KR19990013441A - 광기록용 상변화 매체로 사용되는 주기율표 제 3족 금속의질화물 박막 - Google Patents

광기록용 상변화 매체로 사용되는 주기율표 제 3족 금속의질화물 박막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제 3 주기 금속의 질화물 반도체에 기초한 광저장 장치용 상변화 매체(phase change media)를 제공한다. 이들 광대역 갭을 갖는 반도체의 박막 표면은 이들 재료의 밴드갭과 동일하거나 더 큰 에너지 광자(photon)와 임계값 이상의 파워 밀도(power density)로 조사(照射)함으로써 (질소의 탈착(脫着: desorption)에 의해) 금속화될 수 있다. 이러한 기록 가능한 금속화가 이루어진 결과, 이들 재료들은 추기형(追記形: WORM) 저장 매체용으로 사용될 우수한 재료가 되는데, 그 이유는 금속과 이에 대응하는 넓은 갭을 갖는 질화물 간의 반사율의 차이가 매우 크기 때문이다. 또한, 일단 질소가 탈착되면, 기록된 금속상(metallic phase)이 더 이상 질화물상(nitride phase)으로 역변환될 수 없고 따라서 매체는 안정하며 진정한 의미의 추기형 시스템이 된다. 종래의 상변화 매체에 비해 이들 재료는 향후 5년 내에 광기록 기술에 도입될 것으로 예상되는 단파장(460 nm 이하) 레이저 다이오드에 사용할 수 있는 반사율 콘트라스트(contrast)가 큰 차이를 가지며 안정하다는 추가적인 장점들을 제공한다. 제 3족 금속의 질화물 합금의 밴드갭은 소정 범위 내의 광자 에너지를 갖는 레이저와 호환 가능하게 사용될 수 있도록 밴드갭을 연속적으로 변화시키기 위해 제 3족 금속들의 상대적인 비율을 변화시킴으로써 조정이 가능하다. 또한, 적절한 기록 파장에서 시작 단계의 흡수성이 낮고 그에 따라 투과율이 높으면 이들 재료를 다중 기록층 포맷(multiple-recording-layer format)으로 응용할 수 있는 가능성을 제공한다.

Description

광기록용 상변화 매체로 사용되는 주기율표 제 3족 금속의 질화물 박막
본 발명은 메모리 응용에 대한 광기록 매체에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 특히 추기형(追記形)(write once, read many: WORM) 광기록용 상변화(phase change) 매체로 사용되는 주기율표 제 3족 금속의 질화물을 사용하는 것에 관한 것이다.
메모리 응용에 대한 광기록에 있어서, 예를 들어 반도체 레이저로부터 집속된 빔(beam)은 적절한 재료로 된 박막(매체) 상에서 비트를 판독하고 기록한다. 기록(인코딩) 동작은 일반적으로 매체의 자기광학적 특성(magneto-optical properties)을 변화시키거나 매체의 반사율을 변화시켜 비트를 형성함으로써 행해지는데, 여기서 빔이 매체의 표면 상에서 스캐닝(주사)되어 펄스가 단속(on and off)적으로 발생됨에 따라 강도(intensity)가 변함으로써 집속된 빔에 의해 조사(照射)(irradiate)되어 가열되는 재료의 영역이 비트로 형성된다. 판독 동작의 경우 레이저 빔이 비트 상에 입사하고, 반사된 빔이 변조되는데, (광자기 기록의 경우에는) 그 편광의 변화로 변조되고 (상변화 합금, 유기 염료/고분자, 또는 용발형(溶發形)(ablative) 매체의 경우에는) 반사율의 변화로 변조된다. 본 발명은 상변화 매체에 관한 것이다.
상변화 매체는 추기형(WORM)뿐만이 아니라 소거 가능한 광저장 장치를 포함하는 응용에도 사용될 수 있다. 본 발명은 주로 WORM 시스템에 관한 것이다. 현재 사용되고 있는 통상의 WORM 재료는 텔루륨(Te) 또는 셀레늄(Se)을 기초로 한 박막으로, 이러한 박막은 반사율 변화를 일으키는 재료의 용발성(ablation)에 기초한 것이다. 또한, 반사율의 콘트라스트(contrast)를 위해 비정질에서 결정질로의 상전이(phase transition)에 의존하는 InSbSn 또는 기타 금속 합금이 사용된다. 이러한 재료들은 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 상(phases)의 재결정화(recrystallization)가 존재하기 때문에, 저장 장치의 안정성이 문제가 된다. 둘째는 Te 및 Se가 공기 중에서 불안정하며 유독성이 있다. 셋째는 이들 재료 내에서 (통상 ｜(Rw-Rs)/(Rw+Rs)｜으로 정의되며, 여기서 Rs와 Rw는 각각 시작 단계의 반사율과 기록 단계의 반사율임) 반사율의 차이 또는 신호의 콘트라스트가 겨우 20 내지 30 % 범위 내라는 점이다. 따라서, 상술한 3가지 점에 대해 개선된 성능을 제공하는 상변화 매체가 필요하다. 또한, 향후 5년 내에 더욱 짧아진 (600 nm 이하)의 파장의 반도체 주입 레이저가 고밀도 저장 장치에 도입되어 이들 레이저와 호환 가능한 상변화 매체가 필요할 것으로 예상된다.
본 발명은 제3 족 금속의 질화물 반도체에 기초하여 광저장 장치용 상변화 매체를 제공하기 위한 것이다. 이들 광대역 갭을 갖는 반도체의 박막 표면은 이들 재료의 밴드갭과 동일하거나 더 큰 에너지 광자(photon)와 임계값 이상의 파워 밀도로 조사(照射)함으로써 (질소의 탈착(脫着: desorption)에 의해) 금속화될 수 있다. 이러한 기록 가능한 금속화가 이루어진 결과, 이들 재료들은 추기형(WORM) 저장 매체용으로 사용될 수 있는 우수한 재료가 되는데, 그 이유는 금속과 이에 대응하는 넓은 갭을 갖는 질화물 간의 반사율의 차이가 매우 크기 때문이다. 또한, 일단 질소가 탈착되면, 기록된 금속상(metallic phase)이 더 이상 질화물상(nitride phase)으로 역변환될 수 없고 따라서 매체는 안정하며 진정한 의미의 추기형 시스템이 된다. 종래의 상변화 매체에 비해 이들 재료는 향후 5년 내에 광기록 기술에 도입될 것으로 예상되는 단파장(460 nm 이하) 레이저 다이오드에 사용할 수 있는 반사율 콘트라스트가 큰 차이를 가지며 안정하다는 추가적인 장점들을 제공한다. 제 3족 금속의 질화물 합금의 밴드갭은 소정 범위 내의 광자 에너지를 갖는 레이저와 호환 가능하게 사용될 수 있도록 밴드갭을 연속적으로 변화시키기 위해 제 3족 금속들의 상대적인 비율을 변화시킴으로써 조정이 가능하다. 또한, 적절한 기록 파장에서 시작 단계의 흡수성이 낮고 그에 따라 투과율이 높으면 이들 재료를 다중 기록층 포맷으로 응용할 수 있는 가능성을 제공한다.
본 발명의 상술한 장점 및 기타 장점들은 첨부 도면과 함께 다음의 설명으로부터 명확히 이해될 수 있다.
도 1은 상변화(phase change) 광저장 매체 구조의 개략적인 단면도.
도 2는 AlN 상에서 Al의 금속화된 패턴을 보여주는 수직 입사 모드에서 본 광반사의 현미경 사진(micrograph).
도 3은 금속화된 Al이 에칭된 후에 도 2의 금속화된 패턴의 표면을 가로지르는 표면 프로파일러의 추적 도면.
도 4는 InN 상에서 In의 금속화된 패턴을 보여주는 수직 입사 모드에서 본 광반사의 현미경 사진(micrograph).
도 5는 248 nm 파장에서 두께의 함수로 AlN 박막에 대해 계산된 반사율, 투과율, 및 콘트라스트를 보여주는 도면.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 본 발명의 상변화 매체를 사용하는 다층 광기록 디스크의 3가지 구조를 도시한 도면.
도 7a는 기록 레이저가 단일 파장을 가지는 경우 도 6a, 도 6b, 및 도 6c의 다층 광기록 디스크에 대한 바람직한 흡수 특성을 도시한 도면.
도 7b는 기록 레이저가 다중 파장을 가지는 경우 도 6a, 도 6b, 및 도 6c의 다층 광기록 디스크에 대한 바람직한 흡수 특성을 도시한 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
12 : 디스크
56, 62, 156, 162, 256 : 기판
58, 60 : 접착제링
78 : 공기갭
80 : 구멍
94, 96, 194, 196, 294, 296 : 매체
122 : 접착제층
222 : 스페이서층
262 : 보호 외피층
본 발명은 주기율표 상의 제 3족 금속과 질소의 질화물(예를 들어, AlN, InN 및 GaN)로 형성된 반도체에 기초한 광저장 장치용 상변화 매체를 제공한다. 예를 들어 InGaAlN과 같이 질소를 포함한 제 3족 금속의 합금은 그 밴드갭이 합금 성분을 조절하여 기록용으로 사용되는 빔의 파장과 일치되도록 정밀하게 제어되거나 조정될 수 있다는 점에서 고유한 특성을 제공하는데 유용한 것으로 확인되었다.
도 1은 AlN 상변화 매체의 구조를 개략적인 단면도로 나타낸 도면이다. 이러한 구조를 형성하기 위해, 고주파 방전에 의해 발생되는 증기화된 Al과 반응성 질소를 고진공 상태의 사파이어 기판으로 향하도록 함으로써 AlN이 사파이어 기판 상에 증착된다. 기판의 재료는 다양하게 선택될 수 있으며, 사파이어는 단지 예시적으로 사용된 것에 불과하다. 또한, 고주파 증착 기술도 예시적인 것으로 다른 증착 기술이 사용될 수도 있다. 상기의 경우 AlN 박막의 두께는 약 300 nm이다. 증착이 이루어진 다음에는 샘플을 진공 챔버에서 꺼낸 후 AlN 표면을 엑시머 레이저로부터 나오는 248 nm의 자외선광으로 조사(照射)한다. 조사에 사용되는 광은 100 내지 200 mJ/cm2의 에너지 밀도에서 짧은 나노초 펄스로 공급된다. 이러한 광의 조사에 의해 질소를 선택적(preferential)으로 탈착시키면 금속 알루미늄이 남는데 그 이유는 레이저 빔의 금속 가열 효과에 기인하는 것으로 추정된다. 조사는 광학 현미경 시스템을 통해 집속되고, 248 nm 파장의 집속된 스폿이 적절한 방법으로 표면을 스캐닝하여 비트를 기록하는데, 비트는 도 1에 도시된 바와 같은 AlN의 무반사 매트릭스(non-reflective matrix) 내에서 고반사율을 갖는 Al이 이격된 영역으로 이루어진다. AlN의 무반사(또는 반사가 적은) 매트릭스와 함께 주기적으로 분산되는 경우 이러한 반사 영역은 다수의 1과 0(또는 비트)의 형태로 인코드(저장)된 정보를 구성한다.
판독 동작은 레이저 빔을 매체의 기록 임계값보다 훨씬 더 낮은 저파워 레벨에서 스캐닝하고 Al비트와 AlN 매트릭스 사이의 반사율 변화를 검출함으로써 행해질 수 있다. 도 2는 AlN 박막 상에서 상기 프로세스에 의해 패터닝된 Al의 모양을 80배 확대한 금속 현미경으로 본 반사 모드의 광학 현미경 사진을 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 금속화된 영역의 측방향 칫수는 레이저로부터 나오는 집속된 광빔의 측방향 칫수와 거의 동일하다.
금속화 깊이 z를 결정하기 위해 Al은 왕수(aqua regia)에 의해 에칭되고, 에칭된 트렌치의 깊이는 표면 프로파일러에 의해 측정된다. 그 결과가 도 3에 도시되어 있으며, 이 경우 z값은 약 150 내지 200 nm임을 보여준다. 금속화 깊이는 광자에 대한 흡수 깊이에 의해 제한되는 것으로 믿어진다.
갭형 직접 반도체의 경우, 광자 에너지가 반도체의 밴드갭보다 작으면 흡수 계수가 거의 제로(0)에 해당되어 광투과가 일어난다. 광자 에너지가 반도체의 밴드갭과 거의 같거나 큰 경우 흡수 계수는 더 이상 거의 제로(0)에 해당되지 않아 광흡수가 일어난다. AlN 박막의 경우, 248 nm의 광자를 흡수하면 질소를 선택적으로 탈착시켜 Al을 형성한다. 일단 Al층이 형성되면, Al층의 고반사율로 인해 입사광이 반사되어 금속화 프로세스 자체가 제한된다. AlN의 밴드갭은 실온에서 6.2 eV인데 이는 200 nm의 파장을 갖는 광자의 에너지에 해당한다. 반면에, 흡수는 248 nm 혹은 이와 상응하는 5 eV에서 일어난다. 이렇게 낮은 값에서 흡수가 일어나는 것은 밴드갭 내에서 소정 상태들이 존재하고 또한 반응의 높은 비평형 특성에 기인하는 것으로 믿어진다. 강한 조사(intensive radiation)를 갖는 짧은 펄스를 입사시키면 순간적인 국부 온도 스파이크를 일으키고 그 결과 밴드갭을 낮은 에너지 상태로 전이시킨다. 또한, 광흡수가 일어나는 동안 국부 결합 구조의 무질서한 상태가 밴드의 엣지를 전이시킬 수 있다. AlN 밴드갭의 온도 의존성은 알려져 있지 않다. GaN에 대해 알려진 값인 6x10-4eV/K를 취하면, 온도를 1000 K 상승시킬 때 밴드갭은 약 0.65 eV만큼 낮아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 온도에 따른 효과가 또한 부분적으로 감소된 파장에서 흡수에 도움을 준다는 것은 충분한 근거를 갖는 것이다. 또한, 이러한 재료 시스템을 다중 기록층의 매체에 적용하기 위해서는 광투과가 최대로 이루어지도록 기록용 광자 에너지보다 약간 더 높은 밴드갭 에너지를 갖는 재료가 선택되어야 한다.
또한 InN 및 GaN 화합물에 대해서도 상기 금속화 프로세스 시험이 행해졌다. 예를 들어, 도 4는 InN 박막 상에서 금속화된 모양을 80배 확대한 광학 현미경 사진을 도시하고 있다. GaN 박막에 대해서도 유사한 결과가 얻어졌다. 따라서, InGaAlN에 의해 형성되는 연속된 일련의 합금들도 또한 유사한 금속화 거동을 나타낼 것으로 예상된다.
제 3족 금속 원소 중 단일 금속의 질화물의 밴드갭이 단일 값(예를 들어 InN의 경우는 1.9 eV, GaN의 경우는 3.4 eV, AlN의 경우는 6.2 eV임)으로 정해지지만, 질소를 갖는 이들 금속의 합금들이 합금 내 금속의 비율을 변화시킴으로써 조절(조정)될 수 있는 밴드갭을 갖는다는 사실이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에 따르면, 광학적으로 상변화를 일으키는 매체가 밴드갭의 범위 내의 임의의 위치에서 선택될 수 있는 광자 에너지와 함께 동작할 수 있는 원하는 밴드갭에 대해 그 성분이 조정될 수 있는 상기 합금으로부터 만들어질 수 있다. InGaAlN의 경우, 1.9 내지 6.2 eV 범위 내에서 변화가 가능하다. 이것이 특별히 흥미를 끄는 이유는 짧은 파장의 반도체 주입 레이저들이 조만간 광기록에 도입될 것으로 예상되며, 이들 레이저들은 2.9 eV(420 nm) 및 그 이상에 해당하는 광자 에너지를 가지게 되고, 따라서 InGaAlN 상변화 매체가 이들 레이저와 호환 가능하기 때문이다. 예를 들어, 레이저의 파장이 380 nm (또는 3.25 eV 광자 에너지)인 경우, In0.7Al 0.3N 합금이 상변화 매체로 사용될 수 있는데, 그 이유는 상기 파장이 3.25 eV의 밴드갭 에너지와 일치하기 때문이다. 탈질소화 후에 남게되는 금속은 Al및 In의 합금이다. 일반적으로, 이들 합금의 조성은 AxByC1-x-yN이며, 여기서 A, B, 및 C는 제 3족 금속 중 서로 다른 금속이고, x와 y는 0과 1 사이의 값이다.
상기 설명에서는, 흡수가 일어나 금속화가 이루어지기 위한 조건으로 금속화시키는데 질화물 반도체의 밴드갭과 거의 같거나 이보다 높은 에너지를 갖는 광자를 필요로 한다고 가정한 것이다. 상기 가정이 옳다는 것을 보여주기 위해 주파수가 3배로 증배되는 Nd:YAG 레이저로부터 나오는 355 nm의 광이 GaN 박막과 AlN 박막의 조사(irradiate)에 사용되는데 이 두 박막에 입사되는 파워는 동일한 값, 즉 200 mJ/cm2이다. GaN의 밴드갭은 3.4 eV이고, 이는 360 nm 파장을 갖는 광자에 해당한다. 따라서, 입사되는 조사 에너지는 GaN의 밴드갭에 가까운 에너지를 갖는다. 반면에, AlN의 밴드갭은 6.2 eV로, 이는 200 nm의 파장을 갖는 광자에 해당된다. 따라서, 입사광은 AlN 밴드갭보다 훨씬 낮은 에너지에 해당되어 AlN에서 흡수가 일어날 것으로 예상되지 않는다. 조사가 이루어지면, GaN의 표면이 Ga로 쉽게 금속화되는 것이 관측되지만, AlN 표면 상에서는 아무런 변화도 관측되지 않으며, 이는 예측된 것과 완전히 일치하는 것이다. 따라서, 질화물 매체의 밴드갭은 금속화를 일으키는 광자 에너지에 가깝거나 또는 그 이하의 값을 갖는다.
본 발명의 질화물을 기초로 한 매체는 종래의 상변화 매체에 비해 여러 가지 장점을 갖는다. 첫째, 반사율의 변화가 금속-질화물에서 금속으로 변할 때의 화학적 특성 변화에 좌우된다. 이러한 변화는 재결정화의 가능성이 항상 존재하는 결정 상태에서 무정질 상태로 또는 그 반대로 전환하는 종래에 사용된 상변화 매체와는 대조적으로, 훨씬 더 확실하고 안정적으로 일어나며 완전히 비가역적이다. 따라서, 본 발명의 재료 시스템은 WORM 응용의 경우 매우 효과적이다. AlN의 경우, 금속화된 Al이 공기 중에서 약 2개월간 눈으로 관측한 결과 안정한 상태와 밝기가 유지되었으며 이것은 Al이 매우 얇은(자체 한계를 갖는) 산화 알루미늄의 박막에 의해 보호되어 파장이 180 nm의 짧은 값까지 내려가더라도 투명성을 유지하기 때문인 것으로 예측된다.
둘째, 수직 입사되는 조사에 대해 20 nm 두께를 갖는 Al박막의 반사율이 200 내지 700 nm 범위의 파장을 갖는 광자에 대해 약 80 %이다. AlN의 경우, 반사율은 20 nm 두께의 박막에 대해 약 28 %이고 이는 Al/AlN 시스템에 대한 콘트라스트의 계산값이 제 5도에 예시된 바와 같이 약 48 %에 해당된다. 이러한 높은 신호 콘트라스트 값은 상기 본 발명의 재료 시스템에 대한 양호한 신호 대 잡음비를 제공하는 것으로 신호 콘트라스트가 통상 20 내지 30 % 범위를 가지는 종래의 상변화 매체에서 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 값이다.
세 번째로, 상기 기술한 질화물 반도체는 경질(硬質)이고, 화학적으로 비활성이며, 독성이 없다. 질화물 반도체는 공기중에서 열화되며 유독한 종래의 Se 및 Te를 기초로 한 상변화 매체에 비해 훨씬 더 강한 물리적인 특성을 갖는다.
앞에서 언급한 바와 같이, 기록 또는 금속화 작업에 필요한 에너지 밀도는 약 100 mJ/cm2이고, 펄스폭은 약 10-9초이다. 따라서, 파워 요건은 약 1x108W/cm2이다. 예를 들어 400 nm 파장에서 광기록을 하는 경우, (개구수가 0.5인 집속 렌즈를 사용하여) 집속된 스폿의 직경은 약 400 nm로 회절이 제한된다(즉, 스폿 면적이 1.2x10-9cm2이다). 이것은 약 125 mW의 레이저를 필요로 하며, 파워가 연속(cw) 모드가 아닌 펄스 모드로 공급되어야 한다. 또한, 앞에서 언급한 바와 같이, 이러한 파워 레벨은 약 150 nm 두께의 AlN 박막으로부터 질소를 탈착시킨다. 광저장 매체에서의 실제 응용의 경우 15 nm 두께도 충분한 값이다. 15 nm에서, 질소를 탈착시키는데 필요한 에너지는 훨씬 더 작을 것으로 예상된다. 따라서, 입사 파워 레벨이 낮아지면 약 25 내지 30 mW에서도 광자 펄스를 생성할 수 있다.
상술한 (InGaAl)N 시스템은 또한 다중층 WORM 응용에 사용될 수 있다. 다중층 응용에서, 광디스크는 레이저 광이 입사되는 광투과 기판을 갖는다. 기판은 적어도 공간적으로 이격된 2개의 활성 기록 매체를 지지한다. 드라이브 내에서 스핀들 샤프트 상에 장착시키기 위한 구멍 (80)을 갖는 기판은 각각의 기록 매체가 개별 기판 상에 지지되는(도 6a) 공기갭(air-gap) 구조 또는 광투과 고체 스페이서층이 기록 매체를 분리시키는(도 6b 및 도 6c) 고체 구조(solid structure) 중 어느 하나가 될 수 있다. 도 6a에서, 판독/기록 레이저 빔은 투과성 기판 (56)을 통과해 디스크 (12) 상으로 입사된다. 레이저 빔의 초점은 활성 매체(도 6a에서는 (94) 및 (96)) 중의 하나를 어드레스하도록 조정될 수 있다. 매체 (94)에 초점이 형성되는 경우 매체 (96)에서는 초점이 형성되지 않으므로 이들 2개의 기록 매체 간의 이격 거리(도 6a의 경우 공기갭 (78))이 약 10 미크론 이상인 경우 매체 (96)의 층에서의 크로스토크(cross-talk)가 최소화된다. 반대로, 만일 빔이 매체 (6) 상에 초점을 가지는 경우에는 매체 (94)를 통과하여 진행하는 광은 필요한 초점이 충분히 형성되지 않아 매체 (96)으로부터 검출되는 동적 신호(dynamic signal)에 영향을 미치지 않는다.
디스크 (12)는 2개의 개별 기판 (56) 및 (62) 각각 상에 활성 매체 (94) 및 (96)을 증착시켜 층/기판 쌍을 형성함으로써 만들어질 수 있다. 그 후, 활성 매체가 외부 및 내부 이격 접착제링 (58) 및 (60)을 사용하여 공기갭 (78)을 형성하도록 마주보는 상태로 2개의 기판이 함께 장착(적층)될 수 있다. 대안적으로는, 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같은 고체 구조가 형성될 수 있다. 도 6b에서, 활성 매체 (194) 및 (196)은 2개의 개별 기판 (156) 및 (162) 상에 각각 증착될 수 있다. 그 후, 활성 매체가 판독/기록 빔을 투과시키는 접착제층 (122)을 사용하여 마주보는 상태로 2개의 기판이 함께 장착될 수 있다. 통일성을 기하기 위해 투과성 접착제층은 매체 (194) 상에서 스핀-코팅(spin-coat)되어 매체 (196)과 면대면(面對面)(face-to-face) 결합이 이루어질 수 있거나, 그렇지 않으면 적층 형태로 형성될 수 있다. 또 다른 방법이 도 6c에 도시되어 있다. 도 6c의 경우, 활성 기록 매체 (294)는 투과성 기판 (256) 상에 장착된다. 그 후, 투과성 스페이서층 (222)가 매체 (294) 상에 증착된다. 제 2 기록 매체 (296)이 스페이서층 (222) 상에 증착될 수 있다. 그 다음으로 최상부 매체 (296) 상에 보호 외피층 (262)을 증착시킨다.
상술한 다중층 디스크를 어드레스하는 2가지 방법이 있다. 그 중 하나는 단일 파장 레이저원을 사용하는 것이고, 다른 하나는 다중 파장 레이저원(예를 들어 상이한 파장을 갖는 2개의 개별 레이저 다이오드)을 사용하는 것이다. 단일 파장 레이저원을 사용하는 첫 번째 방법에서는, 충분한 양의 광자가 충분히 큰 신호 대 잡음비로 판독 및 기록하기 위한 제 2층(매체 (96))을 통과하여 도달하도록 하기 위해서는 광원에 가장 가까운 기록층(예를 들어, 매체 (94))가 반투명해야 한다. 그러나, 매체 (94)는 완전히 투명하지는 않아야 하는데, 그 이유는 매체 (94)가 적정한 입사 레이저 파워 레벨에서 위상을 변화시킬 수 있도록 충분한 흡수를 가질 필요가 있기 때문이다. 따라서, 매체 (94) 및 (96)의 흡수 및 투과는 상기 조건을 충족시키도록 설계될 것이 요구된다. 층 (94)의 바람직한 투과량의 범위는 40 % 내지 80 % 사이 값을 가져야 한다. 입사광의 일부만이 층 (94)를 통과하여 층 (96)에 도달할 수 있기 때문에 민감한 기록 매체를 갖도록 하기 위해서는 층 (96)은 가능한 한 높은 흡수값을 가져야 한다. 층 (96)은 디스크 (12)의 마지막 기록층이기 때문에, 매체 (96)의 투과 문제가 중요한 요소는 아니다. 매체 (94) 및 (96)의 바람직한 흡수 특성이 도 7a에 개략적으로 예시되어 있다. 기록 파장 λ1에서, 매체 (94)의 경우 흡수는 작은(점선 곡선) 반면, 매체 (96)의 경우 흡수는 매우 크다(실선). AxByC1-x-yN으로 된 재료 시스템은 이러한 응용, 특히 원하는 층의 수가 2를 초과하는 경우에 특별히 이상적인데, 그 이유는 각 개별 기록 매체의 밴드갭 및 그에 따른 흡수가 조성을 변화시킴으로써 조정되고 제어될 수 있기 때문이다.
다중 매체 파장을 사용하는 두 번째 방법에서는, 매체 (94)의 밴드갭이 매체 (96)의 밴드갭보다 더 큰 값을 가져야 한다. 파장 λ1을 갖는 기록 레이저를 매체 (94)를 판독 및 기록하는데 사용된다. 파장 λ2(λ2λ1)를 갖는 제 2 기록 레이저가 매체 (96) 상에 판독 및 기록하는데 사용된다. 이것은 도 7b에 개략적으로 도시되어 있다. λ2λ1이므로, 제 2 레이저로부터 나오는 광자는 섭동(perturbation)이 없이 매체 (94)를 통과할 수 있으며, 매체 (96)을 자유롭게 어드레스할 수 있다. λ1에서 제 1 레이저는 매체 (94)만을 어드레스하도록 제한된다. 이것은 빔이 매체 (96) 상에 초점을 형성하지 못하도록 제 1 레이저의 초점 렌즈의 운동을 제한함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 매체 (94)는 λ1에서 매우 강한 흡수 특성을 가지기 때문에 투과는 상대적으로 작은 값을 가져야 하며, 따라서 λ1에서 매체 (94)를 통과하는 광자의 양은 최소값을 가져야 한다.
본 발명의 제3 족 금속의 질화물 반도체에 기초한 광저장 장치용 상변화 매체는 반도체의 박막 표면의 질소의 탈착(脫着)에 의해 금속화되어, 추기형(WORM) 저장 매체용으로 사용될 우수한 재료로 사용될 수 있다. 또한, 일단 질소가 탈착되면, 기록된 금속상(metallic phase)이 더 이상 질화물상(nitride phase)으로 역변환될 수 없으므로 본 발명의 상변화 매체는 안정한 추기형 시스템을 제공한다.
본 발명이 바람직한 실시예 및 대안적인 실시예로 기술되어 있지만, 본 발명의 범위와 정신을 벗어남이 없이 본 발명에 대한 다수의 변형이 이루어질 수 있음을 본 발명 기술 분야의 당업자들은 이해할 것이다. 예를 들어, 집속된 전자빔과 같은 기타 다른 빔 수단이 기록을 위해 적절히 사용될 수 있다. 또한, 하나의 레이저는 기록하는데 사용되고 다른 하나는 판독하는데 사용되거나, 또는 기록용으로 하나의 빔 수단을 사용하고 판독용으로는 다른 형태의 빔 수단을 사용하는 것이 효과적일 수 있다는 점에서 기록용으로 사용되는 레이저 또는 빔 수단과 동일한 레이저 또는 빔 수단이 반드시 판독용으로 사용될 필요는 없다. 또한, 본 발명은 WORM 응용과 관련하여 기술되었지만, 나중에 다수의 판독 전용 디스크를 생산하는데 사용되는 마스터 디스크 상에 한 번만 기록하는 경우에도 적용될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 변경들도 첨부되는 청구범위 내에 포함된다.

Claims (44)

  1. 광기록 매체(optical recording medium)에 있어서,
    기판 상에 위치하는 MN―여기서 M은 제 3족 금속에서 선택되며, N은 질소임―의 조성을 갖는 금속 질화물로 된 박막으로 구성되는 광기록 매체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 M이 알루미늄, 갈륨, 및 인듐으로 이루어진 군에서 선택되는 금속인 광기록 매체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판이 사파이어인 광기록 매체.
  4. 광기록 매체( optical recording medium)에 있어서,
    기판 상에 위치하는 AxByC1-x-yN―여기서 A, B, 및 C는 제 3족의 금속 중 서로 다른 금속이고, x 및 y는 0과 1 사이의 값을 가지며, N은 질소임―의 조성을 갖는 금속 합금으로 된 박막으로 구성되는 광기록 매체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 A는 인듐이고, B는 갈륨이며, C는 알루미늄인 광기록 매체.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 기판이 사파이어인 광기록 매체.
  7. 정보 처리 시스템에 있어서,
    a) 기판 상에 위치하는 MN―여기서 M은 제 3족 금속에서 선택되며, N은 질 소임―의 조성을 갖는 금속 질화물로 된 박막으로 구성되는 광기록 매체;
    b) 상기 매체의 개별 영역을 금속 질화물로 선택적으로 변환하여 금속 질화 물 매트릭스 내에 매립되는 고반사율의 금속화된 영역―여기서 금속화된 영역 및 매트릭스 영역은 인코드된 정보를 구성함―을 형성하기 위해 상 기 매체의 영역을 선택적으로 조사(irradiate)하기 위한 빔 수단; 및
    c) 상기 매체의 표면을 가로질러 상기 빔 수단을 스캐닝하기 위한 수단
    을 포함하는 정보 처리 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 조사가 국부화된 가열 효과를 생성하는 정보 처리 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 금속화된 영역의 측방향 칫수가 상기 빔의 칫수와 거의 동일한(comparable) 정보 처리 시스템.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 빔 수단이 레이저인 정보 처리 시스템.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 인코드용 빔의 에너지 밀도가 약 100 mJ/cm2정도이고, 상기 빔이 수 나노초(nanosecond)의 펄스 시간을 갖는 펄스 모드로 공급되는 정보 처리 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 집속된 빔의 직경이 대략 빔의 파장과 동일한 정보 처리 시스템.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 빔의 파장이 200 nm 내지 650 nm 범위 내에 있는 정보 처리 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 정보를 인코드하는데 사용되는 레이저가 MN 매체의 밴드갭 에너지와 거의 동일하거나 또는 그 이상의 에너지를 갖는 파장의 광을 방출하는 정보 처리 시스템.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 금속 질화물층의 두께가 약 10 nm 내지 300 nm 범위 내에 있는 정보 처리 시스템.
  16. 제 7항에 있어서,
    상기 금속화된 영역의 두께가 약 200 nm 이하인 정보 처리 시스템.
  17. 제 7항에 있어서,
    상기 빔 수단이 상기 정보를 판독하는 경우에도 사용되는 정보 처리 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 빔 수단이 레이저이고, 상기 인코드된 정보가 상기 레이저로부터 나오는 빔을 상기 매체를 가로질러 주사(rastering)하여 고반사율 금속 영역과 저반사율 금속 질화물 영역 간의 반사율 변화를 검출함으로써 판독되는 정보 처리 시스템.
  19. 제 7항에 있어서,
    상기 정보를 판독하기 위한 추가 빔 수단을 추가로 포함하는 정보 처리 시스템.
  20. 정보 처리 시스템에 있어서,
    a) 기판 상에 위치하는 AxByC1-x-yN―여기서 A, B, 및 C는 제 3족의 금속 중 서로 다른 금속이고, x 및 y는 0과 1 사이의 값을 가지며, N은 질소임― 의 조성을 갖는 금속 합금으로 된 박막으로 구성되는 광기록 매체;
    b) 상기 매체의 개별 영역을 금속 질화물로 선택적으로 변환하여 금속 질화 물 매트릭스 내에 매립되는 고반사율의 금속화된 영역―여기서 금속화된 영역 및 매트릭스 영역은 인코드된 정보를 구성함―을 형성하기 위해 상 기 매체의 영역을 선택적으로 조사(irradiate)하기 위한 빔 수단; 및
    c) 상기 매체의 표면을 가로질러 상기 빔 수단을 스캐닝하기 위한 수단
    을 포함하는 정보 처리 시스템.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 조사가 국부화된 가열 효과를 생성하는 정보 처리 시스템.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 금속화된 영역의 측방향 칫수가 상기 빔의 칫수와 거의 동일한(comparable) 정보 처리 시스템.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 빔 수단이 레이저인 정보 처리 시스템.
  24. 제 20항에 있어서,
    상기 인코드에 필요한 빔의 에너지 밀도가 약 100 mJ/cm2정도이고, 상기 빔이 수 나노초(nanosecond)의 펄스 시간을 갖는 펄스 모드로 공급되는 정보 처리 시스템.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 집속된 빔의 직경이 대략 빔의 파장과 동일한 정보 처리 시스템.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 광의 파장이 200 nm 내지 650 nm 범위 내에 있는 정보 처리 시스템.
  27. 제 23항에 있어서,
    상기 정보를 인코드하는데 사용되는 레이저는 200 nm 내지 650 nm 범위의 파장을 갖는 광을 방출하고, 상기 기록 매체의 갈륨, 알루미늄, 및 인듐의 조성은 Al xGayIn1-x-yN 매체가 상기 레이저의 광자 에너지와 거의 동일한 밴드갭을 갖도록 조정되는 정보 처리 시스템.
  28. 제 20항에 있어서,
    상기 금속 질화물층의 두께가 약 10 nm 내지 300 nm 범위 내에 있는 정보 처리 시스템.
  29. 제 20항에 있어서,
    상기 금속화된 영역의 두께가 약 200 nm 이하인 정보 처리 시스템.
  30. 제 20항에 있어서,
    상기 빔 수단이 상기 정보를 판독하는 경우에도 사용되는 정보 처리 시스템.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 빔 수단이 레이저이고, 상기 저장된 정보가 상기 레이저로부터 나오는 빔을 상기 매체를 가로질러 주사(rastering)하여 고반사율 금속 영역과 저반사율 금속 질화물 영역 간의 반사율 변화를 검출함으로써 판독되는 정보 처리 시스템.
  32. 제 20항에 있어서,
    상기 정보를 판독하기 위한 추가 빔 수단을 추가로 포함하는 정보 처리 시스템.
  33. 다중층 광기록 디스크(multiple-layer optical recording disk)에 있어서,
    MN―여기서 M은 제 3족 금속에서 선택되며, N은 질소임―의 조성을 갖는 금속 질화물로 된 박막으로 구성되는 광기록 매체의 층을 복수개 포함하는 다중층 광기록 디스크.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 각 층은 기판 상에 위치하며, 상기 층/기판 쌍은 그 층과 기판 사이에 공기갭을 가지면서 적층되는 다중층 광기록 디스크.
  35. 제 33항에 있어서,
    상기 각 층은 기판 상에 위치하며, 상기 층/기판 쌍은 그 층과 기판 사이에 투과성 접착제층을 가지면서 적층되는 다중층 광기록 디스크.
  36. 제 33항에 있어서,
    제 1층은 기판 상에 위치하며, 나머지 연속된 각 층은 층과 층 사이에 투과성 재료로 된 층을 가지면서 적층되는 다중층 광기록 디스크.
  37. 제 36항에 있어서,
    최상부층 상에 보호 재료로 된 최종층을 추가로 포함하는 다중층 광기록 디스크.
  38. 제 33항에 있어서,
    상기 광기록 매체의 각 층이 서로 상이한 조성을 갖는 다중층 광기록 디스크.
  39. 다중층 광기록 디스크(multiple-layer optical recording disk)에 있어서,
    AxByC1-x-yN―여기서 A, B, 및 C는 제 3족의 금속 중 서로 다른 금속이고, x 및 y는 0과 1 사이의 값을 가지며, N은 질소임―의 조성을 갖는 금속 합금으로 된 박막으로 구성되는 광기록 매체의 층을 복수개 포함하는 다중층 광기록 디스크.
  40. 제 39항에 있어서,
    상기 각 층은 기판 상에 위치하며, 상기 층/기판 쌍은 그 층과 기판 사이에 공기갭을 가지면서 적층되는 다중층 광기록 디스크.
  41. 제 39항에 있어서,
    상기 각 층은 기판 상에 위치하며, 상기 층/기판 쌍은 그 층과 기판 사이에 투과성 접착제층을 가지면서 적층되는 다중층 광기록 디스크.
  42. 제 39항에 있어서,
    제 1층은 기판 상에 위치하며, 나머지 연속된 각 층은 층과 층 사이에 투과성 재료로 된 층을 가지면서 적층되는 다중층 광기록 디스크.
  43. 제 42항에 있어서,
    최상부층 상에 보호 재료로 된 최종층을 추가로 포함하는 다중층 광기록 디스크.
  44. 제 39항에 있어서,
    상기 광기록 매체의 각 층이 서로 상이한 조성을 갖는 다중층 광기록 디스크.
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