(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構成された光記録媒体であって、上記相変化記録媒体は、到達する最高温度の差によって異なる電気抵抗を有する少なくとも２種類の結晶状態を持つ相変化記録材料よりなることを特徴とする光記録媒体。
【請求項２】
請求項１に記載の光記録媒体において、上記発光媒体は電流の注入により発光する直接遷移型半導体もしくはこれらの材料を含む井戸構造を有す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に記載の光記録媒体において、上記相変化記録材料は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ことを特徴とする光記録媒体。
【請求項４】
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、上記光記録媒体の表面に対向し、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有し、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の結晶状態を高抵抗結晶から低抵抗結晶へ変化させる温度まで加熱できるプローブ電流と、上記相変化記録媒体の結晶状態を低抵抗結晶から高抵抗結晶へ変化させる温度まで加熱できるプローブ電流と、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を有することを特徴とする光記録媒体の処理装置。
【請求項５】
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、上記光記録媒体表面に対向し、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有する光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体に記録信号に対応した低抵抗結晶のナノピットよりなる記録ピットを形成した光記録媒体の表面部から、上記相変化記録媒体の低抵抗結晶が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、該記録領域の下部に設けられている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。
【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ニーズが高まっている。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再記録可能（リライタブル）な光記録装置を実現する光記録媒体およびその処理装置ならびに処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、リライタブル記録装置として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いる。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ある。
近年では、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の発展が著しい。光記録方式のリライタブル記録装置の例としては、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）等があり、広く普及している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、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（ナノメートル＝１０−９ｍ）程度以下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）。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が、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（超磁性限界）がある。これにより磁気記録方式の記録面密度は１００ギガ（１０９：Ｇ）ビット程度が上限とされ、磁気記録方式によるテラビット級記録装置の実用は困難である。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が、まだ実用化のめどは立っていない。
【０００４】
一方、光記録方式では、現状のＤＶＤやＣＤ等の光ディスクではレンズで絞ったレーザ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。
そこで、ナノピットを効率良く記録・再生する方法として、導電性プローブの先端から媒体のナノメータ領域に電流を注入し、この電流により媒体中で光を励起し、この光を検出する方法（電流励起発光方式）が提案された。この方式を用いたリライタブル記録装置の媒体としては、基板上に、電流注入によって発光する層（発光層）と、さらにその上に電流によって電気抵抗や光透過率が可逆的に相変化する材料で形成した層（記録層）を積層したものが用いられる。この方式では、プローブ電流を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集中的に注入できるためナノピットを高効率で形成できることと、励起光がないので信号光検出のＳＮ比が高められる利点がある。しかし、従来のこの記録方式ではピットの形成に結晶とアモルファスの間の相変化を用いていたために、アモルファスと結晶の間で相変化する場合の体積変化を抑えるための構造や、アモルファス化に必要な高温にした時に基板等に熱の影響が及ばないようにするための構造等が必要となる問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解消するものであって、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、情報の記録・再生・消去を反復して行えるテラビット級のリライタブル（再記録可能）な光記録媒体およびその記録・再生・消去を行う処理装置ならびに処理方法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て構成された光記録媒体であって、上記相変化記録媒体は、到達する最高温度の差によって異なる電気抵抗を有する少なくとも２種類の結晶状態を持つ相変化記録材料よりなる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に記載の光記録媒体おいて、上記発光媒体は電流の注入により発光する直接遷移型半導体もしくはこれらの材料を含む井戸構造を有する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または請求項２に記載の光記録媒体において、上記相変化記録材料は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、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、上記光記録媒体の表面に対向し、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有し、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の結晶状態を高抵抗結晶から低抵抗結晶へ変化させる温度まで加熱できるプローブ電流と、上記相変化記録媒体の結晶状態を低抵抗結晶から高抵抗結晶へ変化させる温度まで加熱できるプローブ電流と、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を有することを特徴とする光記録媒体の処理装置とするものである。
【００１２】
また、請求項５に記載のように、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、上記光記録媒体表面に対向し、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有する光記録媒体の処理装置を用い、上記相変化記録媒体に記録信号に対応した低抵抗結晶のナノピットよりなる記録ピットを形成した光記録媒体の表面部から、上記相変化記録媒体の低抵抗結晶が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、該記録領域の下部に設けられている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。
【００１４】
本発明は、光記録媒体の微小領域へ電流を供給する手段と、該電流の注入によって光を発生する発光媒体に、電流の注入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光記録媒体と、上記発光媒体からの発光を検出する手段を備えた光記録装置において、上記相変化記録媒体として、溶融温度より低い二つの最高到達温度によって電気抵抗が異なる少なくとも２種類の結晶間の相変化を生じる材料を用い、その２種類の結晶状態をピットの有無に対応させることにより、アモルファス化に必要な高温を用いることなく、体積変化や耐熱性の問題の生じない、テラビット級のリライタブルな光記録装置を実現するものである。
本発明は、上記した材料および構成を採用することにより、より少ない電流注入で、情報データの光記録・再生・消去を可能とするテラビット級のリライタブルな光記録・再生・消去を実現することができる効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の光記録媒体に用いられる相変化記録材料として、例えば、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５（以下、単にＧｅＳｂＴｅと略記する）の温度履歴と電気抵抗の関係を図１に模式的に示す。
最初、基板上にスパッタした直後のＧｅＳｂＴｅ膜はアモルファス状態にあり、これを使用前に、いったんＴ１（約１５０℃）とＴ２（約３５０℃）の間の温度範囲（温度領域Ａと呼ぶ）に加熱した後、室温まで戻すと結晶Ａの状態となる（図１ではこの過程は省略してある）。
結晶Ａは数十ｋΩ以上の高い電気抵抗を持つ。次に、Ａ結晶をＴ２からＴｍ（溶融温度：約６００℃）の間の温度範囲（温度領域Ｂと呼ぶ）に再加熱してから冷却すると結晶Ｂになる。結晶Ｂは数十Ωと低い電気抵抗を持つ。結晶Ｂを再度温度範囲Ａに過熱して冷却すると再度結晶Ａになる。このようにＧｅＳｂＴｅは経験した温度履歴により結晶Ａと結晶Ｂの間を相変化し、それに伴って電気抵抗が３桁程度以上変化する。Ｔｍ以上の高温にしなければアモルファスに戻ることはない。すなわち、ＧｅＳｂＴｅ膜には、高抵抗の結晶Ａと低抵抗の結晶Ｂが存在し、最高温度の履歴によって結晶Ａと結晶Ｂとの間を相変化することを示すものである。
【００１６】
図１で示した特性を利用した本発明の基本的な実施の形態を、図２を用いて説明する。ここで、１は導電集光プローブ、２はプローブ電流（電子）、３は表面保護層、４は相変化記録媒体（ＧｅＳｂＴｅ）、４ａは相変化記録媒体中の結晶Ａの領域（初期状態）、４ｂは相変化記録媒体中の結晶Ｂの領域（ナノピットと呼ぶ）、５は発光媒体、６は電極（基板が絶縁性の場合）、６′は電極（基板が導電性の場合）、７は基板、８は光、９は正孔、１０はパルス電源、１１は光記録媒体を示す。
【００１７】
導電集光プローブ１は、例えば先端をピットサイズ程度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する。プローブ先端は、導電性と透明性の両方を有し、相変化記録媒体４にトンネル電流を注入すると同時に発光媒体５からの光を集光する。なお、この実施の形態では電流注入と集光を同一プローブで行う場合について述べているが、電流注入は導電プローブで行い集光は探針とは別に設置した集光素子（例えばレンズや反射鏡）で行う構成も可能である。基板７の上に電極６（絶縁性基板の場合のみ）と発光媒体５を積層する。発光媒体５は電流の注入により発光する材料や構造体であり、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体よりなる発光媒体５の上に相変化記録媒体４を積層する。
ここでは相変化記録材料としてＧｅＳｂＴｅを用いた場合の例を示す。スパッタで成膜された直後のＧｅＳｂＴｅはアモルファス状態となっている。これを基板ごと、いったん温度領域Ａに加熱して室温に戻すと結晶Ａになる。数十ｋΩ以上の高い電気抵抗を持つ。これを初期状態とする。
【００１８】
図２は、本発明のテラビット級超高密度光記録装置の構成の一例を示す模式図である。なお、ここでは集光手段として透明で導電性のプローブを用いてプローブから集光する実施の形態を示したが、電流注入プローブとは別個に集光用のレンズや凹面鏡を設置した構造であっても適用可能である。
【００１９】
（１）記録
結晶Ａの膜の媒体表面上でプローブを走査する。ピットを形成すべき位置にプローブが来たら、プローブと媒体表面との間に、ＧｅＳｂＴｅ膜が温度領域Ｂまで加熱されるようなプローブ電流をパルス的に注入する。いったん、この温度を経験したＧｅＳｂＴｅは結晶Ｂとなって室温に戻る。結晶ＢとなったＧｅＳｂＴｅは電気抵抗が数十Ωまで著しく低下する。一方、光透過率は結晶Ａとほとんど変わらない。この結晶Ｂの領域をピットとする。サイズはプローブ電流で制御可能であり直径１０ｎｍ程度まで小さくできる。この作業をプローブを移動しながら繰り返すことによりＧｅＳｂＴｅ膜上に記録信号に対応したナノピットが順次形成されてゆく。温度領域ＢはＧｅＳｂＴｅの溶融温度（約６００℃）より低いので、アモルファスを用いる光記録方式よりも少ないプローブ電流で記録できる。さらに、耐熱のための媒体構造等も軽減できる利点がある。
【００２０】
（２）再生、
次に、ＧｅＳｂＴｅが温度領域Ａに達しない程度のプローブ電流を媒体に注入する。ピット形成していない結晶Ａの上では電気抵抗が高いためプローブ電流が小さく、発光は検出されない。一方、ピットを形成した結晶Ｂ上では電気抵抗が小さいため大きなプローブ電流がＧｅＳｂＴｅ層を貫通して流れる。この電流はＧｅＳｂＴｅ層の下の発光媒体に流入し光が強く放出される。この光を集光して検出する。発光強度はプローブ電流に比例する。結晶Ａと結晶Ｂの抵抗の比は少なくとも３桁以上と著しく大きいので、発光強度はピットの有無に対応して大きく変化する。この発光強度の変化を読み取ることにより記録を再生できる。集光は探針とは別個に設置されたレンズや凹面鏡で集光することは可能であるが、透明で導電性があるプローブを用いてそのプローブ先端で集光する手段を用いた方が、光をより高感度で検出することができる。なお、発光媒体を電子閉じ込め構造にすることにより、注入した電流がプローブ直下の発光媒体の狭い空間に局在するので、プローブによる集光効率を高めることができる。
【００２１】
（３）消去
結晶Ｂを再度温度領域Ａまで電流加熱したのち室温まで冷却すると結晶Ａに相変化し結晶Ｂは消失する。これにより、ナノピットすなわち記録データを消去できる。
室温では結晶Ａと結晶Ｂのどちらの状態も安定なので、テラビット光記録装置に必要なナノピットの記録、読み出し（再生）、消去の動作が実現できる。
【００２２】
【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、アモルファス状態を利用する光記録装置に比べ、より小さなプローブ電流で安定して動作するテラビット級の超高密度のリライタブル光記録装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示した相変化記録材料であるＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の温度履歴と電気抵抗との関係を示すグラフ。
【図２】本発明の実施の形態で例示したテラビット級超高密度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…プローブ電流（電子）
３…表面保護層
４…相変化記録媒体
４ａ…結晶Ａの領域（初期状態）
４ｂ…結晶Ｂの領域（ナノピット）
５…発光媒体
６…電極（基板が絶縁性の場合）
６′…電極（基板が導電性の場合）
７…基板
８…光
９…正孔
１０…パルス電源
１１…光記録媒体
【図１】
0003830771.tif 000002
【図２】
0003830771.tif 000003