專利名稱：基于電流分配的存儲(chǔ)媒體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及2000年12月1日提交的題為“基于二極管、陰極射線電導(dǎo)率和陰極射線發(fā)光的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體的AFM型式”授予GaryGibson申請(qǐng)?zhí)枮?9/726621的美國專利申請(qǐng)；涉及2001年2月15日提交的的題為“用于在掃描探針和存儲(chǔ)媒體之間傳導(dǎo)電流的方法”授予Gary Gibson申請(qǐng)?zhí)枮?9/783008的美國專利申請(qǐng)；涉及授予GaryGibson與本申請(qǐng)同時(shí)提交的題為“用于原子分辨率存儲(chǔ)的存儲(chǔ)裝置的輔助能源”的美國專利申請(qǐng)。這些申請(qǐng)的全部通過引用結(jié)合到本文中。
近來，科學(xué)家一直在開發(fā)備選的超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置和可用于操作超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的技術(shù)。這些裝置和技術(shù)將數(shù)據(jù)比特儲(chǔ)存在納米級(jí)大小的存儲(chǔ)區(qū)中并具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置所沒有的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)中尤其包括對(duì)數(shù)據(jù)比特更快的訪問，每比特更低的成本以及能夠制造更小的電子器件。


圖1示意了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的超高密度存儲(chǔ)裝置配置。該配置中包括被分成許多存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)媒體1。這些存儲(chǔ)區(qū)被示意為存儲(chǔ)媒體1上的正方形，每個(gè)儲(chǔ)存區(qū)能夠儲(chǔ)存一個(gè)數(shù)據(jù)比特。
圖1中示意了兩種類型的儲(chǔ)存區(qū)。一種類似的儲(chǔ)存區(qū)包括一般儲(chǔ)存表示值“0”的數(shù)據(jù)比特的非修改區(qū)2。另一類型包括一般儲(chǔ)存表示值“1”的數(shù)據(jù)比特的修改區(qū)3。任意兩個(gè)儲(chǔ)存區(qū)之間典型的周期性范圍在1和100納米之間。
圖1還從概念上示意了位于存儲(chǔ)媒體1之上的發(fā)射體4，以及發(fā)射體4和存儲(chǔ)媒體1之間的間隙。發(fā)射體4能夠發(fā)射電子束，并被配置在可移動(dòng)發(fā)射體陣列支架5(也被稱為“微移動(dòng)架”)之上，該支架可支持成百上千個(gè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的發(fā)射體4。如發(fā)射體陣列支架5的頂面上的線從概念上說明的，發(fā)射體陣列支架5提供到各發(fā)射體4的電連接。
發(fā)射體陣列支架5可以相對(duì)于存儲(chǔ)媒體1移動(dòng)發(fā)射體4，從而允許各發(fā)射體4掃描存儲(chǔ)媒體1上的許多存儲(chǔ)區(qū)。或者，存儲(chǔ)媒體1可以被放置在相對(duì)于發(fā)射體陣列支架5移動(dòng)存儲(chǔ)媒體1的平臺(tái)上。平臺(tái)的移動(dòng)可以用靜電、磁性或者通過利用壓電方式啟動(dòng)。但是，不論是支架5或是存儲(chǔ)媒體1移動(dòng)，發(fā)射體陣列支架5相對(duì)于存儲(chǔ)媒體1的運(yùn)動(dòng)范圍可以足夠大，從而允許各發(fā)射體4在存儲(chǔ)媒體上移動(dòng)并訪問上萬個(gè)甚至上百萬個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)比特。
隨著發(fā)射體4相對(duì)于存儲(chǔ)媒體1移動(dòng)，發(fā)射體4可以利用高功率密度或低功率密度電子束照射存儲(chǔ)媒體1表面上的納米級(jí)存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)發(fā)射高功率密度射束時(shí)，射束可以局部改變照射區(qū)域的材料特征。例如，高功率密度射束可以在照射區(qū)中產(chǎn)生缺陷，或者可以局部加熱結(jié)晶區(qū)，使得之后該區(qū)域冷卻到同一材料的非晶相。通過這些和其他過程，可以改變照射區(qū)的狀態(tài)(相)，并且發(fā)射體4可以將“1”數(shù)據(jù)比特寫入存儲(chǔ)媒體1。
當(dāng)發(fā)射低功率密度電子束時(shí)，該束不再具有足夠的功率來改變材料特征或者照射區(qū)的狀態(tài)。因此，不發(fā)生寫操作。取而代之，通過監(jiān)視射束中電子的路徑，或者照射區(qū)域上射束中的電子效應(yīng)，可以發(fā)生讀操作。如下所述，監(jiān)視電子的路徑和/或電子與照射區(qū)的相互作用可以確定低功率密度射束是否正照射存儲(chǔ)媒體1的某個(gè)區(qū)域，該區(qū)域先前已被“寫入”并且現(xiàn)在包括“1”數(shù)據(jù)比特。
具體地說，為了確定正在照射的是“1”數(shù)據(jù)比特還是“0”數(shù)據(jù)比特，存在多個(gè)選項(xiàng)。這些選項(xiàng)之一涉及監(jiān)視一段時(shí)間中從照射區(qū)域反向散射的電子束的數(shù)量，其中當(dāng)“1”數(shù)據(jù)比特包括非晶相材料并且“0”數(shù)據(jù)比特包括同一材料的晶相時(shí)，該選項(xiàng)證明是有用的。
因?yàn)橥N材料的非晶相和晶相具有不同的反向散射電子系數(shù)(BEC)，當(dāng)同一低功率密度射束照射各個(gè)數(shù)據(jù)比特時(shí)，存儲(chǔ)媒體1中的“1”和“0”數(shù)據(jù)比特反向散射不同數(shù)量的電子。因此，當(dāng)?shù)凸β拭芏入娮邮丈淠硞€(gè)給定區(qū)域時(shí)，通過監(jiān)視從該區(qū)域反向散射的電子的數(shù)量，有可能確定該區(qū)域包括的是“0”數(shù)據(jù)比特還是“1”數(shù)據(jù)比特。
在授予Gibson等人的美國專利號(hào)No.5557596中公開(Gibson的596)了上述超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的一些特定實(shí)施例，該專利內(nèi)容全部通過引用結(jié)合到本文中。除了論述反向散射電子讀取技術(shù)和涉及將非晶數(shù)據(jù)比特寫入結(jié)晶存儲(chǔ)媒體1中的技術(shù)之外，Gibson的596專利也討論各種其他的寫入和讀取方法。
一種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法包括提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體，通過用高功率密度射束照射存儲(chǔ)媒體來將納米級(jí)數(shù)據(jù)比特寫入第二層，以及通過用低功率密度射束照射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體來讀取數(shù)據(jù)比特，其中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體包括在存儲(chǔ)媒體表面上的第一層以及在第一層和第三層之間的第二層。
圖1示意了根據(jù)相關(guān)技術(shù)的超高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置配置的頂部透視圖。
圖2示意了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的橫斷面視圖。
圖3示意了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體的剖面頂部透視圖。
圖4示意了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的橫斷面視圖，其中的存儲(chǔ)媒體包括兩個(gè)導(dǎo)體層和位于導(dǎo)體層之間的相變層。
圖5示意了圖4中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的橫斷面視圖，其中在相變層中已形成不同于相變層的剩余部分的狀態(tài)的某個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)比特。
圖6示意了包括多個(gè)導(dǎo)體層和多個(gè)相變層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的橫斷面視圖。
圖2還示意了三個(gè)數(shù)據(jù)比特110、111、112。第一個(gè)數(shù)據(jù)比特110包括貫穿第一導(dǎo)體層30和第一絕緣層40的開口或孔。第二個(gè)數(shù)據(jù)比特111包括的孔不僅貫穿第一導(dǎo)體層30和第一絕緣層40，還貫穿第二導(dǎo)體層50、第二絕緣層60、第三導(dǎo)體層70以及第三絕緣層80。第三數(shù)據(jù)比特112的孔貫穿第一導(dǎo)體層30、第一絕緣層40、第二導(dǎo)體層50，以及第二絕緣層60。
圖3示意了根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20的剖面部分的頂部透視圖。如圖所示，代表性的數(shù)據(jù)比特113的孔貫穿多個(gè)導(dǎo)體層30、50、70以及多個(gè)絕緣層40、60、80?？椎慕孛嬷睆揭约皵?shù)據(jù)比特的大小，可以在納米級(jí)或者微米級(jí)，當(dāng)然更大的孔也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖3還示意了一組電流表120，每個(gè)電流表電連接到導(dǎo)體層30、50、70。每個(gè)電流表120可以電浮置，以向其連接的導(dǎo)體層30、50、70提供偏壓，并且允許監(jiān)視從導(dǎo)體層30、50、70流向它所連接的位置的電流量。電流表120可以與本發(fā)明的許多實(shí)施例一起使用。
可以用作圖2和圖3所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體的部分的導(dǎo)體層30、50、70和絕緣層40、60、80、100的數(shù)量沒有上限。但是，本發(fā)明的某些實(shí)施例要求至少出現(xiàn)第一導(dǎo)體層30、第一絕緣層40和第二導(dǎo)體層50。
能源10可以包括光能源、熱能源和/或電子束形式的能源。提供電子束的能源10可以以裝置的形式出現(xiàn)，例如但是不限于諸如Spindt發(fā)射體的場發(fā)射體或諸如Schottky(肖特基)發(fā)射體的熱輔助場發(fā)射體。能源10一般被放置在最接近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20之處(例如1到10000納米之內(nèi))。但是能源10和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20可以間隔更大或者更小的距離。
盡管圖2中只示意了一個(gè)能源10，但是可以將許多能源10放置在最接近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20的表面之處的部件上，所述部件的例示為上述發(fā)射體陣列支架5，但并不限于此。另外，可以將圖2中未示出，但一般發(fā)射不同于電子束能量的能量的一個(gè)或多個(gè)輔助能量發(fā)射體放置在能源10的附近。能源10和輔助能量發(fā)射體可以相對(duì)于存儲(chǔ)媒體20移動(dòng)。但是，它們并不受限于Gibson的596專利中公開的發(fā)射體陣列支架5的移動(dòng)距離限制。
還可以將輔助能源放置在存儲(chǔ)媒體20附近(例如在其之下)。這種輔助能源可以被用于偏置存儲(chǔ)媒體20的某一區(qū)域的溫度，從而使得主能源更加容易地寫入比特，同時(shí)仍然保持高分辨率。
導(dǎo)體層30、50、70、90可以包括諸如，但不限于金屬的導(dǎo)電材料，并且可以隨意地薄(例如兩到三個(gè)納米或更少)，只要形成連續(xù)層即可。導(dǎo)體層30、50、70、90還可以隨意地厚(例如100納米或更多)，只要能源10或輔助能量發(fā)射體可以通過用高功率密度能量束照射而形成貫穿這些層的孔，如以下將論述的。
絕緣層40、60、80、100可以包括諸如，但不限于半導(dǎo)體和陶瓷的絕緣材料，并且一般至少有足夠厚度以確保形成連續(xù)層。另外，可以選擇厚度，以確保提供相鄰導(dǎo)體層30、50、70、90之間的電絕緣。因此，可以利用至少兩個(gè)納米厚度的絕緣層40、60、80、100，盡管更厚的層，比如100納米或更厚的層，一般用于確保電絕緣。另外，一般還這樣選擇絕緣層40、60、80、100，使其足夠薄，以確保能源10或輔助能量發(fā)射體可以通過用高功率密度能量束照射而形成貫穿這些層的孔。
絕緣層40、60、80、100可以包括一旦形成孔就回縮的材料。例如，當(dāng)能源10用高功率密度能量束照射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20，并且形成貫穿第一導(dǎo)體層30和第一絕緣層40的孔時(shí)，可以選擇第一絕緣層40中的材料收縮，從而有效地?cái)U(kuò)大該孔?？梢酝ㄟ^例如選擇合適的材料，或者使第一絕緣層40處于拉伸狀態(tài)并且允許內(nèi)部應(yīng)力隨孔的擴(kuò)張而減緩，從而促進(jìn)這種收縮行為。
或者，可以通過寫能源10或輔助能量發(fā)射體使材料蒸發(fā)或升華，只要材料不會(huì)沉積在妨礙裝置工作的位置上(例如在能源10上)。另一備選方案是利用被能源10熔化然后由于表面張力或毛細(xì)作用，從側(cè)面流走的絕緣材料來形成孔。還有另一備選方案是寫能源10在材料中產(chǎn)生裂化，或者是在讀操作期間以允許更多電子到更深的電極的方法使所述材料多孔化。例如可以通過能源的加熱導(dǎo)致差異收縮，或者通過蒸發(fā)或升華引起裂化。
可以將絕緣層40、60、80、100選擇為電絕緣和/或熱絕緣。為絕緣層和導(dǎo)體層適當(dāng)?shù)剡x擇熱屬性，可以被用于盡量減小產(chǎn)生的孔的大小，同時(shí)還使寫孔所需功率最小。
可以形成貫穿數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20的兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)、或者更多層的數(shù)據(jù)比特110、111、112、113?？梢酝ㄟ^用高功率密度能量束充分加熱存儲(chǔ)媒體20的層，從而導(dǎo)致層中一些材料局部蒸發(fā)或升華，以形成數(shù)據(jù)比特110、111、112、113。由于由大量粒子(例如經(jīng)受激電子解吸的電子)組成的高功率密度能量束的照射，數(shù)據(jù)比特110、111、112、113還可以通過材料的直接燒蝕而形成。孔還可以經(jīng)熔化以及材料的流動(dòng)而形成。
選擇具有低熔點(diǎn)、低蒸發(fā)溫度和/或在低溫下的高蒸汽壓的絕緣層材料和/或?qū)w層材料可以有助于孔的形成，從而可以降低形成數(shù)據(jù)比特110、111、112、113所需的功率密度。選擇具有適當(dāng)潤濕性的絕緣和導(dǎo)體層的組合也可以促進(jìn)數(shù)據(jù)比特110、111、112、113的形成。
可以選擇能夠利用能量束照射存儲(chǔ)媒體20的能源10和輔助能量發(fā)射體，從而在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20的表面上產(chǎn)生微米大小的點(diǎn)。但是，也可以選擇更大或納米級(jí)的能量的點(diǎn)大小。
可以操作能源10和輔助能量發(fā)射體，以產(chǎn)生高功率密度射束或者低功率密度射束。所選射束功率密度的大小確定是能源10或輔助能量發(fā)射體被用于讀還是寫數(shù)據(jù)比特110、111、112、113。
根據(jù)某些實(shí)施例，輔助能量發(fā)射體發(fā)射諸如光或熱能的能量類型的高功率密度，以在存儲(chǔ)媒體20中形成孔，然后在讀操作期間，能源10發(fā)射低功率密度電子束。根據(jù)這些實(shí)施例，可以例如通過近場光束進(jìn)行寫操作。
當(dāng)能源10利用低功率密度電子束照射數(shù)據(jù)比特110、111、112、113時(shí)，沒有形成孔。而是可以發(fā)生讀操作。更具體地說，如果低功率密度電子束中的電子能夠移動(dòng)到特定導(dǎo)體層30、50、70，則將在該層中產(chǎn)生信號(hào)電流。
但是，如果低功率密度電子束中的電子被絕緣層40、60、80阻擋，則在阻擋絕緣層40、60、80下的導(dǎo)體層50、70、90中將檢測(cè)到非常少或者基本檢測(cè)不到信號(hào)電流。盡管射束電流的一小部分可能穿透最頂層或者未去掉的層，但是電子束穿透多遠(yuǎn)是射束能量的函數(shù)。如果利用低射束能量，那么穿透下一導(dǎo)體層的電流將是可忽略不計(jì)的。
因此，通過監(jiān)視每個(gè)導(dǎo)體層30、50、70中的信號(hào)電流量，有可能確定哪個(gè)導(dǎo)體層30、50、70是離仍然正用電子照射的能源10距離最遠(yuǎn)的。應(yīng)該注意，到各導(dǎo)體層30、50、70的偏置電壓的明智應(yīng)用可以優(yōu)化在最底曝露層所收集的信號(hào)電流，同時(shí)在沒有讀電子束的層之間沒有導(dǎo)致太大的泄漏電流。
當(dāng)在圖3中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20上執(zhí)行讀操作時(shí)，如果只有第一導(dǎo)體層30中具有監(jiān)測(cè)到的信號(hào)電流，則在低功率密度電子束照射之處以下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20的任何層中還未形成孔。因此，可以為所讀的數(shù)據(jù)比特分配諸如“0”的值。如果第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50中各自具有監(jiān)測(cè)到的信號(hào)電流，則已形成局部地貫穿第一導(dǎo)體層30和第一絕緣層40的孔，因此可以給數(shù)據(jù)比特分配諸如“1”的值。當(dāng)在寫過程期間局部去掉了其它層，則出現(xiàn)高位數(shù)據(jù)比特，并且可以給其分配諸如“2”、“3”等的值。因此，本發(fā)明的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20不限于存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
在使用能源10和輔助能量發(fā)射體的實(shí)施例中，通常來說，不以低功率密度模式利用輔助能源。
但是，本發(fā)明的某些實(shí)施例確實(shí)利用低功率密度輔助能源，以從存儲(chǔ)媒體20讀取數(shù)據(jù)比特。根據(jù)這些實(shí)施例，各個(gè)導(dǎo)體層30、50、70、90可以用光電導(dǎo)材料代替。然后，可以沿各個(gè)光電導(dǎo)體層的長度施加偏壓，并且可以監(jiān)視層的光電導(dǎo)率(例如，在一端施加偏壓，可以在另一接地端測(cè)量信號(hào)電流)。接下來，如果低功率密度光束到達(dá)特定光電導(dǎo)層，則射束增加沿著該層流過的電流，提供信號(hào)。
或者，導(dǎo)體層可以被以不同波長發(fā)光的熒光層代替。然后，一個(gè)或多個(gè)光束可以被用于激發(fā)熒光并且可以從發(fā)射的光譜確定所寫比特的深度。另外，上述檢測(cè)方案還可以與電子束一起使用，所述電子束利用例如陰極射線電導(dǎo)率和陰極射線發(fā)光而不是光電導(dǎo)率和熒光。
圖4示意了根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其中，不形成貫穿任何層的孔。圖4所示裝置包括微移動(dòng)架5、能源10、存儲(chǔ)媒體20和連接到存儲(chǔ)媒體50的電子儀器35。存儲(chǔ)媒體20包括第一導(dǎo)體層30、第二導(dǎo)體層50以及在第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50之間的相變層140。該裝置還可以包括多于一個(gè)的能源10以及一個(gè)或多個(gè)能源10附近的輔助能量發(fā)射體(未示出)。
圖5示意了相變層140在經(jīng)過其部分材料中的局部狀態(tài)變化之后的圖4中的裝置。這些狀態(tài)變化部分被表示為與第一導(dǎo)體層30相鄰的數(shù)據(jù)比特150。數(shù)據(jù)比特150可具有納米級(jí)直徑、微米級(jí)直徑，或者可能更大的直徑，并且可以隨著來自能源10和/或來自輔助能量發(fā)射體的高功率密度能量束照射存儲(chǔ)媒體20的局部區(qū)域而形成。另外，不用輔助發(fā)射體，一個(gè)或更多電阻加熱單元能夠被用于加熱例示存儲(chǔ)媒體的各部分。這些加熱單元應(yīng)提供足夠的局部熱量，以輔助主局部熱源，但是不應(yīng)提供足夠由其自身進(jìn)行寫操作的熱量。
相變層140可包括能夠隨著高功率密度射束的照射，從第一狀態(tài)(例如晶相或具有少量結(jié)構(gòu)缺陷的狀態(tài))改變到第二狀態(tài)(非晶相或具有許多結(jié)構(gòu)缺陷的狀態(tài))的相變材料。根據(jù)某些實(shí)施例，相變層140中數(shù)據(jù)比特150的電阻率隨材料的狀態(tài)而變。
相變層140可以包括諸如，但不限于鍺碲銻(GeTeSb)合金的硫族化物合金。在其第一狀態(tài)到第二狀態(tài)之間具有低過渡溫度的材料可以被用作相變層140的部分，從而減少來自照射高功率密度能量束以將材料從第一狀態(tài)變換到第二狀態(tài)所需的功率。
盡管上文只論述了具有兩種狀態(tài)的材料，但是具有兩種以上狀態(tài)的材料也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些材料如果用作相變層140的部分，可以將更高位數(shù)據(jù)比特150寫入到存儲(chǔ)媒體20中。
可以選擇包括在相變層140中的一種或多種材料，使之在至少一種狀態(tài)中是非均質(zhì)導(dǎo)電的。在一種狀態(tài)中非均質(zhì)導(dǎo)電的材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于防止在進(jìn)行讀操作時(shí)數(shù)據(jù)比特150之間的交擾。根據(jù)某些實(shí)施例，選擇相變層140，使之在其較大電阻狀態(tài)中是非均質(zhì)的，并且具有較低的面內(nèi)電導(dǎo)率。另外，為了使比特之間的交擾最小，本發(fā)明的一些實(shí)施例也最小化了相變層的厚度和/或相對(duì)于比特直徑的比特深度和/或比特之間的間距。
第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50可以包括諸如，但不限于在寫過程期間不容易被損壞的耐熔金屬的任何導(dǎo)電材料。第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50還可以包括在讀過程期間更容易被入射電子穿透的低原子序數(shù)和/或低質(zhì)量密度成分。這些成分可以被沉積為非常薄的層(例如，作為具有100納米、10納米，或更少納米級(jí)厚度的膜)，從而使得照射存儲(chǔ)媒體20的諸如電子束的能量束相對(duì)容易地穿過層30、50。但是，更薄的層30、50也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50可以被連接到如圖4所示的電子儀器35。電子儀器35可以是提供監(jiān)視流經(jīng)第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50的電流的能力的任何配置。盡管圖4和圖5中示意了測(cè)量相對(duì)電流的差動(dòng)放大器，但不總是希望測(cè)量第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50收集的電流差。在某些情況下，例如簡單地測(cè)量離表面最遠(yuǎn)的導(dǎo)體層收集的電流可能更好，特別是如果該電流比頂部導(dǎo)體收集的電流小的情況下更是如此。否則，頂部導(dǎo)體電流中的噪聲可能淹沒該信號(hào)。在這些情況下，使用其他類型的電子儀器35。
束流光學(xué)裝置可以用于將來自能源10和/或輔助能量發(fā)射體的能量束集中在存儲(chǔ)媒體20的納米或微米級(jí)區(qū)域。該光學(xué)裝置還可以用于聚焦諸如圖2和3所示裝置的射束。但是，它們經(jīng)常不是必須的，因?yàn)槟芰渴陨砜梢跃哂蟹浅Ｐ〉闹睆?，并且在存?chǔ)媒體最靠近的地方，從而受益于近程聚焦。
如上所述，在圖4和圖5中示意的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的寫操作涉及用高功率密度能量束照射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體20。因?yàn)榭梢赃@樣制造第一導(dǎo)體層30，使其可以被能量束穿透，所以射束改變相變層140的局部部分的狀態(tài)，并形成數(shù)據(jù)比特150。然后在讀操作期間確定照射區(qū)域中是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)比特150。
或者，寫射束能夠加熱頂部導(dǎo)體層30而不穿透相變層140。然后熱的導(dǎo)體層30將導(dǎo)致相變層140變熱并且隨著熱量將從導(dǎo)體層30流向相變層140而被修改。在這些實(shí)施例中，導(dǎo)體層30應(yīng)可以承受比改變相變層40的狀態(tài)所需溫度高得多的溫度。另外，導(dǎo)體層30的熱薄膜電阻應(yīng)該相當(dāng)大，使得導(dǎo)體層30不會(huì)導(dǎo)致相變層140的受熱區(qū)域大小的側(cè)向擴(kuò)張。
在讀操作期間，能源10可以用穿過第一導(dǎo)體層3但不改變照射區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)的低功率密度電子束照射存儲(chǔ)媒體20?；蛘?，大部分的低功率密度電子束的電子可以被注入導(dǎo)體層30、50之間。
當(dāng)利用足夠高的射束能量時(shí)，來自讀射束的注入電子可以使得流入導(dǎo)體層30、50的電流相等。但是，當(dāng)利用較低能量時(shí)，到達(dá)底部導(dǎo)體層50的電流將比到達(dá)頂部導(dǎo)體層30的電流低。因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中可能需要監(jiān)視到達(dá)底部導(dǎo)體層50的電流。在導(dǎo)電數(shù)據(jù)比特150下面的電流可以非常小，而在沒有數(shù)據(jù)比特150的地方該電流可以較大。但是，一般來說，底部導(dǎo)體層50中的電流將比頂部導(dǎo)體層30中的電流更小，因?yàn)轫敳繉?dǎo)體層30一般吸收大量入射束。
換句話說，除其他因素以外，以給定深度注入在導(dǎo)體層30和50之間的電子的數(shù)量將取決于各導(dǎo)體層30、50的厚度和質(zhì)量密度、相變層140的厚度和質(zhì)量密度以及射束的能量和強(qiáng)度。例如，當(dāng)導(dǎo)體層30、50保持相同的電勢(shì)，并且被放置在具有統(tǒng)一狀態(tài)并且不包括任何數(shù)據(jù)比特150的相變層的任一側(cè)，以深度z注入的電子將以某中比率行進(jìn)到導(dǎo)體層30、50，該比率是從深度z到每個(gè)導(dǎo)體層30、50的電阻的反比。這樣，一半的注入在導(dǎo)體30和50之間一半深度的電子將行進(jìn)到各個(gè)導(dǎo)體層30、50。另一方面，以深度為導(dǎo)體層30、50之間距離的1/4注入的電子將被分流，使得3/4的電子行進(jìn)到導(dǎo)體層30，而另外1/4的電子行進(jìn)到另一導(dǎo)體層50。
在圖5的相變層140中，注入在相變層140的中間部分的電子不再使整個(gè)相變層140具有固定電阻率。相反，包括第二狀態(tài)材料的局部區(qū)域的數(shù)據(jù)比特150，可以具有較高或者較低的局部電阻率。這種現(xiàn)象改變了相變層140中從數(shù)據(jù)比特150附近的任何特定點(diǎn)到各個(gè)導(dǎo)體層30、50的總電阻值。另外，相變層140中在特定點(diǎn)注入的電子將以某種比率行進(jìn)到導(dǎo)體層30、50，該比率是該點(diǎn)和各個(gè)導(dǎo)體層30、50之間的總電阻的反比。
如果圖5中所示的數(shù)據(jù)比特150的電阻小于相變層140的剩余部分的電阻，則較少的注入電子將行進(jìn)到第二導(dǎo)體層50，并且電子儀器35將在第二導(dǎo)體層50中檢測(cè)到較低電流。如果第二電級(jí)60附近的數(shù)據(jù)比特150的電阻大于相變層140的剩余部分中材料的電阻，則反之亦成立。因此，通過局部照射在相變層140表面上納米-或微米直徑的橫截面區(qū)域，有可能確定照射電子是否入射在數(shù)據(jù)比特150上。因此，可以檢測(cè)數(shù)據(jù)比特150并且可以從存儲(chǔ)媒體20通過電子儀器35讀取數(shù)據(jù)。
應(yīng)該注意，這里利用的是在其最廣泛意義上的電阻概念，指的是所有影響電子在存儲(chǔ)媒體20中如何流動(dòng)的物理現(xiàn)象的集合，以及確定它們行進(jìn)到哪個(gè)導(dǎo)體層30、50或電極。例如，在非常短的長度規(guī)，大約為電子的平均自由程上，該物理現(xiàn)象集合與以較長長度規(guī)的稍有不同。這樣，用于非常小的數(shù)據(jù)比特150的讀過程的物理儀器與用于較大比特150的物理儀器可以有稍許不同。還應(yīng)該注意，如果數(shù)據(jù)比特150的出現(xiàn)產(chǎn)生到導(dǎo)體層30、50的更大或更小電阻接口，則可以獲得行進(jìn)到各導(dǎo)體層30、50的入射電流的部分中的差異。例如，在某一狀態(tài)(寫入或未寫入)相變層140材料可以在與導(dǎo)體層30、50的接口處形成肖特基勢(shì)壘、帶電接口、或者其他一些類型的能壘。這種形成可以影響行進(jìn)到導(dǎo)體層30、50的電子的概率。
根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例(未示出)，可以將相變層和電阻層放置在頂部導(dǎo)體層和底部導(dǎo)體層之間。電阻層的電阻率可以被固定在相變層的晶態(tài)和非晶態(tài)電阻率之間的中間值。這種配置的應(yīng)用可以提高相變層的寫入和未寫入?yún)^(qū)域之間的信號(hào)差異。
圖6示意了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的另一個(gè)實(shí)施例。圖6所示的裝置包括可放置在微移動(dòng)架5上的能源10，并且還可以包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層20，層20本身包括幾個(gè)導(dǎo)體層30、50、70、90之間的幾個(gè)相變層140、160、180。
可以用圖4和5所示的裝置操作類似的方式，對(duì)離圖6所示裝置中的能量發(fā)射體10最近的三層30、140、50進(jìn)行操作。例如，圖6左側(cè)的數(shù)據(jù)比特150包括第二狀態(tài)下的局部材料區(qū)域，該區(qū)域部分貫穿第一狀態(tài)下的相變層140。當(dāng)用低功率密度電子束照射時(shí)，可以再次通過監(jiān)視第一導(dǎo)體層30和第二導(dǎo)體層50中信號(hào)電流的相對(duì)強(qiáng)度來檢測(cè)數(shù)據(jù)比特150。
但是，圖6中的裝置包括附加相變層160、180，附加導(dǎo)體層70、90，以及數(shù)據(jù)比特155、157，這些數(shù)據(jù)比特完全貫穿第一相變層140并且部分貫穿至少一個(gè)另外的相變層160、180。在備選實(shí)施例中，數(shù)據(jù)比特155、157不改變上存儲(chǔ)層狀態(tài)。圖6中的裝置可以改變流到與相變層相鄰的兩個(gè)導(dǎo)體層的信號(hào)電流的比率中的差異，所述相變層包括離第一相變層140最遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)比特150、155、157的部分。
在操作中，一個(gè)或多個(gè)能源10或輔助能量發(fā)射體可以被用于用高功率密度能量束照射存儲(chǔ)媒體20。這些射束可以穿透存儲(chǔ)媒體20的多個(gè)層，取決于各層的材料特性、射束能量等，并且因此可以將狀態(tài)層140、160、180的部分從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)變到第二狀態(tài)，從而寫入數(shù)據(jù)比特150、155、157。
在讀操作期間，能源10可以發(fā)射可穿透存儲(chǔ)媒體20，并且可將電子注入所示任何相變層140、160、180的低功率密度電子束。一旦電子被注入相變層140、160、180的未改變部分中或附近，電子的行為與圖4所示的電子類似，并且可以檢測(cè)相變層的未寫入部分。
當(dāng)電子注入到相變層140、160、180的第二狀態(tài)部分中或附近，在最近的上覆蓋導(dǎo)體層和最近的下覆蓋導(dǎo)體層之間完全延伸時(shí)，電子的行為與完全沒有第二相變部分時(shí)類似。實(shí)際上，沒有路徑會(huì)因?yàn)榈诙顟B(tài)部分的出現(xiàn)而成為相對(duì)最佳的，并且電子將行進(jìn)到任何相鄰導(dǎo)體層，就像它們?cè)跊]有第二狀態(tài)部分時(shí)行進(jìn)的一樣。
但是，當(dāng)電子注入到具有僅部分貫穿相變層的第二狀態(tài)材料的相變層140、160、180中時(shí)，電子的行為與圖5所述的電子類似，并且可以檢測(cè)數(shù)據(jù)比特150、155、157。
當(dāng)從圖6所示的存儲(chǔ)媒體20讀取時(shí)，在所有相鄰導(dǎo)體層對(duì)就象它們被未寫入相變層包圍一樣表現(xiàn)時(shí)，檢測(cè)到“0”數(shù)據(jù)比特。當(dāng)?shù)诙顟B(tài)材料僅部分貫穿上相變層140時(shí)，這可表示出現(xiàn)數(shù)據(jù)比特150并可讀作“1”數(shù)據(jù)比特。當(dāng)檢測(cè)到僅部分貫穿第二導(dǎo)體層50和第三導(dǎo)體層70之間的相變層160的第二狀態(tài)材料時(shí)，可能出現(xiàn)貫穿整個(gè)第一相變層140并僅部分貫穿第二相變層160的數(shù)據(jù)比特155，并被讀作“2”數(shù)據(jù)比特?！?”數(shù)據(jù)比特157將檢測(cè)為僅僅部分貫穿第三導(dǎo)體層70和第四導(dǎo)體層90之間的相變層180以及其上所有相變層140、160的第二狀態(tài)材料。
還可能通過只利用在一對(duì)導(dǎo)體層之間的單個(gè)相變存儲(chǔ)層來記錄非二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特。這可以通過改變狀態(tài)改變了的存儲(chǔ)層的部分來完成。例如，“1”數(shù)據(jù)比特可以貫穿存儲(chǔ)層的三分之一距離，而“2”數(shù)據(jù)比特可以貫穿存儲(chǔ)層的三分之二距離。這樣，不同數(shù)據(jù)比特的電流部分不同，并且相鄰導(dǎo)體層中檢測(cè)到的電流差可用來確定數(shù)據(jù)比特的值。
圖4-6中所示的裝置可以是可重寫的，也可以是不可重寫的，取決于相變層140、160、180中第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間的變化是否可逆。如果狀態(tài)變化是可逆的，根據(jù)這些實(shí)施例的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置可以被寫入無數(shù)次，這也提供了另一優(yōu)點(diǎn)。
以上的詳細(xì)描述只是用于理解本發(fā)明的例示實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該理解，本發(fā)明并沒有無必要的限制，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，修改是顯而易見的，并不背離所附權(quán)利要求書及其等效物的范圍。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，它包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體(20)，它包括在所述存儲(chǔ)媒體(20)表面上的第一層(30)在所述第一層(30)和第三層(50)之間的第二層(40，140)；放置在最接近所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體(20)的地方的能源(10)；以及貫穿所述第二層(40，140)的部分的納米級(jí)數(shù)據(jù)比特(110，150)。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第一層(30)包括導(dǎo)電材料。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二層(40，140)包括電阻性材料。
4.如權(quán)利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二層(140)包括具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的材料。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二層(140)包括第一區(qū)，它包括相變材料；第二區(qū)，它包括電阻材料，所述電阻材料的電阻率值為所述相變材料的第一狀態(tài)和所述相變材料的第二狀態(tài)的電阻率值之間的中間值。
6.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二層(40、140)包括絕熱材料。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)比特(150)包括處于不同于所述第二層(140)的狀態(tài)的狀態(tài)的材料。
8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)比特(110)包括含有貫穿所述第二層(40)的孔的所述第二層(40)的部分。
9.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二層(140)包括光電導(dǎo)材料和陰極射線電導(dǎo)材料中的至少一種。
10.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二層(140)包括熒光材料和陰極射線發(fā)光材料中的至少一種。
全文摘要
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體(20)包括多個(gè)疊層(30、40、50、60、70、80、90、140、160、180)。疊層(30、40、50、60、70、80、90、140、160、180)可以是導(dǎo)電的、絕緣的、電阻的、或者能夠在兩種或多種狀態(tài)或相之間改變。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體(20)和可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體(20)的區(qū)域中形成納米級(jí)數(shù)據(jù)比特(110、111、112、113、150)的能源(10)。數(shù)據(jù)比特(110、111、112、113、150)可以包括貫穿一些疊層(30、40、50、60、70、80、90、140、160、180)的孔，或者在能夠在兩種或多種狀態(tài)之間改變的層的部分中的相變。另外，一種利用這種存儲(chǔ)媒體(20)以存儲(chǔ)納米級(jí)數(shù)據(jù)比特(110、111、112、113、150)的方法。
文檔編號(hào)G11B7/00GK1417784SQ0214990
公開日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2002年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月30日
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