(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなることを特徴とする光記録媒体。
【請求項２】
請求項１において、上記発光媒体が少なくとも１組の障壁層に挟まれた少なくとも一つの井戸構造を構成してなることを特徴とする光記録媒体。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記相変化記録媒体がゲルマニウムとアンチモンとテルルを含む化合物であることを特徴とする光記録媒体。
【請求項４】
外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理装置であって、
光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置したことを特徴とする光記録媒体の処理装置。
【請求項５】
請求項４において、上記導電性プローブと上記光記録媒体との間に、上記相変化記録媒体を部分的に結晶化させる温度まで加熱するに足るプローブ電流を流すことができるバイアス電圧をパルス的に印加することが可能なパルス電源を備えたことを特徴とする光記録媒体の処理装置。
【請求項６】
請求項４において、上記導電性プローブと上記光記録媒体との間に、上記相変化記録媒体を部分的に溶融する温度まで加熱するに足るプローブ電流を流すことができるバイアス電圧をパルス的に印加することが可能なパルス電源を備えたことを特徴とする光記録媒体の処理装置。
【請求項７】
請求項４において、上記光記録媒体中の発光媒体を励起して発光を生じせしめる手段と、上記発光媒体からの発光を集光する手段が、光ファイバもしくは光導波路の端面に透明電極薄膜をコーティングした構造であることを特徴とする光記録媒体の処理装置。
【請求項８】
外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理方法であって、
光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体の結晶化した微小部分に、上記プローブから電流パルスを注入して、部分的に融解温度まで加熱してアモルファス化させて記録ピットを形成することを特徴とする光記録媒体の処理方法。
【請求項９】
外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理方法であって、
光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体が相変化しない範囲内のパワーを上記プローブから上記相変化記録媒体の記録領域に注入し、上記光記録媒体中の発光媒体からの発光を検出することにより記録の再生を行うことを特徴とする光記録媒体の処理方法。
【請求項１０】
外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理方法であって、
光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体に形成された記録領域を溶融する温度以上に加熱するプローブ電流をパルス的に印加して記録を消去することを特徴とする光記録媒体の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年のインターネット等の高速・広域通信網による情報配信量の爆発的な増大や、コンピュータソフトの規模や処理データ量の飛躍的増大などにより、これらの情報を記録する光記録装置の大容量化が強く求められている。また、種々の電子機器の小型化が進み、衛星や移動体（モバイル、ウェアラブル）通信機器等への搭載も可能な小型軽量の大容量記憶装置の二一ズが高まっている。これらを背景にして、要求される記録容量は短期間に桁違いに増大しており、１ｍ２当たり１５５０テラビット〔１平方インチ当り１テラ（１０１２：Ｔ）ビット〕以上（テラビット級）の超高密度の実現が切望されており、その利用範囲と市場規模は非常に大きい（参考資料：光産業技術振興協会編、「光産業ロードマップ」）。
本発明は、このテラビット級の超高記録面密度を有する光記録装置を実現する光記録装置用発光媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、記録装置は磁性記録材料の磁化方向の差異を記録単位とした磁気記録方式が主に用いられてきた。これには記録媒体と信号検出機構が一体化したハードディスクや、記録媒体を信号検出機構と分離して持ち運べるフロッピディスクなどが広く利用されている。また、最近では、記録材料にレーザ光をレンズで集光・照射し、そのとき生じる記録材料の光学特性の差異を記録単位として記録・再生する光記録方式も発展が著しい。光記録方式の例としてはコンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、あるいは光磁気ディスク（ＭＯディスク）等が広く普及している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
テラビット級の記録面密度では記録単位（ピット）のサイズを２５ナノメートル程度以下のレベル（ナノメートル＝１０−９ｍ）と極めて小さくしなければならない（以下、本文ではこのようなナノメータサイズのピットをナノピットと呼ぶことにする）。従来から使用されている磁気記録方式には長手磁気記録方式と垂直磁気記録方式がある。現在実用化している長手磁気記録方式ではピットサイズがナノメートルレベルになると磁区の反転を保持できなくなる物理的限界がある。これにより磁気記録方式の記録面密度は２０ギガ（１０９：Ｇ）ビット程度が限界とされ、磁気記録方式によるテラビット級記録装置の実現は困難である。さらに高い面記録密度が期待される垂直磁化方式は長年研究が行われているものの実用化のめどは立っていない。また、レンズで絞ったレーザ光を用いる従来の光記録方式では光の回折限界により光照射範囲を光の波長の半分（サブミクロンレベル）以下にできないため面記録密度は１０Ｇビット程度が限界とされ、やはりナノピットを必要とするテラビット級記録装置に適用することができない。
【０００４】
近年、光の波長よりも小さな寸法の開口を持つプローブからにじみ出て光の波長より小さい領域に局在する光（これを近接場光と呼ぶ）を用いて高密度の光記録装置を実現しようとする研究がなされている。ただし、近接光そのものでナノピットを励起しようとすると、励起光に対する信号光の比（ＳＮ比）が小さく、まだ実用化されていない。そのため、ナノピットヘ効率良く発光用励起パワーを注入し、また信号光以外に光を用いないように、透明で導電性のプローブ（透明導電プローブ）の先端から放出された電流で励起し、同じ先端から光を集光する方法が提案された。この方法では、電流は媒体内のナノメータサイズの領域にほとんど損失せずに注入できる。また励起光がないので信号光検出のＳＮ比が高められる。そこで電流注入によって効率よく発光させるための半導体井戸構造を有する発光媒体が提案された。これによって、読み出し専用あるいは１回のみ書き込み可能な光記録装置（これらを総じてＲＯＭ型記録装置と呼ぶ）が可能になる。  しかし、さらに一方で同様の高記録密度を有しながら、データの記録・再生・消去を反復できる記録装置（これをＲＡＭ型記録装置と呼ぶ）を実現することが課題となっていた。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決するものであって、ナノピットから十分な強度の再生信号光を検出せしめると共に、データの記録・再生・消去を反復して行えるテラビット級の高記録面密度を有するＲＡＭ型光記録装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層した構造の光記録媒体とするものである。
【０００７】
また、請求項２に記載のように、請求項１において、上記発光媒体が少なくとも１組の障壁層に挟まれた少なくとも一つの井戸構造を構成した構造の光記録媒体とするものである。
【０００８】
また、請求項３に記載のように、請求項１において、上記相変化記録媒体がゲルマニウムとアンチモンとテルルを含む化合物よりなる光記録媒体とするものである。
【０００９】
また、請求項４に記載のように、外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理装置であって、光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置とするものである。
【００１０】
また、請求項５に記載のように、請求項４において、上記導電性プローブと上記光記録媒体との間に、上記相変化記録媒体を部分的に結晶化させる温度まで加熱するに足るプローブ電流を流すことができるバイアス電圧をパルス的に印加することが可能なパルス電源を備えた光記録媒体の処理装置とするものである。
【００１１】
また、請求項６に記載のように、請求項４において、上記導電性プローブと上記光記録媒体との間に、上記相変化記録媒体を部分的に溶融する温度まで加熱するに足るプローブ電流を流すことができるバイアス電圧をパルス的に印加することが可能なパルス電源を備えた光記録媒体の処理装置とするものである。
【００１２】
また、請求項７に記載のように、請求項４において、上記光記録媒体中の発光媒体を励起して発光を生じせしめる手段と、上記発光媒体からの発光を集光する手段が、光ファイバもしくは光導波路の端面に透明電極薄膜をコーティングした構造の光記録媒体の処理装置とするものである。
【００１３】
また、請求項８に記載のように、外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理方法であって、光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体の結晶化した微小部分に、上記プローブから電流パルスを注入して、部分的に融解温度まで加熱してアモルファス化させて記録ピットを形成する光記録媒体の処理方法とするものである。
【００１４】
また、請求項９に記載のように、外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理方法であって、光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体が相変化しない範囲内のパワーを上記プローブから上記相変化記録媒体の記録領域に注入し、上記光記録媒体中の発光媒体からの発光を検出することにより記録の再生を行う光記録媒体の処理方法とするものである。
【００１５】
また、請求項１０に記載のように、外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体の上部に、光透過性があり、かつ外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率が可逆的に変化する相変化記録媒体を積層してなる光記録媒体の処理方法であって、光記録媒体の表面に接触し、もしくはトンネル電流が流れる範囲の微小な間隔をおいて媒体表面に対向し、電流の上記相変化記録媒体への注入領域がナノメータサイズの領域内に限定されるように、先鋭化した導電性プローブを設置した光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体に形成された記録領域を溶融する温度以上に加熱するプローブ電流をパルス的に印加して記録を消去する光記録媒体の処理方法とするものである。
【００１６】
本発明は、導電集光プローブから発光媒体の微小領域へ電流を供給し、それにより生じる発光を該プローブあるいはその他の手段で集光し、集光された光を信号に使用する光記録装置において、プローブから注入された電流を微小領域に集中させて発光・検出効率を高める発光媒体と、その上にプローブから注入された電流により電気伝導率あるいは屈折率が著しく変化する相変化媒体を積層することにより、テラビット級の超高記録面密度を有するＲＡＭ型光記録装置を提供するものである。
【００１７】
具体的には、次に列挙する特徴的手段および手法を採用することにより実現される。
すなわち、本発明の第１の特徴は、外部から注入されるエネルギーによって光を発生する発光媒体と、外部から注入されるエネルギーによって電気伝導率あるいは屈折率が可逆的に変化する相変化媒体と、該発光媒体中のナノメータサイズの領域を励起して光を生じせしめる手段と、該発光を検出する手段を有する光記録装置において、該発光媒体の上部に該相変化媒体が積層された構成となっているところである。
【００１８】
また、本発明の第２の特徴は、該発光媒体を励起して光を生じせしめる手段と該発光媒体からの光を集光する手段が、同一の先端から該発光媒体へ電流を注入する機能と該発光媒体からの光を集光する機能を兼備する導電集光プローブを用いるところにある。
【００１９】
また、本発明の第３の特徴は、該発光媒体が少なくとも１組の障壁層に挟まれた少なくとも一つの井戸構造で構成されているところにある。
【００２０】
また、本発明の第４の特徴は、外部から注入されるエネルギーが電流であるところにある。
【００２１】
また、本発明の第５の特徴は、該相変化記録媒体がゲルマニウムとアンチモンとテルルを含む化合物を用いるところにある。
【００２２】
本発明は、上記のような材料および構成を採用したことにより、ナノピットから十分な強度の再生信号光を検出せしめると共に、データの記録・再生・消去を反復可能とし、テラビット級の高記録面密度を有するＲＡＭ型光記録装置を実現できる効果がある。
【００２３】
【発明の実施の形態】
ＲＡＭ型光記録装置には、ハードディスクのように記録媒体とプローブが一体化した構成のものと、フロッピディスクや光磁気（ＭＯ）ディスクのように記録媒体を可搬とするものがあるが、本発明はいずれの構成においても適用可能である。
【００２４】
本発明の基本的な実施の形態を、図１を用いて詳説する。ここで、１は導電集光プローブ、２は電子、３は表面障壁層、４は相変化記録媒体、４ａは相変化記録媒体４内の結晶領域（ナノピットと呼ぶ）、４ｂは相変化記録媒体４内のアモルファス領域、５は境界層（上部障壁層と呼ぶ）、６は井戸層、７は底部障壁層、８は基板が絶縁性の場合の電極、８′は基板が導電性の場合の電極、９は基板、１０は光、１１は正孔、１２は発光媒体、１３は光記録媒体、１４はパルス電源を示す。
【００２５】
導電集光プローブ１は、例えば先端をナノメータサイズにまで先鋭化した光ファイバの表面に透明導電膜を被覆した構造となっている。透明導電膜の材料の一例として、導電性と透明性が優れた酸化インジウムや酸化亜鉛、あるいはダイアモンドライクカーボンや金属の極薄膜などがある。導電集光プローブ先端は、導電性と透明性を有し、光記録媒体１３にトンネル電流を注入すると同時に光記録媒体１３からの光を集光する。なお、電流注入は導電プローブで行い、集光は別に設置した集光光学素子（例えばレンズや反射鏡）で行う構成でも可能である。光記録媒体１３は、基板９の表面に、発光媒体１２と相変化記録媒体４を積層した構造となっている。
【００２６】
発光媒体１２は電流の注入により発光する材料や構造であり、例えば直接遷移型半導体であるＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ等や、あるいはこれらの材料を含んだ井戸構造がある。具体的な一例として、底部障壁層７がＡｌＡｓ、上部障壁層５がＩｎＧａＰであり、井戸層６がＧａＡｓやＡｌ組成比が０.４５より小さいＡｌＧａＡｓからなる構造が知られている。必要に応じて基板９と底部障壁層７との間に光反射層としての電極８（基板が絶縁性の場合）を形成する。なお、基板９が十分な導電性を有する場合には、これらが電極８′として機能するので電極８は不要である。
【００２７】
発光媒体１２の上部には相変化記録媒体４を形成する。相変化材料は注入されたエネルギーによる加熱や冷却により結晶状態とアモルファス状態のいずれかの相に変化する材料であり、具体的にはＧｅＳｂＴｅ系化合物やＩｎＳｂＴｅ系化合物等がある。相変化記録媒体４としては、これらの相変化材料を単独で使用する場合と、相変化記録媒体４をＺｎＳ−ＳｉＯ２膜等で挟んで熱特性を改善した構造で使用する場合などがある。
【００２８】
導電集光プローブ１の先端を光記録媒体１３の表面近傍のトンネル電流が流れる距離まで接近させる。トンネル電流が流れる距離は、上記プローブと媒体との間に印加されたバイアス電圧に依存するが、通常はナノメータレベルである。また、プローブを光記録媒体表面と接触させてもよい。このときは、トンネル電流よりも大きな電流を媒体に注入することができるが、プローブや媒体の損耗防止のために、プローブの媒体への接触圧力を一定にする手段やプローブと媒体との摩擦を軽減する手段を付加する。この状態で光記録媒体上のプローブの相対位置を移動させる。
【００２９】
以下では、光記録装置の基本動作である記録、再生、消去について具体的に述べる。ここでは相変化材料としてＧｅＳｂＴｅの場合について述べるが、これは他の相変化材料についても同様に適用可能である。
（１）記録
基板にＧｅＳｂＴｅをスパッタして薄膜を形成すると、この膜はアモルファス（非結晶）状態になっている。これを初期状態（未記録状態）とする。プローブと媒体表面との間に、ＧｅＳｂＴｅが結晶化し、かつ溶解温度未満の温度（結晶化温度）となるような範囲の電流パワーをハルス的に注入する。そのときＧｅＳｂＴｅは局所的に結晶化する。結晶化した微小領域（ピット）ではＧｅＳｂＴｅは電気伝導度が著しく増大する。このアモルファスから結晶へ相変化した領域がピットとなる。ピットサイズは一時的に結晶化温度範囲に入った領域のサイズで決まり、プローブ電流で過熱すれば直径１０ｎｍ程度まで小さくできる。これをプローブを移動しながら繰り返すことにより媒体上にナノピットが記録されてゆく。
【００３０】
（２）再生
次に、ＧｅＳｂＴｅが相変化しない範囲内のパワーをプローブから媒体に注入する。相変化記録媒体がアモルファス化している領域では電流が流れず、発光は検出されない。一方、結晶化したピット上ヘプローブがくると、電気伝導度が高いため電流がＧｅＳｂＴｅ層を貫通して発光媒体に流れ、発光媒体から光が放出される。発光媒体が井戸構造になっている場合には、電子が基板や媒体表面に散逸せずプローブ直下の空間的に狭い井戸層内に集中するので強い発光強度が得られる。また、この領域に集中した電流で生じた発光は背景光（すなわち励起光）が無い状態でプローブ先端から高効率に発光検出するので、高感度に再生できる。
【００３１】
（３）消去
ＧｅＳｂＴｅのピット上で大きなパワーのプローブ電流をパルス的に流し、ピットを、いったん溶融温度以上に加熱した後、臨界冷却速度以上で冷却することにより、ＧｅＳｂＴｅはアモルファス状態で室温に戻り、結晶領域が消滅する。これにより、ナノピットの再アモルファス化、すなわちデータの消去ができる。溶融領域が数十ｎｍ径以下と小さい場合には、熱は速やかに周囲に散逸するので特段の冷却手段を用いなくても、単に加熱を止めた後の自然冷却でこの冷却速度は実現できる。
ＧｅＳｂＴｅ結晶とアモルファス状態は可逆的に繰り返すことができ、室温ではどちらの状態も安定であるので、テラビット光記録装置に要求されるナノピットの記録、消去が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の光記録媒体およびその処理装置ならびに処理方法によれば、同一先端でトンネル電流の注入と集光を同時に行えるプローブを用い、上記トンネル電流により相変化を生じる材料、またはそれを含む構造の相変化記録媒体と、上記トンネル電流により発光を生じる発光材料、またはそれを含む構造の発光媒体とを積層する構成とすることにより、記録・再生・消去を反復して行えるテラビット級の超高密度のＲＡＭ型光記録装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したテラビット級超高密度のＲＡＭ型光記録装置の構成を示す模式図。
【符号の説明】
１…導電集光プローブ
２…電子
３…表面障壁層
４…相変化記録媒体
４ａ…結晶領域（ナノピット）
４ｂ…アモルファス領域
５…境界層（上部障壁層）
６…井戸層
７…底部障壁層
８…電極（基板が絶縁性の場合）
８′…電極（基板が導電性の場合）
９…基板
１０…光
１１…正孔
１２…発光媒体
１３…光記録媒体
１４…パルス電源
【図１】
0003842059.tif 000002