(57)【要約】【課題】近接場光を利用することで高密度な記録情報の記録や再生を可能とする情報記録再生装置を提供することを目的とする。【解決手段】近接場光を発生するアンテナ１として、半導体基板４上に設けられた層構造（第１の層２及び第２の層３）のアンテナ１を用いる。光又は熱により変化する材料とアンテナ１から発生される近接場光との相互作用の程度を、半導体基板４内部での近接場光の強度変化に対応する信号により検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射される光に対し透過性を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、前記光源から出射される光が照射されて近接場光を発生する層構造のアンテナと、
光又は熱により変化する情報記録材料と前記アンテナから発生される近接場光との相互作用の程度を前記半導体基板内部での近接場光の強度変化によって検出する信号検出部と、を備える
情報記録再生装置。
【請求項２】
前記アンテナが、２種以上の金属より成る層構造とされる請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項３】
前記アンテナが、前記光源から出射される光の波長に対し共鳴を起こす金属から成る層を含む請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項４】
前記アンテナの各層が、異なる波長に対応して、それぞれの共鳴状態を起こす２種の金属から構成される請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項５】
前記アンテナが、Ｐｔ，Ｍｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ａｇのうちいずれか一種から成る層を含む請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項６】
前記アンテナが、ＡｕとＡｌの層構造により構成される請求項５記載の情報記録再生装置。
【請求項７】
前記光源から出射される光の波長が、前記半導体基板の材料のバンドギャップ・エネルギーに対し、略２分の１以上の光子エネルギーに対応する波長とされる請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項８】
前記信号検出部が、前記近接場光が発生する際に前記半導体基板に生ずる光電流を検出する電流検出部である請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項９】
前記半導体基板が、ＳｉＣ，ＡｌＰ，ＺｎＯ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＧａＮ，ＴｉＯ２のいずれか一種から成る請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１０】
前記光源が、３４４ｎｍ以上９９２ｎｍ以下の波長帯域のいずれかの波長の光を出射光に含む光源とされる請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１１】
前記電流検出部の高さが、前記アンテナの高さより小さく形成される請求項８記載の情報記録再生装置。
【請求項１２】
前記半導体基板の前記光源からの光を照射する面に、前記アンテナの形状に対応する開口を有する遮光部が設けられる請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１３】
半導体基板上に形成された層構造を成すアンテナに対し、光源からの光を照射して分極の局所集中を生じさせ、前記アンテナの表面側と、前記半導体基板側内部とに近接場光を発生し、
前記アンテナに対向して、光又は熱により変化する材料を有する媒体を配置して、
前記材料と前記アンテナから発生する近接場光との相互作用の程度を、前記半導体基板側内部での近接場光の強度変化に対応する信号により検出する
近接場光検出方法。
【請求項１４】
前記媒体の材料が、無機物の微粒子から成る請求項１３に記載の近接場光検出方法。
【請求項１５】
前記無機物の微粒子が、相変化材料から成る請求項１４に記載の近接場光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光による分極の局所集中によって近接場光を発生するアンテナを利用する情報記録再生装置及び近接場光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクの高記録密度化は、集光レンズの高ＮＡ化、短波長化による集光スポット径低減により実現されていたが、光の回折限界によりスポット径の低減には限界がある。ソリッドイマージョンレンズ（ＳＩＬ）等のいわゆる近接場光用レンズを用いても、スポット径は１００ｎｍ程度までしか低減されないと考えられている。
【０００３】
２０１２年頃には、ハードディスクにおいて面記録密度１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２が実現されると予想されているが、これと同等の記録密度を光ディスクで実現するには、スポット径を２０ｎｍ以下にする必要がある。さらなるスポット径の低減を図るため、プラズモン共鳴現象による局所的な光スポット形成を利用した研究・開発が活発になされている（例えば特許文献１参照）。この局所光スポットを例えば相変化型媒体に適応することで、相変化型光記録方式の高密度化が期待される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２３９８９号公報
【非特許文献１】F. Zenhausern, et al. "Apertureless near-field optical microscope", Appl. Phys. Lett., 65(13), 1994
【非特許文献２】Y. Martin, et al. "Optical data storage read out at 256 Gbits/inch2", Appl. Phys. Lett., 71(1), 1997
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１ではアンテナ式のプローバが記載されており、他にプローバとしては開口式等の構造が提案されている。しかしながら、その光利用効率は開口式の場合、１×１０−４と極端に小さい。アンテナ式等においても、散乱光検出手段がプローバを支持する基板に設けられる場合、媒体の相変化を検知する近接場が遠方場に埋もれてしまうことから、Ｓ／Ｎ比が十分得られないという問題が生じる。
【０００６】
また、例えば試料に照射された観測光を、試料外の部分に照射された参照光と比較しその位相差により近接場光を検出する手段等が提案されている（上記非特許文献１及び２参照）。しかしながらこの方法においては、光学系が複雑になってしまうという問題がある。また、検出信号がわずかな位相差で与えられるために例えばロックインアンプ等にて検波する必要があり、検出速度（転送速度）の観点から、実用的な情報記録再生方式に採用することは難しい。これらのことからわかるように、近接場光を直接的かつ高効率に利用して記録を行う方式や、また高効率で検出する再生方式は確立されておらず、その実現が望まれている。
【０００７】
以上の問題に鑑みて、本発明は、近接場光を利用することで高密度な記録情報の記録や再生を可能とする情報記録再生装置、また試料表面のより微細な状態を検出することが可能となる新規な近接場光検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、近接場光を発生するアンテナとして、半導体基板上に設けられた層構造のアンテナを用いるものとする。そして、光又は熱により変化する材料とアンテナから発生される近接場光との相互作用の程度を、半導体基板内部での近接場光の強度変化に対応する信号により検出する。
【０００９】
近接場発生機構となるアンテナを半導体基板に設ける構成とすることで、近接場光による光電流を発生し、これにより近接場光の強度の変化を検出することができる。これは共鳴によってアンテナと半導体基板との界面に発生する強力な近接場光によって、半導体基板の内部でエレクトロン・ホールペアを形成し、それによる電極間の電流誘起を促して、この電流を検知するものである。しかしながらアンテナの支持基板として半導体基板を用いる場合、その材料によっては可視光域における屈折率が比較的大きいこと、また分極が高いことから、プラズモン共鳴時に発生する近接場光の多くがアンテナと半導体基板との界面付近に集中してしまう。
【００１０】
これに対し、上述したように半導体基板上に形成するアンテナを層構造とすることによって、媒体や試料側、すなわちアンテナ表面側における近接場光強度と、半導体基板側内部における近接場光強度を調整することが可能となる。例えば媒体等と対向する表面側の層に使用波長に対してプラズモン共鳴を起こすような金属を用いて、且つ、半導体基板側の層として異なる金属を選択してアンテナを構成する場合、表面側の層では例えば記録に十分な強度の近接場光を発生することが可能となる。更に半導体基板とアンテナの基板側の層との界面にも十分な強度の近接場光を発生することができる。これによって、媒体等に記録を行なう機構と、近接場光を直接的に検出する再生機構とを同時に備えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、近接場光を利用することで高密度な記録情報の記録や再生が可能となる。またこれを利用して、試料表面のより微細な状態を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明を実施するための最良の形態（実施の形態とする）の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。次の順序で説明する。
〔１〕第1の実施の形態
（１）アンテナを含む近接場光発生部の構成
（２）アンテナ及び電極の材料
（３）アンテナ及び電極の平面形状
（４）光源
（５）半導体基板材料
（６）情報記録材料
〔２〕第２の実施の形態（光入射方向の変形例）
〔３〕第３の実施の形態（アンテナ平面形状の変形例）
〔４〕第４の実施の形態（アンテナ及び電極構造の変形例）
〔５〕第５の実施の形態（アンテナ及び電極構造の変形例）
〔６〕第６の実施の形態（情報記録材料の変形例）
〔７〕第７の実施の形態（遮光部を設ける変形例）
〔８〕第８の実施の形態（下地層を設ける変形例）
〔９〕第９の実施の形態（パッドを設ける変形例）
〔１０〕第１０の実施の形態（電極に保護層を設ける変形例）
〔１１〕第１１の実施の形態（情報記録媒体の構成）
〔１２〕第１２の実施の形態（情報記録再生装置の構成）
〔１３〕解析例
【００１３】
１．第1の実施の形態
（１）アンテナを含む近接場光発生部の構成
図１は、本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部である近接場光発生部１０の概略断面構成図である。図１に示すように、この近接場光発生部１０は、アンテナ１、半導体基板４及び電極５を備える。アンテナ１は、半導体基板４上に、上側の第１の層２と下側（半導体基板４側）の第２の層３とが積層されて構成される。また、半導体基板４上の、アンテナ１の近傍に電極５が設けられる。そしてアンテナ１及び電極５に、信号検出部として電流検出部６が接続される。なお、アンテナ１及び電極５間には図示しないが電圧印加機構が接続される。図１においては、光ディスク等の媒体２００がアンテナ１の第１の層２と対向して配置される状態を示す。
【００１４】
（２）アンテナ及び電極の材料
ここでアンテナ１を構成する各層２及び３の材料としては、使用する光源（図示せず）の波長に対して十分な共鳴が得られる金属を用いる。このような材料としては、Ｐｔ，Ｍｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ａｇのうちいずれか一種から成る材料を用いることが望ましい。これらの材料を用いて、また後述するように半導体基板４の材料、入射光Ｌｉの偏光方向、特に電場振動方向を適切に選定することで、入射光Ｌｉの照射時に、第１の層２の電極５側の表面端部の近接場光発生位置１ａ近傍で近接場光が発生する。更に、第２の層３の電極５側の半導体基板４側界面端部の近接場光発生位置１ｂ近傍でも近接場光が発生する。
【００１５】
また電極５の材料としては、金属等の導電性を有する材料であればよく、アンテナ１と同じ材料でも異なる材料でもよい。なお、半導体基板４の材料については後述する。
【００１６】
（３）アンテナ及び電極の平面形状
図２は、アンテナ１及び電極５の平面形状の一例を示す平面図である。この例においては、アンテナ１を平面ほぼ三角形状とする場合で、各頂点が丸みを帯びた形状とされ、一つの頂点が電極５側に対向する配置とされる。この場合、電極５と対向する側の頂点を近接場光発生位置（１ａ，１ｂ）とし、その対辺に向かう方向を、入射光Ｌｉの電場振動方向ｐに沿う方向（長手方向）とする。そしてこの方向に沿うアンテナ１の長さを、表面プラズモンが発生する共鳴条件に合わせて選定して構成する。電極５は一例として棒状とし、両端部が丸みを帯びた形状とする場合を示す。アンテナ１及び電極５の平面形状は図２に示す例に限定されるものではなく、それぞれがアンテナ１に発生する近接場光の強度が抑制されない形状であればよく、近接場光強度が増強される形状であればより望ましい。図２に示すように近接場光スポットを形成しようとする位置１ａ（１ｂ）に向かって先鋭化する形状とする場合は、近接場光強度が増強されるので望ましい。その他例えば、電極５をアンテナ１の先端の位置１ａに対向して配置するのみでなく、アンテナ１の長手方向に沿う辺に対向して、すなわちアンテナ１の長手方向と平行に電極５を配置してもよい。また、電極５がアンテナ１を取り巻く形状であってもよい。このように、アンテナ１の形状は、近接場光強度がより増強される形状を適宜選択すればよい。更に、アンテナ１は半導体基板４に設けられた段差に跨って形成されていてもよい。この場合は、近接場光スポットを形成しようとする位置１ａ（１ｂ）が媒体２００に近接するように配置し、逆にアンテナ１の近接場光発生位置でない端部が媒体２００から離間するように配置することが望ましい。このように、近接場光スポットを発生する位置１ａを他の部分よりも媒体２００に近接させることで、媒体２００の目的とするトラック位置のみに効率よく近接場光を照射することが可能となる。
【００１７】
（４）光源
半導体基板４を介してアンテナ１に光Ｌｉを照射する光源（図示せず）としては、偏光を有する光を出射するものとし、その波長は、アンテナ１の上層部である第１の層２が単体でプラズモン共鳴を起こすようにその形状及び材質に合わせて選択される。適切に波長を選択し、またその電場振動方向を、アンテナ１に対して上述した方向となるように、光源からアンテナ１に至る光学系を構成する。そしてこの光源から、半導体基板４を介してアンテナ１に光を照射することで、アンテナ１の第１の層２の表面における電極５側端部の位置１ａに、記録等に十分な強度の近接場光を発生させることができる。またこのとき、アンテナ１の第２の層３における電極５側端部の位置１ｂにおいても、近接場光が発生する。この近接場光の強度は、アンテナ１の各層２及び３の材料と、光源から出射される光の波長との関係で調整することができる。すなわち各層２及び３の材料を異なる材料より構成することによって、使用波長の選択で所望の近接場光強度となるアンテナ１を構成することが可能となる。なお、アンテナ１の各層２及び３の材料と波長との具体的な組み合わせの例については、後段の〔１２〕解析例の項目において詳細に説明する。
【００１８】
（５）半導体基板材料
次に、半導体基板４の材料について説明する。半導体基板４は、使用する光源の波長に対して十分透過性を有する材料を用いる。そして更に、アンテナ１に照射される入射光Ｌｉの光子エネルギーに対して略２倍のバンドギャップを有する材料より構成することが望ましい。つまり、半導体基板４の材料のバンドギャップ・エネルギーに対して、アンテナ１に照射される入射光Ｌｉの光子エネルギーが略２分の１以上となるように選定する。
更に、入射光Ｌｉの光子エネルギーが、半導体基板４の材料のバンドギャップ・エネルギー以下となるように選定する。このような材料の半導体基板４を用いることで、２光子吸収現象を利用することができる。
【００１９】
具体的には、半導体基板４の材料としては、ＳｉＣ，ＡｌＰ，ＺｎＯ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＧａＮ，ＴｉＯ２のいずれか一種から選択することが望ましい。これらの材料のバンドギャップは下記の通りである。
【００２０】
ＳｉＣ：３．０ｅＶ
ＡｌＰ：２．５ｅＶ
ＺｎＯ：３．２ｅＶ
ＺｎＳ：３．６ｅＶ
ＺｎＳｅ：２．６ｅＶ
ＧａＮ：３．４ｅＶ
ＴｉＯ２：３．０ｅＶ
【００２１】
このバンドギャップの範囲に対応した略２分の１以上の光子エネルギーで、且つバンドギャップ以下となる波長帯域は３４４ｎｍ〜９９２ｎｍとなり、この範囲の波長であれば上述した波長の条件を満足する。
例えば中心波長４００ｎｍの光源を用いる場合、その光子エネルギーは３．１ｅＶ程度に換算される。したがって、上記材料のうちバンドギャップが最大のＺｎＳを用いる場合、光子エネルギーはバンドギャップ・エネルギーの２分の１以上であり、またバンドギャップ・エネルギー以下となる。半導体基板４としてＧａＮを用いる場合はバンドギャップ・エネルギーが３．４ｅＶであり、同様にバンドギャップ・エネルギーの２分の１以下で、且つバンドギャップ・エネルギー以下となる条件を満たすこととなる。
したがって、上記の半導体基板４の材料を用いる場合に適用できる光源としては、３４４ｎｍ以上９９２ｎｍ以下の波長帯域のうち、いずれかの波長、又は所定範囲の波長の光を出射光に含む光源であればよい。例えば、出射光の中心波長が３４０ｎｍである光源において、３４４ｎｍ以上の波長の光が出射光にある程度含まれていれば、例えば半導体基板４の材料としてＺｎＳ（バンドギャップ３．６ｅＶ）を用いる場合に利用可能である。同様に、出射光の中心波長が１０００ｎｍである光源において、９９２ｎｍ以下の波長の光が出射光にある程度含まれていれば、半導体基板４の材料としてＡｌＰ（バンドギャップ２．５ｅＶ）を用いる場合に利用可能となる。したがって、光源としては出射光の中心波長が３４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の光源を用いることが望ましい。
【００２２】
このような材料の半導体基板４を用い、またアンテナ１の材料及び形状と適合する光源を用いることで、共鳴によりアンテナ１と半導体基板４との界面近傍の位置１ｂにおいて強い近接場光を発生し、光密度（エネルギー密度）が十分高い状態を作ることができる。このとき、強いエネルギー密度の領域において２光子吸収現象が起こり、上述したようにエレクトロン・ホールペアの発生に伴い光電流が発生する。電流検出部６においてこのとき発生する光電流を検出することにより、この場合の近接場光強度に対応する信号を検出することが可能となる。
【００２３】
なお、上述したように、半導体基板４の材料として例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯを用いる場合、可視光域においてこれらの屈折率は概ね２以上であり、更にその分極の高さゆえ、プラズモン共鳴時の近接場光の多くが界面付近の位置１ｂに集中してしまう。アンテナ１が単一の層構成である場合、表面側で発生する近接場光と基板界面側で発生する近接場光の強度比に差が生まれ、界面側が強くなってしまう。このため、例えば記録時に、基板界面側での近接場光強度上昇による不必要なアンテナ昇温や、記録の非効率化など、記録特性の不安定性が生じることが考えられる。
【００２４】
これに対し、本実施の形態においては、第１の層２及び第２の層３から成るアンテナ１を用いる。したがって、第１の層２の材料及び形状、そして光源の波長を適切に選定することによって、情報記録媒体と対向する側である第１の層２の近接場光発生位置１ａ近傍における近接場光強度を十分に高くすることが可能となる。
【００２５】
また、光源として異なる波長の光を出射する第２の光源を用いる場合は、再生特性の低下も抑制ないしは回避できる。すなわち、第２の層３の材料及び形状、この第２の光源の波長を適切に選定することによって、第２の層３の半導体基板４側界面の近接場光発生位置１ｂ近傍における近接場光強度を、表面側の位置１ａよりも十分に高くすることが可能である。この場合、再生時に記録マークに影響を与えることも回避できる。これによって、記録媒体に記録を行なう機構と、近接場光の直接的な検出の再生機構を同時に備えることが可能とり、良好な記録再生特性を実現することが可能となる。
【００２６】
（６）情報記録材料
上述した構成の情報記録再生装置により記録や再生がなされる媒体２００の情報記録材料としては、誘電率の変化による記録がなされる材料であればよく、無機物の例えばＧｅＳｂＴｅ等の相変化材料を用いることができる。情報記録材料は図示しないが媒体２００の表面上又は内部に設けられる。媒体２００の平面形状はディスク状とされる他、カード状等の各種構成が可能であり、その形状は問わない。
【００２７】
上述の構成のアンテナ１を、相変化材料等の情報記録材料が形成される媒体２００に対向させて相対的に移動させる。すると、相変化材料の記録マークが変化すると誘電率が変化し、アンテナ１と相互作用することで、アンテナ１の半導体基板４側の位置１ｂにおける近接場光強度が変化する。この変化により、上述した２光子吸収により励起される光電流も変化する。したがって、この半導体基板４に発生する光電流の変化を検出することによって、媒体２００に相変化等の状態変化として記録された記録情報に対応する信号を検出することが可能となる。
【００２８】
〔２〕第２の実施の形態（光入射方向の変形例）
図３に示すように、光の入射方向はアンテナ１に対し、半導体基板４の裏面側から矢印Ｌｉ１で示すように入射してもよく、その他媒体側の表面側からも、矢印Ｌｉ２で示すように両方から入射することも可能である。更には、矢印Ｌｉ３で示すように、アンテナ１と半導体基板４との界面に沿う方向から入射してもよい。また、半導体基板４の裏面側から矢印Ｌｉ４で示すように角度を持たせて入射してもよい。図示しないが、媒体と対向する表面側からアンテナ１の上面に対し角度を持たせて入射させてもよい。なお、半導体基板４の裏面側から矢印Ｌｉ１で示すように光を照射することで、アンテナ１の基板４との界面に照射する光の利用効率を高めることができる。したがって、再生検出特性に影響する近接場光強度、すなわちアンテナ１と半導体基板４との界面での近接場光強度を十分に確保するために、この向きの入射光を用いると共に、他の向きからの入射光を加える構成とすることが望ましい。
【００２９】
〔３〕第３の実施の形態（アンテナ平面形状の変形例）
次に、図４を参照して、アンテナ及び電極形状が異なる他の実施の形態について説明する。この場合、図４に示すように、半導体基板（図示せず）上に、異なる平面形状の第１の層２２及び第２の層２３より成るアンテナ２１が形成されて構成される。この例では、第１の層２２が棒状で両端部が丸みを帯びた形状であり、第２の層２３が、上述の第１の実施の形態におけるアンテナ１と同様に、平面ほぼ三角形状とされ、各頂部が丸みを帯びた形状とされる。このように、各層は同一形状である必要はなく、媒体側の第１の層２２が基板側の第２の層２３に支持されていればよい。基板側から入射光が照射されることを考慮して、第２の層２３によって遮光される影響を低減するため、特に近接場光が発生する部位である近接場光発生位置２１ａ及び２１ｂ付近の平面形状は、図４に示すように実質的に一致させることが望ましい。また、このように各層の形状を個別に選定することによって、第１の層２２の近接場光発生位置２１ａと、第２の層２３の近接場光発生位置２１ｂとのそれぞれの近傍に、それぞれ所望の強度の近接場光を発生することが可能となる。
【００３０】
〔４〕第４の実施の形態（アンテナ及び電極構造の変形例）
次に、電極の構造をアンテナと同一とする実施の形態について説明する。図５Ａはこの近接場光発生部３０の断面図、図５Ｂは平面図である。図５Ａに示すように、アンテナ３１は、半導体基板３４上に、上側の第１の層３２及び第２の層３３が積層されて成る構成とする。更に、電極３５においても、上側の第１の層３６及び下側の第２の層３７より成る構成とする。電流検出部３８は例えば上側の第１の層３６に接続する。これらアンテナ３１及び電極３５の平面形状は、図５Ｂに示すように、それぞれ平面ほぼ三角形の同一形状で、頂部同士が相対向して配置される構成とする。このようにアンテナ３１と電極３５とを配置する場合、両者の相互作用のため、位置３１ａ（３１ｂ）、３５ａ（３５ｂ）の近傍で発生する近接場光の強度を高めることができる。相互作用を増大させて近接場光強度を高めるため、又は微細な近接場光スポットを形成するためには、両者の間隔が小さくなるよう配置することが望ましい。なお、電極３５の構造としては、アンテナ３１と異なる材料より成る層構成でもよく、単一層或いは３層以上の構成でもよい。また、平面形状も同一でなくてもよく、アンテナ３１の近接場光発生位置３１ａ及び３１ｂにおける近接場光強度が増大する形状であればよい。
【００３１】
なお、このように、電極３５の一端との相互作用によって、アンテナ３１の近接場光発生位置３１ａ及び３１ｂ近傍での近接場光強度を高める構成とする場合、図１に示す例のように、電極の高さをアンテナの高さより小さく設定することが望ましい。このように、電極をアンテナよりも媒体から離間する構成とすることによって、電極の媒体側の面に発生する近接場光の媒体へ到達する程度を小さくすることができる。したがって、記録スポットの微細化、記録再生時のノイズの低減を図ることが可能である。すなわち、相互作用によって、アンテナ３１側に発生する近接場光強度を増強すると同時に、電極３５側で発生する近接場光の媒体側への影響はできるだけ抑制する構造とすることが望ましい。
【００３２】
〔５〕第５の実施の形態（アンテナ及び電極構造の変形例）
次に、アンテナ及び電極が半導体基板に埋め込まれる実施の形態について説明する。この例においては、図６に示すように、近接場光発生部４０を構成するアンテナ４１及び電極４５の両方が半導体基板４４に埋め込まれる例を示す。電極４５には電流検出部４６が接続される。なお、半導体基板４４内に埋め込まれるのはどちらか一方でもよい。媒体に至る近接場光の強度を確保するためには、アンテナ４１を半導体基板４４上に形成し、電極４５を半導体基板４４内に埋め込む構成とすることが望ましい。また、図示の例においては、アンテナ４１を構成する第１の層４２及び第２の層４３が共に半導体基板４４内に埋め込まれる場合であるが、第２の層４３のみが半導体基板４４内に埋め込まれていてもよい。更に、電極４５全体が半導体基板４４内に埋め込まれる構成とし、例えば第２の層４３の近接場光発生位置により近い位置に配置することも可能である。このように、各層４２及び４３、電極４５の配置位置を半導体基板４４の内部を含め適切に選定することで、媒体に至る近接場光強度を確保しつつ、再生時における信号検出精度の向上を図ることが可能である。
【００３３】
〔６〕第６の実施の形態（遮光部を設ける変形例）
次に、図７を参照して、半導体基板の裏面側に遮光部を設ける実施の形態について説明する。この例では、図７Ａに示すように、半導体基板５４上に第１の層５２及び第２の層５３より成るアンテナ５１を設け、アンテナ５１の近傍に電極５５を設け、電極５５に電流検出部５６を接続して近接場光発生部５０が構成される。そして半導体基板５４の裏面側には、開口５７Ａを有する遮光部５７が配置される。この遮光部５７は、半導体基板５４の裏面上に間隔をおいて配置されていても直接形成されていてもよい。下地層を介して形成することも可能である。そして開口５７Ａの平面形状は、図７Ｂに示すように、例えば平面ほぼ三角形状とされるアンテナ５１の全面に入射光が照射され、かつその他の部分を遮光する平面形成とし得る。なお、開口５７Ａの平面形状をアンテナ５１の平面形状と同一としてもよい。このように、不要な部分に光が照射されることを回避し、アンテナ５１のみに光を照射する構成とすることによって、光の利用効率を高めることができる。なお、開口５７Ａの形状は照射される光のビームスポット形状と合致するものではなく、近接場光が発生する位置が光の強度ピーク位置となるようにすることが望ましい。
【００３４】
本実施の形態を上述の第４の実施の形態と併用して実施する場合は、相互作用で近接場光強度を高める電極にも光が照射されるように開口５７Ａの形状を適切に選定し、アンテナ及び電極の必要な部分に光が照射される形状であればよい。
【００３５】
〔７〕第７の実施の形態（下地層を設ける変形例）
上述の各実施の形態においては、アンテナを構成する各層を直接積層形成する例であるが、各層の密着性を高めるため、下地層を介して形成することが可能である。この実施の形態に係る近接場光発生装置６０の断面構成を図８に示す。この例においては、図８に示すように、半導体基板６４上に、例えば平面ほぼ三角形状のアンテナ６１と、例えば平面棒状の電極６５が近接して形成される。なお、アンテナ６１及び電極６５の平面形状はこれに限定されるものではない。電極６５には電流検出部６６が接続される。そしてアンテナ６１は、上側の第１の層６２と半導体基板６４側の第２の層６３とが積層される構成であるが、各層６２及び６３の間に例えば密着性を高める下地層６８が形成されていてもよい。また、第２の層６３と半導体基板６４との間に下地層６９を介在させてもよい。このように密着性を高め、かつアンテナ６１の共鳴に与える影響が小さい材料としては、例えばＣｒ等より成る薄膜を利用することができる。このように、アンテナ６１において発生する近接場光の強度に影響を与えない材料及び厚さであれば、各層６２及び６３の密着性を高めるために、下地層６８及び６９を介在させることが可能である。なお、下地層６８、６９はどちらか一方を形成することももちろん可能である。
【００３６】
〔８〕第８の実施の形態（パッドを設ける変形例）
次に、アンテナ及び電極を保護するために周囲にパッド部を設ける実施の形態について説明する。図９はこの実施の形態に係る近接場光発生装置７０の断面構成図であり、半導体基板７４上に第１の層７２及び第２の層７３より成るアンテナ７１を設け、その近傍に電極７５が形成されて、電流検出部７６が接続される。そして、アンテナ７１及び電極７５の近傍、例えば周囲を取り囲む形状として、パッド部７９が形成される。パッド部７９の材料としては、例えば弾力性を有する材料とし、例えば情報記録媒体と接触した場合に、その表面や情報記録材料を損傷しない程度の硬度を有する材料であればよい。このようにパッド部７９を設けることによって、情報記録媒体と接触した場合、また情報記録再生装置が衝撃を受けた場合等において、アンテナ７１及び電極７５の損傷を抑制することができる。また、このような損傷を抑制できるので、十分に媒体にアンテナ７１を近接することができるので、十分な強度の近接場光を媒体の所望の位置に照射し、記録特性の低下を回避することが可能となる。また、再生時においても記録材料との相互作用を十分に得られる間隔を保持できるので、再生特性の低下を回避することができる。
【００３７】
〔９〕第９の実施の形態（電極に保護層を設ける変形例）
この実施の形態においては、電極の保護を目的として電極に保護層を設ける例である。図１０はこの実施の形態に係る近接場光発生装置８０の断面構成図である。半導体基板８４上に、第１の層８１及び第２の層８２より成るアンテナ８１が形成され、その近傍に電極８５が形成され、更に電流検出部８６が接続される。そして電極８５に非導電性材料より成る保護層８９が形成される。図示の例においては保護層８９が電極８５の全部を覆うように設ける場合を示すが、電極８５の一部、例えば上面のみを覆う形状でもよい。このように、電極８５上に保護層８９を設けることによって、第８の実施の形態で示す例と同様に、再生信号検出を阻害することなく、電極８５の損傷を抑制することができる。この場合においても、電極の損傷を抑制できるため、十分に媒体にアンテナ８１を近接することができるので、十分な強度の近接場光を所望の位置に照射し、記録特性の低下を抑制することが可能となる。また、再生時においても記録材料との相互作用を十分に得られる間隔を保持できるので、再生特性の低下を回避することができる。
【００３８】
〔１０〕情報記録媒体の構成
次に、図１１を参照して、本実施の形態に係る情報記録再生装置に用いて好適な情報記録媒体の構成の例について説明する。
上述したように、本実施の形態に係る情報記録再生装置において、好適に記録及び再生が可能な情報記録媒体の情報記録材料としては、誘電率の変化する材料、特に相変化材料が挙げられる。
本実施の形態に係る情報記録再生装置は、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２程度の超高密度の記録マークが記録可能な媒体の利用が好ましい。このような高記録密度化に対応するために、情報記録媒体として、図１１に示すように、連続膜の代わりに規則配列された相変化材料より成る微粒子２０６が設けられた媒体２０５を用いることが望ましい。微粒子２０６の配列態様としては、例えば媒体２０５の表面に凹部（図示せず）が規則的に配列されて、その内部に組み込まれる構造が考えられる。このように、情報記録媒体として相変化材料より成る微粒子２０６が規則的に配列される構成とすることによって、所望の微小な領域に局所的な記録を行うことが可能となる。したがって、分解能の向上、記録密度の増大が期待できる。
【００３９】
〔１１〕第１０の実施の形態（情報記録再生装置の構成）
次に、本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置全体の概略構成について説明する。図１２においては、一例としてディスク状の媒体２００を情報記録再生装置１５０に装着する場合を示す。媒体２００は、基板２０２上に上述した誘電率の変化により信号が記録される相変化材料等の情報記録材料より成る記録部２０１を含む構成とされる。そしてこの媒体２００は、装置１５０に設けられるスピンドルモータ等の駆動部１４０により回転される回転軸１４１上の載置台に固定支持される。駆動部１４０の回転駆動により、媒体２００が一点鎖線Ｃを中心軸として回転するようになされる。
【００４０】
記録時又は再生時には、媒体２００の記録部２０１に対向して、情報記録再生装置１５０のアンテナ１が近接して配置される。アンテナ１及び電極５が形成された半導体基板４は、図示しないスライダ上に設けられるか、或いは２軸又は３軸アクチュエータ等に支持されて、媒体２００の記録部２０１との距離を制御しつつ相対的に移動する構成とされる。媒体２００の回転走行時には、記録部２０１上の所望の記録トラック位置に対向配置される。アンテナ１と電極５との間に所定の電圧が図示しない印加手段により印加されると共に、電流計等の電流検出部６が接続され、検出部７に検出信号が出力される。本例においては、第１の実施の形態に係る近接場光発生装置を用いる場合を示すが、その他第２〜第９の実施の形態に係る例を含む種々の構成を採用することができる。
【００４１】
また、この例においては、異なる波長の光を出射する第１の光源１２１及び第２の光源１３１を設ける例を示す。光源１２１及び１３１と半導体基板４との間には、アンテナ１に対して所定の向きに偏光方向（電場振動方向）が一致するように光学系１００が配置される。第１の光源１２１から出射される光Ｌｉａの出射光路上には、例えばコリメートレンズ１２２、プリズム等の光路合成素子１２３、偏光子１２４、集光レンズ１２５が配置される。また、第２の光源１３１から出射される光Ｌｉｂの出射光路上には、例えばコリメートレンズ１３２及び光路合成素子１２３が配置される。そして光路合成素子１２３において第２の光源１３１から出射された光Ｌｉｂが進行方向を９０度変換され、半導体基板４に向かうようになされる。このような構成とすることで、異なる波長の光Ｌｉａ及びＬｉｂがそれぞれ半導体基板４を介してアンテナ１に入射されるようになされる。なお、光源１２１及び１３１に接続されるコントローラ（図示せず）により入射光Ｌｉａ及びＬｉｂの切り替えがなされる構成とする。このように切り替え可能とすることで、記録時と再生時とにおいて、第１の光源１２１及び第２の光源１３１から、それぞれ半導体基板４を介して裏面側からアンテナ１に向けて異なる波長の光Ｌｉａ、Ｌｉｂが照射される。
【００４２】
この構成において、一例として例えばＧｅＳｂＴｅ等の相変化材料より成る記録部２０１に信号を記録する動作について説明する。この場合、先ず駆動部１４０を駆動して媒体２００を回転走行させ、一方情報記録再生装置１５０の半導体基板４上に形成されたアンテナ４を、媒体２００上の記録部２０１の所望の記録トラック上に、所定の間隔をもって対向配置させる。この間隔は例えば数ｎｍとする。そして例えば第１の光源１２１から、アンテナ１の第１の層２の材料及び形状に適合し、この第１の層２に共鳴する波長の光Ｌｉａを出射する。光Ｌｉａは、コリメートレンズ１２２、光路合成素子１２３、偏光子１２４及び集光レンズ１２５を介して半導体基板４の裏面に照射され、更に半導体基板４を透過してアンテナ１に照射される。
【００４３】
アンテナ１の第１の層２の端部において共鳴により強い近接場光が発生し、情報記録媒体２００の記録部２０１の所望の位置に、相変化を促す強度の光が照射される。これにより、記録部２０１への情報の記録がなされる。このとき、第２の層３の材料及び形状を適切に選定することにより、第２の層３の半導体基板４側の界面に発生する近接場光強度を抑えることができる。したがって、光の利用効率を高めることが可能である。
【００４４】
次に、記録部２０１に記録された信号を検出する動作について説明する。再生時には、アンテナ１と電極５との間に一定の電圧をかけておく。そして例えばＧｅＳｂＴｅ等の相変化材料より成る記録部２０１を有する媒体２００に面して、アンテナ１を対向させ、例えば数ｎｍの距離で配置させる。相変化材料より成る記録部２０１には、上述した記録方法によって予め記録領域と未記録領域とを形成しておく。この状態で、第２の光源１３１から、アンテナ１の第２の層３の材料及び形状に適合し、第２の層３が共鳴する波長の光Ｌｉｂを出射する。光Ｌｉｂはコリメートレンズ１３２を介して光路合成素子１２３に入射され、光路を変換されて偏光子１２４、集光レンズ１２５を介して半導体基板４の裏面に照射される。そして半導体基板４を透過して、アンテナ１の第２の層３に照射される。このとき、半導体基板４とアンテナ１の第２の層３との界面で近接場光が発生する。なお、アンテナ１の第１の層２の表面側、すなわち媒体２００の記録部２０１と対向する側の端部においても近接場光が発生するが、第１の層２の材料及び形状を適切に選定することで、このときの近接場光強度を適切に抑えることが可能である。
【００４５】
そして、光源１３１として、半導体基板４の材料のバンドギャップ・エネルギーのほぼ半分の光子エネルギーとなる波長の光を出力する光源を用いる。例えば、ＧａＮより半導体基板４を用いる場合、バンドギャップ・エネルギーが３．４ｅＶ程度であり、対応する光子エネルギーは波長３６５ｎｍであるので、光源としては、波長λ≒７３０ｎｍの光を出力する光源を選定する。このように構成することによって、半導体基板４の内部の強いエネルギー密度の領域において２光子吸収現象が起こり、エレクトロン・ホールペアの発生に伴い光電流が発生する。この電流は、近接場光強度の変化に同調して変動し、記録部２０１における誘電率の変化とアンテナ１との相互作用によって、信号の変化に同調して変化する。
【００４６】
これについて説明すると、記録部２０１の記録領域と未記録領域とでは誘電率が異なるので、情報記録媒体２００と情報記録再生装置１５０との相対的移動によって、記録部２０１の表面において誘電率が経時的に変化する。この誘電率変化に伴い、アンテナ１における近接場光が発生する状態が変化するので、第２の層３において発生する近接場光強度も変化する。つまり、誘電率が変化する記録部２０１の表面とアンテナ１との相互作用により、近接場光の強度が変化する。したがって、近接場光に対応して発生する光電流の値も変化し、電流検出部６において媒体２００の記録部２０１に記録された情報に対応する電流値を情報信号として検出することができることとなる。
【００４７】
〔１２〕解析例
以下、上述した情報記録再生装置に搭載するアンテナの記録媒体側及び半導体基板側の両方の近接場光発生位置において、記録と再生に関わる近接場光が十分な強度をもって発生することを解析する具体例について説明する。以下の解析結果はＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain method）法によって計算されたものである。
【００４８】
図１３は、Ａｕ単層より成るアンテナを用いる場合の近接場光強度の波長依存性を示す。アンテナとしてＡｕを用いる場合は、共鳴条件付近となる波長７００ｎｍ付近の光が好適であることがわかる。
【００４９】
この例においては、図１に示す第１の実施の形態の構成とする近接場光発生部を用いて解析を行った。図１４Ａは本発明の実施の形態に係る近接場光発生部の断面構成図、図１４Ｂは比較例による近接場光発生部の断面構成図である。図１４Ａに示すように、本実施の形態においては、アンテナ１をＧａＮより成る半導体基板４と接するように２層構成として形成した。第１の層２及び第２の層共に厚さを３０ｎｍとし、上側の第１の層２をＡｕ、半導体基板４側の第２の層３をＡｌより構成した。平面形状は各層共に、ほぼ正三角形状とした。第１の層２の表面側の近接場光発生位置１ａと、第２の層３の近接場光発生位置１ｂ付近における曲率は１０ｎｍとした。また対辺までの最短距離は１００ｎｍであり、その方向と平行に偏光（電場振動方向）をもつ入射光を、そのスポット中心位置が頂点位置とほぼ一致するように、基板４側より入射する。使用波長は上述したようにＡｕの共鳴条件に好適な７００ｎｍとした。
【００５０】
一方、比較例の構成は、図１４Ｂに示すように、ＧａＮより成る半導体基板９２上に、単層構成のＡｕより成るアンテナ９１が形成される。アンテナ９１の平面形状は図１４Ａに示すアンテナ１の平面形状と同様とした。この場合、近接場光発生位置９１ａ及び９１ｂはそれぞれアンテナ９１の表面側の端部と半導体基板９２側の端部となる。
【００５１】
各例において、半導体基板４、９２の表面をＺ軸上の０点とし、Ｚ方向の近接場光強度分布を解析した。この結果を図１５に示す。図１５において、Ｚ＝０ｎｍがアンテナと基板の界面位置であり、図１４Ａに示すＡｕ／Ａｌ／ＧａＮ基板構成、図１４Ｂに示すＡｕ／ＧａＮ基板構成のそれぞれにおいて、Ｚ＝６０ｎｍ、３０ｎｍがアンテナ上面位置である。図１５中実線ａ１は本実施の形態に係るＡｕ／Ａｌ／ＧａＮ基板構成、実線ａ２が比較例によるＡｕ／ＧａＮ基板構成における近接場光強度分布である。
【００５２】
図１５の結果から、Ａｕ／ＧａＮ基板構成のようにアンテナを直接的に支持する基板の屈折率が高い時、アンテナ上部に発生する近接場光強度よりも、基板界面側の近接場光強度が格段に高くなることがわかる。これは、高い屈折率を持つことと基板の分極率の高さにより、アンテナ内部の近接場光発生に係わる分極の多くが基板側へ偏ってしまうことが原因と思われる。このため、比較例による場合は記録が不安定、かつ非効率となり、更には記録に寄与していないアンテナ・基板界面での近接場光によって、アンテナ自身が不必要に昇温してしまうなどの弊害が生じる。
【００５３】
一方でＡｌ／Ａｕ／ＧａＮ基板構成のように、アンテナを２層化とし、かつ記録媒体側のアンテナ層の共鳴条件付近の波長を用いることで、概ね記録に必要なアンテナ上部での近接場光を十分な強度で発生させることができる。また同時に、再生信号検出に係わるアンテナ・基板界面での近接場強度をある程度維持することが可能となる。このように、屈折率の高い基板であっても、記録と再生信号検出に必要な強度の近接場光を、アンテナを層構造とすることで、アンテナ上部と、アンテナ・基板界面との両位置において発生する構成とすることが可能となる。
【００５４】
更に、各層の厚さ、形状の構成を調整することで、アンテナ上部、アンテナ・基板界面それぞれの近接場光強度を記録、再生信号検出に適した比率に調整することも可能となる。
【００５５】
次に、アンテナの２層構造に対して、２つの波長を用いることで現れる効果を示す。
図１６に、図１４Ａに示す構造の近接場光発生部におけるアンテナ・基板界面、アンテナ上部で発生する近接場光強度の波長依存性を示す。図１６から、ＡｌとＡｕの２つの層で共鳴波長が異なること分かる。この性質を利用し、アンテナ上部、あるいはアンテナ、半導体基板界面に発生する近接場光強度を調整することが可能となる。このため、前述したように２つの波長の光源を用意し、記録時はアンテナの記録媒体側の層が共鳴を起こす波長を用い、また再生信号検出時には基板側の層が共鳴を起こす波長を用いる。このような２波長の光源を備える構成とすることで、記録再生に適した近接場光を発生させる情報記録再生装置を提供することが可能となる。また、この場合、再生信号検出時の波長においては記録媒体側に発生する近接場光強度を記録時より抑制できるため、昇温による記録相の書き換えを防ぐこともでき、記録再生特性の低下を抑制することが期待できる。
【００５６】
以上説明したように、本発明によれば、下記の効果を得ることが可能となる。
１．近接場の局所的な光スポットを利用した記録の高密度化、および再生信号検出の安定化を図ることができる。
２．記録、再生信号検出に係わる近接場光強度を調整することが可能となるため、光の利用効率の向上に有利となる。
３．記録、再生信号検出に係わる近接場光強度を調整することができるので、半導体基板への熱ダメージの低減が可能となる。
４．２つの波長を用いることにより、光記録再生に適した、近接場光強度を使用することが可能となる。
【００５７】
これらの効果から更に、従来の相変化光記録方式では実現困難であった、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２を超える高記録密度を実現する光記録再生方式を提供することが可能となる。すなわち本発明によれば、情報記録媒体に対して記録に十分なエネルギーを照射する機構と、再生下における近接場光の直接的な検出を高効率で行なう機構とを備える情報記録再生方式を提供することが可能となる。
また、この記録再生方式を利用することで、試料表面の微細な状態の変化を高解像度をもって検出することが可能となる。
【００５８】
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。
【図２】図１に示す情報記録再生装置のアンテナ及び電極の一例の平面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略構成図である。
【図５】Ａ及びＢは本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図及び平面構成図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。
【図７】Ａは本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。Ｂはその要部の平面構成図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置に用いて好適な情報記録媒体の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置の概略構成図である。
【図１３】Ａｕ単層のアンテナに対する近接場光強度の波長依存性を示す図である。
【図１４】Ａは本発明の実施の形態に係る情報記録再生装置の要部の概略断面構成図である。Ｂは比較例によるアンテナの概略断面構成図である。
【図１５】図１４Ａ及びＢに示す例における近接場光強度分布を示す図である。
【図１６】アンテナ各位置における近接場光強度の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１．アンテナ、２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２．第１の層、３，２３，３３，４３，５３，６３，７３，８３．第２の層、４，３４，４４，５４，６４，７４，８４．半導体基板、５，３５，４５，５５，６５，７５，８５．電極、６，３８，４６，５６，６６，７６，８６．電流検出部、１０，３０，４０，５０，６０，７０，８０．近接場光発生部、１００．光学系、１２１．第１の光源、１２２．コリメートレンズ、１２３．光路合成素子、１２４．偏光子、１２５．集光レンズ、１３１．第２の光源、１３２．コリメートレンズ、１４０．駆動部、１４１．回転軸、１５０．情報記録再生装置、２００，２０５．媒体、２０６．情報記録材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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