(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が記録媒体の主面に垂直になるように配置される、積層構造と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記積層構造内に電子を生成する第１のバイアス回路と、
前記積層構造と前記記録媒体との間に第２の電圧を供給し、前記記録媒体に前記電子を注入する第２のバイアス回路と、
を具備することを特徴とする記録再生ヘッド。
【請求項２】
前記第１の導電層及び前記第２の導電層の各々は、その膜厚が２乃至５ｎｍであり、
前記第１の絶縁層は、その膜厚が２乃至５ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の記録再生ヘッド。
【請求項３】
前記第１の絶縁層は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＣから選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載の記録再生ヘッド。
【請求項４】
前記第２の導電層上に積層され、かつ前記電子が外部に逃げるのを防ぐ第２の絶縁層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の記録再生ヘッド。
【請求項５】
前記積層構造は、前記第２の導電層上に積層された第２の絶縁層と第３の導電層とを含み、
前記第２の絶縁層及び前記第３の導電層は、これらの層の接合面が記録媒体の主面に垂直になるように配置され、
前記第１のバイアス回路は、前記第３の導電層と前記第２の導電層との間に前記第１の電圧を供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の記録再生ヘッド。
【請求項６】
情報が記録される記録媒体と、
第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が前記記録媒体の主面に垂直になるように配置される、積層構造と、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記積層構造内に電子を生成する第１のバイアス回路と、
前記積層構造と前記記録媒体との間に第２の電圧を供給し、前記記録媒体に前記電子を注入する第２のバイアス回路と、
を具備することを特徴とする記録再生装置。
【請求項７】
前記記録媒体は、電極層と、前記電極層上に設けられた下部絶縁層と、前記下部絶縁層上に設けられかつ情報を記録する記録層と、前記記録層上に設けられた上部絶縁層とを含み、
前記記録層は、前記積層構造から注入された電子により電荷を蓄積することを特徴とする請求項６に記載の記録再生装置。
【請求項８】
前記記録媒体は、電極層と、前記電極層上に設けられかつ強誘電体により構成されかつ情報を記録する記録層とを含み、
前記積層構造は、前記記録媒体に記録された情報を再生する場合に、前記記録媒体に電子を注入して前記記録媒体の上面に吸着したイオンを取り除くことを特徴とする請求項６に記載の記録再生装置。
【請求項９】
前記記録媒体は、電極層と、前記電極層上に設けられかつ相変化材料により構成されかつ情報を記録する記録層とを含み、
前記記録層は、前記積層構造から注入された電子により結晶質状態あるいは非晶質状態に変化することを特徴とする請求項６に記載の記録再生装置。
【請求項１０】
記録ヘッドを用いて記録媒体に情報を記録する記録方法であって、
前記記録ヘッドは、第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が前記記録媒体の主面に垂直になるように配置され、
前記記録方法は、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記記録ヘッド内に電子を生成するステップと、
前記記録ヘッドと前記記録媒体との間に第２の電圧を供給し、前記記録媒体に前記電子を注入するステップと、
を具備することを特徴とする記録方法。
【請求項１１】
前記記録媒体は、相変化材料からなる記録層を含み、
前記記録層は、前記電子により結晶質状態あるいは非晶質状態に変化することを特徴とする請求項１０に記載の記録方法。
【請求項１２】
再生ヘッドを用いて記録媒体の情報を再生する再生方法であって、
前記再生ヘッドは、第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が前記記録媒体の主面に垂直になるように配置され、
前記再生方法は、
前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記再生ヘッド内に電子を生成するステップと、
前記再生ヘッドと前記記録媒体との間に定電流を流すことにより、前記記録媒体に含まれる記録層に電荷を誘起するステップと、
前記記録層に誘起された電荷をＦＥＴセンサにより感知し、前記ＦＥＴセンサのソース領域とドレイン領域との間の電流を測定するステップと
を具備することを特徴とする再生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録再生ヘッド、記録再生装置、記録方法および再生方法に係り、特に電子を注入して情報を記録あるいは再生する記録再生ヘッド、記録再生装置、記録方法および再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会においては、情報量は増大の一途を辿っている。これに対応して、従来より飛躍的に記録密度の高い記録方法や、それに基づく記録装置の出現が待望されている。
【０００３】
プローブ型記録装置の代表である磁気記録装置では、情報が記録される記録層にアクセスするための配線がなく、記録層内の隣接部分への誤書き込みを防ぎかつ速度低下を防ぐための複雑な素子構造に対する制限が生じない。また、同時にいくつもの記録層にアクセスすることもないため発熱の問題もなく、微細化に際して有利と考えられる。
【０００４】
実際、記録媒体の記録密度の限界は、１Ｔｂｐｓｉ（bits per square inch）を優に超えると考えられている。しかしながら、記録ヘッドおよび再生ヘッドは、電子スピンの向きを制御する等の複雑な構造を有するため、５０ｎｍ以下の微細化の達成が困難である点が問題である。
【０００５】
また、磁気の代わりに電荷を蓄積する方式のプローブ型記録装置は、ヘッドの構造は磁気に比べて単純であるため微細化は可能である。実際、記録媒体を近接場光ヘッドで加熱し記録媒体側から電子を引き出す方式（例えば、特許文献１）や、逆にプローブ側をやはり光で加熱し電子を引き出す方式（例えば、特許文献２）等が提案されている。また、記録媒体に強誘電体を具備し、この強誘電体に外部から電圧を印加することにより誘電分極を引き起こして情報を記録する方式（例えば、特許文献３）等が提案されている。
【０００６】
しかし、文献１及び文献２は、かなりのコスト増加を引き起こすとともに近接場光ヘッドの微細化限界が２０ｎｍ程度以上と考えられる。また、文献３は、強誘電体を５０ｎｍ以下まで微細化すると、その強誘電性が消失する等の問題が生じる。
【特許文献１】特開２００１−１８９０３０号公報
【特許文献２】特開２００１−２８３４７９号公報
【特許文献３】特開２００４−１４０１６Ａ号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、記録密度を小さくすることが可能であり、かつ微細化が可能な記録再生ヘッド、記録再生装置、記録方法および再生方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一視点に係る記録再生ヘッドは、第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が記録媒体の主面に垂直になるように配置される、積層構造と、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記積層構造内に電子を生成する第１のバイアス回路と、前記積層構造と前記記録媒体との間に第２の電圧を供給し、前記記録媒体に前記電子を注入する第２のバイアス回路とを具備する。
【０００９】
本発明の一視点に係る記録再生装置は、情報が記録される記録媒体と、第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が前記記録媒体の主面に垂直になるように配置される、積層構造と、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記積層構造内に電子を生成する第１のバイアス回路と、前記積層構造と前記記録媒体との間に第２の電圧を供給し、前記記録媒体に前記電子を注入する第２のバイアス回路とを具備する。
【００１０】
本発明の一視点に係る記録方法は、記録ヘッドを用いて記録媒体に情報を記録する記録方法であって、前記記録ヘッドは、第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が前記記録媒体の主面に垂直になるように配置され、前記記録方法は、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記記録ヘッド内に電子を生成するステップと、前記記録ヘッドと前記記録媒体との間に第２の電圧を供給し、前記記録媒体に前記電子を注入するステップとを具備する。
【００１３】
本発明の一視点に係る再生方法は、再生ヘッドを用いて記録媒体の情報を再生する再生方法であって、前記再生ヘッドは、第１の導電層、第１の絶縁層及び第２の導電層が積層され、前記第１の導電層、前記第１の絶縁層及び前記第２の導電層は、これらの層の接合面が前記記録媒体の主面に垂直になるように配置され、前記再生方法は、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第１の電圧を供給し、前記再生ヘッド内に電子を生成するステップと、前記再生ヘッドと前記記録媒体との間に定電流を流すことにより、前記記録媒体に含まれる記録層に電荷を誘起するステップと、前記記録層に誘起された電荷をＦＥＴセンサにより感知し、前記ＦＥＴセンサのソース領域とドレイン領域との間の電流を測定するステップとを具備する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、記録密度を小さくすることが可能であり、かつ微細化が可能な記録再生ヘッド、記録再生装置、記録方法および再生方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１６】
先ず、本発明の記録再生装置の原理について説明する。図１は、本発明の記録再生装置の原理を説明するための断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体１００と、情報を記録媒体１００に記録し或いは記録媒体１００に記録された情報を再生する記録再生ヘッド２００とを備えている。
【００１７】
記録媒体１００は、基板１０１と、基板１０１上に設けられた電極層１０２と、電極層１０２上に設けられた絶縁層１０３と、絶縁層１０３内に設けられた記録層１０４とを備えている。記録層１０４及び絶縁層１０３の具体的な構成は、以下のようになる。
【００１８】
記録層１０４は、導電性を有する複数の部分から構成され、各々の部分は絶縁層１０３で分離されておりかつ電気的に浮遊している。すなわち、記録層１０４は、スリット構造を有している。
【００１９】
絶縁層１０３は、下部絶縁層１０３ａ、絶縁層１０３ｂ及び上部絶縁層１０３ｃにより構成されている。下部絶縁層１０３ａは、電極層１０２と記録層１０４との間に設けられている。絶縁層１０３ｂは、記録層１０４を構成する複数の部分の間に設けられている。上部絶縁層１０３ｃは、記録層１０４及び絶縁層１０３ｂ上に設けられている。
【００２０】
記録再生ヘッド２００は、導電層２０１、絶縁層２０２、導電層２０３及び絶縁層２０４が順に積層されて構成されている（以下、構造Ａと称する）。導電層２０１及び導電層２０３は、絶縁層２０２に電界を印加し、かつ絶縁層２０２をトンネルするトンネル電流を流すために設けられている。
【００２１】
絶縁層２０２は、導電層２０１から供給される電子のエネルギーを大きし、ホットエレクトロンを生成するために設けられている。すなわち、ホットエレクトロンのエネルギーは、絶縁層２０２の膜厚及びバンドギャップに基づいて決定される。絶縁層２０４は、導電層２０３内に生成されたホットエレクトロンが直進して外に逃げるのを防ぐために設けられている。
【００２２】
記録再生ヘッド２００を構成する複数の層（すなわち、導電層２０１、絶縁層２０２、導電層２０３及び絶縁層２０４）の接合面は、記録媒体１００の主面に沿った方向（すなわち、膜厚方向に垂直な方向である膜面方向）に対して垂直になるように配置される。
【００２３】
導電層２０１及び導電層２０３には、導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加するバイアス回路３０１が接続されている。また、記録再生ヘッド２００（具体的には、導電層２０１）及び電極層１０２には、記録再生ヘッド２００と電極層１０２との間に負電圧を印加するバイアス回路３０２が接続されている。
【００２４】
このように構成された記録再生装置の記録動作について説明する。先ず、導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加する。すると、トンネル効果により、導電層２０１から導電層２０３に絶縁層２０２を介してトンネル電流が流れる。これと同時に、記録再生ヘッド２００と記録媒体１００との間（具体的には、導電層２０１と電極層１０２との間）にも負電圧を印加する。
【００２５】
この時、トンネル電流が絶縁層２０２を流れることにより生成されたホットエレクトロンは、電子として記録媒体１００の記録層１０４に引き込まれる。これにより、記録層１０４は、電荷を蓄積する。このようにして、記録媒体１００に情報を記録することができる。
【００２６】
また、記録再生ヘッド２００を構成する複数の層の接合面を記録媒体１００の主面に対して垂直にすることにより、絶縁層２０２と導電層２０３との接合面付近から電子が飛び出してくることになる。すなわち、極めて微細な領域から電子が飛び出してくるため、記録密度を向上させることが可能となる。さらに、記録再生ヘッド２００を微細化することが可能となる。
【００２７】
図２は、本発明の記録再生装置の原理の他の一例を説明するための断面図である。記録再生ヘッド２００は、導電層２０１、絶縁層２０２、導電層２０３、絶縁層２０４及び導電層２０５が順に積層されて構成されている（以下、構造Ｂと称する）。また、記録再生ヘッド２００を構成する複数の層（すなわち、導電層２０１、絶縁層２０２、導電層２０３、絶縁層２０４及び導電層２０５）は、この複数の層の接合面が記録媒体１００の主面に沿った方向に対して垂直になるように配置される。
【００２８】
バイアス回路３０１は、導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加する。さらに、バイアス回路３０１は、導電層２０５と導電層２０３との間に負電圧を印加する。また、バイアス回路３０２は、記録再生ヘッド２００（具体的には、導電層２０１）と電極層１０２との間に負電圧を印加する。
【００２９】
このように構成された記録再生装置では、導電層２０１から導電層２０３に絶縁層２０２を介して第１のトンネル電流を流すことができる。さらに、導電層２０５から導電層２０３に絶縁層２０４を介して第２のトンネル電流を流すことができる。これにより、構造Ａに比べて、より多くのホットエレクトロンを生成することができる。この結果、高速に電子の注入することができ、ひいては高速に情報の記録を行うことが可能となる。
【００３０】
なお、後述するが、ホットエレクトロンを記録媒体に注入する本発明の原理は、記録媒体に記録された情報を再生する場合にも利用することができる。
【００３１】
（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す平面図である。図４は、図３に示したIV−IV線に沿った断面図である。
【００３２】
先ず、記録媒体１００の構成について説明する。基板１０１上には、電極層１０２が設けられている。基板１０１としては、例えばガラスから構成された直径６０ｍｍ程度、厚さ１ｍｍ程度のディスクが用いられる。電極層１０２としては、膜厚が５００ｎｍ程度の例えばＡｌが用いられる。
【００３３】
電極層１０２上には、下部絶縁層１０３ａが設けられている。下部絶縁層１０３ａとしては、膜厚が２０ｎｍ程度の例えばＴａ２Ｏ５が用いられる。下部絶縁層１０３ａ上には、複数の部分から構成される記録層１０４が設けられている。記録層１０４としては、例えばＡｌが用いられる。記録層１０４の各部分は、幅（すなわち、上面の縦と横とのそれぞれの長さ）及び厚さがそれぞれ１０ｎｍ程度の大きさを有する。記録層１０４の複数の部分の間隔は、それぞれ１０ｎｍ程度である。
【００３４】
記録層１０４の複数の部分の間には、絶縁層１０３ｂが設けられている。絶縁層１０３ｂとしては、例えばＳｉＯ２が用いられる。記録層１０４及び絶縁層１０３ｂの上には、上部絶縁層１０３ｃが設けられている。上部絶縁層１０３ｃとしては、膜厚が３ｎｍ程度の例えばＤＬＣ（Diamond Like Carbon）が用いられる。
【００３５】
このように構成された記録媒体１００の製造方法について説明する。基板１０１としてのディスク上に、電極層１０２としてＡｌ層を５００ｎｍ程度の膜厚になるように蒸着する。次に、電極層１０２上に、下部絶縁層１０３ａとしてＴａ２Ｏ５層を２０ｎｍ程度の膜厚になるように堆積する。
【００３６】
次に、下部絶縁層１０３ａ上に、ナノインプリント法を用いて、ＳｉＯ２層内に厚さ及び幅がそれぞれ１０ｎｍ程度の大きさを有する複数のＡｌ層を埋め込む。これにより、下部絶縁層１０３ａ上に、記録層１０４及び絶縁層１０３ｂが形成される。次に、記録層１０４及び絶縁層１０３ｂ上に、上部絶縁層１０３ｃとしてＤＬＣ層を３ｎｍ程度の膜厚になるように蒸着する。このようにして、記録媒体１００が形成される。
【００３７】
次に、記録再生ヘッド４００の構成について説明する。記録再生ヘッド４００は、記録媒体１００に記録された情報を再生する再生ヘッドが前述した記録再生ヘッド２００に付加されて構成されている。再生ヘッドは、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）センサにより構成される。
【００３８】
具体的には、半導体基板４０１上には、ゲート絶縁膜４０２が設けられている。半導体基板４０１としては、例えば、Ｐ型のシリコン基板が用いられる。ゲート絶縁膜４０２としては、例えばＳｉＯ２が用いられる。ゲート絶縁膜４０２上には、ゲート電極４０３が設けられている。ゲート電極４０３としては、膜厚が１μｍ程度の例えばポリシリコンが用いられる。
【００３９】
ゲート電極４０３両側の半導体基板４０１内には、ｎ＋拡散層からなるソース領域４０４ａ及びドレイン領域４０４ｂが設けられている。このようにして、再生ヘッドが構成されている。おな、再生ヘッドの構成はＦＥＴセンサに限定されず、記録層１０４の電荷等を検出できればどのようなものを用いてもよい。ソース領域４０４ａ及びドレイン領域４０４ｂには、それぞれ電極（図示せず）が形成される。そして、これらの電極は、情報を再生するためのバイアス回路（図示せず）に接続される。
【００４０】
再生ヘッドの上には、絶縁層４０５（膜厚が２０ｎｍ程度の例えばＳｉＯ２からなる）を介して記録ヘッドが設けられている。具体的には、絶縁層４０５上には、導電層２０１、絶縁層２０２、導電層２０３及び絶縁層２０４が順に積層されている。導電層２０１及び導電層２０３としては、膜厚が２〜５ｎｍ程度の例えばＡｌが用いられる。絶縁層２０２及び絶縁層２０４としては、膜厚が２〜５ｎｍ程度の例えばＳｉＯ２が用いられる。
【００４１】
なお、記録媒体１００に近い側に集中的にトンネル電流が流れるように、ヘッド先端側のトンネル率を上げることが望ましい。このために、導電層２０１は、下部に突出部２０１ａを有している。この突出部２０１ａは、導電層２０３に近づく方向に突出している。或いは、導電層２０３が下部に、導電層２０１に近づく方向に突出した突出部を有していてもよい。
【００４２】
記録再生ヘッド４００を構成する複数の層の接合面は、記録媒体１００の主面に沿った方向に対して垂直になるように配置される。記録再生ヘッド４００の下面（すなわち、記録媒体１００に対向する面）には、例えばＤＬＣからなる保護膜４０７が設けられている。
【００４３】
このように構成された記録再生ヘッド４００の製造方法について説明する。半導体基板４０１としてのＰ型シリコン基板上に、ＳｉＯ２膜を堆積する。そして、このＳｉＯ２膜を所望の平面形状にパターニングしてゲート絶縁膜４０２を形成する。次に、ゲート絶縁膜４０２をマスクとしてリン（Ｐ）等を半導体基板４０１内にドープし、ｎ＋拡散層からなるソース領域４０４ａ及びドレイン領域４０４ｂを形成する。
【００４４】
次に、ゲート絶縁膜４０２上にポリシリコン層を１μｍ程度の膜厚になるように堆積する。そして、このポリシリコン層を所望の平面形状にパターニングしてゲート電極４０３を形成する。具体的には、ポリシリコン層上に所望の平面形状のマスク層を形成し、このマスク層をマスクとしてポリシリコン層をウェットエッチングすることによりゲート電極４０３を形成する。
【００４５】
次に、ソース領域４０４ａ及びドレイン領域４０４ｂ上に、Ａｌ層を堆積し、このＡｌ層をパターニングすることによりソース領域４０４ａ及びドレイン領域４０４ｂにそれぞれ電気的に接続された２つの電極を形成する。このようにして再生ヘッドが形成される。
【００４６】
次に、再生ヘッド上に、絶縁層４０５としてのＳｉＯ２層を２０ｎｍ程度の膜厚になるように堆積する。次に、絶縁層４０５上に、Ａｌ層／ＳｉＯ２層／Ａｌ層／ＳｉＯ２層とそれぞれ厚さ２〜５ｎｍ程度で積層する。そして、各Ａｌ層に電気的に接続される電極を形成する。次に、これらの積層された複数の層を接合面に対して垂直にカットする。このカットされた切断面は、記録再生ヘッド４００の先端になる。次に、この切断面上に、保護膜４０７としてのＤＬＣ層を形成する。このようにして、記録再生ヘッド４００が形成される。
【００４７】
記録再生ヘッド４００には、この記録再生ヘッド４００を支持しかつ駆動するための支持部材としての浮上スライダ４０６が接続されている。また、記録再生装置は、記録媒体１００を回転させるためのモータ３０３を備えている。また、図示は省略するが、前述したバイアス回路３０１，３０２は、記録再生ヘッド４００及び記録媒体１００に接続されている。
【００４８】
なお、本実施形態では、前述した構造Ａを有する記録再生ヘッド４００を一例として説明しているが、もちろん構造Ｂを用いてもよい。この場合は、絶縁層２０４上に、導電層２０５を設ける。この導電層２０５としては、膜厚が２〜５ｎｍ程度の例えばＡｌが用いられる。
【００４９】
ところで、絶縁層２０２は、十分なエネルギーを有するホットエレクトロンを生成するために、２ｅＶ以上のバンドギャップを有していることが望ましい。また、絶縁層２０２の厚さＤと絶縁層２０２のバンドギャップΔとは、以下の関係を満たしていることが望ましい。
【００５０】
Ｄ・Δ＞５ｅＶ・ｎｍ
Δ＞２ｅＶ
この関係を満たす材料としては、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＣ等をあげることができる。
【００５１】
なお、記録再生ヘッド４００が構造Ｂを有する場合は、絶縁層２０２及び絶縁層２０４がそれぞれ上記関係を満たすことが必要であることはもちろんである。
【００５２】
また、構造Ａを有する記録再生ヘッド４００の場合には、生成されたホットエレクトロンがそのまま直進して記録再生ヘッド４００の外に逃げるのを防ぐために、絶縁層２０４のバンドギャップは最低でも絶縁層２０２よりも高くする必要があり、高ければ高いほどよい。
【００５３】
また、記録媒体１００においては、以下の条件を考慮することが好ましい。記録媒体１００では、記録層１０４を構成する各部分に蓄積された電荷が周囲へ拡散するのを防止する必要がある。このために、記録層１０４の周りの十分な絶縁性が必要であるとともに、記録層１０４の任意の部分に蓄積された電荷が記録媒体１００の上面を介して大気経由で隣接する記録層１０４の部分へ移動しないようにするためには、上部絶縁層１０３ｃのバンドギャップΔｓと上部絶縁層１０３ｃの厚さｄｓとが以下の関係を満たすことが好ましい。
【００５４】
１００ｅＶ・ｎｍ＞Δｓ・ｄｓ＞１０ｅＶ・ｎｍ
また、消費電力の低減や回路の小型化等の観点から、記録媒体１００に情報を記録する際の外部動作電圧を下げることが必要である。このためには、記録再生ヘッド４００と記録層１０４との電位差を、記録再生ヘッド４００と電極層１０２との電位差に近づけることが好ましい。また、記録層１０４の任意の部分に情報を記録する場合に、隣の部分への誤書き込みを防止することも必要である。
【００５５】
ここで、電極層１０２、下部絶縁層１０３ａ、及び記録層１０４は、キャパシタＣＰ１とみなすことができる。同様に、記録層１０４、上部絶縁層１０３ｃ、及び記録再生ヘッド４００（具体的には、導電層２０３）は、キャパシタＣＰ２とみなすことができる。また、記録層１０４の隣接する導電性を有する部分同士とこれらの間の絶縁層１０３ｂとは、キャパシタＣＰ３とみなすことができる。
【００５６】
よって、バイアス回路３０２により電圧が印加される記録再生ヘッド４００と電極層１０２とは、キャパシタＣＰ１とキャパシタＣＰ２とが直列に接続された構造と等価である。また、記録層１０４の隣接する導電性を有する部分同士と記録再生ヘッド４００とは、キャパシタＣＰ２とキャパシタＣＰ３とが直列に接続された構造と等価である。
【００５７】
記録媒体１００に情報を記録する際の外部動作電圧を下げるためには、電極層１０２と記録層１０４との間の電気容量Ｃ１、記録層１０４に記録再生ヘッド４００が近接したときの記録層１０４と記録再生ヘッド４００との間の電気容量Ｃ２、及び記録層１０４の隣接する導電性を有する部分同士間の電気容量Ｃ３とは、以下の関係を満たすことが必要である。
【００５８】
０．１＜Ｃ２／Ｃ１＜１
０＜Ｃ３／Ｃ２＜０．７
このように、記録媒体１００を微細化する場合でも、上記関係を満たすようにする必要がある。なお、キャパシタの電気容量は、電極間に設けられた誘電体層の誘電率及び対向電極の面積に比例し、対向電極間の距離に反比例する。よって、記録媒体１００を構成する各層の寸法を、上記関係を満たすように設定する。
【００５９】
また、記録媒体１００をさらに微細化するにつれて、記録層１０４の導電性を有する部分のキャリア数が減少するが、これも一桁程度に達するともはや記録のばらつきが大きくなりすぎるため情報の再生が困難になる。このため、以下の条件を満たすように材料および形状を工夫することで、この状況を回避する必要がある。すなわち、記録層１０４の導電性を有する部分のキャリア濃度ｎとその体積Ｖとが、以下の関係式を満たすことが必要である。
【００６０】
ｎ・Ｄ＞１０
つまり、以上の条件を満足することで、この電荷蓄積型の記録再生装置がより有効に動作することになる。
【００６１】
このように構成された記録再生装置の記録動作及び再生動作について説明する。先ず、記録再生装置の記録動作について説明する。
【００６２】
先ず、モータ３０３を用いて、ディスク状の記録媒体１００を約４０００ｒｐｍで回転させる。また、浮上スライダ４０６を約２００μｍ／ｍｉｎで半径方向に移動させる。そして、バイアス回路３０１により導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加することで導電層２０３から導電層２０１へ向かう方向に１００μＡ程度の電流を流し、導電層２０３の中にホットエレクトロンを生成させておく。
【００６３】
次に、バイアス回路３０２により記録再生ヘッド４００と記録媒体１００との間に約−５Ｖの電圧を、パルス幅約１０ｎｓｅｃ、パルス間隔２０ｎｓｅｃとなるように繰り返し印加する。これにより、記録再生ヘッド４００に励起された電荷が記録層１０４の所望の部分に注入される。このようにして、記録媒体１００への情報の記録が実現されることになる。
【００６４】
次に、記録再生装置の再生動作について説明する。情報の再生は、ＦＥＴセンサにより行う。先ず、ＦＥＴセンサのソース領域４０４ａとドレイン領域４０４ｂとの間に２０ｍＶ程度の電圧をバイアス回路を用いて印加する。この時、記録媒体１００の外部には、記録媒体１００の記録層１０４に蓄積された電荷により電場が漏れ出ている。この電場をＦＥＴセンサにより感知する。
【００６５】
すなわち、ＦＥＴセンサのソース領域４０４ａとドレイン領域４０４ｂとの間の電流を測定回路（図示せず）により測定し、ドレイン電流が増大すれば、記録層１０４の任意の部分に電荷が蓄積されていると判断する。このようにして、記録媒体１００に記録された情報を読み出す。
【００６６】
このようにして再生された情報は、記録した情報に対してエラー率が約０．００１％であった。よって、情報は、記録媒体１００に安定に記録されているといえる。
【００６７】
以上詳述したように本実施形態によれば、ホットエレクトロンを用いて情報を記録しているため、極めて高い記録密度の記録再生装置を構成することが可能である。さらに、記録密度を向上させることで、情報の記録を高速に行うことができる。
【００６８】
また、光を利用して情報を記録する光アシスト方式に比べて、消費電力を低減することが可能で、かつ微細化が可能な記録再生装置を構成することができる。
【００６９】
また、前述したように、記録媒体１００に記録した情報を再生した場合のエラー率を低減することができる。よって、情報の記録に対して信頼性の高い記録再生装置を構成することができる。
【００７０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、記録媒体に強誘電体を用い、この強誘電体の自発分極を利用して情報を記録するようにしている。さらに、記録媒体に記録された情報を再生する際に、ホットエレクトロンを利用するようにしたものである。
【００７１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。なお、記録再生ヘッド４００の構成は、第１の実施形態と同じである。すなわち、本実施形態は、第１の実施形態と比べて、記録媒体の構成が異なっている。
【００７２】
先ず、記録媒体５００の構成について説明する。基板５０１上には、電極層５０２が設けられている。基板５０１としては、例えばＳｒＴｉＯ３単結晶基板から構成された直径６０ｍｍ程度、厚さ１ｍｍ程度のディスクが用いられる。電極層５０２としては、膜厚が５００ｎｍ程度の例えばＰｔが用いられる。
【００７３】
電極層５０２上には、強誘電性を有する記録層５０３が設けられている。記録層５０３としては、強誘電体が用いられ、膜厚が３０ｎｍ程度の例えばＰｂＺｒ０．５Ｔｉ０．５Ｏ３が用いられる。記録層５０３は、第１の実施形態で示した記録層１０４と構造が異なり（すなわち、スリット構造でない）、膜面方向には分離する必要がなく、またパターニングもされていない。
【００７４】
強誘電性を有する記録層５０３は、自発分極を有し、その自発分極が印加される電界によって反転する。図５中の記録層５０３内に示した矢印は、自発分極の方向を示している。すなわち、記録媒体５００は、記録層５０３の部位の自発分極により情報を記録する。
【００７５】
また、この強誘電体において、強誘電性が膜厚方向に発生するように配向させた場合には、双極子（ダイポール）の向きは膜厚方向となり、ダイポールは膜厚方向に配列することになる。このように配列させると、膜厚方向に垂直な方向、すなわち膜面方向にはダイポールの影響は小さくなる。これにより、記録密度を上げることが可能となる。
【００７６】
記録層５０３上には、保護層５０４が設けられている。保護層５０４としては、例えばポリイミドが用いられる。
【００７７】
このように構成された記録媒体５００の製造方法について説明する。基板５０１としてのディスク上に、電極層５０２としてＰｔ層を５００ｎｍ程度の膜厚になるように蒸着する。次に、電極層５０２上に、記録層５０３としてＰｂＺｒ０．５Ｔｉ０．５Ｏ３層を３０ｎｍ程度の膜厚になるようにＲＦマグネトロンスパッタ法を用いてエピタキシャル成膜する。次に、記録層５０３上に、ポリイミドを成膜し、記録層５０３の保護層５０４とする。このようにして、記録媒体５００が形成される。
【００７８】
このように構成された記録再生装置の記録動作及び再生動作について説明する。先ず、記録再生装置の記録動作について説明する。
【００７９】
先ず、モータ３０３を用いて、ディスク状の記録媒体１００を約４０００ｒｐｍで回転させる。また、浮上スライダ４０６を約２００μｍ／ｍｉｎで半径方向に移動させる。そして、バイアス回路３０２により記録再生ヘッド４００と記録媒体５００との間に約−１０Ｖの電圧を、パルス幅約１０ｎｓｅｃ、パルス間隔２０ｎｓｅｃとなるように繰り返し印加する。
【００８０】
このようにして、記録層５０３の任意の部位に電界を印加し、記録層５０３の部位を分極させる。なお、この際、導電層２０１と導電層２０３との間には、電圧を印加しない。すなわち、情報の記録には、ホットエレクトロンは使用されない。このようにして、記録媒体５００への情報の記録が実現されることになる。
【００８１】
次に、記録再生装置の再生動作について説明する。本実施形態では、再生動作時にホットエレクトロンを利用している。先ず、バイアス回路３０１により導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加することで導電層２０３から導電層２０１へ向かう方向に１００μＡ程度の電流を流し、導電層２０３の中にホットエレクトロンを生成させておく。
【００８２】
次に、バイアス回路３０２により記録再生ヘッド４００と記録媒体５００との間に電圧を印加する。この電圧は、記録媒体５００に記録された情報を乱さない程度の微量な電流条件例えば約−０．１Ｖに設定される。このようにして、記録媒体５００に電荷を注入し、記録媒体５００の記録情報を遮蔽している記録媒体５００の上面に吸着したイオンを取り除く。これにより、記録層５０３の記録情報を記録媒体５００の上面に露出させることができる。
【００８３】
なお、本実施形態では、記録媒体５００に情報を記録するために、記録層５０３を分極させている。よって、記録層５０３に記録された２種類の符号（正と負）の電荷を検出する必要がある。このため、ＦＥＴセンサは、正の電荷を検出するためのＮＰＮ接合型ＦＥＴと、負の電荷を検出するためのＰＮＰ接合型ＦＥＴとを備える。
【００８４】
これら２つのＦＥＴのソース領域とドレイン領域との間に２０ｍＶ程度の電圧をバイアス回路を用いて印加する。そして、記録媒体５００の外部に漏れ出ている電場を２つのＦＥＴにより感知する。このようにして、記録媒体５００に記録された情報を読み出す。
【００８５】
このようにして再生された情報は、記録した情報に対してエラー率が約０．００２％であった。よって、第１の実施形態ほどではないものの、情報は、記録媒体５００に安定に記録されているといえる。
【００８６】
以上詳述したように本実施形態によれば、記録媒体５００の記録層５０３に強誘電体を用いた場合でも、本発明を実施することが可能である。また、消費電力の低減、或いは微細化等の効果は、第１の実施形態と同じである。
【００８７】
また、前述したように、記録媒体５００に記録した情報を再生した場合のエラー率を低減することができる。よって、情報の記録に対して信頼性の高い記録再生装置を構成することができる。
【００８８】
また、記録媒体５００の記録層５０３を複数の部分に分離する必要がないため、記録媒体５００を形成するための製造プロセスを簡単にし、かつ製造コストを低減することができる。
【００８９】
また、記録情報の再生時に、ホットエレクトロンを利用して、記録媒体５００の上面に吸着したイオンを取り除いている。このイオンは、記録層５０３に記録された情報を遮蔽してしまう。しかし、本実施形態の再生方法を用いることにより、記録層５０３に記録された情報を正確に読み出すことが可能となる。さらに、記録層５０３に蓄積された微小な電荷を検出することが可能である。
【００９０】
なお、本実施形態で説明したホットエレクトロンを利用した再生方法は、第１の実施形態に用いることも可能である。すなわち、電荷蓄積型の記録媒体には、全て適用可能である。
【００９１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、記録媒体に相変化材料を用い、この相変化材料の抵抗値に違いを利用して情報を記録するようにしている。さらに、記録媒体に情報を記録する場合と、記録媒体に記録された情報を再生する場合との両方で、ホットエレクトロンを利用するようにしたものである。
【００９２】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。なお、記録再生ヘッド４００の構成は、第１の実施形態と同じである。
【００９３】
先ず、記録媒体６００の構成について説明する。電極層５０２上には、記録層６０１が設けられている。記録層６０１としては、相変化材料が用いられ、膜厚が３０ｎｍ程度の例えばＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５が用いられる。記録層６０１は、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５層を３０ｎｍ程度の膜厚になるようにＲＦマグネトロンスパッタ法を用いてエピタキシャル成膜される。記録層６０１は、第１の実施形態で示した記録層１０４と構造が異なり、膜面方向には分離する必要がなく、またパターニングもされていない。
【００９４】
相変化材料からなる記録層６０１は、加熱された部位が結晶質状態から非晶質状態（アモルファス状態）、またはその逆へと相変化を生じる。すなわち、記録媒体６００は、記録層６０１の部位の相変化により情報を記録する。また、記録層６０１は、結晶質状態と非晶質状態とで抵抗値が変化する。具体的には、非晶質状態では抵抗値が大きくなり、一方結晶質状態では抵抗値が小さくなる。記録再生ヘッド４００は、この抵抗値の変化を読み取ることで記録された情報を再生する。
【００９５】
記録層６０１上には、保護層６０２が設けられている。保護層６０２としては、膜厚が１〜２ｎｍ程度の潤滑層が用いられる。このようにして、記録媒体５００が構成される。
【００９６】
このように構成された記録再生装置の記録動作及び再生動作について説明する。本実施形態では、記録動作及び再生動作の両方でホットエレクトロンを利用する。先ず、記録再生装置の記録動作について説明する。
【００９７】
先ず、モータ３０３を用いて、ディスク状の記録媒体１００を約４０００ｒｐｍで回転させる。また、浮上スライダ４０６を約２００μｍ／ｍｉｎで半径方向に移動させる。そして、バイアス回路３０１により導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加することで導電層２０３から導電層２０１へ向かう方向に１００μＡ程度の電流を流し、導電層２０３の中にホットエレクトロンを生成させておく。
【００９８】
次に、バイアス回路３０２により記録再生ヘッド４００と記録媒体１００との間に約−５Ｖの電圧を、パルス幅約１０ｎｓｅｃ、パルス間隔２０ｎｓｅｃとなるように繰り返し印加する。そして、記録再生ヘッド４００に励起された電荷が記録層６０１としての相変化材料を通過して電極層５０２まで到達する。これにより、記録層６０１のうち電流が通過した部位のみが加熱されてアモルファス状態に転移する。このようにして、記録媒体６００への情報の記録が実現されることになる。
【００９９】
次に、記録再生装置の再生動作について説明する。バイアス回路３０１により導電層２０１と導電層２０３との間に負電圧を印加することで導電層２０３から導電層２０１へ向かう方向に１００μＡ程度の電流を流し、導電層２０３の中にホットエレクトロンを生成させておく。
【０１００】
次に、バイアス回路３０２により記録再生ヘッド４００と記録媒体６００との間に定電流を流す。この定電流は、記録媒体６００に記録された情報を乱さない程度の微量な電流条件例えば約０．１μＡに設定される。これにより、記録媒体６００（具体的には、記録層６０１のうち相変化した部位）に電荷（ｅ−）が注入される。この結果、記録層６０１の抵抗値の大小に応じて表面に誘起される電荷量が異なる。すなわち、記録層６０１の非晶質部分は抵抗値が大きいため、結晶質部分に比べて、表面に誘起されるマイナスの電荷量が多くなる。そして、この電荷量の違いをＦＥＴセンサで感知する。
【０１０１】
すなわち、ＦＥＴセンサのソース領域４０４ａとドレイン領域４０４ｂとの間に２０ｍＶ程度の電圧をバイアス回路を用いて印加する。そして、ＦＥＴセンサのソース領域４０４ａとドレイン領域４０４ｂとの間の電流を測定回路により測定し、ドレイン電流が増大すれば、記録層６０１の任意の部位に電荷が蓄積されていると判断する。このようにして、記録媒体６００に記録された情報を読み出す。
【０１０２】
このようにして再生された情報は、記録した情報に対してエラー率が約０．００１％であった。よって、情報は、記録媒体５００に安定に記録されているといえる。
【０１０３】
以上詳述したように本実施形態によれば、記録媒体６００の記録層６０１に相変化材料を用いた場合でも、本発明を実施することが可能である。
【０１０４】
また、情報の記録及び再生時に、ホットエレクトロンを利用している。これにより、記録再生装置の微細化が可能であり、また記録密度を小さくすることが可能となる。
【０１０５】
本発明の例は、上述の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の記録再生装置の原理を説明するための断面図。
【図２】本発明の記録再生装置の原理の他の一例を説明するための断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す平面図。
【図４】図３に示した記録再生装置のIV−IV線に沿った断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【０１０７】
１００，５００，６００…記録媒体、１０１，５０１…基板、１０２，５０２…電極層、１０３…絶縁層、１０３ａ…下部絶縁層、１０３ｂ…絶縁層、１０３ｃ…上部絶縁層、１０４，５０３，６０１…記録層、２００，４００…記録再生ヘッド、２０１…導電層、２０１ａ…突出部、２０２…絶縁層、２０３…導電層、２０４…絶縁層、２０５…導電層、３０１，３０２…バイアス回路、３０３…モータ、４０１…半導体基板、４０２…ゲート絶縁膜、４０３…ゲート電極、４０４ａ…ソース領域、４０４ｂ…ドレイン領域、４０５…絶縁層、４０６…浮上スライダ、４０７…保護膜、５０４，６０２…保護層。
【図１】
0004660319.tif 000002
【図２】
0004660319.tif 000003
【図３】
0004660319.tif 000004
【図４】
0004660319.tif 000005
【図５】
0004660319.tif 000006
【図６】
0004660319.tif 000007