(57)【要約】【課題】記録の高密度化を図り得るだけでなく、感度を高めることができる、記録媒体を提供する。【解決手段】基板２上に電極３が形成されており、電極３上に直流電圧の印加により分極軸方向が所定の方向とされ、交番電界の印可により静電容量が変化する複数の領域を有する強誘電体層４が形成されており、強誘電体層４上に、強誘電体層４を構成している元素を含みかつ該強誘電体層４とは異なる材料からなる誘電体層５が形成されている、記録媒体１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された電極と、
前記電極上に形成されており、分極処理により記録が行われ、分極状態を読み出すことにより記録が再生される複数のメモリ領域を有する強誘電体層と、
前記強誘電体層上に形成されており、前記強誘電体層とは異なる材料からなる誘電体層とを備える、記録媒体。
【請求項２】
前記強誘電体層がＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３からなる、請求項１に記載の記録媒体。
【請求項３】
前記誘電体層がＴａｘＯｙ層（ｘ及びｙは整数）である、請求項２に記載の記録媒体。
【請求項４】
前記誘電体層がＮｂｘＯｙ（但し、ｘ及びｙは整数）である、請求項２に記載の記録媒体。
【請求項５】
前記誘電体層の厚みが１ｎｍ〜７ｎｍの範囲にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載の記録媒体
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の記録媒体と、
前記誘電体層の前記強誘電体層側の面とは反対側の面に当接されるプローブと、
前記プローブと前記電極との間に直流電圧を印可する直流電圧印加装置と、
前記プローブと前記電極との間に交流信号を印加する交流信号印加装置と、
前記交流信号印加装置及び前記プローブに接続されており、前記強誘電体層により取り出される静電容量とともにＬＣ共振回路を構成するインダクタとを備える、記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体を用いた記録媒体及び記録再生装置に関し、より詳細には、複数のメモリ領域を有する強誘電体層を備えた記録媒体及び該記録媒体を用いた記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘電体の微小領域に情報を記録し、記録された情報を再生する技術が知られている。例えば、下記の特許文献１には、走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用い、誘電体の微小領域であるメモリ領域に記録されている情報を読み取るシステムが開示されている。特許文献１に記載のシステムでは、図６に示すように、誘電体メモリ素子１０１が、複数のメモリ領域１０１ａを有する。複数のメモリ領域１０１ａに直流電圧を印加することにより、図８に矢印で示すように、複数のメモリ領域１０１ａが分極されている。この分極状態が情報として記録されている。
【０００３】
ＳＮＤＭでは、誘電体メモリ素子などの試料に交番電界を印加してプローブを走査し、誘電率変化に起因するＬＣ共振回路の周波数変化を検出し、強誘電体の分極状態を観察する。
【０００４】
誘電体メモリ素子１０１の裏面には電極１０２が形成されている。誘電体メモリ素子１０１の表面側には、プローブ１０３が当接される。プローブ１０３と、電極１０２との間にプローブ１０３側から交番電界が印可される。
【０００５】
特許文献１では、上記誘電体メモリ素子１０１の材料として、ＢａＴｉＯ３やチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスが示されている。
【０００６】
他方、下記の特許文献２にも、強誘電体を用いたメモリ素子の微小領域の分極状態の違いを利用してＳＮＤＭを用いて記録再生を行う技術が開示されている。特許文献２では、強誘電体として、ＺカットＬｉＮｂＯ３圧電単結晶が用いられている。
【０００７】
また、下記の特許文献３では、上記特許文献１に記載の誘電体メモリ素子よりも高密度記録が可能であり、経時による劣化が生じがたい強誘電体メモリ素子が開示されている。特許文献３では、ＺカットのＬｉＴａＯ３やＺカットのＬｉＮｂＯ３基板上に（００１）または（１１１）配向またはそれと等価な配向のエピタキシャルＰｔ膜からなる電極が形成されている。この電極上に、（００１）配向のエピタキシャルＬｉＴａＯ３膜やエピタキシャルＬｉＮｂＯ３膜からなる強誘電体層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−８５９６９号公報
【特許文献２】特開平８−７５８０６号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／０４５８２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１には、誘電体メモリ素子の材料としては、ＢａＴｉＯ３やチタン酸ジルコン酸鉛が示されている。特許文献１に記載の誘電体メモリ素子に比べ、特許文献３に記載のＺカットのＬｉＴａＯ３やＺカットのＬｉＮｂＯ３圧電単結晶基板を用い、基板上に設けられた少なくとも１軸配向した電極と電極上に設けられた強誘電体薄膜を用いることにより、記録の高密度化及び経時による特性の劣化が生じがたいとされている。
【００１０】
しかしながら、メモリ素子として用いるには、より高いＳ／Ｎ比やより高い転送レートが求められる。そのため、記録媒体の感度がより一層高いことが強く求められている。しかしながら、特許文献２や特許文献３に記載の強誘電体を用いた記録媒体では感度を十分に高めることができなかった。
【００１１】
本発明の目的は、上術した従来技術の現状に鑑み、感度をより一層高めることができ、メモリとして用いた場合のＳ／Ｎ比や転送レートを高めることを可能とする記録媒体並びに該記録媒体を用いた記録再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれは、基板と、前記基板上に形成された電極と、前記電極上に形成されており、分極処理により記録が行われ、分極状態を読み出すことにより記録が再生される複数のメモリ領域を有する強誘電体層と、前記強誘電体層上に形成されており、前記強誘電体層とは異なる材料からなる誘電体とを備える、記録媒体が提供される。上記強誘電体層としては、好ましくは、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３が用いられ、それによって、本発明に従って記録媒体の感度を効果的に高めることができる。
【００１３】
本発明の記録媒体の他の特定の局面では、誘電体層は、ＴａｘＯｙ層（ｘ及びｙは整数）である。この場合には、記録媒体の感度をより一層効果的に高めることができる。
【００１４】
本発明に係る記録媒体の他の特定の局面では、前記誘電体層がＮｂｘＯｙ（但し、ｘ及びｙは整数）である。この場合には、本発明の記録媒体において、感度をより一層効果的に高めることができる。
【００１５】
上記誘電体層の厚みは、好ましくは、１〜７ｎｍの範囲にあり、その場合には、記録媒体の薄型化を進め、さらに感度を効果的に高めることができる。
【００１６】
本発明に係る記録再生装置は、本発明に従って構成された記録媒体と、前記誘電体層の前記強誘電体層側の面とは反対側の面に当接されるプローブと、前記プローブと前記電極との間に直流電圧を印可する直流電圧印加装置と、前記プローブと前記電極との間に交流信号を印加する交流信号印加装置と、前記交流信号印加装置及び前記プローブに接続されており、前記強誘電体層により取り出される静電容量とともにＬＣ共振回路を構成するインダクタとを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る記録媒体では、強誘電体層上に上記誘電体層が積層されているため、強誘電体層のメモリ領域を分極することにより記録し、メモリ領域の分極状態を静電容量の変化として読み出すに際しての感度を高めることができる。従って、例えば誘電体メモリ素子として用いた場合、Ｓ／Ｎ比を高めることができ、かつ転送レートを高めることができる。
【００１８】
本発明に係る記録再生装置では、感度に優れた本発明の記録媒体を用いて記録再生が行われるので、記録内容に応じた信号を高精度に再生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る記録媒体を説明するための模式的正面断面図であり、（ｂ）は本実施形態におけるメモリ領域の平面形状を説明するための模式的平面図である。
【図２】本発明の記録再生装置を説明するための概略ブロック図である。
【図３】規格のために用意した記録媒体の構造を示す模式的正面断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に従って構成された記録媒体を説明するための模式的正面断面図である。
【図５】誘電体層としてのＴａｘＯｙ層の厚みと、規格化信号強度との関係を示す図である。
【図６】従来の誘電体メモリ素子を説明するための模式的部分切欠正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することより、本発明を明らかにする。
【００２１】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る記録媒体を説明するための模式的正面断面図である。
【００２２】
記録媒体１は、基板２と、基板２上に形成された電極３と、電極３上に形成された強誘電体層４と、強誘電体層４上に形成された誘電体層５とを有する。
【００２３】
基板２は、ＬａＴｉＯ３からなるが、基板材料は、これに限定されるものではない。適宜の材料で構成される。好ましくは、基板２は、基板２上に形成される電極３を少なくとも１軸配向するように成膜し得る材料であることが望ましい。このような好ましい基板材料は、電極３の材料によっても異なるが、例えば、ｃ面サファイア、ｍ面サファイア、ａ面サファイア、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、水晶、ＡｌＰＯ３、Ｌａ３ＧａＳｉＯ１２などの三方晶系の結晶性材料；ＬｉＧａＯ３やＮａＧａＯ３のような斜方晶系の結晶性材料；ＬｉｌＯ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、６Ｈ−ＳｉＣなどの六方晶系の結晶性材料または；３Ｃ−ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ（１１１）などの立方晶系の結晶性材料などを挙げることができる。
【００２４】
本実施形態では、電極３はＰｔからなり、基板２上に成膜されている。
【００２５】
基板２が上記のような結晶性材料からなる場合、電極３を少なくとも１軸配向の膜として容易に成膜することができる。電極３の成膜方法は特に限定されず、蒸着、メッキまたはスパッタリングなどの方法を挙げることができる。
【００２６】
電極３は、少なくとも１軸に配向されていることが好ましい。少なくとも１軸に配向されていると、電極３上に強誘電体層４を、（００１）配向のエピタキシャル膜として成膜することができる。
【００２７】
電極３は、強誘電体層４に構成される後述のメモリ領域４ａを分極する際の電圧印加用電極として、あるいは分極状態を読み出す際の電極として用いられる。
【００２８】
電極３の厚みは特に限定されるわけではないが、例えば、１０ｎｍ〜１μｍ程度の厚みとされる。
【００２９】
上記電極３を構成する材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、ＣｒまたはＴｉなどの金属を挙げることができる。
【００３０】
電極３の上に蒸着、スパッタリング、ＣＶＤなどの方法により強誘電体層４が成膜される。
【００３１】
強誘電体層４は、上記電極３上に、（００１）配向、すなわちエピタキシャル膜として形成されている。強誘電体層４を構成する材料としては、複数のメモリ領域４ａを厚み方向において、後述の第１の方向または第１の方向と逆方向の第２の方向に分極し得る適宜の強誘電体薄膜を用いることができる。このような材料としては、例えば、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯなどを挙げることができる。好ましくは、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３が用いられる。ＬｉＴａＯ３膜またはＬｉＮｂＯ３膜により強誘電体層４が形成されている場合、低い電圧で高密度に記録し得るメモリを作製することができる。
【００３２】
なお、上記強誘電体層４の配向方向は（００１）に限定されるものではなく、分極が可能な方向であればよい。
【００３３】
本実施形態では、上記強誘電体層４は、（００１）配向のＬｉＴａＯ３膜からなる。
【００３４】
また、上記強誘電体層４は、複数のメモリ領域４ａを有する。各メモリ領域４ａは、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、円形の平面形状を有する領域として構成されている。メモリ領域４ａは、図１（ａ）に↑または↓となるように分極される。この↑の方向を第１の方向、↓の矢印の方向を第２の方向とする。この分極は、各メモリ領域４ａにおいて、電極３と、後述のプローブ６との間に直流電圧を印可することにより行われる。
【００３５】
上記強誘電体層４の上面に誘電体層５が積層されている。誘電体層５は、強誘電体層４を構成している元素を含みかつ強誘電体層４とは異なる組成の誘電体材料からなる。本実施形態では、誘電体層５は、ＴａｘＯｙからなる。なお、ｘ及びｙは整数である。
【００３６】
誘電体層５の形成方法は特に限定されず、蒸着、またはスパッタリングなどの方法を挙げることができるが、本実施形態では、蒸着法の一種であるＣＶＤ法によりＴａｘＯｙからなる誘電体層５が形成されている。誘電体層５の形成は、強誘電体層４を形成した後、続いてＣＶＤ法により行う。
【００３７】
記録媒体１では、上記各メモリ領域４ａにおいて、電極３とプローブ６との間に直流電圧を印可することによりメモリ領域４ａが分極される。プローブ６は、上記誘電体層５の表面に当接される。従って、強誘電体層４と誘電体層５の積層構造に、電極３とプローブ６とからの電圧が印可されることになる。
【００３８】
図１（ａ）に示されているようにメモリ領域４ａが第１の方向または第２の方向に分極され、第１の方向に分極されている状態を「正」、第２の方向に分極されている状態を「負」とした場合、メモリ領域に「正」または「負」を書き込むことができる。
【００３９】
再生すなわち読み出しは、前述したＳＮＤＭを用いて行われる。ＳＮＤＭを用いる場合、電極３とプローブ６との間に交番電界が印可され、その際のメモリ領域４ａにおける静電容量の変化方向に基づいて、正または負が読み取られる。
【００４０】
上記のようにメモリ領域４ａが第１の方向に分極されている場合には、静電容量が低くなる方向に変化し、下向きに分極されている場合には静電容量は高くなるように変化する。なお、記録媒体１のメモリ領域４ａの静電容量と、ＳＮＤＭ側に備えられているインダクタとによりＬＣ共振回路が構成される。従って、ＬＣ共振回路の共振周波数、すなわち発振周波数が高くなるように変化した場合「正」を読み出すことができ、低くなるように変化した場合には「負」を読み出すことができる。
【００４１】
図２に示す記録再生装置２１は、本実施形態の記録媒体１に信号を書き込み、読み出す装置である。この記録再生装置２１は、記録媒体１を除いた構成は、従来から知られているＳＮＤＭを用いた記録再生装置であり、前述した特許文献１に開示されている。
【００４２】
記録再生装置２１は、記録または再生を切り換えるための切り換え制御部２２を有する。切り換え制御部２２に、記録信号発生器２３が接続されている。記録信号発生器２３は、複数の変換器２４の一方入力端に接続されており、該一方入力端にメモリ領域４ａを分極するための直流電圧を与える。
【００４３】
他方、複数の変換器２４の他方入力端には、交流電源２５が接続されている。変換器２４の出力端２４ｃは、複数のインダクタ２６の一端にそれぞれ接続されている。インダクタ２６の他端は、メモリ領域４ａと、メモリ領域４ａよりも上方に位置する３つのコンデンサ３１に接続されている。３つのコンデンサ３１は、１つのインダクタ３０と各メモリ領域４ａの容量とで構成される３つのＬＣ共振回路を、それぞれ発振器２７に接続する結合コンデンサとして用いられている。コンデンサ３１の容量はメモリ領域４ａの容量より十分大きく、また、直列接続になっている。従って、コンデンサ３１の容量に比べて、メモリ領域４ａの容量が発振器２７の発振周波数に対して支配的になる。発振器２７はＦＭ復調器２８に接続されており、ＦＭ復調器２８が、複数のメモリ領域４ａにそれぞれ対応している複数の信号検出器２９の一方入力端に接続されている。各信号検出器２９の他方入力端は、各変換器２４と交流電源２５との接続点に接続されている。各信号検出器２９の出力端から各メモリ領域４ａの分極状態に応じた信号が検出される。
【００４４】
記録に際しては、切り換え制御部２２が各変換器２４において、記録信号発生器２３に接続される入力端がオン状態となるように変換器２４を切り換える。この状態で、記録信号発生器２３が、各変換器２４に記録すべき分極状態を実現するための記録信号を、直流電圧またはパルスとして変換器２４の一方入力端に印可する。変換器２４は与えられた直流電圧をメモリ領域４ａに与え、メモリ領域４ａを第１の方向または第２の方向に分極する。このようにして、メモリ領域４ａへの書き込みが行われる。
【００４５】
再生に際しては、切り換え制御部２２が変換器２４の交流電源２５に接続される入力端がオン状態となるように変換器２４を切り換える。それによって、変換器２４は交流電源２５に接続される。この状態で、交流電源２５からの低周波の交番電界がメモリ領域４ａに印可される。その結果、メモリ領域４ａにおける静電容量の変化により共振回路の共振周波数が変化し、すなわち発振周波数が変化する。この変化量が信号検出器２９から検出され、メモリ領域４ａの分極状態すなわち記録情報が読み出されることになる。
【００４６】
交流電源２５の周波数は５ＫＨｚ程度であり、発振器２７の発振周波数は１ＧＨz程度である。
【００４７】
記録媒体１では、特許文献２に記載のような圧電単結晶板、あるいは特許文献１に記載のようなはＢａＴｉＯ３膜やチタン酸ジルコン酸鉛膜を用いた誘電体メモリ素子に比べ、微小なメモリ領域４ａにおける分極を高精度に行うことができる。これは、強誘電体層４が上記エピタキシャル膜からなる薄膜であることによる。すなわち、メモリ領域４ａ，４ａ間の距離を近づけることができ、従って記録の高密度化を図ることができる。
【００４８】
のみならず、本実施形態では、上記強誘電体層４上に誘電体層５が積層されているため、ＳＮＤＭ測定による信号強度、すなわち静電容量の変化に対する発振周波数変化量が大きくなる。そのため、記録媒体１では、記録媒体の高感度化を図ることができる。よって、例えばメモリ素子として用いた場合、Ｓ／Ｎ比を高めたり、転送レートを高めたりすることができる。上記のように誘電体層５が備えられていることにより感度が高められることを、具体的な実験例に基づき説明する。
【００４９】
図４に示すように、ＺカットＬｉＴａＯ３からなる基板２上に、スパッタリングにより、（１１１）配向の厚み１００ｎｍのＰｔ膜を成膜し、電極３を形成した。
【００５０】
次に、電極３上に、ＣＶＤ法により、厚み５０ｎｍの（００１）配向のＬｉＴａＯ３膜からなる強誘電体層４を形成した。電極３が（１１１）配向であるため、上記電極３上にＬｉＴａＯ３をＣＶＤ法により成膜することにより、下地の配向情報を得て成膜が進むため、（００１）配向のＬｉＴａＯ３膜が形成された。
【００５１】
次に、引き続きＣＶＤ法により、ＴａｘＯｙ（ｘ、ｙ：整数、例：ＴａＯ、Ｔａ２Ｏ３、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ５など）を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍ，４ｎｍまたは７ｎｍの厚みで形成した。比較のために、最後の誘電体層５を形成しないことを除いては上記として同様に形成された図３に示す比較例の記録媒体１２１を用意した。上記のようにして得られた記録媒体１及び比較例の記録媒体１２１を用い、図２に示した記録再生装置を用い、記録媒体１または記録媒体１２１の各メモリ領域に記録し、次に信号を読み出した。
【００５２】
図５は、上記のようにして読み出された信号の規格化信号強度と、誘電体層５としてのＴａｘＯｙ層の厚みとの関係を示す図である。なお、図５の縦軸の規格化信号強度は、比較例の記録媒体１２１における信号強度を１とした場合の規格化信号強度を示す。
【００５３】
図５から明らかなように、誘電体層５としてのＴａｘＯｙが形成されていない、すなわちＴａｘＯｙの厚みが０である比較例の場合に比べ、ＴａｘＯｙ膜が形成されている場合、その膜厚が０より大きく、７ｎｍ以下の範囲で、規格化信号強度が高められていることがわかる。すなわち、ＴａｘＯｙ膜の成膜により、規格化信号強度が高められ、感度が高められていることがわかる。
【００５４】
ＴａｘＯｙ層の厚み１ｎｍのとき規格化信号強度１．１が得られた。厚み２．５ｎｍのとき規格化信号強度１．５が得られた。厚み４ｎｍのとき規格化信号強度１．２、厚み７ｎｍのとき規格化信号強度１．２がそれぞれ得られた。
【００５５】
なお、図５では、ＴａｘＯｙ膜の厚みが７ｎｍを超えた領域は示されていないが、誘電体層５の厚みが厚くなりすぎると、誘電体層５により容量変化が減衰するため、規格化信号強度は厚みが７ｎｍの場合に比べて低くなっていく。本願発明者の実験によれば、厚みが８ｎｍを超えると、規格化信号強度は１以下になることが確かめられている。従って、好ましくは、１ｎｍ〜８ｎｍとすれば、規格化信号強度を確実に１より高くすることができ、感度を高めることができることがわかる。より好ましくは、１．５ｎｍ〜３．５ｎｍの範囲であれば、規格化信号強度を１．５程度とすることができ、より一層感度を高めることができる。
【００５６】
上記のように誘電体層５が形成されていることにより感度が高められる理由は定かではないが、強誘電体層４の成膜に続きＴａｘＯｙ、ＮｂｘＯｙなどの誘電体層５を成膜することにより、強誘電体層４の組成の不均一性が低められたり、あるいは誘電体層５が強誘電体層４に内部応力を発生させ、強誘電体層４の強誘電特性を変化させたことが考えられる。また、誘電体層５が強誘電体層４における電界集中状態が変化させたためと考えられる。誘電体層５の存在により、強誘電体層４内電界の基板に垂直方向成分が大きされると、誘電率層５を設けない場合に比べて規格化信号強度を高くすることができると考えられる。
。
【００５７】
なお、上記実施形態では、強誘電体層４がＬｉＴａＯ３からなり、誘電体層５がＴａｘＯｙにより形成されていたが、強誘電体層４がＬｉＮｂＯ３により形成されてもよい。また、誘電体層５がＮｂｘＯｙ（ｘ及びｙは整数）により形成されてもよい。
【００５８】
すなわち、本発明によれば、強誘電体層４とは異なる誘電体材料からなる誘電体層を強誘電体層４上に成膜することにより、記録媒体の感度を効果的に高めることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１  …記録媒体
２  …基板
３  …電極
４  …強誘電体層
４ａ…メモリ領域
５  …誘電体層
６  …プローブ
７  …発信器
２１  …記録再生装置
２２  …切り換え制御部
２３  …記録信号発生器
２４  …変換器
２４ｃ…出力端
２５  …交流電源
２６  …インダクタ
２７  …発振器
２８  …ＦＭ復調器
２９  …信号検出器
３０  …インダクタ
３１  …コンデンサ
１０１  …誘電体メモリ素子
１０１ａ…メモリ領域
１０２  …電極
１０３  …プローブ
１１１  …Ｓｉ
１２１  …記録媒体
【図１】
2011008877.tif 000003
【図２】
2011008877.tif 000004
【図３】
2011008877.tif 000005
【図４】
2011008877.tif 000006
【図５】
2011008877.tif 000007
【図６】
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