专利名称：光学记录中作为相变媒质的Ⅲ族金属氮化物薄膜的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于存储应用的光学记录媒质，具体地涉及光学记录中作为相变媒质材料的Ⅲ族金属氮化物，特别是写一次，读多次的光学记录。
在用于存储应用的光学记录中，例如，半导体激光器射出的聚焦入射光束，在适当的材料(媒质)薄膜上读或写数据。写(编码)通常通过改变媒质的磁光特性或媒质的反射率而形成数据，数据是随着其强度以脉冲开关方式变化的波束在媒质表面扫描而受到照射和加热的区域。在读操作中，激光束入射到数据上，由于媒质极性的改变(对磁光学记录)或反射率的改变(对相变合金，有机染料/聚合物，或剥离媒质)，反射光束受到调制。本发明是关于相变媒质。
相变媒质可应用于“写一次读多次”(WORM)和可擦写光学存储中。本发明主要是关于WORM系统。目前使用的典型WORM材料是碲(Te)或硒(Se)基薄膜，它们可利用材料的剥离形成反射率的改变。还在使用的其它材料是InSbSn或其它金属合金，它们利用从非晶态到晶态的相变来得到反射率对比。这些材料有若干缺点。首先，由于相存在再结晶化的可能，存储的稳定性是一个问题。第二，Te和Se在空气中不稳定，而且有毒。第三，这些材料的反射率差异或信号对比(通常定义为｜(Rw-Rs)/(Rw+Rs)｜，其中Rs和Rw分别是起始相反射率和写入相反射率)在20-30％的范围内。因此，需要给相变媒质提供相对于上述三点的改进特性。此外，期望在今后五年中采用短波长(600nm及更短)半导体注入型激光器，以得到更高的存储密度，因此有必要使相变媒质与这些激光器相匹配。
本发明提供了基于Ⅲ族金属氮化物半导体的、用于光学存储的相变媒质。这些宽禁带半导体薄膜的表面通过用能量等于、或大于材料禁带宽度，且能量密度超过临界阈值的光子照射而金属化(通过脱氮作用)。作为这一可写金属化的结果，这些材料成为写一次、读多次存储媒质的极好的选择物，因为金属和相应的宽禁带氮化物之间的反射率差异非常之大。此外，一旦完成脱氮，写操作之后的金属相就不再能够恢复到氮化物相，因此媒质是稳定的、并且是真正的写一次系统。这些材料所提供的、超过目前相变媒质的其它优点包括高的反射率对比差和适用于使用短波长激光二极管(460nm及更短)，在今后5年中，这种二极管将应用在光学记录技术中。Ⅲ族金属氮化物合金的禁带宽度可通过改变Ⅲ族金属的组份进行调节，以便连续地改变禁带宽度，这样使之与具有该范围内光子能量的激光相匹配。对于适当的记录波长，初始相的低吸收率和因此带来的高透射率为这些材料在多记录层格式方面带来了潜在的应用前景。
根据下面结合附图的描述，本发明的上述及其它优点将变得更加明确，其中
图1是相变光学存储媒质结构的截面简图。
图2是显示了以垂直入射模式拍摄的、Al在AlN上的金属化图样的光反射显微照片。
图3是刻蚀掉图2中的金属化Al之后的、横跨金属化图样表面的表面轮廓轨迹。
图4是显示了以垂直入射模式拍摄的、In在InN上的金属化图样的光反射显微照片。
图5显示了在248nm波长处，计算得到的作为厚度函数的、AlN薄膜的反射率，传输率，和对比度。
图6A,B和C显示了应用本发明相变媒质的多层记录光盘的三种结构。
图7A显示了当记录激光具有单一波长时，图6A,B和C所示多层记录光盘的理想吸收特性。
图7B显示了当记录激光具有多种波长时，图6A,B和C所示多层记录光盘的理想吸收特性。
本发明提供了以周期表中Ⅲ族金属元素和氮构成的氮化物半导体，例如，AlN,InN和GaN，为基础的并用于光学存储的相变媒质。可以利用Ⅲ族金属与氮构成的合金，例如，InGaAlN，并能提供独有的特性，因为它们的禁带宽度可以通过调节合金组份而改变或调节，因此可与写光束的波长匹配。
图1显示了AlN相变媒质结构的截面简图。为了形成这一结构，通过在高真空下将蒸发的Al和由射频(rf)放电产生的反应氮气导向衬底，AlN被淀积在兰宝石衬底表面。衬底的选择可以是不同的，兰宝石只是一个例子。同样，这里的射频淀积技术也只是一个例子，也可使用其它淀积技术。这里的AlN薄膜厚度大约300 nm。淀积之后，从真空室中取出样品，使AlN表面用从受激准分子激光器辐射出的248nm的紫外(uv)光照射。以纳秒脉冲的形式提供能量密度为100-200mJ/cm2的辐射。这一照射优选地使铝金属化后剩余的氮解吸出来，假定这是由于激光束的快速热效应。辐射通过一光学显微镜系统聚焦且248nm波长的聚焦光斑以合适的方式扫过表面以写入数据，数据由图1所示的无反射AlN点阵中的高反射率Al的分离区域构成。当在其中散布着无反射(或弱反射)AlN点阵区域时，这样的反射区域构成以“1”或“0”表示的编码(或存储)信息(或数据)。
读操作可以用相同的激光束以低于媒质写阈值的较低功率水平扫描并检测Al数据和AlN点阵之间的反射率变化的方式执行。图2显示了利用80倍的冶金学显微镜，在反射模式拍摄的、利用上述的制作AlN薄膜的工艺制作的Al图形的光学显微照片。如图2所示，金属化区域的横向尺寸与来自激光器的聚焦光束的横向尺寸可比。
为了确定金属化深度z，利用王水刻蚀掉Al，然后利用剖面仪测量刻蚀槽的深度。结果示于图3,z值大约150-200nm。金属化深度受光子吸收深度的限制。
对于直接带隙半导体，当光子能量小于半导体禁带宽度时，吸收系数接近零，光子可以透射。当光子能量接近并超过禁带宽度时，吸收系数不再接近零，发生光吸收。对AlN薄膜，248nm光子的吸收优选地使氮化物解吸，并形成Al。一旦形成Al层，其高反射率将反射入射光，金属化过程受到自我约束。AlN的禁带宽度在室温下是6.2eV，对应的光子波长是200nm。另一方面，吸收出现于248nm或，等价地，5eV。这种低值吸收被认为是因为存在禁带中间态以及反应的高度非平衡态特性。强辐射短脉冲的入射会产生瞬时局域温度峰值，使得禁带宽度降低。同时，在光吸收过程中局域组合排列的无序性也能改变禁带边缘。AlN禁带宽度的温度依赖性尚不知。利用已知的GaN值，为6×10-4eV/K，发现温度升高1000°K，禁带宽度将减少大约0.65eV。因此认为温度效应对较短波长处发生的吸收作出部分贡献似乎是合理的。此外，为将这一材料系统应用于多记录层媒质，选择禁带能量略高于记录光子能量的材料，使透射最大。
上述金属化过程还由化合物InN和GaN证实。作为一个例子，图4显示了InN薄膜上的金属化特征的、80倍的光学显微照片。得到了与GaN薄膜相似的结果。因此认为由InGaAlN形成的连续系列合金都会显示出相似的金属化特性。
虽然单一的Ⅲ族金属氮化物的禁带宽度具有单一的值，如InN为1.9eV,GaN为3.4eV和AlN为6.2eV，但是发现这些金属与氮构成的合金的禁带宽度可通过改变金属在合金中的比例进行调整(调节)。因此，根据本发明，光学相变媒质可用这些合金制成，它们可以通过组份变化调节到期望的禁带宽度，以便与在禁带范围内选择的任意光子能量共同工作。在InGaAlN情形，这一范围可以从1.9变化到6.2eV。这是非常吸引人的，因为预期短波长半导体注入型激光器即将应用于光学记录，而这些激光器具有的光子能量对应于2.9eV(420nm)或更高；因此InGaAlN相变媒质可以与这些激光器相匹配。例如，如果激光波长是380nm(或3.25eV光子能量)，可使用In0.7Al0.3N作为相变媒质，因为它对应于禁带能量3.25eV。脱氮后的金属可以是Al、In合金。通常，这些合金的组份为AxByC1-x-y，其中A,B，和C是不同的Ⅲ族金属，x和y是0到1之间的数。
上面的讨论假定金属化要求光子能量接近或超过氮化物半导体的禁带宽度以便发生吸收，形成金属化。为了说明上述假定的正确性，利用三倍频Nd:YAG激光器发出的355nm光，以相同的入射功率，即，200mJ/cm2，照射GaN薄膜和AlN薄膜。GaN的禁带宽度为3.4nm，对应的光子波长为360nm。因此，入射辐射的能量接近GaN的禁带宽度。另一方面，AlN的禁带宽度为6.2eV，对应的光子波长为200nm。因此入射光的能量远小于AlN的禁带宽度，AlN中不会有吸收发生。经照射，发现GaN表面轻易地金属化为Ga，但AlN表面没有观察到任何改变，这与预期完全吻合。因此氮化物媒质的禁带宽度必须接近或低于光子能量以便发生金属化。
本发明的氮基媒质较目前的相变媒质具有若干优点。首先，反射率的改变依赖于从金属-氮到金属的化学性质改变。这一改变更强更稳定且真正地不可逆转，这一点与目前采用的相变媒质完全不同，目前的相变媒质从晶态变化到非晶态相(或反之)，其间总是存在重结晶的可能性。因此本发明的材料体系对WORM应用是更优越的。在AlN情形，金属化的Al具有在环境中可保持两个月的稳定性和可见的光泽，并将保持这一状态，因为Al受到非常薄(自约束(self-limiting))的氧化铝薄膜的保护，氧化铝对低至180nm的波长都是透明的。
第二，20nm厚的Al薄膜对于在波长200nm到700nm之间的、垂直入射辐射的反射率大约是80％。对AlN,20nm厚薄膜的反射率大约是28％，这样就得到大约为48％的Al/AlN系统对比度的计算值，如图5所示。高信号对比度值会为这一材料系统带来较好的信噪比，该对比度值远高于目前相变媒质可能得到的、范围在20-30％之间的典型信号对比度值。
第三，上述氮化物半导体是硬的，化学惰性的，和无毒的。因此，比之目前的在空气中会退化且有毒的Se和Te基相变媒质，它们具有更强的物理特性。
如前所述，写或金属化操作要求功率密度大约为100mJ/cm2。脉冲宽度大约10-9秒。因此，要求功率大约为1×108W/cm2。对于400nm波长的光学记录，例如，聚焦光斑直径(使用数值孔径0.5的聚焦透镜)被衍射限定在约400nm，即，1.2×10-9cm2的聚焦光斑区域。这要求激光功率大约为125mW，以脉冲模式而不是连续(cω)模式提供功率。此外，如前所述，这一功率水平可以从大约150nm厚的AlN薄膜中解吸出氮。对于光存储媒质中的实际应用，15nm厚就足够了。在15nm，解吸氮所需的能量非常小。因此低的入射功率水平将是大约25到30mW的光子脉冲。
上述(InGaAl)N系统还可用于多层WORM应用。在多层应用中，光盘具有激光入射到其上的高度透射衬底。衬底支撑至少两个空间分离的有效记录媒质。具有中心孔80以便安置在驱动器转柄上的光盘，可以是空气隙结构，其中每一个记录媒质被独立的衬底支撑(图6A)，或者是实心结构，其中实心光透射间隔层将记录媒质隔离开(图6B和6C)。图6A中，读/写激光束透过透射衬底56入射到盘12上。激光束的焦点可调整定位在有效媒质中的一个上，这里是94和96。当聚焦到94时，媒质96未被聚焦，因此如果两个记录媒质间的距离(在本情形指空气隙78)大于约10微米，来自这一层的干扰很小。相反，如果光束聚焦到媒质96上，穿过媒质94的光充分地散焦，所以不会对从媒质96上检测到的动态信号产生串扰。
通过分别将有效媒质94和96淀积到两个分离的衬底56和62上，制备出层/衬底对，可制得盘12。然后分别使用外部和内部间隔胶环58和60，将两个衬底安装(组装)到一起，形成空气隙78，有效媒质彼此相对。另一种情形，实心结构可如图6B和6C所示制得。在图6B中，有效媒质194和196分别淀积在两个分离的衬底156和162上。然后使用可透射读/写光束的胶层122将两个衬底以有效媒质彼此相对的方式安装到一起。为了实现均匀性，透射胶层旋转涂敷在媒质194上，并与媒质196面对面地贴合或相反地组装。另一方法示于图6C中。在这一情形，有效记录媒质294淀积到透射衬底256上。然后将透射隔离层222淀积到媒质294上。第二记录媒质296就可淀积到隔离层222上。接着在媒质296的最顶层淀积保护涂层262。
有两种定位上述多层光盘的方法。一种方法使用单波长激光源，另一种方法使用多波长激光源(例如两个独立的、具有不同波长的激光二极管)。在使用单记录波长激光器的第一种方法中，最接近光源的记录层(例如，媒质94)应该是半透明的以便使足量的光子通过并达到第二层(媒质96)，以足够高的信噪比完成写和读操作。然而，媒质94不能是完全透明的，因为媒质需要足够的吸收以便在合理的入射激光功率值下能够相变。因此，媒质94和96的吸收率和传输率需要彼此参照着设计。层94的理想透射率应该大约为40％到80％。为了成为高灵敏度的记录媒质，层96的吸收率应该尽可能地高，因为只有部分入射光能穿过层94到达该层。层96的透射率是不重要的因为它是光盘12的最后记录层。媒质94和96的理想吸收特性简略地示于图7A。在记录波长λ1，媒质94的吸收很小(虚线)，然而媒质96(实线)的吸收则很大。AxByC1-x-yN材料系统对这一应用尤其理想，特别是当期望的层数超过二层时，这是因为通过改变组分，可以调节和控制各个独立记录媒质的禁带宽度，进而调节媒质的吸收。
在第二中方式中，使用多记录波长，媒质94的禁带宽度将大于媒质96的禁带宽度。波长λ1的记录激光用来在媒质94上进行读和写操作。然而波长λ2(λ2＞λ1)的第二记录激光用来在媒质96上进行读和写操作。这简略地示于图7B。由于λ2＞λ1，来自第二激光束的光子可不受干扰地透过媒质94并能自由地在媒质96上定位。λ1的第一激光仅限于在媒质94上进行定位。这可通过限制聚焦镜对第一激光的移动以便禁止该光束聚焦到媒质96上来实现。然而，因为媒质94在λ1是强吸收的，透射将会很小，因此透过媒质94的λ1光子的数量很小。
虽然根据优选的和替代的实施方案对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应当知道，在不背离本发明的宗旨和范围的调节下，可进行各种适当的调整。例如，其它束装置，如聚焦电子束，也适用于写操作。同样，用于写操作的激光器或束装置并非必须用于读操作，因为利用一束激光写而用另一束激光读或采用一个束装置读而用另一个不同类型的束装置写是有利的。此外，虽然根据WORM应用进行描述，但是本发明还可用于一次性写入、并随后用于制作只读盘的母盘。因此，所有类似的调整都包括在权利要求所述的范围内。
权利要求
1．一种光学记录媒质，由组份为MN、位于衬底上的金属氮化物薄膜构成，其中M是Ⅲ族金属中的金属，N是氮。
2．根据权利要求1的光学记录媒质，其中M是从铝、镓和铟中选择出的金属。
3．根据权利要求1的光学记录媒质，其中衬底是兰宝石。
4．一种光学记录媒质，由组份为AxByC1-x-yN、位于衬底上的金属合金薄膜构成，其中A,B和C是不同的Ⅲ族金属，x和y是0和1之间的数，N是氮。
5．根据权利要求4的光学记录媒质，其中A是铟，B是镓，C是铝。
6．根据权利要求4的光学记录媒质，其中该衬底是兰宝石。
7．一种信息处理系统，包括a)光学记录媒质，由组份为MN、位于衬底上的金属氮化物薄膜构成，其中M是从Ⅲ族金属中选择出的金属，N是氮；b)束装置，用来选择性地照射媒质区域以便选择性地将媒质的离散区域转变为金属氮化物，从而形成嵌在金属氮化物点阵中的、具有高反射率的金属化区域，其中金属化区域和点阵区域组成编码信息；和c)用来使束装置在媒质表面扫描的装置。
8．根据权利要求7的系统，其中照射引起局域热效应。
9．根据权利要求7的系统，其中金属化区域的横向尺寸与波束的横向尺寸可比。
10．根据权利要求7的系统，其中束装置是一个激光器。
11．根据权利要求7的系统，其中用来编码的光束能量密度是约每平方厘米100毫焦耳的数量级，且光束以脉冲模式发射，脉冲时间为几个纳秒。
12．根据权利要求11的系统，其中聚焦光束的直径近似等于光束的波长。
13．根据权利要求10的系统，其中光束的波长在200nm到650nm的范围。
14．根据权利要求10的系统，其中用于信息编码的激光器发射出的激光波长所对应的能量近似等于或大于MN媒质的禁带宽度。
15．根据权利要求7的系统，其中金属氮化物层的厚度在10nm到300nm的范围。
16．根据权利要求7的系统，其中金属化区域的厚度小于或等于约200nm。
17．根据权利要求7的系统，其中光束装置还用于读取信息。
18．根据权利要求17的系统，其中束装置是一个激光器，通过使激光器射出的光束在媒质上扫描，并检测高反射率金属化区域和低反射率金属氮化物点阵之间的反射率变化，读取编码信息。
19．根据权利要求7中的系统，其中还包括附加的读取信息的束装置。
20．一种信息处理系统，包括a)光记录媒质，由组份为AxByC1-x-yN、位于衬底上的金属合金薄膜构成，其中A,B和C是不同的Ⅲ族金属，x和y是0和1之间的数，N是氮。b)束装置，用来选择性地照射媒质区域以便选择性地将媒质的离散区域转变为金属氮化物，从而形成嵌在金属氮化物点阵中的高反射率金属化区域，其中金属化区域和点阵区域组成编码信息；和c)用来使束装置在媒质表面扫描的装置。
21．根据权利要求20的系统，其中照射引起局域热效应。
22．根据权利要求20的系统，其中金属化区域的横向尺寸与光束的横向尺寸可比。
23．根据权利要求20的系统，其中束装置是一个激光器。
24．根据权利要求20的系统，其中编码所需的光束能量密度是约每平方厘米100毫焦耳的数量级，且光束以脉冲模式发射，脉冲时间为几个纳秒。
25．根据权利要求24的系统，其中聚焦光束的直径与光束的波长可比。
26．根据权利要求23的系统，其中光的波长在200nm到650nm的范围。
27．根据权利要求23的系统，其中用于信息编码的激光器发射波长从200nm到650nm的激光，且调节记录媒质镓、铝和铟的组份，使得AxByC1-x-yN媒质的禁带宽度近似等于激光的光子能量。
28．根据权利要求20的系统，其中金属氮化物层的厚度在10nm到300nm的范围。
29．根据权利要求20的系统，其中金属化区域的厚度小于或等于约200nm。
30．根据权利要求20的系统，其中束装置还可用于读取信息。
31．根据权利要求30的系统，其中束装置是一个激光器，通过使激光器射出的光束在媒质上扫描，并检测高反射率金属化点和低反射率金属氮化物之间的反射率变化，读取编码信息。
32．根据权利要求20的系统，其中还包括附加的、读取信息的束装置。
33．一种多层记录光盘，包括多层组份为MN的金属氮化物薄膜光学记录媒质，其中M是从Ⅲ族金属中选择的金属，N是氮。
34．根据权利要求33的盘，其中每一层位于衬底上，且层/衬底对堆叠在一起，中间带有空气隙。
35．根据权利要求33的盘，其中每一层位于衬底上，且层/衬底对堆叠在一起，中间带有透射胶层。
36．根据权利要求33中的盘，其中第一层位于衬底上，且后续各层堆叠在其上，中间带有透射材料层。
37．根据权利要求36的盘，其中还包括最顶层上的最终保护材料层。
38．根据权利要求33的盘，其中光学记录媒质的每一层具有不同的组份。
39．一种多层记录光盘，包括多层组份为AxByC1-x-yN的金属合金薄膜光学记录媒质，其中A,B和C是不同的Ⅲ族金属，x和y是0和1之间的数，N是氮。
40．根据权利要求39的盘，其中每一层位于衬底上，层/衬底对堆叠在一起，中间带有空气隙。
41．根据权利要求39的盘，其中每一层位于衬底上，层/衬底对堆叠在一起，中间带有透射胶层。
42．根据权利要求39的盘，其中第一层位于衬底上，后续各层堆叠在其上，中间带有透射材料层。
43．根据权利要求42的盘，其中还包括最顶层上的最终保护材料层。
44．根据权利要求39的盘，其中光学记录媒质的每一层具有不同的组份。
全文摘要
本发明提供了基于Ⅲ族金属氮化物半导体的用于光学存储的相变媒质。这些宽禁带半导体薄膜的表面通过用光子照射而金属化(通过脱氮)。结果,这些材料成为写一次读多次的存储媒质,因为金属与相应的宽禁带氮化物之间的反射率差异非常大。此外,一旦完成脱氮,写操作之后的金属相就不能够恢复到氮化物相,因此媒质是稳定的并真正是写一次系统。其它优点包括高反射率对比度和适于使用短波长激光二极管(460nm及更短)。
文档编号G11B7/24GK1211032SQ98114708
公开日1999年3月17日 申请日期1998年6月12日 优先权日1997年7月15日
发明者小N·A·博亚株克, S·古哈, 邓伟松, A·古普塔 申请人:国际商业机器公司