JP3899561B2 - Recording / playback device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像情報、大容量のデータ情報等の超高密度記録を行うことができる新規な記録および再生を行う、あるいは記録情報の再生のみを行う記録再生装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
マルチメディア社会、特にハイビジョンシステムおよび高度情報通信システム、コンピュータネットワーク、ビデオオンデマンド、インフォメーションオンデマンドなどに必要とされる大容量の画像情報、データファイルにおいて高速な記録再生装置の要求が益々高まっている。
【０００３】
従来のランダムアクセスが可能な高密度記録技術には、磁気記録、光記録、半導体メモリ等がある。
【０００４】
半導体メモリではその集積度が年々向上しているにもかかわらず、半導体メモリの製造技術の例えばフォトリソグラフィの限界から、高精細度の画像情報を記録するだけの容量を満たすような、すなわち少なくとも３Ｇバイト以上の容量を満たすような半導体メモリを得るには至っていない。
【０００５】
一方、光記録、磁気記録において、大容量の情報を記録するには、記録領域を小さくして、記録密度を向上させることが必要である。
【０００６】
光記録において、その記録領域を小さくする試みはなされているが、その光源として波長５００ｎｍ付近の半導体レーザー光源が開発された場合でも、物理的な限界、光の回折限界が存在するため、そのスポットエリアをその光の波長以下にすることは原理的に不可能である。この限界を越えることのできる記録方法の試みや、提案も種々なされているものの、いづれのものも、直径１００ｎｍ以下の記録領域（記録ビット）を実現することは難しいとされている。
【０００７】
また、磁気記録においても、特にハードディスクにおいて磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＭＲ型磁気ヘッド）、巨大磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＧＭＲ型磁気ヘッド）の開発により、記録密度の向上が著しいが、再生ヘッドの感度の限界の問題で１００ｎｍ以下の記録領域を達成することは難しい。
【０００８】
一方、原子分子レベルの空間分解能を持つ走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope)、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）が開発され、種々の材料の微細表面形状の解析に適用され、表面解析装置として大きな成功を収めている。
【０００９】
ＡＦＭでは試料とカンチレバーチップとの原子間相互作用をプローブとして用いているが、近年ＡＦＭは種々の物理量をプローブとして用いた走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ) として発展している。最近、これらの手段すなわち原子、分子にアクセスする手段を用いて、高密度メモリとしての実現可能性の検討がなされている。
【００１０】
これまでにＳＴＭまたはＡＦＭを用いて、高密度記録実現の試みの報告はなされているが、原理的な可能性が述べられているにとどまり、実用化に至っていない。
【００１１】
例えば、スタンフォード大学のクエート(Prof.Quate)氏等は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂ 膜およびＳｉＮ膜を形成したＮＯＳ( ＳｉＮ／ＳｉＯ₂ ／Ｓｉ) 構造による記録媒体を用いてＡＦＭの発展系である走査型容量顕微鏡( ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscope)構成によって高密度メモリへの応用の可能性を示した（R.C.Barret and C.F.Quate;Journal of Applied Physics,70 2725-2733 (1991) 参照。) 。
【００１２】
ところで、図１０に示すように、ｐ型またはｎ型Ｓｉ基板１上に、熱酸化によるＳｉＯ₂ 膜２および熱ＣＶＤ法（化学的気相成長法）によるＳｉＮ膜３を被着形成し、このＳｉＮ膜３上に金属電極による上部電極４が被着されたいわゆるＭＮＯＳ（Metal Nitride Oxide Semiconductor)系の記録媒体は、不揮発性半導体メモリの１つであるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programable Read Only Memory) ですでに実用化されている。
【００１３】
このようなＭＮＯＳ系、あるいはＮＯＳ系記録再生の基本は、Ｓｉ半導体と、ＳｉＯ₂ ／ＳｉＮ界面やその近傍のＳｉＮ中のキャリアのトラップとの間の電荷の移動を用いることである。この場合、データ保持特性を良好にするために、ＳｉＯ₂ 膜の膜厚を充分厚く設計している。
【００１４】
すなわち、この層構造でＳｉＯ₂ ／ＳｉＮ界面およびこの界面を形成するＳｉＮ層中（以下単にＳｉＯ₂ ／ＳｉＮ界面付近という）にキャリアのトラップが形成されることが分かっており、例えば図１０のＭＮＯＳ系においてＳｉＮ膜３上の上部電極４に正電圧を掛けると、強電界によりＳｉ基板１側から電子がＳｉＯ₂ 膜２をトンネルして、ＳｉＯ₂ ／ＳｉＮ界面付近のトラップに注入されてここに蓄積される。一方、上部金属電極４に負電圧を掛けると、トンネル酸化膜２の膜厚が厚い場合逆向きの強電界によりトラップに蓄積されている電子がＳｉ基板１側にＳｉＯ₂ 膜２をトンネルして逆注入、すなわち放出されてＳｉＯ₂ ／ＳｉＮ界面付近のトラップに存在する電子が欠乏する。このようにして、ＭＮＯＳ記録媒体への電気パルス印加に伴う電荷の移動により記録、消去を行っている。そして、この記録媒体からの記録情報の読み出しすなわち再生は、この記録媒体すなわちＭＮＯＳ構造キャパシタの静電容量の変化として電気的に読み出すという方法がとられる。
【００１５】
上述のクエート(Quate) 氏等の研究では、ＮＯＳ媒体に導電性カンチレバーを接触させた状態で記録消去し、同様に導電性カンチレバーの接触状態でその記録情報に基ずく容量変化を、ＳＣＭのカンチレバー直近に配置された容量センサーを用いて検出することによって再生するという方法が採られている。この方法による場合、現在実用化ないしは研究、開発がなされている光記録、あるいは磁気記録方法では不可能な微小領域での情報の記録再生、すなわち高密度記録が可能であることを示した。この場合記録媒体にはキャリア（電子）の移動を用いているものである。この場合、最小記録領域は、直径約１５０ｎｍであり、トラップに蓄積された電子は、７日間以上安定であった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した高密度記録装置では、次に挙げる問題点がある。
（１）ＮＯＳ材料の特徴として、情報の記録、消去時に必要な各時間が、ｍｓ（ミリ秒）オーダー、電圧が４０Ｖ（しきい値電圧２５Ｖ）となり、高速、低電圧駆動を充分満たすものではない。
また、再生ヘッドを記録媒体に接触させた状態で情報の再生を行う接触型構成による場合には、
（２）情報の再生すなわち容量変化の読み出しは、メタルコートされたカンチレバーを記録媒体に接触させて動作させていることから、カンチレバーすなわちヘッドの記録媒体との接触による摩擦磨耗が大きいためにヘッドの劣化が生じ、その結果として記録再生特性が劣化する。
（３）情報の再生は、記録媒体の容量変化を、カンチレバーの直後に設けたキャパシタセンサで直接的に検出しているが、この系での記録媒体表面形状に極めて敏感であり、特に場合によっては浮遊容量が大きくなる可能性があり、信号のＳ／Ｎが劣化する。
という問題がある。
【００１７】
また、従来の容量変化検出方式を再生に用いる方式の記録装置では静電容量型（ＣＥＤ）または高密度記録が可能なＶＨＤビデオディスク等がある。しかし、これを大容量の記録媒体とするには記録密度が低く、また再生専用であって記録消去の機能を有するものではない。また、Iwamura 等によるディスク形状のＭＮＯＳ記録媒体を用いた静電容量検出方式の記録再生の試みが行われている(IEEE Transactions on Electron Devices Vol.28 No.7 854-860(1981)。しかし、高記録密度の点で問題があり、上記クエート（Quate)氏のＳＰＭを用いた記録密度の実験結果と比較しても及ばない。
【００１８】
また、最近になってTiwariらがＳｉナノ結晶を用いた新しい半導体不揮発メモリの提案を行った（Applied Physics Letters 68 1377(1996) ）。しかし、この報告によれば、メモリトランジスタのしきい値のシフト量が約０．２Ｖしかとれず、従来のメモリトランジスタのしきい値のシフト量を検出しているセンスアンプの感度では検出できないという問題点がある。
【００１９】
本発明においては、鋭意研究を重ねた結果、ＳＰＭと、微小領域でのキャリアトラップとなるナノ結晶（ナノクリスタル）すなわちｎｍオーダーの粒径による微細結晶が絶縁膜中に埋め込まれて配列されたナノ結晶層を有する電荷蓄積層が形成された記録媒体を用いることによって上述した諸問題の解決をはかり、高速、高密度記録にすぐれ、またヘッドの長寿命化はかることができる記録再生装置を提供するに至ったものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明による記録再生装置は、針状電極よりなるヘッドにより記録媒体に情報を記録または再生する記録再生装置であって、その記録媒体は、少なくともトンネル絶縁膜と、絶縁膜中にナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する電荷蓄積層を２層以上有して成る。そして、上記ヘッドからの電圧印加によって電荷蓄積層の所定領域に対するトンネル絶縁膜を通じての電荷移動により情報の記録または消去がなされ、ヘッドを、上記記録媒体に非接触または接触させた状態で、上記所定領域における電荷、あるいは表面電位、または静電容量、あるいはこれらの微分量の少なくともいづれかの変化量を検出して、記録情報の再生を行う。
【００２１】
上述の本発明による記録再生装置によれば、記録媒体として特にナノ結晶、すなわち結晶粒の大きさがｎｍオーダー、つまり１０ｎｍ以下のナノ結晶を有する電荷蓄積層が形成された構成とし、さらに針状電極ヘッドによる電圧印加により、この電荷蓄積層のキャリアトラップに対する電荷移動により情報を記録または消去する態様をとることから、高速、高密度記録がなされる。
【００２２】
また、その再生においても、針状電極によったことから電位分解能および空間分解能の高い再生を行うことができる。
【００２３】
そして、この記録媒体上の記録情報を、記録媒体に対してヘッドを非接触の状態で、再生するときは、再生時における針状電極によるヘッドや記録媒体の磨耗を効果的に低減化することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、記録媒体の参考例の基本構成を示す。この記録媒体１０は、導電性基体例えばシリコンＳｉ基体１１に下部電極１２が被着形成され、これとは反対側に、活性層１３が形成される。活性層１３は、少なくとも例えばＳｉＯ₂ を介しての電荷の注入、放出における電荷のトンネルが可能なトンネル絶縁膜を有し、例えば半導体のＳｉのナノ結晶がＳｉＯ₂ 等の絶縁膜中に埋め込まれ、ナノ結晶層を有する電荷蓄積層を有してなる。
【００２５】
このＳｉＯ₂ 膜によるトンネル膜は、ナノ結晶が埋め込まれたナノ結晶層を挟んでその上下に形成することができ、ナノ結晶粒と、更にナノ結晶粒とトンネル膜もしくはナノ結晶粒を埋め込むＳｉＯ₂ 膜との界面において高密度に電荷のトラップを形成するヘテロ界面を形成させることができる。
【００２６】
ここで、絶縁膜中に埋め込まれたナノクリスタルは、空間的に離散化されてかつ伝導帯端からエネルギーレベルの深いキャリアトラップになっている。そのサイズは直径１０ｎｍ以下、その間の距離は１０ｎｍ以下である。このような場合、キャリア（電子）が記録ヘッドと記録媒体のＳｉ基体との間に印加された強電界によりＳｉ基体側または記録ヘッド側から例えばＳｉＯ₂ 膜によるトンネル絶縁膜をトンネルして空間的に離散化されたキャリアトラップに注入されることにより情報の記録が成される。この注入される電子の方向は、キャリアトラップとＳｉ基体、記録ヘッドとの間のトンネル絶縁膜の厚さ、および記録ヘッドでの記録時の表面電界集中の大きさなどに依存している。キャリアトラップの密度は、５〜１０¹¹〜１×１０¹²ｃｍ^-2である。また、一つのキャリアトラップには複数個の電子をトラップすることができる。一方、キャリア（電子）が記録ヘッドと記録媒体のＳｉ基体との間に記録の場合とは逆の極性の強電界を印加することにより、トラップに注入されていた電子を放出することにより情報の消去を行うことができる。
【００２７】
情報の再生は、キャリアトラップに捕獲された電子と再生ヘッドとのクーロン相互作用を表面電位、静電容量等として直接検出する。この再生方法は非常に高感度であり、このため、小数のキャリアトラップに捕獲された電子を高感度に検出することが可能となる。すなわち、表面電位の検出感度は数ｍＶであるため、数１０ｍＶ程度の表面ポテンシャルの変化量を容易に検出することができる。
【００２８】
そして、ナノクリスタルを用いた記録媒体の特徴は、
（１）ナノクリスタルの元素を選択することにより、エネルギーレベルが深く、密度が高いキャリアトラップを絶縁膜中に作製することができる。
（２）ナノクリスタルから構成されるキャリアトラップを空間的に離散化した状態で絶縁膜中に作製することができる。
ということであり、
その結果として、
（１）書込み動作電圧を１０Ｖ以下（場合によっては５Ｖ以下）にすることができる。
（２）トラップが空間的に離散化しているため、記録ビット（記録領域）における情報の繰り返し書き換え消去特性が良好となる。
（３）トラップのエネルギーレベルが深く、空間的に離散化されているために同一トンネル絶縁膜の厚さで比較した場合、記録ビットのデータ保持特性が良好になる。
【００２９】
記録媒体１０を構成する各構成材料層は、それぞれ例えばスパッタリング法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法、ＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）法、分子線蒸着法、通常の蒸着法、ＭＯＤ（Metal Oxide Deposition）法、レーザアブレーション法、ゾルゲル法、スピンコート法、熱酸化法、熱窒化法などによって成膜することができる。
【００３０】
記録媒体１０に対する情報の記録は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）構成により、その記録ヘッドは、先端に針状電極を有するＡＦＭ制御の導電性カンチレバーによる構成とし、この記録ヘッド、すなわち針状電極が活性層１３側に接触して行われる。
【００３１】
この電荷蓄積層を有する記録媒体１０に対する記録は、記録ヘッドとしての針状電極を先端に有する導電性カンチレバーに記録電圧ＶＲとして、｜ＶＲ｜＜１０Ｖの、例えばキャリアが電子である場合は、負電圧の例えば−５Ｖのパルス電圧を印加する。このようにして、カンチレバーから電子を局所的に、少なくとも電荷蓄積層のトラップに注入することによって、すなわち電荷の移動を行わしめて情報の記録を行う。
【００３２】
そして、この局所的な電荷が注入された領域に対し、記録時の印加電圧とは、逆極性の所要の電圧、例えば＋５Ｖ程度のパルス電圧を印加することにより、電荷蓄積層のキャリアトラップから電荷の放出、すなわち電荷の移動を行って記録情報の消去を行う。
【００３３】
また、電荷（電子）をＳｉ基体側からキャリアトラップに注入する場合は、記録ヘッドに＋５Ｖのパルス電圧を印加して記録する。そして、これを消去する場合は、−５Ｖのパルス電圧を印加してキャリアトラップから電荷（電子）をＳｉ基体に放出する。
【００３４】
そして、その記録情報の読み出し（再生）は、記録媒体の上述したトラップへの電荷の注入領域と再生ヘッドとのクーロン相互作用に起因する静電容量、電荷、表面電位の変化量またはそれらの微分量として、針状電極による再生ヘッドを記録媒体に対して接触あるいは微小間隙をもって非接触の状態で検出することによって行う。
【００３５】
上述したように、記録媒体に対する記録および消去は、１０Ｖ以下の例えば１０Ｖの動作電圧、さらに本発明の電荷蓄積層の構成、例えばナノ結晶の構成材料、粒径、間隔等の最適化によってさらに低い５Ｖ以下とすることもできる。また、キャリアのトンネル膜例えばＳｉＯ₂ 膜の膜厚を小とすることによってキャリアの注入、逆注入すなわち放出に要する時間すなわち記録、消去時間をそれぞれ１μｓ以下とすることができる。
【００３６】
さらに、上述した静電容量の変化、あるいは電荷もしくは表面電位の変化の検出、すなわち記録情報の再生も、１ＭＨｚ以上の高速再生ができる。
また、記録領域の直径は、１００ｎｍ以下、例えば検出系の感度を向上させることにより５０ｎｍ以下、さらにナノ結晶の粒径に対応する１０ｎｍ程度とすることもできる。
【００３７】
次に、本発明装置の記録、消去装置と、再生装置の具体例を説明する。
【００３８】
〔記録、消去装置〕
図２は記録、消去装置の一例の概略構成図を示す。この記録ヘッドＨＲは、先端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に記録媒体に対して点接触ないしは微小面接触できる針状電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、バネ定数０．０１〜１０［Ｎ／ｍ］のＳｉもしくはＳｉＮよりなりその表面にＡｕ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｃｒ等の単層ないしは多層構造の金属層が被覆されることによって高い導電性が付与されて成る。或いは針状加工が可能で、導電性を有する不純物ドーピングのなされた導電性シリコンによって構成される。これらカンチレバー２２は、いわゆるマイクロファブリケーション技術によって作製することができる。
【００３９】
３０は、記録媒体１０が載置され、その面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされた記録媒体１０の載置台であり、この載置台３０は、さらに記録ヘッドすなわちカンチレバー２２の針状電極２１との接触状態を調整できるように記録媒体１０の面方向と垂直方向（以下ｚ軸方向という）に移動制御できるように構成される。
【００４０】
この載置台３０のｚ軸方向の制御は、例えば、半導体レーザー３８からのレーザー光を、収束レンズ系３１によって収束させてカンチレバー２２の先端に照射し、その反射光を例えば複数の分割フォトダイオード例えば４分割フォトダイオードによる光検出器３２によって差動検出し、その検出信号をプリアンプ３３を通じて、載置台３０のｚ軸制御を行うサーボ回路３４に入力して載置台３０のｚ軸方向の位置を制御することによって、常時記録媒体１０に対して、記録ヘッドすなわち針状電極２１が、最適な接触状態にあるように制御される。
【００４１】
一方、カンチレバー２２と記録媒体１０の下部電極１２との間に、記録信号に応じた電圧が印加される。この印加電圧は、記録信号に応じたパルス電圧発生回路３５よりのパルス電圧を直流電源３６による所要の直流バイアス電圧に重畳して印加する。
【００４２】
このようにして、記録媒体１０に、カンチレバー２２の先端の針状電極２１すなわち記録ヘッドを接触させた状態で記録媒体と相対的に移行させて上述の直流電圧にパルス電圧を重畳させた電圧を印加することにより情報の記録を行う。
【００４３】
〔再生装置〕
記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、再生ヘッドが記録媒体と接触しない、すなわち非接触状態で行うか、あるいは接触状態で行う。
先ず、非接触状態による場合について説明する。この再生装置は、基本的には、下記(i) 〜(iv)のいづれかの構成による。
(i) 走査型マックスウエル応力顕微鏡（ＳＭＭ：Scanning Maxwell Stress Microscope) 構成。
(ii)上記ＳＭＭ構成においてヘテロダイン検出方式を採る構成。
(iii) ケルビン力顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin Force Microscope ）構成。
(iv)走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscope)構成。
【００４４】
上記(i) 〜(iv)の構成について説明する。
〔(i) のＳＭＭ構成による場合。〕
図３は、この再生装置における再生ヘッドＨＰとその制御部の構成図を示す。
この再生はＳＭＭで知られている動作原理（例えばMolecular Electronics and Bioelectronics,vol.3 p79(1992)参照。）によってなされる。ここで、再生ヘッドＨＰは、図２で説明した記録ヘッドＨＲ自体を用いることができるが、いずれの場合においてもこの再生ヘッドＨＰは記録媒体１０に対して非接触状態で用いられる。この再生ヘッドＨＰは、前述した記録ヘッドＨＲにおける場合と同様に、先端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に針状電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、前述した載置台３０上に載置された記録媒体１０に非接触な状態で記録媒体１０の表面電位Ｖｓまたは静電容量の検出によって記録情報の再生がなされる。
【００４５】
載置台３０は、前述したように、これに載置された記録媒体１０の面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされ、さらに再生ヘッドＨＰとしてのカンチレバー２２の針状電極２１との間隔を調整できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移動制御できるように構成される。
【００４６】
再生ヘッドＨＰすなわち針状電極２１を有するカンチレバー２２と記録媒体１０との間にバイアス電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、記録媒体との間に（数１）で与えられる力Ｆ_Z が働く。
【００４７】
【数１】

（ここでＣは針状電極２１と記録媒体１０との間の静電容量、Ｚは針状電極２１と記録媒体１０との間の距離。）
今、記録媒体１０の表面電位をＶ_S とし、
Ｖ＝Ｖ_AC・ｓｉｎωｔ＋Ｖ_off
のバイアス電圧Ｖを印加すると、力Ｆ_Z は次式（数２）のようになる。
【００４８】
【数２】

【００４９】
これによってカンチレバー２２は力Ｆ_Z を受けて振動する。一方カンチレバー２２の先端に、半導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａは、次式（数３）で表すことができる。
【００５０】
【数３】

【００５１】
この検出信号Ａは、ロックインアンプ４５に入力され、ここで、２ω成分の出力（数４）を取り出す。
【００５２】
【数４】

【００５３】
この２ω成分による出力は、載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの２ω成分による出力が一定になるようになされる。２ω成分は静電容量の微分信号であり、２ωを一定に制御することにより、誘電率を一定に仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１と記録媒体との距離を一定に制御できる。
【００５４】
このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られることになる。
【００５５】
また、このとき同時にω成分の出力（数５）をロックインアンプ４５で取り出す。
【００５６】
【数５】

【００５７】
これは媒体１０の表面電位Ｖ_S にのみ依存することになる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないように、さらに、ω項がゼロになるようにω成分出力をＶ_off の制御回路４７にフィードバックしてＶ_off の制御を行って∂Ｃ／∂Ｚの大きさによる影響を排して、
Ｖ_off ＋Ｖ_S ＝０ すなわち Ｖ_S ＝−Ｖ_off
とする。このようにすればＶ_S 、云い換えれば、記録媒体１０上の表面電位分布として生じる記録情報を読み出すことができる。
【００５８】
〔(ii)上記ＳＭＭ構成においてヘテロダイン検出方式を採る構成による場合。〕
通常のＳＭＭでは、周波数特性はカンチレバーの共振周波数によって限定されるが、ヘテロダイン検出法を用いることによりカンチレバー機械的共振周波数よりも高い周波数帯域での表面電位の検出が可能となる。
このため、再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が可能となる。
図４は、この再生装置における再生ヘッドＨＰとその制御部の構成図を示す。図４において図３と対応する部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５９】
この検出方式は、ヘテロダイン検出方式によるＳＭＭの動作原理による（前記Molecular Electronics and Bioelectronics,Vol.3 p79(1992)およびVol.79 p34(1995)参照）。
この方式では、通常のＳＭＭ検出方式による表面電位の検出等、カンチレバーの共振点より高い周波数領域における静電容量の検出を行うことができる。
【００６０】
この検出方式においても、再生ヘッドＨＰすなわち針状電極２１を有するカンチレバー２２と記録媒体１０との間にバイアス電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、記録媒体１０との間に前記（数１）で与えられる力Ｆ_Z が働く。 今、記録媒体１０の表面電位をＶｓとし、
Ｖ＝Ｖ_AC・ｓｉｎωｔ＋Ｖ_off
のバイアス電圧Ｖを印加すると、力Ｆ_Z は前記（数２）のようになる。これによってカンチレバー２２は力Ｆ_Z を受けて振動する。一方カンチレバー２２の先端に、半導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａは、前記（数３）で表すことができる。
【００６１】
この検出信号は、ロックインアンプ４５Ｂに入力され、ここで、２ω成分の出力（前記（数４））を取出す。
この２ω成分による出力は、載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの２ω成分による出力が一定になるようになされる。２ω成分は静電容量の微分信号であり、２ωを一定に制御することにより、誘電率を一定に仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１と記録媒体１０との距離を一定に制御できる。
このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られることになる。
【００６２】
また、このとき同時にω成分の出力（前記（数５））をロックインアンプ４５Ｂで取り出す。
これは記録媒体１０の表面電位Ｖｓにのみ依存することになる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないように、さらに、ω項がゼロになるようにω成分出力をフィードバックしてＶ_off の制御を行って∂Ｃ／∂ｚの大きさによる影響を排して、
Ｖ_off ＋Ｖｓ＝０ すなわち Ｖｓ＝−Ｖ_off
とする。このようにすればＶｓ、云い換えれば、記録媒体１０上の表面電位分布として生じる記録情報を読み出すことができる。
【００６３】
そして、通常のＳＭＭでは、その周波数特性はカンチレバーの共振周波数によって限定されるが、ヘテロダイン検出法を用いることによりカンチレバー機械的共振周波数よりも高い周波数帯域での静電容量または表面電位の検出が可能となる。このため再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が可能となる。
ヘテロダイン検出方式のＳＭＭの動作原理は以下の通りである。
ＳＭＭでＭＨｚ以上の高周波数成分を含む複数の交流電圧をカンチレバー２２と記録媒体１０との間に印加し、誘起されたカンチレバー２２の振動を４分割光検出器４４で検出する。
【００６４】
【数６】

【００６５】
ここで、Ｖ_AFは、（数７）で与えられ、カンチレバーの共振周波数以下の周波数成分からなる低周波電圧で、低周波発振器５６およびローパスフィルタ５７によって得たＤＣ（直流）バイアス電圧Ｖ_Dcと周波数ω₀ の交流電圧からなる。Ｖ_RFは、（数８）で与えられ、カンチレバーの共振周波数より高い交流電圧を示し、高周波発振器５８からの周波数ω_a でハイパスフィルタ５９よりの周波数ω_r の高周波キャリア信号を変調の深さＭ（Ｍ≒１）で振幅変調したものである。
【００６６】
【数７】

【００６７】
【数８】

【００６８】
この結果、印加電圧は、ＤＣ、ω₀ 、ω_r とω_r ＋ω_a 、ω_r −ω_a の５種類の周波数成分から構成される交流電圧となる。上記交流電圧がカンチレバーに印加されるとマックスウエル応力が電界の２乗に比例するために、周波数の混合が引き起こされ、和と差の周波数を持つ振動成分がカンチレバー上に誘起され、この振動が光検出器４４で検出されプリアンプ５５で増幅され、ロックインアンプ４５Ａおよび４５Ｂに導入される。ロックインアンプ４５Ａおよびロックインアンプ４５Ｂから得たヘテロビート成分、ω₀ 成分、２ω₀ 成分は、コンピュータ１４７に入力される。特にω_a で振動するヘテロダインビート成分は周波数ω_r での記録媒体での誘電応答についての情報を与える（下記（数９））。このためヘテロダイン検出方式は、カンチレバーの共振器周波数よりも高い周波数での記録媒体の静電容量の検出を可能にする。また、カンチレバーの位置の制御は、２ω₀ の振幅が常に一定になるように、例えばｚ軸方向のピエゾ素子（図示せず）による制御によって行われる。
【００６９】
【数９】

【００７０】
〔(iii) ケルビン力顕微鏡（ＫＦＭ：Kelvin Force Microscope ）構成。〕
この動作原理は、ケルビン力顕微鏡で知られている（例えばApplied Physics Letters 52 1103 (1993)参照）。
【００７１】
図５を参照して説明する。図５において、図４と対応する部分には同一符号を付して示す。この場合においても、再生ヘッドＨＰは、図２で説明した記録ヘッドＨＲ自体を用いることができるが、この場合における再生ヘッドＨＲは記録媒体１０に対して非接触状態で用いられる。すなわち、図２で説明した記録ヘッドにおけると同様に、再生ヘッドＨＰは、先端に例えば円錐状、３角錐状、断面例えば３角の柱状等の実質的に針状の電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、前述した載置台３０上に載置された記録媒体１０に非接触な状態で記録媒体１０の表面電圧Ｖｓの検出すなわち記録情報の再生がなされる。そして、この場合、共振周波数が充分高く、バネ定数が充分低いカンチレバーを用いることにより、ＫＦＭを用いて高周波数領域における高速の再生が可能となる。
【００７２】
この載置台３０は、前述したと同様にこれに載置された記録媒体１０の面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされ、さらに再生ヘッドＨＰとしてのカンチレバー２２の針状電極２１との間隔を調整できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移動制御できるように構成される。
【００７３】
そして、再生ヘッドすなわち針状電極２１を有する圧電素子２３を用いて共振周波数で振動しているカンチレバー２２と記録媒体１０との間に、バイアス電圧Ｖを印加すると、静電結合により針状電極２１と、記録媒体１０との間に前記（数１）で与えられる力Ｆｚが働く。
そして、いま、記録媒体１０の表面電位をＶｓとし、
Ｖ＝Ｖ_AC・ｓｉｎωｔ＋Ｖ_off
で与えられるバイアス電圧Ｖを印加すると、力Ｆ_Z は（数１０）のようになり、カンチレバー２２は、力Ｆｚを受けて振動する。
【００７４】
【数１０】

【００７５】
一方、カンチレバー２２の先端に、半導体レーザー４３からのレーザー光を照射し、その反射光をフォトダイオード等の光検出器４４によって検出する。この光検出器４４によって得られる検出信号Ａで、カンチレバー２２の共振周波数の振幅の減少量に着目する。カンチレバー２２の共振周波数の振幅は、記録媒体１０とのクーロン相互作用により減少する。この共振周波数の周波数シフトに起因する共振周波数の振幅の減少量または位相変化を検出することにより表面電位または静電容量の微分量等の物理量を求めることができる。
この検出信号は、ロックインアンプ４５に入力され、ここでカンチレバーの共振器周波数ω_r 成分の出力を（数１１）を取り出す。
【００７６】
【数１１】

【００７７】
このω_r 成分による出力は、載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行うサーボ回路４６に入力し、これによって載置台３０のｚ軸方向の位置制御を行ってこの２ω成分による出力が一定になるようにされる。ω_r 成分は、ファンデルフワールス力とクーロン力に起因する力であり、ω_r を一定に制御することにより、誘電率を一定と仮定すれば、カンチレバー２２の針状電極２１と記録媒体１０との距離を一定に制御できる。
このときの載置台３０のｚ軸の制御信号を画像化すると、記録媒体１０の表面形状の情報が得られることになる。
【００７８】
また、このとき同時に、ω成分の出力（数１２）をロックインアンプ４５で取り出す。
【００７９】
【数１２】

【００８０】
測定される変位量Ａは、カンチレバーの共振点での振動の振幅または位相に対する微分信号となるため記録媒体１０の表面電位Ｖｓの微分に対応する信号が得られる。つまり、これが記録媒体１０の表面電位分布に対応した出力となる。そして、このとき、この出力が∂Ｃ／∂ｚの大きさによって変わることのないように、さらにω項が０になるように、ω成分出力をＶ_off の制御回路４７にフィードバックしてＶ_off の制御を行って∂Ｃ／∂ｚの大きさによる影響を配して、
Ｖ_off ＋Ｖｓ＝０すなわちＶｓ＝−Ｖ_off
とする。このようにすれば、Ｖｓ言い換えれば、記録媒体１０上の表面電位分布の微分信号として生じる記録情報を読み出すことができる。
【００８１】
また、記録媒体１０からの記録情報の再生の他の例としては、再生ヘッドを記録媒体に接触させた状態での容量変化の検出によって行うことができる。この再生は、具体的には、上述のＡＦＭを発展させた周知の装置である走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ）構成によることができる。
【００８２】
〔(iv)のＳＣＭによる場合〕
この記録媒体１０からの記録情報の再生は、再生ヘッドを記録媒体１０に対して接触させた状態で行う。図６は、記録情報に基く静電容量の変化量を検出して記録情報の再生を行うこの再生装置の一例の概略構成図を示す。この再生装置は、具体的には上述のＡＦＭを発展させた周知の走査型静電容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscop）構成とした（以下、この再生装置をＳＣＭ型再生装置という）。すなわち、この場合においても、前述した記録装置におけると同様に、先端に針状電極２１を有する導電性カンチレバー２２が設けられた再生ヘッドＨＰを有してなる。この再生ヘッドＨＰは、記録ヘッドＨＲと共用することも別構成とすることもできる。この再生ヘッドＨＰにおいても、先端に例えば円錐状、三角錐状、断面例えば三角の柱状等の実質的に記録媒体に対して点接触ないしは微小面接触できる針状電極２１が形成された例えば短冊状の板バネ構成を有し、一端が固定されたカンチレバー２２によって構成される。このカンチレバー２２は、バネ定数０．０１〜１０〔Ｎ／ｍ〕のＳｉもしくはＳｉＮよりなりその表面にＡｕ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｃｒ等の単層ないしは多層構造の金属層が被覆されることによって高い導電性が付与されて成る。或いは針状加工が可能で、導電性を有する不純物ドーピングのなされた導電性シリコンによって構成される。これらカンチレバー２２は、いわゆるマイクロファブリケーション技術によって作製することができる。
【００８３】
載置台３０は、前述したように、これに載置された記録媒体１０の面方向に沿って例えば互いに直交するｘ軸およびｙ軸に関して移動するように、もしくは回転するようになされ、更に再生ヘッドＨＰとしてのカンチレバー２２の針状電極２１との接触状態を調整できるように記録媒体１０の面方向と直交するｚ軸方向に移動制御できるように構成される。
【００８４】
再生ヘッドＨＰの針状電極２１を記録媒体１０上に接触させ、この状態で載置台３０によって記録媒体を例えば回転させて針状電極２１を記録媒体１０上に走査しつつ、直流電源４０からの直流バイアス電圧Ｖ記録媒体１０に印加し、カンチレバー２２と記録媒体１０との間の静電容量を検出器５０に内蔵する発振周波数９１５ＭＨｚの発振器からの発振周波数シフトとして静電容量信号Ｃ（Ｖ）を検出し、ロックインアンプ４５からｄＣ／ｄＶ信号を取り出し、これをコンピュータ５２に入力する。この場合、媒体の極くわずかな容量変化が共振周波数のシフトとなり、出力振幅の高低が変化する。この信号を検波回路で検波し、静電容量の変化として検出する。
【００８５】
その概略構成を説明すると、カンチレバー２２に、例えば半導体レーザ４３からのレーザー光を照射し、その反射光を光検出器４４によって検出し、サーボ回路に入力し、載置台３０のｚ軸方向の制御がなされる。
【００８６】
この場合の再生ヘッドは、前述した例えば記録ヘッドＨＲにおけると同様のカンチレバー構成を採り得る。このカンチレバーすなわち再生ヘッドは、上述した記録ヘッドと兼用することもできるし、別の構成とするこもできる。いずれにおいても、その再生ヘッドとしてのカンチレバーは、これが記録媒体に接触した状態で通常のＡＦＭ装置と同一の方式でフィードバック制御される。そして、このカンチレバーすなわち再生ヘッドと記録媒体との間に働く静電容量を容量センサで検出する。尚、本明細書においては、この再生ヘッドとその後段に位置する容量センサ（静電容量検出器）を合せて再生ヘッド系という。そして、この検出された静電容量を２次元画像化することができ、これにより静電容量の２次元分布を検出することができる。
【００８７】
ＳＣＭでは、周波数特性はカンチレバーの共振周波数によって限定されず、カンチレバーよりも高い周波数帯域での静電容量の検出が可能となる。このため再生ヘッドの周波数特性は、ＭＨｚ帯域までの応答が可能となる。
【００８８】
次に、本発明の参考例及び実施例を説明する。
〔参考例１〕
この参考例においては、記録ヘッドであるカンチレバーと記録媒体との間に電圧パルスを印加して情報の記録を行うものであるが、この場合、記録媒体の基体側からのキャリア（電子）を電荷蓄積層のトラップに注入する記録態様をとる場合である。この場合の記録媒体１０は、図７にその概略断面図を示すように、導電性半導体基体１１としてのｐ型のＳｉ基体上に、下層絶縁膜１４を被着形成する。この下層絶縁膜１４は、キャリア、この例では電子をトンネルすることのできる厚さに選定されたボトム側のトンネル絶縁膜となるものであり、この下層絶縁膜１４は、基体１１の表面熱酸化による厚さ１．８ｎｍのＳｉＯ₂ 膜によって形成し得る。この下層絶縁膜１４上に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉによるナノ結晶（ナノクリスタル）１５Ｃを形成する。このナノ結晶１５Ｃは、結晶粒径が約５ｎｍで、約５ｎｍの間隔で配列される。これの上に、ＬＰＣＶＤ法によりＳｉＯ₂ 絶縁膜１５ｉを形成してナノ結晶１５Ｃを埋め込んだナノ結晶層１５を形成し、続いてこれの上にＳｉＯ₂ による上層絶縁膜１６を形成することによって電荷蓄積層１７を形成する。この上層絶縁膜１６の厚さは、６ｎｍとされ、これにより記録媒体の表面は比較的平面に形成される。しかしながら、必要に応じて、この記録媒体の表面を例えばＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理によって平坦化処理することもできる。
【００８９】
この構成による記録媒体１０の電荷蓄積層１７は、ナノ結晶１５Ｃと、これと絶縁膜１５ｉおよび１６のＳｉＯ₂ のためにキャリアトラップとして動作するキャリアトラップを有する層として形成される。
【００９０】
そして、基体１１の電荷蓄積層１７が形成された側とは反対側の裏面に、金属電極層による下部電極１２がオーミックに被着される。
【００９１】
この電荷蓄積層１７を有する記録媒体１０に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の活性層側すなわち電荷蓄積層１７側の表面、つまり上層絶縁膜１６側の表面に、針状電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバーより電荷蓄積層１７の主としてＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップにキャリア例えば電子を局部的に注入して情報の記録を行う。すなわち、キャリアトラップに局所的に注入したキャリア（電子）の有無による電荷量の変化として記録がなされ、この記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【００９２】
この記録媒体１０の、電荷蓄積層１７の主としてＳｉナノ結晶層１５によるキャリアトラップへの電荷注入、すなわち情報の記録は、Ｓｉ基体１１側からのキャリアの注入と、カンチレバー側からの注入との２種類存在するが、本参考例ではＳｉＯ₂ 下層絶縁膜１４をトンネル膜として主としてＳｉナノ結晶層１５のトラップに電子を局所的に注入することによって局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。なお、本参考例においてＳｉＯ₂ 膜１６は膜厚が厚いため、このＳｉＯ₂ 膜１６でのトンネル確率が低くカンチレバー側からのＳｉナノ結晶層への電子が注入される確率は少ない。
【００９３】
次に、本参考例１における記録媒体の電圧−容量特性について述べる。本参考例における記録媒体の記録層、すなわち電荷蓄積層において、そのＳｉナノ結晶層であるトラップが電荷の注入を受けている場合と、電荷の注入を受けていない場合とでは、電圧−容量特性が異なる。その結果として、注入電荷の有無で電圧−容量特性にヒステリシス特性を示す。ヒステリシス特性におけるフラットバンド電圧のバイアス電圧の差ΔＶは、注入された電荷量に依存しており、注入電荷量が多いほどΔＶは大きくなる。このヒステリシス特性は、一定のバイアス電圧では注入電荷の有無によって容量の値が異なるため、空間的な容量変化を表面電位の変化として情報の記録、かつこれを検出することにより情報の再生を行うことができる。
【００９４】
次に、この参考例１における記録、消去および再生特性を示す。まず、ＳｉＯ₂ 上層絶縁膜１６／Ｓｉナノ結晶層１５／ＳｉＯ下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１１／下部電極１２による記録媒体１０に、５Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１と下部電極１２との間に印加して、基体１１側から、電子を主としてＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップに局所的に注入する。この場合、１つのＳｉナノ結晶トラップには複数個の電子を注入することが可能である。
【００９５】
このようにして、情報の記録がなされた記録媒体１０に対して、図４で説明したヘテロダイン検出ＳＭＭ再生装置によって、その局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布の変化量として検出する。このヘテロダイン検出方式において１０ＭＨｚの高周波数領域で表面電位分布を評価した。
【００９６】
その結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されなかった。すなわち、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【００９７】
そして、ＳＭＭ像では、３μｍ×３μｍの領域の表面電位分布を検討した。この場合、通常のＳＭＭ測定で行っている５〜１０ｋＨｚでの評価結果とほぼ同一であることが分かった。この場合、電子が注入された部分の表面電位のコントラストが、その周辺と比較して低くなっており、記録ビットが観測された。つまり、１０ＭＨｚでの高周波数領域でも、５〜１０ｋＨｚと同様な表面電位分布が得られていることが分かった。これは、表面電位分布が１０ＭＨｚの高周波数領域においても検出可能であることを示すものである。
【００９８】
注入電荷量の差は、電位差では約３０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が１ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“１”のデータの識別を充分行うことができる値であることが分かった。
【００９９】
また、＋５Ｖを先に、上述の記録媒体１０に印加した後に、−５Ｖのパルス電圧を印加した場合、周辺の表面電位と同様な値を示すことが分かった。これは記録ビットの消去が可能であることを示している。
【０１００】
また、オーバーライト特性は、パルス電圧条件を最適化することにより可能となることも分かった。また、ヘテロダイン検出方式により、表面電位分布像における記録ビットの検出が１０ＭＨｚの高周波数領域においても可能であることも分かった。
【０１０１】
このことはヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いることにより、高周波領域での記録ビットの再生が可能であることを示している。このことから、本参考例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。
【０１０２】
この２種類の局所的な電荷の有無を、デジタルデータのストレージの“０”と“１”に対応させることができる。すなわち、ＳＭＭ像において、表面電位のコントラストの低い部分とその周辺に生じた高い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。
【０１０３】
種々の実験の結果、最小記録ビットの直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入による記録、消去時間はそれぞれ１μｓより小さいことが分かった。
【０１０４】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この参考例１では高密度記録再生装置として充分な強をもっていることが分かった。
〔参考例２〕
この参考例においては、カンチレバーによるパルス電圧印加により、記録ヘッド側から、キャリア（電子）を、記録媒体の電荷蓄積層のトラップに注入する記録態様をとる場合である。この場合の記録媒体１０は、参考例１におけると同様の方法によって、図７にその概略断面図を示すように、導電性半導体基体１１としてのｎ型のＳｉ基体上に、ＳｉＯ₂ による下層絶縁膜１４、Ｓｉナノ結晶層１５、ＳｉＯ₂ による上層絶縁膜１６を形成するものであるが、この場合、ボトム側の下層絶縁膜１４においては、電子のトンネルが生じにくい程度の厚さの３．５ｎｍに形成した。そして、Ｓｉナノ結晶層１５は、ナノ結晶１５Ｃの粒径および粒子間隔をそれぞれ３．５ｎｍとし、このナノ結晶１５Ｃを埋込んでＳｉＯ2 絶縁膜１５ｉを形成し、続いてこれの上に上層の絶縁膜１６を、３ｎｍとなるように形成した場合である。
【０１０５】
この電荷蓄積層１７を有する記録媒体１０に対する記録は、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の活性層側すなわち電荷蓄積層１７側の表面、つまり上層絶縁膜１６側の表面に、針状電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバー側から、Ｓｉナノ結晶存在するキャリアトラップにキャリア例えば電子を局部的に注入して情報の記録を行う。すなわち、キャリアトラップに局所的に注入したキャリア（電子）の有無、すなわち電荷の変化として記録がなされ、この記録情報に応じた電位パターンを形成する。
【０１０６】
この記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、記録情報に応じた電位ＶＳの分布の検出によって行う。
【０１０７】
次に、本参考例２における記録、消去および再生特性を示す。まず、ＳｉＯ₂ 上層絶縁膜１６／Ｓｉナノ結晶層１５／ＳｉＯ下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１１／下部電極１２による記録媒体１０に、−５Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１と下部電極１２との間に印加して、記録ヘッド側から電子を主としてＳｉナノ結晶層１５におけるキャリアトラップに局所的に注入する。
【０１０８】
次に、図３のＳＭＭ再生装置によって、その局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布の変化量として検出する。ＳＭＭによって、２μｍ×２μｍの領域を評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されずパルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１０９】
ＳＭＭ像では、２μｍ×２μｍの部分でキャリアの注入させた部分の表面電位のコントラストは、周囲と比較して低くなっており、これは−５Ｖのパルス電圧によって電子が記録ヘッド側よりトラップに局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較して増加していることを示している。
【０１１０】
以上より微細な記録ビットをＳＭＭによって検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は、電位差で約３０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が、数ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“１”のデータの識別を充分行うことができる値であることが分かった。
【０１１１】
また、−５Ｖのパルス電圧を印加した後＋５Ｖのパルス電圧を記録媒体１０に印加した場合、すなわち上述とは反対の極性の電圧を印加した場合、ＳＭＭの電位分布で観察される画像のコントラストも周囲と比較して同一の電位になっていることが分かった。すなわち記録媒体１０のトラップに注入されるキャリアの量が相殺されていることが分かり、記録ビットの消去が可能であることが分かった。
このことから、この参考例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。
この２種類の局所的な電荷の有無を、デジタルデータのストレージの“０”と“１”に対応させることができる。すなわち、ＳＭＭ像において、表面電位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。
【０１１２】
種々の実験の結果、最小記録ビットの直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入に必要な記録、消去時間はそれぞれ１μｓより小さくできることが分かった。
【０１１３】
また、図４に示したヘテロダイン検出ＳＭＭを用いることにより、１ＭＨｚ以上の高周波数領域での記録ビット信号の検出再生を行うことができた。そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この参考例２では高密度記録再生装置として充分な機能を有していることが分かった。
【０１１４】
〔実施例１〕
この実施例における記録媒体１０は、電荷蓄積層１７のキャリアトラップであるＳｉナノ結晶に、カンチレバーすなわち記録ヘッド側から電子を注入することによって情報の記録を行うようにした場合である。この実施例では、Ｓｉナノ結晶層を２層構造としてナノ結晶の実質的トラップ密度が増加する素子構造になっている。
【０１１５】
この実施例１における記録媒体１０は、図８にその概略断面図を示すように、ｎ型Ｓｉ基体１１上に、その表面熱酸化により形成した厚さ３ｎｍのＳｉＯ₂ 膜による下層絶縁膜１４を形成し、これの上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶１５Ｃを形成し、これにＳｉＯ₂ 絶縁膜１５ｉをＬＰＣＶＤ法により形成してナノ結晶１５Ｃを埋込んで、第１のＳｉナノ結晶層１５Ａを形成する。このナノ結晶は、粒径約３ｎｍで、約３ｎｍ間隔で配列されている。続いてこれの上にＬＰＣＶＤ法によって厚さ３ｎｍのＳｉＯ₂ 膜による中間絶縁膜１８を成膜する。さらにこれの上にＳｉナノ結晶１５Ｃを同様にプラズマＣＶＤ法により形成し、さらにこれの上にＬＰＣＶＤ法によりＳｉナノ結晶１５Ｃを埋込んでＳｉＯ₂ 絶縁膜１５ｉを形成して第２のナノ結晶層１５Ｂを形成する。続いてＬＰＣＶＤ法によって４ｎｍのＳｉＯ₂ 膜による上層絶縁膜１６を形成した。そして、その表面の平坦化を行なうため、必要に応じてＣＭＰ処理を行なうこともある。
【０１１６】
基体１１の電荷蓄積層１７が形成された側とは反対側には金属層による下部電極１２を被着する。
【０１１７】
本実施例による記録媒体１０は、第１および第２のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂによるキャリアトラップ層が、厚さ方向に２箇所、つまり２層存在することになり、トラップされるキャリアの数が参考例１の場合と比較して多くなり、その結果として参考例１で説明した表面電位の周辺部との差を、参考例１に比し大きくすることができる。
【０１１８】
この２層のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂを有する荷蓄積層１７を有してなる記録媒体１０に対する記録も、前述した図２の記録ヘッドＨＲによって行う。すなわち、記録媒体１０を、移動載置台３０上に配置し、記録媒体１０の表面ＳｉＯ₂ 層１６に、針状電極２１を走査しつつ記録情報に基いてパルス電圧を印加して、導電性カンチレバーよりナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂとその近傍に存在するキャリアトラップに電子を局部的に注入して情報の記録を行う。すなわち、キャリアトラップに局所的に注入したキャリア（電子）の有無の記録情報に応じた電位パターンを形成する。この場合、２層のナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラップの数は、１層のナノ結晶層１５による参考例１と比較して多くなっているため、その結果として、キャリアトラップの濃度も大きくなる。
【０１１９】
このようにして、ナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラップに、Ｓｉ基体１１側から、電子を局所的に注入することによって情報の記録を行った記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、上述した局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。
【０１２０】
次に、この実施例１における記録、消去および再生特性を示す。まず、上述したＳｉＯ₂ 上層絶縁膜１６／第２のナノ結晶層１５Ｂ／ＳｉＯ₂ 中間絶縁膜１８／第１のナノ結晶層１５Ａ／ＳｉＯ₂ 下層絶縁膜１４／Ｓｉ基体１１による記録媒体１０に、５Ｖのパルス電圧をヘッドすなわち針状電極２１から印加して、局所的に電子をＳｉＯ₂ 上層絶縁膜１６／第２のナノ結晶層１５Ｂ／ＳｉＯ₂ 中間絶縁膜１８／第１のナノ結晶層１５Ａ／ＳｉＯ₂ 下層絶縁膜１４／による電荷蓄積層１７の、主として両ナノ結晶層１５Ａおよび１５Ｂのキャリアトラップに注入して情報の記録を行う。
【０１２１】
この情報の記録は、図４で説明したヘテロダイン検出によるＳＭＭ再生装置によって再生する。すなわち、上述の図７の構成による記録媒体１０の局所的な注入電荷量の差を、表面電位Ｖｓの分布として検出する。この場合、ヘテロダイン検出によるＳＭＭ再生装置によって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、この場合においても、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１２２】
ヘテロダイン検出ＳＭＭ像では、３μｍ×３μｍの部分でキャリアの注入させた部分の表面電位のコントラストは周囲と比較して低くなって観察された。これは−５Ｖのパルス電圧印加によって電子が記録ヘッド側より局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較して増加していること、すなわち、記録ビットが形成されていることを示している。
【０１２３】
また、ヘテロダイン検出によるＳＭＭ装置のスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、電子のキャリア注入により電荷量が増大している記録ビットが検出された。
【０１２４】
以上より微細な記録ビットを、ヘテロダイン検出ＳＭＭによって検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は、電位差では約４０ｍＶであり、ＳＭＭの電位分解能が１ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”及び“１”のデータの識別を充分に行うことのできる値であることが分かった。
【０１２５】
また、＋５Ｖのパルス電圧を、上述の図７の記録媒体１０材料２に印加した場合、すなわち、上述とは反対の極性の電圧を印加した場合、ヘテロダイン検出ＳＭＭの電位分布で観察される画像のコントラストも逆転していること、すなわち、トラップに注入されるキャリアの極性が反対の関係になっていることが分かった。また、記録と逆極性の電圧パルスを印加することにより情報の消去も可能であることが分り、オーバーライト特性も有することが分かった。
【０１２６】
このことから、本実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入量が記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。この２種類の局所的な電荷の有無を、デジタルデータのストレージの“０”と“１”に対応させることができる。すなわち、表面電位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の記録、消去時間はそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１２７】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例１では高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１２８】
〔参考例３〕
この参考例３では、キャリアの注入を、記録ヘッドと記録媒体の間のパルス電圧印加によりＳｉ基体側から電荷蓄積層のキャリアトラップに注入するようにする場合である。
【０１２９】
この参考例３では、記録媒体１０として、図９にその概略断面図を示すように、ボトムトンネル膜として下層絶縁膜１４を、厚さ２ｎｍのＳｉＯＮ膜によって形成し、これの上に順次Ｓｉナノ結晶層１５、表面層の厚さが５ｎｍのＳｉＯ₂ 膜による上層絶縁膜１６を参考例１と同様の方法によって成膜して形成した。この場合においても、基体１１の上述した各成膜による電荷蓄積層１７が形成された側とは反対側に金属層による下部電極１２が被着形成される。
【０１３０】
すなわち、この参考例３は、参考例１および実施例１における各下層側つまりボトムトンネル膜としての下層絶縁膜１４のＳｉＯ₂ 膜に換えてＳｉＯＮ膜とした場合である。このようにＳｉＯＮトンネル膜１４を用いることにより、ＳｉＯ₂ トンネル膜による場合に比し、情報の消去速度を速められることが期待される。
【０１３１】
本参考例３においても、カンチレバーにパルス電圧を印加することにより、Ｓｉ基体１１側から電荷蓄積記録媒体に電子を注入、放出することができ、その結果として、記録ビットの記録、再生、消去が可能であることがわかった。
【０１３２】
記録ビットの記録再生特性については本参考例３も参考例１と同等の特性が得られた。また、本参考例３においても、再生にヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いているため、記録ビットの高周波数領域での高速な再生が可能になった。
【０１３３】
〔実施例２〕
本実施例では、パルス電圧印加による記録媒体の電荷蓄積層に対するキャリアの注入を、Ｓｉ基体側からキャリアトラップに注入するようにした場合である。
【０１３４】
この場合、記録媒体１０の構成は、図８の構成において、ＳｉＯ₂ による下層絶縁膜１４の厚さを２ｎｍとし、第１のナノ結晶層１５Ａの厚さを３ｎｍとし、中間絶縁膜１８の厚さを３ｎｍとし、第２のナノ結晶層１５Ｂの厚さを３ｎｍとし、上層絶縁膜１６の表面層の厚さを５ｎｍとした場合である。また、この実施例２においても、その各膜の成膜方法は、参考例１と同様とした。
【０１３５】
この実施例２においては、実施例１の場合と比較して、ＳｉＯ₂ 膜１６の厚さを５ｎｍと厚くして、下層絶縁膜１４の膜厚を２ｎｍと薄くしてこれをトンネル絶縁膜とするものであり、参考例１におけると同様に、カンチレバーにパルス電圧を印加して、記録および消去を行うとき、Ｓｉ基体側から電荷蓄積層１７へのキャリア（電子）を注入、放出がなされて記録ビットの記録消去がなされるようにしたものである。
【０１３６】
この実施例２における記録、消去および再生特性についても、参考例１と同等の特性が得られた。また、本実施例では再生にヘテロダイン検出方式のＳＭＭ再生法を用いた。この場合においても、記録ビットの高周波数領域での高速な再生が可能になった。
【０１３７】
〔参考例４〕
本参考例では、参考例１と同一構成の記録媒体を用い、図２および図４で説明した記録および消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドＨＰをそれぞれ別構成とした。すなわち、各ヘッドＨＲとＨＰのカンチレバーを独別に構成し、記録媒体１０に対して接触状態で用いられる記録および消去ヘッドＨＲの針状電極に関しては、その磨耗を考慮して表面に形成される導電層を比較的厚く形成した例えはその先端の曲率半径が５０〜１００ｎｍとするが、非接触状態で用いられる再生ヘッドＨＰに関してはその磨耗を考慮する必要がないことから、表面導電層は薄く形成して、その針状電極の先端の曲率半径は記録および消去ヘッドＨＲのそれより小さい３０ｎｍ以下とした。
【０１３８】
このように、再生ヘッドの針状電極の先端の曲率半径を小さくすることによって、再生時の表面電位の空間分解能の解像度を上げることができることから、その最小記録領域の大きさを直径約６０ｎｍ以下にまで小さくすることができた。
【０１３９】
また、局所的に電荷が注入された領域は、充分安定に保持できた。また、ヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いたことにより、記録ビットの高周波数領域での再生が可能になった。上述したように、本参考例で高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認された。
【０１４０】
また、この参考例４では、参考例１における構成による記録媒体を用いたが、上述した他の実施例で示した構成による記録媒体を用いる場合においても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０１４１】
〔参考例５〕
本参考例ではディスク形状をしている記録媒体を回転させて記録再生を行った。この場合の記録、再生の各ヘッドは、参考例４で確認した２種類の記録および再生用ヘッドを用いた。また、記録媒体は参考例４で用いた構成、すなわち参考例１における構成と同様の構成とした。この場合の情報の記録再生特性は、参考例１と同様に確認することができた。
【０１４２】
また、記録媒体と非接触状態で情報の再生を行なっているため、記録媒体が高速回転している場合でも、ヘッドと記録媒体間の磨耗による影響を最小限に抑制することができた。また、ヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いることにより、記録ビットの高周波数領域での再生が可能になった。
【０１４３】
種々の実験の結果、この場合においても最小記録ビット直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。記録時間は１μｓより小さくすることができた。また、局所的に電荷が注入された領域は充分安定に保持された。
【０１４４】
尚、上述した各例においては、情報の再生を、図４で説明したヘテロダイン検出方式のＳＭＭを用いた場合で、この場合記録ビットの高周波数領域での再生が可能となるものであるが、各例において、図３のヘテロダイン検出方式によらないＳＭＭ装置によってその再生を行うこともできる。
【０１４５】
〔参考例６〕
この参考例における記録媒体は、参考例１と同一構成とし、同一記録態様を採った。
この場合においても記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、記録媒体１０の、ナノ結晶層１５のキャリアトラップを主とする電荷蓄積層１７のキャリアトラップへの電荷注入方式は、Ｓｉ基体側とカンチレバー側の２種類存在するが、本参考例ではＳｉＯ₂ 下層絶縁膜１４をトンネル膜として、キャリアトラップにＳｉ基体側より電子を局所的に注入することによって、局所的に電荷量の差を生じさせて情報の記録を行い、この電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布として検出することによって記録情報の再生を行う。
【０１４６】
そしてこの記録情報の検出、すなわち再生は、図５で説明したＫＦＭ再生装置によって行った。ＫＦＭによって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１４７】
ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャリアの注入させた部分の表面電位のコントラストは周囲と比較して低くなっており、これは５Ｖのパルス電圧によって電子がＳｉ基板側よりトラップに局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較して増加していることを示している。また、ＫＦＭのスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、電子のキャリア注入により電荷量が増大している記録ビットが検出された。
【０１４８】
以上より微細な記録ビットをＫＦＭによって検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は電位差では約３０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が数ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“１”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
【０１４９】
また、５Ｖの電圧パルスを印加した後−５Ｖのパルス電圧を記録媒体１０にかけた場合、すなわち、上述とは反対の極性の電圧を印加した場合、ＫＦＭの電位分布で観察される画像のコントラストは周囲の表面電位とほぼ同一の表面電位の値を示すことが分かった。すなわち、記録媒体１０の電荷蓄積層１７のトラップに注入されるキャリアの量の分布が、消去されていることが分かった。また、オーバーライト特性を有することが分かった。
【０１５０】
このことから、本参考例の記録媒体の局所的な電荷の注入量が、カンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。この２種類の局所的な電荷の有無をデジタルデータのストレージの“０”と“１”に対応させることができる。すなわち、局所的に注入された電荷の有無でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の書込み、消去時間はそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１５１】
また、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯で高速な再生が可能になった。
【０１５２】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この参考例６では高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１５３】
〔実施例３〕
この実施例における記録媒体は、実施例１と同一構成とし、同一記録態様を採った。記録媒体１０からの記録情報の読み出しすなわち再生は、本実施例においてもナノ結晶層１５のキャリアトラップを主とする電荷蓄積層１７のキャリアトラップへの電子の注入を、Ｓｉ基体１１側より局所的に注入することによって局所的に電荷量の差を生じさせ、電荷量の差の検出を表面電位Ｖｓの分布の検出によって行う。
【０１５４】
そして、この実施例３においても、参考例５で説明したと同様に図５のＫＦＭ再生装置を用いて記録媒体１０の電荷蓄積層における局所的な注入電荷量の差を表面電位Ｖｓの分布として検出する。ＫＦＭによって３μｍ×３μｍのエリアを評価した結果、表面形状は、パルス電圧を印加する前後で変化は観察されず、パルス電圧を印加することによって記録媒体の表面が変質することなく良好に保持されていることが分かった。
【０１５５】
ＫＦＭ像では３μｍ×３μｍの部分でキャリアの注入させた部分のコントラストは周囲と比較して暗くなっており、これは−５Ｖのパルス電圧によって電子が導電性カンチレバーより局所的に注入され、負の電荷量が周囲と比較して増加していることを示している。また、ＫＦＭのスキャンエリアをさらに小さくして、例えば１．５μｍ×１．５μｍとして、同様な実験を試みた場合も、電子のキャリア注入により電荷量が増大している記録ビットが検出された。
【０１５６】
以上より微細な記録ビットをＫＦＭによって検出可能であることが分かった。注入電荷量の差は電位差では約４０ｍＶであり、ＫＦＭの電位分解能が数ｍＶであることから、例えばデジタル信号“０”および“１”のデータの識別を充分行うことのできる値であることが分かった。
【０１５７】
また、−５Ｖのパルス電圧を印加した後に、＋５Ｖのパルス電圧を材料１にかけた場合、すなわち、上記の実験とは反対の極性の電圧を印加した場合、ＫＦＭの電位分布で観察される画像のコントラストは周囲の表面電位とほぼ同一の値を示すことが分かった。すなわち、材料１のトラップに注入されるキャリアの量が消去されていることが分かる。また、オーバーライト特性も有することが分かった。
【０１５８】
このことから、本実施例の記録媒体の局所的な電荷の注入量がカンチレバー記録ヘッドよりのバイアス電圧印加により制御可能なことが示された。この２種類の局所的な電荷の有無をデジタルデータのストレージの“０”と“１”に対応させることができる。すなわち、表面電位コントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の書込みおよび消去時間はそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１５９】
また、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能になった。
【０１６０】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この実施例３においても、高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１６１】
〔参考例７〕
この参考例は、参考例３と同一の構成による記録媒体に対して、参考例３と同様にＳｉ基体１１側からＳｉＯＮ下層絶縁膜１４をトンネルして電荷蓄積層１７のキャリアトラップに電子を注入して、参考例３と同様の情報の記録を行い、実施例３と同様にＫＦＭ再生装置による情報の再生を行った。この場合においても局所的な電荷の有無をデジタルデータのストレージの“０”と“１”に対応させることができる。すなわち、表面電位のコントラストの高い部分と低い部分でデジタルデータの“０”と“１”に対応させることにより高密度記録ができる。種々の実験の結果、最小記録領域の直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。また、キャリア注入の書込みおよび消去時間もそれぞれ１μｓよりも小さいことが分かった。
【０１６２】
この参考例７においても、参考例６と同様にＫＦＭ再生装置によって記録情報の再生を行った。この参考例７においても、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能であった。
【０１６３】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この参考例７においても高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１６４】
〔参考例８〕
この参考例では、参考例２と同様の記録媒体を用い参考例２と同様に、電荷蓄積層１７のキャリアトラップにカンチレバー側から電荷の注入を行って情報の記録を行った。そして、その再生は、参考例５と同様にＫＦＭ再生装置によって記録情報の再生を行った。この参考例８においても、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（約１Ｎ／ｍ）することにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能であった。
【０１６５】
そして、局所的にキャリアを注入した領域は、充分安定に保持されることが分かった。上述したように、この参考例８においても高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが分かった。
【０１６６】
〔参考例９〕
この参考例では記録媒体として、参考例５、すなわち参考例１と同様の電荷蓄積層構成による記録媒体を用い、図２および図５で説明した記録および消去ヘッドＨＲと、再生ヘッドＨＰをそれぞれ別構成とした。すなわち、各ヘッドＨＲとＨＰのカンチレバーを独別に構成し、記録媒体１０に対して接触状態で用いられる記録および消去ヘッドＨＲの針状電極に関しては、その摩擦を考慮して表面に形成される導電層を比較的厚く形成した例えばその先端の曲率半径が５０〜１００ｎｍとするが、非接触状態で用いられる再生ヘッドＨＰに関してはその摩耗を考慮する必要がないことから、表面導電層は薄く形成して、その針状電極の先端の曲率半径は記録および消去ヘッドＨＲのそれより小さい３０ｎｍ以下とする。
【０１６７】
このように、再生ヘッドの針状電極の先端の曲率半径を小さくすることによって、再生時の表面電位の空間分解能の解像度を上げることができることから、その最小記録領域の大きさを直径約６０ｎｍ以下にまで小さくすることができた。また、局所的に電荷が注入された領域は、充分安定に保持できた。
【０１６８】
上述したように、この参考例で高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認され、また、この参考例９では参考例１の電荷蓄積層構成による記録媒体を用いたが、他の参考例及び実施例で示した電荷蓄積層構成を記録媒体に適用した場合であっても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０１６９】
〔参考例１０〕
この参考例ではディスク形状をしている記録媒体を回転させて記録再生を行った。ヘッドは参考例９で確認した２種類の記録および再生用ヘッドを用いた。また、記録媒体は参考例９で用いた電荷蓄積層構成による媒体を用いた。この場合の情報の記録特性は、参考例１、再生特性は参考例５と同様に確認することができた。そして、この参考例においても情報の再生を記録媒体と非接触状態で行なっているため、記録媒体が高速回転している場合でも、ヘッドと記録媒体間の摩擦、磨耗による影響を最小限に抑止することができた。
【０１７０】
また、種々の実験の結果、この場合においても記録スポット直径を１００ｎｍ以下にすることが可能であることが分かった。記録時間は１μｓより小さくすることができた。また、記録ヘッドの共振周波数が充分大きく（１０ＭＨｚオーダ）、バネ定数が充分小さく（数１Ｎ／ｍ）とすることにより、記録ビットの５ＭＨｚ帯での高速な再生が可能になった。
さらに、局所的に電荷が注入された領域は充分安定に保持された。
【０１７１】
以上より、この参考例１０で高密度記録再生装置として充分な機能をもっていることが確認されたまた、この参考例１０は記録媒体として参考例１に対して説明を行ったが、他の電荷蓄積層構成による記録媒体に適用しても本発明の本質が変わらないことは言うまでもない。
【０１７２】
〔参考例１１〕
上述した各例においては、記録媒体に対する情報の再生を、ヘッドが非接触状態でなされるようにした場合で、この場合ヘッドおよび記録媒体の磨耗を回避できることから、繰返し再生を可能にするものであるが、再生装置として、記録ヘッドと同様に、走査型すなわちいわゆるコンタクト型ＳＣＭによる再生装置を用いて再生ヘッドにおいても記録媒体に対して接触状態で、各構成による電荷蓄積層を具備する記録媒体に対する情報の再生を行うようにすることもできる。このように、記録媒体に対して再生ヘッドを非接触状態で再生するときは、再生感度の向上、解像の向上、したがって、より記録密度の向上をはかることができる。この場合、参考例１と同様の記録媒体を用いて記録再生を行ったところ、参考例１と同等の記録再生特性が得られることが分かった。
【０１７３】
上述したように、種々の参考例及び実施例によって、本発明の有効性を示したが、これらの参考例、実施例および他の本発明装置で用いられる記録媒体において、その最上層に、例えばダイヤモンドライクカーボンによる保護層（図示せず）を被着することが望ましく、この保護層の形成によって、記録再生装置および記録媒体の信頼性をより向上させることができる。
【０１７４】
上述したように本発明装置によれば、記録密度の向上、記録、消去再生速度の高速化がはかられた。この本発明による高密度記録再生装置は、従来に比較して１桁以上大きな記録密度を実現できるものである。
【０１７５】
そして、特に本発明装置においては、記録媒体として、例えばナノＳｉクリスタルによるナノ結晶を有する電荷蓄積層による構成としたものであり、このナノ結晶は、微細結晶の集合によることから、そのキャリアトラップ密度は高く、より高密度記録が図られ、またその記録消去の高速、低電圧駆動が図られる。
【０１７６】
すなわち、前述したようにＳｉナノクリスタルは空間的に離散化されており、絶縁膜例えばＳｉＯ₂ 膜中に埋め込まれた形状になっている。そのサイズは直径１０ｎｍ以下、その間の距離は１０ｎｍ以下である。このような場合、ＳｉナノクリスタルはＳｉＯ₂ 膜中の離散化されたキャリアトラップとして動作する。ＳｉＯ₂ とＳｉとのバンドエネルギーダイヤグラムよりトラップレベルは、３．ｌｅＶと推定される。キャリア（電子）は記録ヘッドと基板との間に印加された強電界によりＳｉ基体側または記録ヘッド側からＳｉＯ₂ 膜をトンネルして離散化されたキャリアトラップに注入されることにより情報の記録が成される。注入される電子の方向はキャリアトラップとＳｉ基体、記録ヘッドとの間のトンネル酸化膜の厚さおよび、記録ヘッドでの電界集中の大きさなどに依存している。キャリアトラップの密度は５×１０¹¹〜１×１０¹²ｃｍ^-2である。また、一つのキャリアトラップには複数個の電子をトラップすることができる。
【０１７７】
一方、キャリア（電子）は記録ヘッドとＳｉ基体との間に記録の場合と逆の極性の強電界を印加することによりトラップに注入されていた電子を放出することにより情報の消去を行う。情報の再生はキャリアトラップに捕獲された電子と再生ヘッドとのクーロン相互作用を表面電位、静電容量等として直接検出する。この再生方法は非常に高感度であり、このため、小数のキャリアトラップに捕獲された電子を高感度に検出することが可能となる。すなわち、表面電位の検出感度は数ｍＶであるため、数１０ｍＶ程度の表面ポテンシャルの変化シフトを容易に検出することができる。
【０１７８】
Ｓｉナノクリスタルを用いた記録媒体の特有の効果としては
（１）伝導帯端を基準にしたエネルギーレベルが深く、密度が高いキャリアトラップをＳｉＯ₂ 絶縁膜中に作製することができる。
（２）Ｓｉナノクリスタルから構成されるキャリアトラップを空間的に離散化した状態で絶縁膜中に作製することができる。
その結果として、
（１）書き込み動作電圧を５Ｖ以下にすることができる。
（２）トラップが空間的に離散化しているため、記録ビットにおける情報の繰り返し書き換え消去特性が良好となる。
（３）トラップのエネルギーレベルが深く、空間的に離散化されているために同一トンネル絶縁膜の厚みで比較した場合、記録ビットのデータ保持特性が良好になる。
【０１７９】
尚、ナノ結晶は、Ｓｉ以外の半導体や金属によることもできる。
また、上述した例では基体１１がｎ型Ｓｉ基体とした場合であるが、ｐ型基体を用いることもできる。
【０１８０】
また、上述したように本発明装置においては記録再生ヘッドが針状電極を有する構成とするものであるが、この針状電極の機械的強度を補強するなどの目的で針状電極の周囲に絶縁体を配するなど上述の各実施例に限られず、種々の変更を行うことができる。
【０１８１】
また、上述したように、記憶ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰを、共通に構成する場合において、そのヘッド、したがってカンチレバーを複数個設けたいわゆるマルチヘッド構成とすることができる。あるいは記録ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰとを、それぞれ別構成とする場合においてもその記録ヘッドＨＲおよび再生ヘッドＨＰの双方もしくは一方をヘッド、したがってカンチレバーを複数個設けたいわゆるマルチヘッド構成とすることができる。
【０１８２】
また、本発明による記録再生装置は、記録および再生の双方の機能を有する構成とすることもできるし、記録機能がなく、上述の記録方法で記録されている情報を再生する機能を有する構成とすることもできる。
【０１８３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、極めて優れた記録密度、高速な記録再生感度を有するため、従来技術と比較して格段に優れた高密度記録装置が実現された。
【０１８４】
したがって、高速情報化社会に必要とされる大容量で高速なアクセスが必要とされる画像情報のストレージ、ハイビジョン放送などの画像の記録およびコンデンサにおける大容量なデータの記録に有効な記録再生装置なるものである。
【０１８５】
また、その再生を、ヘッドの非接触状態で行うときは、ヘッドおよび記録媒体の損耗を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 記録媒体の参考例の基本的構成を示す図である。
【図２】 本発明装置の記録消去機構の一例の構成図である。
【図３】 本発明装置の再生装置の一例の構成図である。
【図４】 本発明装置の再生装置の他の例の構成図である。
【図５】 本発明装置の再生装置の他の例の構成図である。
【図６】 本発明装置の再生装置の他の例の構成図である。
【図７】 記録媒体の参考例の概略断面図である。
【図８】 本発明装置に用いる記録媒体の一例の概略断面図である。
【図９】 記録媒体の参考例の概略断面図である。
【図１０】 従来装置における記録媒体の概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 記録媒体、１１ 基体、１２ 下部電極、１３ 活性層、１４ 下層絶縁層、１５，１５Ａ，１５Ｂ ナノ結晶層、１６ 上層絶縁層、１７ 電荷蓄積層、１８ 中間絶縁層、２２ カンチレバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a recording / reproducing apparatus that performs new recording and reproduction capable of performing ultra-high-density recording of image information, large-capacity data information, or the like, or only reproduces recorded information.
[0002]
[Prior art]
The demand for high-speed recording / playback devices for large-capacity image information and data files required for the multimedia society, particularly high-definition systems and advanced information communication systems, computer networks, video-on-demand, information-on-demand, etc., is increasing. .
[0003]
Conventional high-density recording technologies that allow random access include magnetic recording, optical recording, and semiconductor memory.
[0004]
Despite the fact that the degree of integration of semiconductor memories has been increasing year by year, the capacity for recording high-definition image information is satisfied, that is, at least 3G due to the limitations of semiconductor memory manufacturing technology such as photolithography. A semiconductor memory satisfying a capacity of more than a byte has not been obtained.
[0005]
On the other hand, in order to record a large amount of information in optical recording and magnetic recording, it is necessary to reduce the recording area and improve the recording density.
[0006]
In optical recording, attempts have been made to reduce the recording area. However, even when a semiconductor laser light source having a wavelength of about 500 nm is developed as the light source, there are physical limits and light diffraction limits. In principle, it is impossible to make the area below the wavelength of the light. Although various attempts and proposals for recording methods that can exceed this limit have been made, it is difficult to realize a recording region (recording bit) with a diameter of 100 nm or less.
[0007]
Also in magnetic recording, the recording density is remarkably improved by the development of a magnetoresistive head (MR type magnetic head) and a giant magnetoresistive head (GMR type magnetic head), especially in hard disks. It is difficult to achieve a recording area of 100 nm or less due to the sensitivity limit.
[0008]
On the other hand, scanning tunneling microscopes (STM) and atomic force microscopes (AFM) with spatial resolution at the atomic and molecular level were developed and applied to the analysis of fine surface shapes of various materials. It has been a great success as an analyzer.
[0009]
In AFM, atomic interaction between a sample and a cantilever tip is used as a probe. Recently, AFM has been developed as a scanning probe microscope (SPM) using various physical quantities as a probe. Recently, the feasibility as a high-density memory has been studied using these means, that is, means for accessing atoms and molecules.
[0010]
So far, attempts have been made to realize high-density recording using STM or AFM, but only the theoretical possibility has been described, and it has not been put into practical use.
[0011]
For example, Stanford University's Prof. Quate et al.₂NOS (SiN / SiO₂/ Si) Using a recording medium with a structure, a scanning capacitance microscope (SCM) configuration, which is an advanced system of AFM, has shown the possibility of application to high-density memory (RCBarret and CFQuate; Journal of (See Applied Physics, 70 2725-2733 (1991).)
[0012]
By the way, as shown in FIG. 10, on the p-type or n-type Si substrate 1, SiO by thermal oxidation is formed.₂A so-called MNOS (Metal Nitride Oxide Semiconductor) system in which a film 2 and a SiN film 3 by thermal CVD (chemical vapor deposition) are deposited and an upper electrode 4 made of a metal electrode is deposited on the SiN film 3 Such a recording medium has already been put into practical use in an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) which is one of nonvolatile semiconductor memories.
[0013]
The basics of such MNOS-based or NOS-based recording / reproduction are Si semiconductor, SiO₂This is to use charge transfer between the / SiN interface and the trap of carriers in SiN in the vicinity thereof. In this case, in order to improve the data retention characteristics,₂The film thickness is designed to be sufficiently thick.
[0014]
That is, in this layer structure, SiO₂/ SiN interface and SiN layer forming this interface (hereinafter simply referred to as SiO₂For example, when a positive voltage is applied to the upper electrode 4 on the SiN film 3 in the MNOS system of FIG. 10 from the Si substrate 1 side, it is known that a carrier trap is formed near the / SiN interface. The electrons are SiO₂Tunnel through film 2 and SiO₂/ SiN is injected into a trap near the interface and accumulated there. On the other hand, when a negative voltage is applied to the upper metal electrode 4, when the tunnel oxide film 2 is thick, electrons accumulated in the trap due to a strong electric field in the reverse direction are formed on the Si substrate 1 side.₂Tunnel film 2 is back-injected, i.e. released to SiO₂The electrons present in the trap near the / SiN interface are deficient. In this way, recording and erasing are performed by the movement of electric charges accompanying application of electric pulses to the MNOS recording medium. Then, reading or reproduction of the recorded information from the recording medium is performed by a method of electrically reading out the recording medium, that is, a change in the capacitance of the MNOS structure capacitor.
[0015]
In the above-mentioned research by Quate et al., The recording erasure was performed while the conductive cantilever was in contact with the NOS medium, and the change in capacity based on the recorded information was similarly detected in the contact state of the conductive cantilever. The method of reproducing | regenerating by detecting using the capacitive sensor arrange | positioned most recently is taken. In this method, it has been shown that optical recording, which is currently in practical use, researched and developed, or information recording / reproduction in a minute area, which is impossible with the magnetic recording method, that is, high density recording is possible. In this case, carrier (electron) movement is used for the recording medium. In this case, the minimum recording area was about 150 nm in diameter, and the electrons accumulated in the trap were stable for 7 days or more.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described high-density recording apparatus has the following problems.
(1) As a feature of NOS material, each time required for recording and erasing information is on the order of ms (milliseconds), and the voltage is 40 V (threshold voltage 25 V). Absent.
In addition, in the case of a contact-type configuration in which information is reproduced while the reproducing head is in contact with the recording medium,
(2) Reproduction of information, that is, reading of a change in capacity, is performed by bringing a metal-coated cantilever into contact with a recording medium. Deterioration occurs, and as a result, the recording / reproduction characteristics deteriorate.
(3) In the reproduction of information, a change in the capacity of the recording medium is directly detected by a capacitor sensor provided immediately after the cantilever, but it is extremely sensitive to the surface shape of the recording medium in this system. May increase the stray capacitance, and the signal S / N deteriorates.
There is a problem.
[0017]
Also, recording apparatuses using a conventional capacity change detection method for reproduction include a capacitance type (CED) or a VHD video disk capable of high density recording. However, in order to make this a large-capacity recording medium, the recording density is low, and it is dedicated to reproduction and does not have a recording erasing function. Further, Iwamura et al. Have tried to perform recording / reproduction of a capacitance detection method using a disk-shaped MNOS recording medium (IEEE Transactions on Electron Devices Vol.28 No.7 854-860 (1981). There is a problem in terms of high recording density, which is incomparable with the results of recording density experiments using Quate's SPM.
[0018]
Recently, Tiwari et al. Proposed a new semiconductor nonvolatile memory using Si nanocrystals (Applied Physics Letters 68 1377 (1996)). However, according to this report, the threshold shift amount of the memory transistor is only about 0.2 V, and it cannot be detected by the sensitivity of the sense amplifier that detects the threshold shift amount of the conventional memory transistor. There is a problem.
[0019]
In the present invention, as a result of earnest research, SPM and nanocrystals (nanocrystals) serving as carrier traps in a minute region, that is, nanocrystals in which fine crystals having a particle size in the order of nm are embedded in an insulating film are arranged. Provided is a recording / reproducing apparatus capable of solving the above-described problems by using a recording medium on which a charge storage layer having a crystal layer is formed, excellent in high-speed and high-density recording, and extending the life of a head. Has been reached.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
  The recording / reproducing apparatus according to the present invention is a recording / reproducing apparatus that records or reproduces information on a recording medium by a head composed of needle-like electrodes, and the recording medium includes at least a tunnel insulating film and nanocrystals embedded in the insulating film. A charge storage layer having a nanocrystal layer2 layers or moreHave. Then, information is recorded or erased by charge transfer through a tunnel insulating film with respect to a predetermined region of the charge storage layer by voltage application from the head, and the head is not contacted or contacted with the recording medium. The recorded information is reproduced by detecting the amount of change in at least one of the charge in the region, the surface potential, the capacitance, or the differential amount thereof.
[0021]
According to the above-described recording / reproducing apparatus of the present invention, the recording medium has a structure in which a charge storage layer having nanocrystals in particular, that is, nanocrystals having a crystal grain size of the order of nm, that is, 10 nm or less is formed. By applying voltage by the electrode head, information is recorded or erased by charge transfer with respect to the carrier trap of the charge storage layer, so that high-speed and high-density recording is performed.
[0022]
Moreover, also in the reproduction | regeneration, since it was based on the acicular electrode, reproduction | regeneration with high electric potential resolution and spatial resolution can be performed.
[0023]
And, when reproducing the recording information on this recording medium in a state where the head is not in contact with the recording medium, it is possible to effectively reduce the wear of the head and the recording medium due to the needle-shaped electrode during the reproduction. Can do.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Figure 1,RecordRecording mediaReference exampleThe basic configuration of is shown. In this recording medium 10, a lower electrode 12 is formed on a conductive substrate such as a silicon Si substrate 11, and an active layer 13 is formed on the opposite side. The active layer 13 is at least, for example, SiO₂A tunnel insulating film capable of tunneling charges in charge injection and emission via, for example, a semiconductor Si nanocrystal is SiO 2₂The charge storage layer is embedded in an insulating film such as a nanocrystal layer.
[0025]
This SiO₂A tunnel film made of a film can be formed above and below a nanocrystal layer in which nanocrystals are embedded, and nanocrystal grains, and further, SiO that embeds nanocrystal grains and tunnel films or nanocrystal grains.₂A hetero interface that forms charge traps at a high density at the interface with the film can be formed.
[0026]
Here, the nanocrystals embedded in the insulating film are spatially discretized and become carrier traps having a deep energy level from the conduction band edge. Its size is 10 nm or less in diameter, and the distance between them is 10 nm or less. In such a case, for example, SiO (carrier) is generated from the Si substrate side or the recording head side by a strong electric field applied between the recording head and the Si substrate of the recording medium.₂Information is recorded by tunneling through the tunnel insulating film and injecting it into a spatially discrete carrier trap. The direction of the injected electrons depends on the thickness of the tunnel insulating film between the carrier trap, the Si substrate, and the recording head, the magnitude of the surface electric field concentration during recording with the recording head, and the like. Carrier trap density is 5-10¹¹~ 1x10¹²cm^-2It is. A plurality of electrons can be trapped in one carrier trap. On the other hand, by applying a strong electric field having a polarity opposite to that in the case of recording between the recording head and the Si substrate of the recording medium, the carriers (electrons) emit electrons injected into the trap and thereby the information is recorded. Erasing can be performed.
[0027]
For information reproduction, the Coulomb interaction between the electrons trapped in the carrier trap and the reproducing head is directly detected as a surface potential, capacitance, or the like. This reproduction method is very sensitive, so that electrons captured in a small number of carrier traps can be detected with high sensitivity. That is, since the detection sensitivity of the surface potential is several mV, a change amount of the surface potential of about several tens of mV can be easily detected.
[0028]
And the feature of the recording medium using nanocrystals is
(1) By selecting a nanocrystal element, a carrier trap having a deep energy level and a high density can be formed in the insulating film.
(2) Carrier traps composed of nanocrystals can be fabricated in the insulating film in a spatially discrete state.
That is,
As a result,
(1) The write operation voltage can be set to 10 V or less (in some cases, 5 V or less).
(2) Since the trap is spatially discretized, the repeated rewrite / erase characteristics of information in the recording bit (recording area) is improved.
(3) Since the energy level of the trap is deep and spatially discretized, when compared with the same tunnel insulating film thickness, the data retention characteristic of the recording bit is improved.
[0029]
The constituent material layers constituting the recording medium 10 are, for example, a sputtering method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, an LPCVD (Low Pressure CVD) method, a molecular beam evaporation method, a normal evaporation method, and a MOD (Metal Oxide Deposition). The film can be formed by a method, a laser ablation method, a sol-gel method, a spin coating method, a thermal oxidation method, a thermal nitridation method, or the like.
[0030]
Information is recorded on the recording medium 10 by an atomic force microscope (AFM) configuration, and the recording head is configured by an AFM-controlled conductive cantilever having a needle-like electrode at the tip. This is performed in contact with the active layer 13 side.
[0031]
Recording on the recording medium 10 having the charge storage layer is performed when a recording voltage VR is applied to a conductive cantilever having a needle-like electrode as a recording head at a tip, and | VR | <10 V, for example, if the carrier is an electron, it is negative. A pulse voltage of, for example, −5V is applied. In this way, information is recorded by locally injecting electrons from the cantilever into at least the trap of the charge storage layer, that is, by moving the charges.
[0032]
Then, by applying a voltage having a polarity opposite to the applied voltage at the time of recording, for example, a pulse voltage of about +5 V, to the region into which the local charge has been injected, the charge from the carrier trap of the charge storage layer is charged. The recorded information is erased by releasing the charge, that is, by moving the charge.
[0033]
In addition, when charge (electrons) is injected into the carrier trap from the Si substrate side, recording is performed by applying a pulse voltage of +5 V to the recording head. When this is erased, a pulse voltage of −5 V is applied to discharge charges (electrons) from the carrier trap to the Si substrate.
[0034]
The recorded information is read out (reproduced) by changing the capacitance, the charge, the surface potential variation or the derivative thereof due to the Coulomb interaction between the charge injection region into the trap of the recording medium and the reproducing head. The amount is detected by detecting the reproducing head using a needle-like electrode in contact with the recording medium or in a non-contact state with a minute gap.
[0035]
As described above, recording and erasing on the recording medium is further reduced by optimizing the operating voltage of 10 V or less, for example, 10 V, and the charge storage layer configuration of the present invention, for example, the constituent material of the nanocrystal, the particle size, and the interval. It can also be 5V or less. Also, a carrier tunnel film such as SiO₂By reducing the thickness of the film, the time required for carrier injection, reverse injection, that is, discharge, that is, recording and erasing time can be reduced to 1 μs or less.
[0036]
Further, the above-described change in capacitance, or change in charge or surface potential, that is, reproduction of recorded information can be reproduced at a high speed of 1 MHz or more.
Further, the diameter of the recording area can be set to 100 nm or less, for example, 50 nm or less by improving the sensitivity of the detection system, and about 10 nm corresponding to the grain size of the nanocrystal.
[0037]
Next, specific examples of the recording / erasing device and the reproducing device of the device of the present invention will be described.
[0038]
[Recording and erasing device]
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of an example of a recording / erasing apparatus. The recording head HR has, for example, a strip-like shape in which a needle-like electrode 21 having a point contact or a minute surface contact with a recording medium, such as a conical shape, a triangular pyramid shape, or a cross-sectional shape such as a triangular column shape, is formed at the tip. It is comprised by the cantilever 22 which has the leaf | plate spring structure of this, and the one end was fixed. The cantilever 22 is made of Si or SiN having a spring constant of 0.01 to 10 [N / m], and the surface thereof is coated with a single layer or a multilayer metal layer such as Au, Pt, Co, Ni, Ir, Cr. Thus, high conductivity is imparted. Alternatively, needle-like processing is possible and the conductive silicon is made of conductive silicon doped with impurities. These cantilevers 22 can be manufactured by a so-called microfabrication technique.
[0039]
Reference numeral 30 denotes a mounting table for the recording medium 10 on which the recording medium 10 is mounted and which moves or rotates with respect to the x axis and the y axis orthogonal to each other along the surface direction. The pedestal 30 is further configured to control movement in a direction perpendicular to the surface direction of the recording medium 10 (hereinafter referred to as the z-axis direction) so that the contact state of the recording head, that is, the cantilever 22 with the needle electrode 21 can be adjusted.
[0040]
The control of the mounting table 30 in the z-axis direction is performed, for example, by converging the laser light from the semiconductor laser 38 by the converging lens system 31 and irradiating the tip of the cantilever 22, and the reflected light is, for example, a plurality of divided photodiodes, for example Differential detection is performed by the photodetector 32 using a four-division photodiode, and the detection signal is input to the servo circuit 34 that performs z-axis control of the mounting table 30 through the preamplifier 33 to control the position of the mounting table 30 in the z-axis direction. Thus, the recording head, that is, the needle-like electrode 21 is controlled so as to be in an optimum contact state with respect to the recording medium 10 at all times.
[0041]
On the other hand, a voltage corresponding to the recording signal is applied between the cantilever 22 and the lower electrode 12 of the recording medium 10. This applied voltage is applied by superimposing a pulse voltage from the pulse voltage generation circuit 35 corresponding to the recording signal on a required DC bias voltage from the DC power source 36.
[0042]
In this way, the recording medium 10 is moved relative to the recording medium in a state where the needle-like electrode 21 at the tip of the cantilever 22, that is, the recording head is in contact, and a voltage obtained by superimposing the pulse voltage on the DC voltage is applied. Information is recorded by applying.
[0043]
[Reproducing device]
Reading or reproducing the recorded information from the recording medium 10 is performed in a state where the reproducing head does not contact the recording medium, that is, in a non-contact state or in a contact state.
First, the case of a non-contact state will be described. This playback apparatus basically has one of the following configurations (i) to (iv).
(i) Scanning Maxwell Stress Microscope (SMM) configuration.
(ii) A configuration employing a heterodyne detection method in the SMM configuration.
(iii) Kelvin Force Microscope (KFM) configuration.
(iv) Scanning Capacitance Microscope (SCM) configuration.
[0044]
The configurations (i) to (iv) will be described.
[In the case of (i) SMM configuration. ]
FIG. 3 shows a configuration diagram of the reproducing head HP and its control unit in this reproducing apparatus.
This regeneration is performed by an operating principle known in SMM (see, for example, Molecular Electronics and Bioelectronics, vol. 3 p79 (1992)). Here, the recording head HR described with reference to FIG. 2 can be used as the reproducing head HP, but in any case, the reproducing head HP is used in a non-contact state with respect to the recording medium 10. As in the case of the recording head HR described above, the reproducing head HP has, for example, a strip-like shape in which a substantially needle-like electrode 21 having a conical shape, a triangular pyramid shape, a cross-sectional shape such as a triangular column shape, etc. is formed at the tip. The cantilever 22 has a leaf spring configuration and one end is fixed. The cantilever 22 reproduces recorded information by detecting the surface potential Vs or capacitance of the recording medium 10 in a non-contact state with the recording medium 10 mounted on the mounting table 30 described above.
[0045]
As described above, the mounting table 30 moves or rotates along the surface direction of the recording medium 10 mounted thereon, for example, with respect to the x axis and the y axis perpendicular to each other, and further, the reproducing head. The movement can be controlled in the z-axis direction orthogonal to the surface direction of the recording medium 10 so that the distance between the cantilever 22 as the HP and the needle-like electrode 21 can be adjusted.
[0046]
When a bias voltage V is applied between the reproducing head HP, that is, the cantilever 22 having the needle electrode 21 and the recording medium 10, it is given by (Equation 1) between the needle electrode 21 and the recording medium by electrostatic coupling. Force F_ZWork.
[0047]
[Expression 1]

(Here, C is the capacitance between the needle electrode 21 and the recording medium 10, and Z is the distance between the needle electrode 21 and the recording medium 10.)
Now, the surface potential of the recording medium 10 is V_Sage,
V = V_AC・ Sinωt + V_off
When the bias voltage V is applied, the force F_ZIs expressed by the following equation (Equation 2).
[0048]
[Expression 2]

[0049]
As a result, the cantilever 22 has a force F._ZVibrate in response. On the other hand, the tip of the cantilever 22 is irradiated with laser light from the semiconductor laser 43, and the reflected light is detected by a photodetector 44 such as a photodiode. The detection signal A obtained by the photodetector 44 can be expressed by the following equation (Equation 3).
[0050]
[Equation 3]

[0051]
This detection signal A is input to the lock-in amplifier 45, where an output (Equation 4) of the 2ω component is taken out.
[0052]
[Expression 4]

[0053]
The output by the 2ω component is input to a servo circuit 46 that controls the position of the mounting table 30 in the z-axis direction, whereby the position control of the mounting table 30 in the z-axis direction is performed and the output by the 2ω component becomes constant. It is made like. The 2ω component is a differential signal of capacitance, and by controlling 2ω to be constant, the distance between the needle electrode 21 of the cantilever 22 and the recording medium can be controlled to be constant if the permittivity is assumed to be constant.
[0054]
When the z-axis control signal of the mounting table 30 at this time is imaged, information on the surface shape of the recording medium 10 can be obtained.
[0055]
At the same time, the output (equation 5) of the ω component is taken out by the lock-in amplifier 45.
[0056]
[Equation 5]

[0057]
This is the surface potential V of the medium 10._SIt depends only on. That is, this is an output corresponding to the surface potential distribution of the recording medium 10. At this time, the ω component output is set to V so that the ω term becomes zero so that the output does not change depending on the magnitude of ∂C / ∂z._offFeedback to the control circuit 47 of the V_offTo eliminate the influence of the size of ∂C / ∂Z,
V_off+ V_S= 0 or V_S= -V_off
And This way V_SIn other words, recorded information generated as a surface potential distribution on the recording medium 10 can be read.
[0058]
[(Ii) Case where the heterodyne detection method is adopted in the above SMM configuration. ]
In a normal SMM, the frequency characteristic is limited by the resonance frequency of the cantilever, but the surface potential can be detected in a frequency band higher than the cantilever mechanical resonance frequency by using the heterodyne detection method.
For this reason, the frequency characteristic of the reproducing head can respond up to the MHz band.
FIG. 4 shows a configuration diagram of the reproducing head HP and its control unit in this reproducing apparatus. 4, parts corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0059]
This detection method is based on the SMM operating principle based on the heterodyne detection method (see Molecular Electronics and Bioelectronics, Vol. 3 p79 (1992) and Vol. 79 p34 (1995)).
In this method, it is possible to detect capacitance in a frequency region higher than the resonance point of the cantilever, such as detection of a surface potential by a normal SMM detection method.
[0060]
Also in this detection method, when a bias voltage V is applied between the reproducing head HP, that is, the cantilever 22 having the needle-like electrode 21 and the recording medium 10, the needle-like electrode 21 and the recording medium 10 are electrostatically coupled. Force F given by (Equation 1)_ZWork. Now, let the surface potential of the recording medium 10 be Vs,
V = V_AC・ Sinωt + V_off
When the bias voltage V is applied, the force F_ZIs as in (Formula 2). As a result, the cantilever 22 has a force F._ZVibrate in response. On the other hand, the tip of the cantilever 22 is irradiated with laser light from the semiconductor laser 43, and the reflected light is detected by a photodetector 44 such as a photodiode. The detection signal A obtained by the photodetector 44 can be expressed by the above (Equation 3).
[0061]
This detection signal is input to the lock-in amplifier 45B, where the output of the 2ω component (the above (Formula 4)) is taken out.
The output by the 2ω component is input to a servo circuit 46 that controls the position of the mounting table 30 in the z-axis direction, whereby the position control of the mounting table 30 in the z-axis direction is performed and the output by the 2ω component becomes constant. It is made like. The 2ω component is a differential signal of capacitance, and by controlling 2ω to be constant, the distance between the needle electrode 21 of the cantilever 22 and the recording medium 10 can be controlled to be constant if the permittivity is assumed to be constant.
When the z-axis control signal of the mounting table 30 at this time is imaged, information on the surface shape of the recording medium 10 can be obtained.
[0062]
At the same time, the output of the ω component (the above (Formula 5)) is taken out by the lock-in amplifier 45B.
This depends only on the surface potential Vs of the recording medium 10. That is, this is an output corresponding to the surface potential distribution of the recording medium 10. At this time, the output of the ω component is fed back so that the ω term becomes zero so that the output does not change depending on the magnitude of ∂C / ∂z._offTo eliminate the influence of the size of ∂C / ∂z,
V_off+ Vs = 0, ie Vs = −V_off
And In this way, Vs, in other words, recording information generated as a surface potential distribution on the recording medium 10 can be read.
[0063]
In ordinary SMM, the frequency characteristics are limited by the resonance frequency of the cantilever, but the capacitance or surface potential can be detected in a frequency band higher than the cantilever mechanical resonance frequency by using the heterodyne detection method. It becomes. Therefore, the frequency characteristic of the reproducing head can respond up to the MHz band.
The operating principle of the heterodyne detection type SMM is as follows.
A plurality of AC voltages including high frequency components of MHz or more are applied between the cantilever 22 and the recording medium 10 by SMM, and the induced vibration of the cantilever 22 is detected by the four-divided photodetector 44.
[0064]
[Formula 6]

[0065]
Where V_AFIs a low-frequency voltage given by (Equation 7) and having a frequency component equal to or lower than the resonance frequency of the cantilever, and a DC (direct current) bias voltage V obtained by the low-frequency oscillator 56 and the low-pass filter 57._DcAnd frequency ω₀Consisting of AC voltage. V_RFIs given by (Equation 8) and indicates an AC voltage higher than the resonant frequency of the cantilever, and the frequency ω from the high-frequency oscillator 58 is_aThe frequency ω from the high pass filter 59_rThe high-frequency carrier signal is amplitude-modulated with a modulation depth M (M≈1).
[0066]
[Expression 7]

[0067]
[Equation 8]

[0068]
As a result, the applied voltage is DC, ω₀, Ω_rAnd ω_r+ Ω_a, Ω_r−ω_aThe AC voltage is composed of the five types of frequency components. When the AC voltage is applied to the cantilever, the Maxwell stress is proportional to the square of the electric field, so that frequency mixing occurs, and a vibration component having a frequency of the sum and difference is induced on the cantilever, and this vibration is It is detected by the photodetector 44, amplified by the preamplifier 55, and introduced into the lock-in amplifiers 45A and 45B. Heterobeat component obtained from the lock-in amplifier 45A and the lock-in amplifier 45B, ω₀Component, 2ω₀The components are input to the computer 147. Especially ω_aThe heterodyne beat component that vibrates at the frequency ω_rInformation on the dielectric response in the recording medium is given (Equation 9 below). For this reason, the heterodyne detection method enables detection of the capacitance of the recording medium at a frequency higher than the resonator frequency of the cantilever. The control of the cantilever position is 2ω₀For example, control is performed by a piezo element (not shown) in the z-axis direction so that the amplitude of is constant.
[0069]
[Equation 9]

[0070]
[(Iii) Kelvin Force Microscope (KFM) configuration. ]
This principle of operation is known in Kelvin force microscopy (see, for example, Applied Physics Letters 52 1103 (1993)).
[0071]
This will be described with reference to FIG. In FIG. 5, parts corresponding to those in FIG. Also in this case, the reproducing head HP can use the recording head HR described with reference to FIG. 2, but the reproducing head HR in this case is used in a non-contact state with respect to the recording medium 10. That is, as in the recording head described with reference to FIG. 2, the reproducing head HP has, for example, a substantially needle-like electrode 21 having a conical shape, a triangular pyramid shape, a cross-sectional shape such as a triangular column shape, etc. The cantilever 22 has a strip-shaped leaf spring configuration and one end is fixed. The cantilever 22 detects the surface voltage Vs of the recording medium 10, that is, reproduces the recorded information, in a non-contact state with the recording medium 10 mounted on the mounting table 30 described above. In this case, by using a cantilever having a sufficiently high resonance frequency and a sufficiently low spring constant, high-speed reproduction in a high frequency region can be performed using KFM.
[0072]
In the same manner as described above, the mounting table 30 moves or rotates along the surface direction of the recording medium 10 mounted thereon, for example, with respect to the x axis and the y axis orthogonal to each other, and further reproduces. It is configured to be able to control movement in the z-axis direction perpendicular to the surface direction of the recording medium 10 so that the distance between the cantilever 22 as the head HP and the needle electrode 21 can be adjusted.
[0073]
When a bias voltage V is applied between the recording medium 10 and the cantilever 22 oscillating at a resonance frequency using the piezoelectric element 23 having the reproducing head, that is, the acicular electrode 21, the acicular electrode 21 is electrostatically coupled. And the force Fz given by (Equation 1) acts between the recording medium 10 and the recording medium 10.
Now, let the surface potential of the recording medium 10 be Vs,
V = V_AC・ Sinωt + V_off
When a bias voltage V given by_Z(Equation 10), and the cantilever 22 vibrates in response to the force Fz.
[0074]
[Expression 10]

[0075]
On the other hand, the tip of the cantilever 22 is irradiated with laser light from the semiconductor laser 43, and the reflected light is detected by a photodetector 44 such as a photodiode. Attention is paid to the amount of decrease in the resonance frequency of the cantilever 22 in the detection signal A obtained by the photodetector 44. The amplitude of the resonance frequency of the cantilever 22 decreases due to Coulomb interaction with the recording medium 10. A physical quantity such as a surface potential or a differential quantity of capacitance can be obtained by detecting a decrease in amplitude or phase change of the resonance frequency due to the frequency shift of the resonance frequency.
This detection signal is input to the lock-in amplifier 45, where the cantilever resonator frequency ω_rThe component output (Equation 11) is taken out.
[0076]
## EQU11 ##

[0077]
This ω_rThe output by the component is input to a servo circuit 46 that controls the position of the mounting table 30 in the z-axis direction, thereby performing the position control of the mounting table 30 in the z-axis direction so that the output by the 2ω component becomes constant. Is done. ω_rThe component is the force due to van der Waals and Coulomb forces, and ω_rIf the dielectric constant is assumed to be constant, the distance between the needle electrode 21 of the cantilever 22 and the recording medium 10 can be controlled to be constant.
When the z-axis control signal of the mounting table 30 at this time is imaged, information on the surface shape of the recording medium 10 can be obtained.
[0078]
At the same time, the output (formula 12) of the ω component is taken out by the lock-in amplifier 45.
[0079]
[Expression 12]

[0080]
Since the measured displacement A is a differential signal with respect to the amplitude or phase of vibration at the resonance point of the cantilever, a signal corresponding to the differentiation of the surface potential Vs of the recording medium 10 is obtained. That is, this is an output corresponding to the surface potential distribution of the recording medium 10. At this time, the ω component output is set to V so that the ω term becomes 0 so that the output does not change depending on the magnitude of ∂C / ∂z._offFeedback to the control circuit 47 of the V_offTo control the influence of the size of ∂C / ∂z,
V_off+ Vs = 0, ie Vs = −V_off
And In this way, Vs, in other words, it is possible to read the recording information generated as a differential signal of the surface potential distribution on the recording medium 10.
[0081]
Another example of reproducing recorded information from the recording medium 10 can be performed by detecting a change in capacity in a state where the reproducing head is in contact with the recording medium. Specifically, this reproduction can be performed by a scanning capacitive microscope (SCM) configuration, which is a well-known apparatus developed from the above-described AFM.
[0082]
[In case of SCM in (iv)]
The reproduction of the recording information from the recording medium 10 is performed in a state where the reproducing head is in contact with the recording medium 10. FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of an example of this reproducing apparatus that reproduces recorded information by detecting the amount of change in capacitance based on the recorded information. Specifically, this reproducing apparatus has a well-known scanning capacitance microscope (SCM) configuration obtained by developing the above-described AFM (hereinafter, this reproducing apparatus is referred to as an SCM type reproducing apparatus). That is, in this case as well, as in the recording apparatus described above, the reproducing head HP is provided with the conductive cantilever 22 having the needle electrode 21 at the tip. The reproducing head HP can be shared with the recording head HR or can be configured separately. Also in the reproducing head HP, for example, a strip-like electrode having a needle-like electrode 21 that can be substantially point-contacted or contacted with a minute surface with respect to a recording medium, for example, a cone shape, a triangular pyramid shape, or a cross-sectional shape such as a triangular column shape. It is comprised by the cantilever 22 which has the leaf | plate spring structure of this, and the one end was fixed. The cantilever 22 is made of Si or SiN having a spring constant of 0.01 to 10 [N / m], and the surface thereof is coated with a single layer or a multilayer metal layer such as Au, Pt, Co, Ni, Ir, Cr. Thus, high conductivity is imparted. Alternatively, needle-like processing is possible and the conductive silicon is made of conductive silicon doped with impurities. These cantilevers 22 can be manufactured by a so-called microfabrication technique.
[0083]
As described above, the mounting table 30 is configured to move or rotate along the surface direction of the recording medium 10 mounted thereon, for example, with respect to the x axis and the y axis orthogonal to each other, and further to the reproducing head. The movement can be controlled in the z-axis direction orthogonal to the surface direction of the recording medium 10 so that the contact state of the cantilever 22 as the HP with the needle-like electrode 21 can be adjusted.
[0084]
The acicular electrode 21 of the reproducing head HP is brought into contact with the recording medium 10. In this state, the recording medium is rotated by the mounting table 30 to scan the acicular electrode 21 on the recording medium 10 and A DC bias voltage V is applied to the recording medium 10, and the electrostatic capacitance signal C (V) is obtained as an oscillation frequency shift from an oscillator having an oscillation frequency of 915 MHz built in the detector 50 with the electrostatic capacitance between the cantilever 22 and the recording medium 10. Is detected, a dC / dV signal is taken out from the lock-in amplifier 45 and input to the computer 52. In this case, a very slight change in the capacity of the medium becomes a shift of the resonance frequency, and the output amplitude changes. This signal is detected by a detection circuit and detected as a change in capacitance.
[0085]
The schematic configuration will be described. The cantilever 22 is irradiated with, for example, laser light from the semiconductor laser 43, the reflected light is detected by the photodetector 44, and is input to the servo circuit to control the mounting table 30 in the z-axis direction. Is made.
[0086]
The reproducing head in this case can adopt a cantilever configuration similar to that in the recording head HR described above, for example. This cantilever, that is, the reproducing head, can be used as the recording head described above, or can have a different configuration. In any case, the cantilever as the reproducing head is feedback-controlled in the same manner as a normal AFM apparatus in a state in which the cantilever is in contact with the recording medium. The capacitance acting between the cantilever, that is, the reproducing head and the recording medium is detected by a capacitance sensor. In the present specification, the reproducing head and the capacitance sensor (capacitance detector) located at the subsequent stage are collectively referred to as a reproducing head system. Then, the detected capacitance can be converted into a two-dimensional image, whereby a two-dimensional distribution of the capacitance can be detected.
[0087]
In SCM, the frequency characteristics are not limited by the resonance frequency of the cantilever, and the capacitance can be detected in a higher frequency band than the cantilever. Therefore, the frequency characteristic of the reproducing head can respond up to the MHz band.
[0088]
  Next, the present inventionReference examples andExamples will be described.
[referenceExample 1)
  thisreferenceIn the example, information is recorded by applying a voltage pulse between a recording head cantilever and a recording medium. In this case, carriers (electrons) from the substrate side of the recording medium are used as charge storage layers. This is a case of taking a recording mode of injecting into the trap. In the recording medium 10 in this case, as shown in a schematic sectional view in FIG. 7, a lower insulating film 14 is deposited on a p-type Si substrate as the conductive semiconductor substrate 11. This lower insulating film 14 becomes a bottom-side tunnel insulating film selected to have a thickness capable of tunneling carriers, in this example, electrons. This lower insulating film 14 is formed by surface thermal oxidation of the substrate 11. 1.8nm thick SiO2₂It can be formed by a membrane. On this lower insulating film 14, nanocrystals (nanocrystals) 15C made of Si are formed by plasma CVD. The nanocrystals 15C have a crystal grain size of about 5 nm and are arranged at intervals of about 5 nm. On top of this, SiOCVD is used by LPCVD.₂An insulating film 15i is formed to form a nanocrystal layer 15 in which the nanocrystal 15C is embedded, and subsequently, SiO 2 is formed thereon.₂The charge storage layer 17 is formed by forming the upper insulating film 16 by the above. The upper insulating film 16 has a thickness of 6 nm, whereby the surface of the recording medium is formed relatively flat. However, if necessary, the surface of the recording medium can be planarized by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process.
[0089]
The charge storage layer 17 of the recording medium 10 having this configuration includes the nanocrystal 15C and the SiO films of the insulating films 15i and 16 and the nanocrystal 15C.₂For this reason, it is formed as a layer having a carrier trap that operates as a carrier trap.
[0090]
Then, the lower electrode 12 made of a metal electrode layer is ohmic deposited on the back surface of the base 11 opposite to the side where the charge storage layer 17 is formed.
[0091]
Recording on the recording medium 10 having the charge storage layer 17 is performed by the recording head HR shown in FIG. That is, the recording medium 10 is arranged on the movable mounting table 30, and the needle-like electrode 21 is scanned on the surface of the recording medium 10 on the active layer side, that is, the charge storage layer 17 side, that is, the upper insulating film 16 side. A pulse voltage is applied based on the recorded information, and information is recorded by locally injecting carriers, such as electrons, into carrier traps mainly in the Si nanocrystal layer 15 of the charge storage layer 17 from the conductive cantilever. That is, recording is performed as a change in the amount of charge due to the presence or absence of carriers (electrons) locally injected into the carrier trap, and a potential pattern corresponding to the recorded information is formed.
[0092]
  In the recording medium 10, charge injection into the carrier trap mainly by the Si nanocrystal layer 15 of the charge storage layer 17, that is, information recording, is performed by carrier injection from the Si substrate 11 side and injection from the cantilever side. Kind exists but bookreferenceIn the example SiO₂By locally injecting electrons locally into the trap of the Si nanocrystal layer 15 using the lower insulating film 14 as a tunnel film, a difference in charge amount is locally generated, and the difference in charge amount is detected by the distribution of the surface potential Vs. By detection. BookreferenceIn the example SiO₂Since the film 16 is thick, this SiO₂The tunnel probability in the film 16 is low, and the probability that electrons are injected from the cantilever side into the Si nanocrystal layer is small.
[0093]
  Then bookreferenceThe voltage-capacitance characteristics of the recording medium in Example 1 will be described. BookreferenceIn the recording layer of the recording medium in the example, that is, the charge storage layer, the voltage-capacitance characteristics are different between the case where the trap which is the Si nanocrystal layer receives charge injection and the case where the trap does not receive charge injection. . As a result, the voltage-capacitance characteristic exhibits hysteresis characteristics with and without injection charge. The difference ΔV between the bias voltages of the flat band voltages in the hysteresis characteristics depends on the injected charge amount, and ΔV increases as the injected charge amount increases. This hysteresis characteristic is that the capacitance value varies depending on the presence or absence of injected charge at a constant bias voltage, so that information is recorded and the information is reproduced by detecting the spatial capacitance change as the surface potential change. Can do.
[0094]
  Then thisreferenceThe recording, erasing and reproducing characteristics in Example 1 are shown. First, SiO₂A pulse voltage of 5 V is applied between the head, that is, the needle electrode 21 and the lower electrode 12, to the recording medium 10 by the upper insulating film 16 / Si nanocrystal layer 15 / SiO lower insulating film 14 / Si substrate 11 / lower electrode 12. Then, electrons are mainly injected locally into the carrier trap in the Si nanocrystal layer 15 from the substrate 11 side. In this case, it is possible to inject a plurality of electrons into one Si nanocrystal trap.
[0095]
In this way, with respect to the recording medium 10 on which information has been recorded, the heterodyne detection SMM reproducing device described with reference to FIG. 4 detects the difference in the local injected charge amount as the change amount of the distribution of the surface potential Vs. To do. In this heterodyne detection method, the surface potential distribution was evaluated in a high frequency region of 10 MHz.
[0096]
As a result, no change was observed in the surface shape before and after applying the pulse voltage. That is, it was found that the surface of the recording medium was satisfactorily maintained without being altered by applying the pulse voltage.
[0097]
In the SMM image, the surface potential distribution in the region of 3 μm × 3 μm was examined. In this case, it was found that the evaluation results at 5 to 10 kHz performed in the normal SMM measurement are almost the same. In this case, the contrast of the surface potential of the portion where the electrons were injected was lower than the surrounding area, and a recording bit was observed. That is, it was found that a surface potential distribution similar to that of 5 to 10 kHz was obtained even in a high frequency region at 10 MHz. This indicates that the surface potential distribution can be detected even in a high frequency region of 10 MHz.
[0098]
The difference in the amount of injected charge is about 30 mV in terms of potential difference, and the potential resolution of the SMM is 1 mV, so that the difference between the data of the digital signals “0” and “1” can be sufficiently identified, for example. I understood.
[0099]
Further, it was found that when a pulse voltage of −5 V was applied after +5 V was first applied to the recording medium 10, the same value as the peripheral surface potential was exhibited. This indicates that the recording bit can be erased.
[0100]
It was also found that the overwrite characteristic can be achieved by optimizing the pulse voltage condition. It was also found that the recording bit can be detected in the surface potential distribution image even in the high frequency region of 10 MHz by the heterodyne detection method.
[0101]
  This indicates that recording bits can be reproduced in a high frequency region by using a heterodyne detection type SMM. From this, the bookreferenceIt has been shown that the local charge injection amount of the example recording medium can be controlled by applying a bias voltage from the cantilever recording head.
[0102]
The presence or absence of these two types of local charges can correspond to “0” and “1” of digital data storage. That is, in the SMM image, high-density recording can be performed by making digital data “0” and “1” correspond to a low portion of the surface potential contrast and a high portion generated around the surface potential.
[0103]
As a result of various experiments, it has been found that the diameter of the minimum recording bit can be made 100 nm or less. It was also found that the recording and erasing times by carrier injection were each less than 1 μs.
[0104]
  It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, thisreferenceExample 1 was found to have sufficient strength as a high-density recording / reproducing apparatus.
[referenceExample 2)
  thisreferenceIn the example, the recording mode is such that carriers (electrons) are injected into the trap of the charge storage layer of the recording medium from the recording head side by applying a pulse voltage by a cantilever. The recording medium 10 in this case isreferenceBy the same method as in Example 1, as shown in a schematic cross-sectional view in FIG. 7, SiO 2 is formed on an n-type Si substrate as the conductive semiconductor substrate 11.₂Lower insulating film 14, Si nanocrystal layer 15, SiO 2₂In this case, the lower insulating film 14 on the bottom side is formed to a thickness of 3.5 nm so that electron tunneling hardly occurs. The Si nanocrystal layer 15 has a nanocrystal 15C particle size and particle spacing of 3.5 nm, embedded in the nanocrystal 15C to form a SiO2 insulating film 15i, and then an upper insulating layer on the SiO2 insulating film 15i. This is a case where the film 16 is formed to have a thickness of 3 nm.
[0105]
Recording on the recording medium 10 having the charge storage layer 17 is performed by the recording head HR shown in FIG. That is, the recording medium 10 is arranged on the movable mounting table 30, and the needle-like electrode 21 is scanned on the surface of the recording medium 10 on the active layer side, that is, the charge storage layer 17 side, that is, the upper insulating film 16 side. A pulse voltage is applied based on recorded information, and information is recorded by locally injecting carriers, for example, electrons, into carrier traps in which Si nanocrystals exist from the conductive cantilever side. That is, recording is performed as presence / absence of carriers (electrons) locally injected into the carrier trap, that is, changes in electric charge, and a potential pattern corresponding to the recorded information is formed.
[0106]
Reading or reproducing the recording information from the recording medium 10 is performed by detecting the distribution of the potential VS according to the recording information.
[0107]
  Then bookreferenceThe recording, erasing and reproducing characteristics in Example 2 are shown. First, SiO₂A pulse voltage of −5 V is applied between the head, that is, the needle electrode 21 and the lower electrode 12 to the recording medium 10 by the upper insulating film 16 / Si nanocrystal layer 15 / SiO lower insulating film 14 / Si substrate 11 / lower electrode 12. This is applied to locally inject electrons mainly into the carrier trap in the Si nanocrystal layer 15 from the recording head side.
[0108]
Next, the local difference in the injected charge amount is detected as the change amount of the distribution of the surface potential Vs by the SMM reproducing device of FIG. As a result of evaluating an area of 2 μm × 2 μm by SMM, the surface shape is not observed before and after applying the pulse voltage, and the surface of the recording medium is satisfactorily maintained without being changed by applying the pulse voltage. I found out.
[0109]
In the SMM image, the contrast of the surface potential of the 2 μm × 2 μm portion where the carriers are injected is lower than that of the surroundings. This is because the −5 V pulse voltage causes electrons to be locally trapped from the recording head side. It is shown that the negative charge amount is increased compared with the surroundings.
[0110]
From the above, it was found that finer recorded bits can be detected by SMM. The difference in the injected charge amount is about 30 mV in terms of potential difference, and the potential resolution of the SMM is several mV. Therefore, for example, the data of the digital signals “0” and “1” can be sufficiently distinguished. I understood that.
[0111]
  In addition, when a pulse voltage of +5 V is applied to the recording medium 10 after applying a pulse voltage of −5 V, that is, when a voltage having a polarity opposite to that described above is applied, the contrast of the image observed in the potential distribution of the SMM is also increased. It turned out that it became the same electric potential compared with the circumference | surroundings. That is, it was found that the amount of carriers injected into the trap of the recording medium 10 was canceled out, and it was found that the recording bit could be erased.
  From this, thisreferenceIt has been shown that the local charge injection amount of the example recording medium can be controlled by applying a bias voltage from the cantilever recording head.
  The presence or absence of these two types of local charges can correspond to “0” and “1” of digital data storage. That is, in the SMM image, high density recording can be performed by making digital data “0” and “1” correspond to a portion with high and low surface potential contrast.
[0112]
As a result of various experiments, it has been found that the diameter of the minimum recording bit can be made 100 nm or less. It was also found that the recording and erasing time required for carrier injection can each be smaller than 1 μs.
[0113]
  Further, by using the heterodyne detection SMM shown in FIG. 4, the recording bit signal can be detected and reproduced in a high frequency region of 1 MHz or more. It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, thisreferenceExample 2 was found to have a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0114]
〔Example1]
  The recording medium 10 in this embodiment is a case where information is recorded by injecting electrons from the cantilever, that is, the recording head side, into the Si nanocrystal that is a carrier trap of the charge storage layer 17. In this embodiment, the Si nanocrystal layer has a two-layer structure, and the element structure is such that the substantial trap density of the nanocrystal increases.
[0115]
  This example1As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 8, the recording medium 10 in FIG. 8 is formed on the n-type Si substrate 11 by surface thermal oxidation and has a thickness of 3 nm.₂A lower insulating film 14 is formed by a film, and a Si nanocrystal 15C is formed thereon by a plasma CVD method.₂The insulating film 15i is formed by the LPCVD method and the nanocrystals 15C are embedded to form the first Si nanocrystal layer 15A. The nanocrystals have a particle size of about 3 nm and are arranged at intervals of about 3 nm. Subsequently, 3 nm thick SiO2 is deposited on this by LPCVD.₂An intermediate insulating film 18 made of a film is formed. Further, Si nanocrystals 15C are similarly formed thereon by plasma CVD, and further Si nanocrystals 15C are embedded thereon by LPCVD.₂An insulating film 15i is formed to form a second nanocrystal layer 15B. Subsequently, 4 nm SiO by LPCVD method.₂An upper insulating film 16 made of a film was formed. Then, in order to flatten the surface, a CMP process may be performed as necessary.
[0116]
A lower electrode 12 made of a metal layer is deposited on the side of the substrate 11 opposite to the side where the charge storage layer 17 is formed.
[0117]
  In the recording medium 10 according to the present embodiment, there are two carrier trap layers in the thickness direction, that is, two layers, that is, the first and second nanocrystal layers 15A and 15B.referenceAs compared to the case of Example 1, it increases and as a resultreferenceThe difference between the peripheral portion of the surface potential described in Example 1 andreferenceIt can be made larger than in Example 1.
[0118]
  Recording on the recording medium 10 having the load accumulation layer 17 having the two nanocrystal layers 15A and 15B is also performed by the recording head HR shown in FIG. That is, the recording medium 10 is arranged on the movable mounting table 30, and the surface SiO of the recording medium 10 is₂A pulse voltage is applied to the layer 16 based on the recorded information while scanning the needle electrode 21, and electrons are locally injected from the conductive cantilevers into the nanocrystal layers 15A and 15B and a carrier trap existing in the vicinity thereof. To record information. That is, a potential pattern is formed in accordance with recorded information on the presence or absence of carriers (electrons) locally injected into the carrier trap. In this case, the number of carrier traps in the two nanocrystal layers 15A and 15B depends on the one nanocrystal layer 15.referenceSince it is larger than that in Example 1, as a result, the concentration of carrier traps also increases.
[0119]
In this way, reading out or reproducing recorded information from the recording medium 10 in which information was recorded by locally injecting electrons from the Si substrate 11 side into the carrier traps of the nanocrystal layers 15A and 15B, The charge amount difference is locally generated as described above, and the charge amount difference is detected by detecting the distribution of the surface potential Vs.
[0120]
  Next, this example1The recording, erasing and reproducing characteristics are shown. First, the above-mentioned SiO₂Upper insulating film 16 / second nanocrystalline layer 15B / SiO₂Intermediate insulating film 18 / first nanocrystal layer 15A / SiO₂A pulse voltage of 5 V is applied to the recording medium 10 based on the lower insulating film 14 / Si substrate 11 from the head, that is, the needle-like electrode 21, so that electrons are locally generated in SiO2.₂Upper insulating film 16 / second nanocrystalline layer 15B / SiO₂Intermediate insulating film 18 / first nanocrystal layer 15A / SiO₂Information is recorded by being injected mainly into the carrier traps of both nanocrystal layers 15A and 15B of the charge storage layer 17 of the lower insulating film 14 /.
[0121]
This information recording is reproduced by the SMM reproducing apparatus based on the heterodyne detection described in FIG. That is, the difference in the local injected charge amount of the recording medium 10 having the configuration shown in FIG. 7 is detected as the distribution of the surface potential Vs. In this case, as a result of evaluating an area of 3 μm × 3 μm by the SMM reproducing device by heterodyne detection, the surface shape is not observed before and after applying the pulse voltage in this case, and is recorded by applying the pulse voltage. It was found that the surface of the medium was well maintained without being altered.
[0122]
In the heterodyne detection SMM image, the contrast of the surface potential of the 3 μm × 3 μm portion where the carriers were injected was observed to be lower than the surroundings. This shows that electrons are locally injected from the recording head side by applying a pulse voltage of -5 V, and the negative charge amount is increased as compared with the surroundings, that is, a recording bit is formed. Yes.
[0123]
In addition, even when a similar experiment is attempted by further reducing the scan area of the SMM device by heterodyne detection, for example, 1.5 μm × 1.5 μm, there are recorded bits whose charge amount has increased due to electron carrier injection. was detected.
[0124]
It has been found that finer recorded bits can be detected by the heterodyne detection SMM. The difference in injected charge amount is about 40 mV in potential difference, and the potential resolution of the SMM is 1 mV. For example, the value of the digital signals “0” and “1” can be sufficiently discriminated. I understood.
[0125]
Further, when a pulse voltage of +5 V is applied to the recording medium 10 material 2 in FIG. 7 described above, that is, when a voltage having a polarity opposite to that described above is applied, the image observed in the potential distribution of the heterodyne detection SMM It was found that the contrast was also reversed, that is, the polarities of the carriers injected into the trap had an opposite relationship. In addition, it was found that information can be erased by applying a voltage pulse having a polarity opposite to that of recording, and it was found that the data also has an overwrite characteristic.
[0126]
From this, it was shown that the local charge injection amount of the recording medium of this example can be controlled by applying a bias voltage from the recording head. The presence or absence of these two types of local charges can correspond to “0” and “1” of digital data storage. That is, high density recording can be performed by making digital data “0” and “1” correspond to the high and low contrast portions of the surface potential. As a result of various experiments, it has been found that the diameter of the minimum recording area can be made 100 nm or less. It was also found that the recording and erasing times for carrier injection were each less than 1 μs.
[0127]
  It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, this embodiment1Then, it was found that it has a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0128]
[Reference example 3]
  thisReference example 3Then, the carrier is injected from the Si substrate side into the carrier trap of the charge storage layer by applying a pulse voltage between the recording head and the recording medium.
[0129]
  thisReference example 3Then, as the recording medium 10, as shown in a schematic cross-sectional view in FIG. 9, a lower insulating film 14 is formed as a bottom tunnel film by a SiON film having a thickness of 2 nm, and a Si nanocrystal layer 15 is sequentially formed thereon. SiO with a surface layer thickness of 5 nm₂The upper insulating film 16 made of a filmreferenceA film was formed by the same method as in Example 1. Also in this case, the lower electrode 12 made of a metal layer is deposited on the opposite side of the substrate 11 from the side on which the charge storage layer 17 is formed by the above-described film formation.
[0130]
  That is, thisReference example 3IsreferenceExample 1 and Examples1SiO of the lower insulating film 14 as each lower layer side, that is, a bottom tunnel film in FIG.₂In this case, a SiON film is used instead of the film. By using the SiON tunnel film 14 in this way, SiO₂It is expected that the information erasing speed can be increased as compared with the case of using a tunnel film.
[0131]
  BookReference example 3In FIG. 5, charge accumulation recording is performed from the Si substrate 11 side by applying a pulse voltage to the cantilever.MediumAs a result, it has been found that recording bits can be recorded, reproduced, and erased.
[0132]
  For the recording bit playback characteristics, see thisReference example 3AlsoReference example 1The same characteristics as were obtained. Also bookReference example 3However, since the SMM using the heterodyne detection method is used for reproduction, high-speed reproduction in the high-frequency region of the recording bit can be performed.
[0133]
[Example 2]
  In this embodiment, the carrier is injected into the charge storage layer of the recording medium by applying a pulse voltage from the Si substrate side into the carrier trap.
[0134]
  In this case, the configuration of the recording medium 10 is the same as that of FIG.₂The thickness of the lower insulating film 14 is 2 nm, the thickness of the first nanocrystal layer 15A is 3 nm, the thickness of the intermediate insulating film 18 is 3 nm, and the thickness of the second nanocrystal layer 15B is 3 nm. This is a case where the thickness of the surface layer of the upper insulating film 16 is 5 nm. Also this example2However, the method of forming each film is as follows.referenceSame as Example 1.
[0135]
  This example2In the example1Compared with the case of SiO₂The thickness of the film 16 is increased to 5 nm, the thickness of the lower insulating film 14 is decreased to 2 nm, and this is used as a tunnel insulating film.referenceAs in Example 1, when recording and erasing are performed by applying a pulse voltage to the cantilever, carriers (electrons) are injected and discharged from the Si substrate side to the charge storage layer 17 so that the recording bit is recorded and erased. It is made to be made.
[0136]
  This example2Recording, erasing and playback characteristics inreferenceThe same characteristics as in Example 1 were obtained. In this embodiment, the heterodyne detection SMM reproduction method is used for reproduction. Even in this case, high-speed reproduction in the high frequency region of the recording bits can be performed.
[0137]
[referenceExample4]
  BookreferenceIn the examplereferenceThe recording medium having the same configuration as that of Example 1 was used, and the recording and erasing head HR and the reproducing head HP described in FIGS. That is, the cantilevers of the heads HR and HP are independently configured, and the conductive electrodes formed on the surface in consideration of the wear of the acicular electrodes of the recording and erasing heads HR used in contact with the recording medium 10 are used. For example, the layer has a relatively thick curvature radius of 50 to 100 nm. However, since there is no need to consider the wear of the reproducing head HP used in a non-contact state, the surface conductive layer is formed thin. The radius of curvature of the tip of the needle electrode was set to 30 nm or less, which is smaller than that of the recording and erasing head HR.
[0138]
Thus, by reducing the radius of curvature of the tip of the acicular electrode of the reproducing head, the resolution of the spatial resolution of the surface potential at the time of reproduction can be increased. Therefore, the size of the minimum recording area is about 60 nm or less in diameter. It was possible to make it small.
[0139]
  Further, the region where the charge was locally injected could be kept sufficiently stable. Further, by using the heterodyne detection type SMM, it is possible to reproduce recorded bits in a high frequency region. As mentioned above, the bookreferenceIn the example, it was confirmed that it has a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0140]
  Also thisreferenceExample4ThenreferenceAlthough the recording medium having the configuration in Example 1 is used, it goes without saying that the essence of the present invention does not change even when the recording medium having the configuration shown in the other embodiments described above is used.
[0141]
[referenceExample5]
  BookreferenceIn the example, recording / reproduction was performed by rotating a disk-shaped recording medium. In this case, the recording and playback heads arereferenceExample4Two types of recording and reproducing heads confirmed in the above were used. The recording medium isreferenceExample4The configuration used inreferenceThe configuration was the same as that in Example 1. In this case, the information recording / reproduction characteristics are as follows:referenceIt was confirmed in the same manner as in Example 1.
[0142]
In addition, since information is reproduced in a non-contact state with the recording medium, the influence of wear between the head and the recording medium can be minimized even when the recording medium rotates at high speed. Further, by using the heterodyne detection type SMM, it is possible to reproduce the recorded bits in the high frequency region.
[0143]
As a result of various experiments, it was found that the minimum recording bit diameter can be reduced to 100 nm or less even in this case. The recording time could be made less than 1 μs. Also, the region where the charge was locally injected was kept sufficiently stable.
[0144]
In each of the above-described examples, the information is reproduced using the heterodyne detection SMM described with reference to FIG. 4. In this case, the recording bit can be reproduced in a high frequency region. In each example, the reproduction can also be performed by an SMM device not based on the heterodyne detection system of FIG.
[0145]
[referenceExample6]
  thisreferenceThe recording medium in the example isreferenceThe same configuration as in Example 1 was adopted and the same recording mode was adopted.
  Even in this case, the reading or reproducing of the recorded information from the recording medium 10 is performed by the charge injection method to the carrier trap of the charge storage layer 17 mainly including the carrier trap of the nanocrystal layer 15 of the recording medium 10 on the Si substrate side. There are two types on the cantilever side.referenceIn the example SiO₂By using the lower insulating film 14 as a tunnel film, electrons are locally injected into the carrier trap from the Si substrate side, thereby causing a difference in charge amount to record information, and detecting this difference in charge amount. Is reproduced as a distribution of the surface potential Vs.
[0146]
The recording information is detected, that is, reproduced by the KFM reproducing apparatus described with reference to FIG. As a result of evaluating the area of 3 μm × 3 μm by KFM, the surface shape is not observed before and after the pulse voltage is applied, and the surface of the recording medium is satisfactorily maintained without being deteriorated by applying the pulse voltage. I found out.
[0147]
In the KFM image, the surface potential contrast of the 3 μm × 3 μm portion where the carriers are injected is lower than the surroundings. This is because electrons are locally injected into the trap from the Si substrate side by the 5 V pulse voltage. It is shown that the negative charge amount is increased as compared with the surroundings. Further, when a similar experiment was attempted by further reducing the KFM scan area to, for example, 1.5 μm × 1.5 μm, a recording bit in which the charge amount increased due to electron carrier injection was detected.
[0148]
It has been found that finer recording bits can be detected by KFM. The difference in the amount of injected charge is about 30 mV in terms of potential difference, and the potential resolution of KFM is several mV. Therefore, for example, the value of the digital signals “0” and “1” can be sufficiently discriminated. I understood.
[0149]
In addition, when a -5V pulse voltage is applied to the recording medium 10 after applying a 5V voltage pulse, that is, when a voltage having a polarity opposite to that described above is applied, the contrast of the image observed in the KFM potential distribution is It was found that the surface potential value was almost the same as the surrounding surface potential. That is, it was found that the distribution of the amount of carriers injected into the trap of the charge storage layer 17 of the recording medium 10 was erased. Moreover, it turned out that it has an overwrite characteristic.
[0150]
  From this, the bookreferenceIt has been shown that the local charge injection amount of the example recording medium can be controlled by applying a bias voltage from the cantilever recording head. The presence or absence of these two types of local charges can be made to correspond to “0” and “1” of digital data storage. That is, high-density recording can be performed by making digital data "0" and "1" correspond to the presence or absence of locally injected charges. As a result of various experiments, it has been found that the diameter of the minimum recording area can be made 100 nm or less. It was also found that the carrier injection writing and erasing times were each less than 1 μs.
[0151]
In addition, since the resonance frequency of the recording head is sufficiently large (on the order of 10 MHz) and the spring constant is sufficiently small (about 1 N / m), high-speed reproduction is possible in the 5 MHz band of recording bits.
[0152]
  It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, thisreferenceExample6Then, it was found that it has a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0153]
〔Example3]
  The recording medium in this embodiment is the embodiment1And the same recording mode. In this embodiment, reading or reproducing of recorded information from the recording medium 10 is performed by locally injecting electrons into the carrier trap of the charge storage layer 17 mainly including the carrier trap of the nanocrystal layer 15 from the Si substrate 11 side. The difference in the amount of charge is locally generated by injecting into the substrate, and the difference in the amount of charge is detected by detecting the distribution of the surface potential Vs.
[0154]
  And this example3Also inreferenceExample5In the same manner as described above, the difference in the local injected charge amount in the charge storage layer of the recording medium 10 is detected as the distribution of the surface potential Vs using the KFM reproducing apparatus of FIG. As a result of evaluating the area of 3 μm × 3 μm by KFM, the surface shape is not observed before and after the pulse voltage is applied, and the surface of the recording medium is satisfactorily maintained without being deteriorated by applying the pulse voltage. I found out.
[0155]
In the KFM image, the contrast of the 3 μm × 3 μm portion where carriers are injected is darker than that of the surroundings. This is because electrons are locally injected from the conductive cantilever by a pulse voltage of −5 V, and negative. It shows that the amount of charge is increased compared to the surroundings. Further, when a similar experiment was attempted by further reducing the KFM scan area to, for example, 1.5 μm × 1.5 μm, a recording bit in which the charge amount increased due to electron carrier injection was detected.
[0156]
It has been found that finer recording bits can be detected by KFM. The difference between the injected charge amounts is about 40 mV in terms of potential difference, and the potential resolution of KFM is several mV. Therefore, for example, the value of the digital signals “0” and “1” can be sufficiently discriminated. I understood.
[0157]
In addition, when a pulse voltage of +5 V is applied to the material 1 after applying a pulse voltage of −5 V, that is, when a voltage having a polarity opposite to that in the above experiment is applied, the image observed in the potential distribution of KFM It was found that the contrast showed almost the same value as the surrounding surface potential. That is, it can be seen that the amount of carriers injected into the trap of material 1 is erased. It was also found to have overwrite characteristics.
[0158]
From this, it was shown that the local charge injection amount of the recording medium of this example can be controlled by applying a bias voltage from the cantilever recording head. The presence or absence of these two types of local charges can be made to correspond to “0” and “1” of digital data storage. That is, high-density recording can be performed by making digital data “0” and “1” correspond to the high and low surface potential contrast portions. As a result of various experiments, it has been found that the diameter of the minimum recording area can be made 100 nm or less. It was also found that the carrier injection writing and erasing times were each less than 1 μs.
[0159]
Further, since the resonance frequency of the recording head is sufficiently large (on the order of 10 MHz) and the spring constant is sufficiently small (about 1 N / m), high-speed reproduction of the recording bit in the 5 MHz band is possible.
[0160]
  It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, this embodiment3Also, it was found that it has a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0161]
[referenceExample7]
  thisreferenceAn example isreferenceExample3For recording media with the same configuration asreferenceExample3In the same manner as above, tunneling through the SiON lower layer insulating film 14 from the Si substrate 11 side to inject electrons into the carrier trap of the charge storage layer 17,referenceExample3Record the same information as in Example3The information was reproduced by the KFM reproducing apparatus in the same manner as described above. Even in this case, the presence or absence of local charges can be made to correspond to “0” and “1” of digital data storage. That is, high density recording can be performed by making digital data “0” and “1” correspond to the high and low contrast portions of the surface potential. As a result of various experiments, it has been found that the diameter of the minimum recording area can be made 100 nm or less. It was also found that the carrier injection writing and erasing times were each less than 1 μs.
[0162]
  thisreferenceExample7Also inreferenceExample6In the same manner as described above, the recorded information was reproduced by the KFM reproducing apparatus. thisreferenceExample7The recording bit resonance frequency of the recording head was sufficiently large (on the order of 10 MHz) and the spring constant was sufficiently small (about 1 N / m), so that high-speed reproduction of the recording bit in the 5 MHz band was possible.
[0163]
  It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, thisreferenceExample7It has been found that it has a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0164]
[referenceExample8]
  thisreferenceIn the examplereferenceUsing the same recording medium as in Example 2referenceAs in Example 2, information was recorded by injecting charges into the carrier trap of the charge storage layer 17 from the cantilever side. And that playback isreferenceExample5In the same manner as described above, the recorded information was reproduced by the KFM reproducing apparatus. thisreferenceExample8The recording bit resonance frequency of the recording head was sufficiently large (on the order of 10 MHz) and the spring constant was sufficiently small (about 1 N / m), so that high-speed reproduction of the recording bit in the 5 MHz band was possible.
[0165]
  It was found that the region where the carriers were locally injected was kept sufficiently stable. As mentioned above, thisreferenceExample8It has also been found that it has a sufficient function as a high-density recording / reproducing apparatus.
[0166]
[referenceExample9]
  thisreferenceIn the example, as a recording medium,referenceExample5I.e.referenceThe recording medium having the same charge storage layer structure as in Example 1 was used, and the recording and erasing head HR and the reproducing head HP described in FIGS. That is, the cantilevers of the heads HR and HP are independently configured, and the recording and erasing head HR needle-like electrodes used in contact with the recording medium 10 are formed on the surface in consideration of friction. The layer is formed to be relatively thick, for example, the radius of curvature of its tip is 50 to 100 nm. However, since there is no need to consider the wear of the read head HP used in a non-contact state, the surface conductive layer is formed thin. Thus, the radius of curvature of the tip of the needle electrode is 30 nm or less, which is smaller than that of the recording and erasing head HR.
[0167]
Thus, by reducing the radius of curvature of the tip of the acicular electrode of the reproducing head, the resolution of the spatial resolution of the surface potential at the time of reproduction can be increased. Therefore, the size of the minimum recording area is about 60 nm or less in diameter. It was possible to make it small. Further, the region where the charge was locally injected could be kept sufficiently stable.
[0168]
  As mentioned above, thisreferenceThe example confirmed that it has sufficient functions as a high-density recording / reproducing device.referenceExample9ThenreferenceThe recording medium having the charge storage layer configuration of Example 1 was used.Reference examples andIt goes without saying that the essence of the present invention does not change even when the charge storage layer configuration shown in the embodiment is applied to a recording medium.
[0169]
[referenceExample 10]
  thisreferenceIn the example, recording / reproduction was performed by rotating a disk-shaped recording medium. HeadreferenceExample9Two types of recording and reproducing heads confirmed in the above were used. The recording medium isreferenceExample9The medium having the charge storage layer configuration used in 1 was used. The recording characteristics of the information in this case arereferenceExample 1, reproduction characteristicsreferenceExample5Could be confirmed as well. And thisreferenceIn the example as well, since the information is reproduced in a non-contact state with the recording medium, even when the recording medium rotates at high speed, the influence of friction and wear between the head and the recording medium can be minimized. It was.
[0170]
As a result of various experiments, it was found that the recording spot diameter can be made 100 nm or less in this case as well. The recording time could be made less than 1 μs. In addition, when the resonance frequency of the recording head is sufficiently large (on the order of 10 MHz) and the spring constant is sufficiently small (several 1 N / m), high-speed reproduction of the recording bit in the 5 MHz band becomes possible.
Furthermore, the region where the charge was locally injected was kept sufficiently stable.
[0171]
  From the above, thisreferenceExample 10It has been confirmed that it has sufficient functions as a high-density recording and playback device.referenceExample 10As a recording mediumreferenceAlthough the example 1 has been described, it goes without saying that the essence of the present invention does not change even when applied to a recording medium having another charge storage layer configuration.
[0172]
[referenceExample 11]
  In each of the above-described examples, information is reproduced from the recording medium when the head is in a non-contact state. In this case, wear of the head and the recording medium can be avoided, so that repeated reproduction is possible. However, as a reproducing apparatus, similarly to the recording head, a reproducing apparatus using a scanning type, that is, a so-called contact type SCM, is also in contact with the recording medium in the reproducing head. It is also possible to reproduce information for the. As described above, when the reproducing head is reproduced in a non-contact state with respect to the recording medium, it is possible to improve the reproducing sensitivity and the resolution, and therefore further improve the recording density. in this case,referenceWhen recording / reproduction was performed using the same recording medium as in Example 1,referenceIt was found that the recording / reproduction characteristics equivalent to those of Example 1 were obtained.
[0173]
As mentioned above, variousReference examples andThe examples show the effectiveness of the present invention.Reference examples,In the recording medium used in the embodiment and other devices of the present invention, it is desirable to deposit a protective layer (not shown) of, for example, diamond-like carbon on the uppermost layer. In addition, the reliability of the recording medium can be further improved.
[0174]
As described above, according to the apparatus of the present invention, the recording density can be improved and the recording / erasing / reproducing speed can be increased. The high-density recording / reproducing apparatus according to the present invention can realize a recording density one digit higher than that of the conventional one.
[0175]
In particular, in the apparatus of the present invention, the recording medium is constituted by a charge storage layer having nanocrystals, for example, nano-Si crystals. Since these nanocrystals are a collection of fine crystals, their carrier trap density Can be recorded at a high density, and can be recorded at a high speed and driven at a low voltage.
[0176]
That is, as described above, Si nanocrystals are spatially discretized, and an insulating film such as SiO₂The shape is embedded in the film. Its size is 10 nm or less in diameter, and the distance between them is 10 nm or less. In such a case, the Si nanocrystal is SiO.₂Acts as a discrete carrier trap in the film. SiO₂The trap level is 3 from the band energy diagram of Si and Si. estimated to be leV. Carriers (electrons) are generated from the Si substrate side or the recording head side by a strong electric field applied between the recording head and the substrate.₂Information is recorded by being injected into the discretized carrier trap through the film. The direction of the injected electrons depends on the thickness of the tunnel oxide film between the carrier trap, the Si substrate, and the recording head, the magnitude of electric field concentration in the recording head, and the like. Carrier trap density is 5 × 10¹¹~ 1x10¹²cm^-2It is. A plurality of electrons can be trapped in one carrier trap.
[0177]
On the other hand, the carrier (electrons) erases information by discharging electrons injected into the trap by applying a strong electric field having a polarity opposite to that in the case of recording between the recording head and the Si substrate. In the reproduction of information, the Coulomb interaction between the electrons trapped in the carrier trap and the reproducing head is directly detected as the surface potential, capacitance, and the like. This reproduction method is very sensitive, so that electrons captured in a small number of carrier traps can be detected with high sensitivity. That is, since the detection sensitivity of the surface potential is several mV, a change shift of the surface potential of about several tens of mV can be easily detected.
[0178]
As a unique effect of recording media using Si nanocrystals
(1) A carrier trap having a deep energy level based on the conduction band edge and a high density is formed of SiO.₂It can be fabricated in an insulating film.
(2) Carrier traps composed of Si nanocrystals can be fabricated in the insulating film in a spatially discrete state.
As a result,
(1) The write operation voltage can be 5 V or less.
(2) Since the trap is spatially discretized, the repeated rewrite / erase characteristics of information in the recording bit is improved.
(3) Since the energy level of the trap is deep and spatially discretized, when compared with the thickness of the same tunnel insulating film, the data retention characteristic of the recording bit is improved.
[0179]
The nanocrystal can be made of a semiconductor or metal other than Si.
In the above example, the base 11 is an n-type Si base, but a p-type base can also be used.
[0180]
In addition, as described above, in the apparatus of the present invention, the recording / reproducing head has a needle-like electrode. For the purpose of reinforcing the mechanical strength of this needle-like electrode, insulation is provided around the needle-like electrode. The present invention is not limited to the above-described embodiments, such as arranging a body, and various changes can be made.
[0181]
Further, as described above, when the storage head HR and the reproducing head HP are configured in common, a so-called multi-head configuration in which a plurality of the heads, and thus cantilevers, are provided can be employed. Alternatively, even when the recording head HR and the reproducing head HP are separately configured, a so-called multi-head configuration in which both or one of the recording head HR and the reproducing head HP is provided with a plurality of cantilevers can be used. .
[0182]
In addition, the recording / reproducing apparatus according to the present invention may be configured to have both recording and reproducing functions, or may have a function of reproducing information recorded by the above-described recording method without the recording function. You can also
[0183]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the recording density and the high speed recording / reproducing sensitivity are extremely high, a high density recording apparatus that is remarkably superior to the prior art is realized.
[0184]
Therefore, it is a recording / reproducing apparatus effective for storage of image information required for high-speed information society, high-capacity storage that requires high-speed access, recording of images such as high-definition broadcasting, and recording of large-capacity data in capacitors. Is.
[0185]
Further, when the reproduction is performed in a non-contact state of the head, wear of the head and the recording medium can be avoided.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Reference examples of recording mediaIt is a figure which shows a basic structure.
FIG. 2 is a configuration diagram of an example of a recording / erasing mechanism of the apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of an example of a playback device of the device of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of another example of the playback device of the device of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of another example of the playback device of the device of the present invention;
FIG. 6 is a configuration diagram of another example of the playback device of the device of the present invention.
[Fig. 7]Reference examples of recording mediaIt is a schematic sectional drawing.
FIG. 8 shows a recording medium used in the apparatus of the present invention.One caseFIG.
FIG. 9Reference examples of recording mediaIt is a schematic sectional drawing.
FIG. 10 is a schematic sectional view of a recording medium in a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
10 recording medium, 11 substrate, 12 lower electrode, 13 active layer, 14 lower insulating layer, 15, 15A, 15B nanocrystal layer, 16 upper insulating layer, 17 charge storage layer, 18 intermediate insulating layer, 22 cantilever

Claims (14)

針状電極よりなるヘッドにより記録媒体に情報を記録または再生する記録再生装置であって、
上記記録媒体は、少なくともトンネル絶縁膜と、絶縁膜中にナノ結晶が埋め込まれてなるナノ結晶層を有する電荷蓄積層を２層以上有して成り、
上記ヘッドからの電圧印加によって上記電荷蓄積層の所定領域に対する上記トンネル絶縁膜を通じての電荷移動により情報の記録または消去がなされ、
上記ヘッドを、上記記録媒体に非接触または接触させた状態で、上記所定領域における電荷、あるいは表面電位、または静電容量、あるいはこれらの微分量の少なくともいづれかの変化量を検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。A recording / reproducing apparatus for recording or reproducing information on a recording medium by a head made of needle-shaped electrodes,
The recording medium has at least two charge storage layers including a tunnel insulating film and a nanocrystal layer in which nanocrystals are embedded in the insulating film,
Information is recorded or erased by charge transfer through the tunnel insulating film with respect to a predetermined region of the charge storage layer by voltage application from the head,
In a state where the head is not in contact with or in contact with the recording medium, the amount of change in at least one of the charge in the predetermined area, the surface potential, the capacitance, or a differential amount thereof is detected, and the recording is performed. A recording / reproducing apparatus for reproducing information. 請求項１において、
上記所定領域に記録された情報を、ヘテロダイン検出法によって上記所定領域における表面電位あるいは静電容量の少なくともいづれかの変化量を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し非接触状態で、該再生ヘッドの機械共振周波数より高い周波数で高速に検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。In claim 1,
The information recorded in the predetermined area is converted into a change amount of at least one of the surface potential and the electrostatic capacity in the predetermined area by the heterodyne detection method, and the reproduction head is in a non-contact state with respect to the recording medium. A recording / reproducing apparatus for reproducing the recording information by detecting at a high speed at a frequency higher than a resonance frequency. 請求項１において、
上記所定領域に記録された情報を、該領域における表面電位または静電容量の少なくともいづれかの変化量の微分を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し非接触状態で、該再生ヘッドの共振周波数の振幅または位相の変動量またはその微分量を用いて検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。In claim 1,
The information recorded in the predetermined area is differentiated from the amount of change of at least one of the surface potential and the capacitance in the area, and the amplitude of the resonance frequency of the reproducing head when the reproducing head is not in contact with the recording medium. Alternatively, a recording / reproducing apparatus that reproduces the recorded information by detecting using a phase fluctuation amount or a differential amount thereof. 請求項１において、
記録情報の再生を、静電容量の変化量あるいは静電容量の変化量の微分を、再生ヘッドが上記記録媒体に対し接触状態で、該再生ヘッドまたは再生ヘッド系の発振器の共振周波数の周波数シフトに起因する共振点での振幅または位相の変化を検出して、上記記録情報を再生することを特徴とする記録再生装置。In claim 1,
Reproduction of recorded information is performed by changing the capacitance or the derivative of the capacitance change, with the reproduction head in contact with the recording medium, and the frequency shift of the resonance frequency of the reproduction head or the oscillator of the reproduction head system. A recording / reproducing apparatus that reproduces the recorded information by detecting a change in amplitude or phase at a resonance point caused by the above-mentioned phenomenon. 請求項１において、上記ヘッドを、少なくとも記録用および再生用の共通のヘッドとしたことを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the head is at least a common head for recording and reproducing. 請求項１において、上記ヘッドを、少なくとも記録用および再生用の２種のヘッドとしたことを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the head is at least two recording and reproducing heads. 請求項１において、上記記録または消去を、上記ヘッドに１０Ｖ以下の電圧を印加することにより行い、上記記録媒体の単位記録領域は直径１００ｎｍ以下であることを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the recording or erasing is performed by applying a voltage of 10 V or less to the head, and the unit recording area of the recording medium has a diameter of 100 nm or less. 請求項１において、単位記録領域の記録および消去時間を、それぞれ１μｓ以下とすることを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the recording and erasing times in the unit recording area are 1 μs or less, respectively. 請求項１において、上記記録または再生を、上記記録媒体を回転させて行うことを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the recording or reproduction is performed by rotating the recording medium. 請求項１において、上記記録媒体の上記ナノ結晶層の結晶粒の粒径が１０ｎｍ以下、結晶粒間隔が１０ｎｍ以下とされたことを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the crystal grain size of the nanocrystal layer of the recording medium is 10 nm or less and the crystal grain interval is 10 nm or less. 請求項１において、上記記録媒体の電荷蓄積層の、上記ナノ結晶層の結晶粒が、酸化シリコン膜中埋め込まれて形成されてなることを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the crystal grains of the nanocrystal layer of the charge storage layer of the recording medium are formed by being embedded in a silicon oxide film. 請求項１において、上記ナノ結晶が半導体ナノ結晶であることを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the nanocrystal is a semiconductor nanocrystal. 請求項１において、上記ナノ結晶がシリコンナノ結晶であることを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the nanocrystal is a silicon nanocrystal. 請求項１において、上記記録媒体が、最上層に保護層を有することを特徴とする記録再生装置。  2. The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the recording medium has a protective layer as an uppermost layer.

Images