JPH09212926A

JPH09212926A - 記録再生装置

Info

Publication number: JPH09212926A
Application number: JP1790596A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Fujiwara; 一郎藤原; Shigeru Kojima; 繁小島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 1997-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高速、高密度記録にすぐれた記録再生装置を
提供する。【解決手段】針状電極を有してなるヘッドにより情報
の少なくとも記録または再生を行う記録再生装置であっ
て、ヘッドから２０Ｖ以下の電圧を印加することにより
記録媒体の所定領域の電荷移動により情報を記録または
消去する。そして、その再生は、ヘッドが記録媒体に対
し接触した状態で、所定領域に記録された情報を、この
領域における容量の変化量を検出することにより再生す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像情報、大容量
のデータ情報等の超高密度記録を行うことができる少な
くとも記録もしくは再生を行う記録再生装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】マルチメディア社会、特にハイビジョン
システムおよび高度情報通信システム、コンピュータネ
ットワーク、ビデオオンデマンド、インフォメーション
デマンドなどに必要とされる大容量の画像情報、データ
ファイルにおいて高速な記録再生装置の要求が益々高ま
っている。

【０００３】従来のランダムアクセスが可能な高密度記
録技術には、磁気記録、光記録、半導体メモリ等があ
る。

【０００４】半導体メモリでは、その集積度が年々向上
しているにもかかわらず、半導体メモリの製造技術例え
ばフォトリソグラフィの限界から、高精細度の画像情報
を記録するだけの容量を満たすような、すなわち少なく
とも３Ｇバイト以上の容量を満たすような半導体メモリ
を得るには至っていない。

【０００５】また、光記録、磁気記録において、大容量
の情報を記録するには、記録領域を小さくして記録密度
を向上させることが必要である。

【０００６】この光記録においても、その記録領域を小
さくする試みはなされているが、その光源として波長５
００ｎｍ付近の半導体レーザー光源が開発された場合で
も、物理的な限界、光の回折限界が存在するため１００
ｎｍ以下の記録領域を実現することは難しいとされてい
る。

【０００７】また、磁気記録においても、特にハードデ
ィスクにおいて磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＭＲ型磁気
ヘッド）、巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＧＭＲ型磁
気ヘッド）の開発により記録密度の向上が著しいが、再
生ヘッドの感度の問題で１００ｎｍ以下の単位記録領域
を達成することは難しい。

【０００８】一方、原子分子レベルの空間分解能を持つ
走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Mic
roscope ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force M
icroscope ）が開発され、種々の材料の微細表面形状の
解析に適用され、表面解析装置として大きな成功を収め
ている。

【０００９】ＡＦＭでは、試料とカンチレバーチップと
の原子間相互作用をプローブとして用いているが、近年
ＡＦＭは種々の物理量をプローブとして用いた走査型プ
ローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）
として発展している。最近、これらの手段すなわち原
子、分子にアクセスする手段を用いて、高密度メモリと
しての実現可能性の検討がなされている。

【００１０】これまでにＳＴＭまたはＡＦＭを用いて、
高密度記録実現の試みの報告はなされているが、いづれ
も原理的な可能性が述べられているにとどまり、実用化
に至っていない。例えば、スタンフォード大学のクエー
ト（Quate ）氏等は、Ｓｉ基体上にＳｉＯ₂膜およびＳ
ｉＮ膜を形成したＮＯＳ（ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ）構
造による記録媒体を用いてＡＦＭの発展系である走査型
容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscop
e ）構成によって高密度メモリへの応用の可能性を示し
た（R.C.Barret and C.F.Quate;Journal of Applied Ph
ysics,70 2725-2733(1991)参照。）。

【００１１】ところで、図６に示すように、ｎ型Ｓｉ基
体１上に、熱酸化によるＳｉＯ₂膜２および熱ＣＶＤ法
（化学的気相成長法）によるＳｉＮ膜３を被着形成し、
さらにこのＳｉＮ膜３上に金属電極４が被着されたいわ
ゆるＭＮＯＳ（Metal Nitride Oxide Semiconductor ）
系の記録媒体は、不揮発性半導体メモリの１つであるＥ
ＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Progrmmable
Read Only Memory）ですでに実用化されている。

【００１２】これらＮＯＳ系、ＭＮＯＳ系記録再生の基
本は、Ｓｉ基板とＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面のトラップとの
間の電荷の移動を用いることである。

【００１３】すなわち、この層構造でＳｉＯ₂／ＳｉＮ
界面にキャリアのトラップが形成されることが分かって
おり、例えば図６のＭＮＯＳ系の記録媒体においてＳｉ
Ｎ膜３上の金属電極４（以下上部電極という）に正電圧
を掛けると、強電界によりＳｉ基体１側から電子がＳｉ
Ｏ₂膜２をトンネルして、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面に注入
されてこの界面に存在するトラップに蓄積される。一
方、上部電極４に負電圧を掛けると、逆向きの強電界に
よりＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面にトラップされている電子が
Ｓｉ基体１側にＳｉＯ₂膜２をトンネルして、逆注入さ
れてＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面トラップに存在する電子が欠
乏する。このようにして、ＮＭＯＳ記録媒体への電気パ
ルス印加に伴う電荷の移動により記録、消去を行ってい
る。そして、この記録媒体からの記録情報の読み出しす
なわち再生は、この記録媒体すなわちＭＮＯＳ構造キャ
パシタの静電容量の変化として電気的に読み出すという
方法がとられる。

【００１４】上述のクエート等の研究では、ＮＯＳ媒体
に導電性カンチレバーを接触させた状態で記録消去し、
同様に導電性カンチレバーの接触状態でその記録情報に
基ずく容量変化を、容量センサーを用いて検出すること
によって再生するという方法がとられている。この方法
による場合、現在実用化ないしは研究、開発がなされて
いる光記録、あるいは磁気記録方法では不可能な微小領
域での情報の記録再生、すなわち高密度記録が可能であ
ることを示した。この場合記録媒体にはキャリア（電
子）の移動を用いているものである。この場合、最小記
録領域は、直径で７５ｎｍであり、トラップに蓄積され
た電子は、７日間以上安定であった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した高
密度記録装置では、次に挙げる問題点がある。（１）ＮＯＳ媒体の特徴として、情報の消去時に必要な
時間がｍｓ（ミリ秒）オーダー、電圧が４０Ｖ（しきい
値電圧が２５Ｖ）となり、高速、低電圧駆動を充分満た
すものではない。（２）シリコン基板側からトラップに注入されたキャリ
アがトラップを通り過ぎて、カンチレバー側にぬけてし
まい、注入キャリアの数が減少してしまう。

【００１６】また、従来の容量変化検出方式を再生に用
いる方式の記録装置では、静電容量型（ＣＥＤ）または
高密度記録が可能ないわゆるＶＨＤビデオディスク等が
ある。しかし、これを大容量の記録媒体とするには記録
密度が低く、また再生専用であって記録消去の機能を有
するものではない。

【００１７】本発明においては、鋭意研究を重ねた結
果、記録再生のおけるＡＦＭおよびＳＰＭと、記録媒体
の電荷蓄積層の構成との組み合せによって上述した諸問
題の解決をはかり、高速、高密度記録化をはかることの
できる記録再生装置を提供し得るに至ったものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による記録再生装
置は、針状電極を有してなるヘッドにより情報を少なく
とも記録または再生する記録再生装置であって、上記ヘ
ッドから２０Ｖ以下の電圧を印加することにより記録媒
体に存在する電子またはホールトラップの所定領域への
電荷移動により情報を記録または消去し、上記ヘッドが
記録媒体に接触した状態で、上記所定領域に記録された
情報を、この領域における容量の変化量を検出すること
により再生する。

【００１９】また、本発明による記録再生装置は、針状
電極を有してなるヘッドにより情報を少なくとも記録ま
たは再生する記録再生装置であって、上記ヘッドから電
圧を印加することにより、このヘッドと上記記録媒体に
存在する電子またはホールトラップの所定領域との間の
電荷の移動によって情報を記録または消去し、上記ヘッ
ドが上記記録媒体に接触した状態で、上記所定領域に記
録された情報を、この領域における容量の変化量を検出
することにより再生する。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明装置における記録
媒体１０の基本構成を示し、基体１１上に、情報の記録
がなされる活性層１３が形成され、裏面に下部電極１２
が形成され、た構成を有する。活性層１３は、少なくと
も２以上のヘテロ界面を積層形成してなる電荷蓄積層よ
りなり、その少なくとも１のヘテロ界面が、電子または
ホールトラップが高密度に存在するヘテロ界面とする。
そして、このトラップの所定領域に対する電子またはホ
ールすなわち電荷の移動がなされるようにして情報の記
録、消去を行う。

【００２１】基板１１は、導電性を有する基板例えば導
電性シリコン（Ｓｉ）基板よりなり、これの上に形成さ
れる活性層１３、すなわちヘテロ界面を形成する電荷蓄
積層は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜と、窒化シ
リコン（ＳｉＮ）もしくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
膜と、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜が順次積層されて、
それぞれＳｉＯ₂／ＳｉＮによるヘテロ界面もしくはＳ
ｉＯ₂／ＡｌＮによる２層のヘテロ界面が形成される構
成とされる。そして、基板１１の裏面にはオーミック電
極による下部電極１２が形成される。

【００２２】記録媒体１０の活性層１３を構成する電荷
蓄積層の各構成膜は、それぞれ例えば熱酸化法、スパッ
タリング法、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapo
r Deposition）法、分子線蒸着法、通常の蒸着法、レー
ザアブレーション法、ゾルゲル法、スピンコート法など
によって成膜することができる。

【００２３】記録媒体１０に対する情報の記録構成は、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）構成とする。すなわち、記録
ヘッドが、先端に針状電極を有するＡＦＭ制御の導電性
カンチレバー構成とする。

【００２４】上述の電荷蓄積層による活性層１３を有す
る記録媒体１０に対する記録は、記録ヘッドとしての針
状電極を先端に有する導電性カンチレバーに記録電圧Ｖ
_Rが｜Ｖ_R｜≦２０Ｖの例えば負電圧の−１０Ｖのパル
ス電圧を印加することにより、その針状電極から局所的
に、電荷蓄積層例えば上述したＳｉＯ₂／ＳｉＮもしく
はＳｉＯ₂／ＡｌＮのヘテロ界面におけるトラップ、さ
らに各膜中のトラップにキャリア（この例では電子）を
注入して情報の記録を行う。

【００２５】そして、この局所的に、トラップに電荷が
注入された情報の記録領域に対する消去は、所要の正電
圧例えば＋９Ｖのパルス電圧を印加することにより電子
の逆注入を行って例えば上述のＳｉＯ₂／ＳｉＮもしく
はＳｉＯ₂／ＡｌＮ界面のトラップ、各膜中のトラップ
の電荷が注入された領域を元に戻すことによってその記
録情報の消去を行う。

【００２６】すなわち、トラップに対する電荷の移動に
よって情報の記録消去を行う。しかしながら、上述の記
録態様によれば、先に記録された情報の上に新しい情報
の書換え記録を行ういわゆるオーバーライトが可能であ
り、このオーバーライトに当たって先の記録を消去する
過程を必要としない。

【００２７】そして、その記録情報の読み出しすなわち
再生は、上述の記録媒体の例えばＳｉＯ₂／ＳｉＮもし
くはＳｉＯ₂／ＡｌＮ界面等でのトラップに電荷が注入
された領域と、非注入領域とでの針状電極ヘッドすなわ
ちカンチレバーとの静電容量の相違を利用することによ
って行う。すなわち、局所的な静電容量を計測すること
により電荷が注入されている領域と、非注入領域との静
電容量の変化量として、記録された情報を針状電極ヘッ
ドの接触状態で検出することによって記録情報の再生を
行う。

【００２８】この記録および消去には２０Ｖ以下の動作
電圧でよいが、更に記録媒体の材料、膜厚等の最適化に
よって１０Ｖ以下とすることができる。また、キャリア
がトンネルするＳｉＯ₂の膜厚を薄くすることにより、
電荷蓄積層のキャリアの注入に必要な時間を１μｓとす
ることができる。

【００２９】更に、静電容量の高速検出もでき、１Ｍｚ
以上の高速再生ができる。また、記録領域の直径を５０
ｎｍ〜１００ｎｍ程度とすることができて、高密度記録
領域での記録、消去および再生ができる。

【００３０】次に、本発明装置の記録、消去機構と、再
生機構の具体例を説明する。〔記録、消去機構〕図２は記録、消去機構の一例の概略
構成図を示す。ＨＲは、記録ヘッドで、先端に例えば円
錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に記
録媒体に対して点接触ないしは微小面接触できる針状電
極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、
他端が固定されたカンチレバー２２によって構成され
る。このカンチレバー２２は、バネ定数０．０１〜１０
〔Ｎ／ｍ〕のＳｉもしくはＳｉＮよりなりその表面にＡ
ｕ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｃｒ等の単層ないしは多
層構造の金属層が被覆されることによって高い導電性が
付与されて成る。このカンチレバー２２は、いわゆるマ
イクロファブリケーション技術によって作製した。

【００３１】３０は、記録媒体１０が載置され、その面
方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関
して移動するように、もしくは回転するようになされた
記録媒体１０の載置台であり、この載置台３０は更に記
録ヘッドすなわちカンチレバー２２の針状電極２１との
接触状態を調整できるように記録媒体１０の面方向と垂
直方向（以下ｚ軸方向という）に移動制御できるように
構成される。

【００３２】この載置台３０のｚ軸方向の制御は、例え
ば、半導体レーザー３８からのレーザー光を、収束レン
ズ系３１によって収束させてカンチレバー２２の先端に
照射し、その反射光を例えば複数の分割フォトダイオー
ドによる光検出器３２によって差動検出し、その検出信
号をプリアンプ３３を通じて、載置台３０のｚ軸制御を
行うサーボ回路３４に入力して載置台３０のｚ軸方向の
位置を制御する。そして、このようにｚ軸制御を行うこ
とによって、常時記録媒体１０に対して、記録ヘッドす
なわち針状電極２１が、最適な接触状態にあるように制
御される。

【００３３】一方、カンチレバー２２と記録媒体１０の
下部電極１２との間に、記録信号に応じた電圧が印加さ
れる。この印加電圧は、記録信号に応じたパルス電圧発
生回路３５よりのパルス電圧を直流電源３６による所要
の直流バイアス電圧に重畳して印加する。

【００３４】このようにして、記録媒体１０に、カンチ
レバー２２の先端の針状電極２１すなわち記録ヘッドＨ
Ｒを接触させた状態で相対的に移行させてパルス電圧を
印加することにより情報の記録を行う。

【００３５】〔再生機構〕記録媒体１０からの記録情報
の読み出しすなわち再生は、再生ヘッドの記録媒体に対
する接触状態での容量変化の検出によって行う。この再
生は具体的には、上述のＡＦＭを発展させた周知の装置
である走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ）構成とした。

【００３６】すなわち、この場合の再生ヘッドは、ＳＣ
Ｍの導電性カンチレバー例えば記録ヘッドにおけると同
様の構成を取り得る。すなわち、この再生ヘッドは、先
端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等
の実質的に記録媒体に対して点接触ないしは微小面接触
できる針状電極が形成された例えば短冊状の板バネ構成
を有し、一端が固定されたカンチレバーによって構成さ
れる。このカンチレバー２２は、バネ定数０．０１〜１
０〔Ｎ／ｍ〕のＳｉもしくはＳｉＮよりなりその表面に
Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｃｒ等の単層ないしは
多層構造の金属層が被覆されることによって高い導電性
が付与されて成る。このカンチレバーは、いわゆるマイ
クロファブリケーション技術によって作製した。

【００３７】このカンチレバーすなわち再生ヘッドは、
上述した記録ヘッドと兼用することもできるし、別の構
成とすることもできる。いずれにおいても、その再生ヘ
ッドとしてのカンチレバーは、これが記録媒体に接触し
た状態で通常のＡＦＭ装置と同一の方式でフィードバッ
ク制御される。そして、このカンチレバーすなわち再生
ヘッドと記録媒体との間に働く静電容量を容量センサで
検出する。この検出された静電容量を２次元画像化する
ことができ、これにより静電容量の２次元分布を検出す
ることができる。

【００３８】再生ヘッドを記録ヘッドと別に形成する場
合においても、記録ヘッドと同様に先端に例えば円錐
状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に記録
媒体に対して点接触ないしは微小面接触できる針状電極
が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が
固定されたカンチレバーによって構成される。このカン
チレバーは、前述した載置台上に載置された記録媒体に
接触した状態で記録媒体の静電容量の検出すなわち記録
情報の再生がなされる。

【００３９】ＳＣＭでは、周波数特性はカンチレバーの
共振周波数によって限定されず、カンチレバーよりも高
い周波数帯域での静電容量の検出が可能となる。このた
め再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が
可能となる。

【００４０】上述した本発明による記録再生装置によれ
ば、記録媒体において、その活性層１３を、２以上のヘ
テロ界面例えばＳｉＯ₂／ＳｉＮもしくはＡｌＮ／Ｓｉ
Ｏ₂の各界面を形成する少なくとも３層構造による電荷
蓄積層とすることにより、トラップに基板１１側から電
荷（キャリア）の注入を行った場合においても、上層側
のヘテロ界面でキャリアがブロックされてトラップを通
り過ぎる確率を小とすることができる。したがって、情
報記録に当たって効率良くトラップへの電荷の注入を行
うことができ、記録感度、再生出力の向上をはかること
ができる。さらに、前述した電荷蓄積層を例えばＳｉＯ
₂／ＳｉＮの２層構造とする場合において、トラップを
通過する電荷量を小さくするには、上層のＳｉＮ層の厚
さを数十ｎｍという厚さにする必要があるが、上述した
ようにヘテロ界面を２以上存在させるようにしたことか
ら、トラップを通り過ぎる確率を小としたことによっ
て、各膜厚を充分薄くすることができ、動作電圧の低減
化をはかることができる。

【００４１】また、トラップが多く存在するヘテロ界面
が２以上配置されてトラップ数が充分高められたことに
よって、トラップへの電荷の注入を、基板側から行う
か、針状電極によるヘッド側から行うにかかわることな
く、トラップ数が充分高められたことによって、注入電
荷量を充分大とすることができ、記録感度、再生出力の
向上をはかることができる。すなわち、前述した問題点
（１）および（２）が解決される。

【００４２】次に、本発明の実施例を説明する。〔実施例１〕この実施例における記録媒体１０は、図３
にその概略断面図を示すように、Ｓｉ基体１１上に、そ
の表面熱酸化によって成膜した厚さ４ｎｍのＳｉＯ₂膜
１４と、これの上に低圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）によ
り成膜した厚さ１０ｎｍのＳｉＮ膜１５と、更にこれの
上に熱酸化法により形成した厚さ３ｎｍのＳｉＯ₂膜１
６が積層形成された電荷蓄積層による活性層を有して成
る。そして、基板１の裏面には、金属層による下部電極
１２がオーミックに被着される。

【００４３】この記録媒体１０の電荷蓄積層に対する記
録は、図２で説明した記録方法によってなされる。すな
わち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記
録媒体１０の表面のＳｉＯ₂膜１６に、記録ヘッドＨＲ
の針状電極２１を、点接触ないしは微小面接触させた状
態で、載置台３０を移動させて記録媒体１０上に針状電
極２１を、相対的に走査させながら、導電性カンチレバ
ー側を負とする記録情報に基いたパルス電圧をカンチレ
バーに印加して記録媒体に強電界を与える。このとき、
その記録情報に応じて針状電極２１からキャリア（電
子）が、ＳｉＯ₂膜１６を大部分トンネルしてＳｉＯ₂
膜１６とＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面、ＳｉＮ膜１５
中、ＳｉＯ₂膜１４とＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面の各
キャリアトラップに注入され情報の記録がなされる。す
なわち、キャリアトラップに、局所的に注入したキャリ
ア（電子）の有無に応じて、記録情報の静電容量パター
ンを形成する。

【００４４】記録媒体１０からの記録情報の読み出しす
なわち再生は、次のようにしてなされる。すなわち、こ
の実施例の記録媒体１０では、主として２重に存在する
ＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面のトラップと、ＳｉＮ膜１５中の
トラップに、導電性カンチレバー２２の針状電極２１か
ら電子を局所的に注入することによって、局所的に生じ
させた電荷量の差を、静電容量の分布の検出によって記
録情報の読み出しを行う。

【００４５】図４はこの実施例１における記録媒体１０
の電圧容量特性のモデル図を示す。これより明らかなよ
うに、記録層のトラップが電荷の注入を受けている場合
と、電荷の注入を受けていない場合とではその電圧容量
特性が異なる。その結果として、注入電荷の有無で電圧
容量特性にヒステリシス特性を示す。このヒステリシス
特性におけるバイアス電圧の差ΔＶは、キャリアトラッ
プに注入された電荷量に依存しており、注入電荷量が多
いほどΔＶは大きくなる。このヒステリシス特性は一定
のバイアス電圧では注入電荷の有無によって容量の値が
異なるため、空間的な静電容量の変化として検出するこ
とにより情報の記録再生が可能になる。

【００４６】次に、この実施例１における記録消去再生
特性を示す。まず、記録媒体１０のＳｉＯ₂／ＳｉＮ／
ＳｉＯ₂／Ｓｉ構造に、−１０Ｖのパルス電圧を、図２
の記録ヘッドＨＲすなわち針状電極２１から印加して、
局所的に電子をＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面トラップに注入す
る。ピッチ２００ｎｍで−１０Ｖのパルス電圧を５回記
録メディアに局所的に印加し、５個の記録パターン（ビ
ット）の列を作製した。

【００４７】次に、上述したＳＣＭ再生装置を用いて電
荷蓄積層の局所的な注入電荷量の差を静電容量の分布と
して検出する。ＳＣＭによって評価した結果、表面形状
は、パルス電圧を印加する前後で変化が観察されず、パ
ルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質
することなく良好に保持されていることが分かった。そ
して、ＳＣＭ像では、直径約１００ｎｍのコントラスト
が局所的に異なるビット列を観測することができた。こ
れは−１０Ｖのパルス電圧によって電子が導電性カンチ
レバーより局所的にトラップに注入され、電荷量が周囲
と比較して増加していることを示している。また、ＳＣ
Ｍのスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５
μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、
カンチレバーよりキャリア注入により５個の微細ビット
列が検出された。

【００４８】また、注入電荷量の差は、例えばデジタル
信号“０”および“１”のデータの識別を充分行うこと
のできる値であることが分かった。

【００４９】また、９Ｖのパルス電圧を、実施例１にお
ける媒体１０の電荷蓄積層に印加した場合も、静電容量
の差を検出することができた。また、作製したビット列
に逆電圧パルスを印加することにより個々のビットを消
去することができた。

【００５０】このことから、この実施例１の記録媒体１
０における局所的なトラップへの電荷の注入量が、記録
ヘッドＨＲよりのバイアス電圧印加により制御可能なこ
とが示された。この２種類の局所的な電荷の有無をデジ
タルデータのストレージの“０”と“１”に対応させる
ことができる。すなわち、コントラストの明るい部分と
暗い部分でのデジタルデータの“０”と“１”に対応さ
せることにより高密度記録ができる。種々の実験の結
果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが
できた。また、キャリア注入のスイッチング時間も１μ
ｓよりの小さくすることができた。

【００５１】そして、局所的に、トラップにキャリアを
注入した領域は、充分安定に保持されることが分かっ
た。上述したように、この実施例１では高密度記録再生
装置として十分な機能をもっていることが分かった。

【００５２】〔実施例２〕実施例１と同様のＳｉＯ₂／
ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ構造とするが、活性層１３すな
わち電荷蓄積層の各構成膜の膜厚を変更した。すなわ
ち、ＳｉＯ₂膜１４の膜厚を３ｎｍ、ＳｉＮ膜１５の膜
厚を１０ｎｍとし、ＳｉＯ₂膜１６の膜厚を４ｎｍとし
た。それぞれの膜の作製方法は実施例１と同様とした。

【００５３】この実施例２においては、電荷蓄積層のキ
ャリアのトラップ、すなわち主としてＳｉＯ₂膜１６と
ＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面のトラップと、ＳｉＮ膜１
５中のトラップと、ＳｉＯ₂膜１４とＳｉＮ膜１５のヘ
テロ界面のトラップに、Ｓｉ基板１１側から電子が注入
される。このように、２つのヘテロ界面のキャリアのト
ラップに有効に電荷の蓄積がなされることによって、ト
ラップされる電荷量は充分大とされる。したがって、Ｓ
ＣＭでキャリアの局所的な有無を検出する場合、検出感
度、すなわち、再生感度が向上する。記録再生特性につ
いては、この実施例による場合、実施例１と同等の記録
再生特性が得られる。

【００５４】〔実施例３〕この実施例においても、実施
例１および２と同様のＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ ₂／Ｓ
ｉ構造とするが、この実施例においては、ＳｉＯ₂膜１
４膜厚を４ｎｍとし、ＳｉＮ膜１５の膜厚を１０ｎｍと
し、ＳｉＯ₂膜１６の膜厚を３ｎｍとした。また、この
場合、ＳｉＯ₂膜１６の形成を、実施例１および２にお
いては、ＳｉＮ１５の熱酸化によって形成したに比し、
この実施例３においては、このＳｉＮ膜１６の形成を熱
ＣＶＤ法で行った。

【００５５】この場合、実施例１と同様に、ＳｉＯ₂膜
１６とＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面、ＳｉＮ膜１５中、
ＳｉＯ₂膜１４とＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面の各トラ
ップに針状電極によるヘッド側からの電子の注入により
電荷の蓄積がなされる。この実施例では、ＳｉＯ₂膜１
６とＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面のトラップ密度が、実
施例１におけるＳｉＯ₂膜１６とＳｉＮ膜１５とのヘテ
ロ界面のトラップ密度と比較して高めるように設計でき
るため、ＳＣＭのトータルな再生感度を、実施例１と比
較して向上させることができ、実施例１と同等の記録再
生特性が得られた。

【００５６】〔実施例４〕この実施例で、情報記録がな
される活性層１３の電荷蓄積層の表面に、その禁止帯幅
が、この電荷蓄積層の上層の層を構成するＳｉＯ₂膜１
６と、カンチレバーの表面金属との各禁止帯幅の中間位
置するバッファ層１７を形成する。この場合の記録媒体
１０は、図５にその概略断面図を示すように、ｎ型Ｓｉ
基体１１上に、表面熱酸化によって厚さ４ｎｍのＳｉＯ
₂絶縁層１４を形成し、これの上に厚さ１０ｎｍのＳｉ
Ｎ膜１５と、厚さ３ｎｍのＳｉＯ₂膜１６を順次熱ＣＶ
Ｄ法によって形成した後、このＳｉＯ₂膜１６上に、Ｗ
Ｓｉ膜によるバッファ層１７を、スパッタリングによっ
て被着形成した。そして、Ｓｉ基体１１の裏面には、下
部電極１２をオーミックに被着形成した。

【００５７】この場合の記録再生においても、針状電極
によるヘッドすなわち導電性カンチレバーとＳｉＯ₂／
ＳｉＮ界面のトラップとの間で電荷の移動によって行わ
れる。すなわち、この実施例においても、図２で説明し
た記録および再生の構成によった。すなわち、この場
合、情報の記録においては、記録ヘッドすなわち針状電
極２１と下部電極１２との間に、記録ヘッド側を負電圧
とする電圧をかけると、強電界によりカンチレバー側か
ら大部分の電子がＳｉＯ₂膜１６をトンネルして、主と
してＳｉＯ₂膜１６とＳｉＮ膜１５とのヘテロ界面、Ｓ
ｉＮ膜１５中、およびＳｉＯ₂膜１４とＳｉＮ膜１５に
よるヘテロ界面にそれぞれ存在するトラップに蓄積され
る。

【００５８】一方、逆に記録ヘッド側を正とする電圧を
かけると、逆方向の強電界によりＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面
にトラップされている電子がＳｉ基体側にＳｉＯ₂膜１
６をトンネルして、逆注入されてＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面
トラップに存在する電子は欠乏する。このようにパルス
電圧の印加に伴う電荷の移動により記録、消去を行う。

【００５９】そして、この記録情報の再生は、この記録
部のトラップされた電子の有無による静電容量の分布
を、前述のＳＣＭ構成の再生機構によって接触した状態
で電気的に読み出して行う。

【００６０】この実施例４における記録媒体の層構造
は、前述したクエート氏らによる報告との相違は、その
膜厚が１／４程度になっており、それにより記録消去の
動作電圧を２０以下例えば１０Ｖ以下にすることが可能
となる。また、この実施例においては、電荷蓄積層の表
面、すなわちカンチレバーとＳｉＯ₂膜１６との間に、
これらの禁止帯幅の中間の禁止帯幅を有するＷＳｉバッ
ファ層１７を形成したので、カンチレバーとＳｉＯ₂膜
１６との接触部に発生するヘテロ界面でのバンドの不連
続量を小さくすることができ、これによってカンチレバ
ーからトラップへの電子の注入を低電圧で行うことがで
きる。

【００６１】この実施例４において、データの書き込み
は−１０Ｖの電気パルスの印加で行い、再生はＳＣＭに
て静電容量分布測定時の電気容量差として、局所的な電
荷トラップ領域を読み出した。

【００６２】この場合においても、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ界
面トラップに存在する電荷の状態によりデジタルデータ
の“０”と“１”に対応するが、その静電容量差はＳＣ
Ｍの検出感度に対して充分とれることが分かった。ま
た、記録スポットの直径も１００ｎｍ以下になることが
分かった。

【００６３】また、局所的に、トラップに電荷が蓄積さ
れた領域は充分安定に保持されることが分かった。以上
より、この実施例で高密度記録再生装置として充分な機
能をもっていることが分かった。

【００６４】〔実施例５〕この実施例では、記録媒体と
して、実施例１および２とそれぞれ同様の電荷蓄積層構
成による記録媒体を用いて、図２で説明した記録および
消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドをそれぞれ別構成として
それぞれ記録および消去、再生を行った。すなわち、各
記録ヘッドと再生ヘッドのカンチレバーを独別に構成
し、記録媒体１０に対して接触状態で用いられる記録お
よび消去ヘッドＨＲの針状電極に関しては、その摩耗を
考慮して表面に形成される導電層を比較的厚く形成した
例えばその先端の曲率半径が５０〜１００ｎｍとした。
また、局所的に、トラップに電荷が注入された領域は、
充分安定に保持できた。上述したように、この実施例で
高密度記録再生装置として充分な機能をもっていること
が確認された。

【００６５】〔実施例６〕この実施例では、記録媒体１
０を、円板状いわゆるディスク状とし、これを回転させ
て記録、再生各ヘッドと相対的に移行させて、その記録
および再生を行った。この場合、ヘッドは実施例５で確
認した２種類の記録および再生用ヘッドを用いた。ま
た、この場合の、記録媒体は、実施例１および２におけ
る記録媒体の電荷蓄積層と同様の構成による電荷蓄積層
構成とした。

【００６６】この場合の情報の記録再生特性は、実施例
１および２と同様の記録再生特性を示すことが確認でき
た。また種々の実験の結果、この場合においても記録ス
ポット直径を１００ｎｍ以下にすることができた。そし
て、記録のスイッチング時間は１μｓより小さくするこ
とができた。また、局所的に、トラップに電荷が注入さ
れた領域は充分安定に保持された。以上より、この実施
例で高密度記録再生装置として充分な機能をもっている
ことが確認された。

【００６７】上述したように、記録媒体として例えばＳ
ｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂等のトラップを発生する界面
が２層構造とすることによって、トラップの増倍をはか
ることができることから、これらトラップに注入される
キャリア例えば電子の増大、したがって、記録電荷量が
増大することができるので、再生検出出力の向上、した
がって検出感度の向上をはかることができる。因みに、
電荷蓄積層構造を、ＳｉＯ₂／ＳｉＮによる単層界面構
造において、トラップ量を増大するには、膜厚の増加を
余儀なくされるものであり、この場合は動作電圧がかな
り高くなるという不都合が生じる。

【００６８】尚、上述した実施例では、記録媒体の活性
層１３、すなわち電荷蓄積層を、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ／Ｓ
ｉＯ₂構造とした場合であるが、この構成に限られるも
のではなく、各界面においてトラップが形成されるＳｉ
Ｏ₂／ＡｌＮ／ＳｉＯ₂構造、ＳｉＯ₂／アモルファス
Ｓｉ／ＳｉＯ₂構造等によることもでき、これらの記録
媒体に関しても、高密度記録再生装置として充分な機能
をもっていることが確認された。

【００６９】更に、上述した各実施例においては、電荷
蓄積層として、２重のヘテロ界面を形成する３層膜構成
とした場合であるが、例えばＳｉＯ₂と、ＳｉＮ（もし
くはＡｌＮ，アモルファスＳｉ等）との繰り返し積層に
よる例えばＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＳｉＮ／Ｓｉ
Ｏ₂の積層構造による３以上のヘテロ界面の重ね合わせ
による構成することもできる。

【００７０】上述したように、種々の実施例によって、
本発明の有効性を示したが、全ての実施例において、記
録再生媒体の最上部に例えばダイヤモンドライクカーボ
ン膜等による保護層を被覆付加した場合、記録再生装置
および記録媒体の信頼性の向上した。

【００７１】また、上述したように本発明装置によれ
ば、記録密度の向上、スイッチング記録再生速度の高速
化がはかられた。この本発明による高密度記録再生装置
は、従来に比較して１桁以上大きな記録密度を実現でき
るものである。

【００７２】尚、上述したように本発明装置において
は、記録、再生ヘッドが針状電極を有する構成とするも
のであるが、この針状電極の機械的強度を補強するなど
の目的で針状電極の周囲に絶縁体を配することができる
など上述の各実施例に限られず、種々の変更を行うこと
ができる。

【００７３】また、本発明による記録再生装置は、記録
および再生の双方の機能を有する構成とすることもでき
るし、記録機能がなく、上述の記録方法で記録されてい
る情報を再生する機能を有する構成とすることもでき
る。

【００７４】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、極め
て優れた記録密度、高速記録再生速度を有するため、従
来技術と比較して格段に優れた高密度記録装置が実現さ
れた。したがって、高度情報か社会に必要とされる大容
量で高速なアクセスが必要とされる画像情報のストレー
ジ、ハイビジョン放送などの画像の記録およびコンピュ
ータにおける大容量なデータの記録に有効な記録再生装
置となるものである。特に、記録媒体として、例えばＳ
ｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂構成等のトラップを有する界
面が二重構成とする場合においては、より多くのキャリ
アトラップが形成されることから、再生出力の向上、感
度の向上、動作電圧の低減化をはかることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置に用いる記録媒体の基本的構成を示
す図である。

【図２】本発明装置の記録、消去機構の構成図である。

【図３】本発明装置に用いる記録媒体の一例の概略断面
図である。

【図４】本発明装置における記録媒体の電圧容量特性の
モデル図である。

【図５】本発明装置に用いる記録媒体の一例の概略断面
図である。

【図６】従来装置に用いる記録媒体の一例の概略断面図
である。

【符号の説明】

１０記録媒体、１１基板、１２下部電極、１３
活性層、１４ＳｉＯ ₂膜、１５ＳｉＮ膜、１６Ｓ
ｉＯ₂膜、ＨＲ記録ヘッド、２１針状電極２２カ
ンチレバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】針状電極を有してなるヘッドにより情報
を少なくとも記録または再生する記録再生装置であっ
て、上記ヘッドから２０Ｖ以下の電圧を印加することにより
記録媒体に存在する電子またはホールトラップの所定領
域への電荷移動により情報を記録または消去し、上記ヘッドが上記記録媒体に接触した状態で、上記所定
領域に記録された情報を、該領域における容量の変化量
を検出することにより再生することを特徴とする記録再
生装置。
【請求項２】針状電極を有してなるヘッドにより情報
を少なくとも記録または再生する記録再生装置であっ
て、上記ヘッドから電圧を印加することにより、該ヘッドと
上記記録媒体に存在する電子またはホールトラップの所
定領域との間の電荷の移動によって情報を記録または消
去し、上記ヘッドが上記記録媒体に接触した状態で、上記所定
領域に記録された情報を、該領域における容量の変化量
を検出することにより再生することを特徴とする記録再
生装置。
【請求項３】請求項１において、上記記録媒体が、導電性基板上に、２以上のヘテロ界面
を形成する電荷蓄積層を有することを特徴とする記録再
生装置。
【請求項４】請求項２において、上記記録媒体が、導電性基板上に、上記電子またはホー
ルトラップが存在するヘテロ界面が２層以上積層形成さ
れたことを特徴とする記録再生装置。
【請求項５】請求項１において、上記記録媒体が、導電性シリコンよりなる導電性基板上
に、順次酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸化シリコンの
各薄膜が積層形成されて、上記電子またはホールトラッ
プが存在する酸化シリコン／窒化シリコンのヘテロ界面
が２層に積層された構成としたことを特徴とする記録再
生装置。
【請求項６】請求項２において、上記記録媒体が、導電性シリコンよりなる導電性基板上
に、順次酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸化シリコンの
各薄膜が積層形成されて、上記電子またはホールトラッ
プが存在する酸化シリコン／窒化シリコンのヘテロ界面
が２層に積層された構成としたことを特徴とする記録再
生装置。
【請求項７】請求項１において、上記針状電極を有してなるヘッドを、少なくとも記録用
および再生用の共通のヘッドとしたことを特徴とする記
録再生装置。
【請求項８】請求項２において、上記針状電極を有してなるヘッドを、少なくとも記録用
および再生用の共通のヘッドとしたことを特徴とする記
録再生装置。
【請求項９】請求項１において、少なくとも記録用および再生用の２種の針状電極を有し
てなるヘッドを有することを特徴とする記録再生装置。
【請求項１０】請求項２において、少なくとも記録用および再生用の２種の針状電極を有し
てなるヘッドを有することを特徴とする記録再生装置。
【請求項１１】請求項１において、上記記録媒体への単位記録領域が直径１００ｎｍ以下と
されることを特徴とする記録再生装置。
【請求項１２】請求項２において、上記記録媒体への単位記録領域が直径１００ｎｍ以下と
されることを特徴とする記録再生装置。
【請求項１３】請求項１において、単位記録領域の記録再生時間を、１μｓ以下とすること
を特徴とする記録再生装置。
【請求項１４】請求項２において、単位記録領域の記録再生時間を、１μｓ以下とすること
を特徴とする記録再生装置。
【請求項１５】請求項１において、上記記録または再生を、上記記録媒体を回転させて行う
ことを特徴とする記録再生装置。
【請求項１６】請求項２において、上記記録または再生を、上記記録媒体を回転させて行う
ことを特徴とする記録再生装置。
【請求項１７】請求項１において、上記記録媒体は、上記針状電極にコートした金属材料と
酸化シリコンとの中間の禁止体幅を有する材料を表面に
含有することを特徴とする記録再生装置。
【請求項１８】請求項２において、上記記録媒体は、上記針状電極にコートした金属材料と
酸化シリコンとの中間の禁止体幅を有する材料を表面に
含有することを特徴とする記録再生装置。
【請求項１９】請求項１において、上記記録媒体が、最上層に保護層を有することを特徴と
する記録再生装置。
【請求項２０】請求項２において、上記記録媒体が、最上層に保護層を有することを特徴と
する記録再生装置。