光學存儲介質的製作方法

2023-04-29 12:08:26 2

專利名稱：光學存儲介質的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括襯底層、數據層和非線性層的光學存儲介質，該非線性層 具有設置在數據層上的超解析度結構(super-resolution structure)。該光學存儲介質具體地 為具有高數據密度的只讀光碟以用於使用藍光雷射二極體的設備。
背景技術：
光學存儲介質是數據以光學可讀的方式(例如通過集成在拾取器內的雷射器和 光檢測器)存儲於其中的介質。當從存儲介質讀取數據時，光檢測器用於檢測雷射束的 反射光。此外，已知有許多種光學存儲介質，它們被以不同的雷射波長操作，並且它們 具有不同的尺寸以提供從1千兆字節以下直到50千兆字節(GB)的存儲容量。格式包括 諸如音頻CD和視頻DVD的只讀格式、諸如CD-R和DVD-R、DVD+R的一次寫入光學 介質以及諸如CD-RW、DVD-RW和DVD+RW的可重寫格式。數字數據沿這些介質的 一個或多個層中的軌道而存儲在這些介質上。目前具有最高數據容量的存儲介質是藍光光碟(BD)，其允許在雙層光碟上的存 儲容量達到50GB。為了對藍光光碟進行讀取和寫入，使用具有405nm的雷射波長的光 學拾取器。在藍光光碟上，使用320nm的軌道節距以及從2T至8T和9T的標記長度， 其中T是通道位長度，其對應於138-160nm的最小標記長度。可重寫的BD-RE盤基於 包括相變層的相變技術，其使用例如AgInSbTe或GeSbTe的化合物。關於藍光光碟系統 的其他信息例如可以通過網際網路www.blu-ravdisc.com從藍光協會獲得。與藍光光碟相比，具有超解析度結構的新的光學存儲介質提供了使光學存儲介 質的數據密度在一個維度上增大到兩倍至四倍的可能性。這可以通過包括非線性層來實 現，該非線性層設置於光學存儲介質的數據層上，其顯著減小了用於從光學存儲介質讀 取或向光學存儲介質寫入的光斑的有效尺寸。該非線性層可以被理解為掩模層，因為它 布置在數據層上，並且對於某些特定的材料而言僅雷射束的高強度的中央部分能夠穿透 該掩模層。此外，半導體材料例如InSb可以用作非線性層，其在聚焦雷射束的中央部分 中顯示出較高的反射率，並且其中央反射率依賴於相應數據層的凹坑結構。因此，超分 辨率效應允許記錄和讀取存儲在尺寸低於相應光學拾取器的衍射極限的光碟標記中的數 據。在Hyot 等人的文章"Phase change materials and Super-RENS」，E*PCOS05, Technical Digest, Cambridge, 2005 禾口 Pinchon 等人的文章"MultiphysicsSimulation of Super-Resolution BD ROM Optical Disk Readout，，2006IEEE, 0-7803-9494-1/06，PP 206-208中，提出了半導體非線性層，其中通過光生自由載流子能夠獲得折射率的局部變 化。熱的描述被給出，以提供在讀取期間有關數據層的溫度分布的信息。已經表明，由於微晶結構，InSb非線性層自身的最優厚度為約20nm，如Hyot等 人在 「 Super-Resolution ROM disk with a semi-conductive InSb activelayer influence of the crystalline microstructure" , ISOMTech Dig., 2007，p.12 中所描述的。包括一些公差在內，最優厚度預期在15至25nm的範圍內。對於較厚的InSb層，認為當用雷射器加熱時 晶體微結構增加，由此超解析度效應減小。因此，不能使用較厚的InSb層來改善反射率 變化。

發明內容
光學存儲介質包括襯底層；具有凹坑結構的只讀數據層，設置在襯底層上； 覆蓋層；以及具有超解析度結構的非線性層，布置在數據層與覆蓋層之間，該超解析度 結構包括電介質材料的粒狀雜質。非線性層包括作為超解析度結構的半導體材料，該半 導體材料在用雷射束照射時具有增大的反射率，電介質材料布置為具有5nm以下的厚度 的電介質層。例如通過使用具有半導體材料的濺射靶和具有電介質材料的濺射靶並通過同時 將該兩種材料濺射在數據層上，電介質材料可以與半導體材料一起設置在數據層之上。 備選地，在第一個步驟，第一非線性層設置在數據層之上；在下一個步驟，電介質材料 作為不均勻的粒狀層設置在第一非線性層上；以及在再一個步驟中，第二非線性層設置 在電介質層上，其中電介質層的厚度很小以使得電介質層成為第一非線性層與第二非線 性層之間的粒狀雜質。具體地，電介質層具有5nm以下的厚度，該厚度能夠通過僅以非 常短的處理時間將電介質材料濺射在第一非線性層上來提供。包括在非線性層中的電介質材料的粒狀雜質提供了在讀取數據時光學存儲介質 的增強的穩定性，其可以解釋為粒狀雜質限制了當用雷射束照射時非晶半導體材料的晶 化。晶化還取決於一個或兩個非線性層的厚度。在具有兩個非線性層的優選實施例中， 第一和第二非線性層的每個具有在10-40nm範圍內的厚度。該光學存儲介質具體地為具有與藍光光碟類似的外部尺寸的光碟，並且數據層 布置為具有凹坑結構的只讀數據層。在數據層與一個或兩個非線性層之間，有利地分別 設置第一和第二電介質層，第二和第三電介質層分別布置在覆蓋層和一個或兩個非線性 層之間。電介質材料有利地包括氮化物材料例如GeN或由其構成。


下面將參照附圖以示例的方式更具體地解釋本發明的優選實施例，附圖示出圖1是根據現有技術的具有非線性層的光碟，該非線性層包括超解析度結構；圖2是根據圖1的光碟的依賴於入射雷射功率的測試反射率值，該光碟包括InSb 層作為非線性層；圖3是對於圖1的光碟而言抖動值(jitter value)隨雷射功率的變化；圖4是當從圖1的光碟讀取數據時反射率值隨時間的變化；圖5是根據本發明優選實施例的具有兩個非線性層的光碟；以及圖6是幾個反射率測試隨時間的變化。
具體實施例方式以簡化的方式在圖1的截面圖中示出了根據現有技術的包括具有超分辨 率結構的非線性層4的光學存儲介質1。超解析度結構例如是超解析度近場結構(Super-RENS)。存儲介質1還包括襯底2，數據層3布置在襯底2上，數據層3具有隻 讀的壓制凹坑結構或者備選地具有用於提供記錄的凹槽結構。第一電介質層5作為保護 層布置在數據層3上。此外，反射金屬層(在圖1中未示出)，例如鋁層，可以布置在電 介質層5與數據層3之間。非線性層4也稱作掩模層，因為它布置在數據層3上方並且 對於某些特定的材料而言僅雷射束的高強度中央部分能實質上穿透該非線性層4。光學存 儲介質1例如是具有與藍光光碟相似的外部尺寸的光碟。光碟存儲介質1還包括覆蓋層7以保護存儲介質1，以及布置在覆蓋層7與非線 性層4之間的第二電介質層6。為了讀取數據層3的數據，由箭頭所示的雷射束被施加到 存儲介質1的頂部並首先穿透覆蓋層7。第一電介質層5和第二電介質層6包括例如材料 ZnS-SiO20 襯底2和覆蓋層7可以由塑性材料構成，正如DVD和CD中已知的。在其 他的實施例中，當使用超解析度近場結構時可以省略反射金屬層，由於熱效應其並不提 供透射率的增加，但以其他的超解析度效應工作。非線性層4的超解析度結構的優選材料例如是InSb合金。如圖2所示，當照射 的雷射功率增大到1.6mW以上時，InSb作為超解析度層的光學存儲介質的反射率增大。 這能夠通過從InSb的價帶到導帶的電子躍遷來解釋。與金屬相比，在導帶中具有高的電 子密度的半導體對光具有高的反射率。導帶中的電子密度能夠通過採用用於摻雜半導體 的η型摻雜材料(例如硒或碲)來進一步增大。對於在適度的雷射功率下用作只讀光學存儲介質的應用，使用InSb作為非線性 層4的光碟表現出了足夠高的載波噪聲比。但是近來的研究表明，對於包括InSb作為超 解析度層的光碟，當在約5.0m/s的光碟旋轉速度下以ImW至1.9mW範圍內的雷射功率 讀取數據時，光碟的數據結構會被不可逆地損壞。對於InSb作為夾在兩個電介質層之間的超解析度層的光碟(如圖1所示)，在圖 3中示出了抖動測試隨讀取功率的變化。第一曲線31涉及這樣的測試，其中對於光碟的 選定區域讀取功率從0.5mW連續增大到約2mW。如曲線31所示，直到ImW的雷射功 率，抖動值均保持在約10%的值以下，但是然後在1.5mW的功率區域中抖動值增大並達 到不可容忍的25%。第二曲線32示出對光碟的另一選定區域進行的抖動測試，以約2mW的高功率開 始並連續地將讀取功率減小到約0.5mW的值。可以看出，抖動值在一小段時間後迅速增 大到約25%的值，該25%的值對於較小的雷射功率仍基本上保持直到約0.5mW。這清楚 地表明，數據結構被較高的雷射功率不可逆地損壞了。因此，具有InSb作為超解析度層 的光碟不能提供可商業化使用的光學存儲介質所必需的足夠的長期穩定性。光碟的退化還可以從反射率測試得出，如圖4所示。曲線41示出用2mW的激 光功率連續讀取的單個軌道的反射率測試。對於InSb作為非線性層的光碟，該雷射功率 足以提供超解析度效應。可以看到，對於約30秒的時間t，反射率R保持為較高，但隨 後連續減小到一反射率值，其在300秒之後僅為初始值的約50%。曲線42示出另一軌道 的第二反射率測試，示出了類似的結果。為了克服該問題，根據本發明的光學存儲介質包括襯底層；數據層，設置在 襯底層上；覆蓋層；以及具有超解析度結構的非線性層，設置在數據層與覆蓋層之間。 超解析度結構包括半導體材料以及電介質材料的粒狀雜質，當用雷射束照射時該半導體材料具有增大的反射率。非線性層包括當用雷射束照射時反射率增大的材料，例如半導 體材料。在第一優選實施例中，光學存儲介質51包括襯底層52，數據層52a布置在襯底 層52上。數據層52a具體地包括凹坑結構以作為只讀數據層。具有第一超解析度結構 的第一非線性層54和具有第二超解析度結構的第二非線性層56布置在數據層52a上以提 供用作數據層52a的掩模層的功能。第一非線性層54和第二非線性層56包括當用雷射 束照射時反射率增大的材料，例如半導體材料。第一電介質層55布置在第一非線性層54與第二非線性層56之間。第一電介質 層55是超薄層且包括電介質材料，並被布置為第一非線性層54和第二非線性層56之間 的不均勻粒狀電介質層。電介質層具有具體地在5nm以下的厚度，該厚度能夠通過在第 一非線性層54上僅以非常短的處理時間濺射電介質材料來提供。電介質層55的厚度具體地選擇為使得無法獲得連續的層55，而是獲得這樣的 層，在該層中GeN材料沉積為第一非線性層54和第二非線性層56之間的不均勻粒狀電 介質層55，並且該層可以看作為在第一非線性層54和第二非線性層56之間提供粒狀或顆 粒狀電介質雜質的層。該超薄電介質層可以以非常短的暴露時間通過濺射工藝來製造。數據層52a有利地通過第二電介質層53與第一非線性層54分隔開，並且第三電 介質層57布置在第二非線性層56之上。覆蓋層58設置在第三電介質層57之上，以保 護光學存儲介質51。用於讀取或寫入數據的雷射束從頂部施加，首先穿透覆蓋層58，然 後聚焦在數據層52a上。非線性層54、56具體地包括III-V半導體族的半導體材料，例如GaSb或具有 IeV以下的帶隙的In合金(例如InAs或InSb)。此外，半導體材料可以通過使用η型摻 雜材料(例如硒和/或碲)來摻雜，以增大非線性層54和56當被雷射束照射時的反射 率。兩個非線性層54和56具體地包括相同的半導體材料或由相同的半導體材料構成。
在優選的設計中，第一非線性層54和第二非線性層56具有在10-40nm範圍內的 厚度，對於該厚度能夠期望得到最優的調製信號。第二電介質層53具有例如在40-100nm 範圍內的厚度，第三電介質層57具有在20-80nm範圍內的厚度。光學存儲介質具體地為 具有帶凹坑結構的只讀數據層的光碟。在另一優選實施例中，具有超解析度結構的非線性層設置在數據層52a之上，該 超解析度結構包括半導體材料以及電介質材料55的粒狀雜質，其中半導體材料當用雷射 束照射時具有增大的反射率。此外，有利地提供設置在數據層與非線性層之間的第一電 介質層、覆蓋層以及在覆蓋層與非線性層之間的第二電介質層。例如通過採用具有半導 體材料的濺射靶和具有電介質材料的濺射靶並通過同時將兩種材料濺射在數據層上，電 介質材料例如與半導體材料一起沉積在數據層上。通過這種光學存儲介質，對於長的讀取周期能夠獲得高的反射率值R，如圖6所 示。曲線61示出用2mW的雷射功率連續讀取的單個軌道的反射率R的測試，對應於圖 4的曲線41。曲線62是基於包括由很薄的GeN層分隔開的兩個InSb非線性層的光碟的測試， 對應於圖5的光學存儲介質51。對於用於曲線62的測試的實施例，第一非線性層54和 第二非線性層56的每個具有IOrnn的厚度，電介質層55具有3nm的厚度。第二電介質層53具有70nm的厚度，第三電介質層57具有50nm的厚度。此外，曲線63示出測試結果，其基於包括兩個InSb非線性層的光碟，對應於用 於曲線62的測試的光學存儲介質51，但具有6nm的均勻厚度的GeN電介質層。測試表 明，對於僅僅厚一點的GeN層，只獲得了低的反射率值。認為設置於兩個InSb層之間的超薄GeN層提供了用作再結晶的籽晶的電介質 島，該再結晶由高雷射功率的讀取引起。因此，超薄GeN層被看作為將InSb晶體生長限 制到一定顆粒尺寸的雜質。所限制的顆粒尺寸還取決於InSb層的厚度，在一個優選實施 例中每個InSb層具有IOnm的非常薄的厚度，從而使有源層堆疊的總厚度為約20-25nm， 該有源層堆疊由兩個非線性層54、56和電介質層55構成。因此，插設在兩個InSb非線性層之間的超薄GeN層顯著地改善了光碟的讀出穩 定性。其他的電介質材料，例如其他的氮化物材料，也可以用於電介質層55。對於材料 選擇而言實質的限制僅是，電介質材料不應與InSb層發生化學反應，並且對於讀取光碟 的選定軌道時獲得的溫度區域，擴散率低。因此，當用雷射束照射時具有增大的反射率 的其他半導體材料也能夠用於非線性層54、56。本發明的光學存儲介質具體地不限於與 採用405nm雷射波長的藍光型拾取器一起使用。本領域技術人員還可以實現本發明的其 他實施例，而不背離本發明的範圍。因此本發明由權利要求書限定。
權利要求
1.一種光學存儲介質，包括襯底層(52)；具有凹坑結構的只讀數據層(52a)，設置在該襯底層(52)上；覆蓋層(58)；以及具有超解析度結構的非線性層，設置在該數據層(52a)與該覆蓋層(58)之間，該超 解析度結構包括半導體材料和電介質材料(55)的粒狀雜質，其中該半導體材料在用雷射束照射時具有增大的反射率，並且其中該電介質材料(55)布置為具有5nm以下的厚度的電介質層(55)。
2.如權利要求1所述的光學存儲介質，其中該非線性層包括第一非線性層(54)，具有超解析度結構並設置在該數據層(52a)之上；第二非線性層(56)，具有超解析度結構並設置在該第一非線性層(56)之上，並且其中該電介質層(55)布置為在該第一非線性層(54)和該第二非線性層(56)之間的厚度 不均勻的層(55)。
3.如權利要求2所述的光學存儲介質，包括設置在該襯底層(52)與該第一非線性層 (54)之間的第二電介質層(53)以及設置在該覆蓋層(58)與該第二非線性層(56)之間的 第三電介質層(57)。
4.如權利要求3所述的光學存儲介質，其中該第一非線性層(54)和該第二非線性層 (56)的每個具有在10-40nm範圍內的厚度，該第二電介質層(53)具有在40-100nm範圍 內的厚度，該第三電介質層(57)具有在20-80nm範圍內的厚度。
5.如權利要求2-4中任一項所述的光學存儲介質，其中兩個非線性層(54，56)包括 相同的半導體材料或者由相同的半導體材料構成。
6.如權利要求1所述的光學存儲介質，包括設置在該數據層(52a)與第一非線性 層之間或者設置在該數據層(52a)與第一和第二非線性層(54，56)之間的第二電介質層 (53)，以及設置在該覆蓋層與第一非線性層之間或者設置在該覆蓋層與第一和第二非線 性層(54，56)之間的第三電介質層(57)。
7.如前述權利要求中任一項所述的光學存儲介質，其中半導體材料是III-V半導體族 中的一種，例如為GaSb或者帶隙為IeV以下的諸如InAs或InSb的In合金。
8.如前述權利要求中任一項所述的光學存儲介質，其中該電介質材料(55)包括氮化 物材料或者由氮化物材料構成，該氮化物材料例如為GeN。
9.如前述要求8所述的光學存儲介質，其中該電介質材料(55)包括材料GeN。
10.如前述權利要求中任一項所述的光學存儲介質，其中該光學存儲介質是光碟。
全文摘要
本發明提供了一種光學存儲介質。該光學存儲介質包括襯底層(52)；具有凹坑結構的只讀數據層(52a)，設置在襯底層(52)上；以及具有超解析度結構的非線性層(54，56)，設置在數據層(52a)之上。該超解析度結構包括半導體材料和電介質材料(55)的粒狀雜質，其中該半導體材料在用雷射束照射時具有增大的反射率，並且其中該電介質材料(55)布置為具有5nm以下的厚度的電介質層(55)。電介質材料有利地由布置在第一和第二非線性層(54，56)之間的氮化物材料例如GeN的不均勻層構成。
文檔編號G11B7/24GK102013261SQ201010277928
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月8日 優先權日2009年9月8日
發明者克里斯多福·費裡, 蓋爾·皮拉德 申請人:湯姆森特許公司