JPS61227242A - 記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野〕 この発明は、半導体基板上に第１の絶縁膜を介して電荷
蓄積用の第２の絶縁膜を形成して構成された記録媒体に
係り、特に記録、消去性能の向上と同時に再生感度向上
を図った記録媒体の構造に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

記録媒体、特にディスク型媒体には従来、磁気ディスク
、光学式ディスクおよび静電容量式ディスク等がある。

これらのうち磁気ディスクは記録。

再生、消去が任意に行なえる反面、トラック幅が広くな
いと十分な再生出力が得られないため、記録密度が低い
欠点がある。光学式ディスクや静電容量式ディスクは、
磁気ディスクよりはるかに高い記録密度を持つが、記録
された信号の消去および再記録が難しいという問題があ
る。

これに対し、ＭＮＯＳメモリの原理を利用した記録媒体
を用いる記録再生装置が提案されている。

これは半導体基板上に薄い第１の絶縁膜を形成し、その
上に電荷蓄積用の第２の絶縁膜を形成した構造の記録媒
体を用い、この記録媒体上を相対的に移動する記録電極
を介して記録媒体に記録信号電圧を印加することにより
、第２の絶縁膜中に所定極性の電荷を蓄積して信号を記
録し、再生は第２の絶縁膜中の蓄積電荷に対応して半導
体基板内に生じる空乏層の変化による静電容量の変化を
検出して行なうものである。この方式の記録再生＠置は
、微小な記録電極を用いて＾密度の記録が可能であり、
再生も静電容量式ディスクと同様の原理を利用するため
高出力の再生信号を得ることができ、しかも記録された
信号の消去も記録信号電圧と逆極性の電圧を記録媒体に
印加する等の電気的手段により開型にでき、従って再記
録も可能であるといった優れた特長を持っている。

しかしながら、この方式の装置では記録媒体の記録・消
去性能（記録・消去のし易さ）を＾めようとすると再生
出力が低下し、逆に再生出力を高めようとすると、記録
・消去性能が低下するという問題があった。すなわち、
記録・消去性能は記録媒体における半導体基板の不純物
濃度が高いほど良好となるが、不純物濃度が高いと空乏
層ができにくくなり、空乏層の変化による静電容量変化
に依存する再生出力が低下するのである。

一方、この種の記録再生装置において、特願昭５５−１
６８５８６号に記載されているように、半導体基板を不
純物濃度の高い第１ｍ１（低抵抗層）の上に不純物濃度
の低い第２層（高抵抗層）を積層した２層構造とした記
録媒体が提案されている。

この構造の記録媒体では、半導体基板内の空乏層が形成
される表面部分（第２層）の不純物濃度が低いため空乏
層ができ易くなり、またそれ以外の部分（第１層）の不
純物濃度が高いため、半導体基板全体を一様に低不純物
濃度とした場合と比較して基板抵抗が小さくなり記録性
能が向上する。

また、記録信号電圧とは逆極性の消去電圧の印加による
消去も、消去電圧の印加時に生じる空乏層厚が小さく抑
えられることで容易に行なうことができると考えられる
。

ところが、このように半導体基板を２層構造とした場合
、各層の厚さの関係をいかに選ぶかが重要となる。例え
ば第１層の厚さが大きすぎ、第２層の厚さが小さすぎる
と、再生出力が低下する方向となるし、逆に第２層の厚
さが大きすぎれば、記録・消去性能が低下する方向とな
るので、その兼合いが大きな問題となる。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、２層構造とした半導体基板上に第１
．第２の絶縁膜を形成した記録媒体であって、゛記録・
消去性能の向上と再生出力の増大を同時に満たす上で最
適な構造を有した記録媒体を提供することにある。

〔発明の概要〕

この発明は上記目的を達成するため、半導体基板上に第
１の絶縁膜を形成し、その上に電荷蓄積用の第２の絶縁
膜を形成して構成され、その上を相対的に移動する記録
電極を介して記録信号電圧が印加されることにより第２
の絶縁膜中に電荷を蓄積し、この第２の記録膜中に蓄積
された電荷に対応して半導体基板内に空乏層を生じるこ
とにより信号を記録する記録媒体において、半導体基板
を第１の半導体層上に該第１の半導体層と同一導電型で
、かつ第１の半導体層より不純物濃度の低い第２の半導
体層を積層して構成し、さらに第２の半導体層の厚さを
該半導体層の不純物濃度で定まる最大空乏層厚とほぼ同
じとしたことを特徴とする。

〔発明の効果〕

この発明による記録媒体では、半導体基板における低不
純物濃度の第２層の厚さがその不純物濃度で定まる最大
空乏層厚とほぼ等しいことにより、再生出力を最大限ま
で高くしながら、半導体基板全体としての基板抵抗が小
さく抑えられるため、記録が容易となり、さらに記録信
号電圧と逆極性の消去電圧の印加に対して空乏層がむや
みに広がることがないため、記録された信号の消去も単
時間で容易に行なうことができるという効果がある。

（発明の実膿例） 図はこの発明の一実施例に係る記録再生装置の構成を示
したものである。図において、記録媒体１は裏面に接地
導体層２が形成された半導体基板３上に、薄い第１の絶
縁膜４を形成し、さらにその上に電荷蓄積用の第２の絶
１！１１５を形成した構造となっている。ここで、半導
体基板３は本実施例ではｎ型不純物を含む単結晶または
多結晶Ｓ’＋からなる第１の半導体層３ａの上に、これ
と同一導電型の第２半導体層３ｂを積層した２層構造の
ものが用いられる。第１の絶縁膜４は例えば熱酸化によ
り形成された厚さ２０人程度のシリコン酸化！！（Ｓｉ
Ｏ２）であ’）、＊　ｔＣＩＩＩ　２　（７）絶１ｔｌ
１５Ｌｔ例えば厚さ数百人程度のシリコン窒化層（Ｓｉ
３Ｎ＋）、あルイハ７Ａｔミｔ　（Ａｆｆｉ２０！　）
、ａＩＩ化タンタル（Ｔａ２０ｓ　）、ａｌ化チタン（
ＴｉＯ２）等をＣＶＤ法等によって形成したものである
。

半導体基板３についてさらに詳しく説明すると、第１の
半導体層３ａは通常の半導体ウェハ製造技術により得ら
れた８１Ｍ板等の出発基板であり、第２の半導体層３ｂ
は出発基板が８１基板の場合であれば、この上に気相エ
ピタキシャル成長あるいは分子線エピタキシャル成長等
のエピタキシャル成長技術により形成される。ここで、
不純物濃度第１の半導体層３ａのそれに対して第２の半
導体層３ｂのそれの方が低くなっている。具体的には、
第１の半導体層３ａの不純物濃度は１０１７／３３以上
が適当であり、また第２の半導体層３ｂの不純物濃度は
１０１３／α３〜１０１７／α３程度が適当である。

そして、第２の半導体層３ｂの厚さは、この半導体層３
ｂの不純物濃度で定まる最大空乏層厚ＷｌａＸとほぼ等
しく設定されている。最大空乏層厚Ｗ　ｗａｘは周知の
ように、不純物濃度に依存して次式で表わされる。

（但し、ε口　：真空誘電率、εＢ二半導体層の比誘電
率、φｆ　：フェルミ単位、ｑ：電子の電荷量。

ＮＤ：ドナー濃度） 次に、この実施例における記録、消去および再生動作に
ついて説明する。

記録媒体１に信号を記録する場合には、サファイアその
他の誘電体からなる針状の電極支持体８の側面に簿く被
着させた記録電極９を記録媒体１上に接触させ、記録媒
体１を例えば回転させることで両者を相対的に移動させ
る。この状態で端子１１から入力されるビデオ信号等の
記録すべき情報信号を変調回路１２により例えばパルス
幅変調した後、パルス増幅器１３により増幅して、半導
体基板３内の多数キャリアと逆極性（この例では正極性
）のパルス状の配録信号電圧１４を生成し、この記録信
号電圧１４を記録電極９に印加する。

このとき記録信号電圧１４の印加された領域では、半導
体基板３内の多数キャリアである電子がトンネル効果に
より第１の絶縁膜４を通過して、第２の絶縁膜５中にト
ラップされ蓄積される。これによって、第２の絶縁１１
５中の蓄積電荷（電子）６の形で信号が記録される。そ
して、この蓄積電荷６のあるａｍでは半導体基板３の表
面部分、すなわち第２の半導体層３ｂ内に空乏層７が発
生する。このようにして記録が行なわれる。

ここで記録性能、つまり記録のし易さという面では、半
導体基板３の不純物濃度が高いほど基板抵抗が低くなっ
て、より低い記録信号電圧１４の印加でトンネル効果が
生じるので、不純物濃度が高いほど優れているが、半導
体基板３全体が高不純物濃度であると再生出力向上の観
点から好ましくない。この点、半導体基板３を上述のよ
うに２層構造とし基板３の多くの部分を占める第１の半
導体層３ａの不純物濃度を高くすれば、再生出力を低下
させることなく記録性能を高めることができる。

なお、この実施例においては記録電極９として先端部、
すなわち記録媒体１側の端部近傍に分断部１０が設けら
れ、これにより１ｐＦ以下程度の微小な静電容量が形成
されている。この静電容量は記録時に記録電極９に流れ
る電流をより抑制するためのものであり、できるだけ先
端部に形成されることが望ましい。これは例えば記録電
極９とパルス増幅器１３の出力端との間にコンデンサを
挿入すると、記録信号電圧１４に対しコンデンサの分担
電圧が大きくなり、記録媒体１に対して記録に十分な電
圧が加わらない結果となるからである。

次に、記録された信号の消去については、記録電極９ま
たは再生電極１６あるいは専用の消去電極を用い、これ
を記録媒体１上に接触させて記録信号電圧１４と逆極性
の消去電圧（この場合は負極性電圧）を印加することに
より、第２の絶縁膜５中の蓄積電荷をトンネル効果によ
り第１の絶縁Ｉ！１４および半導体基板３を通して消失
させればよい。この場合、半導体基板が一様に低不純物
濃度の基板であると、消去電圧の印加時に空乏層が大き
く広がるため、空乏層の静電容量が小さくなって印加さ
れた消去電圧に対して空乏層部分での分担電圧が大とな
り、トンネル効果が生じにくくなる結果、消去に時間が
かかり、必要な消去電圧も大きくなってしまう。これに
対して、この発明による記録媒体１では消去電圧が印加
されたとき、半導体基板３内の空乏層は低不純物濃度で
ある第２の半導体層３ｂの厚さく　”Ｆ　Ｗ　ｌａＸ　
）までしか広がらないので、空乏層での分担電圧が低く
なってトンネル効果に寄与する電圧が相対的に増加する
ことにより、消去に要する時間が短縮され、必要な電圧
も小さくて済む。すなわち、消去性能を高めることがで
きる。

一方、このようにして記録された信号の再生は、空乏層
７の有無あるいは厚み変化に基く記録媒体１の厚さ方向
における静電容量変化を静電客員式ディスクにおける再
生と同様に検出することによって行なう。具体的には記
録電極９と同様に、針状の電極支持体１５の側面に被着
させた再生電橋１６を記録媒体１上に接触させると共に
、再生電極１６にコイル１７を接続して記録媒体１の静
電容量とコイル１７とで共振回路１８を構成することに
より、静電容量の変化を共振回路１８の共振周波数の変
化に変換する。この共振回路１８に高周波光１ｔ！器１
９からの例えば９００ＭＨｚ程度の高周波信号を、コイ
ル１７に結合させたコイル２０を介して注入し、共振回
路１８の出力からＡＭ変調波の形で信号を取出・す。そ
して、この共振回路１８の出力を包絡線検波回路２２に
通し、さらに復調回路２３で例えばＦＭ（ＩＩＩを行な
うことにより、再生出力２４を得る。

このように再生時には、半導体基板３内の空乏ｌＩ！６
の変化に基く記録媒体１の静電容量変化を共振回路１８
の共振周波数の変化に変換するため、空乏層６の広がり
が大きいことが望ましい。その点、上述した記録媒体１
の構造によれば、空乏層６が不純物濃度の低い第２の半
導体層３ｂに形成されるようになっており、しかもこの
半導体層３ｂの厚さが最大空乏層厚Ｗ　ｌ１ａｘと同程
度となっているので、空乏層６は最大限の厚みまで形成
される。従って、再生出力２４として大振幅の信号が得
られる。

ここで、第２の半導体層３ｂの厚さが最大空乏層厚Ｗ　
ｌａＸより大きくなっても、信号の記録による空乏層６
の厚さは最大空乏層厚Ｗ　１ｌａｘ以上には増加しない
。従って、再生出力が増加しないにもかかわらず、半導
体基板３全体としての基板抵抗が増大することにより、
前述した記録・消去性能の面から不利となる。また、第
２の半導体層３ｂの厚さが最大空乏層厚Ｗ　ｌｌ１ａｘ
より小さい場合には、空乏層の厚さは第２の半導体層３
ｂの厚さにより制限され、最大空乏層厚Ｗ　ｍａＸまで
は広がらないので、再生出力向上の面から不利となる。

以上から第２の半導体層３ｂの厚さは、この発明に従い
不純物濃度で決まる最大空乏層厚ＷｍａＸとほぼ等しい
ことが再生出力向上と、記録・消去性能の向上という２
つの相反する要求を同時に満足する上で最も有利という
ことになる。

なお、上記実施例では半導体基板にｎ型基板を使用した
が、ｎ型基板を使用してもよく、その場合は半導体基板
内の多数キャリアがホールであるから、負極性の記録信
号電圧を記録媒体に印加することにより、上記実施例と
同様に記録を行なうことができる。その場合、消去電圧
としては正極性の電圧を用いればよい。その他、この発
明は要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例に係る記録再生装置の構成図で
ある。 １・・・記録媒体、２・・・接地導体層、３・・・半導
体基板、４・・・第１の絶縁膜、５・・・第２の絶縁膜
、６・・・記録信号に暴く蓄積電荷、７・・・空乏層、
９・・・記録′Ｒ１ｆｌ、１０・・・分断部、１４・・
・記録信号電圧、１６・・・再生電極。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に第１の絶縁膜を形成し、その上に
   電荷蓄積用の第２の絶縁膜を形成して構成され、その上
   を相対的に移動する記録電極を介して記録信号電圧が印
   加されることにより前記第２の絶縁膜中に電荷を蓄積し
   、この第２の記録膜中に蓄積された電荷に対応して前記
   半導体基板内に空乏層を生じることにより信号を記録す
   る記録媒体において、前記半導体基板が第１の半導体層
   上に該第１の半導体層と同一導電型で、かつ第１の半導
   体層より不純物濃度の低い第２の半導体層を積層して構
   成され、さらに第２の半導体層の厚さが該半導体層の不
   純物濃度で定まる最大空乏層厚とほぼ同じであることを
   特徴とする記録媒体。
2. （２）前記第１の半導体層の不純物濃度が１０＾１＾６
   個／ｃｍ＾３以上、前記第２の半導体層の不純物濃度が
   １０＾１＾３個／ｃｍ＾３〜１０＾１＾７個／ｃｍ＾３
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の記
   録媒体。
3. （３）前記第１の半導体層が出発基板であり、前記第２
   の半導体層が該出発基板上にエピタキシャル成長より形
   成されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の記録媒体。