる。すなわち、不安定な探針の温度の変化は、抵抗性半導体チップでノイズ電流である不安定電流変化を引き起こす。このようなノイズ電流は、電界と関係なく温度の変化によって発生する。抵抗性半導体探針の不安定な温度変化は、メディアと探針との間の不安定な間隔変動あるいは接触面積によって、探針やこれを支持するカンチレバーから発生した熱が定常的かつ持続的に排出されないために、発生する。

このような抵抗性半導体探針の不安定な温度変化を抑制するためには、探針とメディアとの間の間隔を一定に維持させる必要がある。このようにするための一方法では、探針に対面するメディアの表面を非常に滑らかにすることであるが、いくらメディア表面の平滑度を極大化しても、その平滑度の限界により、十分で効果的な熱的安定性を確保できない。これは、メディアと探針との間の間隔が数ｎｍの範囲内で変化しても温度変化によるノイズ電流が発生し、メディア表面を鏡のように滑らかに加工しても、その平滑度を数ｎｍの範囲内で調節できないためである。他の方案として、探針とメディアとの間隔を十分に大きくすることがあるが、この方案は、高い開口率を有する抵抗性半導体探針を製作し難いため、その可能性は少ない。このような熱的な不安定性によるノイズ電流の発生は、前述した林・グンベらによって提示された半導体探針でも発生する可能性が多少ある。

したがって、電界効果によって電流の流れが制御される半導体探針を利用して、電荷によって情報が記録されたメディアから効果的に情報を読み取るためには、半導体探針の熱的不安定性に起因したノイズ電流にも拘わらず、Ｓ／Ｎ比の向上を通じて効果的に信号を再生できる方法の研究が必要である。
米国特許第６,５２１,９２１号明細書 韓国特許第０３６６７０１号明細書 米国公開特許２００５／０２３１２２５Ａ１号

本発明は、半導体プローブの特別な構造変更なしに、熱的不安定性に敏感な半導体探針を利用して情報を効果的に再生できる半導体探針を利用した情報再生装置及び方法を提示することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による電界効果半導体探針を利用した情報再生装置は、情報記録媒体が発生する電界によってチャンネル状態が変わる半導体チップを有する半導体探針と、前記電界によって誘起された情報信号を変調するように前記半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成させる変調部と、前記半導体探針で発生された信号を検出する信号検出部と、前記信号検出部で検出された信号から前記変調電界によって変調された情報信号を抽出する復調部と、を備える。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記半導体探針は、ｎ型半導体で形成されたチップと、前記電界によって前記チップの尖頭部に前記チャンネルが形成される領域と、前記チャンネルが形成される領域の両側の傾斜面にｎ型不純物でドーピングされたソース及びドレイン領域と、前記チップが設けられる末端を有するものであってｐ型半導体で形成されたカンチレバーと、を備え、前記変調部は、高周波変調信号発生器と、前記カンチレバーに設けられ、前記高周波変調信号発生器から前記高周波変調信号が印加される電極と、を備え、さらに望ましくは、前記チャンネル領域は、ｎ型半導体で前記ソース及びドレイン領域より低濃度でドーピングされている。

本発明の望ましい他の実施形態によれば、前記高周波変調信号は、正弦波信号であり、さらに望ましくは、前記高周波変調信号は、前記情報記録媒体が発生する電界の周波数より少なくとも５倍以上大きい高周波信号である。

本発明の望ましいさらに他の実施形態によれば、前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算するマルチプライヤー（乗算演算器）と、前記マルチプライヤーから出力された信号から所定の周波数より小さな周波数領域の信号を抽出する低域通過フィルターと、を備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数がほぼ同じであり、前記信号検出部から検出された信号と位相がほぼ同じであり、さらに望ましくは、前記低域通過フィルターのカットオフ周波数は、前記変調信号の周波数より少なくとも１０倍以上小さい。

本発明の望ましいさらに他の実施形態によれば、前記信号検出部は、前記半導体探針に電圧を分配印加して信号を抽出できるように電圧ディバイダ回路で構成され、前記電圧ディバイダ回路は、少なくとも一つ以上の抵抗及び前記半導体探針で構成されたブリッジ回路であるか、少なくとも一つ以上の抵抗を含み、前記半導体探針で帰還ループを形成した演算増幅器を備える反転増幅回路でありうる。さらに望ましくは、電圧ディバイダ回路によって発生するオフセット電圧を除去するために差動増幅器をさらに備えうる。

本発明による電界効果半導体探針を利用した情報再生方法は、情報記録媒体が発生する電界によってチャンネルが変わる半導体チップを有する半導体探針を利用して媒体に記録された情報を再生する方法において、前記半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成して、前記電界によって誘起された情報信号を変調する変調ステップと、前記半導体探針で発生された信号を検出する信号検出ステップと、前記信号検出ステップで検出された信号から前記変調電界によって変調された情報信号を抽出する復調ステップと、を含む。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記復調ステップは、前記信号検出ステップで検出された信号と復調信号とを乗算するステップと、前記乗算するステップから出力された信号から所定の周波数より小さな周波数領域の信号を抽出するステップと、を含み、前記復調信号は、前記変調信号と周波数とがほぼ同じであり、前記信号検出ステップで検出された信号と位相がほぼ同じである。

本発明の望ましい他の実施形態によれば、前記信号検出ステップは、前記半導体探針に電圧を分配して前記半導体探針で発生された信号を抽出し、さらに望ましくは、前記分配された電圧のオフセット電圧を除去して増幅するステップをさらに含む。

本発明によれば、変調によって電界変化による信号と熱的変化による信号とを分離して有効な情報信号を検出することによってＳＮＲが向上し、これにより、熱的ノイズにも拘わらず、情報信号を安定的に再生しうる。

以下、本発明の実施形態による半導体探針を利用した情報再生方法および装置を図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａは、電界効果型半導体探針とメディアとの関係を説明する図面である。
図１Ａに概略的に示したように、探針は、カンチレバーと、メディア表面に対面するようにカンチレバーの先端に形成される電界効果トランジスタ型半導体チップとを備える。ここで、カンチレバーで発生した熱は、メディア側に放出されるが、この時にメディア表面の粗度(roughness)によってその距離の変化が発生すれば、熱放出量が変化し、この熱放出量の変化によってカンチレバーとこれに固定された半導体チップとで熱的な抵抗変化が発生する。このような抵抗変化は、探針の全電流ｉ_ＲＰに影響を及ぼす。

図１Ｂは、前記のような熱的抵抗ｒ_ｔと電界によって変化される探針の抵抗ｒ_ＲＰとが考慮された抵抗性探針の等価回路である。このような等価回路によれば、出力Ｖ_ｏは、下記の数式によって得られる。下記の数式で、Ｒはバイアス抵抗であり、Ｖ_ｓｓはバイアス電圧である。

前記の数式を通じて、熱的抵抗ｒ_ｔの変化は、出力に影響を及ぼすということが分かる。本発明は、出力Ｖ_ｏから熱的な抵抗変化による成分を分離してＳＮＲを向上させる。

図２Ａは、本発明による情報再生装置の概略的な構成を示す図面である。
分極ドメイン(polarization domain)によって情報を保存する強誘電体メディア１０に対して、電界効果半導体チップ３１を有する半導体探針３０が所定間隔をおいて配置される。探針３０からの出力は、信号検出部２０に連結され、信号検出部２０は、復調器５０に連結されている。ここで、信号検出部２０は、一種の信号前処理部であって、探針における電流変化から情報信号が含まれている変調信号を抽出する。そして、探針３０には、メディア１０の分極によって捕獲された電荷によって誘起された電流変化、すなわち、前記情報信号を変調する変調器４０が連結される。前記変調器４０は、所定の周波数の正弦波を発生し、半導体チップ３１のチャンネル領域に変調電界を形成する。この変調電界により前記情報信号が変調される。前記信号検出部２０は、前記変調された信号を含んで前記半導体探針３０から発生した信号を検出して復調器５０に送る。前記復調器５０は、前記検出された信号の中から、前記変調器４０によって変調された信号のみを分離して復調する。すなわち、本発明によれば、高周波変調信号によって情報信号が変調され、熱的な抵抗変化によるノイズ信号は変調されず、したがって、前記復調部で前記情報信号とノイズ信号とが分離される。

情報信号とノイズ信号との分離、すなわち、情報信号の変調及び復調については、後で詳細に説明する。一方、前記信号検出部２０には、探針３０に駆動電圧が印加されるようにバイアス電圧Ｖ_ｓｓを印加する。バイアス電圧は、信号検出部２０を経由せずに前記探針３０に直接印加されうる。バイアス電圧は、電界効果半導体探針が記録媒体の情報を読み取るプローブとして動作するために必要な電圧である。
本発明による図２Ａに示された情報再生装置の構成要素は機能的に分離したものであって、設計によって機能が統合されてもよく、このような再生装置には、追加的な機能がさらに含まれうる。

前記探針３０は、一般に公知の電界効果トランジスタ型探針が適用される。例えば、米国特許６,５２１,９２１号明細書に開示された電界効果トランジスタのチャンネル構造が形成された走査探針や米国公開特許２００５／０２３１２２５Ａ１に開示された抵抗的なチップを有する半導体プローブを利用できる。

前記二種類の従来の探針だけでなく、他の同種の探針が本発明の再生装置及び情報再生方法に適用されるためには、半導体チップに変調電界が形成可能な構造を有さねばならないが、ほとんどの電界効果半導体探針は、前記のような条件を備えている。変調電界を形成するための構造チャンネル領域に電界を形成する要素としては、チャンネル領域に変調電界を形成する基板またはそれと別途に形成される電極であり、この電極に所定周波数の変調信号が印加される。変調信号が印加される電極（以下、変調電極）は、半導体チップが形成された基板の背面に設けられるか、または図２Ｂに示されたように、カンチレバーの一面に設けられうる。変調電極に変調信号が印加されれば、チャンネル領域で空乏層の発生によって電荷チャンネルが形成されるが、変調信号の強度によってチャンネルのサイズ、すなわち、電流の量が変化する。

図２Ｂは、本発明に適用される探針の一種であって、米国公開特許２００５／０２３１２２５Ａ１に開示されたプローブの構造を概略的に示しており、図２Ｃは、図２Ｂに示した探針のチップ部分の側断面を示している。

図２Ｂを参照すれば、シリコン基板３３の上部に絶縁層３７が積層されており、絶縁層３７の上面には、電極３９が形成されている。基板３３の表面のシリコン層からカンチレバー３５が延びており、カンチレバー３５の先端部分にソースとドレイン及びこの間のチャンネル領域を有する半導体チップ３１が形成されている。チップ３１の傾斜面には、トランジスタのソースとドレインとが電気的に接触されたソース及びドレイン電極３２,３４が形成されている。チップ３１の尖頭部には、第２不純物が低濃度にドーピングされており、若干の移動度を有する抵抗性チャンネル領域３６が上記チップ３１の尖頭部に形成されている。ソース及びドレイン電極３２,３４は、カンチレバー３５を通じてパッド３９と連結される。前述したように、前記チャンネル領域３６は、電界によってのみチャンネルが形成されるか、または不純物が弱くドーピングされて、無電界時にも若干の移動度が与えられうる。ここで、前記基板３３に変調器４０の一構成要素である変調信号発生部４１が連結されうる。さらに効果的な変調信号ｖ_ｓｕｂの印加のために、図２Ｂ及び図２Ｃに示したように、前記基板３３から延びたカンチレバー３５の一面に変調電極３５ａが形成されうる。図２Ａで、変調器４０に前記変調電極３５ａを含んで表現したのは、信号変調が探針の半導体チップでなされ、したがって、探針の一部機能が変調器に含まれるためである。このような抵抗性半導体チップの構造及び動作は、米国公開特許２００５／０２３１２２５Ａ１を参照すれば、十分に分かる。

図３は、抵抗性半導体チップでの信号変調を説明する図面である。
基板にｐ層が形成されており、ｐ層の表面にｎ型ソース及びドレイン並びにこれらソース・ドレイン間に弱くドーピングされたｎ−チャンネル領域が設けられている。基板には、所定周波数の正弦波が印加され、チャンネル領域には、正弦波による移動度の変化が起こる。この時にメディアからの電界が印加されれば、メディアからの電界がチャンネル領域に印加されて、正弦波による移動度の変化が現れるチャンネル領域の移動度の変化幅が拡張される。すなわち、電界による移動度の変化は、正弦波によって増幅され、この時に増幅された信号、すなわち、変調された信号が出力される。このとき、電界による信号のみが増幅され、前述したような熱的変化によって発生する移動度の変化、すなわち熱的な抵抗変化（電流変化）には前記変調正弦波が影響を及ぼさない。このような変調によれば、熱的変化による抵抗変化に比べて、電界変化による抵抗変化、すなわちメディアから得られた情報信号をさらに大きく増幅させうる。

以下の具体的な実施形態を通じて、本発明の情報再生装置及び情報再生方法について理解できる。
図４は、本発明にある実施形態による情報再生装置の概略的な回路図である。
図４に示された実施形態の信号検出部２０は、第１抵抗Ｒ_１と抵抗性半導体探針３０の抵抗成分ｒ_ｗとが直列に連結されたハーフブリッジ回路を構成して、前記半導体探針３０にバイアス電圧Ｖ_ｓｓを分配印加して、情報再生信号を前記第１抵抗Ｒ１と抵抗性半導体探針３０の抵抗成分ｒ_ｗとが連結されたノードから検出する。詳細には、探針３０の末端に形成されている電界効果半導体チップ３１のドレイン電極３４は、前記第１抵抗Ｒ１に連結され、前記ハーフブリッジには、バイアス電圧Ｖ_ｓｓが印加される。ここで、基板３３、望ましくは、変調電極３５ａには、変調信号発生部４１から変調電圧または変調信号ｖ_ｓｕｂが印加される。

前記第１抵抗Ｒ１と抵抗性半導体探針３０の抵抗成分ｒ_ｗとが連結されたノードから出力された信号ｖ_ｏは、復調器４０に連結される。復調器４０は、入力された信号に対して乗算演算するマルチプライヤーＭＰＬとフィルター、例えば、低域通過フィルターＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）とを通じて、最終獲得された情報信号を出力する。
前記のように、本発明の情報再生装置及び方法は、ＳＮＲを高めるために情報信号の変調及び復調過程を経ることによって、熱的な抵抗変化によるノイズ信号を分離して復調する。さらに具体的に説明すれば、下記の通りである。

探針３０の抵抗性半導体チップ３１は、メディアによって誘起される電界を検出し、これにより、移動度、すなわち電気的抵抗が変わる。チップ３１とメディアとの間の間隔は、メディアの表面粗度によって変化し、これにより熱の放出量が変わる。したがって、これによる移動度の変化によって抵抗の変化が現れる。したがって、抵抗性探針の総抵抗ｒ_ｗは、半導体チップ３１の純抵抗成分Ｒｏ、メディアからの電界変化によって変化される抵抗成分ｒ_ｆ、そして熱的な不安定性に起因した抵抗成分ｒ_ｔの和で決定される。前述した第１抵抗器Ｒ１は、前記純抵抗成分と同じ値Ｒｏを有し、前記変調信号ｖ_ｓｕｂは、所定周波数ωの正弦波である。ここで、変調信号の電圧ｖ_ｓｕｂは、下記のように計算される。

このとき、前記半導体探針に分配印加されるノード電圧ｖ_ｏは、次のように計算される。

ここで、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆの上添字ωは、変調電圧ｖ_ｓｕｂの周波数ωに変調されたということを意味する。
前記の出力電圧ｖ_ｏから電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆを抜き出すために復調器５０を使用する。復調器５０は、マルチプライヤー５１とＬＰＦ ５２とを備える。前記変調信号ｖ_ｓｕｂと同じ周波数を有し、前記出力電圧ｖ_ｏと位相が同じ復調信号ｖ_ｓｕｂ’と、前記出力ｖ_ｏとを前記マルチプライヤー５１を利用して乗算すれば、下記のような出力電圧ｖ_ｏｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上添字は、０、ω、２ωの周波数成分であることを表示する。
したがって、前記出力電圧ｖ_ｏｍをＬＰＦ ５２に通過させて前記変調信号の周波数ω成分を有さない直流成分ｒ_ｆ ^０のみを検出すれば、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆのみを検出できる。

図５は、本発明の他の実施形態による情報再生装置の概略的な回路図である。
図５に示した実施形態の情報再生装置は、変調信号の検出が二つのブランチを有するホイートストンブリッジによってなされる。図面で、左側のブランチは、直列に連結される抵抗性半導体チップ３１と第１抵抗器Ｒ１とによって構成され、右側のブランチは、第２抵抗器Ｒ２及び第３抵抗Ｒ３によって構成される。探針３０の末端に形成されている抵抗性半導体チップ３１のドレイン電極３４は接地され、ソース電極３２は、前記第１抵抗Ｒ１に連結される。直列の第２抵抗器Ｒ２と第３抵抗器Ｒ３とによるブランチで第３抵抗器Ｒ３によって接地される。ホイートストンブリッジの左側ブランチと右側ブランチとには、共にバイアス電圧Ｖ_ｓｓが印加される。

ここで、基板３３に、望ましくは、変調電極３５ａには、変調信号発生部４１から変調電圧または変調信号ｖ_ｓｕｂが印加される。第１抵抗器Ｒ１とソース電極３２との間のノードＰ１と、第２抵抗Ｒ２と第３抵抗Ｒ３との間のノードＰ２とは、差動増幅器２１の非反転（＋）入力端と反転（−）入力端とにそれぞれ連結される。差動増幅器２１の出力端は、復調器５０に連結される。復調器５０は、マルチプライヤーＭＰＬとフィルター、例えば、ＬＰＦとを通じて、最終獲得された情報信号を出力する。

前記のように、本発明の情報再生装置及び方法は、ＳＮＲを高めるために情報信号の変調及び復調過程を経ることによって、熱的抵抗変化によるノイズ信号を分離して復調する。さらに具体的に説明すれば、下記の通りである。

探針３０の抵抗性半導体チップ３１は、メディアによって誘起される電界を検出し、これにより、移動度、すなわち電気的抵抗が変わる。チップ３１とメディアとの間の間隔は、メディアの表面粗度によって変化され、したがって、熱の放出量が変わり、したがって、これによる移動度の変化で抵抗の変化が現れる。したがって、抵抗性探針の総抵抗ｒ_ｗは、半導体チップ３１の純抵抗成分Ｒｏと、メディアからの電界変化によって変化される抵抗成分ｒ_ｆと、そして熱的な不安定性に起因した抵抗成分ｒ_ｔとの和で決定される。前述した第１抵抗器Ｒ１は、前記純抵抗成分と同じ値Ｒｏを有し、前記第２抵抗器Ｒ２は、前記第３抵抗器Ｒ３と同じ値を有し、前記変調信号ｖ_ｓｕｂは、所定周波数ωの正弦波である。ここで、変調信号の電圧ｖ_ｓｕｂは、下記のように計算される。

このとき、ブリッジのノード電圧ｖ_＋は、次のように計算される。

ここで、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆの上添字ωは、変調電圧ｖ_ｓｕｂの周波数ωに変調されたことを意味する。オフセット電圧を除去するために、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３によってホイートストンブリッジの一方のブランチが形成される。このとき、ブランチのノード電圧ｖ₋は、次の通りである。

両ブランチのノード電圧ｖ_＋とｖ₋とを、利得Ａを有する差動増幅器１０を利用して増幅すれば、出力電圧ｖ_ｏは、次の値を有する。

上の電圧ｖ_ｏから電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆを抜き出すために、復調器５０を使用する。復調器５０は、マルチプライヤー５１とＬＰＦ ５２とを備える。差動増幅器２１の出力ｖ_ｏと前記変調信号ｖ_ｓｕｂと同じ周波数を有し、前記出力電圧ｖ_ｏと位相が同じ復調信号ｖ_ｓｕｂ’を、マルチプライヤー５１を利用して乗算すれば、下記のような出力電圧ｖ_ｏｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上添字は、０、ω、２ωの周波数成分であることを表示する。
したがって、ＬＰＦ ５２を利用して直流成分のみを検出すれば、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆのみを検出できる。

以下では、本発明の他の実施形態による情報再生装置及び方法について説明する。
図６を参照すれば、前記半導体探針で帰還ループを形成した演算増幅器を含む反転増幅回路を使用して、半導体探針に電圧を分配印加して演算増幅器の出力端から信号を検出しうる。抵抗性探針３０の先端に設けられた抵抗性半導体チップ３１のソース電極３２は、演算増幅器２１の出力端端に連結され、ドレイン電極３４は、演算増幅器２１の反転入力端（−）に連結されている。前記演算増幅器２１の反転入力端には、第１抵抗器Ｒ１が接続され、バイアスＶ_ｓｓが印加される。これに加えて、非反転入力端（＋）は接地される。前記演算増幅器２１の出力端は、復調器５０に連結する。復調器５０は、マルチプライヤー５１とフィルター、例えばＬＰＦ ５２を有する。

前記のように、半導体チップ３１の総抵抗Ｒ_Ｗは、純抵抗(nominal resistance)Ｒ_０と電界によって変化されるｒ_ｆ及び熱変化による抵抗成分ｒ_ｔの和で決定される。第１抵抗は、前記半導体チップの純抵抗Ｒ_０と同じ値を有する。基板３３または変調電極３５ａには、所定周波数ωの正弦波である変調信号または変調電圧ｖ_ｓｕｂが印加される。

ここで、前記非反転入力端におけるインピーダンスは、無限大であるので、ここでの電流方程式を通じて演算増幅器２１の出力電圧ｖ_ｏを求めれば、次の通りである。

ここで、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆの上添字は、変調電圧ｖ_ｓｕｂの周波数ωで変調されたことを意味する。前記電圧から電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆは、復調器５０から得られる。復調器５０は、マルチプライヤー５１とＬＰＦ ５２とを備える。前記演算増幅器２１の出力ｖ_ｏと、前記変調信号ｖ_ｓｕｂと同じ周波数を有して前記出力電圧ｖ_ｏと位相の同じ復調信号ｖ_ｓｕｂ’とをマルチプライヤーを利用して乗算すれば、次のような出力電圧ｖ_ｏｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上添字０、ω、２ωは、周波数成分であることを表示する。したがって、ＬＰＦ ５２を利用してフィルタリングし、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆのみを検出できる。
前記のように、本発明は、熱的変化によるノイズ信号が混在する半導体チップからの信号を所定周波数の信号に変調し、これにより電界によって変わる抵抗による信号のみを変調し、これを復調することによって、熱的なノイズ信号のない純粋な情報信号を得る。

図７を参照すれば、抵抗性探針３０の先端に設けられた抵抗性半導体チップ３１のソース電極３２は、演算増幅器２１の出力端に連結され、ドレイン電極３４は、演算増幅器２１の反転入力端（−）に連結されている。演算増幅器２１の反転入力端と非反転入力端とには、第１及び第２抵抗器Ｒ１,Ｒ２がそれぞれ接続され、これらに共にバイアス電圧Ｖ_ｓｓが印加される。これに加えて、非反転入力端（＋）に前記第２抵抗器Ｒ２と電圧分配部を構成する第３抵抗器Ｒ３とが接続される。前記演算増幅器２１の出力端は、復調器５０に連結される。復調器５０は、マルチプライヤー５１とフィルター、例えば、ＬＰＦ ５２とを有する。

前記のように、半導体チップ３１の総抵抗Ｒ_Ｗは、純抵抗Ｒ_０と電界によって変化されるｒ_ｆ及び熱変化による抵抗成分ｒ_ｔの和で決定される。第１抵抗は、前記半導体チップの純抵抗Ｒ_０と同じ値を有する。基板３３または変調電極３３ａには、所定周波数ωの正弦波である変調信号または変調電圧ｖ_ｓｕｂが印加される。

ここで、非反転入力端と反転入力端との電位Ｖ_＋及びＶ₋は、下記の通りである。

前記非反転入力端におけるインピーダンスは、無限大であるので、ここでの電流方程式は、次の通りである。

このとき、演算増幅器２１の出力電圧は、次の通りである。

ここで、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆの上添字は、変調電圧ｖ_ｓｕｂの周波数ωに変調されたことを意味する。前記電圧から電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆは、復調器５０から得られる。復調器５０は、マルチプライヤー５１とＬＰＦ ５２とを備える。演算増幅器２１の出力ｖ_ｏと変調電圧ｖ_ｓｕｂとをマルチプライヤーを利用して乗算すれば、次のような出力電圧ｖ_ｏｍが得られる。

ここで、各抵抗成分の上添字０、ω、２ωは、周波数成分であることを表示する。したがって、ＬＰＦ ５２を利用してフィルタリングし、電界によって変わる抵抗成分ｒ_ｆのみを検出できる。
前記のように、本発明は、熱的変化によるノイズ信号が混在する半導体チップからの信号を所定周波数の信号に変調し、これにより電界によって変わる抵抗による信号のみを変調し、これを復調することによって、熱的ノイズ信号のない純粋な情報信号を得る。

図８は、本発明による半導体探針を利用した情報再生方法についての手順を概略的に示す図面である。
ステップ１０で、媒体に記録された情報によって発生する電界は、前記情報媒体の表面にトラップされた電荷またはダイポールモーメントによって発生する。前記電界によって半導体探針のチャンネル領域が変わり、探針３０の抵抗が変わる。探針３０に駆動電圧を加えて発生する信号は、探針の純抵抗成分と、前記電界によって変動される抵抗成分及び熱抵抗変動成分によるものに分けられる。

変調ステップ４０では、前記半導体探針３０に高周波変調信号Ｖ_ｓｕｂを加えて変調電界を形成し、前記電界によって変動される抵抗成分信号のみを変調する。
信号検出ステップ２０で、半導体探針に駆動電圧を加えて検出する信号には、前記変調信号によって変調された信号、すなわち、電界によって変動される変調された抵抗成分信号と探針の純抵抗成分、熱抵抗変動成分の信号の和で表現されうる。

前記信号検出ステップ２０は、前記半導体探針にバイアス電圧Ｖ_ｓｓを分配し、前記半導体探針で発生する信号を抽出するように電圧分配回路で構成され、前記電圧分配回路としてブリッジ回路を使用するか、または帰還ループを有する演算増幅回路を使用することもある。このとき、電圧分配時に発生するオフセット電圧を除去するステップと検出信号を増幅するステップとをさらに含むこともある。これについての詳細な内容は、図４ないし図７の説明で既に記述したものと同様である。

復調ステップ５０は、前記信号検出ステップで検出された信号から前記変調電界によって変調された情報信号を抽出するステップであって、前記信号検出ステップで検出された信号と復調信号と乗算するステップと、前記乗算するステップで出力された信号から所定の周波数より小さな周波数領域の信号を抽出するステップと、を含む。前記復調信号は、前記変調信号と周波数がほぼ同じであり、前記信号検出ステップで検出された信号と位相がほぼ同じである。これについての詳細な内容は、図４ないし図７の説明で既に記述したものと同様である。

図９及び図１０は、前述したホイートストンブリッジ及び差動増幅器を信号検出部として利用した図５に開示された実施形態のシミュレーション結果をそれぞれ示す。
図９で、第一の波形図１は、電界によって変わる抵抗ｒ_ｆの波形、第二の波形図２は、熱変化による抵抗成分ｒ_ｔ（単一正弦波と見なす）の波形、第三の波形図３は、差動増幅器の出力波形、第四の波形図４は、差動増幅器の出力を復調して電界によって変化される抵抗変化の波形を示す。

図１０は、熱変化による抵抗変化を周波数の異なる３個の正弦波の和と仮定した場合のシミュレーション結果を示す。すなわち、図１０で、第一の波形図１は、電界によって変わる抵抗ｒ_ｆの波形、第二の波形図２は、熱変化による抵抗成分ｒ_ｔ（３個の正弦波が合成された合成波と見なす）の波形、第三の波形図３は、差動増幅器の出力波形、第四の波形図４は、差動増幅器の出力を復調して電界によって変化される抵抗変化の波形を示す。
前記のような本発明によれば、熱的不安定性に起因したノイズ信号から、メディアから得られた情報信号を成功的に得られ、特に、変調及び復調の過程を通じてＳＮＲを高めうるので、さらに感度高く情報を再生しうる。

前記のような実施形態を通じて、当業者ならば、本発明の技術的思想によって多様な形態の探針を利用して情報を記録及び再生できる装置を製造しうるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。

本発明は、電界効果トランジスタ型探針が利用される多様な分野に適用され、特に情報再生分野に適用されうる。

一般的な電界効果型半導体探針とメディアとの関係を説明する図面である。 一般的な電界効果型半導体探針の等価回路図である。 本発明による情報再生装置の概略的な構成を示す図面である。 本発明による情報再生装置に使われる電界効果型半導体探針の概略的な斜視図である。 図２Ｂに示した探針のチップ部分を示す側面図である。 本発明によって変調信号による情報信号の変調を説明する図面である。 本発明の一実施形態による情報再生装置の概略的な等価回路図である。 本発明の他の実施形態による情報再生装置の概略的な等価回路図である。 本発明のさらに他の実施形態による情報再生装置の概略的な等価回路図である。 本発明のさらに他の実施形態による情報再生装置の概略的な等価回路図である。 本発明による情報再生方法を示す手順図である。 本発明の情報再生装置及び方法によるＳＮＲの増大を確認して示すシミュレーショングラフである。 本発明の情報再生装置及び方法によるＳＮＲの増大を確認して示すシミュレーショングラフである。

符号の説明

１０ メディア
２０ 信号検出部
３０ 探針
３１ 半導体チップ
４０ 変調器
４１ 変調信号発生部
５０ 復調器

Claims (20)

1. 情報記録媒体が発生する電界によってチャンネルが変わる半導体チップを有する半導体探針と、
   前記電界によって誘起された情報信号を変調するように、前記半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成させる変調部と、
   前記半導体探針で発生された信号を検出する信号検出部と、
   前記信号検出部で検出された信号から前記変調電界によって変調された情報信号を抽出する復調部と、を備える半導体探針を利用した情報再生装置。
2. 前記半導体探針は、ｐ型半導体で形成されたチップと、前記電界によって前記チップの尖頭部に前記チャンネル状態が形成される領域と、前記チャンネルが形成される領域の両側の傾斜面にｎ型不純物でドーピングされたソース及びドレイン領域と、前記チップが設けられる末端を有するものであってｐ型半導体で形成されたカンチレバーと、を備え、
   前記変調部は、高周波変調信号発生器と、前記カンチレバーに設けられ、前記高周波変調信号発生器から前記高周波変調信号が印加される電極と、を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利用した情報再生装置。
3. 前記半導体探針は、ｐ型半導体で形成されたチップと、前記チップの尖頭部にｎ型半導体で低濃度ドーピングされて前記チャンネルが形成される領域と、前記チャンネルの両側の傾斜面にｎ型半導体で高濃度ドーピングされたソース及びドレイン領域と、前記チップの末端に設けられ、ｐ型半導体で形成されたカンチレバーと、を備え、
   前記変調部は、高周波変調信号発生器と、前記カンチレバーに設けられ、前記高周波変調信号発生器から前記高周波変調信号が印加される電極と、を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利用した情報再生装置。
4. 前記高周波変調信号は、正弦波信号であることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか１項に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
5. 前記高周波変調信号は、前記情報記録媒体が発生する電界の周波数より少なくとも５倍以上大きい高周波信号であることを特徴とする請求項４に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
6. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算するマルチプライヤと、前記マルチプライヤから出力された信号から所定の周波数より小さい周波数領域の信号を抽出する低域通過フィルターと、を備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が同じであり、前記信号検出部から検出された信号と位相が同じであることを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか１項に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
7. 前記低域通過フィルターのカットオフ周波数は、前記変調信号の周波数より少なくとも１０倍以上小さいことを特徴とする請求項６に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
8. 前記信号検出部は、前記半導体探針に電圧を分配印加して信号を抽出できるように電圧ディバイダ回路で構成されたことを特徴とする請求項１ないし３のうち何れか１項に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
9. 前記電圧ディバイダ回路は、少なくとも一つ以上の抵抗と前記半導体探針とで構成されたブリッジ回路であることを特徴とする請求項８に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
10. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算するマルチプライヤ及び前記マルチプライヤから出力された信号から所定の周波数より小さい周波数領域の信号を抽出する低域通過フィルターを備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が同じであり、前記信号検出部から検出された信号と位相が同じであることを特徴とする請求項９に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
11. 前記ブリッジ回路は、前記半導体探針と一つの抵抗とを含むハーフブリッジ回路であり、前記抵抗と前記半導体探針とが直列に連結されたノードで信号が検出されることを特徴とする請求項９に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
12. 前記ブリッジ回路は、前記半導体探針と３個の抵抗とを含むホイートストンブリッジ回路であり、差動増幅器をさらに備え、前記差動増幅器の反転あるいは非反転入力端は、前記半導体探針が含まれて第１抵抗と連結された第１ハーフブリッジ連結ノードまたは前記抵抗のみで構成された第２抵抗と第３抵抗との間の第２ハーフブリッジ連結ノードに連結され、前記差動増幅器の出力端から信号を検出することを特徴とする請求項９に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
13. 前記第１抵抗の抵抗値は、前記半導体探針の純抵抗成分の抵抗値と同じであり、前記第２抵抗及び前記第３抵抗の抵抗値が同じであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
14. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算するマルチプライヤー及び前記マルチプライヤーから出力された信号から所定の周波数より小さい周波数領域の信号を抽出する低域通過フィルターを備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が同じであり、前記信号検出部から出力された信号と位相が同じであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
15. 前記電圧ディバイダ回路は、少なくとも一つ以上の抵抗を含み、前記半導体探針で帰還ループを形成した演算増幅器を備える反転増幅回路であることを特徴とする請求項８に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
16. 前記復調部は、前記信号検出部で検出された信号と復調信号とを乗算するマルチプライヤー及び所定の周波数より小さい周波数領域の信号を抽出する低域通過フィルターを備え、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が同じであり、前記信号検出部から出力された信号と位相が同じであることを特徴とする請求項１５に記載の半導体探針を利用した情報再生装置。
17. 情報記録媒体が発生する電界によってチャンネルが変わる半導体チップを有する半導体探針を利用して媒体に記録された情報を再生する方法において、
    前記半導体探針に高周波変調信号を加えて変調電界を形成して、前記電界によって誘起された情報信号を変調する変調ステップと、
    前記半導体探針で発生された信号を検出する信号検出ステップと、
    前記信号検出ステップで検出された信号から前記変調電界によって変調された情報信号を抽出する復調ステップと、を含む半導体探針を利用した情報再生方法。
18. 前記復調ステップは、前記信号検出ステップで検出された信号と復調信号とを乗算するステップと、前記乗算するステップから出力された信号から所定の周波数より小さい周波数領域の信号を抽出するステップと、を含み、前記復調信号は、前記変調信号と周波数が同じであり、前記信号検出ステップで検出された信号と位相が同じであることを特徴とする請求項１７に記載の半導体探針を利用した情報再生方法。
19. 前記信号検出ステップは、前記半導体探針に電圧を分配する前記半導体探針で発生する信号を抽出することを特徴とする請求項１８に記載の半導体探針を利用した情報再生方法。
20. 前記信号検出ステップは、前記分配された電圧のオフセット電圧を除去し、かつ増幅するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の半導体探針を利用した情報再生方法。

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