JP5650473B2 - 誘電材料の粒状不純物を有する超解像構造を備える光記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、基板層と、データ層と、データ層の上に配置された超解像構造を有する非線形層とを備える光記録媒体に関する。光記録媒体は、特に、高データ密度を有する、青色レーザダイオードを利用した装置と共に応用するための読み出し専用光ディスクである。

光記録媒体は、例えばピックアップ内に組み込まれているレーザおよび光検出器による光学的に読み出し可能な方法でデータを格納した媒体である。光検出器は、データを記録媒体から読み出す時にレーザビームの反射光を検出するために使用される。他方、多種多様の光記録媒体が知られており、種々のレーザ波長で動作し、１ギガバイト以下から５０ギガバイト（ＧＢ）までの記録容量を提供する種々のサイズを有する。そのフォーマットには、オーディオＣＤおよびビデオＤＶＤのような読み出し専用フォーマット、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ、およびＤＶＤ＋Ｒのような追記型光媒体、並びにＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＷ、およびＤＶＤ＋ＲＷのような書き換え可能型フォーマットが含まれる。デジタルデータは、媒体の一つ以上の層におけるトラックに沿って、これらの媒体に格納される。

現在最高のデータ容量を有する記録媒体はブルーレイディスク（ＢＤ）であり、ブルーレイディスクによって、２層ディスクに５０ＧＢまでの格納が可能となる。ブルーレイディスクの読み出しおよび書き込みのために、４０５ｎｍのレーザ波長を有する光ピックアップが使用される。ブルーレイディスクの上では、３２０ｎｍのトラックピッチおよび２Ｔから８Ｔ、９Ｔまでのマーク長が使用される。ここで、Ｔはチャネルビット長であり、１３８−１６０ｎｍの最小マーク長に相当する。書き換え可能型ＢＤ−ＲＥディスクは、相変化層を備える相変化技術に基づき、前記相変化層は、例えばＡｇＩｎＳｂＴｅまたはＧｅＳｂＴｅの化合物を使用する。ブルーレイディスクシステムについての更なる情報は、例えば、インターネット：ｗｗｗ．ｂｌｕ−ｒａｙｄｉｓｃ．ｃｏｍを介してブルーレイグループから入手できる。

超解像構造を有する新しい光記録媒体は、ブルーレイディスクに比較して、光記録媒体のデータ密度を一次元で２〜４倍に増加させる可能性を提供する。これは、非線形層を含むことによって可能となり、前記非線形層は、光記録媒体のデータ層より上に配置され、光記録媒体からの読み出しまたは光記録媒体への書き込みのために使用される光スポットの実効サイズを大きく削減する。非線形層は、データ層より上に配置されたので、マスク層として考えることができ、いくつかの特定の材料の場合、レーザビームの高強度センター部のみがマスク層を貫通することができる。さらに、ＩｎＳｂ等の半導体材料は非線形層として使用することができ、半導体材料は、集光レーザビームのセンター部においてより高い反射率を示し、そのセンター反射率は対応するデータ層のピット構造に依存する。従って、超解像効果は、対応する光ピックアップの回折限界以下のサイズを有する光ディスクのマークに格納されたデータを記録しかつ読み出すことを可能にする。

非特許文献１および非特許文献２では、屈折率のローカル変化をフリーキャリアの光生成によって得ることができる、半導非線形層が提案された。熱的記述が与えられて、読み出しの間のデータ層の温度分布に関する情報を提供する。

非特許文献３に記載されたように、ＩｎＳｂ非線形層自体の最適厚さが微結晶構造のためおよそ２０ｎｍであることは示された。いくつかの許容を含めて、最適厚さは、１５〜２５ｎｍの範囲内にあることが予想され得る。より厚いＩｎＳｂ層の場合、結晶微細構造はレーザによる加熱の時に増大し、従って、超解像効果が削減される。結果としては、より厚いＩｎＳｂ層を使用して反射率変化を向上させることができない。

Hyot et al, "Phase change materials and Super-RENS", E*PCOS 05, Technical Digest, Cambridge, 2005 Pichon et al, "Multiphysics Simulation of Super-Resolution BD ROM Optical Disk Readout" 2006 IEEE, 0-7803-9494-1/06, PP 206-208 Hyot et al, "Super-Resolution ROM disk with a semi-conductive InSb active layer: influence of the crystalline microstructure", ISOM Tech. Dig., 2007, p.12

光記録媒体は、基板層と、基板層の上に配置されたピット構造を有する読み取り専用データ層と、カバー層と、データ層とカバー層との間に配置された超解像構造を有する非線形層とを備え、前記超解像構造は、誘電材料の粒状不純物を備える。非線形層は、半導体材料を超解像構造として備え、前記半導体材料は、レーザビームによる照射の時に反射率が増大し、かつ、前記誘電材料は、５ｎｍ以下の厚さを有する誘電層として配置された。

誘電材料を半導体材料と共にデータ層より上に堆積することができ、例えば、半導体材料を有するスパッタリングターゲットと誘電材料を有するスパッタリングターゲットとを使用して、両方の材料を同時にデータ層の上でスパッタすることにより、堆積する。代替形態として、最初のステップで第１の非線形層をデータ層より上に配置し、次のステップでは、誘電材料を不均質な粒状層として第１の非線形層の上に配置し、そして、更なるステップで第２の非線形層を誘電層の上に配置し、誘電層の厚さが小さくて、誘電層は第１の非線形層と第２の非線形層との間の粒状不純物に相当する。誘電層は、特に５ｎｍ以下の厚さを有し、当該厚さは、誘電材料を非常に短い時間に第１の非線形層の上でスパッタすることによって得ることができる。

非線形層に含まれる誘電材料の粒状不純物は、データを読み出す時に光記録媒体の安定性の増加をもたらす。これは、レーザビームによる照射の時に粒状不純物がアモルファス半導体材料の結晶化を制限することで説明できる。結晶化は、さらに１つまたは２つの非線形層の厚さに依存する。２つの非線形層を有する好ましい実施形態では、第１の非線形層および第２の非線形層は１０−４０ｎｍの範囲内における厚さを各々有する。

光記録媒体は、具体的に、ブルーレイディスクのような外形寸法を有する光ディスクであり、データ層は、ピット構造を有する読み出し専用データ層として配置される。有利には、データ層と１つの非線形層との間に、第１の誘電層が配置されて、かつ第２の誘電層がカバー層と１つの非線形層との間に配置され、または、データ層と２つの非線形層との間に、第２の誘電層が配置されて、かつ第３の誘電層がカバー層と２つの非線形層との間に配置される。誘電材料は、有利に、ＧｅＮ等の窒化物材料を備え、またはそれから構成される。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して例として、以下にさらに詳細に説明する。

先行技術による、超解像構造を備える非線形層を有する光ディスクを示す図である。 図１に相当しＩｎＳｂ層を非線形層として備える光ディスクの入射レーザパワーに依存する測定された反射率値を示す図である。 図１の光ディクスに対してジッタ値をレーザパワーの関数として示す図である。 図１の光ディスクからデータを読み出す時の、反射率値を時間の関数として示す図である。 本発明の好ましい実施形態による、２つの非線形層を有する光ディスクを示す図である。 いくつかの反射率測定値を時間の関数として示す図である。

先行技術による、超解像構造を備える非線形層４を有する光記録媒体１は、図１の断面図において単純化して示される。超解像構造は、例えば超解像近接場構造（Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳ）である。記録媒体１は、さらに基板２を備え、前記基板２の上には、読み出し専用の押し付けられたピット構造、または代替形態として記録を提供するための溝構造を有するデータ層３が配置される。データ層３の上には、第１の誘電層５が保護層として配置される。さらに、反射金属層（図１に図示せず）、例えばアルミニウム層は、誘電層５とデータ層３との間に配置される。非線形層４は、データ層３より上に配置されるので、マスク層としても呼ばれ、いくつかの特定の材料の場合、レーザビームの高強度センター部のみが本質的に非線形層４を貫通する。光記録媒体１は、例えば、ブルーレイディクスのような外形寸法を有する光ディスクである。

光記録媒体１は、記録媒体１の保護としてのカバー層７、および、カバー層７と非線形層４との間に配置された第２の誘電層６をさらに備える。データ層３のデータを読み出すために、矢印で示されたレーザビームは、記録媒体１の最上部に加えられて、まずカバー層７を貫通する。第１の誘電層５および第２の誘電層６は、例えば材料ＺｎＳ−ＳｉＯ₂を備える。基板２およびカバー層７は、ＤＶＤおよびＣＤから知られているように、プラスチック材料から構成されてよい。他の実施形態では、加熱効果による透過率の増加をもたらさないが他の任意の超解像効果により機能する、超解像近接場構造を使用した場合に、反射金属層を省略してもよい。

非線形層４の超解像構造用の好ましい材料は、例えばＩｎＳｂ合金である。ＩｎＳｂを超解像層として備える光記録媒体は、図２で示されるように、照射するレーザパワーが１．６ｍＷ以上に増大すると、反射率の増大を示す。これは、ＩｎＳｂの価電子帯から伝導帯への電子遷移によって説明できる。伝導帯において高電子密度を有する半導体は、金属に相当する高い光反射率を有する。伝導帯における電子密度は、セレニウムまたはテルリウム等のｎ−ドーピング材料を半導体のドーピングに使用することにより、さらに増加することができる。ＩｎＳｂを非線形層４として使用する光ディスクは、中程度のレーザパワーで読み出し専用の光記録媒体として応用される場合に、十分に高い搬送波対雑音比を表わす。しかし、最近の研究により、ＩｎＳｂを超解像層として備える光ディクスの場合、既に１ｍＷ〜１．９ｍＷの範囲内にあるレーザパワーを用いて、およそ５．０ｍ／ｓの光ディクス回転速度でデータを読み出す時に、光ディスクのデータ構造を不可逆的に損壊し得ることが示された。

図３では、図１に示されるようにＩｎＳｂを２つの誘電層の間に挟まれた超解像層として備える光ディスクに対して、ジッタ測定値を読み出しパワーの関数として示す。第１のグラフ３１は、読み出しパワーが光ディスクの選択されたリージョンに対して０．５ｍＷからおよそ２ｍＷまで連続的に増大する、測定に係る。グラフ３１で示されるように、ジッタ値は、１ｍＷのレーザパワーまでに、ずっとおよそ１０％の値以下にあり、しかしその後、ジッタ値は増大して、１．５ｍＷのパワーリージョンで、許容できない２５％に達する。

第２のグラフ３２は、およそ２ｍＷの高パワーで開始して読み出しパワーをおよそ０．５ｍＷの値まで連続的に低減することによって光ディスクの他の選択されたリージョンに対して実行されたジッタ測定値を示す。示されるように、ジッタ値は短い期間の後におよそ２５％の値まで急増し、この値は、およそ０．５ｍＷに至るまでのより低いレーザパワーに対しても、基本的に保持される。これは、データ構造がより高いレーザパワーによって不可逆的に損壊されることを明らかに示す。従って、ＩｎＳｂを超解像層として有する光ディスクは、商用可能な光記録媒体に必要とされる十分な長期安定性を提供することができない。

光ディクスの劣化は、図４に示されるように、反射率測定値からも推定することができる。グラフ４１は、２ｍＷのレーザパワーで連続的に読み出された、単一トラックの反射率測定値を示す。このレーザパワーは、ＩｎＳｂを非線形層として備える光ディスクに対して、超解像効果をもたらすのに十分である。示されるように、およそ３０ｓｅｃの時間ｔの間に、反射率Ｒがずっと高い値であり、しかしその後、連続的に低減し、３００ｓｅｃ後に開始値のおよそ５０％だけである反射率値になる。グラフ４２は、他のトラックの第２の反射率測定値を示し、これは類似の結果を示す。

この問題を解決するために、本発明による光記録媒体は、基板層と、基板層上に配置されたデータ層と、カバー層と、データ層とカバー層との間に配置された超解像構造を有する非線形層とを備える。超解像構造は、半導体材料と誘電材料の粒状不純物とを備え、半導体材料は、レーザビームにより照射される時に増大した反射率を有する。非線形層は、レーザビームにより照射される時に増大した反射率を有する材料、例えば、半導体材料を備える。

第１の好ましい実施形態では、光記録媒体５１は基板層５２を備え、前記基板層５２の上にデータ層５２ａが配置される。データ層５２ａは、具体的にピット構造を読み出し専用データ層として備える。データ層５２ａより上には、第１の超解像構造を有する第１の非線形層５４と第２の超解像構造を有する第２の非線形層５６とが配置されて、データ層５２ａに対するマスク層の機能を提供する。第１の非線形層５４および第２の非線形層５６は、レーザビームにより照射された時に増大した反射率を有する材料、例えば、半導体材料を備える。第１の誘電層５５は、第１の非線形層５４と第２の非線形層５６との間に配置される。第１の誘電層５５は、超薄層であって誘電材料を備え、前記誘電材料は、不均質な粒状誘電層として第１の非線形層５４と第２の非線形層５６との間に配置されている。誘電層は、具体的に５ｎｍ未満の厚さを有し、当該厚さは、誘電材料を非常に短い時間だけに第１の非線形層５４の上でスパッタすることによって得ることができる。

誘電層５５の厚さは、具体的に、連続的な層５５が得られないが、ＧｅＮ材料が非均質な粒状誘電層５５として第１の非線形層５４と第２の非線形層５６との間に堆積した層が得られるように選択され、前記誘電層５５は、第１の非線形層５４と第２の非線形層５６との間に粒状または顆粒状の不純物を提供する層として理解することができる。このような超薄誘電層は、非常に短い暴露時間でスパッタリングプロセスを使用することにより、製造することができる。

データ層５２ａは、有利に第２の誘電層５３によって第１の非線形層５４から隔てられ、第３の誘電層５７は第２の非線形層５６より上に配置される。第３誘電層５７より上には、カバー層５８が光記録媒体５１に対する保護として配置される。データの読み出しまたは書き込みのためのレーザビームが最上部から加えられ、まずカバー層５８を貫通して、データ層５３ａの上に集光される。

非線形層５４、５６は、具体的にＩＩＩ−Ｖ半導体族の半導体材料、例えば、ＧａＳｂ、または、ＩｎＡｓもしくはＩｎＳｂ等の１ｅＶ未満のバンドギャップを有するインジウム合金を備える。半導体材料は、さらにセレニウムおよび／またはテルリウム等のｎ−ドーピング材料を使用することによりドープして、レーザビームにより照射時の非線形層５４、５６の反射率を増加させることができる。非線形層５４、５６の両方は、具体的に同じ半導体材料を備え、またはそれから構成される。

好ましい設計では、第１の非線形層５４および第２の非線形層５６は１０−４０ｎｍの範囲内における厚さを有し、この場合、最良の変調信号が期待され得る。第２の誘電層５３は、例えば４０−１００ｎｍの範囲内における厚さを有し、第３の誘電層５７は、２０−８０ｎｍの範囲内における厚さを有する。光記録媒体は、具体的に、ピット構造を有する読み出し専用データ層を備える光ディスクである。

他の好ましい設計では、超解像構造を有する非線形層は、データ層５２ａより上に配置され、前記超解像構造は半導体材料と誘電材料５５の粒状不純物とを備え、前記半導体材料は、レーザビームにより照射される時に増大した反射率を有する。さらに、データ層と非線形層との間に配置された第１の誘電層と、カバー層と、カバー層と非線形層との間に配置された第２の誘電層とは、有利に提供される。誘電材料は、例えば半導体材料と共にデータ層より上に堆積し、前記堆積は、例えば、半導体材料を有するスパッタリングターゲットと誘電材料を有するスパッタリングターゲットとを使用して、両方の材料を同時にデータ層上でスパッタすることによることである。

このような光記録媒体を用いて、図６に示されるように、高い反射率値Ｒはより長い読み出し期間の間に得ることができる。グラフ６１は、２ｍＷのレーザパワーで連続的に読み出された、単一トラックの反射率Ｒの測定値を示し、図４のグラフ４１に相当する。

グラフ６２は、光記録ディスクを用いた測定に基づき、前記光記録ディスクは、非常に薄いＧｅＮ層によって隔てられている２つのＩｎＳｂ非線形層を備えて、図５の光記録媒体５１に相当する。グラフ６２の測定に使用された実施形態には、第１の非線形層５４および第２の非線形層５６はそれぞれ１０ｎｍの厚さを有し、誘電層５５は３ｎｍの厚さを有する。第２の誘電層５３は７０ｎｍの厚さを有し、第３の誘電層５７は５０ｎｍの厚さを有する。

さらに、光記録ディスクに基づいた測定の結果は、グラフ６３として示され、前記光記録ディスクは、２つのＩｎＳｂ非線形層を備え、６ｎｍの均一厚さを有するＧｅＮ誘電層を備えることを除いて、グラフ６２の測定に使用された光記録媒体５１に相当する。この測定は、もう少し厚いＧｅＮ層を用いても低い反射率値だけが得られることを示す。

２つのＩｎＳｂ層の間に配置された超薄ＧｅＮ層は、誘電島を提供することが考えられ、この誘電島は、高レーザパワーで読み出すことによって引き起こされる再結晶化のシードとして作用する。従って、超薄ＧｅＮ層は、ＩｎＳｂ結晶の増大をある粒度まで制限する不純物として見られてよい。制限された粒度は、さらにＩｎＳｂ層の厚さに依存し、ＩｎＳｂ層（複数）は、好ましい実施形態で、それぞれ１０ｎｍの非常に薄い厚さを有して、およそ２０−２５ｎｍの総厚さを、非線形層５４、５６および誘電層５５から構成される活性層スタックに提供する。

従って、２つのＩｎＳｂ非線形層の間に挿入された超薄ＧｅＮ層は、光ディスクの読み出し安定性を著しく向上させる。しかし、また他の誘電材料、例えば他の窒化物材料は、誘電層５５に使用可能である。材料選択の基本的制限は、誘電材料がＩｎＳｂ層と化学的に反応してはならないことと、光ディスクの選択されたトラックを読み出す時に得られる温度リージョンに対して拡散率が小さいこととだけである。照応して、レーザビームにより照射される時に増大した反射率を有する他の半導体材料もまた、非線形層５４、５６に使用することができる。本発明の光記録媒体は、具体的に、４０５ｎｍのレーザ波長を利用するブルーレイタイプのピックアップと共に使用することに限定されない。また、本発明の範囲から逸脱すること無しに、当業者には本発明の他の実施形態を創作することができる。従って、本発明は以下に添付する特許請求の範囲に属する。
本発明の好ましい実施形態を以下に示す。
付記１．光記録媒体であって、
基板層（５２）と、
前記基板層の上（２）に配置されたピット構造を有する読み出し専用データ層（５２ａ）と、
カバー層（５８）と、
前記データ層（５２ａ）と前記カバー層（５８）との間に配置された超解像構造を有する非線形層であって、前記超解像構造は、半導体材料と誘電材料（５５）の粒状不純物とを備え、前記半導体材料は、レーザビームにより照射される時に増大した反射率を有し、前記誘電材料（５５）は、５ｎｍ以下の厚さを有する誘電層（５５）として配置された、非線形層と
を備えることを特徴とする光記録媒体。
付記２．前記非線形層は、
前記データ層（５２ａ）より上に配置された超解像構造を有する第１の非線形層（５４）と、
前記第１の非線形層（５６）より上に配置された超解像構造を有する第２の非線形層（５６）と
を備え、
前記誘電層（５５）は、不均一厚さの層（５５）として前記第１の非線形層（５４）と前記第２の非線形層（５６）との間に配置されたことを特徴とする付記１に記載の光記録媒体。
付記３．前記基板層（５２）と前記第１の非線形層（５４）との間に配置された第２の誘電層（５３）と、前記カバー層（５６）と前記第２の非線形層（５６）との間に配置された第３の誘電層（５７）とを備えることを特徴とする付記２に記載の光記録媒体。
付記４．前記第１の非線形層（５４）および前記第２の非線形層（５６）は、それぞれ１０−４０ｎｍの範囲内における厚さを有し、前記第２の誘電層（５３）は、４０−１００ｎｍの範囲内における厚さを有し、前記第３の誘電層（５７）は、２０−８０ｎｍの範囲内における厚さを有することを特徴とする付記３に記載の光記録媒体。
付記５．非線形層（５４、５６）の両方は、同じ半導体材料を備え、または同じ半導体材料から構成されることを特徴とする付記２ないし４のいずれか１つに記載の光記録媒体。
付記６．前記データ層（５２ａ）と前記第１の非線形層（５４）または前記第１および２の非線形層（５４、５６）との間に配置された第２の誘電層（５３）と、前記カバー層と前記第１の非線形層または前記第１および２の非線形層との間に配置された第３の誘電層（５７）とを備えることを特徴とする付記１に記載の光記録媒体。
付記７．前記半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ半導体族のうちの１つ、例えば、ＧａＳｂ、または、ＩｎＡｓもしくはＩｎＳｂ等の１ｅＶ以下のバンドギャップを有するインジウム合金であることを特徴とする付記１ないし６のいずれか１つに記載の光記録媒体。
付記８．前記誘電材料（５５）は、ＧｅＮ等の窒化物材料を備え、またはＧｅＮ等の窒化物材料から構成されることを特徴とする付記１ないし７のいずれか１つに記載の光記録媒体。
付記９．前記誘電材料（５５）は、材料ＧｅＮを備えることを特徴とする付記８に記載の光記録媒体。
付記１０．前記光記録媒体は、光ディスクであることを特徴とする付記１ないし９のいずれか１つに記載の光記録媒体。

Claims (6)

1. 光記録媒体であって、
   基板層と、
   前記基板層の上に配置されたピット構造を有する読み出し専用データ層と、
   カバー層と、
   前記データ層と前記カバー層との間に配置された超解像構造を有する非線形層であって、前記超解像構造は、半導体材料と誘電材料の粒状不純物とを備え、前記半導体材料は、レーザビームにより照射されるときに増大した反射率を有する、非線形層と、
   を備え、
   前記非線形層は、
   前記データ層の上に配置された超解像構造を有する第１の非線形層と、前記第１の非線形層の上に配置された超解像構造を有する第２の非線形層と、を備え、前記第１の非線形層および前記第２の非線形層の両方は、同一の半導体材料により構成され、それぞれ１０−４０ｎｍの範囲内における厚さを有し、
   前記誘電材料は、５ｎｍ未満の厚さを有する不均一な厚さの誘電層として、前記第１の非線形層と前記第２の非線形層との間に配置される、前記光記録媒体。
2. 前記基板層と前記第１の非線形層との間に配置された第２の誘電層と、前記カバー層と前記第２の非線形層との間に配置された第３の誘電層とを備える、請求項１に記載の光記録媒体。
3. 前記第２の誘電層は、４０−１００ｎｍの範囲内における厚さを有し、前記第３の誘電層は、２０−８０ｎｍの範囲内における厚さを有する、請求項２に記載の光記録媒体。
4. 前記データ層と前記第１の非線形層および前記第２の非線形層との間に配置された第２の誘電層と、前記カバー層と前記第１の非線形層および前記第２の非線形層との間に配置された第３の誘電層とを備える、請求項１に記載の光記録媒体。
5. 前記半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ半導体族のうちの１つ、例えば、ＧａＳｂ、または、ＩｎＡｓもしくはＩｎＳｂ等の１ｅＶ未満のバンドギャップを有するインジウム合金である、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光記録媒体。
6. 前記誘電材料は、窒化物材料を備え、または窒化物材料から構成される、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光記録媒体。

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