信號檢測裝置和信號檢測方法

專利名稱：信號檢測裝置和信號檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測利用近場光記錄在記錄介質(zhì)上的信號的信號檢測 裝置和信號檢測方法。
背景技術(shù)：
利用近場光的光記錄和再現(xiàn)方法作為用于實現(xiàn)超高密度存儲的技術(shù)引 起了注意，因為該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)被認(rèn)為是通常光學(xué)系統(tǒng)的極限的高分辨
率。例如，當(dāng)使用諸如固體浸沒透鏡(SIL)的所謂的近場光透鏡時，光 斑直徑被認(rèn)為可以減小到約100 nm。
預(yù)計在2012年左右將在硬盤中實現(xiàn)1 T比特/平方英寸的表面記錄密 度。但是，為了實現(xiàn)與該表面記錄密度相當(dāng)?shù)挠涗浢芏龋仨殞⒐獍咧睆?設(shè)為等于或小于20nm。
因此，為了進(jìn)一步減小光斑直徑，對于利用通過等離子體共振現(xiàn)象形 成局部光斑的研發(fā)被積極執(zhí)行。預(yù)計通過將局部光斑應(yīng)用于相變介質(zhì)，提 高了相變光學(xué)記錄系統(tǒng)的密度。
另一方面，利用近場光再現(xiàn)超高密度記錄信息被認(rèn)為是困難的，因為 難以直接觀察近場光。
作為對付該困難的措施，提出了如下的方法將觀察光照射在樣品上 并將參考光照在射懸臂上，所述懸臂布置在與樣品的信號檢測位置不同的 位置上或者樣品附近；將參考光與觀察光比較；以及根據(jù)參考光和觀察光 之間的相差檢測近場光(參見F. Zenhausern等的"Ape加reless near-field optical microscope" ， Appl. Phys. Lett" 65(13)， 1994 (非專利文獻(xiàn)l)和Y. Martin等的"Optical data storage read out at 256 Gbits/in2" ， Appl. Phys. Lett.， 71(1), 1997 (非專利文獻(xiàn)2))。
還提出了一種如下的技術(shù)提供以跳帽(shot-key)方式接合在半導(dǎo)體襯底上的散射器；引起表面等離子體并激勵半導(dǎo)體襯底中的載流子，由 此使用散射器作為近場探針(JP-A-2002-368253)。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在非專利文獻(xiàn)1和2中，光學(xué)系統(tǒng)很復(fù)雜。此外，因為檢測信 號被提供有輕微的相差，所以必須利用例如鎖相放大器檢測信號。因此， 這些方法還具有檢測速度(傳輸速度)等方面的問題。
在JP-A-2002-368253中，檢測在跳帽接合部分中激發(fā)的載流子，以找 出在半導(dǎo)體襯底和散射器之間流動的與入射光強(qiáng)度成比例的電流。但是， 沒有描述采用該技術(shù)的具體再現(xiàn)方法。換句話說，沒有關(guān)于如下的建議 如何將記錄在記錄介質(zhì)上的信息(例如由不平的凹陷形成的記錄記號)、 反射率變化等反映在近場光的強(qiáng)度上，從而改變與入射光強(qiáng)度成比例的電 流并再現(xiàn)信號。
因此，期望提供一種新的信號檢測裝置和新的信號檢測方法，其可以 利用近場光再現(xiàn)高密度記錄信息。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種信號檢測裝置，包括半導(dǎo)體襯 底；近場光發(fā)生部分，其設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底上并在與所述半導(dǎo)體襯底 的界面附近產(chǎn)生近場光；光源，其輸出具有與所述半導(dǎo)體襯底的材料的帶 隙能量的約一半大的光子能量對應(yīng)的波長的光；以及電流檢測單元，其檢 測在所述近場光被產(chǎn)生時在所述半導(dǎo)體襯底中產(chǎn)生的光電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種信號檢測方法，其中，使得 設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上的近場光發(fā)生部分面對具有記錄部分的記錄介質(zhì)并相 對于該記錄介質(zhì)行進(jìn)，所述記錄部分的介電常數(shù)根據(jù)記錄信息而改變。將 具有對應(yīng)于所述半導(dǎo)體襯底的材料的帶隙能量的約一半大的光子能量的波 長的光照射在所述近場光發(fā)生部分上，以在所述近場光發(fā)生部分和所述半 導(dǎo)體襯底之間的界面附近產(chǎn)生近場光。使所述記錄介質(zhì)的、介電常數(shù)變化 的所述記錄部分的表面與所述近場光發(fā)生部分相互作用，以改變所述半導(dǎo) 體襯底中的近場光強(qiáng)度。檢測由所述半導(dǎo)體襯底中所述近場光的雙光子吸 收激發(fā)的光電流的變化，以檢測所述記錄介質(zhì)的所述記錄信息。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種記錄介質(zhì)，其中，對應(yīng)于記 錄信息的信號由上述信號檢測方法來檢測。記錄介質(zhì)包括由介電常數(shù)根據(jù) 記錄信息而改變的材料制成的記錄部分。在設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中的近場光 發(fā)生部分被面對所述記錄部分并相對于該記錄部分行進(jìn)的狀態(tài)下，將具有 與所述半導(dǎo)體襯底的材料的帶隙能量的約一半大的光子能量對應(yīng)的波長的 光照射在所述近場光發(fā)生部分上。當(dāng)光被照射時，在所述近場光發(fā)生部分 與所述半導(dǎo)體襯底之間的界面附近產(chǎn)生的近場光的強(qiáng)度根據(jù)所述記錄部分 的介電常數(shù)的變化而改變。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實施例的信號檢測裝置和信號檢測方法中， 在半導(dǎo)體襯底上設(shè)置近場光發(fā)生部分，并在近場光發(fā)生部分上照射光，所 述光具有的波長對應(yīng)于半導(dǎo)體襯底的材料的帶隙能量的約一半大的光子能
當(dāng)光被照射時，通過近場光產(chǎn)生了在近場光發(fā)生部分與半導(dǎo)體襯底之 間的界面附近光密度(能量密度)足夠高的狀態(tài)，從而在具有高能量密度 的區(qū)域中發(fā)生雙光子吸收現(xiàn)象，并且隨著產(chǎn)生電子和空穴對而產(chǎn)生光電 流。
另一方面，近場光發(fā)生部分被面對具有介電常數(shù)根據(jù)記錄信息改變的 記錄部分的記錄介質(zhì)并相對于該記錄介質(zhì)行進(jìn)。于是，因為介電常數(shù)變化 的記錄部分的表面與近場光發(fā)生部分相互作用，所以半導(dǎo)體襯底中的近場 光強(qiáng)度變化。由雙光子吸收激發(fā)的光電流也根據(jù)該變化而改變。
因此，可以通過檢測在半導(dǎo)體襯底中產(chǎn)生的光電流的變化，來檢測對 應(yīng)于記錄在記錄介質(zhì)上記錄信息的信號。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以利用近場光再現(xiàn)以高密度記錄的信息信號。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的信號檢測裝置的主要部分的放大剖視
圖2A-2C是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的信號檢測裝置的主要部分的放大俯視圖3是用于解釋入射光能量和帶隙能量之間的關(guān)系的圖線； 圖4是根據(jù)第一實施例的信號檢測裝置的示意圖5A-5D是用于解釋根據(jù)第一實施例的信號檢測方法的視圖6是用于根據(jù)本發(fā)明第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視
圖7是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖8A-8E是示出了制造用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介
質(zhì)的方法的制造工藝圖9是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖； 圖IO是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖； 圖11A-11F是示出了制造用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄
介質(zhì)的方法的制造工藝圖12A-12E是示出了制造用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄
介質(zhì)的方法的制造工藝圖13是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖； 圖14是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖； 圖15是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖； 圖16A-16F是示出了制造用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄
介質(zhì)的方法的制造工藝圖17是用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄介質(zhì)的剖視圖； 圖18A-18C是示出了制造用于根據(jù)第二實施例的信號檢測方法的記錄
介質(zhì)的方法的制造工藝圖19A和19B是在近場光通過天線被照射在記錄介質(zhì)上的情況下通過
分析溫度分布得到的結(jié)果的圖線；
圖20是在記錄部分由顆粒形成的情況下和當(dāng)記錄部分由連續(xù)的膜形 成時通過分析溫度分布得到的結(jié)果的圖線；
圖21是用于解釋記錄顆粒的高寬比的視圖；析場增強(qiáng)程度得到的結(jié)果的圖線；
圖23是在記錄顆粒的寬度被固定并且其高度被改變的情況下通過分 析記錄顆粒的下部中的場增強(qiáng)的變化率得到的結(jié)果的圖線；
圖24是在記錄顆粒的寬度被固定并且其高度被改變的情況下通過分 析天線末端處的場增強(qiáng)的變化率得到的結(jié)果的圖線。
具體實施例方式
下面將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明不限于這些 實施例。實施例以下面的次序進(jìn)行說明
1. 第一實施例[信號檢測裝置的構(gòu)造]
(1) 近場光發(fā)生部分的構(gòu)造
(2) 近場光發(fā)生部分和電極的材料和結(jié)構(gòu)
(3) 近場光發(fā)生部分和電極的平面構(gòu)造
(4) 半導(dǎo)體襯底的材料
(5) 光源
(6) 信號檢測裝置的構(gòu)造
(7) 信號檢測裝置的操作(信號檢測方法)
2. 第二實施例[記錄介質(zhì)的構(gòu)造]
(1) 記錄介質(zhì)的第一構(gòu)造實例(記錄顆粒被布置在柱狀結(jié)構(gòu)上的實
例)
(2) 記錄介質(zhì)的第二構(gòu)造實例(記錄顆粒被布置在由不同于襯底的 材料制成的柱狀結(jié)構(gòu)上的實例)
(3) 記錄介質(zhì)的第三構(gòu)造實例(記錄顆粒被布置在凹部中的實例)
(4) 記錄介質(zhì)的第四構(gòu)造實例(與襯底和記錄顆粒不同的材料被布 置在凹部中的實例)
(5) 記錄顆粒形狀的分析實例
1.第一實施例[信號檢測裝置的構(gòu)造] (1)近場光發(fā)生部分的構(gòu)造圖1是用于解釋根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的信號檢測方法的視圖，并 且是根據(jù)該實施例的信號檢測裝置的主要部分的示意性放大圖。在圖1 中，設(shè)置在信號檢測裝置的半導(dǎo)體襯底3上的近場光發(fā)生部分1與記錄介
質(zhì)100的記錄部分103相對。近場光發(fā)生部分1和電極2被形成在半導(dǎo)體 襯底3上。電流檢測單元4與電極2連接。入射光Li從沒有示出的光源照 射。在近場光發(fā)生部分1的一端處的近場光發(fā)生位置ln中產(chǎn)生近場光。 照射入射光Li,使得其電場振動方向(oscillation direction) P與近場光發(fā) 生部分1中后敘的預(yù)定方向一致。因此，可以增大近場光強(qiáng)度。記錄介質(zhì) 100的構(gòu)造將在后面解釋。
(2)近場光發(fā)生部分和電極的材料和布置
作為近場光發(fā)生部分1，可以使用散射器，該散射器中，通過入射光 Li由表面等離子體的作用產(chǎn)生近場光，即所謂的天線(等離子體天線)。 作為散射器的材料，可以使用包含例如Pt、 Mg、 Au、 Ag和Al中的任何 一種的材料或者使用Pt、 Mg、 Au、 Ag和Al中的任何一種。近場光發(fā)生 部分1只需被布置在面對半導(dǎo)體襯底3的表面的位置，以便充分地獲得與 記錄介質(zhì)100的相互作用。近場光發(fā)生部分1更理想地被布置成從表面突 起的形狀或其至少一部分從表面暴露的形狀。
電極2只需由導(dǎo)電材料制成。電極2可以由與近場光發(fā)生部分1相同 的材料或者與近場光發(fā)生部分1不同的材料制成。在圖示實施例中，電極 2形成在近場光發(fā)生部分1附近。然而，電極2可以被形成在其它位置， 只要在這些位置可以檢測在半導(dǎo)體襯底3中產(chǎn)生的光電流。例如，電極2 可以被形成為延伸到半導(dǎo)體襯底3內(nèi)部而不阻礙半導(dǎo)體襯底3中的入射光 的傳播的形狀。具體地，電極2可以被形成為這樣的形狀該形狀的一部 分延伸到近場光發(fā)生位置ln附近。
為了防止由于與記錄介質(zhì)100的碰撞等造成的損傷，例如，由多孔材 料或類似物制成的墊可以被設(shè)置在近場光發(fā)生部分1周圍(或為了保護(hù)電 極2而設(shè)置在電極2的周圍)，或者可以用電介質(zhì)層覆蓋電極2。此外， 具有開口的光阻膜或類似物可以被設(shè)置在半導(dǎo)體襯底3的后表面的光入射側(cè)，該開口的形狀不干涉入射光Li的有效直徑。
(3) 近場光發(fā)生部分和電極的平面構(gòu)造
下面參考圖2A-2C說明近場光發(fā)生部分1和電極2的平面構(gòu)造。在圖 2A-2C所示的實例中，近場光發(fā)生部分1被形成為大體上平面三角形形 狀。然而，近場光發(fā)生部分1的形狀不限于此。近場光發(fā)生部分1可以被 形成為各種形狀，諸如條形形狀和在一端變尖而在另一端以扇形增寬的形 狀。在此情況下，理想的是，將近場光發(fā)生部分1加工為錐形尖銳形狀， 從而在作為入射光Li的中心位置的一個端部(圖2A所示的實例中的一個 頂點)發(fā)生由于等離子體共振導(dǎo)致的能量集中。這可以提高所產(chǎn)生的近場 光強(qiáng)度。理想的是，將該端部較之其它區(qū)域更尖銳地形成在近場光發(fā)生位 置ln。朝向與該端部相反側(cè)的方向被設(shè)為沿入射光Li的電場振動方向p
(縱向)的方向。根據(jù)產(chǎn)生表面等離子體的條件來選擇沿此方向的長度。 通過采用這樣的構(gòu)造，可以進(jìn)一步增大近場光強(qiáng)度。
在圖2A所示的實例中，電極2被形成為平面方形形狀。然而，電極2 可以被形成為與近場光發(fā)生部分1相同的三角形形狀。或者，如圖2B所 示，電極2可以被形成為在端部處倒圓角的條形形狀。類似地，如在圖2B 中所示的實例所指明的，近場光發(fā)生部分1可以被形成為在頂點被倒圓角 的三角形形狀。此外，例如，近場光發(fā)生部分1可以被布置成使得三角形 的頂點彼此相對?；蛘撸鐖D2C所示，在電極2中可以設(shè)置沿入射光Li 的電場振動方向延伸的部分。簡而言之，電極2的平面形狀可以是各種形 狀，只要近場光發(fā)生位置ln中的近場光強(qiáng)度被增強(qiáng)。如上所說明的，可 以設(shè)置延伸到半導(dǎo)體襯底3內(nèi)部的部分，只要該部分不阻礙半導(dǎo)體襯底3 中的入射光的傳播。
(4) 半導(dǎo)體襯底的材料
作為半導(dǎo)體襯底3的材料，使用對于光源的波長來說具有足夠透明性 的材料。半導(dǎo)體襯底3由帶隙為照射在近場光發(fā)生部分1上的入射光Li的 光子能量的約2倍大的材料制成。換句話說，半導(dǎo)體襯底3的材料被選擇為使得照射在近場光發(fā)生部分1上的入射光Li的光子能量約為該材料的帶
隙能量的一半大。此外，半導(dǎo)體襯底3的材料還被選擇為使得入射光Li的 光子能量等于或小于材料的帶隙能量。
如圖3所示意性示出的，半導(dǎo)體襯底3中的價帶81和導(dǎo)帶82之間的 能隙被表示為Eg。假設(shè)光源的發(fā)射光包括處于一波長帶中(即光子能量 Ein)的光。在此情況下，理想的是，選擇光源和半導(dǎo)體襯底3，以滿足條 件Ein S Eg S 2Ein。換句話說，如果使用由滿足條件Eg S 2Ein的材料制成 的半導(dǎo)體襯底3，可以利用雙光子吸收現(xiàn)象。此外，如果使用滿足條件Ein 《Eg的半導(dǎo)體襯底3，則不會發(fā)生單光子吸收，并且在入射光Li的光斑中 可以僅僅在具有高能量密度的非常小的區(qū)域中產(chǎn)生光電流。可以確定地產(chǎn) 生高密度。
作為波長和光子能量的轉(zhuǎn)換，當(dāng)普朗克常數(shù)被表示為h，光速被表示 為c，電荷被表示為e，波長被表示為入時，波長和光子能量根據(jù)下式進(jìn)行 近似轉(zhuǎn)換
E[eV]=h[ Js] xc[m/s腦m] xe[C])= 12德[nm]
作為半導(dǎo)體襯底3的材料，理想的是選擇SiC, A1P， ZnO, ZnS， ZnSe, GaN, andTi02中的任意一種。這些材料的帶隙如下 SiC: 3.0 eV A1P: 2.5 eV ZnO: 3.2 eV ZnS: 3.6 eV ZnSe: 2.6 eV GaN: 3.4 eV Ti02: 3.0 eV
光子等量為在此帶隙范圍內(nèi)的帶隙能量的約一半大并等于或小于該帶 隙能量的波長帶為344 nm到992 nm。在此范圍內(nèi)的波長滿足上面所指明 的波長條件。換句話說，如果使用在此波長范圍中的光源，可以使用上面
ii所指明的半導(dǎo)體材料。
例如，使用中心波長為400 nm的光源，光源的光子能量被轉(zhuǎn)換為約 3.1 eV。因此，當(dāng)這些材料中具有最大帶隙的ZnS被用作半導(dǎo)體襯底3的 材料時，光子能量等于或大于帶隙能量的一半，并且等于或小于帶隙能 量。當(dāng)GaN被用作半導(dǎo)體襯底3時，帶隙能量為3.4eV。這也滿足如下條 件光子能量等于或大于帶隙能量的一半，并且等于或小于帶隙能量。
(5)光源的類型和布置
作為將光Li經(jīng)由半導(dǎo)體襯底3照射在近場光發(fā)生部分1上的光源(沒 有示出)，使用這樣的光源該光源的發(fā)射光包括具有下面指明的波長的 光。首先，當(dāng)發(fā)射光在其電場振動方向p設(shè)定在近場光發(fā)生部分1的預(yù)定 方向上的情況下被照射時，波長被選擇來匹配近場光發(fā)生部分1的形狀和 材料，從而導(dǎo)致等離子體共振。根據(jù)上面指明的半導(dǎo)體襯底3的材料，按 如下選擇發(fā)射光的波長帶。
當(dāng)半導(dǎo)體襯底材料SiC, A1P, ZnO, ZnS, ZnSe, GaN和Ti02被使用時可 以應(yīng)用的光源只需是如下的光源發(fā)射光包括具有等于或大于344nm并等 于或小于992 nm的波長帶中的任一波長或具有預(yù)定范圍內(nèi)的波長的光。 例如，當(dāng)ZnS (其帶隙為3.6 eV)被用作半導(dǎo)體襯底3的材料時，在發(fā)射 光的中心波長為340 nm的光源中，如果在發(fā)射光中在一定程度上包括波 長等于或大于344nm的光，則可以使用該光源。
類似地，例如，當(dāng)A1P (其帶隙為2.5 eV)被用作半導(dǎo)體襯底3的材 料時，如果在發(fā)射光的中心波長為1000 nm的光源中，在發(fā)射光中在一定 程度上包括波長等于或小于992 nm的光，則可以使用該光源。因此，當(dāng) 使用所述半導(dǎo)體襯底材料時，可以使用發(fā)射光的中心波長等于或大于340 nm并等于或小于1000nm的光源。
作為光源的類型，可以使用各種光源，諸如半導(dǎo)體激光器、固態(tài)激光 器、氣體激光器和通過波長轉(zhuǎn)換得到的二次諧波和三次諧波。
光入射方向不限于圖1所示的從半導(dǎo)體襯底3那側(cè)的方向?？梢允构?從近場光發(fā)生部分1的表面那側(cè)入射。光可以被沿著半導(dǎo)體襯底3的表面從側(cè)向照射，從斜向等照射，或者可以從這些方向中的兩個或更多個方向 照射。
(6) 信號檢測裝置的構(gòu)造
圖4示出了與盤狀記錄介質(zhì)IOO相對的、根據(jù)本實施例的信號檢測裝 置50的示意圖。記錄介質(zhì)100不限于盤狀記錄介質(zhì)，并且可以是例如卡 式記錄介質(zhì)。在此實例中，如圖4所示，記錄介質(zhì)IOO包括處于襯底101 上的記錄部分103，其中信號根據(jù)介電常數(shù)的變化而被記錄在記錄部分 103中。記錄介質(zhì)100被固定到支撐部分21并由其支撐，所述支撐部分21 由驅(qū)動單元20 (諸如主軸電機(jī))旋轉(zhuǎn)，并且所述記錄介質(zhì)IOO以交替長短 線狀的虛線C為中心軸線旋轉(zhuǎn)。
信號檢測裝置50的近場光發(fā)生部分1被布置在記錄介質(zhì)100的記錄部 分103的附近并與之相對。雖然圖中沒有示出，但是半導(dǎo)體襯底3 (近場 光發(fā)生部分1和電極2被形成在其上)被雙軸或三軸致動器或類似物支 撐，并且在啟動過程中由控制系統(tǒng)(沒有示出)布置在記錄部分103的期 望位置的附近并與之相對。電流檢測單元4被設(shè)置在半導(dǎo)體襯底3上的近 場光發(fā)生部分1和電極2之間。檢測單元5檢測由于電流變化導(dǎo)致的信 號。
此外，光學(xué)系統(tǒng)被布置在近場光發(fā)生部分l中，使得入射光Li穿過半 導(dǎo)體襯底3照射。在圖4所示的實例中，光學(xué)系統(tǒng)(諸如準(zhǔn)直透鏡8、偏 光器7和聚光透鏡6)被布置在輸出具有上面指明的波長的光的光源9和 半導(dǎo)體襯底3之間。從光源9發(fā)射的光由準(zhǔn)直透鏡8變?yōu)槠叫泄猓善?器7設(shè)定為預(yù)定的偏振方向，由聚光透鏡6會聚，并從半導(dǎo)體襯底3的后 表面?zhèn)瘸蚪鼒龉獍l(fā)生部分1照射。雖然在圖中沒有示出，但是例如，用 于使得整個信號檢測裝置50可以沿盤狀記錄介質(zhì)100的徑向移動的機(jī)構(gòu) 被設(shè)置在信號檢測裝置50中。近場光發(fā)生部分1被布置成與記錄介質(zhì)100 的記錄區(qū)域的整個表面相對。
(7) 信號檢測裝置的操作(信號檢測方法)作為實例，參考圖1說明用于在根據(jù)本實施例的信號檢測裝置50中 檢測記錄介質(zhì)100的由相變材料制成的記錄部分103中所記錄的信號的操 作。
通過使用由上述材料制成并具有上述構(gòu)造的近場光發(fā)生部分1、半導(dǎo) 體襯底3和光源9，如圖1所示，可以在近場光發(fā)生部分1和半導(dǎo)體襯底3 之間的界面產(chǎn)生近場光。電流檢測單元4可以檢測由雙光子吸收產(chǎn)生的光 電流。下面說明該操作的形式。
假定近場光發(fā)生部分1被形成為由GaN或類似物制成的半導(dǎo)體襯底3 上的由金屬(諸如Au)制成的散射器。例如由與之相同的材料制成的電 極2被形成在半導(dǎo)體襯底3上的分開的位置處。固定的電壓由沒有示出的 電壓施加單元施加在近場光發(fā)生部分1和電極2之間。
記錄介質(zhì)100的記錄部分103的材料只需是根據(jù)介電常數(shù)的變化而記 錄信息的材料。例如，可以使用相變材料，諸如GeSbTe。如圖1所示， 根據(jù)記錄信息預(yù)先通過相變形成記錄區(qū)域103a和非記錄區(qū)域103b。作為 記錄部分103的材料，除了相變材料之外，還可以應(yīng)用介電常數(shù)發(fā)生足夠 變化的材料。此外，如圖1所示，記錄部分103的形狀不限于圖1所述的 平面表面，而可以是各種形狀。不平坦結(jié)構(gòu)等可以存在于記錄部分103 上。這樣的記錄介質(zhì)100的具體構(gòu)造實例將在下面在本發(fā)明的第二實施例 中進(jìn)行詳細(xì)說明。
例如，近場光發(fā)生部分1被布置成與形成有記錄區(qū)域103a和非記錄區(qū) 域103b的記錄介質(zhì)100以約幾納米的距離相對。在此狀態(tài)下，近場光發(fā) 生部分1上的光源9 (諸如半導(dǎo)體激光二極管)從半導(dǎo)體襯底3那側(cè)照射 光。如上所述，因為入射光Li的電場振動方向p和近場光發(fā)生部分1的縱 向被設(shè)為同一方向，并且沿所述縱向的長度等被適當(dāng)選擇，因此產(chǎn)生表面 等離子體。基于表面等離子體的產(chǎn)生，在近場光發(fā)生部分1的一個尖端處 的近場光發(fā)生位置ln附近的、包括半導(dǎo)體襯底3內(nèi)部在內(nèi)的區(qū)域中，產(chǎn) 生近場光Ln。此時，雖然圖中沒有示出，在近場光發(fā)生位置ln的記錄介 質(zhì)100那側(cè)也產(chǎn)生近場光。原則上，記錄操作是可能的。
這樣，在被設(shè)置為與近場光發(fā)生部分1接觸的半導(dǎo)體襯底3中也強(qiáng)烈地產(chǎn)生近場光Ln。如上所述，光源9和半導(dǎo)體襯底3的材料被選擇為使得 在光源9中，發(fā)射光包括具有波長對應(yīng)于半導(dǎo)體襯底3的材料的帶隙的約 一半大的光。例如，當(dāng)半導(dǎo)體襯底3由GaN制成時，帶隙能量為約3.4 eV，與之對應(yīng)的光子能量的波長為365 nm。因此，作為光源9，選擇發(fā)射 光中包括波長近似等于730 nm的光的光源。利用此結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體襯底3 中的具有高能量密度的區(qū)域中發(fā)生雙光子吸收現(xiàn)象。隨著電子和空穴對的 產(chǎn)生而產(chǎn)生光電流。此時，如上所述，因為對應(yīng)于該波長的光子能量等于 或小于帶隙能量?？梢灾饕匕l(fā)生雙光子吸收現(xiàn)象。這樣的電流隨著近場 光強(qiáng)度的變化而合調(diào)地(in tune)波動，并隨著根據(jù)近場光發(fā)生部分1和 記錄部分103的介電常數(shù)的變化之間的相互作用的信號的變化而合調(diào)地變 化。
記錄部分103的記錄區(qū)域103a和非記錄區(qū)域103b的介電常數(shù)是不同 的。因此，根據(jù)記錄介質(zhì)IOO和信號檢測裝置50的相對運(yùn)動，如圖5A示 意性地示出的，在記錄部分103的表面上介電常數(shù)隨時間變化。介電常數(shù) 是作為對于電場的極化響應(yīng)所決定的特性值。因此，在近場光發(fā)生部分1 的記錄介質(zhì)100側(cè)產(chǎn)生的近場光與記錄介質(zhì)100中的極化的相互作用程度 導(dǎo)致近場光發(fā)生部分1和半導(dǎo)體襯底3之間的界面中近場光強(qiáng)度的不同， 從而導(dǎo)致光電流的不同。因為相變材料被用于記錄部分103，所以可以根 據(jù)相變狀態(tài)的變化而局部改變極化狀態(tài)，并且將極化狀態(tài)的變化反映在光 電流的變化上，以檢測信號。因為近場光發(fā)生部分1中的近場光的發(fā)生狀 態(tài)根據(jù)介電常數(shù)的變化而變化，所以如圖5B所示，近場光強(qiáng)度變化。換 句話說，近場光的強(qiáng)度根據(jù)記錄部分103的表面(其介電常數(shù)變化)和近 場光發(fā)生部分1的相互作用而變化。
根據(jù)近場光強(qiáng)度的變化，如圖5C所示，雙光子吸收現(xiàn)象的發(fā)生的瞬 時概率發(fā)生波動。根據(jù)雙光子吸收的瞬時概率(即，與近場光強(qiáng)度合 調(diào))，如圖5D所示，在半導(dǎo)體襯底3中檢測到的電流也改變。
因此，所檢測的電流的變化被轉(zhuǎn)換成反映記錄介質(zhì)100上的記錄區(qū)域 103a和非記錄區(qū)域103b的信號。該信號可以利用近場光被直接檢測。近 場光是在極端局部的區(qū)域中產(chǎn)生的光。因此，可以以等于或小于記錄部分103中的記錄區(qū)域103a和非記錄區(qū)域103b之間的約100 mm的間距讀出非 常小的記錄記號。
如上所述，在根據(jù)本實施例的信號檢測裝置50中，根據(jù)介電常數(shù)的 變化來記錄信息，并且近場光發(fā)生部分1與記錄介質(zhì)IOO相互作用，導(dǎo)致 介電常數(shù)變化。因此，半導(dǎo)體襯底3中的近場光強(qiáng)度變化。具體地，照射 在近場光發(fā)生部分1上的光的波長被選擇，使得光子能量為約半導(dǎo)體襯底 3的材料的帶隙能量的大約一半大并且等于或小于帶隙能量。這使得可以 通過利用雙光子吸收過程以高的分辨率利用近場光檢測高密度的記錄信
2.第二實施例[記錄介質(zhì)的構(gòu)造]
利用根據(jù)第一實施例的信號檢測裝置50，有望通過再現(xiàn)例如相變記錄 介質(zhì)100的記錄信號，提高相變光學(xué)記錄系統(tǒng)的密度，其中，所述相變記 錄介質(zhì)100包括由介電常數(shù)變化的材料制成的記錄部分。在增大相變光學(xué) 記錄系統(tǒng)的密度的實施方式中，根據(jù)下面說明的發(fā)明設(shè)計可以有望提高記 錄和再現(xiàn)特性。
當(dāng)由相變材料制成的連續(xù)的膜被提供作為記錄介質(zhì)100中的記錄部分 103時，記錄記號的尺寸被認(rèn)為依賴于光斑的尺寸。即使在記錄過程中， 當(dāng)采用利用散射器或類似物照射近場光的方法時，在近場光場進(jìn)入相變膜 時近場光場也可能迅速減弱，并且分布區(qū)域可能增寬。結(jié)果，相變膜上溫 度升高到記錄溫度的區(qū)域較之由原始近場光所形成的光斑直徑可能極度增 寬。在此情況下，即使通過使用產(chǎn)生等離子體的散射器(天線)或SIL等 執(zhí)行記錄，也可能難以實現(xiàn)目標(biāo)記錄記號的精細(xì)化。在信號檢測裝置50 進(jìn)行信號檢測的過程中，升溫區(qū)域也被認(rèn)為比光斑直徑寬?？赡茈y以精確 地再現(xiàn)信號。
為了避免這樣的風(fēng)險，在本實施例中，使用如下的記錄介質(zhì)該記錄 介質(zhì)由例如在對于工作波長透明的襯底上以固定間隔規(guī)則排列的記錄顆粒 形成，所述記錄顆粒隨著光或熱發(fā)生相變。工作波長包括記錄過程中所使 用的記錄光的波長。理想的是，工作波長還包括圖4等中所示的信號檢測裝置50中所使用的光源9的發(fā)射光的波長。在再現(xiàn)過程中，利用小于記 錄功率的功率照射光。然而，可以確定地防止由于能量密度的局部集中等 導(dǎo)致的不必要的相變。當(dāng)在記錄和再現(xiàn)中使用不同波長帶的光時，還可以 使用僅對于記錄過程中的光的波長透明的材料。
圖6是根據(jù)第二實施例的記錄介質(zhì)110的示意性剖視圖。記錄介質(zhì) 110通過在襯底111上規(guī)則排列記錄顆粒112形成。記錄顆粒112只需要 例如沿記錄軌方向以固定間隔并且沿橫越記錄軌的方向以不同于或相同于 沿記錄軌方向的間隔的間隔排列在盤狀或卡狀介質(zhì)中。例如，當(dāng)記錄介質(zhì) 110為盤狀介質(zhì)時，記錄顆粒112可以被排列成使間隔沿記錄軌方向在內(nèi) 周側(cè)和外周側(cè)逐漸改變，使得間隔相對于信號記錄或再現(xiàn)過程中的線速度 是固定的。在圖6中，信號檢測裝置50中的近場光發(fā)生部分1被布置成與 記錄介質(zhì)IIO的由記錄顆粒112形成的記錄部分相對，以照射入射光Li。
下面說明規(guī)則排列記錄顆粒112的方法。例如，支撐記錄顆粒112的 襯底111上形成有凹入或柱狀結(jié)構(gòu)襯底，所述凹入或柱狀結(jié)構(gòu)被規(guī)則排 列，并且記錄顆粒112被布置在凹入中或柱狀結(jié)構(gòu)上。通過以此方式形成 記錄介質(zhì)110，在信號檢測裝置50中產(chǎn)生的近場光僅僅被記錄顆粒112吸 收，并且記錄介質(zhì)110的襯底111中的光吸收和發(fā)熱被抑制。
因此，可以使用例如信號檢測裝置50執(zhí)行高密度的記錄和再現(xiàn)。近 場光發(fā)生部分1和記錄介質(zhì)110的記錄顆粒112被布置成以一定的距離間 隔相對，該距離間隔充分小于波長，并且在該距離間隔下發(fā)生足以通過能 量照射來進(jìn)行信息記錄和再現(xiàn)的相互作用。在近場光發(fā)生部分1和記錄顆 粒112以此方式布置的狀態(tài)下，如果通過近場光發(fā)生部分1上的入射光照 射將入射光Li照射在被形成為尖銳形狀的近場光發(fā)生位置ln上，則如上 所述，通過產(chǎn)生表面等離子體而產(chǎn)生近場光。因此，可以選擇性地將能量 照射在被規(guī)則排列并在空間上隔離開的記錄顆粒112上。當(dāng)能量注入是由 于光吸收導(dǎo)致的熱反應(yīng)時，因為記錄顆粒112由對于工作波長足夠透明的 襯底111支撐，所以記錄顆粒112也在熱學(xué)上被隔離開。因此，可以將能 量集中地提供給記錄顆粒112?？梢酝ㄟ^如下來執(zhí)行記錄調(diào)節(jié)入射光Li 的強(qiáng)度，使得照射在記錄顆粒112上的近場光改變到足以執(zhí)行記錄的能量。結(jié)果，可以以高的效率和高的分辨率執(zhí)行與記錄顆粒112的外徑尺寸 對應(yīng)的局部信息記錄。
在同樣的布置狀態(tài)下，如果以不足以執(zhí)行記錄的能量將入射光Li照射 在近場光發(fā)生部分1上，再現(xiàn)還是可以的。近場光發(fā)生位置In中的近場 光強(qiáng)度受到與記錄顆粒112的相變狀態(tài)相關(guān)的相互作用的影響。在信號檢 測裝置50中的半導(dǎo)體襯底3中引起的雙光子吸收的瞬時概率是波動的。 這使得可以再現(xiàn)對應(yīng)于記錄顆粒112中所記錄的相變的信息。在此再現(xiàn)過 程中，如同在記錄過程中一樣，因為記錄顆粒112在空間上與鄰近的記錄 顆粒112隔離開，所以半導(dǎo)體襯底3中的雙光子吸收的瞬時概率不受鄰近 的記錄顆粒112的相變狀態(tài)的影響。
因此，可以防止升溫區(qū)域較之光斑直徑增寬的問題，并且可以實現(xiàn)目 標(biāo)記錄記號的精細(xì)化。換句話說，實現(xiàn)了 1 T比特/平方英寸的表面記錄密 度。
當(dāng)記錄介質(zhì)110的記錄部分由記錄顆粒112形成時，因為可以選擇性 地執(zhí)行記錄顆粒112的加熱，所以光利用效率高。因為在記錄過程中可以 抑制外圍顆粒的加熱，所以記錄串?dāng)_小。此外，因為僅僅需要輸入用于加 熱記錄顆粒112所需的入射光量，所以入射光的必需量小，并且可以保持 低的記錄功率。這也可以減小對于記錄介質(zhì)110的襯底111的熱損傷。
下面說明作為記錄介質(zhì)110的修改的構(gòu)造實例。
(1)記錄介質(zhì)的第一構(gòu)造實例
圖7是作為第一構(gòu)造實例的記錄介質(zhì)120的剖視圖。以預(yù)定間隔規(guī)則 排列的柱狀結(jié)構(gòu)121p被形成在對于工作波長透明的襯底121上。由隨著 光或熱發(fā)生相變的材料制成的記錄顆粒123以預(yù)定間隔分別規(guī)則排列在相 應(yīng)的柱狀結(jié)構(gòu)121p上，以形成記錄部分。
下面說明的方法作為在這樣的柱狀結(jié)構(gòu)121p上規(guī)則排列記錄顆粒123 的方法。
首先，如圖8A所示，光刻膠125通過旋涂等方式被施加在對于工作 波長透明的襯底121上。隨后，如圖8B所示，通過掩模(沒有示出)進(jìn)行紫外線照射或電子束照射，以預(yù)定陣列形成曝光區(qū)域125a和非曝光區(qū)域 125b。例如，在顯影之后，形成曝光區(qū)域125a (或非曝光區(qū)域125b，這 取決于光刻膠125的類型)被保留的圖案。從如箭頭el所示的一個方向應(yīng) 用各向異性刻蝕，諸如RIE (反應(yīng)離子刻蝕)，以在襯底121上形成凸起 柱狀結(jié)構(gòu)121p，如圖8D所示。此后，由相變材料制成的記錄材料通過氣 相沉積、濺射等形成在整個表面上。為了在柱狀結(jié)構(gòu)121p上形成隔離的 記錄顆粒123，柱狀結(jié)構(gòu)121p的高度和記錄材料的厚度被選擇，以防止柱 狀結(jié)構(gòu)121p上的記錄顆粒123和形成在柱狀結(jié)構(gòu)121p之間的凹入中的記 錄膜123e彼此接觸。
在此情況下，記錄顆粒123可以被形成為顆粒形狀，諸如球形形狀。 在圖示的實例中，記錄顆粒123被示為大體上圓形形狀。但是，記錄顆粒 123的形狀不限于此。只要記錄顆粒123與鄰近的其他記錄顆粒123分隔 開，記錄顆粒123可以被形成為不規(guī)則的形狀等，諸如截面橢圓形狀。如 果記錄顆粒123的外徑(尤其是在厚度方向上的直徑)被設(shè)為大于柱狀結(jié) 構(gòu)121p的高度，則記錄顆粒123被確定地與柱狀結(jié)構(gòu)121p之間的記錄膜 123e分隔開。如果記錄顆粒123的外徑被形成為等于或大于柱狀結(jié)構(gòu)121p 的寬度(如果柱狀結(jié)構(gòu)121p被形成為圓柱狀，則是其直徑)，則記錄顆 粒123的體積被保證，同時記錄顆粒123彼此分隔開。換句話說，可以提 高對于近場光和相變材料的耦合有貢獻(xiàn)的極化的量，同時保持記錄密度的 分辨率。因此，可以充分改變介電常數(shù)，并且提高信號檢測精確性。
可以使用例如具有納米尺度(約100nm或更小的間距，并且理想地， 20 nm到50nm)的凹入或凸起的壓印模，來代替直至圖8C所示的各向異 性刻蝕的應(yīng)用的步驟。在此情況下，可以通過壓印模的壓制以壓印工藝制 造具有凹入或柱狀結(jié)構(gòu)的襯底。通過納米壓印工藝可以提高產(chǎn)量。
(2)記錄介質(zhì)的第二構(gòu)造實例
圖9是作為第二構(gòu)造實例的記錄介質(zhì)130的剖視圖。在此情況下，如 上面的情形一樣，例如以預(yù)定間隔規(guī)則排列并由不同于襯底131的材料制 成的柱狀結(jié)構(gòu)132被形成在對于工作波長透明的襯底131上。記錄顆粒
19133被形成在柱狀結(jié)構(gòu)132上。
柱狀結(jié)構(gòu)132可以由對于工作波長引起等離子體共振的金屬物質(zhì)制 成。利用這樣的構(gòu)造，可以預(yù)計利于由相變材料制成的記錄顆粒133和近 場光發(fā)生部分1的更強(qiáng)的耦合。具體地，例如可以使用Mg、 Pt、 Au、 Ag 和Al中的任何一種。
如圖10所示，作為設(shè)置在記錄介質(zhì)140的襯底141上的柱狀結(jié)構(gòu) 142，可以使用介電常數(shù)不同于襯底141、并且對于工作波長足夠透明的材 料。例如，通過選擇折射率小于襯底141的折射率的材料作為柱狀結(jié)構(gòu) 142，可以根據(jù)柱狀結(jié)構(gòu)142中的陷光效應(yīng)高效地促進(jìn)由相變材料制成的 記錄顆粒143的能量注入。
下面作為實例說明設(shè)置這樣的由不同于襯底的材料制成的柱狀結(jié)構(gòu) 132或142并且在柱狀結(jié)構(gòu)132或142上排列和形成記錄顆粒133或143
的方法。
例如，如圖11A-11F所示，通過濺射等在對于工作波長透明的襯底 131上形成金屬(或電介質(zhì))層132L。此后，如圖IIB所示，光刻膠135 通過旋涂等被施加在金屬層132L上。如圖IIC所示，通過掩模(沒有示 出)進(jìn)行紫外線照射或電子束照射執(zhí)行曝光，從而以預(yù)定陣列形成曝光區(qū) 域135a和非曝光區(qū)域135b。在顯影之后，如圖11D的箭頭e2所示，從上 應(yīng)用各向異性刻蝕，諸如RIE。結(jié)果，如圖IIE所示，形成由金屬(或電 介質(zhì))制成的柱狀結(jié)構(gòu)132。此后，如圖IIF所示，通過氣相沉積等形成 記錄材料。記錄材料的厚度被選擇為小于柱狀結(jié)構(gòu)132的高度。這樣，形 成在柱狀結(jié)構(gòu)132之間的記錄膜133e和柱狀結(jié)構(gòu)132上的記錄顆粒133不 會彼此接觸，并被分隔開。隔離的記錄顆粒133可以被形成在柱狀結(jié)構(gòu) 132上。如在第一構(gòu)造實例中一樣，理想的是形成記錄顆粒133，使得記 錄顆粒133的外徑等于或大于柱狀結(jié)構(gòu)132的寬度。通過以此方式形成記 錄顆粒133，記錄顆粒133的體積被保證?？梢蕴岣邔τ诮鼒龉夂拖嘧儾?料的耦合有貢獻(xiàn)的極化的量，同時保持記錄密度的分辨率。因此，可以充 分改變介電常數(shù)，并且提高信號檢測精確性。
也可以使用圖12A-12E所示的制造工藝。在此情況下，如圖12A所示，光刻膠145通過旋涂等被施加在對于工作波長透明的襯底141上。接 著，如圖12B所示，通過掩模(沒有示出)進(jìn)行紫外線照射或電子束照 射，以預(yù)定陣列形成曝光區(qū)域145a和非曝光區(qū)域145b。在執(zhí)行顯影并留 下例如圖12C所示的曝光區(qū)域145a之后，如圖12D所示，形成電介質(zhì) (或金屬)材料作為柱狀結(jié)構(gòu)，接著，形成由相變材料制成的記錄材料。 曝光區(qū)域145a的厚度和相應(yīng)的各材料的厚度被選擇，使得曝光區(qū)域145a 之間由電介質(zhì)(或金屬)材料制成的柱狀結(jié)構(gòu)142和記錄顆粒143與曝光 區(qū)域145a上的電介質(zhì)(或金屬)膜142e和記錄膜143e分隔開。此后，通 過應(yīng)用剝離工藝，如圖12E所示，記錄顆粒143可以以預(yù)定陣列形成在柱 狀結(jié)構(gòu)142上。
(3)記錄介質(zhì)的第三構(gòu)造實例
圖13是作為第三構(gòu)造實例的記錄介質(zhì)150的剖視圖。在此實例中， 凹入151d以預(yù)定間隔排列在對于工作波長透明的襯底151上。記錄顆粒 153被布置在凹入151d的內(nèi)部。因為記錄顆粒153被布置在凹入151d 中，所以記錄顆粒153的外徑與凹入151d的寬度基本相同。換句話說， 可以通過精確地制造凹入151d，來精確地形成記錄顆粒153的外徑。
當(dāng)以此方式將凹入形成在襯底上時，例如，如圖14所示，深度大于 寬度(即具有大的高寬比)的凹入161d可以被形成在襯底161上。深度 方向上的高度大于寬度(即具有大的高寬比)的記錄顆粒163可以被布置 和形成在襯底161內(nèi)部。
此外，如圖15所示，同樣具有大的高寬比的凹入171d可以被形成在 襯底171上，并且基本球形的記錄顆粒173和174可以被形成在襯底171 的內(nèi)部。通過設(shè)定大的凹入161d和171d深度并且使得凹入具有大的高寬 比，可以提高對于近場光和相變材料的耦合有貢獻(xiàn)的極化的量，同時不會 劣化記錄密度的分辨率。可以提高信號檢測精確性。
作為此情況下的制造方法的實例，說明圖14所示的結(jié)構(gòu)的制造實 例。首先，如圖16A所示，光刻膠165通過旋涂等被施加在對于工作波長 透明的襯底161上。雖然圖中沒有示出，但是當(dāng)除記錄顆粒之外的金屬層或電介質(zhì)層被設(shè)置在凹入中時，金屬材料或電介質(zhì)材料可以預(yù)先通過濺射 等來形成，并且光刻膠161可以被形成在金屬材料或電介質(zhì)材料上。如圖
16B所示，通過掩模(沒有示出)進(jìn)行紫外線照射或電子束照射，以預(yù)定 陣列形成曝光區(qū)域165a和非曝光區(qū)域165b。在顯影之后，從如圖16C中 的箭頭e3所示的一個方向應(yīng)用各向異性刻蝕。結(jié)果，如圖16D所示，形 成根據(jù)預(yù)定的規(guī)則排列的凹入161d。此后，通過氣相沉積、濺射等形成由 相變材料制成的記錄材料。通過選擇凹入161d的深度和記錄膜163e的厚 度，使得凹入161d中的記錄顆粒163和形成在凹入161d外部的記錄膜 163e分隔開。此后，如圖16F所示，通過應(yīng)用表面拋光，去除凹入161d 外部的記錄膜163e
如圖13中所示的實例，也可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇凹入的高寬比來形成 大體上球形的記錄顆粒153。如圖15所示，也可以通過將圖16E所示的記 錄膜的膜形成工藝分成兩次或更多次的工藝，將大體上球形的記錄顆粒 173和174形成在層狀的凹入171d中。
(4)記錄介質(zhì)的第四構(gòu)造實例
圖17是作為第四構(gòu)造實例的記錄介質(zhì)180的剖視圖。在此實例中， 以預(yù)定間隔排列的凹入181d被形成在對于工作波長透明的襯底181上。 凹入181d被形成為深度大于寬度的形狀。金屬層182被形成在凹入181d 中，所述金屬層182由例如對于工作波長引起等離子體共振的金屬制成。 由相變材料制成的記錄顆粒183被排列在金屬層182上。電介質(zhì)層184被 形成在凹入181d的頂部。因為金屬層182被設(shè)置在凹入181d的一部分 中，所以可以預(yù)計有利于相變材料制成的記錄顆粒183和近場光發(fā)生部分 l之間的更強(qiáng)的耦合。具體地，例如可以使用Mg、 Pt、 Au、 Ag和Al中的 任何一種。如果折射率不同于襯底181的透明構(gòu)件被布置在凹入181d中 的至少一部分中作為電介質(zhì)層184，還可以預(yù)計，有利于凹入181d中的陷 光效應(yīng)。在此情況下，還可以預(yù)計到透明構(gòu)件作為保護(hù)膜的效果。
在此情況下的制造方法的實例被示于圖18A-18C中。首先，通過與圖 16A-16C中所示的相同的步驟在襯底181上形成預(yù)定陣列的凹入181d。然如圖18B形成金屬材料、記錄材料和電介質(zhì)材 料。如上述的實例一樣，各個材料的厚度和凹入181d的深度被適當(dāng)?shù)剡x 擇，使得凹入181d中的金屬層182、記錄顆粒183和電介質(zhì)層184與凹入 181d上的金屬材料182e、記錄材料183e和電介質(zhì)材料184e被分隔開。此 后，執(zhí)行表面拋光，以去除除了凹入181d之外的其他各個材料，如圖18C 所示。結(jié)果，可以獲得具有圖17所示的構(gòu)造的記錄介質(zhì)180。
除了光刻和納米壓印之外，還可以通過已知的其他各種技術(shù)(諸如陽 極氧化涂敷)來形成襯底181的凹入181d。
(5)記錄顆粒形狀的分析實例
下面說明當(dāng)近場光被照射在通過將記錄顆粒112規(guī)則排列在對于工作 波長足夠透明的襯底111上所形成的記錄介質(zhì)IIO上時執(zhí)行的分析實例。 在此實例中，通過分析利用產(chǎn)生近場光的散射器將能量注入到記錄介質(zhì) 110的記錄顆粒112中而可以以高效率和高分辨率執(zhí)行的記錄來獲得結(jié) 果。在下面說明的分析的實例中，通過引起正常等離子體共振的散射器執(zhí) 行記錄。當(dāng)令人滿意地執(zhí)行記錄時，可以預(yù)計可以利用用于根據(jù)本發(fā)明的 實施例的信號檢測裝置和信號檢測方法的記錄介質(zhì)執(zhí)行令人滿意的再現(xiàn)。 換句話說，理想的是，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的信號檢測裝置和信號檢測 方法中使用具有下述形狀的記錄顆粒的記錄介質(zhì)通過分析，該記錄介質(zhì) 執(zhí)行了令人滿意的記錄。
在下面說明的分析實例中，作為近場光發(fā)生部分，使用如下的形成在 由Si02制成的襯底上的散射器(即所謂的天線)其材料為Au，其平行 于襯底平面的表面為正三角形(頂點處的曲率為10nm，并且邊長為115 nm)，其厚度為30 nm。當(dāng)在光照射過程中正三角形的天線的一個頂點被 設(shè)為入射光中心位置時，天線被布置成使得與該頂點的對邊的垂直的方向 與入射光的偏振方向彼此一致。作為形成近場光斑的條件，從襯底那側(cè)照 射波長為780nm的光，該波長接近此構(gòu)造中的共振條件。
作為記錄介質(zhì)，在由對于照射光足夠光學(xué)透明的Si02制成的襯底上， 規(guī)則排列由與襯底相同的材料制成的柱狀結(jié)構(gòu)。由GeSbTe制成的相變記錄顆粒被布置在柱狀結(jié)構(gòu)上。記錄顆粒的直徑被設(shè)為20 nm，并且柱狀結(jié) 構(gòu)的陣列間距被設(shè)為40 nm。天線和記錄顆粒之間的距離被設(shè)為5 nm。
在這樣的構(gòu)造條件下，由近場光斑到GeSbTe記錄顆粒的能量注入利 用FDTD(時域有限差分)法來計算。對于從晶相到非晶相的相變來說足夠 的能量注入被施加的時刻的熱分布狀態(tài)被示于圖19A和19B中。在圖19A 中，示出了從側(cè)向觀察時記錄介質(zhì)和天線的熱分布圖。在圖19B中，示出 了從上方觀察時記錄介質(zhì)和天線的熱分布圖。柱狀結(jié)構(gòu)121p被形成在由 Si02制成的襯底121上，并且記錄顆粒123被布置在柱狀結(jié)構(gòu)121p上。作 為近場光發(fā)生部分，在由Si02制成的襯底203上設(shè)置由Au制成的天線 201。可以看到在中心處的GeSbTe記錄顆粒123被天線201的末端處的局 部近場光斑選擇性地加熱，而不引起鄰近的GeSbTe顆粒123中的升溫。 最高的可達(dá)溫度為約500 。C。 GeSbTe記錄顆粒123可以達(dá)到本體GeSbTe 的熔融溫度。另一方面，可以看到，如果使得柱狀結(jié)構(gòu)121p和襯底121 (它們是支撐記錄顆粒123的部分)對于工作波長透明，則熱擴(kuò)散被抑 制，僅僅目標(biāo)的單個記錄顆粒123被加熱，并且信息記錄可以被選擇性和 高效地執(zhí)行。
在圖20中示出了指明在該情況下針對GeSbTe記錄顆粒123的熱解析 的圖線。為了比較，在圖中示出了當(dāng)用于近場光發(fā)生的相同天線201被使 用并且厚度為10 nm的均勻的GeSbTe連續(xù)膜被與天線201的上表面平行 地布置在離開該上表面5 nm的位置上時獲得的熱分布計算結(jié)果。在圖20 中，實線al表示當(dāng)記錄顆粒123被布置在柱狀結(jié)構(gòu)121p上時獲得的熱分 布。實線a2表示當(dāng)連續(xù)膜被布置時獲得的熱分布。
在連續(xù)膜的情況下，熱分布的半寬為稍小于100 nm，而相比而言，在 柱狀結(jié)構(gòu)121p中的熱分布的半寬為約30 nm。這是因為發(fā)生了到膜中的熱 擴(kuò)散。在記錄過程中的相變區(qū)域被認(rèn)為增加了。因此，如果相變膜為連續(xù) 膜，可以認(rèn)為難以提高記錄密度，即使是使用局部近場光斑。因此，可以 看到，通過使用對于工作波長透明的柱狀結(jié)構(gòu)121p作為支撐由相變材料 制成的記錄顆粒123的部分，熱擴(kuò)散可以被抑制，并且熱降解性能明顯提 高。當(dāng)對于工作波長足夠透明的材料(例如石英玻璃、SiC、 A1P、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 GaN和Ti02)被用作襯底203，并且天線201的材料是稀有 金屬(例如Pt、 Mg、 Al和Ag)時，獲得相同的結(jié)果。即使當(dāng)天線201的 形狀為橢圓、具有銳角的三角形和具有鈍角的三角形時，通過選擇對于該 構(gòu)造的共振頻率周圍的波長，也獲得等同的效果。
這對于記錄介質(zhì)同樣適用。當(dāng)采用與第一到第四構(gòu)造實例的記錄顆粒 所指明的相同的材料和構(gòu)造時，獲得相同的結(jié)果。從非晶相到晶相的相變 指明了相同的趨勢。
與記錄顆粒123中的溫度變化比和溫度絕對值相比，天線201中的升 溫較小?？梢酝ㄟ^形成冷卻通路或排熱通路(例如，通過設(shè)置與天線201接 觸的由諸如Al的具有高導(dǎo)熱性的物質(zhì)制成的熱沉)，來抑制升溫?？梢灶A(yù) 計，通過設(shè)計天線201和襯底203的形狀、材料、構(gòu)造等，溫度升高和對 于記錄顆粒123的相對溫度可以受到抑制。
不僅在柱狀結(jié)構(gòu)121p中，而且在圖6所示的記錄顆粒112被規(guī)則排列 在襯底lll上情況下和在圖13所示的凹入151d中的嵌入結(jié)構(gòu)的規(guī)則陣列 的情況下都實現(xiàn)了上述效果。
下面說明在由相變材料制成的記錄顆粒被布置在規(guī)則排列的凹入中的 情況下的分析實例。在此分析實例中，如在上述的分析實例一樣，使用包 括Au天線和Si02襯底的近場光發(fā)生部分1。如圖13所示，當(dāng)由GeSbTe 相變材料制成的記錄顆粒153被規(guī)則排列在凹入151d中時，獲得與柱狀 結(jié)構(gòu)的情形中等同的效果。
此外，如圖14所示，通過增大凹入161d的深度并使用高寬比被設(shè)得 較大的相變記錄顆粒163，可以提高對于近場光和相變材料的耦合有貢獻(xiàn) 的極化的量，而不會劣化記錄密度的分辨率。在下面說明的實例中，由 GeSbTe制成的棒狀記錄顆粒163被嵌入圖14所示的規(guī)則排列的凹入161d 中，所述棒狀記錄顆粒163具有固定為20nm的寬度w，如由圖21中所示 的記錄顆粒163的截面所示的。
圖21中所示的高度h被改變，并且分析了在從具有圖19A和19B所 示的分析實例中所說明的形狀的天線201產(chǎn)生近場光的情況下GeSbTe記錄顆粒163的下部中的場強(qiáng)度的變化。分析結(jié)果被示于圖22中。可以看 到，隨著h/w高寬比增大，強(qiáng)度增大到幾乎兩倍。預(yù)計當(dāng)由GeSbTe制成 的記錄顆粒163的hAv高寬比為約10時，場強(qiáng)度接近飽和。這被認(rèn)為是因 為當(dāng)高寬比增大到超過某一程度時，棒狀GeSbTe記錄顆粒163中的極化 相被近場光的照射擾亂，并且極化相的效果被減弱。難以制造高寬比超過 10的記錄顆粒163。因此，理想的是，將記錄顆粒163的h/w高寬比設(shè)為 等于或大于1并且等于或小于10。
在圖23和24中，分別示出了對于GeSbTe記錄顆粒163的下部和Au 天線的末端位置，在下面所限定的相態(tài)中介電常數(shù)的不同導(dǎo)致的場強(qiáng)的變 化率P。 I，w和IamOTph。us分別表示記錄顆粒163的結(jié)晶相和非晶相中的強(qiáng) 度。變化率P由下面的式1表示。
P =
I crystal ， I amorphous
maX( I crystal ， I amorphous )
(1)
如在圖22所示的場強(qiáng)度的情況下一樣，可以看到由GeSbTe記錄顆粒 163的下部中的相態(tài)導(dǎo)致的變化率P與高寬比h/w=l (在h=20的情況下變 化率為0.15)的情況相比最大增大到幾乎兩倍。還可以看到，在Au天線的 末端位置，與h=20的情況下約0.9的變化率相比，變化率P最大增大到超 過兩倍并接近三倍。
因此，可以看到，通過設(shè)定由相變材料制成的記錄顆粒163的高寬比 (h/w)，可以更有效地檢測記錄過程中的相態(tài)變化，而不會劣化分辨 率。
從上面的說明可見，通過使用記錄介質(zhì)160可以以高的分辨率和高的 效率執(zhí)行記錄和再現(xiàn)，其中在所述記錄介質(zhì)160中，具有增大的高寬比的 記錄顆粒163被形成在規(guī)則排列在對于工作波長透明的襯底161中的凹入 161d中。
這樣，通過形成具有大的高寬比h/w的納米尺寸的記錄顆粒163，可以增大與近場光的相互作用相關(guān)的記錄顆粒163中的極化的量。在此情況 下，可以將記錄顆粒163的在面內(nèi)方向上的記錄尺寸保持在比特尺寸，并 且防止分辨率下降。結(jié)果，當(dāng)通過信號檢測裝置50執(zhí)行再現(xiàn)時，可以根 據(jù)記錄介質(zhì)160的狀態(tài)的差異增大近場光發(fā)生部分1和半導(dǎo)體襯底3之間 的界面中的近場光發(fā)生強(qiáng)度。因此，可以精確地再現(xiàn)信號。具體地，從圖 23和24所示的結(jié)果可見，當(dāng)高寬比被增大到接近10同時保持作為記錄記 號尺寸的沿記錄介質(zhì)面內(nèi)方向的記錄顆粒尺寸時，所產(chǎn)生的近場光強(qiáng)度差 異明顯。這可以提高再現(xiàn)信號的檢測效率。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的信號檢測裝置和信號檢測方法 中，通過使用具有上述構(gòu)造的記錄介質(zhì)，可以達(dá)到超過1 T比特/平方英寸 的記錄密度，而這對于目前的相變光記錄系統(tǒng)是難以實現(xiàn)的。換句話說， 可以強(qiáng)化來自包括比特尺寸在10 nm量級的記錄顆粒的相變記錄介質(zhì)的光 再現(xiàn)信號，以及令人滿意地執(zhí)行信號檢測。
本發(fā)明不限于實施例中說明的構(gòu)造。在不偏離本發(fā)明的精神的情況下 可以進(jìn)行各種修改和變化，例如對于將光從光源引導(dǎo)到近場光發(fā)生部分的 光學(xué)系統(tǒng)以及例如近場光發(fā)生部分和電極的形狀。
例如，導(dǎo)致雙光子吸收作用的帶隙能量和波長之間的關(guān)系不限于波長 嚴(yán)格地為帶隙能量的一半的關(guān)系。帶隙能量與波長之間的關(guān)系僅僅需要處 于這樣的范圍在該范圍中，在對于由雙光子吸收過程所獲得的光電流的 檢測中獲得令人滿意地信號輸出和再現(xiàn)特性。
本發(fā)明包括與分別于2008年6月11日和2008年12月26日向日本專 利局遞交的在先日本專利申請JP 2008-153184和JP 2008-334888有關(guān)的主 題，其全部內(nèi)容通過引用而包含于此。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解到，可以想到各種修改、組合、子組合和 替換，這取決于設(shè)計要求和其它因素，只要這些修改、組合、子組合和替 換，在權(quán)利要求的范圍和其等同物內(nèi)即可。
2權(quán)利要求
1.一種信號檢測裝置，包括半導(dǎo)體襯底；近場光發(fā)生部分，其設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底上并在與所述半導(dǎo)體襯底的界面附近產(chǎn)生近場光；光源，其輸出具有與所述半導(dǎo)體襯底的材料的帶隙能量的約一半大的光子能量對應(yīng)的波長的光；以及電流檢測單元，其檢測在所述近場光被產(chǎn)生時在所述半導(dǎo)體襯底中產(chǎn)生的光電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的信號檢測裝置，其中，所述近場光發(fā)生部分是 散射器，所述散射器的縱向處于來自所述光源的光的電場振動方向。
3. 如權(quán)利要求2所述的信號檢測裝置，其中，所述近場光發(fā)生部分是 包含Pt、 Mg、 Au、 Ag和Al中的任何一種或包含Pt、 Mg、 Au、 Ag和Al 中的至少任何一種的散射器。
4. 如權(quán)利要求1所述的信號檢測裝置，其中，所述半導(dǎo)體襯底包含 SiC、 A1P、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 GaN和Ti02中的任何一種。
5. 如權(quán)利要求4所述的信號檢測裝置，其中，所述光源中發(fā)射光包含 波長處于從等于或大于344 nm到等于或小于992 nm的波長帶中的光。
6. —種信號檢測方法，包括如下步驟使得設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上的近場光發(fā)生部分面對具有記錄部分的記錄 介質(zhì)并相對于其行進(jìn)，所述記錄部分的介電常數(shù)根據(jù)記錄信息而改變；將光照射在所述近場光發(fā)生部分上，所述光具有的波長對應(yīng)于所述半 導(dǎo)體襯底的材料的帶隙能量的約一半大的光子能量，以在所述近場光發(fā)生 部分和所述半導(dǎo)體襯底之間的界面附近產(chǎn)生近場光；使所述記錄介質(zhì)的、介電常數(shù)變化的所述記錄部分的表面與所述近場 光發(fā)生部分相互作用，以改變所述半導(dǎo)體襯底中的近場光強(qiáng)度；以及檢測由所述半導(dǎo)體襯底中所述近場光的雙光子吸收激發(fā)的光電流的變 化，以檢測所述記錄介質(zhì)的所述記錄信息。
7. 如權(quán)利要求6所述的信號檢測方法，其中，記錄介質(zhì)包括通過將由 隨著光或熱發(fā)生相變的材料制成的記錄顆粒規(guī)則排列在對于工作波長透明 的襯底上所形成的記錄部分。
8. 如權(quán)利要求7所述的信號檢測方法，其中，所述記錄顆粒被嵌入規(guī) 則排列在所述襯底上的凹入中。
9. 如權(quán)利要求8所述的信號檢測方法，其中，所述凹入的直徑與所述 記錄顆粒的外徑基本相同。
10. 如權(quán)利要求6所述的信號檢測方法，其中，由不同于所述襯底的 材料制成的電介質(zhì)層或金屬層被形成在所述記錄顆粒的下部。
11. 如權(quán)利要求8所述的信號檢測方法，其中，所述凹入的高寬比為 等于或大于1并且等于或小于10。
12. 如權(quán)利要求7所述的信號檢測方法，其中，所述記錄顆粒被布置 在形成在所述襯底上的柱狀結(jié)構(gòu)上。
13. 如權(quán)利要求12所述的信號檢測方法，其中，所述柱狀結(jié)構(gòu)的高度 大于所述記錄顆粒的外徑。
14. 如權(quán)利要求12所述的信號檢測方法，其中，所述柱狀結(jié)構(gòu)的一部 分包含Mg、 Pt、 Au、 Ag和Al中的任何一種。
15. —種記錄介質(zhì)，包括由介電常數(shù)根據(jù)記錄信息而改變的材料制成 的記錄部分，其中，當(dāng)在設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中的近場光發(fā)生部分被面對所 述記錄部分并相對于其行進(jìn)的狀態(tài)下將具有與所述半導(dǎo)體襯底的材料的帶 隙能量的約一半大的光子能量對應(yīng)的波長的光照射在所述近場光發(fā)生部分 上時，所述記錄部分根據(jù)所述記錄部分的介電常數(shù)的變化，改變在所述近 場光發(fā)生部分與所述半導(dǎo)體襯底之間的界面附近產(chǎn)生的近場光的強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及信號檢測裝置和信號檢測方法。一種信號檢測裝置包括半導(dǎo)體襯底；近場光發(fā)生部分，其設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底上并在與所述半導(dǎo)體襯底的界面附近產(chǎn)生近場光；光源，其輸出具有對應(yīng)于所述半導(dǎo)體襯底的材料的帶隙能量的約一半大的光子能量的波長的光；以及電流檢測單元，其檢測在所述近場光被產(chǎn)生時在所述半導(dǎo)體襯底中產(chǎn)生的光電流。
文檔編號G11B7/00GK101635147SQ20091014558
公開日2010年1月27日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
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