Способ записи и воспроизведения двоичной информации

 

Использование: в информационной технике, в частности записи и воспроизведении цифровой информации. Сущность изобретения: при записи на носитель, выполненный в виде тонкой пленки из аморфного кремниевого материала на подложке из стекла или кремниевого монокристалла, предусмотрено воздействие энергетическим пучком электрического поля. Пленку получают по водородной технологии с использованием углерода или германия. При восроизведении с помощью сканирующего тунельного микроскопа регистрируют локальные изменения проводимости записываемого слоя.

Изобретение относится к накоплению информации, в частности, к способам сверхплотной записи-воспроизведения цифровой информации.

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.

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.

Настоящее изобретение направлено на частичное решение поставленной задачи.

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.

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.

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.

Введение в состав аморфного кремния в качестве примеси углерода повышает стабильность кремния и устойчивость к внешним ионизирующим воздействиям.

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.

Основной частью СТМ является программно-управляющее устpойство, позволяющее перемещать носитель к зондирующему острию-игле и сканировать этой иглой над поверхностью носителя.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Формула изобретения

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.