JPH1083586A

JPH1083586A - 記録再生装置

Info

Publication number: JPH1083586A
Application number: JP23688896A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Fujiwara; 一郎藤原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JP3899561B2

Abstract

(57)【要約】【課題】記録密度の向上をはかる。【解決手段】針状電極よりなるヘッドにより記録媒体
に情報を記録または再生する記録再生装置であって、記
録媒体は、少なくともナノ結晶層を有する電荷蓄積層を
有して成り、上記ヘッドから電圧を印加することにより
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
定領域への電荷移動により情報を記録または消去する。
そして、この情報の再生を、上記ヘッドが上記記録媒体
に非接触、または接触状態で、上記所定領域に記録され
た情報を、該領域における静電容量の変化量、あるいは
電荷もしくは表面電位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新規
な記録および再生を行う、あるいは記録情報の再生のみ
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
オ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の例え
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】一方、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】光記録において、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５００ｎ
ｍ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、そのスポッ
トエリアをその光の波長以下にすることは原理的に不可
能である。この限界を越えることのできる記録方法の試
みや、提案も種々なされているものの、いづれのもの
も、直径１００ｎｍ以下の記録領域（記録ビット）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限界の問題で１００ｎｍ以下の記録
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 Mic
roscope ）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Ａ
ＦＭ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、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。

【００１１】例えば、スタンフォード大学のクエート(P
rof.Quate)氏等は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂膜およびＳｉ
Ｎ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：ScanningCapacitance Microscope)
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 Phys
ics,70 2725-2733 (1991) 参照。) 。

【００１２】ところで、図１０に示すように、ｐ型また
はｎ型Ｓｉ基板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、このＳｉＮ膜３上に金属電極による上部電
極４が被着されたいわゆるＭＮＯＳ（Metal Nitride Ox
ide Semiconductor)系の記録媒体は、不揮発性半導体メ
モリの１つであるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasabl
e Programable Read Only Memory) ですでに実用化され
ている。

【００１３】このようなＭＮＯＳ系、あるいはＮＯＳ系
記録再生の基本は、Ｓｉ半導体と、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ界
面やその近傍のＳｉＮ中のキャリアのトラップとの間の
電荷の移動を用いることである。この場合、データ保持
特性を良好にするために、ＳｉＯ₂膜の膜厚を充分厚く
設計している。

【００１４】すなわち、この層構造でＳｉＯ₂／ＳｉＮ
界面およびこの界面を形成するＳｉＮ層中（以下単にＳ
ｉＯ₂／ＳｉＮ界面付近という）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１０のＭＮ
ＯＳ系においてＳｉＮ膜３上の上部電極４に正電圧を掛
けると、強電界によりＳｉ基板１側から電子がＳｉＯ ₂
膜２をトンネルして、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面付近のトラ
ップに注入されてここに蓄積される。一方、上部金属電
極４に負電圧を掛けると、トンネル酸化膜２の膜厚が厚
い場合逆向きの強電界によりトラップに蓄積されている
電子がＳｉ基板１側にＳｉＯ₂膜２をトンネルして逆注
入、すなわち放出されてＳｉＯ₂／ＳｉＮ界面付近のト
ラップに存在する電子が欠乏する。このようにして、Ｍ
ＮＯＳ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。

【００１５】上述のクエート(Quate) 氏等の研究では、
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、ＳＣＭのカンチレバー直
近に配置された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採られている。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、直径約１５０ｎｍ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。

【００１６】

【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材料の特徴として、情報の記録、消去時に
必要な各時間が、ｍｓ（ミリ秒）オーダー、電圧が４０
Ｖ（しきい値電圧２５Ｖ）となり、高速、低電圧駆動を
充分満たすものではない。また、再生ヘッドを記録媒体
に接触させた状態で情報の再生を行う接触型構成による
場合には、（２）情報の再生すなわち容量変化の読み出しは、メタ
ルコートされたカンチレバーを記録媒体に接触させて動
作させていることから、カンチレバーすなわちヘッドの
記録媒体との接触による摩擦磨耗が大きいためにヘッド
の劣化が生じ、その結果として記録再生特性が劣化す
る。（３）情報の再生は、記録媒体の容量変化を、カンチレ
バーの直後に設けたキャパシタセンサで直接的に検出し
ているが、この系での記録媒体表面形状に極めて敏感で
あり、特に場合によっては浮遊容量が大きくなる可能性
があり、信号のＳ／Ｎが劣化する。という問題がある。

【００１７】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。また、Iwamura 等によるディスク形状のＭＮ
ＯＳ記録媒体を用いた静電容量検出方式の記録再生の試
みが行われている(IEEETransactions on Electron Devi
ces Vol.28 No.7 854-860(1981)。しかし、高記録密度
の点で問題があり、上記クエート（Quate)氏のＳＰＭを
用いた記録密度の実験結果と比較しても及ばない。

【００１８】また、最近になってTiwariらがＳｉナノ結
晶を用いた新しい半導体不揮発メモリの提案を行った
（Applied Physics Letters 68 1377(1996) ）。しか
し、この報告によれば、メモリトランジスタのしきい値
のシフト量が約０．２Ｖしかとれず、従来のメモリトラ
ンジスタのしきい値のシフト量を検出しているセンスア
ンプの感度では検出できないという問題点がある。

【００１９】本発明においては、鋭意研究を重ねた結
果、ＳＰＭと、微小領域でのキャリアトラップとなるナ
ノ結晶（ナノクリスタル）すなわちｎｍオーダーの粒径
による微細結晶が絶縁膜中に埋め込まれて配列されたナ
ノ結晶層を有する電荷蓄積層が形成された記録媒体を用
いることによって上述した諸問題の解決をはかり、高
速、高密度記録にすぐれ、またヘッドの長寿命化はかる
ことができる記録再生装置を提供するに至ったものであ
る。

【００２０】

【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、針状電極よりなるヘッドにより記録媒体に情報を
記録または再生する記録再生装置であって、その記録媒
体は、少なくともトンネル絶縁膜と、絶縁膜中にナノ結
晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する電荷蓄積層を
有して成る。そして、上記ヘッドからの電圧印加によっ
て電荷蓄積層の所定領域に対するトンネル絶縁膜を通じ
ての電荷移動により情報の記録または消去がなされ、ヘ
ッドを、上記記録媒体に非接触または接触させた状態
で、上記所定領域における電荷、あるいは表面電位、ま
たは静電容量、あるいはこれらの微分量の少なくともい
づれかの変化量を検出して、記録情報の再生を行う。

【００２１】上述の本発明による記録再生装置によれ
ば、記録媒体として特にナノ結晶、すなわち結晶粒の大
きさがｎｍオーダー、つまり１０ｎｍ以下のナノ結晶を
有する電荷蓄積層が形成された構成とし、さらに針状電
極ヘッドによる電圧印加により、この電荷蓄積層のキャ
リアトラップに対する電荷移動により情報を記録または
消去する態様をとることから、高速、高密度記録がなさ
れる。

【００２２】また、その再生においても、針状電極によ
ったことから電位分解能および空間分解能の高い再生を
行うことができる。

【００２３】そして、この記録媒体上の記録情報を、記
録媒体に対してヘッドを非接触の状態で、再生するとき
は、再生時における針状電極によるヘッドや記録媒体の
磨耗を効果的に低減化することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明装置に用いられる
記録媒体の基本構成を示す。この記録媒体１０は、導電
性基体例えばシリコンＳｉ基体１１に下部電極１２が被
着形成され、これとは反対側に、活性層１３が形成され
る。活性層１３は、少なくとも例えばＳｉＯ₂を介して
の電荷の注入、放出における電荷のトンネルが可能なト
ンネル絶縁膜を有し、例えば半導体のＳｉのナノ結晶が
ＳｉＯ₂等の絶縁膜中に埋め込まれ、ナノ結晶層を有す
る電荷蓄積層を有してなる。

【００２５】このＳｉＯ₂膜によるトンネル膜は、ナノ
結晶が埋め込まれたナノ結晶層を挟んでその上下に形成
することができ、ナノ結晶粒と、更にナノ結晶粒とトン
ネル膜もしくはナノ結晶粒を埋め込むＳｉＯ₂膜との界
面において高密度に電荷のトラップを形成するヘテロ界
面を形成させることができる。

【００２６】ここで、絶縁膜中に埋め込まれたナノクリ
スタルは、空間的に離散化されてかつ伝導帯端からエネ
ルギーレベルの深いキャリアトラップになっている。そ
のサイズは直径１０ｎｍ以下、その間の距離は１０ｎｍ
以下である。このような場合、キャリア（電子）が記録
ヘッドと記録媒体のＳｉ基体との間に印加された強電界
によりＳｉ基体側または記録ヘッド側から例えばＳｉＯ
₂膜によるトンネル絶縁膜をトンネルして空間的に離散
化されたキャリアトラップに注入されることにより情報
の記録が成される。この注入される電子の方向は、キャ
リアトラップとＳｉ基体、記録ヘッドとの間のトンネル
絶縁膜の厚さ、および記録ヘッドでの記録時の表面電界
集中の大きさなどに依存している。キャリアトラップの
密度は、５〜１０¹¹〜１×１０¹²ｃｍ^-2である。また、
一つのキャリアトラップには複数個の電子をトラップす
ることができる。一方、キャリア（電子）が記録ヘッド
と記録媒体のＳｉ基体との間に記録の場合とは逆の極性
の強電界を印加することにより、トラップに注入されて
いた電子を放出することにより情報の消去を行うことが
できる。

【００２７】情報の再生は、キャリアトラップに捕獲さ
れた電子と再生ヘッドとのクーロン相互作用を表面電
位、静電容量等として直接検出する。この再生方法は非
常に高感度であり、このため、小数のキャリアトラップ
に捕獲された電子を高感度に検出することが可能とな
る。すなわち、表面電位の検出感度は数ｍＶであるた
め、数１０ｍＶ程度の表面ポテンシャルの変化量を容易
に検出することができる。

【００２８】そして、ナノクリスタルを用いた記録媒体
の特徴は、（１）ナノクリスタルの元素を選択することにより、エ
ネルギーレベルが深く、密度が高いキャリアトラップを
絶縁膜中に作製することができる。（２）ナノクリスタルから構成されるキャリアトラップ
を空間的に離散化した状態で絶縁膜中に作製することが
できる。ということであり、その結果として、（１）書込み動作電圧を１０Ｖ以下（場合によっては５
Ｖ以下）にすることができる。（２）トラップが空間的に離散化しているため、記録ビ
ット（記録領域）における情報の繰り返し書き換え消去
特性が良好となる。（３）トラップのエネルギーレベルが深く、空間的に離
散化されているために同一トンネル絶縁膜の厚さで比較
した場合、記録ビットのデータ保持特性が良好になる。

【００２９】記録媒体１０を構成する各構成材料層は、
それぞれ例えばスパッタリング法、ＭＯＣＶＤ（Metal
Organic Chemical Vapor Deposition ）法、ＬＰＣＶＤ
（低圧ＣＶＤ）法、分子線蒸着法、通常の蒸着法、ＭＯ
Ｄ（Metal Oxide Deposition）法、レーザアブレーショ
ン法、ゾルゲル法、スピンコート法、熱酸化法、熱窒化
法などによって成膜することができる。

【００３０】記録媒体１０に対する情報の記録は、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）構成により、その記録ヘッドは、
先端に針状電極を有するＡＦＭ制御の導電性カンチレバ
ーによる構成とし、この記録ヘッド、すなわち針状電極
が活性層１３側に接触して行われる。

【００３１】この電荷蓄積層を有する記録媒体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ＶＲとして、｜ＶＲ｜
＜１０Ｖの、例えばキャリアが電子である場合は、負電
圧の例えば−５Ｖのパルス電圧を印加する。このように
して、カンチレバーから電子を局所的に、少なくとも電
荷蓄積層のトラップに注入することによって、すなわち
電荷の移動を行わしめて情報の記録を行う。

【００３２】そして、この局所的な電荷が注入された領
域に対し、記録時の印加電圧とは、逆極性の所要の電
圧、例えば＋５Ｖ程度のパルス電圧を印加することによ
り、電荷蓄積層のキャリアトラップから電荷の放出、す
なわち電荷の移動を行って記録情報の消去を行う。

【００３３】また、電荷（電子）をＳｉ基体側からキャ
リアトラップに注入する場合は、記録ヘッドに＋５Ｖの
パルス電圧を印加して記録する。そして、これを消去す
る場合は、−５Ｖのパルス電圧を印加してキャリアトラ
ップから電荷（電子）をＳｉ基体に放出する。

【００３４】そして、その記録情報の読み出し（再生）
は、記録媒体の上述したトラップへの電荷の注入領域と
再生ヘッドとのクーロン相互作用に起因する静電容量、
電荷、表面電位の変化量またはそれらの微分量として、
針状電極による再生ヘッドを記録媒体に対して接触ある
いは微小間隙をもって非接触の状態で検出することによ
って行う。

【００３５】上述したように、記録媒体に対する記録お
よび消去は、１０Ｖ以下の例えば１０Ｖの動作電圧、さ
らに本発明の電荷蓄積層の構成、例えばナノ結晶の構成
材料、粒径、間隔等の最適化によってさらに低い５Ｖ以
下とすることもできる。また、キャリアのトンネル膜例
えばＳｉＯ₂膜の膜厚を小とすることによってキャリア
の注入、逆注入すなわち放出に要する時間すなわち記
録、消去時間をそれぞれ１μｓ以下とすることができ
る。

【００３６】さらに、上述した静電容量の変化、あるい
は電荷もしくは表面電位の変化の検出、すなわち記録情
報の再生も、１ＭＨｚ以上の高速再生ができる。また、
記録領域の直径は、１００ｎｍ以下、例えば検出系の感
度を向上させることにより５０ｎｍ以下、さらにナノ結
晶の粒径に対応する１０ｎｍ程度とすることもできる。

【００３７】次に、本発明装置の記録、消去装置と、再
生装置の具体例を説明する。

【００３８】〔記録、消去装置〕図２は記録、消去装置
の一例の概略構成図を示す。この記録ヘッドＨＲ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２１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。或いは針状加工が可能で、
導電性を有する不純物ドーピングのなされた導電性シリ
コンによって構成される。これらカンチレバー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
することができる。

【００３９】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、さら
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。

【００４０】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
ド例えば４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。

【００４１】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。

【００４２】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を
接触させた状態で記録媒体と相対的に移行させて上述の
直流電圧にパルス電圧を重畳させた電圧を印加すること
により情報の記録を行う。

【００４３】〔再生装置〕記録媒体１０からの記録情報
の読み出しすなわち再生は、再生ヘッドが記録媒体と接
触しない、すなわち非接触状態で行うか、あるいは接触
状態で行う。先ず、非接触状態による場合について説明
する。この再生装置は、基本的には、下記(i) 〜(iv)の
いづれかの構成による。 (i) 走査型マックスウエル応力顕微鏡（ＳＭＭ：Scanni
ng Maxwell Stress Microscope) 構成。 (ii)上記ＳＭＭ構成においてヘテロダイン検出方式を採
る構成。 (iii) ケルビン力顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin Force Micro
scope ）構成。 (iv)走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance
Microscope)構成。

【００４４】上記(i) 〜(iv)の構成について説明する。〔(i) のＳＭＭ構成による場合。〕図３は、この再生装
置における再生ヘッドＨＰとその制御部の構成図を示
す。この再生はＳＭＭで知られている動作原理（例えば
Molecular Electronics and Bioelectronics,vol.3 p79
(1992)参照。）によってなされる。ここで、再生ヘッド
ＨＰは、図２で説明した記録ヘッドＨＲ自体を用いるこ
とができるが、いずれの場合においてもこの再生ヘッド
ＨＰは記録媒体１０に対して非接触状態で用いられる。
この再生ヘッドＨＰは、前述した記録ヘッドＨＲにおけ
る場合と同様に、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、一端が固定された
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、前述した載置台３０上に載置された記録媒体
１０に非接触な状態で記録媒体１０の表面電位Ｖｓまた
は静電容量の検出によって記録情報の再生がなされる。

【００４５】載置台３０は、前述したように、これに載
置された記録媒体１０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、さらに再生ヘッドＨＰとして
のカンチレバー２２の針状電極２１との間隔を調整でき
るように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移
動制御できるように構成される。

【００４６】再生ヘッドＨＰすなわち針状電極２１を有
するカンチレバー２２と記録媒体１０との間にバイアス
電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、
記録媒体との間に（数１）で与えられる力Ｆ_Zが働く。

【００４７】

【数１】（ここでＣは針状電極２１と記録媒体１０との間の静電
容量、Ｚは針状電極２１と記録媒体１０との間の距
離。）今、記録媒体１０の表面電位をＶ_Sとし、Ｖ＝Ｖ_AC・ｓｉｎωｔ＋Ｖ_off のバイアス電圧Ｖを印加すると、力Ｆ_Zは次式（数２）
のようになる。

【００４８】

【数２】

【００４９】これによってカンチレバー２２は力Ｆ_Zを
受けて振動する。一方カンチレバー２２の先端に、半導
体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光
をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出す
る。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａは、
次式（数３）で表すことができる。

【００５０】

【数３】

【００５１】この検出信号Ａは、ロックインアンプ４５
に入力され、ここで、２ω成分の出力（数４）を取り出
す。

【００５２】

【数４】

【００５３】この２ω成分による出力は、載置台３０の
ｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、こ
れによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこ
の２ω成分による出力が一定になるようになされる。２
ω成分は静電容量の微分信号であり、２ωを一定に制御
することにより、誘電率を一定に仮定すれば、カンチレ
バー２２の針状電極２１と記録媒体との距離を一定に制
御できる。

【００５４】このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を
画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られ
ることになる。

【００５５】また、このとき同時にω成分の出力（数
５）をロックインアンプ４５で取り出す。

【００５６】

【数５】

【００５７】これは媒体１０の表面電位Ｖ_Sにのみ依存
することになる。つまり、これが記録媒体１０の表面電
位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この
出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないよ
うに、さらに、ω項がゼロになるようにω成分出力をＶ
_offの制御回路４７にフィードバックしてＶ_offの制御
を行って∂Ｃ／∂Ｚの大きさによる影響を排して、Ｖ_off＋Ｖ_S＝０すなわちＶ_S＝−Ｖ_off とする。このようにすればＶ_S、云い換えれば、記録媒
体１０上の表面電位分布として生じる記録情報を読み出
すことができる。

【００５８】〔(ii)上記ＳＭＭ構成においてヘテロダイ
ン検出方式を採る構成による場合。〕通常のＳＭＭ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
定されるが、ヘテロダイン検出法を用いることによりカ
ンチレバー機械的共振周波数よりも高い周波数帯域での
表面電位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。図
４は、この再生装置における再生ヘッドＨＰとその制御
部の構成図を示す。図４において図３と対応する部分に
は同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００５９】この検出方式は、ヘテロダイン検出方式に
よるＳＭＭの動作原理による（前記Molecular Electron
ics and Bioelectronics,Vol.3 p79(1992)およびVol.79
p34(1995)参照）。この方式では、通常のＳＭＭ検出方
式による表面電位の検出等、カンチレバーの共振点より
高い周波数領域における静電容量の検出を行うことがで
きる。

【００６０】この検出方式においても、再生ヘッドＨＰ
すなわち針状電極２１を有するカンチレバー２２と記録
媒体１０との間にバイアス電圧Ｖを印加すると、静電結
合により針状電極２１と、記録媒体１０との間に前記
（数１）で与えられる力Ｆ_Zが働く。今、記録媒体１
０の表面電位をＶｓとし、Ｖ＝Ｖ_AC・ｓｉｎωｔ＋Ｖ_off のバイアス電圧Ｖを印加すると、力Ｆ_Zは前記（数２）
のようになる。これによってカンチレバー２２は力Ｆ_Z
を受けて振動する。一方カンチレバー２２の先端に、半
導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射
光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出す
る。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａは、
前記（数３）で表すことができる。

【００６１】この検出信号は、ロックインアンプ４５Ｂ
に入力され、ここで、２ω成分の出力（前記（数４））
を取出す。この２ω成分による出力は、載置台３０のｚ
軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これ
によって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの
２ω成分による出力が一定になるようになされる。２ω
成分は静電容量の微分信号であり、２ωを一定に制御す
ることにより、誘電率を一定に仮定すれば、カンチレバ
ー２２の針状電極２１と記録媒体１０との距離を一定に
制御できる。このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を
画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られ
ることになる。

【００６２】また、このとき同時にω成分の出力（前記
（数５））をロックインアンプ４５Ｂで取り出す。これ
は記録媒体１０の表面電位Ｖｓにのみ依存することにな
る。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応
した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／
∂ｚの大きさによって変わることのないように、さら
に、ω項がゼロになるようにω成分出力をフィードバッ
クしてＶ_offの制御を行って∂Ｃ／∂ｚの大きさによる
影響を排して、Ｖ_off＋Ｖｓ＝０すなわちＶｓ＝−Ｖ_off とする。このようにすればＶｓ、云い換えれば、記録媒
体１０上の表面電位分布として生じる記録情報を読み出
すことができる。

【００６３】そして、通常のＳＭＭでは、その周波数特
性はカンチレバーの共振周波数によって限定されるが、
ヘテロダイン検出法を用いることによりカンチレバー機
械的共振周波数よりも高い周波数帯域での静電容量また
は表面電位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。ヘ
テロダイン検出方式のＳＭＭの動作原理は以下の通りで
ある。ＳＭＭでＭＨｚ以上の高周波数成分を含む複数の
交流電圧をカンチレバー２２と記録媒体１０との間に印
加し、誘起されたカンチレバー２２の振動を４分割光検
出器４４で検出する。

【００６４】

【数６】

【００６５】ここで、Ｖ_AFは、（数７）で与えられ、カ
ンチレバーの共振周波数以下の周波数成分からなる低周
波電圧で、低周波発振器５６およびローパスフィルタ５
７によって得たＤＣ（直流）バイアス電圧Ｖ_Dcと周波数
ω₀の交流電圧からなる。Ｖ _RFは、（数８）で与えら
れ、カンチレバーの共振周波数より高い交流電圧を示
し、高周波発振器５８からの周波数ω_aでハイパスフィ
ルタ５９よりの周波数ω_rの高周波キャリア信号を変調
の深さＭ（Ｍ≒１）で振幅変調したものである。

【００６６】

【数７】

【００６７】

【数８】

【００６８】この結果、印加電圧は、ＤＣ、ω₀、ω_r
とω_r＋ω_a、ω_r−ω_aの５種類の周波数成分から構
成される交流電圧となる。上記交流電圧がカンチレバー
に印加されるとマックスウエル応力が電界の２乗に比例
するために、周波数の混合が引き起こされ、和と差の周
波数を持つ振動成分がカンチレバー上に誘起され、この
振動が光検出器４４で検出されプリアンプ５５で増幅さ
れ、ロックインアンプ４５Ａおよび４５Ｂに導入され
る。ロックインアンプ４５Ａおよびロックインアンプ４
５Ｂから得たヘテロビート成分、ω₀成分、２ω₀成分
は、コンピュータ１４７に入力される。特にω_aで振動
するヘテロダインビート成分は周波数ω_rでの記録媒体
での誘電応答についての情報を与える（下記（数
９））。このためヘテロダイン検出方式は、カンチレバ
ーの共振器周波数よりも高い周波数での記録媒体の静電
容量の検出を可能にする。また、カンチレバーの位置の
制御は、２ω₀の振幅が常に一定になるように、例えば
ｚ軸方向のピエゾ素子（図示せず）による制御によって
行われる。

【００６９】

【数９】

【００７０】〔(iii) ケルビン力顕微鏡（ＫＦＭ：Kelv
in Force Microscope ）構成。〕この動作原理は、ケル
ビン力顕微鏡で知られている（例えばApplied PhysicsL
etters 52 1103 (1993)参照）。

【００７１】図５を参照して説明する。図５において、
図４と対応する部分には同一符号を付して示す。この場
合においても、再生ヘッドＨＰは、図２で説明した記録
ヘッドＨＲ自体を用いることができるが、この場合にお
ける再生ヘッドＨＲは記録媒体１０に対して非接触状態
で用いられる。すなわち、図２で説明した記録ヘッドに
おけると同様に、再生ヘッドＨＰ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針状
の電極２１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２２によって構成さ
れる。このカンチレバー２２は、前述した載置台３０上
に載置された記録媒体１０に非接触な状態で記録媒体１
０の表面電圧Ｖｓの検出すなわち記録情報の再生がなさ
れる。そして、この場合、共振周波数が充分高く、バネ
定数が充分低いカンチレバーを用いることにより、ＫＦ
Ｍを用いて高周波数領域における高速の再生が可能とな
る。

【００７２】この載置台３０は、前述したと同様にこれ
に載置された記録媒体１０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、さらに再生ヘッドＨＰと
してのカンチレバー２２の針状電極２１との間隔を調整
できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向
に移動制御できるように構成される。

【００７３】そして、再生ヘッドすなわち針状電極２１
を有する圧電素子２３を用いて共振周波数で振動してい
るカンチレバー２２と記録媒体１０との間に、バイアス
電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、
記録媒体１０との間に前記（数１）で与えられる力Ｆｚ
が働く。そして、いま、記録媒体１０の表面電位をＶｓ
とし、Ｖ＝Ｖ_AC・ｓｉｎωｔ＋Ｖ_off で与えられるバイアス電圧Ｖを印加すると、力Ｆ_Zは
（数１０）のようになり、カンチレバー２２は、力Ｆｚ
を受けて振動する。

【００７４】

【数１０】

【００７５】一方、カンチレバー２２の先端に、半導体
レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光を
フォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。
この光検出器４４によって得られる検出信号Ａで、カン
チレバー２２の共振周波数の振幅の減少量に着目する。
カンチレバー２２の共振周波数の振幅は、記録媒体１０
とのクーロン相互作用により減少する。この共振周波数
の周波数シフトに起因する共振周波数の振幅の減少量ま
たは位相変化を検出することにより表面電位または静電
容量の微分量等の物理量を求めることができる。この検
出信号は、ロックインアンプ４５に入力され、ここでカ
ンチレバーの共振器周波数ω_r成分の出力を（数１１）
を取り出す。

【００７６】

【数１１】

【００７７】このω_r成分による出力は、載置台３０の
ｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、こ
れによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこ
の２ω成分による出力が一定になるようにされる。ω_r
成分は、ファンデルフワールス力とクーロン力に起因す
る力であり、ω_rを一定に制御することにより、誘電率
を一定と仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１
と記録媒体１０との距離を一定に制御できる。このとき
の載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒
体１０の表面形状の情報が得られることになる。

【００７８】また、このとき同時に、ω成分の出力（数
１２）をロックインアンプ４５で取り出す。

【００７９】

【数１２】

【００８０】測定される変位量Ａは、カンチレバーの共
振点での振動の振幅または位相に対する微分信号となる
ため記録媒体１０の表面電位Ｖｓの微分に対応する信号
が得られる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分
布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力
が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないよう
に、さらにω項が０になるように、ω成分出力をＶ_off
の制御回路４７にフィードバックしてＶ_offの制御を行
って∂Ｃ／∂ｚの大きさによる影響を配して、Ｖ_off＋Ｖｓ＝０すなわちＶｓ＝−Ｖ_off とする。このようにすれば、Ｖｓ言い換えれば、記録媒
体１０上の表面電位分布の微分信号として生じる記録情
報を読み出すことができる。

【００８１】また、記録媒体１０からの記録情報の再生
の他の例としては、再生ヘッドを記録媒体に接触させた
状態での容量変化の検出によって行うことができる。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）構成によるこ
とができる。

【００８２】〔(iv)のＳＣＭによる場合〕この記録媒体
１０からの記録情報の再生は、再生ヘッドを記録媒体１
０に対して接触させた状態で行う。図６は、記録情報に
基く静電容量の変化量を検出して記録情報の再生を行う
この再生装置の一例の概略構成図を示す。この再生装置
は、具体的には上述のＡＦＭを発展させた周知の走査型
静電容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Micro
scop）構成とした（以下、この再生装置をＳＣＭ型再生
装置という）。すなわち、この場合においても、前述し
た記録装置におけると同様に、先端に針状電極２１を有
する導電性カンチレバー２２が設けられた再生ヘッドＨ
Ｐを有してなる。この再生ヘッドＨＰは、記録ヘッドＨ
Ｒと共用することも別構成とすることもできる。この再
生ヘッドＨＰにおいても、先端に例えば円錐状、三角錐
状、断面例えば三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、一端が固定さ
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Ｓ
ｉもしくはＳｉＮよりなりその表面にＡｕ，Ｐｔ，Ｃ
ｏ，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。或いは針状加工が可能で、導電性を有する不純物ド
ーピングのなされた導電性シリコンによって構成され
る。これらカンチレバー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することができる。

【００８３】載置台３０は、前述したように、これに載
置された記録媒体１０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、更に再生ヘッドＨＰとしての
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の面方向と直交するｚ軸方向に
移動制御できるように構成される。

【００８４】再生ヘッドＨＰの針状電極２１を記録媒体
１０上に接触させ、この状態で載置台３０によって記録
媒体を例えば回転させて針状電極２１を記録媒体１０上
に走査しつつ、直流電源４０からの直流バイアス電圧Ｖ
記録媒体１０に印加し、カンチレバー２２と記録媒体１
０との間の静電容量を検出器５０に内蔵する発振周波数
９１５ＭＨｚの発振器からの発振周波数シフトとして静
電容量信号Ｃ（Ｖ）を検出し、ロックインアンプ４５か
らｄＣ／ｄＶ信号を取り出し、これをコンピュータ５２
に入力する。この場合、媒体の極くわずかな容量変化が
共振周波数のシフトとなり、出力振幅の高低が変化す
る。この信号を検波回路で検波し、静電容量の変化とし
て検出する。

【００８５】その概略構成を説明すると、カンチレバー
２２に、例えば半導体レーザ４３からのレーザー光を照
射し、その反射光を光検出器４４によって検出し、サー
ボ回路に入力し、載置台３０のｚ軸方向の制御がなされ
る。

【００８６】この場合の再生ヘッドは、前述した例えば
記録ヘッドＨＲにおけると同様のカンチレバー構成を採
り得る。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。尚、本明細書においては、この再生ヘッドとその後
段に位置する容量センサ（静電容量検出器）を合せて再
生ヘッド系という。そして、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。

【００８７】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。

【００８８】次に、本発明の実施例を説明する。〔実施例１〕この実施例においては、記録ヘッドである
カンチレバーと記録媒体との間に電圧パルスを印加して
情報の記録を行うものであるが、この場合、記録媒体の
基体側からのキャリア（電子）を電荷蓄積層のトラップ
に注入する記録態様をとる場合である。この場合の記録
媒体１０は、図７にその概略断面図を示すように、導電
性半導体基体１１としてのｐ型のＳｉ基体上に、下層絶
縁膜１４を被着形成する。この下層絶縁膜１４は、キャ
リア、この例では電子をトンネルすることのできる厚さ
に選定されたボトム側のトンネル絶縁膜となるものであ
り、この下層絶縁膜１４は、基体１１の表面熱酸化によ
る厚さ１．８ｎｍのＳｉＯ₂膜によって形成し得る。こ
の下層絶縁膜１４上に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉに
よるナノ結晶（ナノクリスタル）１５Ｃを形成する。こ
のナノ結晶１５Ｃは、結晶粒径が約５ｎｍで、約５ｎｍ
の間隔で配列される。これの上に、ＬＰＣＶＤ法により
ＳｉＯ₂絶縁膜１５ｉを形成してナノ結晶１５Ｃを埋め
込んだナノ結晶層１５を形成し、続いてこれの上にＳｉ
Ｏ₂による上層絶縁膜１６を形成することによって電荷
蓄積層１７を形成する。この上層絶縁膜１６の厚さは、
６ｎｍとされ、これにより記録媒体の表面は比較的平面
に形成される。しかしながら、必要に応じて、この記録
媒体の表面を例えばＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理に
よって平坦化処理することもできる。

【００８９】この構成による記録媒体１０の電荷蓄積層
１７は、ナノ結晶１５Ｃと、これと絶縁膜１５ｉおよび
１６のＳｉＯ₂のためにキャリアトラップとして動作す
るキャリアトラップを有する層として形成される。

【００９０】そして、基体１１の電荷蓄積層１７が形成
された側とは反対側の裏面に、金属電極層による下部電
極１２がオーミックに被着される。

【００９１】この電荷蓄積層１７を有する記録媒体１０
に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによっ
て行う。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の活性層側すなわち電荷蓄積層
１７側の表面、つまり上層絶縁膜１６側の表面に、針状
電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印
加して、導電性カンチレバーより電荷蓄積層１７の主と
してＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップにキ
ャリア例えば電子を局部的に注入して情報の記録を行
う。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）の有無による電荷量の変化として記録が
なされ、この記録情報に応じた電位パターンを形成す
る。

【００９２】この記録媒体１０の、電荷蓄積層１７の主
としてＳｉナノ結晶層１５によるキャリアトラップへの
電荷注入、すなわち情報の記録は、Ｓｉ基体１１側から
のキャリアの注入と、カンチレバー側からの注入との２
種類存在するが、本実施例ではＳｉＯ₂下層絶縁膜１４
をトンネル膜として主としてＳｉナノ結晶層１５のトラ
ップに電子を局所的に注入することによって局所的に電
荷量の差を生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓ
の分布の検出によって行う。なお、本実施例においてＳ
ｉＯ₂膜１６は膜厚が厚いため、このＳｉＯ₂膜１６で
のトンネル確率が低くカンチレバー側からのＳｉナノ結
晶層への電子が注入される確率は少ない。

【００９３】次に、本実施例１における記録媒体の電圧
−容量特性について述べる。本実施例における記録媒体
の記録層、すなわち電荷蓄積層において、そのＳｉナノ
結晶層である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、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。ヒステリシス特
性におけるフラットバンド電圧のバイアス電圧の差ΔＶ
は、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、空間的な容量変化を表面電位の変化とし
て情報の記録、かつこれを検出することにより情報の再
生を行うことができる。

【００９４】次に、この実施例１における記録、消去お
よび再生特性を示す。まず、ＳｉＯ₂上層絶縁膜１６／
Ｓｉナノ結晶層１５／ＳｉＯ下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体
１１／下部電極１２による記録媒体１０に、５Ｖのパル
ス電圧をヘッドすなわち針状電極２１と下部電極１２と
の間に印加して、基体１１側から、電子を主としてＳｉ
ナノ結晶層１５におけるキャリアトラップに局所的に注
入する。この場合、１つのＳｉナノ結晶トラップには複
数個の電子を注入することが可能である。

【００９５】このようにして、情報の記録がなされた記
録媒体１０に対して、図４で説明したヘテロダイン検出
ＳＭＭ再生装置によって、その局所的な注入電荷量の差
を表面電位Ｖｓの分布の変化量として検出する。このヘ
テロダイン検出方式において１０ＭＨｚの高周波数領域
で表面電位分布を評価した。

【００９６】その結果、表面形状は、パルス電圧を印加
する前後で変化は観察されなかった。すなわち、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。

【００９７】そして、ＳＭＭ像では、３μｍ×３μｍの
領域の表面電位分布を検討した。この場合、通常のＳＭ
Ｍ測定で行っている５〜１０ｋＨｚでの評価結果とほぼ
同一であることが分かった。この場合、電子が注入され
た部分の表面電位のコントラストが、その周辺と比較し
て低くなっており、記録ビットが観測された。つまり、
１０ＭＨｚでの高周波数領域でも、５〜１０ｋＨｚと同
様な表面電位分布が得られていることが分かった。これ
は、表面電位分布が１０ＭＨｚの高周波数領域において
も検出可能であることを示すものである。

【００９８】注入電荷量の差は、電位差では約３０ｍＶ
であり、ＳＭＭの電位分解能が１ｍＶであることから、
例えばデジタル信号“０”および“１”のデータの識別
を充分行うことができる値であることが分かった。

【００９９】また、＋５Ｖを先に、上述の記録媒体１０
に印加した後に、−５Ｖのパルス電圧を印加した場合、
周辺の表面電位と同様な値を示すことが分かった。これ
は記録ビットの消去が可能であることを示している。

【０１００】また、オーバーライト特性は、パルス電圧
条件を最適化することにより可能となることも分かっ
た。また、ヘテロダイン検出方式により、表面電位分布
像における記録ビットの検出が１０ＭＨｚの高周波数領
域においても可能であることも分かった。

【０１０１】このことはヘテロダイン検出方式のＳＭＭ
を用いることにより、高周波領域での記録ビットの再生
が可能であることを示している。このことから、本実施
例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記
録ヘッド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。

【０１０２】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、ＳＭＭ像において、表面電位
のコントラストの低い部分とその周辺に生じた高い部分
でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることに
より高密度記録ができる。

【０１０３】種々の実験の結果、最小記録ビットの直径
を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かっ
た。また、キャリア注入による記録、消去時間はそれぞ
れ１μｓより小さいことが分かった。

【０１０４】そして、局所的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充分
な強をもっていることが分かった。〔実施例２〕この実施例においては、カンチレバーによ
るパルス電圧印加により、記録ヘッド側から、キャリア
（電子）を、記録媒体の電荷蓄積層のトラップに注入す
る記録態様をとる場合である。この場合の記録媒体１０
は、実施例１におけると同様の方法によって、図７にそ
の概略断面図を示すように、導電性半導体基体１１とし
てのｎ型のＳｉ基体上に、ＳｉＯ₂による下層絶縁膜１
４、Ｓｉナノ結晶層１５、ＳｉＯ₂による上層絶縁膜１
６を形成するものであるが、この場合、ボトム側の下層
絶縁膜１４においては、電子のトンネルが生じにくい程
度の厚さの３．５ｎｍに形成した。そして、Ｓｉナノ結
晶層１５は、ナノ結晶１５Ｃの粒径および粒子間隔をそ
れぞれ３．５ｎｍとし、このナノ結晶１５Ｃを埋込んで
ＳｉＯ₂絶縁膜１５ｉを形成し、続いてこれの上に上層
の絶縁膜１６を、３ｎｍとなるように形成した場合であ
る。

【０１０５】この電荷蓄積層１７を有する記録媒体１０
に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによっ
て行う。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の活性層側すなわち電荷蓄積層
１７側の表面、つまり上層絶縁膜１６側の表面に、針状
電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印
加して、導電性カンチレバー側から、Ｓｉナノ結晶存在
するキャリアトラップにキャリア例えば電子を局部的に
注入して情報の記録を行う。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、すなわ
ち電荷の変化として記録がなされ、この記録情報に応じ
た電位パターンを形成する。

【０１０６】この記録媒体１０からの記録情報の読み出
しすなわち再生は、記録情報に応じた電位ＶＳの分布の
検出によって行う。

【０１０７】次に、本実施例２における記録、消去およ
び再生特性を示す。まず、ＳｉＯ₂上層絶縁膜１６／Ｓ
ｉナノ結晶層１５／ＳｉＯ下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１
１／下部電極１２による記録媒体１０に、−５Ｖのパル
ス電圧をヘッドすなわち針状電極２１と下部電極１２と
の間に印加して、記録ヘッド側から電子を主としてＳｉ
ナノ結晶層１５におけるキャリアトラップに局所的に注
入する。

【０１０８】次に、図３のＳＭＭ再生装置によって、そ
の局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布の変化
量として検出する。ＳＭＭによって、２μｍ×２μｍの
領域を評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加す
る前後で変化は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。

【０１０９】ＳＭＭ像では、２μｍ×２μｍの部分でキ
ャリアの注入させた部分の表面電位のコントラストは、
周囲と比較して低くなっており、これは−５Ｖのパルス
電圧によって電子が記録ヘッド側よりトラップに局所的
に注入され、負の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。

【０１１０】以上より微細な記録ビットをＳＭＭによっ
て検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は、
電位差で約３０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が、数
ｍＶであることから、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ができる値である
ことが分かった。

【０１１１】また、−５Ｖのパルス電圧を印加した後＋
５Ｖのパルス電圧を記録媒体１０に印加した場合、すな
わち上述とは反対の極性の電圧を印加した場合、ＳＭＭ
の電位分布で観察される画像のコントラストも周囲と比
較して同一の電位になっていることが分かった。すなわ
ち記録媒体１０のトラップに注入されるキャリアの量が
相殺されていることが分かり、記録ビットの消去が可能
であることが分かった。このことから、この実施例の記
録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッ
ド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、ＳＭＭ像において、表面電位のコン
トラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの
“０”と“１”に対応させることにより高密度記録がで
きる。

【０１１２】種々の実験の結果、最小記録ビットの直径
を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かっ
た。また、キャリア注入に必要な記録、消去時間はそれ
ぞれ１μｓより小さくできることが分かった。

【０１１３】また、図４に示したヘテロダイン検出ＳＭ
Ｍを用いることにより、１ＭＨｚ以上の高周波数領域で
の記録ビット信号の検出再生を行うことができた。そし
て、局所的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
２では高密度記録再生装置として充分な機能を有してい
ることが分かった。

【０１１４】〔実施例３〕この実施例における記録媒体
１０は、電荷蓄積層１７のキャリアトラップであるＳｉ
ナノ結晶に、カンチレバーすなわち記録ヘッド側から電
子を注入することによって情報の記録を行うようにした
場合である。この実施例では、Ｓｉナノ結晶層を２層構
造としてナノ結晶の実質的トラップ密度が増加する素子
構造になっている。

【０１１５】この実施例３における記録媒体１０は、図
８にその概略断面図を示すように、ｎ型Ｓｉ基体１１上
に、その表面熱酸化により形成した厚さ３ｎｍのＳｉＯ
₂膜による下層絶縁膜１４を形成し、これの上にプラズ
マＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶１５Ｃを形成し、これに
ＳｉＯ₂絶縁膜１５ｉをＬＰＣＶＤ法により形成してナ
ノ結晶１５Ｃを埋込んで、第１のＳｉナノ結晶層１５Ａ
を形成する。このナノ結晶は、粒径約３ｎｍで、約３ｎ
ｍ間隔で配列されている。続いてこれの上にＬＰＣＶＤ
法によって厚さ３ｎｍのＳｉＯ₂膜による中間絶縁膜１
８を成膜する。さらにこれの上にＳｉナノ結晶１５Ｃを
同様にプラズマＣＶＤ法により形成し、さらにこれの上
にＬＰＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶１５Ｃを埋込んでＳ
ｉＯ₂絶縁膜１５ｉを形成して第２のナノ結晶層１５Ｂ
を形成する。続いてＬＰＣＶＤ法によって４ｎｍのＳｉ
Ｏ₂膜による上層絶縁膜１６を形成した。そして、その
表面の平坦化を行なうため、必要に応じてＣＭＰ処理を
行なうこともある。

【０１１６】基体１１の電荷蓄積層１７が形成された側
とは反対側には金属層による下部電極１２を被着する。

【０１１７】本実施例による記録媒体１０は、第１およ
び第２のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂによるキャリア
トラップ層が、厚さ方向に２箇所、つまり２層存在する
ことになり、トラップされるキャリアの数が実施例１の
場合と比較して多くなり、その結果として実施例１で説
明した表面電位の周辺部との差を、実施例１に比し大き
くすることができる。

【０１１８】この２層のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂ
を有する荷蓄積層１７を有してなる記録媒体１０に対す
る記録も、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行
う。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ＳｉＯ₂層１６に、針状電極
２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加し
て、導電性カンチレバーよりナノ結晶層１５Ａおよび１
５Ｂとその近傍に存在するキャリアトラップに電子を局
部的に注入して情報の記録を行う。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）の有無の
記録情報に応じた電位パターンを形成する。この場合、
２層のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラッ
プの数は、１層のナノ結晶層１５による実施例１と比較
して多くなっているため、その結果として、キャリアト
ラップの濃度も大きくなる。

【０１１９】このようにして、ナノ結晶層１５Ａおよび
１５Ｂのキャリアトラップに、Ｓｉ基体１１側から、電
子を局所的に注入することによって情報の記録を行った
記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生
は、上述した局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の
差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。

【０１２０】次に、この実施例３における記録、消去お
よび再生特性を示す。まず、上述したＳｉＯ₂上層絶縁
膜１６／第２のナノ結晶層１５Ｂ／ＳｉＯ₂中間絶縁膜
１８／第１のナノ結晶層１５Ａ／ＳｉＯ₂下層絶縁膜１
４／Ｓｉ基体１１による記録媒体１０に、５Ｖのパルス
電圧をヘッドすなわち針状電極２１から印加して、局所
的に電子をＳｉＯ₂上層絶縁膜１６／第２のナノ結晶層
１５Ｂ／ＳｉＯ₂中間絶縁膜１８／第１のナノ結晶層１
５Ａ／ＳｉＯ₂下層絶縁膜１４／による電荷蓄積層１７
の、主として両ナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリ
アトラップに注入して情報の記録を行う。

【０１２１】この情報の記録は、図４で説明したヘテロ
ダイン検出によるＳＭＭ再生装置によって再生する。す
なわち、上述の図７の構成による記録媒体１０の局所的
な注入電荷量の差を、表面電位Ｖｓの分布として検出す
る。この場合、ヘテロダイン検出によるＳＭＭ再生装置
によって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、この
場合においても、表面形状は、パルス電圧を印加する前
後で変化は観察されず、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。

【０１２２】ヘテロダイン検出ＳＭＭ像では、３μｍ×
３μｍの部分でキャリアの注入させた部分の表面電位の
コントラストは周囲と比較して低くなって観察された。
これは−５Ｖのパルス電圧印加によって電子が記録ヘッ
ド側より局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較し
て増加していること、すなわち、記録ビットが形成され
ていることを示している。

【０１２３】また、ヘテロダイン検出によるＳＭＭ装置
のスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μ
ｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、電
子のキャリア注入により電荷量が増大している記録ビッ
トが検出された。

【０１２４】以上より微細な記録ビットを、ヘテロダイ
ン検出ＳＭＭによって検出可能であることが分かった。
注入電荷量の差は、電位差では約４０ｍＶであり、ＳＭ
Ｍの電位分解能が１ｍＶであることから、例えばデジタ
ル信号“０”及び“１”のデータの識別を充分に行うこ
とのできる値であることが分かった。

【０１２５】また、＋５Ｖのパルス電圧を、上述の図７
の記録媒体１０材料２に印加した場合、すなわち、上述
とは反対の極性の電圧を印加した場合、ヘテロダイン検
出ＳＭＭの電位分布で観察される画像のコントラストも
逆転していること、すなわち、トラップに注入されるキ
ャリアの極性が反対の関係になっていることが分かっ
た。また、記録と逆極性の電圧パルスを印加することに
より情報の消去も可能であることが分り、オーバーライ
ト特性も有することが分かった。

【０１２６】このことから、本実施例の記録媒体の局所
的な電荷の注入量が記録ヘッド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、表面電
位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデー
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１
００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。
また、キャリア注入の記録、消去時間はそれぞれ１μｓ
よりも小さいことが分かった。

【０１２７】そして、局所的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３では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。

【０１２８】〔実施例４〕本実施例では、キャリアの注
入を、記録ヘッドと記録媒体の間のパルス電圧印加によ
りＳｉ基体側から電荷蓄積層のキャリアトラップに注入
するようにする場合である。

【０１２９】この実施例４では、記録媒体１０として、
図９にその概略断面図を示すように、ボトムトンネル膜
として下層絶縁膜１４を、厚さ２ｎｍのＳｉＯＮ膜によ
って形成し、これの上に順次Ｓｉナノ結晶層１５、表面
層の厚さが５ｎｍのＳｉＯ₂膜による上層絶縁膜１６を
実施例１と同様の方法によって成膜して形成した。この
場合においても、基体１１の上述した各成膜による電荷
蓄積層１７が形成された側とは反対側に金属層による下
部電極１２が被着形成される。

【０１３０】すなわち、この実施例４は、実施例１およ
び実施例３における各下層側つまりボトムトンネル膜と
しての下層絶縁膜１４のＳｉＯ₂膜に換えてＳｉＯＮ膜
とした場合である。このようにＳｉＯＮトンネル膜１４
を用いることにより、ＳｉＯ ₂トンネル膜による場合に
比し、情報の消去速度を速められることが期待される。

【０１３１】本実施例においても、カンチレバーにパル
ス電圧を印加することにより、Ｓｉ基体１１側から電荷
蓄積記録メディアに電子を注入、放出することができ、
その結果として、記録ビットの記録、再生、消去が可能
であることがわかった。

【０１３２】記録ビットの記録再生特性については本実
施例も実施例１と同等の特性が得られた。また、本実施
例においても、再生にヘテロダイン検出方式のＳＭＭを
用いているため、記録ビットの高周波数領域での高速な
再生が可能になった。

【０１３３】〔実施例５〕本実施例では、パルス電圧印
加による記録媒体の電荷蓄積層に対するキャリアの注入
を、Ｓｉ基体側からキャリアトラップに注入するように
した場合である。

【０１３４】この場合、記録媒体１０の構成は、図８の
構成において、ＳｉＯ₂による下層絶縁膜１４の厚さを
２ｎｍとし、第１のナノ結晶層１５Ａの厚さを３ｎｍと
し、中間絶縁膜１８の厚さを３ｎｍとし、第２のナノ結
晶層１５Ｂの厚さを３ｎｍとし、上層絶縁膜１６の表面
層の厚さを５ｎｍとした場合である。また、この実施例
５においても、その各膜の成膜方法は、実施例１と同様
とした。

【０１３５】この実施例５においては、実施例３の場合
と比較して、ＳｉＯ₂膜１６の厚さを５ｎｍと厚くし
て、下層絶縁膜１４の膜厚を２ｎｍと薄くしてこれをト
ンネル絶縁膜とするものであり、実施例１におけると同
様に、カンチレバーにパルス電圧を印加して、記録およ
び消去を行うとき、Ｓｉ基体側から電荷蓄積層１７への
キャリア（電子）を注入、放出がなされて記録ビットの
記録消去がなされるようにしたものである。

【０１３６】この実施例５における記録、消去および再
生特性についても、実施例１と同等の特性が得られた。
また、本実施例では再生にヘテロダイン検出方式のＳＭ
Ｍ再生法を用いた。この場合においても、記録ビットの
高周波数領域での高速な再生が可能になった。

【０１３７】〔実施例６〕本実施例では、実施例１と同
一構成の記録媒体を用い、図２および図４で説明した記
録および消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドＨＰをそれぞれ
別構成とした。すなわち、各ヘッドＨＲとＨＰ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、その磨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はその先端の曲率半径が５０〜
１００ｎｍとするが、非接触状態で用いられる再生ヘッ
ドＨＰに関してはその磨耗を考慮する必要がないことか
ら、表面導電層は薄く形成して、その針状電極の先端の
曲率半径は記録および消去ヘッドＨＲのそれより小さい
３０ｎｍ以下とした。

【０１３８】このように、再生ヘッドの針状電極の先端
の曲率半径を小さくすることによって、再生時の表面電
位の空間分解能の解像度を上げることができることか
ら、その最小記録領域の大きさを直径約６０ｎｍ以下に
まで小さくすることができた。

【０１３９】また、局所的に電荷が注入された領域は、
充分安定に保持できた。また、ヘテロダイン検出方式の
ＳＭＭを用いたことにより、記録ビットの高周波数領域
での再生が可能になった。上述したように、本実施例で
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。

【０１４０】また、この実施例６では、実施例１におけ
る構成による記録媒体を用いたが、上述した他の実施例
で示した構成による記録媒体を用いる場合においても本
発明の本質が変わらないことは言うまでもない。

【０１４１】〔実施例７〕本実施例ではディスク形状を
している記録媒体を回転させて記録再生を行った。この
場合の記録、再生の各ヘッドは、実施例６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、記録媒
体は実施例６で用いた構成、すなわち実施例１における
構成と同様の構成とした。この場合の情報の記録再生特
性は、実施例１と同様に確認することができた。

【０１４２】また、記録媒体と非接触状態で情報の再生
を行なっているため、記録媒体が高速回転している場合
でも、ヘッドと記録媒体間の磨耗による影響を最小限に
抑制することができた。また、ヘテロダイン検出方式の
ＳＭＭを用いることにより、記録ビットの高周波数領域
での再生が可能になった。

【０１４３】種々の実験の結果、この場合においても最
小記録ビット直径を１００ｎｍ以下にすることが可能で
あることが分かった。記録時間は１μｓより小さくする
ことができた。また、局所的に電荷が注入された領域は
充分安定に保持された。

【０１４４】尚、上述した各例においては、情報の再生
を、図４で説明したヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用
いた場合で、この場合記録ビットの高周波数領域での再
生が可能となるものであるが、各例において、図３のヘ
テロダイン検出方式によらないＳＭＭ装置によってその
再生を行うこともできる。

【０１４５】〔実施例８〕この実施例における記録媒体
は、実施例１と同一構成とし、同一記録態様を採った。
この場合においても記録媒体１０からの記録情報の読み
出しすなわち再生は、記録媒体１０の、ナノ結晶層１５
のキャリアトラップを主とする電荷蓄積層１７のキャリ
アトラップへの電荷注入方式は、Ｓｉ基体側とカンチレ
バー側の２種類存在するが、本実施例ではＳｉＯ₂下層
絶縁膜１４をトンネル膜として、キャリアトラップにＳ
ｉ基体側より電子を局所的に注入することによって、局
所的に電荷量の差を生じさせて情報の記録を行い、この
電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布として検出する
ことによって記録情報の再生を行う。

【０１４６】そしてこの記録情報の検出、すなわち再生
は、図５で説明したＫＦＭ再生装置によって行った。Ｋ
ＦＭによって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、
表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察さ
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。

【０１４７】ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャ
リアの注入させた部分の表面電位のコントラストは周囲
と比較して低くなっており、これは５Ｖのパルス電圧に
よって電子がＳｉ基板側よりトラップに局所的に注入さ
れ、負の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、ＫＦＭのスキャンエリアをさらに小さ
くして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な
実験を試みた場合も、電子のキャリア注入により電荷量
が増大している記録ビットが検出された。

【０１４８】以上より微細な記録ビットをＫＦＭによっ
て検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は電
位差では約３０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が数ｍ
Ｖであることから、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。

【０１４９】また、５Ｖの電圧パルスを印加した後−５
Ｖのパルス電圧を記録媒体１０にかけた場合、すなわ
ち、上述とは反対の極性の電圧を印加した場合、ＫＦＭ
の電位分布で観察される画像のコントラストは周囲の表
面電位とほぼ同一の表面電位の値を示すことが分かっ
た。すなわち、記録媒体１０の電荷蓄積層１７のトラッ
プに注入されるキャリアの量の分布が、消去されている
ことが分かった。また、オーバーライト特性を有するこ
とが分かった。

【０１５０】このことから、本実施例の記録媒体の局所
的な電荷の注入量が、カンチレバー記録ヘッドよりのバ
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、局所的に注入された電荷の有無でデジタルデータ
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１０
０ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。ま
た、キャリア注入の書込み、消去時間はそれぞれ１μｓ
よりも小さいことが分かった。

【０１５１】また、記録ヘッドの共振周波数が充分大き
く（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１
Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯で高
速な再生が可能になった。

【０１５２】そして、局所的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充分
な機能をもっていることが分かった。

【０１５３】〔実施例９〕この実施例における記録媒体
は、実施例３と同一構成とし、同一記録態様を採った。
記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生
は、本実施例においてもナノ結晶層１５のキャリアトラ
ップを主とする電荷蓄積層１７のキャリアトラップへの
電子の注入を、Ｓｉ基体１１側より局所的に注入するこ
とによって局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の差
の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。

【０１５４】そして、この実施例９においても、実施例
７で説明したと同様に図５のＫＦＭ再生装置を用いて記
録媒体１０の電荷蓄積層における局所的な注入電荷量の
差を表面電位Ｖｓの分布として検出する。ＫＦＭによっ
て３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状
は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、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。

【０１５５】ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャ
リアの注入させた部分のコントラストは周囲と比較して
暗くなっており、これは−５Ｖ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注入され、負の電
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、ＫＦＭのスキャンエリアをさらに小さくして、例
えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試み
た場合も、電子のキャリア注入により電荷量が増大して
いる記録ビットが検出された。

【０１５６】以上より微細な記録ビットをＫＦＭによっ
て検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は電
位差では約４０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が数ｍ
Ｖであることから、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。

【０１５７】また、−５Ｖのパルス電圧を印加した後
に、＋５Ｖのパルス電圧を材料１にかけた場合、すなわ
ち、上記の実験とは反対の極性の電圧を印加した場合、
ＫＦＭの電位分布で観察される画像のコントラストは周
囲の表面電位とほぼ同一の値を示すことが分かった。す
なわち、材料１のトラップに注入されるキャリアの量が
消去されていることが分かる。また、オーバーライト特
性も有することが分かった。

【０１５８】このことから、本実施例の記録媒体の局所
的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイ
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、表面電位コントラストの高い部分と低い部分でデジ
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以下にすることが可能であることが分
かった。また、キャリア注入の書込みおよび消去時間は
それぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。

【０１５９】また、記録ヘッドの共振周波数が充分大き
く（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１
Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での
高速な再生が可能になった。

【０１６０】そして、局所的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９においても、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分かった。

【０１６１】〔実施例１０〕この実施例は、実施例４と
同一の構成による記録媒体に対して、実施例４と同様に
Ｓｉ基体１１側からＳｉＯＮ下層絶縁膜１４をトンネル
して電荷蓄積層１７のキャリアトラップに電子を注入し
て、実施例４と同様の情報の記録を行い、実施例９と同
様にＫＦＭ再生装置による情報の再生を行った。この場
合においても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、表面電位のコントラストの高い部分と低い部
分でデジタルデータの“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以下にすることが可能である
ことが分かった。また、キャリア注入の書込みおよび消
去時間もそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。

【０１６２】この実施例１０においても、実施例８と同
様にＫＦＭ再生装置によって記録情報の再生を行った。
この実施例１０においても、記録ヘッドの共振周波数が
充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さ
く（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨ
ｚ帯での高速な再生が可能であった。

【０１６３】そして、局所的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１０におい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分かった。

【０１６４】〔実施例１１〕この実施例では、実施例２
と同様の記録媒体を用い実施例２と同様に、電荷蓄積層
１７のキャリアトラップにカンチレバー側から電荷の注
入を行って情報の記録を行った。そして、その再生は、
実施例７と同様にＫＦＭ再生装置によって記録情報の再
生を行った。この実施例１１においても、記録ヘッドの
共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定
数が充分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビ
ットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能であった。

【０１６５】そして、局所的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１１におい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分かった。

【０１６６】〔実施例１２〕この実施例では記録媒体と
して、実施例７、すなわち実施例１と同様の電荷蓄積層
構成による記録媒体を用い、図２および図５で説明した
記録および消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドＨＰをそれぞ
れ別構成とした。すなわち、各ヘッドＨＲとＨＰ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、その摩擦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とするが、非接触状態で用いられる再生ヘ
ッドＨＰに関してはその摩耗を考慮する必要がないこと
から、表面導電層は薄く形成して、その針状電極の先端
の曲率半径は記録および消去ヘッドＨＲのそれより小さ
い３０ｎｍ以下とする。

【０１６７】このように、再生ヘッドの針状電極の先端
の曲率半径を小さくすることによって、再生時の表面電
位の空間分解能の解像度を上げることができることか
ら、その最小記録領域の大きさを直径約６０ｎｍ以下に
まで小さくすることができた。また、局所的に電荷が注
入された領域は、充分安定に保持できた。

【０１６８】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、また、この実施例１２では実施例１の電荷蓄積層構
成による記録媒体を用いたが、他の実施例で示した電荷
蓄積層構成を記録媒体に適用した場合であっても本発明
の本質が変わらないことは言うまでもない。

【０１６９】〔実施例１３〕この実施例ではディスク形
状をしている記録媒体を回転させて記録再生を行った。
ヘッドは実施例１２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、記録媒体は実施例１２で用い
た電荷蓄積層構成による媒体を用いた。この場合の情報
の記録特性は、実施例１、再生特性は実施例７と同様に
確認することができた。そして、この実施例においても
情報の再生を記録媒体と非接触状態で行なっているた
め、記録媒体が高速回転している場合でも、ヘッドと記
録媒体間の摩擦、磨耗による影響を最小限に抑止するこ
とができた。

【０１７０】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以下にすることが可
能であることが分かった。記録時間は１μｓより小さく
することができた。また、記録ヘッドの共振周波数が充
分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく
（数１Ｎ／ｍ）とすることにより、記録ビットの５ＭＨ
ｚ帯での高速な再生が可能になった。さらに、局所的に
電荷が注入された領域は充分安定に保持された。

【０１７１】以上より、この実施例１３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
また、この実施例１３は記録媒体として実施例１に対し
て説明を行ったが、他の電荷蓄積層構成による記録媒体
に適用しても本発明の本質が変わらないことは言うまで
もない。

【０１７２】〔実施例１４〕上述した各例においては、
記録媒体に対する情報の再生を、ヘッドが非接触状態で
なされるようにした場合で、この場合ヘッドおよび記録
媒体の磨耗を回避できることから、繰返し再生を可能に
するものであるが、再生装置として、記録ヘッドと同様
に、走査型すなわちいわゆるコンタクト型ＳＣＭによる
再生装置を用いて再生ヘッドにおいても記録媒体に対し
て接触状態で、各構成による電荷蓄積層を具備する記録
媒体に対する情報の再生を行うようにすることもでき
る。このように、記録媒体に対して再生ヘッドを非接触
状態で再生するときは、再生感度の向上、解像の向上、
したがって、より記録密度の向上をはかることができ
る。この場合、実施例１と同様の記録媒体を用いて記録
再生を行ったところ、実施例１と同等の記録再生特性が
得られることが分かった。

【０１７３】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、これらの実施例および他の
本発明装置で用いられる記録媒体において、その最上層
に、例えばダイヤモンドライクカーボンによる保護層
（図示せず）を被着することが望ましく、この保護層の
形成によって、記録再生装置および記録媒体の信頼性を
より向上させることができる。

【０１７４】上述したように本発明装置によれば、記録
密度の向上、記録、消去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。

【０１７５】そして、特に本発明装置においては、記録
媒体として、例えばナノＳｉクリスタルによるナノ結晶
を有する電荷蓄積層による構成としたものであり、この
ナノ結晶は、微細結晶の集合によることから、そのキャ
リアトラップ密度は高く、より高密度記録が図られ、ま
たその記録消去の高速、低電圧駆動が図られる。

【０１７６】すなわち、前述したようにＳｉナノクリス
タルは空間的に離散化されており、絶縁膜例えばＳｉＯ
₂膜中に埋め込まれた形状になっている。そのサイズは
直径１０ｎｍ以下、その間の距離は１０ｎｍ以下であ
る。このような場合、ＳｉナノクリスタルはＳｉＯ₂膜
中の離散化されたキャリアトラップとして動作する。Ｓ
ｉＯ₂とＳｉとのバンドエネルギーダイヤグラムよりト
ラップレベルは、３．ｌｅＶと推定される。キャリア
（電子）は記録ヘッドと基板との間に印加された強電界
によりＳｉ基体側または記録ヘッド側からＳｉＯ₂膜を
トンネルして離散化されたキャリアトラップに注入され
ることにより情報の記録が成される。注入される電子の
方向はキャリアトラップとＳｉ基体、記録ヘッドとの間
のトンネル酸化膜の厚さおよび、記録ヘッドでの電界集
中の大きさなどに依存している。キャリアトラップの密
度は５×１０¹¹〜１×１０¹²ｃｍ^-2である。また、一つ
のキャリアトラップには複数個の電子をトラップするこ
とができる。

【０１７７】一方、キャリア（電子）は記録ヘッドとＳ
ｉ基体との間に記録の場合と逆の極性の強電界を印加す
ることによりトラップに注入されていた電子を放出する
ことにより情報の消去を行う。情報の再生はキャリアト
ラップに捕獲された電子と再生ヘッドとのクーロン相互
作用を表面電位、静電容量等として直接検出する。この
再生方法は非常に高感度であり、このため、小数のキャ
リアトラップに捕獲された電子を高感度に検出すること
が可能となる。すなわち、表面電位の検出感度は数ｍＶ
であるため、数１０ｍＶ程度の表面ポテンシャルの変化
シフトを容易に検出することができる。

【０１７８】Ｓｉナノクリスタルを用いた記録媒体の特
有の効果としては（１）伝導帯端を基準にしたエネルギーレベルが深く、
密度が高いキャリアトラップをＳｉＯ₂絶縁膜中に作製
することができる。（２）Ｓｉナノクリスタルから構成されるキャリアトラ
ップを空間的に離散化した状態で絶縁膜中に作製するこ
とができる。その結果として、（１）書き込み動作電圧を５Ｖ以下にすることができ
る。（２）トラップが空間的に離散化しているため、記録ビ
ットにおける情報の繰り返し書き換え消去特性が良好と
なる。（３）トラップのエネルギーレベルが深く、空間的に離
散化されているために同一トンネル絶縁膜の厚みで比較
した場合、記録ビットのデータ保持特性が良好になる。

【０１７９】尚、ナノ結晶は、Ｓｉ以外の半導体や金属
によることもできる。また、上述した例では基体１１が
ｎ型Ｓｉ基体とした場合であるが、ｐ型基体を用いるこ
ともできる。

【０１８０】また、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。

【０１８１】また、上述したように、記憶ヘッドＨＲお
よび再生ヘッドＨＰを、共通に構成する場合において、
そのヘッド、したがってカンチレバーを複数個設けたい
わゆるマルチヘッド構成とすることができる。あるいは
記録ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰとを、それぞれ別
構成とする場合においてもその記録ヘッドＨＲおよび再
生ヘッドＨＰの双方もしくは一方をヘッド、したがって
カンチレバーを複数個設けたいわゆるマルチヘッド構成
とすることができる。

【０１８２】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。

【０１８３】

【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、高速な記録再生感度を有するため、
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。

【０１８４】したがって、高速情報化社会に必要とされ
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
ンデンサにおける大容量なデータの記録に有効な記録再
生装置なるものである。

【０１８５】また、その再生を、ヘッドの非接触状態で
行うときは、ヘッドおよび記録媒体の損耗を回避でき
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一例の構成図であ
る。

【図３】本発明装置の再生装置の一例の構成図である。

【図４】本発明装置の再生装置の他の例の構成図であ
る。

【図５】本発明装置の再生装置の他の例の構成図であ
る。

【図６】本発明装置の再生装置の他の例の構成図であ
る。

【図７】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８】本発明装置に用いる記録媒体の他の例の概略断
面図である。

【図９】本発明装置に用いる記録媒体の他の例の概略断
面図である。

【図１０】従来装置における記録媒体の概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１０記録媒体、１１基体、１２下部電極、１３
活性層、１４下層絶縁層、１５，１５Ａ，１５Ｂナ
ノ結晶層、１６上層絶縁層、１７電荷蓄積層、１８
中間絶縁層、２２カンチレバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】針状電極よりなるヘッドにより記録媒体
に情報を記録または再生する記録再生装置であって、上記記録媒体は、少なくともトンネル絶縁膜と、絶縁膜
中にナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する電
荷蓄積層を有して成り、上記ヘッドからの電圧印加によって上記電荷蓄積層の所
定領域に対する上記トンネル絶縁膜を通じての電荷移動
により情報の記録または消去がなされ、上記ヘッドを、上記記録媒体に非接触または接触させた
状態で、上記所定領域における電荷、あるいは表面電
位、または静電容量、あるいはこれらの微分量の少なく
ともいづれかの変化量を検出して、上記記録情報を再生
することを特徴とする記録再生装置。
【請求項２】請求項１において、上記所定領域に記録
された情報を、ヘテロダイン検出法によって上記所定領
域における表面電位あるいは静電容量の少なくともいづ
れかの変化量を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し非接
触状態で、該再生ヘッドの機械共振周波数より高い周波
数で高速に検出して、上記記録情報を再生することを特
徴とする記録再生装置。
【請求項３】請求項１において、上記所定領域に記録
された情報を、該領域における表面電位または静電容量
の少なくともいづれかの変化量の微分を、再生ヘッドが
上記記録媒体に対し非接触状態で、該再生ヘッドの共振
周波数の振幅または位相の変動量またはその微分量を用
いて検出して、上記記録情報を再生することを特徴とす
る記録再生装置。
【請求項４】請求項１において、記録情報の再生を、
静電容量の変化量あるいは静電容量の変化量の微分を、
再生ヘッドが上記記録媒体に対し接触状態で、該再生ヘ
ッドまたは再生ヘッド系の発振器の共振周波数の周波数
シフトに起因する共振点での振幅または位相の変化を検
出して、上記記録情報を再生する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６】請求項１において、上記ヘッドを、少な
くとも記録用および再生用の２種のヘッドとしたことを
特徴とする記録再生装置。
【請求項７】請求項１において、上記記録または消去
を、上記ヘッドに１０Ｖ以下の電圧を印加することによ
り行い、上記記録媒体の単位記録領域は直径１００ｎｍ
以下であることを特徴とする記録再生装置。
【請求項８】請求項１において、単位記録領域の記録
および消去時間を、それぞれ１μｓ以下とすることを特
徴とする記録再生装置。
【請求項９】請求項１において、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１０】請求項１において、上記記録媒体の上
記ナノ結晶層の結晶粒の粒径が１０ｎｍ以下、結晶粒間
隔が１０ｎｍ以下とされた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、上記記録媒体の電
荷蓄積層の、上記ナノ結晶層の結晶粒が、酸化シリコン
膜中埋め込まれて形成されてなることを特徴とする記録
再生装置。
【請求項１２】請求項１において、上記ナノ結晶が半
導体ナノ結晶であ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、上記ナノ結晶がシ
リコンナノ結晶であることを特徴とする記録再生装置。
【請求項１４】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。