RU2042982C1 - Method for writing and reading binary information - Google Patents

Abstract

FIELD: information devices. SUBSTANCE: method involves storing record to medium which is made from thin film of amorphous silicon material, which is deposited to glass base, or from silicon crystal. It is possible to affect it with beam of electric field. Film is produced by hydrogen technology using carbon or germanium. When information is read with scanning tunnel microscope, local changes in conductance of stored layer are detected. EFFECT: increased functional capabilities.

Description

Изобретение относится к накоплению информации, в частности, к способам сверхплотной записи-воспроизведения цифровой информации. The invention relates to the accumulation of information, in particular, to methods for superdense recording-playback of digital information.

Известен способ записи и воспроизведения двоичной информации [1] путем воздействия энергетическим пучком на аморфный слой, содержащий кремний, на поверхности подложки и регистрации областей изменения проводимости (или фазового состояния) этого слоя с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который легко воспроизводит аморфную субстанцию и отдельные кристаллы на поверхности. В результате реализуют запоминающие устройства (ЗУ) крайне высокой плотности. A known method of recording and reproducing binary information [1] by exposing the amorphous layer containing silicon on the surface of the substrate and recording the regions of change in conductivity (or phase state) of this layer using a scanning tunneling microscope (STM), which easily reproduces an amorphous substance, with an energy beam and individual crystals on the surface. As a result, extremely high density memory devices (memory devices) are implemented.

Однако использование для записываемых пленок носителя кремния для ИС или аморфного материала, содержащего кремний, не позволяет полностью реализовать преимущества СТМ для эффективной и высокоплотной записи-воспроизведения. However, the use of silicon carrier for ICs or amorphous material containing silicon for the recorded films does not allow to fully realize the advantages of STM for efficient and high-density recording-reproduction.

Настоящее изобретение направлено на частичное решение поставленной задачи. The present invention is directed to a partial solution of the problem.

В соответствии с настоящим изобретением, при записи и воспроизведении двоичной информации путем воздействия при записи энергетическим пучком электрического поля на поверхность записываемого слоя из аморфного кремниевого материала, расположенного на подложке, и регистрации при воспроизведении с помощью СТМ туннельных токов от областей слоя с локальными изменениями проводимости в составе такой пленки, полученной по водородной технологии, используют углерод или германий, а в качестве материала подложки металл или стекло или кремниевый полупроводниковый монокристалл. In accordance with the present invention, when recording and reproducing binary information by exposing an electric field to a surface of an amorphous silicon material located on a substrate when recording with an energy beam and recording tunnel currents from regions of the layer with local variations in conductivity during STM playback the composition of such a film obtained by hydrogen technology uses carbon or germanium, and the material of the substrate is metal or glass or silicon semiconductor single crystal.

Хотя использование упомянутых материалов подложек известно в данной области техники, их сочетание с записываемыми пленками, полученными по водородной технологии, обуславливает дополнительные новые свойства, не присущие известным техническим решениям, а именно, водородная технология значительно улучшает параметры границы раздела между пленкой и полупроводниковой подложкой: на порядок уменьшается плотность быстрых поверхностных состояний и величина встроенного в диэлектрик заряда, а также снижается напряжение плоских зон и улучшаются другие параметры. Все это заметным образом улучшает границу раздела и позволяет эффективно управлять свойствами носителя информации при воздействии на него СТМ. Although the use of the aforementioned substrate materials is known in the art, their combination with recordable films obtained by the hydrogen technology leads to additional new properties that are not inherent to the known technical solutions, namely, the hydrogen technology significantly improves the interface parameters between the film and the semiconductor substrate: the order decreases the density of fast surface states and the value of the charge built into the dielectric, as well as the voltage of the flat zones decreases and improve other parameters. All this significantly improves the interface and allows you to effectively manage the properties of the information carrier when exposed to STM.

Использование аморфного кремния с примесью германия позволяет смесить спектр чувствительности в ближнюю ИК-область, что открывает возможности управления свойствами носителя с помощью ИК-подсветки и в результате позволяет более эффективно производить запись и воспроизведение информации. The use of amorphous silicon with an admixture of germanium allows you to mix the sensitivity spectrum into the near infrared region, which opens up the possibility of controlling the properties of the medium using IR illumination and, as a result, allows for more efficient recording and reproduction of information.

Введение в состав аморфного кремния в качестве примеси углерода повышает стабильность кремния и устойчивость к внешним ионизирующим воздействиям. The introduction of amorphous silicon as a carbon impurity increases the stability of silicon and resistance to external ionizing influences.

Способ может быть реализован для носителя из аморфного кремния, нанесенного на рабочую поверхность, например, металлической подложки посредством реакции в тлеющем разряде в кремневодороде. Аморфный кремний наносится в виде тонкой пленки толщиной 100-200

а импульс электрического поля, приводящий к локальному изменению проводимости, прикладывается между иглой СТМ и носителем. С помощью иглы можно также воспроизводить записанную таким образом информацию.The method can be implemented for a carrier made of amorphous silicon deposited on a working surface, for example, a metal substrate by a glow discharge reaction in silicon hydrogen. Amorphous silicon is applied in the form of a thin film with a thickness of 100-200

and an electric field pulse leading to a local change in conductivity is applied between the STM needle and the carrier. Using a needle, you can also play back information recorded in this way.

Основной частью СТМ является программно-управляющее устpойство, позволяющее перемещать носитель к зондирующему острию-игле и сканировать этой иглой над поверхностью носителя. The main part of the STM is a software-control device that allows you to move the carrier to the probe tip-needle and scan this needle above the surface of the carrier.

Перемещение носителя осуществляется с помощью манипулятора грубых перемещений (МГП), управляемого от ЭВМ. Этот манипулятор обеспечивает перемещение носителя к острию иглы по заданной траектории с шагом от 100

до 1 мкм на расстояние 5-7 мм.The movement of the carrier is carried out using the manipulator of rough movements (IHL), controlled by a computer. This manipulator allows the carrier to move to the needle tip along a predetermined path in increments of 100

up to 1 micron at a distance of 5-7 mm.

Манипулятор точных перемещений (МТП) позволяет перемещать иглу в трех направлениях при сканировании с шагом менее 20

, а система следящей обратной связи позволяет стабилизировать туннельный ток в диапазоне 0,1-20 нА при заданной разности потенциалов между иглой и поверхностью носителя. Усилитель туннельных токов одновременно используется для регистрации сигналов, которые несут информацию о туннельной проводимости.Accurate Movement Manipulator (MTP) allows you to move the needle in three directions when scanning in steps of less than 20

and the tracking feedback system allows you to stabilize the tunneling current in the range of 0.1-20 nA at a given potential difference between the needle and the surface of the carrier. The tunnel current amplifier is simultaneously used to register signals that carry tunnel conduction information.

Управление МГП и МТП, а также запись и обработка информации, получаемой от СТМ, производятся ЭВМ. Конструкция СТМ позволяет использовать его для проведения экспериментов в атмосферных условиях. При этом не наблюдается объемной ионизации газа, так как расстояние между иглой и поверхностью носителя менее 1 нм, а приложенное напряжение не более 10 В. Таким образом, с помощью СТМ, работающего в атмосферных условиях, достигаются электрические поля напряженностью 10⁸В/см.Management of IHL and ICC, as well as the recording and processing of information received from STM, are performed by computers. The design of STM makes it possible to use it for experiments in atmospheric conditions. In this case, no volumetric ionization of the gas is observed, since the distance between the needle and the surface of the carrier is less than 1 nm, and the applied voltage is not more than 10 V. Thus, using STM operating in atmospheric conditions, electric fields of 10 ⁸ V / cm are achieved.

Под действием импульса электрического поля, приложенного между иглой СТМ и носителем, увеличивается проводимость аморфного кремния непосредственно под иглой, что является результатом локального фазового перехода аморфной пленки в кристаллическое состояние в результате воздействия на нее низкоэнергетических электронов, стекающих с иглы СТМ на пленку. Такое локальное кристаллическое состояние аморфной пленки кремния, обладающей повышенной электропроводностью, может сохраняться при ноpмальных условиях сколь угодно длительное время. Under the influence of an electric field pulse applied between the STM needle and the carrier, the conductivity of amorphous silicon directly under the needle increases, which is the result of a local phase transition of the amorphous film to the crystalline state as a result of the action of low-energy electrons flowing from the STM needle to the film. Such a local crystalline state of an amorphous silicon film with enhanced electrical conductivity can be maintained under normal conditions for an arbitrarily long time.

Кроме того, на поверхности пленки аморфного кремния под влиянием сильного электрического поля изменяется водородный состав, т.е. изменяется расположение и конфигурация водородных кластеров, что, в свою очередь, меняет локальную проводимость пленки. Использование в перспективе водородных кластеров (размером порядка 5 нм) позволит повысить плотность записи на несколько порядков. In addition, the hydrogen composition changes on the surface of the amorphous silicon film under the influence of a strong electric field, i.e. the arrangement and configuration of hydrogen clusters changes, which, in turn, changes the local conductivity of the film. The future use of hydrogen clusters (about 5 nm in size) will increase the recording density by several orders of magnitude.

Двоичная информация записывается в виде локальных областей с повышенной проводимостью, соответствующих "единице", а сама пленка в исходном состоянии соответствует "нулю". С помощью сканирования над поверхностью носителя иглой СТМ удается воспроизвести записанную таким образом информацию, так как в точках, соответствующих "единице", будет возникать туннельный ток. Binary information is recorded in the form of local regions with increased conductivity corresponding to “unity”, and the film itself in the initial state corresponds to “zero”. By scanning over the surface of the carrier with a STM needle, it is possible to reproduce the information recorded in this way, since a tunneling current will occur at the points corresponding to the “unit”.

Предложенный способ позволяет многократно использовать носитель для записи информации. Для возвращения аморфной пленки кремния в исходное состояние достаточно ее нагреть до темпеpатуры 150-200^оС.The proposed method allows you to reuse the media to record information. To return the amorphous silicon film in its original state sufficiently to heat of the temperature of 150-200 ^C.

По технологии разложения газовой смеси в водородной плазме тлеющего разряда можно сравнительно легко получить пленки толщиной от десятков ангстрем до нескольких микрон с разной степенью легирования и чередованием пленок разного состава, что позволяет в широком диапазоне управлять свойствами структур, используемых в качестве носителя информации. Using the technology of decomposition of a gas mixture in a glow plasma, it is relatively easy to obtain films with a thickness of tens of angstroms to several microns with varying degrees of doping and alternating films of different compositions, which allows a wide range of properties of structures used as information carriers to be controlled.

Данный способ обладает высокой скоростью записи и считывания одного бита (не хуже 35 мкс), не изменяет рельефа поверхности при размере бита около сотни ангстрем (плотность 10⁸ бит/мм).This method has a high write and read speed of one bit (no worse than 35 μs), does not change the surface topography with a bit size of about a hundred angstroms (density 10 ⁸ bits / mm).

Claims (1)

СПОСОБ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ДВОИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ, заключающийся в воздействии при записи энергетическим пучком электрического поля на поверхность записываемого слоя в виде тонкой пленки из аморфного кремниевого материала, расположенной на подложке, и в регистрации при воспроизведении с помощью сканирующего туннельного микроскопа туннельных токов от соответствующих областей записываемого слоя с локальными изменениями проводимости, отличающийся тем, что в составе тонкой пленки из аморфного кремниевого материала, полученной по водородной технологии, используют углерод или германий, а в качестве материала подложки используют металл, или стекло, или кремниевый полупроводниковый монокристалл. METHOD FOR RECORDING AND PLAYING BINARY INFORMATION, which consists in applying a thin film of an amorphous silicon material located on a substrate when an electric field is recorded by an energy beam and recording the tunneling currents from the corresponding regions of the recorded layer using a scanning tunneling microscope with local changes in conductivity, characterized in that in the composition of a thin film of amorphous silicon material obtained by of burnt technology, carbon or germanium is used, and metal, or glass, or a silicon semiconductor single crystal are used as the substrate material.