JPS61227241A - 記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、半導体基板上に第１の絶縁膜を介して電荷
蓄積用の第２の絶縁膜を形成して構成された記録媒体を
用いた記録再生装置に係り、特に記録電極の長寿命化を
図った記録再生装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

記録媒体、特にディスク型媒体には従来、磁気ディスク
、光学式ディスクおよび静電容量式ディスク等がある。

これらのうち磁気ディスクは記録。

再生、消去が任意に行なえる反面、トラック幅が広くな
いと十分な再生出力が得られないため、記録密度が低い
欠点がある。光学式ディスクや静電容量式ディスクは、
磁気ディスクよりはるかに高い記録密度を持つが、記録
された信号の消去および再記録が難しいという問題があ
る。

これに対し、ＭＮＯＳメモリの原理を利用した記録媒体
を用いる記録再生装置が提案されている。

これは半導体基板上に薄い第１の絶縁膜を形成し、その
上に電荷蓄積用の第２の絶縁膜を形成した構造の記録媒
体を用い、この記録媒体上を相対的に移動する記録電極
を介して記録媒体に記録信号電圧を印加することにより
、第２の絶縁膜中に所定極性の電荷を蓄積して信号を記
録し、再生は第２の絶縁膜中の蓄積電荷に対応して半導
体基板内に生じる空乏層の変化による静電容量の変化を
検出して行なうものである。この方式の記録再生装置は
、微小な記録電極を用いて高密度の記録が可能であり、
再生も静電容量式ディスクと同様の原理を利用するため
高出力の再生信号を得ることができ、しかも記録された
信号の消去も電気的手段により簡単にでき、従って再記
録も可能であるといった優れた特長を持っている。

しかしながら、この方式の装置では記録時に記録電極に
かなりの大電流が流れ、記録電極の寿命が短いという問
題があり、その改善が望まれていた。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、半導体基板上に第１６第２の絶縁膜
を形成した記録媒体を用いた記録再生装置において、記
録電極に流れる電流を抑制してその寿命を著しく高める
ことができる記録再生装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

この発明は上記目的を達成するため、半導体基板上に第
１の絶縁膜を形成し、その上に電荷蓄積用の第２の絶縁
膜を形成してなる記録媒体と、この記録媒体上を相対的
に移動する記録電極を介して配録媒体に記録信号電圧を
印゛加することにより、第２の絶縁膜中に所定極性の電
荷を蓄積して信号を配録する記録手段と、この手段によ
り記録された信号を第２の絶縁膜中の蓄積電荷に対応し
た半導体基板内の空乏層の変化による静電容量変化を検
出することにより再生する再生手段とを備えた記録再生
装置において、予め半導体基板の全表面に一様に空乏層
を形成しておき、記録信号電圧として半導体基板内の多
数キャリアの極性と同極性の電圧を印加することにより
、半導体基板内の少数キャリアを第２の絶縁膜中にトラ
ップさせて、記録信号電圧の印加領域における空乏層を
消滅もしくは減少させるようにしたことを特徴とする。

すなわち、この発明によれば記録電極により記５録媒体
に上記慢性の配録信号電圧を印加すると、アバランシェ
降伏またはトンネル効果あるいはその両方によって、半
導体基板内の少数キャリアが基板表面に蓄積され、次い
でトンネル効果によりこの少数キャリアが第２の絶縁膜
中に移動してトラップされ蓄積される。この結果、少数
キャリアの電荷が蓄積された領域では半導体基板内に形
成されていた空乏層が消滅するか、またはその厚みが大
きく減少する。従って、静電容量の変化を検出すること
により再生ができる。一方、記録された信号の消去は、
例えば記録信号電圧と逆極性の電圧を適当な電極を介し
て記録媒体に印加し、トンネル効果で半導体基板内の多
数キャリアを第２の絶縁膜中に移動させ、記録による電
荷を打消すことにより達成できる。

（発明の効果） この発明によれば、記録時において記録電極に依然とし
てトンネル効果流が一部流れるのであるが、このトンネ
ル電流は少数キャリアに基くものであるため、多数キャ
リアを利用する従来の方式と比較して極く僅かである。

従って、記８電極の寿命が著しく長くなる。

また、この発明においては半導体基板の全表面に予め空
乏層が形成されており、記録時に記録電極と半導体基板
とは空乏層により絶縁された状態となっているため、半
導体基板上の絶縁膜にビンホールが存在していても記録
電極と半導体基板とが導通することはないから、ピンホ
ール部分で大１！流が流れるのが防止され、このことか
らも記録電極の長寿命化が図られることになる。

（発明の実施例） 第１図はこの発明の一実施例に係る記録再生装置の構成
を示したものである。図において、記録媒体１は裏面に
接地導体層２が形成された半導体基板３上に、薄い第１
の絶縁１ｌＩ４を形成し、ざらにその上に電荷蓄積用の
第２の絶縁１１５を形成した構造となっている。ここで
、半導体基板３は本実施例ではｐ型不純物を含む単結晶
または多結晶の３ｉ基板が用いられる。第１の絶縁１１
４は例えば熱酸化により形成された厚さ２０人程度のシ
リコン酸化膜（ＳｉＯ２）であり、また第２の絶縁膜５
は例えば厚さ数百人程度のシリコン窒化膜（Ｓ　ｉ　３
　Ｎ４　）　、１６ルイハフルミｔ　（Ａ　Ｑｚ　Ｏｘ
　）、　ＷＩ化タンタ／Ｌ／　（Ｔａｚ　Ｏｓ　）、１
化チタン（ＴｉＯ２）等をＣＶＤ法等により形成したも
のである。

半導体基板３としては、予め全表面に空乏層６が形成さ
れたものが使用される。実際は上記のような構造の記録
媒体１を製造した時点で、第２の絶縁１１５中に半導体
基板３内の多数キャリアと同極性の電荷であるホール７
が全表面にわたって蓄積されていることが多く、このホ
ール７によって空乏層６が形成される。このような空乏
層６が発生していない状態の記録媒体は、記録前になん
らかの手段、例えば後述する消去手段により全面を消去
して空乏層を発生させておく必要がある。

記録媒体１に信号を記録する場合には、サファイアその
他の銹電体からなる針状の電極支持体９の側面に薄く被
着させた記録電極１０を記録媒体１上に接触させ、記録
媒体１を例えば回転させることで両者を相対的に移動さ
せる。この状態で端子１１から入力されるビデオ信号等
の記録すべき情報信号を変調回路１２により例えばパル
ス幅変調した後、パルス増Ｉｌ器１３により増幅して、
半導体基板３内の多数キャリアの極性と同極性（この場
合は正極性）のパルス状の記録信号電圧１４を生成し、
この記録信号電圧１４を記録電極１０に印加する。

このとき記録信号電圧１４の印加された領域では半導体
基板３内の空乏層６が厚さ方向に広がり、この広がった
空乏層に加わる電圧のために半導体基板３の表面部分で
アバランシェ降伏またはトンネル効果、あるいはその両
方が発生し、少数キャリアである電子が表面領域に蓄積
されて反転層が形成される。そして次に、この反転層の
電子がトンネル効果により第１の絶縁膜４を通過して、
第２の絶縁１１５中にトラップされ蓄積される。これに
よって、第２の絶縁１１５中の蓄積電荷（電子）８の形
で信号が記録される。この蓄積電向８のある領域では半
導体基板３内の空乏層６は図のように消滅するか、また
はその厚みが大きく減少することになる。

なお、この実施例においては記録電極１０として先端部
、すなわち記録媒体１側の端部近傍に分断部１０ａが設
けられ、これにより１ｐＦ以下程度の微小な静電容量が
形成されている。この静電容量は記録時に記録電極１０
に流れる電流をより効果的に抑１１１１するためのもの
であり、できるだけ先端部に形成されることが望ましい
。これは例えば記録電極１０とパルス増幅１ｉ１３の出
力端との間にコンデンサを挿入すると、記録信号電圧１
４に対しコンデンサの分担電圧が大きくなり、記録媒体
１に対して記録に十分な電圧が加わらない結果となるか
らである。

一方、このようにして記録された信号の再生は、空乏層
６の有無あるいは厚み変化に暴く記録媒体１の厚さ方向
における静電容量変化を静電容量式ディスクにおける再
生と同様に検出することによって行なう。具体的には記
１ｉｌｉｉ［１１０と同様に、針状の電極支持体１５の
側面に被着させた再生電極１６を配録媒体１上に接触さ
せると共に、再生電極１６にコイル１７を接続して記録
媒体１の静電容量とコイル１７とで共感回路１８を構成
することにより、静電容量の変化を共振回路１８の共振
周波数の変化に変換する。この共、振回路１８に轟周波
発振器１９からの例えば９００ＭＨｚ程度のへ周波信号
を、コイル１７に結合させたコイル２０を介して注入し
、共振回路１８の出力からＡＭｉｌｌ波の形で信号を取
出す。そして、この共振回路１８の出力を包絡線検波回
路２２に通し、ざらに復調回路２３で例えばＦＭ復調を
行なうことにより、再生出力２４を得る。

記録された信号の消去については、記録電極１０または
再生電極１６あるいは専用の消去電極を用い、これを記
録媒体１上に接触させて記録信号電圧１４と逆極性の消
去電圧を印加することにより、第２の絶縁膜５全面に半
導体基板３内の多数キャリアと同極性の電荷（この場合
はホール）を蓄積させればよい。

次に、この発明の効果を明らかにするため、本実施例に
おける記録機構を従来方式と比較して説明する。第２図
は本実施例における記録機構、第３図は従来方式の記録
機構を示している。

従来方式においては、第３図に示すように記録媒体３１
として裏面に接地導体層３２が被着された半導体基板３
３上に第１．第２の絶縁膜３４゜３５を順次形成したも
のが使用されるが、記録電極３６に印加する記録信号電
圧３７として半導体基板３３内の多数キャリアと逆極性
の直流電圧が使用される。図の例では半導体基板３３は
ｎ型基板であり、記録信号電圧３７は正極性となってい
る。第３図（ａ）は記録前の状態であり、この状態では
第２の絶縁膜３５中に電荷はなく、半導体基板３３内に
空乏層は形成されていない。この状態で正極性の記録信
号電圧３７を記録電極３６に印加すると、第３図（ｂ）
に示すように記録信号電圧の印加領域で半導体基板３３
内の多数キャリアである電子３８がトンネル効果により
第１の絶縁１１３４を通して第２の絶縁膜３５に移動し
、同図（Ｃ）のように第２の絶縁！Ｉ３５中にトラップ
され蓄積される。これにより同図（Ｃ）に示すように、
蓄積電荷３８のある領域で半導体基板３３内に空乏層３
９が生じる。

ところが、この従来方式では第３図（ｂ）の電子がトン
ネル効果で第２の絶縁膜３５へ移動する際に流れるトン
ネル電流の一部が記録電極３６にも流れるが、トンネル
電流は多数キャリアに基くものであるために、記録電極
３６に流れる電流もかなり大きく、記録電極３６の寿命
を非常に短くしてしまう。また、半導体基板３３上の絶
縁膜３４．３５は薄いため、Ｉｉｍ中にピンホールがあ
る程度発生することは一般に避けられないが、従来方式
の場合、ピンホールがある領域では記録電極３６と半導
体基板３３とが導通するので、さらに大きな電流が記録
電極３６を流れることになる。

これに対して、この発明では記録する前の状態で第２図
（ａ）に示すように第２の記録膜５全面に半導体基板３
内の多数キャリアと同極性の電荷、すなわらホール７が
予め蓄積されることにより、半導体基板３の全表面に空
乏層６が形成されている。この状態で第２図（ｂ）に示
すように記録電極１０に正極性の記録信号電圧１４を印
加すると、半導体基板３がｐ型であるため、記録電極１
０により記録信号電極１４が加わった領域では空乏層が
６′の如くずみ方向にさらに広がる。この空乏層の広が
り具合は、半導体基板３の不純物濃度に依存する。こう
して空乏層が広がった領域では静電容員が小さくなるた
め、印加された記録信号電圧１４に対し空乏層の分担電
圧が大きく、絶縁膜４．５に印加される電圧がその分低
下するので、記録信号電圧１４の印加にもかかわらずト
ンネル電流は流れない。

記録信号電圧１４がさらに印加され続けると、空乏層６
が広がった領域６′では該空乏層６′に加わる電圧が大
きく半導体基板３表面の電界が強いため、アバランシェ
降伏が生じて電子・ホール対が発生する。これらのうち
ホールは半導体基板３内に吸収されるが、電子は８′の
ように半導体基板３表面に蓄積されてくる。すなわち、
反転層が生じる。

なお、半導体基板３の不純物１度がある程度以上＾い場
合は、その表面のバンドが大きく曲がるために、アバラ
ンシェ降伏でなくトンネル効果により半導体基板３内部
の電子が表面に移動して蓄積される。半導体基板３の不
純物濃度によっては、アバランシェ降伏とトンネル効果
の両方が生じて、電子８′が半導体基板３表面に蓄積さ
れる。

このように半導体基板３表面に少数キャリアである電子
８′が蓄積されてくると、絶縁膜４，５に加わる電圧が
増加してゆくが、これがトンネル効果を生じる電圧に達
すると、第２図（ｄ）に示すように半導体基板３表面の
電子８′がトンネル効果により第１の絶縁１１４を通過
して第２の絶縁１１５に移動し、同図（ｅ）のようにト
ラップされる。この段階では広がった空乏層６′はまだ
残っているが、記録電極１０への記録信号電圧１４の印
加がなくなる′と、第２図（、ｆ）に示すように消失し
、記録信号電圧１４が印加されなかった領域だけ空乏層
６が残ることになる。

上述したこの発明の一実施例による記録機構では、第２
ｒｊｉＡ（ｄ）のプロセスにおいてトンネル電流の一部
が記録電極１０にも流れるが、これは少数キャリアによ
るものであって微小であるため、記録電極１０の寿命を
損うに至らない。また、絶縁膜４，５にピンホールが存
在していても、記録電極１０に記録信号電圧１４が印加
されている間、半導体基板３表面に常に空乏層が形成さ
れているため、記録電極１０と半導体基板３とが導通す
ることはない。従ってピンホール部分で記録電極１０に
大電流が流れる現象がなく、この点からも記録電極１０
の長寿命化を達成できることになる。

なお、上記実施例では半導体基板にｎ型基板を使用した
が、ｎ型基板を使用してもよく、その場合は半導体基板
内の多数キャリアが電子であるから、負極性の記録信号
電圧を記録媒体に印加することにより、上記実施例と同
様の記録機構が得られる。その他、この発明は要旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る記録再生装置の構成
図、第２図は同実施例における記録機構を説明するため
の図、第３図は従来方式における記録機構を説明するた
めの図である。 １・・・記録媒体、２・・・接地導体層、３・・・半導
体基板、４・・・第１の絶縁膜、５・・・第２の絶縁膜
、６・・・空乏層、７・・・予め蓄積された電荷、８・
・・記録信号に基く蓄積電荷、１０記録電極、１０ａ・
・・分断部、１４・・・記録信号電圧、１６・・・再生
電極。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に第１の絶縁膜を形成し、その上に
   電荷蓄積用の第２の絶縁膜を形成してなる記録媒体と、
   この記録媒体上を相対的に移動する記録電極を介して前
   記記録媒体に記録信号電圧を印加することにより、前記
   第２の絶縁膜中に所定極性の電荷を蓄積して信号を記録
   する記録手段と、この手段により記録された信号を前記
   第２の記録膜中に蓄積された電荷に対応した前記半導体
   基板内の空乏層の変化による静電容量変化を検出するこ
   とにより再生する再生手段とを備えた記録再生装置にお
   いて、予め前記半導体基板の全表面に一様に空乏層を形
   成しておき、前記記録信号電圧として前記半導体基板内
   の多数キャリアの極性と同極性の電圧を印加することに
   より、前記半導体基板内の少数キャリアを前記第２の絶
   縁膜中にトラップさせて、記録信号電圧の印加領域にお
   ける空乏層を消滅もしくは減少させるようにしたことを
   特徴とする記録再生装置。
2. （２）前記記録媒体は前記第２の絶縁膜中に前記半導体
   基板内の多数キャリアと同極性の電荷が予め付与される
   ことにより前記半導体基板の全表面に一様に空乏層が形
   成されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の記録再生装置。
3. （３）前記記録電極は前記記録媒体側の端部近傍に電流
   抑制用の静電容量形成のための分断部を有するものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の記録再
   生装置。