(57)【要約】【課題】比較的大きい信号電流を提供し、高価な集束光学素子を必要とすることなく比較的集束したビームが記憶媒体に照射でき、比較的良好な信号対雑音比の超高密度記憶装置を提供する。【解決手段】データ記憶装置は、バイアス電圧が印加される２つの電極の間に配置される陰極線導電性カルコゲニド材料を含む記憶媒体と、少なくとも１つのナノメートル規模の陰極線導電性カルコゲニド材料からなる無変更領域と、少なくとも１つののナノメートル規模の陰極線導電性カルコゲニド材料からなる被変更領域と、前記無変更領域と前記被変更領域にエネルギー・ビームを放射し、前記記憶媒体の表面の近傍内に位置決めされた少なくとも１つのエネルギー放射プローブとを含む。【選択図】図３
2008172252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイアス電圧が印加される２つの電極の間に配置される陰極線導電性カルコゲニド材料を含む記憶媒体と、
少なくとも１つのナノメートル規模の陰極線導電性カルコゲニド材料からなる無変更領域と、
少なくとも１つののナノメートル規模の陰極線導電性カルコゲニド材料からなる被変更領域と、
前記無変更領域と前記被変更領域にエネルギー・ビームを放射し、前記記憶媒体の表面の近傍内に位置決めされた少なくとも１つのエネルギー放射プローブとを含むデータ記憶装置。
【請求項２】
前記エネルギー放射プローブが放射する電子ビームによって、前記無変更領域と前記被変更領域が照射される場合に、一方の電極に取り付けられたセンサが、電子とホールの移動によって生じる信号電流を検出できる請求項１に記載のデータ記憶装置。
【請求項３】
前記被変更領域が、無変更領域に含まれる材料と異なる物理状態の材料を含む請求項１に記載のデータ記憶装置。
【請求項４】
前記エネルギー放射プローブが、コアとシースを含む請求項１に記載のデータ記憶装置。
【請求項５】
前記エネルギー放射プローブが、さらに、エネルギー放射プローブよりも記憶媒体の表面の方にさらに延びる位置決め構成要素をさらに含む請求項１に記載のデータ記憶装置。
【請求項６】
バイアス電圧が印加される２つの電極の間に配置される陰極線導電性カルコゲニド材料からなるナノメートル規模の無変更領域とを含む記憶媒体を提供する段階と、
前記記憶媒体の近傍内に、エネルギー・ビームを放射するエネルギー放射プローブを位置決めする段階と、
前記ナノメートル規模の無変更領域を前記ナノメートル規模の被変更領域に変換する段階とを含むデータ記憶方法。
【請求項７】
前記位置決めする段階が、前記エネルギー放射プローブを前記記憶媒体に物理的に接触させる段階を含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記変換する段階が、１０-5ｔｏｒｒよりも高い圧力で行われる請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノメートル規模のデータ記憶領域にデータを記憶、読み取りおよび書き込みすることができるデータ記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、科学者は、代替の超高密度データ記憶装置ならびに超高密度データ記憶装置を操作するのに役立つ技術を開発してきた。これらの装置と技術は、ナノメートル規模でサイズが決められた記憶域にデータ・ビットを記憶し、従来のデータ記憶装置よりも優れた利点を持つ。そのような利点には、データ・ビットに対するアクセスがより迅速であること、１ビット当たりのコストが低いこと、および電子装置をより小型に製造できることがある。
【０００３】
図１は、それぞれ１つのデータ・ビットを記憶することができる多数の記憶域（記憶媒体４０上に正方形として示された）に分割された記憶媒体４０を含む関連技術による超高密度データ記憶装置構成を示す。図１には、一般に値「０」を表すデータ・ビットを記憶する無変更領域１４０と、一般に値「１」を表すデータ・ビットを記憶する被変更領域１３０の２つのタイプの記憶域が示されている。このような装置の任意の２つの記憶域間の代表的な周期は、１〜１００ナノメートルである。
【０００４】
図１は、また、記憶媒体４０上に位置決めされたエミッタ３５０と、エミッタ３５０と記憶媒体４０とギャップを概念的に示す。エミッタ３５０は、電子ビームを放射することができ、数百または数千ものエミッタ３５０を並列に保持することができる可動式エミッタ・アレイ支持体３６０（「マイクロムーバー」としても知られる）上に配列される。エミッタ・アレイ支持体３６０は、エミッタ・アレイ支持体３６０の上面の配線で概念的に示したように、各エミッタ３５０に対する電気接続を提供する。
【０００５】
エミッタ・アレイ支持体３６０は、記憶媒体４０に対してエミッタ３５０を移動させることができ、それにより各エミッタ３５０は、記憶媒体４０上の多数の記憶域を走査することができる。記憶媒体４０は、エミッタ・アレイ支持体３６０に対して記憶媒体４０を移動させるプラットフォーム上に配置されることもある。プラットフォームは、静電気、磁気または圧電効果を利用して作動させることができる。また、記憶媒体４０に対するエミッタ・アレイ支持体３６０の動きの範囲に依存するが、各エミッタ３５０は、何万または数百万ものデータ記憶域内のデータ・ビットにアクセスすることができる。
【０００６】
関連技術：（超高密度データ記憶装置）
前に検討した超高密度データ記憶装置のいくつかの特定の実施形態は、Ｇｉｂｓｏｎらの米国特許第５，５５７，５９６号（Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６）に開示されており、その内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００７】
Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示された装置は、被変更領域１３０と無変更領域１４０を備えた記憶媒体４０と、エミッタ３５０およびエミッタ・アレイ支持体３６０を含む。Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６の装置は、十分に確立され利用し易い半導体処理技術によって製造することができる超高密度データ記憶装置を作成するための比較的安価で便利な方法を提供している。さらに、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示された装置のいくつかは、装置動作中にエミッタ３５０が記憶媒体４０に対して移動するときに生じる可能性のあるエミッタ雑音およびエミッタ３５０と記憶媒体４０間のギャップ間隔の変化による影響をあまり受けない。そのように影響を受けない理由は、たとえばＧｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示されているダイオードデバイスの性質に関連する。なぜなら、ダイオードを基材にして記憶媒体４０を作製することにより、エミッタ３５０に定電流源を接続することが可能になり、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示されているように信号を正規化するために電子ビーム・エネルギーを信号電流と別個に監視することが可能になるためである。しかしながら、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示されている装置は、厳密な真空状態で作動されなければならない。
【０００８】
Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６による記憶媒体４０は、いくつかの形で実現することができる。たとえば、記憶媒体４０は、ｐｎ接合やショットキー障壁などのダイオードを基材（ベース）にすることができる。さらに、記憶媒体４０は、酸化亜鉛などの蛍光層とフォトダイオードの組合せを含むことができる。このタイプの構成は、記憶媒体４０の陰極（カソード）ルミネセンスの変化を監視することによって書き込まれたビットの状態を検出する。また、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６によれば、エミッタ３５０から出る電子を加速または減速するために、記憶媒体４０をエミッタ３５０と異なる電位に保持することができる。
【０００９】
Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示されているエミッタ３５０は、半導体微細加工技術によって作成された電子放出電界エミッタであり、きわめて細い電子ビームを放射する。これらは、シリコン電界エミッタでよいが、一般にモリブデン円錐エミッタおよび対応するゲートを含み、各エミッタとその対応するゲートの間にあらかじめ選択された電位差が印加されるＳｐｉｎｄｔエミッタでもよい。Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６は、また、エミッタ３５０から来る電子ビームを偏向するためにしばしば使用される静電偏向器を開示している。
【００１０】
Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６によれば、エミッタ・アレイ支持体３６０は、Ｘ方向とＹ方向両方に５０マイクロメートルのピッチでエミッタ３５０が配列された１００ｘ１００エミッタ３５０アレイを含むことができる。エミッタ・アレイ支持体３６０は、エミッタ３５０と同様に、標準的でコストの面で効果的な半導体微細加工技術によって製造することができる。さらに、エミッタ・アレイ支持体３６０の移動範囲が、５０マイクロメートルにもなるため、各エミッタ３５０を、何万から何億もの任意の記憶域上に位置決めすることができる。また、エミッタ・アレイ支持体３６０は、すべてのエミッタ３５０に同時に対応することができ、またはそれらのエミッタに多重式に対応することができる。
【００１１】
動作中、エミッタ３５０は、エミッタ・アレイ支持体３６０によって多数の記憶域上に走査され、所望の記憶域の上で、エミッタ３５０を作動させて高出力密度電子ビームと低出力密度電子ビームのどちらかで記憶域を照射することができる。エミッタ３５０と記憶媒体４０の間のギャップが大きいほど、電子ビームのスポット・サイズも広くなる傾向がある。しかしながら、エミッタ３５０は、１つの記憶域に作用できるような細い電子ビームを生成しなければならない。したがって、電子ビームを集束するためにしばしばより複雑でより高価な製造技術を必要とする電子光学素子を組み込まなければならないことがある。
【００１２】
エミッタ３５０が、十分な出力密度の電子ビームで記憶域を照射した場合、ビームは、記憶媒体４０に対して有効に書き込みを行い、照射した記憶域を無変更領域１４０から被変更領域１３０に変化させる。この書き込みは、高出力密度電子ビームの電子が記憶域を照射し、照射された記憶域が、結晶構造から非結晶（アモルファス）構造に変化したり無損傷状態から熱損傷状態に変化したりするような状態の変化を受けるときに行われる。
【００１３】
状態の変化は、照射している電子自体によって、特に電子と媒体原子との衝突が原子を再配列するときに生じることがあるが、電子のエネルギーを記憶域に送って局所的に加熱する高出力密度電子ビームによって生じることもある。結晶状態と非結晶状態の間の相転移の場合は、加熱後に急激に冷却した場合に非結晶状態になる。これと反対に、照射された記憶域をアニールするほど加熱することによって非結晶状態を結晶状態にすることができる。
【００１４】
前述の書込みプロセスは、選択された記憶媒体４０が、結晶構造と非結晶構造の間で変化できる記憶域を含み、その変化によって材料の特性にも変化が生じる場合に望ましい。たとえば、バンド構造、二次電子放出係数（ＳＥＥＣ）、結晶学的特性、後方散乱係数（ＢＥＣ）を変化させることができる。Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示された装置によれば、後で考察するように、材料特性のそのような変化を検出し、読取り操作を実行することができる。
【００１５】
記憶媒体４０としてダイオードが使用されるとき、高出力密度の照射ビームは、ダイオード表面の記憶域を結晶状態と非結晶状態との間で変化させる。後で詳しく考察するように、読取り動作を実行できるか否かは、非結晶材料と結晶材料が異なる電子特性を有するという事実に依存する。
【００１６】
フォトダイオードと蛍光体からなる記憶媒体４０に書き込むとき、エミッタ３５０は、高出力密度電子ビームで蛍光体の領域を照射してその状態を変化させる。この照射は、放射および非放射再結合中心の密度を局部的に変化させ、それにより、蛍光層の照射された領域の光放射特性が局部的に変化し、読取り操作を実行するための後で考察するようなさらに別の手法を可能にする。
【００１７】
データ・ビットを記憶媒体４０に書き込んだ後、読取りプロセスで、記憶したデータを取り出すことができる。書込みプロセスに使用される高出力密度電子ビームに対して、読取りプロセスは、低出力密度電子ビームを利用して記憶媒体４０上の記憶領域を照射する。低出力密度電子ビームは、そのビームが入射する記憶域の状態を変化させるのでなく、代わりに記憶媒体４０によって変更されるか信号電流を生成する。そのようなビームの変化または信号電流の大きさは、記憶域の状態（たとえば、結晶や非結晶）に依存し、照射されている記憶域が、被変更領域１３０か無変更領域１４０かによって大きく変化する。
【００１８】
結晶構造と非結晶構造の間で変化することができる記憶域を有する記憶媒体４０上で読取り動作を行い、その変化によって材料の特性の関連する変化が生じる場合に、信号電流は、記憶媒体から取り出されて検出器によって収集された電子からなる後方散乱または二次電子放出電流の形を取ることができる。非結晶材料と結晶材料のＳＥＥＣ係数とＢＥＣ係数が異なるため、検出器によって収集される電流の強さは、低出力密度電子ビームが、被変更領域１３０を照射しているか無変更領域１４０を照射しているかによって変化する。この差を監視することによって、照射された記憶域がデータ・ビット「１」に対応するかデータ・ビット「０」に対応するかが決定される。
【００１９】
記憶媒体４０としてダイオードを選択するとき、生成される信号電流は、低出力密度電子ビームが記憶域を照射し電子ホール対を励起するときに形成される少数キャリアからなる。この種の信号電流は、具体的には、ダイオードの境界面を通って移動し、電流として測定することができる少数キャリアからなる。生成されダイオード境界面を通って移動することができる少数キャリアの数は、材料の結晶構造によって大きく影響を受けることがあるため、ビームが様々な記憶域を照射するときの信号電流の相対的な振幅を追跡することによって、低出力密度電子ビームが照射しているのが被変更領域１３０か無変更領域１４０かを判定することができる。
【００２０】
記憶媒体４０としてフォトダイオードと蛍光体が使用される場合は、読取りに使用される低出力密度電子ビームが、蛍光体からの光子放出を誘導する。攻撃される領域が被変更領域１３０（たとえば、熱で変更された）または無変更領域１４０かにより、蛍光体内で刺激されフォトダイオードによって収集される光子の数は大きく異なる。このため、誘導された光子によってフォトダイオードに生成される少数キャリアの数が変化し、ビームが様々な記憶域を照射するときにフォトダイオード境界面を通って移動する信号電流の大きさに差が生じる。
【００２１】
以上説明した多くの実施形態において、書出しプロセスの後で記憶媒体４０上にあるすべての被変更領域１３０をリセットするためにバルク消去操作が可能である。たとえば、半導体記憶媒体４０全体を適切に加熱し冷却すると、記憶媒体４０全体をその初期結晶状態または非結晶構造にリセットし、書き込まれているデータ・ビットを効果的に消去することができる。フォトダイオード記憶媒体４０の場合は、バルク熱処理（アニールなどの処理）によって、熱的に変更した領域をリセットすることができる。
【００２２】
関連技術：原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
図２は、関連技術に従う、チップ２０と、チップ２０を支持しそれ自体がＡＦＭ（図示せず）の他の構成要素によって支持された柔軟な支持体３０と、柔軟な支持体（サスペンション）３０の上面に付着された圧電材料５０とからなる代表的なＡＦＭプローブ１０の側面図を示す。
【００２３】
プローブ１０は、当技術分野において周知であり本明細書では概略的にのみ説明する接触モード、非接触モードまたはタッピング（断続接触）ＡＦＭモードで動作することができる。接触モードは、チップ２０と記憶媒体４０の直接接触を可能にし、非接触モード（図示せず）は、チップ２０を記憶媒体４０に近接した状態（一般に、約１００ナノメートル以下）に維持する。タッピング・モードは、柔軟なサスペンション３０が、記憶媒体４０の表面と垂直な方向に振動するのを可能にし、プローブ１０が記憶媒体４０に対して平行に移動し、したがって、チップ２０が記憶媒体４０と断続的に接触またはかろうじて接触し、記憶媒体４０と直接接触した位置と近接位置の間で動く。
【００２４】
チップ２０は、一般に、一般的な半導体製造技術によるシリコンまたはシリコン化合物からなるがそれらに限定されない。チップ２０は、一般に、前に考察した記憶媒体４０などの基板の表面形状の寸法を測定するために使用されるが、チップ２０を使用して、記憶媒体４０の電気特性を測定することもできる。
【００２５】
前に説明したように、断続接触すなわちタッピング・モードに振動することが必要とされるので、あるいは走査中の記憶媒体に対するチップ・サスペンションの望ましくない非平行運動に対応するために振動することが必要とされるので、図２のチップ２０は、（チップを接触状態または適切な作動距離に維持するために）振動するのに十分にフレキシブルな柔軟なサスペンション３０に取り付けられる。柔軟なサスペンション３０は、一般に、一端にチップ２０を保持し、他端がＡＦＭまたはＳＴＭ構造の残りの部分に取り付けられそれにより支持される。代表的なＡＦＭ構造において、記憶媒体４０は、チップ２０に対して移動されるプラットフォーム上に乗り、プラットフォームが移動するときにチップ２０が記憶媒体４０を横切って走査することができる。
【００２６】
図２は、柔軟なサスペンション３０の上面に付着された圧電材料５０を示す。チップ２０が記憶媒体４０を横切って移動するとき、チップ２０は、記憶媒体４０上の表面の凹凸に従って柔軟なサスペンション３０を上下に動かす。この動きによって、圧電材料５０が圧縮または伸長し、そこに電流が流れたり検出可能な電圧の変化が生じる。この電圧または電流は、センサ（図示せず）によって監視され、ＡＦＭまたはＳＴＭの他の構成要素によって処理され、走査領域の表面微細構造の画像が作成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
関連技術の欠点：代表的な超高密度データ記憶装置、つまりＧｉｂｓｏｎ特許'５９６に開示された装置、および前述のＡＦＭ／ＳＴＭ装置は、高密度データ記憶装置を作成するためのいくつかの欠点を有する。
【００２８】
たとえば、超高密度データ記憶装置には、比較的少ない信号電流、比較的大きいビームスポット・サイズおよび比較的低い信号対雑音比（SN比）のうちの少なくとも１つの欠点がある。
【００２９】
比較的低い信号対雑音比の欠点の理由には、エミッタ３５０が記憶媒体４０に対して移動しているときに非接触法（たとえば、電界エミッタやＳＴＭチップ）を利用する装置が、エミッタ３５０と記憶媒体４０とのギャップ距離の変化を受けやすいことがある。そのようなギャップ距離の変化は、照射された記憶域の状態の変化に起因しない信号電流の大きい変化を発生させ、それにより雑音が増大する。
【００３０】
比較的大きいスポット・サイズは、ギャップ距離によるビームの拡がりに少なくとも部分的に起因することがある。スポット・サイズを小さくするために、電子ビームを集束する電子光学素子を使用することができる。しかしながら、そのような構成は、複雑になるという欠点を有し、したがって製造がより困難で高価になることが多い。
【００３１】
非接触法を利用する現在の超高密度記憶装置の他の欠点は、記憶媒体４０とエミッタ３５０の間のギャップ距離を受動的に制御できないことである。より正確に言うと、エミッタ３５０が、記憶媒体４０と直接接触していないので、すべての記憶域を実質的に同じ濃度のビーム電子で読み書きするようにするためには、エミッタ３５０と記憶媒体４０間のギャップ距離を連続的に監視し維持する必要がある。
【００３２】
超高密度データ記憶装置のさらに他の欠点は、少なくとも不完全な真空状態で動作しかつしばしば厳密な真空状態でのみ事実上動作するような装置が必要とされる場合があることである。
【００３３】
したがって、必要とされるものは、比較的大きい信号電流を提供し、高価な集束光学素子を必要とすることなく比較的集束したビームが記憶媒体に照射でき、比較的良好な信号対雑音比の装置を提供する超高密度装置である。
【００３４】
必要なものは、記憶媒体と装置のエミッタの間の距離を監視し動的に制御したりエミッタの焦点を制御したりする必要を本質的になくす、記憶媒体にデータを読書きするための装置および方法である。
【００３５】
必要なものは、エミッタのまわりを真空にする必要性を減少させるかまたは必要な真空度を低くする、記憶媒体にデータを読書きするための装置および方法である。
【００３６】
必要なものは、エミッタと記憶媒体の間により一定のビーム・フラックスを維持することができる、記憶媒体にデータを読書きするための装置および方法である。
【００３７】
必要なものは、超高密度データ記憶用のデータ記憶装置を製造し操作するための、迅速で確実でコスト面で効果的であり便利な方法である。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明のある実施形態は、整流接合領域を含む記憶媒体と、整流接合領域の近くの少なくとも１つのナノメートル規模の無変更領域と、整流接合領域の近くの少なくとも１つのナノメートル規模の被変更領域と、記憶媒体の表面の近傍内に位置決めされた少なくとも１つのエネルギー放射プローブとを含むデータ記憶装置を対象とする。
【００３９】
本発明のある実施形態は、また、整流接合領域とナノメートル規模の無変更領域を含む記憶媒体を提供する段階と、記憶媒体の近傍内にエネルギー・チャネリング構成要素（エネルギーの通路となり、そこからエネルギーを放射することができる構成要素で、例えばチップである）を位置決めする段階と、ナノメートル規模の無変更領域をナノメートル規模の被変更領域に変換する段階とを含むデータ記憶方法を対象とする。
【００４０】
本発明のある実施形態は、比較的大きい信号電流を提供し、比較的集束されたビームが、高価なビーム集束用光学素子を必要とせずに記憶媒体を照射することを可能にし、装置の比較的良好な信号対雑音比を実現する超高密度装置を提供する。
【００４１】
本発明のある実施形態は、エミッタのまわりを真空にする必要を減少させるか必要な真空度を低くする、記憶媒体にデータを読み書きするための装置および方法を提供する。
【００４２】
本発明のある実施形態は、エミッタと記憶媒体の間により一定のビーム・フラックスを維持できるようにする、記憶媒体にデータを読み書きするための装置および方法を提供する。
【００４３】
本発明のある実施形態は、超高密度データ記憶用のデータ記憶装置を製造し操作する迅速で確実でコスト効率が高く便利な方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図３ａは、本発明のある実施形態に係るエネルギー放射プローブ１０５を示す。図３ａには単一のプローブ１０５を示しているが、本発明のある実施形態は、前に考察したように複数のプローブ１０５がエミッタ・アレイ支持体３６０に取り付けられた超高密度データ記憶装置の構成を含む。
【００４５】
Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６で考察されたエミッタ・アレイ支持体３６０の実施形態の他に、本発明のある実施形態は、１気圧やその他の１０-5ｔｏｒｒを超える圧力で動作できるため、本発明のいくつかの実施形態は、真空ケーシングに取り付けられていないエミッタ・アレイ支持体３６０構成を含む。そのような実施形態によれば、エミッタ・アレイ支持体３６０は、その代わりに、記憶媒体４０上の所望の位置にエミッタ・アレイ支持体３６０を位置決めするために、一般にＡＦＭ／ＳＴＭ構成内に含まれる構成要素によってあるいは当業者が知っている構成要素によって支持される。また、エミッタ・アレイ支持体３６０上のプローブ１０５は、単一記憶域に対して読み書きすることができ、あるいは最大数百万もの記憶域を横切って走査することができる。さらに、本発明のある実施形態によるエミッタ・アレイ支持体３６０構成は、５０ミクロンを超える移動範囲を有することができる。さらに、本発明による記憶媒体４０は、１つまたは複数の整流接合を含むことができる。
【００４６】
エミッタ・アレイ支持体３６０によって支持されたエネルギー放射プローブ１０５は、本発明のある実施形態においては、同時または多重式に扱われ、プローブへの配線は、図１に示した単一の配線に限定されない。実施形態によって、１つまたは多数の配線を使用することができる。
【００４７】
本発明のある実施形態によれば、各プローブ１０５は、エネルギー源１５０を、チップ１２０に結合するかあるいはプローブ１０５から記憶媒体４０への直接的または間接的な他のエネルギー・チャネリング構成要素に結合する接続８０を有する柔軟なサスペンション１１０を含む。エネルギー源１５０は、チップ１２０が局部的なエネルギー源を提供することを可能にし、ある実施形態により、放射されたビームが入射する記憶媒体４０の領域の状態を変化させることができる高出力密度ビームを放射することができる。ある実施形態において、チップ１２０は、記憶媒体４０と直接接触してもよく、あるいは、非接触モードと断続接触モードのいずれかでＡＦＭ構成に代表的な距離だけ記憶媒体から離されてもよい。
【００４８】
本発明のある実施形態におけるチップ１２０は、前に考察したように記憶域の状態を変化させることによって無変更領域１４０を被変更領域１３０に変えることができる電子、光、熱または他のエネルギーを含むがそれらに限定されない形のエネルギー・ビームを放射することができる。前述のデータ・ビットは、たとえば非結晶状態と結晶状態のいずれかあるいは熱的に変更された状態と変更されていない状態のいずれかであるという点で二値であるが、本発明のある実施形態は、たとえばデータ・ビットの状態を、非結晶状態といくつかの結晶状態のうちの１つの状態のどれかになるように選択することができる非二値データ・ビットを含む。
【００４９】
本発明のある実施形態によれば、前に検討した記憶媒体４０の実施形態の他に、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６に具体的に開示されていないｐ+−ｐ接合とｎ+−ｎ接合および整流接合を使用することができる。さらに、ある実施形態によれば、記憶媒体４０の一部として、可逆に相転移する半導体カルコゲニド材料を使用することもできる。この場合、本発明のいくつかの他の実施形態によれば、直接バンドギャップＩＩＩ−ＶＩカルコゲニドを主成分とする相転移材料を使用することが好ましい。
【００５０】
また、記憶媒体４０は、図３ｂに示したように、陰極線導電率（cathodoconductivity）（つまり、陰極線の照射に起因する導電率）の測定値を記録できるように構成することができる。本発明のそのような実施形態において、記憶媒体４０を構成する材料は、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓなどの元素のうちの少なくとも１つからなる陰極線導電性ＩＩＩ−ＶＩカルコゲニド（cathodoconductive chalcogenide）（つまり、陰極線による導電性を生じるカルコゲニド）を主成分とする相転移材料でよい。
【００５１】
図３ｂに示したように、被変更領域１３０と無変更領域１４０は、記憶媒体４０に接した状態の電極１２５、１３５の間に位置している。電極１２５、１３５は、被変更領域１３０と無変更領域１４０の上、下または横に位置してもよく、記憶媒体４０内に複数対の電極１２５、１３５があってもよい。電極１２５、１３５にバイアス電圧が印加されるとき、陰極線導電性の記憶媒体４０の平面に電界Ｅが生成され、電極１２５、１３５の間に暗電流が流れる。
【００５２】
陰極線導電率の測定を行うとき、被変更領域１３０と無変更領域１４０は、チップ１２０から放射される電子ビームによって照射され、電子キャリアとホール・キャリアが作られ、電界Ｅが自由キャリアを電極１２５、１３５の方に加速し、一方の電極に取り付けられたセンサ（図示せず）が、電子とホールの移動によって生じる信号電流を検出することができる。被変更領域１３０と無変更領域１４０の照射によって、異なる濃度のキャリアが生成され収集され、信号電流の振幅をチップ１２０の位置の関数として監視することによって読取り動作を実行することができる。
【００５３】
本発明のある実施形態によれば、前に検討したエミッタ３５０の他に、平形の陰極エミッタなどを含むがそれらに限定されないエミッタ３５０を使用して、記憶媒体４０に対する読み書きに必要なエネルギー・ビームを生成することができる。
【００５４】
図３ａと図３ｂでは、チップ１２０が、接触ＡＦＭモードとして示されているが、チップ１２０は、非接触モードとタッピングＡＦＭモードでも動作することができる。また、柔軟なサスペンション１１０は、本発明の実施形態における他の構成要素と互換性のあるような当業者に既知の他の幾何学的形状をとることができる。
【００５５】
図３ａと図３ｂに示したチップ１２０の幾何学的形状に加えて、本発明はある実施形態は、他の構成要素またはチップ形状を含むことができ、そのいくつかの例は、Ｇｉｂｓｏｎらによる米国特許第５，９３６，２４３号（Ｇｉｂｓｏｎ特許'２４３）に開示され、その内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の実施形態において使用される構成要素またはチップは、当業者が本発明を実施する際に使用できることがわかっている任意の幾何学形状を有することができ、一般に、前に考察した高出力密度ビームをチャネリングするときに受ける温度条件に耐えることができる材料で形成されなければならない。
【００５６】
図３ａと図３ｂに示したチップ１２０などの構成要素は、耐摩耗粒子（記憶媒体４０を横切って移動し接触するときのチップ１２０の寿命を長くする）、減摩耗粒子（記憶媒体４０の引っかき傷を防ぐ）、導電性粒子などであるがこれらに限定されない様々なタイプの粒子からなる複合材料を含むことができる。このような複合材料によって、チップ１２０が導電性になり、高密度エネルギー・ビームを放射できる一方で、またチップ１２０と記憶媒体４０の寿命を延ばすことができる。
【００５７】
図４ａに示したような本発明のある他の実施形態は、シース付きチップ１６０を含むことができる。図４ａは、接触モード、非接触モードまたはタッピング・モードで動作することができるエネルギー放射プローブ１５５を示す。図示した非接触モードにおいて、チップ１６０と記憶媒体４０の間の距離は、１００ナノメートル未満である。タッピング・モードでは、ＡＦＭ操作と同じ範囲の振幅と周波数を使用することができる。
【００５８】
図４ａのチップ１６０は、導電材料からなり、前に考察したように無変更領域１４０を被変更領域１３０に変換するのに十分な出力密度のエネルギー・ビームを放射することができるコア１７０を含む。チップ１６０は、また、耐摩耗材料または減摩耗材料からなり、コア１７０として柔軟なサスペンション１１０から実質的に同じ距離だけ突出している外被１８０を含む。
【００５９】
外被１８０の目的には、プローブ１５５がタッピング・モードまたは接触ＡＦＭモードで操作されるときにチップ１６０の寿命を延ばすことがある。
【００６０】
図４ｂは、記憶媒体４０に接触しているエネルギー放射プローブ２１５を示す。プローブ２１５を、タッピング・モードと非接触モードで動作することもできるが、図示した接触モードでは、接触シース２３０が、柔軟なサスペンション１１０から突出している。ある実施形態によれば、接触シース２３０は、非接触コア２２０よりも約１００ナノメートル以上突出している。接触シース２３０が、耐摩耗材料または減摩耗材料からなるため、接触シース２３０は、非接触コア２２０が記憶媒体４０と直接接触して摩耗しないようにすることによってチップ２２５の寿命を延ばす。非接触コア２２０は、高出力密度エネルギー・ビームを放射し、エネルギー源１５０（図示せず）に接続される。
【００６１】
接触シース２３０が記憶媒体４０と直接接触しているとき、放射非接触コア２２０は、プローブ２１５が記憶媒体４０を横切って移動するときに記憶媒体４０から実質的に一定の距離に位置決めされるため、本発明のいくつかの実施形態の利点が得られる。したがって、特定の実施形態によっては、ビーム放射源が記憶媒体４０から離れて位置決めされるときでも、必要な集束光学素子を簡素化することができ、それにより製造と書込み動作の制御プロセスが容易になる。特に、ギャップ制御のためのサーボ制御が不要であり、したがって、集束光学素子を簡素化することができ、場合によってはなくすこともできる。
【００６２】
図５は、本発明の他の実施形態を示し、ここで、エネルギー放射プローブ１８５は、非接触エネルギー・チャネリング構成要素すなわちチップ１９０と接触位置決め構成要素すなわちチップ２００の２つの構成要素すなわちチップを含む。上記と下記で考察するプローブと同じように、プローブ１８５は、前に考察したＡＦＭモードのどれにもまた前に考察した記憶媒体４０のどれにも使用することができる。本質的には、本明細書で開示する本発明のすべての実施形態のすべての構成要素を組み合せ整合させて、本発明の範囲内の他の実施形態を構成することができる。
【００６３】
接触チップ２００は、エネルギー・ビームを放射する非接触チップ１９０の寿命を延ばすためかつ／または記憶媒体の寿命を延ばすために耐摩耗材料または減摩耗材料からなる。接触チップ２００は、接触シース２３０と同じように、位置の監視と制御を必要とせずに非接触チップ１９０を記憶媒体４０に対して一定距離に位置決めすることができ、ビーム集束光学素子の要件を容易にする。さらに、減摩耗材料からなるとき、接触チップ２００は、繰返し読書き動作で生じる可能性がある記憶媒体４０の傷や溝を減少させる。
【００６４】
また、図５に、図５に示した本発明の実施形態と関連し、上記また下記で考察される本発明の他の多くの実施形態で使用可能な表面層２１０が示される。表面層２１０によって提供される利点には、繰返し読書き動作において記憶媒体４０の寿命を延ばす機能がある。
【００６５】
表面層２１０は、記憶媒体４０の摩耗、蒸発／アブレーションまたは材料の流れ、およびそれと関連する表面微細形状の変化を減少させることができる任意の材料で形成することができる。また、表面層２１０は、本発明の範囲内にある任意のチップの汚れを防ぐことができる任意の材料から形成することができる。本発明のある実施形態において、表面層２１０は、導電性表面電極としてはたらくことができる。他の実施形態において、表面層２１０は、二酸化ケイ素やアルミナ（Ａｌ2０3）などのであるがそれらに限定されない材料で作成することができる。
【００６６】
表面層２１０のもう１つの利点は、表面層２１０を構成する材料が、記憶媒体４０よりも高い融点を有することができるため、前に考察した書込み動作の際に、チップが接触ＡＦＭモードで使用されるときでも、表面層２１０があるために、本発明のプローブ・チップのどれかに記憶媒体４０材料が付着するのが防止されることである。特に、光が、使用されている種類のエネルギー・ビームの場合、表面層２１０は、光を透過する材料から選択することができ、さらにどんな種類のエネルギー・ビームの場合にも、１つまたは複数の材料の層を表面層２１０と記憶媒体４０の間に配置することができることに注意されたい。
【００６７】
図６ａは、記憶媒体４０を、少数キャリアが移動するダイオード境界面２９０を有するダイオード２４０の形で示す。少数キャリアの生成およびダイオード境界面２９０を横切るその移動は、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６で考察されているダイオード構成と類似している。すなわち、被変更領域１３０と無変更領域２４０で異なる数のキャリアが生成される。さらに、生成されたそのようなキャリヤのうち、Ｇｉｂｓｏｎ特許'５９６で考察された原因によって収集効率が異なるものがある。電流計２５０に流れる全電流を読み取り、それを使用して、照射されたダイオード２４０の記憶域が、被変更領域１３０か無変更領域１４０かを判定する。図６ａに示したダイオード構成は、本発明の実施形態の範囲内に含まれるプローブおよび装置構成要素のどれとも一緒に使用することができることに注意されたい。
【００６８】
図６ｂは、本発明の実施形態を示し、この実施形態では、フォトダイオード境界面３００を有するフォトダイオード２７０とフォトダイオード２７０上に付着された蛍光体２８０が存在する。また、前述の表面層２１０は、本発明のある実施形態において蛍光体２８０を保護する。本発明のある実施形態において、フォトダイオードまたは光検出器を使用して、電子ビームの照射による刺激された光子放出を監視することができる。
【００６９】
前に考察したように、本発明の蛍光体層２８０は酸化亜鉛でよいが、直接バンドギャップＩＩＩ−ＶＩカルコゲニドを主成分とする相転移材料などであるがそれらに限定されない材料からも選択することができる。蛍光層２８０には、前に考察した方法およびＧｉｂｓｏｎ特許'５９６の方法で書き込むことができる。さらに、本発明のある実施形態では、蛍光体２８０には、たとえば材料の電子バンド構造を変更するように蛍光体層２８０を変更する方法（たとえば、直接バンドギャップ材料から間接バンドギャップ材料に変更する）によって書き込むことができる。本発明のある実施形態では、蛍光体層２８０には、たとえば様々な量の光が材料から漏れるように放射の波長、生成速度または媒体の光学特性を変化させることによって書き込むことができる。さらに、本発明のある実施形態は、非放射再結合部分の濃度を変更することによって蛍光体層２８０に書き込む。
【００７０】
本発明のある実施形態において、本発明のいくつかの実施形態の範囲内にある前に考察した任意のプローブやその他の任意のプローブを使用して、蛍光体２８０または記憶媒体４０の他の実施形態に対して書き読みすることができる。読取り動作中に、蛍光体２８０の被変更領域１３０からその無変更領域１４０と異なる数の光子が放射され、それにより、フォトダイオード境界面３００を通過する異なる数の少数キャリアが生成される。計器２５０を使用して、フォトダイオード構成と関連して使用されるプローブのチップから出るエネルギー・ビームが、被変更領域１３０か無変更領域１４０のどちらを照射しているかを判定することができる。
【００７１】
前述の実施形態は、本発明のいくつかの部分を表わしているが、本明細書で開示した本発明のこの仕様または実施を検討することにより、当業者には本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。仕様と例が単なる例とみなされ、本発明が特許請求の範囲およびその等価物によって定義されることが意図される。
【００７２】
以下に、本発明の実施形態を列挙する。
【００７３】
（１）整流接合領域を含む記憶媒体４０と、前記整流接合領域の近くにある少なくとも１つのナノメートル規模の無変更領域１４０と、前記整流接合領域の近くにある少なくとも１つののナノメートル規模の被変更領域１３０と、前記記憶媒体４０の表面の近傍内に位置決めされた少なくとも１つのエネルギー放射プローブ１０５とを含むデータ記憶装置。
【００７４】
（２）前記整流接合が、蛍光体層が付着されたフォトダイオード、ｐｎ接合、ｐ+−ｐ接合、ｎ+−ｎ接合、少なくとも２つの電極１２５、１３５を備えた陰極線導電性材料（cathodoconductive material）、およびショットキー障壁を含むグループから選択された少なくとも１つの装置を含む上記（１）に記載のデータ記憶装置。
【００７５】
（３）前記被変更領域１３０が、無変更領域１４０に含まれる材料と異なる物理状態の材料を含む上記（１）に記載のデータ記憶装置。
【００７６】
（４）前記エネルギー放射プローブ１０５が、さらに、エネルギー・チャネリング構成要素１２０を含む上記（１）に記載のデータ記憶装置。
【００７７】
（５）前記エネルギー・チャネリング構成要素１２０が、前記記憶媒体４０と直接接触している上記（４）に記載のデータ記憶装置。
【００７８】
（６）前記エネルギー・チャネリング構成要素１２０が、コア２２０とシース２３０を含む上記（４）に記載のデータ記憶装置。
【００７９】
（７）前記エネルギー放射プローブ１０５が、さらに、エネルギー・チャネリング構成要素１２０よりも記憶媒体４０の表面の方にさらに延びる位置決め構成要素２００をさらに含む上記（４）に記載のデータ記憶装置。
【００８０】
（８）整流接合領域とナノメートル規模の無変更領域１４０とを含む記憶媒体４０を提供する段階と、前記記憶媒体４０の近傍内にエネルギー・チャネリング構成要素１２０を位置決めする段階と、前記ナノメートル規模の無変更領域１４０を前記ナノメートル規模の被変更領域１３０に変換する段階とを含むデータ記憶方法。
【００８１】
（９）前記位置決めする段階が、前記エネルギー・チャネリング構成要素１２０を前記記憶媒体４０に物理的に接触させる段階を含む上記（８）に記載の方法。
【００８２】
（１０）前記変換する段階が、１０-5ｔｏｒｒよりも高い圧力で行われる上記（８）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】関連技術による超高密度データ記憶装置を示す図である。
【図２】関連技術によるＡＦＭプローブ構成の側面図である。
【図３】チップの第１の実施形態と共にＡＦＭ接触動作モードが使用される本発明のある実施形態によるデータ記憶装置の側面図である。（ａ）は通常の場合、（ｂ）は導電率の測定がされる場合、を示す。
【図４】（ａ）はＡＦＭ非接触またはタッピング動作モードが、図３ａに示したチップと異なるチップと共に使用される本発明のある実施形態の側面図である。（ｂ）チップが、記憶媒体と接触している部分と記憶媒体からオフセットされた（離れた）部分とを有する本発明の他の実施形態を示す図である。
【図５】柔軟なサスペンション上に２つのチップがあり、その一方のチップが記憶媒体と接触するが他方のチップは記憶媒体と接触しない本発明のもう１つの実施形態を示す図である。
【図６】（ａ）は、本発明のいくつかの実施形態によるダイオード形記憶媒体を示す図である。（ｂ）は、本発明のいくつかの実施形態による蛍光体／フォトダイオード型記憶媒体を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
４０ 記憶媒体
１０５ エネルギー放射プローブ
１２０ エネルギー・チャネリング構成要素（チップ）
１２５、１３５ 電極
１３０ 被変更領域
１４０ 無変更領域
２２０ コア
２３０ シース
【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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