(57)【要約】  電磁波を制御する素子。この素子は、多層光学積層体内に、誘電体層及び他の層と共に、相変化材料を含む。この相変化材料は、２つ又は２つ以上の構造状態の間で可逆的に変換可能であり、この場合、異なる構造状態は、屈折率および／または減衰係数が異なる。相変化材料の構造状態は、入射電磁波によって生成された出力電磁波の伝播方向を決める該素子に対する位相角を設定する。この構造状態により、該素子は、２つの主な位相角状態のうちの一方を採用し、また、入射電磁波の方向を、２つの方向のうちのいずれかに変化させることができる電磁波バイナリ制御能力が実現される。好ましい実施形態において、出力ビームは、反射ビームであり、また、該素子は、２つの誘電体材料の間に挟み込まれ、かつ金属層によって支持された相変化材料を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射電磁波を方向付ける素子であって、
第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層上に形成され、複数の相変化領域を含む能動型層であって、前記相変化領域が相変化材料を含み、前記相変化材料が第１の結晶学的形態及び第２の結晶学的形態を有し、前記相変化領域が複数の構造状態を有し、前記構造状態の各々が前記第１の結晶学的形態の第１の比率と、前記第２の結晶学的形態の第２の比率とを含む、能動型層と、
前記能動型層上に形成された第２の誘電体層と、
を備え、
前記相変化領域が第１の位相角状態及び第２の位相角状態を有し、前記相変化領域は、前記第１の位相角状態であるときに位相角の第１の間隔を生成し、前記第２の位相角状態であるときには位相角の第２の間隔を生成し、前記第１の位相角状態が前記第１の結晶学的形態の比率の第１の範囲にわたる前記構造状態の第１のサブセットを含み、前記第２の位相角状態が前記第１の結晶学的形態の比率の第２の範囲にわたる前記構造状態の第２のサブセットを含み、前記第１の結晶学的形態の前記比率の前記第１及び第２の範囲が、重複しておらず、
前記第１の結晶学的形態の最大比率を有する前記第１の位相角状態の構造状態と、前記第１の結晶学的形態の最小比率を有する前記第２の位相角状態の構造状態とは、前記第１の結晶学的形態の比率が２０％以下だけ異なっており、前記第１の位相角状態の前記第１の結晶学的形態状態の前記最大比率の位相角と、前記第２の位相角状態の前記第１の結晶学的形態状態の前記最小比率の位相角とが、少なくとも４５°だけ異なっている、素子。
【請求項２】
前記第１の結晶学的形態が結晶状態である、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記第２の結晶学的形態が非晶質状態である、請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記相変化材料が、Ｓ、ＳｅまたはＴｅを含む、請求項１に記載の素子。
【請求項５】
前記相変化材料が、ＧｅまたはＳｂをさらに含む、請求項４に記載の素子。
【請求項６】
前記相変化領域が、５％未満の最小反射率を有する、請求項１に記載の素子。
【請求項７】
前記第１の結晶学的形態の最大比率を有する前記第１の位相角状態の構造状態と、前記第１の結晶学的形態の最小比率を有する前記第２の位相角状態の構造状態とは、前記第１の結晶学的形態の比率が１５％以下だけ異なり、前記第１の位相角状態の前記第１の結晶学的形態状態の前記最大比率の位相角と、前記第２の位相角状態の前記第１の結晶学的形態状態の前記最小比率の位相角とが、少なくとも９０°だけ異なっている、請求項１に記載の素子。
【請求項８】
前記第１の結晶学的形態の最大比率を有する前記第１の位相角状態の構造状態と、前記第１の結晶学的形態の最小比率を有する前記第２の位相角状態の構造状態とは、前記第１の結晶学的形態の比率が５％以下だけ異なっており、前記第１の位相角状態の前記第１の結晶学的形態状態の前記最大比率の位相角と、前記第２の位相角状態の前記第１の結晶学的形態状態の前記最小比率の位相角とが、少なくとも１３５°だけ異なっている、請求項１に記載の素子。
【請求項９】
位相角の前記第１の間隔が、６０°以下に及んでおり、前記比率の第１の範囲が、前記第１の結晶学的形態において、少なくとも２０％の比率の範囲に及んでいる、請求項１に記載の素子。
【請求項１０】
位相角の前記第２の間隔が、６０°以下に及んでおり、前記比率の第２の範囲が、前記第２の結晶学的形態において、少なくとも２０％の比率の範囲に及んでいる、請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
前記比率の第１の範囲が、前記第１の結晶学的形態において、少なくとも４０％の比率の範囲に及んでいる、請求項９に記載の素子。
【請求項１２】
前記位相角の第１の間隔が、２０°以下に及んでいる、請求項９に記載の素子。
【請求項１３】
前記位相角の第２の間隔が、２０°以下に及んでおり、前記比率の第２の範囲が、前記第２の結晶学的形態において、少なくとも２０％の比率の範囲に及んでいる、請求項１２に記載の素子。
【請求項１４】
前記比率の第１の範囲が、前記第１の結晶学的形態において、少なくとも３５％の比率の範囲に及ぶ、請求項１２に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の情報）
この出願は、２００２年８月２３日に出願された「電磁波の波面工学用の位相角制御型固定素子（“Ｐｈａｓｅ  Ａｎｇｌｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ”）という名称の（米国特許公開第２００４−００３６９４４号として公開された）米国特許出願第１０／２２６，８２８号の一部継続出願であり、該出願の開示を本願明細書に引用する。
【０００２】
本発明は、電磁波の位相角特性を制御する固定素子に関する。より具体的には、本発明は、電磁波の伝播方向を制御する光学素子を提供する。さらに具体的には、本発明は、一方の方向から他方の方向へ、入射する電磁波の伝播方向を可逆的に切り替えるのに用いることができる再構成可能な光学素子を提供する。
【背景技術】
【０００３】
電磁波の流れの経路を指定し、流れの方向を変更し、および流れを制御する能力は、多くの技術的用途において重要である。例えば、光情報システムは、データの高速かつ高密度の伝送及び蓄積に対する要求が増大するにつれて、ますます重要になることが予想される。光学デバイスの機能を最適化するためには、光の伝播方向に関して、正確な制御を行うことが必要である。例えば、光データの読取り及び書込みは、通常は、光学記録媒体内の明確な位置における、１つまたは１つ以上の光ビームの正確な位置決めを要する。また、多くの用途においては、ますます小型化していくデバイスにおいて、光の伝播を厳密に制御することが好ましい。光工学部品の小型化及び機能の向上は、将来の技術にとって不可欠なものである。同様の能力が、光学周波数領域外の電磁波周波数にも要求される。
【０００４】
電磁波の伝播を制御する従来のデバイスは、ミラーやビームスプリッタ等の反射素子、レンズや放物面鏡等の集束素子、およびプリズム等の分光素子を含む。それらのデバイスは、当然、意図した方向へ光を向けるのに著しく信頼性が高くて有効であることが証明されているが、一旦、製造されて配置されると、電磁波の伝播を制御する能力が固定されるという欠点がある。伝播のいかなる変化も、該デバイスの物理的な動きを必要とし、また、煩雑なおよび／または緩慢な調製処理を伴う可能性がある。
【０００５】
電磁波の伝播を制御するデバイスを小型化することに対する努力は、最近では、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術に向けられている。ＭＥＭＳ構成部品は、小さく、軽量で、小型デバイスパッケージ内での電磁波の経路を制御することが可能である。ＭＥＭＳ技術は、精密に配置され、および／または正確に相互間に傾斜している数百個のミラーを含むことが可能な配列で構成された小型ミラーを含む。ＭＥＭＳは、構成部品の質量が非常に小さく、またそのため、動的運転能力を実現するのに必要な再位置決めにはわずかな力しか要しないため、効果のある技術としての可能性がある。ＭＥＭＳ技術を開発する際の最大の努力は、光スイッチング及び光学的交差接続に向けられている。ＭＥＭＳ技術は、例えば、ファイバ束の特定のファイバに光信号を導くこと、および再位置決めの際に、信号の方向を別のファイバに変えるのに用いることができる。
【０００６】
ＭＥＭＳ技術は、いくつかの利点を提供するが、その実施は、いくつかの問題を呈する。第一に、ＭＥＭＳ構成部品は、再配置可能であるが、該再配置は、物理的プロセスを介しており、また、ミリ秒単位の時間を要する。多くの用途の場合、より速い動的能力が好ましい。第二に、ＭＥＭＳシステムは、デリケートであるため振動等の外乱によって引き起こされる混乱の影響を受けやすい。それらの混乱は、ＭＥＭＳ構成部品の位置決めを変更させて、機能性を悪くする。その結果、典型的な用途環境における作動の頑丈性を維持するために複雑なフィードバック機構が必要である。第三に、ＭＥＭＳシステムは、現在のところ、非常に高価である。この高コストの原因は、小型構成部品を製造することに関する複雑さ、用途に通常必要とされる構成部品が非常に多いこと、および多くの用途に必要な３次元アレイへ該構成部品及びその作動手段を正確に組込まねばららないことにある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、当技術分野においては、電磁波の伝播を制御する改良された装置が必要である。理想としては、それらの装置は、固定され、動的に再構成可能とすべきであり、広範囲の角度にわたり使用者が決める方向に、有効で再現可能な方法で、電磁波の反射及び方向変更を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、電磁波バイナリ制御能力を実現できる位相角制御型固定素子を提供する。この電磁波バイナリ制御素子は、２つの個別の位相角状態を有する。本発明の素子の作動は、この素子の位相角状態により規定された方向に、反射出力放射を生成するための、入射電磁波の位相角の正確な制御に基づいている。各位相角状態は、電磁波の入射ビームを特有の方向に向ける。この素子の位相角状態により、入射する電磁波は、その方向が、２つの方向のうちの一方に向けられ、それにより、電磁波バイナリ制御能力が実現される。
【０００９】
本発明の素子は、２つまたは２つ以上の構造状態の間で可逆的に変換可能な材料からなる能動型領域を含み、この場合、構造変換は、光エネルギまたは電気エネルギの印加によって誘発することができる。この２つまたは２つ以上の構造状態は、２つの位相角状態を区別し、それぞれが、その位相角状態により決められた方向に伝播する、該素子からの反射出力信号を生成する相異なる方法で、入射電磁波の位相角に影響を与える。この２つの位相角状態の間の可逆的変換は、動的な電磁波制御能力を実現できるように、速い時間規模で可能である。
【００１０】
好ましい実施形態において、上記能動型領域は、結晶状態及び非晶質状態を有する相変化材料からなり、相変化材料からなる領域は、結晶範囲と非晶質範囲との間で連続的に変化可能な結晶化率を有する能動型相変化領域を作るために、様々な異なる量の結晶部分及び非晶質部分を含む。該結晶範囲と非晶質範囲との間の互いに異なった結晶化率の範囲は、２つの位相角状態を定義し、この場合、一方の位相角状態から他方の位相角状態への変換は、小さな範囲の結晶化率の間で生じる。
【００１１】
好ましい相変化材料は、カルコゲニド材料である。カルコゲニド材料は、主族元素および／または遷移元素から選択した１つ又は１つ以上の化学変性剤と共に、１つ又は１つ以上のカルコゲン元素（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）を含む。好ましい主族元素は、５Ａ族（例えば、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ）、４Ａ族（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ）及び３Ａ族（例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）からの元素である。好ましい遷移金属は、Ｚｎ及びＣｄを含む。
【００１２】
好ましい実施形態において、この素子は、２つの誘電体層の間に挟み込まれた相変化層を備える光学積層体を含み、この場合、３つの層の組合せ（誘電体材料−相変化材料−誘電体材料）が、金属層によって支持されている。該層の厚さを適切に固定することにより、本発明の実施形態は、バイナリ制御能力を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、電磁波の入射ビームまたは波面を、２つの方向のうちのいずれかに向ける能力を有する電磁波バイナリ制御素子を提供する。入射ビームは、該素子の表面に入射し、該素子の表面及び内部と相互に作用した後、反射して、２つの方向のうちの一方に伝播する出力ビームを生成する。該反射ビームの伝播方向は、本発明の素子の位相角状態によって決まる。
【００１４】
本発明の素子は、相変化材料で構成された少なくとも１つの能動型層と、誘電体及び金属等の補助層とを含む多層光学積層体である。この相変化材料は、２つ又は２つ以上の構造状態と、エネルギ場との相互作用を介してそれらの２つの状態の間で可逆的に変換する能力とを有する材料である。該能動型層は、該相変化材料の２つ又は２つ以上の構造状態の相対的比率の変動によって、２つ又は２つ以上の異なる状態の間で変換することができる。この相変化材料の異なる位相角特性を有する２つ又は２つ以上の構造状態の相対的比率が互いに重複しない範囲にわたるこの２つ又は２つ以上の異なる能動型層の状態は、２つのグループに分けることができる。これらの状態のグループは、本発明の素子の２つの相異なる位相角状態を定義する。
【００１５】
相変化領域の構造状態の変化による位相角制御の概念は、本願の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００４−００３６９４４号（以下、‘９４４公報）に既に記載されており、該明細書の開示を参照により本願明細書に引用する。‘９４４公報は、入射電磁波の、反射または透過の方向、ならびに、光集束の状態、ビーム断面及び波面特性の対称性を制御するのに用いることができる位相角制御型固定素子（ＰＡＣＳＥ素子）について記載している。‘９４４公報のＰＡＣＳＥ素子は、波長より短い寸法のデータセルに細分される多層構造である。１つ又は１つ以上のそれらの層は、能動型相変化材料である。該能動型相変化材料は、結晶状態及び非晶質状態を有し、各データセルは、該データセルによって規定された容積内での、結晶部分及び非晶質部分の相対的比率によって特徴付けられる構造状態を有していた。この構造状態は、非晶質限界（結晶化率０％）と結晶限界（結晶化率１００％）との間の結晶化率が連続的に変化した。ＰＡＣＳＥ素子において、該データセルの結果として生じる位相角特性は、該結晶化率と共に、円滑にかつ連続的に変化した。異なるデータセルの相対的な結晶化率を、１つ又は１つ以上の方向でおよび／または該ＰＡＣＳＥ素子の表面に沿った様々なパターンで制御することにより、‘９４４公報によるＰＡＣＳＥ素子は、反射たまたは透過する電磁波の、伝播方向および／または断面対称性および／または集束の状態を制御するのに用いることができる。
【００１６】
‘９４４公報の素子の１つ又は１つ以上の方向における結晶化率の制御された変化は、その光学的位相を局所的に制御することにより、出力ビーム（例えば、反射または透過するビーム又は信号）の特性（例えば、伝播方向、ビームの断面形状、集束の状態）を制御するのに用いられた。相変化材料の非晶質状態及び結晶状態は、異なる光学定数（例えば、屈折率（ｎ）、減衰係数（ｋ））を有するため、それらの状態は、入射電磁波に異なる位相の遅延を与える。非晶質限界と結晶限界との間の中間の結晶化率を有するデータセルにおいては、有効媒質近似による位相遅延は、該データセル内の非晶質領域及び結晶領域の相対的比率によって決まる平均である。一つの方向に沿った、一連のデータセルの結晶化率を変化させることにより、データセル間の位相遅延の差がゼロでない相テーパーが形成される。結晶化率勾配は、実質的にＰＡＣＳＥ素子の活物質の位相角差のついた出力応答を記憶し、これがＰＡＣＳＥ素子の作動の基礎をなす特徴である。相テーパーは、本質的に、入射ビームが該素子と相互に作用したときに、該入射ビームが遭遇する光路長を変化させることにより、出力ビームの位相を制御する。さらなる考察が‘９４４公報に記載されている。
【００１７】
作動特性に関しては、ＰＡＣＳＥ素子によってもたらされる位相角効果は、上記データセルの結晶化率の連続的変化、および一連のデータセルに沿った結晶化率勾配によって連続的に変化させることができる。本発明との関連においては、データセル間の結晶化率の特定のパターンまたは配分が、ＰＡＣＳＥ素子の位相角状態を定義し、この場合、反射したまたは透過した出力ビームの特性は、その位相角状態によって決まるということが言える。結晶化率のパターンを変化させることにより、異なる位相角状態をＰＡＣＳＥ素子にプログラミングして、出力ビームに対して広範囲の状態を与えることができる。‘９４４公報に説明されているように、出力ビームの、伝播方向、ビームの断面形状及び集束の状態の連続的変化は、ＰＡＣＳＥ素子の位相角状態を変化させることによって実現可能である。
【００１８】
本発明においては、結晶化率の変動が、上記ＰＡＣＳＥ素子で利用可能な位相角状態の連続体ではなく、２つの主要な位相角状態をもたらすＰＡＣＳＥ素子の二進法的型式のものが設けられている。そのため、本発明の素子は、簡易型ＰＡＣＳＥ素子とでも呼ぶこともできる。各位相角状態は、結晶化率の大きな変化に対してもかなり鈍感であり、一つの位相角状態から他方の位相角状態への遷移は、狭い結晶化率範囲での変化によって生じる。
【００１９】
本発明のバイナリ素子は、固定光学素子から放射される出力ビームの位相特性を制御する自由度をさらに拡張する多層光学積層体である。本発明により与えられる追加的な制御は、該光学積層体内の層の厚さの変化によって生じる。以下の説明においては、同じ材料で構成されているが、異なる厚さの層を有する例示的な多層積層体構造を、‘９４４公報のＰＡＣＳＥ素子の連続的ビーム・ステアリング能力と比較して、本発明の電磁波バイナリ制御能力を実例説明するのに用いる。
【実施例】
【００２０】
本発明の例示的な実施形態の特徴をこの実施例で説明する。この実施形態は、図１に概略的に示す構造を有する４層の光学積層体である。積層体１００は、第１の誘電体層１１０と、相変化層１２０と、第２の誘電体層１３０と、金属層１４０とを含む。入射する電磁波は、上方から積層体１００に入射して、出力電磁波を生成する。これらの異なる層の組成及び厚さは、同じ組成で構成され、かつ図１に示す積層体構造も有する比較素子のデータと共に表１に含まれている。
【００２１】
この実施例において、（表１において、符号Ｄ１が付されている）第１の誘電体層１１０及び（表１において、符号Ｄ２が付されている）第２の誘電体層１３０は、モル比（ＺｎＳ）０．８（ＳｉＯ２）０．２のＺｎＳ及びＳｉＯ２で構成されている。（表１において、符号ＰＣＭが付されている）相変化層は、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５で構成されており、また、上記金属層は、１．５％のＴｉを含有するＡｌで構成されている。表１には、これらの同じ材料を用いた３つの異なる多層デザイン、すなわち、比例デザイン、遷移デザイン及びバイナリデザインが含まれている。バイナリデザイン及び遷移デザインは、本発明による素子の実施形態である。比例デザインは、‘９４４公報によるＰＡＣＳＥ素子と類似のものである。以下において、より十分に説明するように、該比例素子の特性の特徴は、相変化領域内の結晶体積分率の変動において相変化材料からなる領域の位相角の変動が円滑であり、かつ連続的であるということである。バイナリ素子の特性の特徴は、小さな範囲の結晶体積分率に対して、相変化領域の位相角の変動が急であり、非連続的であるということである。遷移デザインは、比例デザインとバイナリデザインの中間の位相角特性を有する。
【００２２】
これら３つのデザインは、上記積層体内での同じ順序に積層された同じ組成からなる層を含むが、それらの層の厚さは異なる。金属層１４０は、３つのデザインにおいて同じ厚さ（１００ｎｍ）を有し、他の層の機械的支持を形成するのに用いられ、さらに、後方反射を可能にするように機能する。また、能動型相変化層１２０も、３つのデザインにおいて同じ厚さ（２０ｎｍ）を有する。誘電体層Ｄ２は、３つのデザインにおいて同様の厚さ（それぞれ５５ｎｍ、５５ｎｍ、４７ｎｍ）を有する。これら３つのデザインの一番の違いは、上部誘電体層Ｄ１の厚さ（それぞれ、６０ｎｍ、１０ｎｍ、１０．１ｎｍ）である。表１の下の行は、各多層デザインの場合の、光位相角（ＯＰＡ）の全体的な差Δψ（度）及びＯＰＡの全体的な差Δψの９０％を実現するのに必要な相変化層１２０の結晶化率の変化Δｆを示す。
【表１】
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【００２３】
表１の下の行の記述は、図２〜図４に示すデータを参照することにより良く理解できる。図２、図３及び図４は、表１にまとめた、それぞれ、比例デザイン、遷移デザイン及びバイナリデザインを有する素子における相変化層内の相変化領域の場合に計算した反射率（上部の欄）及び位相角（下方の欄）を示す。図２〜図４に示す特性は、それぞれ、比例デザイン、遷移デザイン及びバイナリデザインの能動型相変化層１２０内の領域に対応する。本願明細書において以下でさらに十分に説明するように、電磁波制御効果は、相変化材料の異なる領域の相変化層内の構成によって生じ、この場合、異なる領域は、結晶化率が変化している。相変化層内の相変化領域の適切なパターンまたは構成の形成が、電磁波制御を可能にする。図２〜図４に示すデータは、本発明による電磁波制御を可能にするために用いられる、領域の構成内の個々の領域の特性を示す。
【００２４】
反射率のプロットは、相変化材料の領域の計算した反射率を、上記積層体の能動型相変化層１２０内の結晶体積の分率の関数として示す。データは、非晶質相（ゼロに等しい結晶体積分率）から結晶相（１に等しい結晶体積分率）まで及ぶ全範囲に関して示されている。結晶体積の分率軸に沿った異なる点は、相変化材料の結晶相及び非晶質相の異なる比率を有する相変化領域の状態に相当する。それらの異なる点は、本願明細書において、相変化材料の異なる構造状態と呼ぶことができる。反射率データは、１５５０ｎｍ及び６５０ｎｍの波長を有する入射電磁波の場合について示されている。位相角のプロットは、相変化材料からなる領域の計算した位相角を、１５５０ｎｍの場合の相変化材料の結晶体積分率の計算の関数として示す。データは、非晶質相（ゼロに等しい結晶体積分率）から結晶相（１に等しい結晶体積分率）まで及ぶ全範囲に関して示されている。位相角のプロットは、絶対位相角計算値及び相対位相角計算値を含む。絶対位相角は、相変化領域に対して計算された実際の位相角であり、一方、相対位相角は、結晶体積分率の範囲にわたる位相角の差をより明確に見ることが出来るように再スケーリングするために、最小の絶対位相角がゼロに等しく設定されている、絶対位相角の偏差として得られる。
【００２５】
図２は、比例デザイン素子の能動型相変化層内の相変化材料からなる領域の場合の、反射率及び位相角のデータを示す。この反射率及び位相角のデータは、相変化領域の結晶体積分率に円滑な依存性を示す。電磁波制御能力の考察には位相角データが最も適切である。比例素子の場合の全体の位相角の差は、１６０°であり、これは結晶体積分率範囲の、結晶相分率の終点と非晶質相の分率の終点との差に相当する。相変化データの重要な点はは、結晶体積分率の範囲に関する位相角の連続的変化である。各結晶体積分率は、異なる位相角に対応し、従って、相変化領域中で異なる位相角状態を定義する。比例デザインは、‘９４４公報に記載されたＰＡＣＳＥ素子の機能性を有する。相変化材料の各構造状態は、異なる結晶体積分率に対応し、該結晶体積分率もまた異なる位相角、すなわち、相変化領域の異なる位相角状態に対応する。入射ビームから素子によって生成された出力ビームの特性は、能動型相変化層内の相変化領域に対応する結晶化率のパターンによって一義的に決まる。この比例素子は、位相角の差の全範囲により与えられた全体的な限度内で、特性の連続的変化をもたらし、連続的な電磁波制御能力を実現するのに用いることができる。この比例素子は、相変化層内の相変化領域において、位相角と結晶体積分率との間の本質的に比例的な関係を特徴とする。表１を見て分かるように、光学的位相角の９０％の変化を達成するのに９０％のΔｆの変化が、必要である。
【００２６】
図３は、遷移デザインを有する素子の相変化層内の相変化領域の場合の、反射率データ及び位相角データを示す。６５０ｎｍにおける反射率データは、結晶体積分率が増加するのにつれて漸次的な反射率の増加を示す。１５５０ｎｍにおける反射率データは、非晶質終点と、約０．５５の結晶体積分率との間の減少と、約０．５５の結晶体積分率と結晶終点との間の増加とを示す。この遷移素子の相変化領域の反射率の極小値は、ゼロに近づくが、完全にゼロにはならない。遷移素子の相変化領域の場合の位相角データは、非晶質終点と結晶終点との間で円滑な変化を示す。このことは、相対位相角データにおいて、最も良く分かる。絶対位相角データは、結晶体積分率が、約０．４５まで増加する際に、非晶質終点における約８０°から、０°に近い値までの減少を示す。約０．４５以上では、絶対位相角データは、約０．４５以上の結晶体積分率の場合の絶対位相角の変化を示すスケーリングのために、３６０°だけ任意にシフトされている。位相角は、周期的関数であるため、このスケーリングは、ただ表示上の便宜のためのものであって、該素子の特性とは無関係なものである。遷移素子と比例素子との間の主な違いは、前者は、結晶体積分率の中間値において、相対位相角の急勾配の変化を示す（すなわち、位相角プロットにおいて、折れ目が生じる）ということである。
【００２７】
上記遷移デザインについて述べた傾向は、上記バイナリ素子において、より顕著になる。このバイナリデザインの相変化層内の相変化領域の場合に計算した反射率及び位相角のデータを図４に示す。６５０ｎｍにおける反射率データは、バイナリデザインにおいて、結晶体積分率の増加に伴う漸次的増加を示す。１５５０ｎｍにおいては、反射率データは、最小値を呈するという点で、上記遷移デザインの場合に観察されたデータと同様である。しかし、遷移デザインに関しては、最小値は、より高い結晶体積分率（約０．６）までシフトされており、その最小値における反射率の値は、ゼロである。絶対位相角データは、該反射率の最小値付近において絶対位相角の急激な殆ど不連続的な変化が発生することが示されている。その様相を図５にさらに示し、この図は、光学的位相角の急勾配の変化の近傍における光学的位相角のより高分解能の計算を示す。
【００２８】
光学的位相角の殆ど不連続的な挙動は、位相角の急激な変化が、上記相変化材料の結晶体積分率の狭い範囲内で生じることを示している。この狭い範囲は、本願明細書においては、結晶体積分率の変換性範囲と呼ぶことができる。この変換性範囲は、結晶体積分率の全範囲を３つの異なる領域、すなわち、１．非晶質終点から、不連続点の始まりの直下の値まで及ぶ結晶体積分率（結晶体積分率のこの範囲は、本願明細書において、変換前領域と呼ぶことができる）；２．位相角が、その範囲内で急激に変化する、結晶体積分率の狭い変換性範囲；および３．不連続点をちょうど超えたところから結晶終点まで及ぶ結晶体積分率（結晶体積分率のこの範囲は、本願明細書においては、変換後範囲と呼ぶことができる）に描く。
【００２９】
変換前範囲において及び変換後範囲において、上記バイナリ素子内の相変化領域の位相角は、変換前範囲における状態と、変換後範囲における状態との間に存在する位相角の大きな違いを伴うけれども、その各々の範囲内では結晶体積分率に対してわずかな変化を示すのみである。変換前状態と変換後状態との間の明確な違いがあることが、この発明のバイナリ素子の作動の原理となっている。変換前範囲の位相角がすべて似ていることはは、この範囲内の異なる状態にある相変化材料の領域が入射電磁ビームにすべて同様な影響を及ぼすことを示す。また、変換後範囲における状態の位相角がすべて似ていることも、この範囲内の異なる状態にある相変化材料の領域が入射電磁ビームにすべて同様な影響を及ぼすことを示す。変換前状態及び変換後状態の位相角の大きな相違は、これら２つの範囲における状態の相変化領域が特定の入射電磁ビームに、かなり異なった影響を及ぼすことを示す。その結果として、上記素子の機能は、本質的にバイナリであり、変換前状態及び変換後状態は、少なくとも近似的に、２つの相異なる位相角状態として見ることができ、また、複数の相変化領域の構成は、２つの相異なる位相角状態のパターンからなると見ることができる。上記バイナリデザインを有する素子の相変化層内の相変化領域の変換前状態及び変換後状態は、従来のバイナリ電子装置における「低」及び「高」状態に類似している。
【００３０】
本発明によるバイナリ素子の相変化領域が変換前位相角状態にある場合、その領域は、入射電磁波に関する変換後位相角状態によってもたらされた特有の影響と明らかに異なる入射電磁波に対する特有の影響を有する。バイナリ電子装置における「高」電圧が、「低」電圧と容易に識別され、また、電子信号に対して、容易に識別可能な影響をもたらすのと同様に、本発明のバイナリ素子の相変化領域の変換後位相角状態は、変換前位相角状態と容易に識別され、電磁波信号に対して、容易に識別可能な影響をもたらす。
【００３１】
本発明によるバイナリ素子の相変化領域の変換前範囲内の上記の複数の構造状態、またはそのサブセットは、まとめて全体として該相変化領域の別個の位相角状態と呼ぶことができる。理想的な実施形態においては、変換前位相角状態にある全ての構造状態は、同じ位相角を有し、変換前位相角状態に関連する結晶体積分率の範囲の中では位相角の変化は生じない。第二に、理想的な実施形態においては、変換後範囲における全ての構造状態は、同じ位相角を有し、変換後位相角状態に関連する結晶体積分率の範囲の中では位相角の変化は生じない。第三に、理想的な実施形態においては、結晶体積分率の変換性範囲は、極限的に狭く、変換は不連続的に生じる。
【００３２】
処理条件、素子の相変化層及び包囲層の組成または厚さの均一性、欠陥、不純物およびデザインの選択等の要因の統計的変動により、バイナリ素子の理想的条件からのわずかなずれが生じる可能性があり、または、それが望ましいことがある。本発明の実施形態はさらに、位相角の小さな変化が、上記相変化領域の２つの主要位相角状態の各々の中で生じるバイナリ素子を含む。それらの実施形態において、２つの位相角状態の各々は、複数の構造状態を含み、この場合、各構造状態は、結晶領域及び非晶質領域の特定の比率を特徴とする。各位相状態は、それぞれある結晶領域及び非晶質領域の比率の範囲に及んでおり、結晶相及び非晶質相の比率の範囲と、２つの位相角状態の位相角間隔とが相互に重複していない特有の間隔にわたる位相角の範囲を形成する。
【００３３】
例えば、その特性を図４に示す実施形態に関しては、非晶質終点（０．０または０％）から約０．６０（６０％）の結晶体積分率までにわたる結晶体積分率の範囲に及ぶ第１の位相角状態と、約０．６５（６５％）の結晶体積分率から結晶終点（１．０または１００％）までにわたる結晶体積分率の範囲に及ぶ第２の位相角状態とがある。第１の位相角状態は、約５４°〜９９°に及び位相角の間隔を生成し、第２の位相角状態は、約２０７°〜２２５°に及ぶ位相角の間隔を生成する。この実施形態において、２つの位相角状態の結晶体積分率の範囲は重複しておらず、また、位相角の間隔は、重複していない。２つの位相角状態は、位相角の急激な変化がその範囲内で生じる、約０．６０〜０．６５の結晶体積分率の狭い変換範囲によって分けられており、この場合、この急激な変化の約９０％が、０．０４の結晶体積分率の変化の間に生じる。
【００３４】
結晶体積分率の狭い範囲内での位相角の急激な変化は、本発明の素子と、‘９４４公報のＰＡＣＳＥ素子とを区別する一つの特徴である。この急激な変化は、位相角に起こる変化、或いは位相角の変化を誘発する結晶体積分率の範囲として記述することができる。図２〜図４を見て分かるように、この素子のデザインは、位相角の急激な変化を制御することができる。図２の特性を有する比例デザインにおいては、位相角の漸次的変化のみがあり、位相角の著しい変化を見るには、広範囲の結晶体積分率の変化が必要である。図３に示す特性を有する遷移デザインにおいては、位相角の変化は、０．５０〜０．６０の付近の結晶体積分率の範囲内で、急勾配になり、より急激になる。この範囲内においては、結晶体積分率の変化の単位当りで、より大きな位相角の変化が見られる。図４に示す特性を有するバイナリデザインにおいては、位相角の変化は、より急激になる。
【００３５】
図４の特性を有する実施形態において、発明者等は、結晶領域の比率が最大である上記第１の位相角状態の構造状態と、結晶領域の比率が最小である第２の位相角状態の構造状態との間に存在する、位相角及び結晶体積分率の違いを考察することにより、単純な方法で、２つの位相角状態の間の位相角の急変化を説明することができる。第１の位相角状態の最大結晶比率構造状態は、約０．６０であり、この状態の位相角は、約５４°である。第２の位相角状態の最小結晶比率構造状態は、約０．６５であり、この状態の位相角は、約２２５°である。そのため、この実施形態においては、発明者等は、０．０５（５％）の結晶体積分率の範囲に対して、１７１°の位相角の変化を観測する。
【００３６】
本願における好ましい実施形態において、少なくとも４５°の位相角の変化は、２０％またはそれ以下の結晶体積分率の範囲で生じる。より好ましい実施形態においては、少なくとも９０°の位相角の変化は、１５％またはそれ以下の結晶体積分率の範囲において生じる。最も好ましい実施形態においては、少なくとも１３５°の位相角の変化は、５％またはそれ以下の結晶体積分率の範囲において生じる。
【００３７】
図２〜図４にさらに示すように、位相角の急な変化は、入射する電磁波の波長に対する、上記素子の反射率が最小であることに関連する。図２〜図４は、１５５０ｎｍの波長を有する入射電磁ビームの場合の位相角データを示しており、、ここではこの波長における反射率の値について考察する。比例デザインにおいては、１５５０ｎｍにおける最小反射率は、約０．１６（１６％）である（図２）。遷移デザインにおいては、１５５０ｎｍにおける最小反射率は、約０．０２(２％)である（図３）。バイナリデザインにおいては、１５５０ｎｍにおける最小反射率は、０（０％）である（図４）。従って、好ましい実施形態においては、位相角の変化は、この最小反射率が低下するにつれて、次第に急になることが観察される。また、この最小反射率は、非晶質終点及び結晶終点から離れた中間の結晶体積分率で発生することに留意されたい。
【００３８】
本願明細書において好ましい実施形態においては、上記素子の最小反射率は、入射波長で５％またはそれ以下である。本願明細書におけるより好ましい実施形態においては、該素子の最小反射率は、入射波長で２％またはそれ以下である。最も好ましい実施形態においては、入射波長での最小反射率は、０％である。
【００３９】
本発明の素子の位相角状態によって形成される位相角の間隔は、関心対象の別のパラメータである。位相角の間隔は、（層の組成及び厚さを含む）該素子のデザインによって、および各位相角状態に属する構造状態のサブセット内に含まれている結晶状態と非晶質状態の比率の範囲によっても、制御することができる。好ましい実施形態において、一方または両方の位相角状態によって生成される位相角の間隔は、６０°以下の範囲に及ぶ。より好ましい実施形態においては、一方または両方の位相角状態によって生成される位相角の間隔は、４５°以下の範囲に及ぶ。さらにより好ましい実施形態においては、一方または両方の位相角状態によって生成される位相角の間隔は、２０°以下の範囲に及ぶ。
【００４０】
上記の実施例は、結晶状態及び非晶質状態を有する相変化材料を用いた、本発明の作動の特徴及び原理について説明し、この場合、結晶状態及び非晶質状態の相対的比率は、本発明の素子の能動型相変化層内の相変化領域の第１の位相角状態及び第２の位相角状態を定義する構造状態のサブセットにさらに分類することができる一連の構造状態を生成するように、連続的に変化させることができる。２つの位相角状態の構造状態のサブセットは、該相変化層の結晶体積分率の比率の重複しない範囲に及び、位相角の重複しない間隔を生成する。
【００４１】
電磁波バイナリ制御能力は、隣接する領域が、適切なサイズからなり、かつ本願明細書において上述した２つの位相角状態の異なる一方になっている、上記能動型層内の相変化材料からなるそのような領域からなる構成によって、本発明の素子において実現される。一般的原理及びいくつかの一般的サイズ要件は、（本願明細書において上述した比例デザインに基づいている）ＰＡＣＳＥ素子の場合、‘９４４公報に記載されており、またさらに、本発明にも適応される。それらの原理のうちのいくつかの選択的考察及び本発明のバイナリ素子に対するそれらの特定の応用は、本発明をさらに理解する上で、価値がある。
【００４２】
上記ＰＡＣＳＥの場合と同様に、本発明のＰＡＣＳＥ素子は、非回折性素子である。非回折状態を保証するために、周期的に配置された各部の間隔は、該素子に入射する電磁波の波長よりも小さくしなければならない。この考察は、‘９４４公報にさらに記述されており、そこでは、電磁波制御効果に関連する特徴は、周期的に配置されたマーク間の間隔が、入射する電磁波の波長以下であることが示されている。ＰＡＣＳＥ素子における電磁波制御は、本願明細書において、比例デザインに対して上述したような位相角の連続的変化に基づいており、また、一連の相変化領域（データセル）にわたる結晶体積分率勾配の形成を介した相テーパーの生成を伴い、この相変化領域の各々は、回折を防ぐために、入射電磁波の波長以下の寸法を有する。該ＰＡＣＳＥ素子の単位長さ当りの結晶体積分率の変化を制御することにより、該素子の全域での位相角の連続的変化がもたらされ、また、その結果として、連続的電磁波制御能力が実現される。
【００４３】
本発明の素子において、該素子は、上記能動型相変化層内に配置されている相変化領域において、連続性の位相角状態ではなく、本質的に２つの位相角状態を生成するため、電磁波制御は本質的に二進法的である。上記ＰＡＣＳＥ素子にある勾配と同様の結晶体積分率勾配は、本発明の素子でも生成することができるが、それらの勾配は、該素子の二進法的の性質のために、該ＰＡＣＳＥ素子で発生する様な、該素子の全域でそれに対応する位相角の連続的変化を生成しない。結晶化率に関係なく（および、とりあえず２つの位相角状態の変換性領域を無視すると）相変化材料からなる領域が、必ず２つの位相角状態の一方にある。従って、上記相変化層内の異なる相変化領域に利用可能な位相角状態の数が、本発明のバイナリ素子においてはかなり限定されるため、電磁波制御能力は、ＰＡＣＳＥ素子よりも本発明の素子においてより限定される。
【００４４】
本発明の素子において、電磁波制御能力は、２つの位相角状態に及ぶ相テーパーによって生じ、この相テーパーは、該素子内の隣接する領域を並置することによって形成され、該隣接する領域の各々は、２つの利用可能な位相角状態の異なる一方にある相変化材料を含む。該素子の全域での隣接する領域の周期的配置は、電磁波制御をもたらし、この場合、該電磁波制御の方向は、２つの位相角状態を有するそれらの領域の相対的位置に依存する。本願明細書において、以下に、より十分に説明するように、連続的ではない、個別の電磁波制御（例えば、左−右、または、上−下のステアリング）の方向が、本発明の素子で実現される。
【００４５】
電磁波バイナリ制御は、相変化材料からなる隣接する２つの領域の効果の実現を必要とし、該領域の各々は、２つの異なる利用可能な位相角状態の一方にある。隣接する領域に組込まれた二進法的相テーパーが入射ビームに影響を及ぼすためには、入射ビームは、該テーパーを検知しなければならない。このことは、二進法的相テーパーが、入射ビームの波長によってサンプリングすることができる寸法の範囲内に含まれていることを要する。入射ビームによってサンプリングされる長さのスケールは、該ビームの波長と該ビームを上記素子に導くために行った該ビームへの何らかの集束操作とによって決まる。説明のためのみの単純な概算において、入射ビームによってサンプリングされる長さのスケール（Δｘ）は、次の式
Δｘ〜λ／２ＮＡ
（ただし、λは、入射波の波長であり、ＮＡは、該入射波を上記素子の表面に導く光学系の開口数である）によって概算することができる。典型的な用途においては、入射電磁波は、約１５５０ｎｍの波長を有する通信信号であり、約０．２５の開口数を有する光学系によって導かれる。従って該入射ビームによってサンプリングされる長さのスケールは、約３１００ｎｍでこれは約２λに等しい。入射ビームが二進法的相テーパーを検出するためには、該相テーパーを形成する２つの隣接する相変化領域の各々は、約λ以下の長さを有しなければならない。そのため、本発明による二進法的相テーパーの実施例は、相変化材料からなる隣接する領域の周期的配置からなり、該領域の各々は、上述した２つの異なる利用可能な位相角状態の一方にあり、この場合、各領域は、約λの長さのスケールを有する。実施例として、典型的な実施形態は、λ×λの寸法を有する正方形状の相変化領域を含むものである。より小さい寸法（例えば、λ／２×λ／２、λ／３×λ／３、λ／４×λ／４等）も可能であり、本発明の原理に従って作動可能である。上述したように、集束光学系の開口数の変化は、さらに、二進法的相テーパーを構成する上記隣接する領域の大きさを制御する際の自由度をもたらす。
【００４６】
上記素子に入射する電磁波は、上述したように、該素子の相変化領域の配置の位相角状態によって決まる方向に反射する。２つの位相角状態の適切なパターンは、入射ビームを、二つの違った方向に反射する。各位相角状態は、その関連する位相角の間隔によって決まる程度に、該ビームの反射の方向に影響を及ぼす。位相角間隔は重複していないため、特定の方向から近づく入射ビームの反射の方向は、上記素子内の相変化領域の配置に関する２つの位相角状態の配分により異なる。一方又は両方の位相角状態に関連する位相角の間隔を狭めることにより、反射の方向を正確に制御することが可能である。
【００４７】
本発明の素子の上記相変化領域は、エネルギを与えることによって、第１の位相角状態と第２の位相角状態との間で可逆的に変換することができる。エネルギの好ましい形態は、電気的、光学的及び熱的エネルギを含む。エネルギを与えることにより、上記相変化層内の相変化領域の結晶領域及び非晶質領域の相対的比率を変えることによって、該素子の構造状態を変えることが可能である。非晶質相と結晶相との間の両方向の変換は、容易に実現され、多数の変換サイクルを通して可逆的かつ高度に再現可能である。相変化材料の変換特性のさらなる詳細は、‘９４４公報に記述されている。
【００４８】
上記相変化領域の位相角状態を制御することにより、電磁波の入射ビームは、２つの一般的な方向のうちの一方に導くことができる。スイッチング効果は、上記素子内の相変化領域の位相角状態を調節して実現することができる。相変化領域の配置に対する、上記第１の位相角状態に関連する範囲内の構造状態から、上記第２の位相角状態に関連する範囲内の構造状態への（逆もまた同様）上記相変化層の相変化領域の変換に適したエネルギの変調印加は、一方の一般的な方向から他方への方向の切替を実行できる。
【００４９】
図６〜図９は、本発明の素子の上記相変化層の部分の実施例を示す。図６は、本発明による相変化領域２１０、２２０、２３０及び２４０を含む相変化層からなる部分２００を含む。図７は、本発明による相変化領域３１０、３２０、３３０及び３４０を含む相変化層からなる部分３００を含む。図８は、本発明による相変化領域４１０、４２０、４３０及び４４０を含む相変化層からなる部分４００を含む。図９は、本発明による相変化領域５１０、５２０、５３０及び５４０を含む相変化層からなる部分５００を含む。図６〜図９における相変化領域の各々は、第１の（符号“１”を付す）または第２の（符号“２”を付す）位相角状態にあり、これらの相変化領域の配置は、電磁波制御を実現できる相変化層内の位相角状態のパターンまたは分布を表す。図６及び図７は、左−右の電磁波制御またはスイッチングが実現される実施形態を示し、一方、図８及び図９は、上−下の電磁波制御またはスイッチングが実現される実施形態を示す。
【００５０】
本発明の上記の例示的な実施形態の相変化材料は、結晶状態及び非晶質状態を有し、エネルギの印加によって、それら２つの状態の間で可逆的に変換することができる。相変化材料の多くの特性及び組成は、当技術分野において公知であり、これまでに、例えば、本願明細書にその開示を引用する、本譲受人に対する米国特許第３，２７１，５９１号明細書、同第３，５３０，４４１号明細書、同第４，６５３，０２４号明細書、同第４，７１０，８９９号明細書、同第４，７３７，９３４号明細書、同第４，８２０，３９４号明細書、同第５，１２８，０９９号明細書、同第５，１６６，７５８号明細書、同第５，２９６，７１６号明細書、同第５，５３４，７１１号明細書、同第５，５３６，９４７号明細書、同第５，５９６，５２２号明細書、同第５，８２５，０４６号明細書、同第５，６８７，１１２号明細書、同第５，９１２，１０４号明細書、同第５，９１２，８３９号明細書、同第５，９３５，６７２号明細書、同第６，０１１，７５７号明細書及び同第６，１４１，２４１号明細書、ならびに、本譲受人に対する米国特許出願公開第２００２−０１１４２５６号明細書及び同２００３−００４８７４４号明細書で説明されている。
【００５１】
相変化材料へのエネルギの印加は、その構造状態間の変換を誘発する。相変化材料は、特有の溶融温度及び結晶化温度を有し、構造状態は、それらの温度に対するエネルギの制御された印加によって影響を受ける。相変化材料に、その溶融温度以上に加熱するのに十分なエネルギを印加してその後急速冷却すると、非晶質相の形成を促進する。一方、遅い冷却は、結晶化、および該相変化材料内の結晶領域の形成を可能にして、部分的結晶化材料または結晶化材料を生成することができる。相変化材料を、その結晶化温度と溶融温度との間まで加熱するのに十分な量のエネルギの印加は、非晶質領域の結晶相への部分的または完全な変換を誘発する。
【００５２】
結晶領域が、非晶質領域からどの程度まで形成されるかは、その相変化材料に印加されたエネルギの量および／または出力（すなわち、エネルギ付加率）による。結晶領域の形成を誘発するか、または成長または削減することによって、相変化材料内の既存の結晶領域を修正するのに必要なエネルギおよび／または出力の量は、該相変化材料の化学的組成、該相変化材料の初期状態、および結晶核生成及び成長過程の反応速度及び熱力学等の要因に依存する。非晶質領域は、結晶領域からも形成することができる。非晶質領域の形成は、溶融または他の高移動性状態を誘発する十分な量のエネルギの印加と、結晶相の形成を阻止するための十分な速度の冷却とを必要とする。  エネルギは、上記相変化材料の周囲部分を乱すことなく、局所的な構造変換を誘発するように、一定の容積の相変化材料の選択した部分に印加することができる。このような局所的な構造変換は、例えば、周囲の結晶相内の非晶質相の体積分率を変えるのにも用いることができる。複数の構造状態の中での相の安定化及び変換は、結晶化プロセスの反応速度及び熱力学、該相変化材料内でのエネルギの配分及びエネルギの流れ（例えば、散逸、拡散、伝導）ならびに印加されるエネルギの強度、持続時間及び空間的分布等の要因に影響を受ける。また、局所的な構造変換は、ある一つの相の周囲のマトリクス内の別の相のサイズ、形状または容積を制御するのにも用いることができる。低量熱消費法を用いた結晶マトリクス内での非晶質相の形成（例えば、マーク）は、例えば、本願明細書において、既に参照により組み入れられている米国特許出願公開第２００２−０１１４２５６号明細書に記載されている。
【００５３】
構造状態間の変換は、適切な速度及び適切な量での、相変化材料またはその一部へのエネルギの印加により達成される。様々な形態のエネルギを、構造状態間の変換を達成するのに用いることができる。エネルギは、単一のエネルギ源または複数のエネルギ源を用いて、（赤外線、光、レーザ及びマイクロ波源を含む）電磁波、電気エネルギ、熱エネルギ、化学エネルギ、磁気エネルギ、力学的エネルギ、粒子線エネルギ、音響エネルギまたはそれらの組合せの形態とすることができる。例えば、電気エネルギの供給は、電流または電圧によることができ、また、連続的、または、その高さ及び幅を制御することができるパルスの形態とすることもできる。光エネルギは、制御された波長、波形、エネルギおよび／またはパワーを有するパルス状または連続レーザビームの形態とすることができる。ダイオードレーザは、本発明の用途に適した光エネルギの一つの例である。
【００５４】
本願明細書において、既に参照により引用した米国特許第４，６５３，０２４号明細書、同第４，７１０，８９９号明細書、同第４，７３７，９３４号明細書、同第４，８２０，３９４号明細書、同第５，１２８，０９９号明細書、同第５，９１２，１０４号明細書、同第５，９３５，６７２号明細書、同第６，０１１，７５７号明細書、および米国特許出願公開第２００２−０１１４２５６号明細書及び同第２００３−００４８７４４号明細書は、光記録媒体として用いた場合の、相変化材料の構造状態の実施例について記載している。これらの参考文献は、概して、例えば、適当な波長、強度、パワー及び波形を有する光励起源を用いて、実質的な結晶状態と実質的な非晶質状態との間で、相変化材料を可逆的に変換する能力について記載している。典型的な光記録用途においては、相変化材料を含むデータセルが、データを記憶し、書込みまたは消去するのに用いられている。この消去された状態は、典型的には、実質的な結晶状態であり、また、書込みは、データセルに相当する相変化材料からなる容積内に非晶質マークを形成するのに十分な量のエネルギを与えることによって行われる。印加するエネルギ及び熱消費の速度、量及び空間的分布を巧みに制御することによって、データセル内に形成される非晶質マークの形状及び容積を正確に制御することが可能である。その結果として、該データセル内の相変化材料の結晶状態と非晶質状態の相対的比率は、本願明細書において上述した構造状態を実現できるように、容易かつ連続的に変化させることができる。
【００５５】
本発明による用途に適した相変化物質の代表的な例は、元素Ｉｎ、Ａｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏのうちの１つ又は１つ以上を含むもの、及びそれらの混合物または合金であって、時には好ましくはそれらの共晶組成のものである。好ましい実施形態において、相変化物質は、カルコゲン元素を含む。最も好ましい実施形態においては、相変化物質は、Ｔｅをカルコゲン元素として含む。また、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、Ｇｅ４ＳｂＴｅ５、Ｓｂ２Ｔｅ３及び関連する物質等のＧｅおよび／またはＳｂと共に、カルコゲンを含む相変化物質も好ましい。ＧｅＴｅ単独またはＣｄＴｅを含む固溶体中のＧｅＴｅは、別の好ましい実施形態を構成する。他の好ましい実施形態において、相変化物質は、特に、Ｓｂおよび／またはＴｅと共に、Ａｇおよび／またはＩｎを含む。ＡＩＳＴ等のＡｇＩｎＳｂＴｅ系内の共晶組成物は、別の最も好ましい実施形態である。他の好ましい実施形態において、相変化物質は、カルコゲンと、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔまたはこれらの混合物及びこれらの合金等の遷移金属とを含む。本発明による用途に適した相変化物質のいくつかの実施例は、上述した本願明細書に引用する米国特許に記載されている。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態は、２つの誘電体層の間に挟み込まれた相変化層を含む。この相変化層を囲む誘電体層は、同じかまたは異なる誘電体材料で構成することができ、また、互いに、および相変化層と比べて、同じかまたは異なる厚さとすることができる。本発明の誘電体層は、一般に、絶縁体であるか或いは、入射電磁波に曝された際に低い導電性を呈する酸化物材料またはエネルギ禁止帯幅の大きな半導体材料である。好ましい誘電体材料は、ＳｉＯ２、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ２及びＴｉＯ２、ならびにそれらの合金及び組合せを含む。他の実施形態はさらに、その上に、上記の実施例と同様の誘電体層−相変化層−誘電体層の積層体を支持する金属層を含む。この金属層は、追加的な機械的支持を提供し、またさらに、入射電磁ビームの後方反射を実現できる。好ましい金属層は、反射性材料であり、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔｉ、ステンレス鋼のうちの１つ又は１つ以上を含み、それらの合金及び組合せを含む。
【００５７】
結晶状態及び非晶質状態を有する相変化材料を含む能動型層の実施形態において、本願明細書において上述した作動の原理は、２つ又は２つ以上の結晶形態を有する任意の相変化材料にも同じように適用することができ、この場合、異なる結晶形態は、異なる光学定数を有する。結晶状態及び非晶質状態は、相変化材料の結晶形態の例であり、また、別の例は、２つ又は２つ以上の結晶学的に異なる結晶状態を有する相変化材料を含む。例えば、相変化材料は、２つの結晶状態を有し、それらの各々は、異なる結晶学的特徴を有する異なる相である。例えば、単位格子の型または格子定数が異なる結晶状態に対応する結晶学的形態が可能である。例えば、ｆｃｃ、ｂｃｃ、ｈｃｐ、斜方晶系、単斜晶系、菱面体晶、正方晶等の単位格子を有する２つ又は２つ以上の結晶相の間の変換は、本発明の素子に必要な機能性を実現できる。また、異なる結晶学的形態は、化学結合、積層及び配位数の違いを含んでもよい。構造状態は、２つの結晶学的形態の各々の異なる比率（例えば、第１の結晶状態と第２の結晶状態の相対的比率）として定義することができ、また、位相角状態は、異なる結晶学的形態の重なっていない部分に及ぶ構造状態のサブセットに及ぶ範囲について定義することができる。
【００５８】
本願明細書に記載した開示及び説明は、例示的なものであり、本発明の実施を限定するものではない。本発明の好ましい実施形態であると思われるものについて説明してきたが、当業者は、それらの実施形態に対する他の及びさらなる変形及び変更が、本発明の趣旨から逸脱することなく可能であることを認めるであろうし、また、本発明の全ての範囲内にあるそのような変形及び変更を特許請求することが意図されている。以下は、本発明の範囲を定義する、上記の開示、及び当業者が一般に入手可能な知識と共に、等価物を含む特許請求の範囲である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】多層光学積層体を示す図である。
【図２】比例デザインを有する素子の反射率及び位相角特性の計算値を示す図である。この計算は、０．０〜１．０に及ぶ結晶体積分率の範囲にわたる２０のメッシュポイントを含む。
【図３】遷移デザインを有する素子の反射率及び位相角特性の計算値を示す図である。この計算は、０．０〜１．０に及ぶ結晶体積分率の範囲にわたる２０のメッシュポイントを含む。
【図４】バイナリデザインを有する素子の算出した反射率及び位相角特性計算値を示す図である。この計算は、０．０〜１．０に及ぶ結晶体積分率の範囲にわたる２０のメッシュポイントを含む。
【図５】バイナリデザインを有する素子の反射率及び位相角特性の高分解能計算を示す図である。この計算は、０．５５〜０．７５に及ぶ結晶体積分率の範囲にわたる２０のメッシュポイントを含む。
【図６】４つの相変化領域及びそれらに配分された２つの位相角状態のパターンを含む、相変化層の一部を示す図である。
【図７】４つの相変化領域及びそれらに配分された２つの位相角状態のパターンを含む、相変化層の一部を示す図である。
【図８】４つの相変化領域及びそれらに配分された２つの位相角状態のパターンを含む、相変化層の一部を示す図である。
【図９】４つの相変化領域及びそれらに配分された２つの位相角状態のパターンを含む、相変化層の一部を示す図である。
【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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【国際調査報告】
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