光電信息存儲材料及技術

1、信息存儲材料信息存儲材料一、磁性存儲材料一、磁性存儲材料二、光信息存儲材料二、光信息存儲材料三、三、MRAM材料及應用材料及應用一、磁性存儲材料一、磁性存儲材料在信息時代，大容量存儲技術在信息處理、在信息時代，大容量存儲技術在信息處理、傳遞和探測保存中占據著相當重要的地位。傳遞和探測保存中占據著相當重要的地位。經過一個世紀的發(fā)展，磁性存儲取得了巨大經過一個世紀的發(fā)展，磁性存儲取得了巨大的進步，目前的磁記錄密度已進入每平方英的進步，目前的磁記錄密度已進入每平方英寸寸10吉位數的量級。吉位數的量級。為了提高磁記錄的密度，主要途徑是增大介為了提高磁記錄的密度，主要途徑是增大介質的質的Hc/Br并降低

2、介質的厚度。但記錄后的并降低介質的厚度。但記錄后的輸出信號正比于輸出信號正比于Br，因此提高介質矯頑力是，因此提高介質矯頑力是關鍵。關鍵。磁記錄材料先后經歷了氧化物磁粉（磁記錄材料先后經歷了氧化物磁粉（- -FeFe2 2O O3 3）、金屬合金磁粉（）、金屬合金磁粉（FeFeCoCoNiNi等合等合金磁粉）和金屬薄膜三個階段。矯頑力和剩金磁粉）和金屬薄膜三個階段。矯頑力和剩磁都得到了很大的提升。磁都得到了很大的提升。金屬薄膜是高記錄密度的理想介質。因為薄金屬薄膜是高記錄密度的理想介質。因為薄膜介質是連續(xù)性介質，并具有高的矯頑力和膜介質是連續(xù)性介質，并具有高的矯頑力和高的飽和磁化強度。后者可有

3、效的減薄磁性高的飽和磁化強度。后者可有效的減薄磁性層的厚度。這些正是高記錄密度介質所必備層的厚度。這些正是高記錄密度介質所必備的性能。的性能?？v向磁化記錄縱向磁化記錄磁化方向與記錄介質的運磁化方向與記錄介質的運動方向平行的記錄方式。如硬盤、軟盤、磁動方向平行的記錄方式。如硬盤、軟盤、磁帶等。提高其存儲密度的方式主要是提高矯帶等。提高其存儲密度的方式主要是提高矯頑力和采用薄的存儲膜層。頑力和采用薄的存儲膜層。垂直磁記錄垂直磁記錄磁化方向和記錄介質的平面磁化方向和記錄介質的平面相垂直的記錄方式。它可徹底消除縱向磁記相垂直的記錄方式。它可徹底消除縱向磁記錄方式隨記錄單元縮小和膜層錄方式隨記錄單元縮小

4、和膜層h減薄所產生減薄所產生的退磁場增大的效應，因而更有利于記錄密的退磁場增大的效應，因而更有利于記錄密度的提高。同時對薄膜厚度和矯頑力的要求度的提高。同時對薄膜厚度和矯頑力的要求可更寬松。但其對信號的讀出效率較差，要可更寬松。但其對信號的讀出效率較差，要求磁頭必須距記錄介質面很近。求磁頭必須距記錄介質面很近。高密度磁性存儲磁頭材料高密度磁性存儲磁頭材料磁記錄的兩種記錄剩磁狀態(tài)（磁記錄的兩種記錄剩磁狀態(tài)（Mr）是由正、）是由正、負脈沖電流通過磁頭反向磁化介質來完成的。負脈沖電流通過磁頭反向磁化介質來完成的。在讀出記錄信號時，磁頭是磁記錄的一種磁能在讀出記錄信號時，磁頭是磁記錄的一種磁能量轉換器

5、，即磁記錄是通過磁頭來實現電信號量轉換器，即磁記錄是通過磁頭來實現電信號和磁信號之間的相互轉換。因此磁頭同磁記錄和磁信號之間的相互轉換。因此磁頭同磁記錄介質一樣是磁記錄中的關鍵元件。介質一樣是磁記錄中的關鍵元件。磁頭在磁記錄過程中經歷了幾個階段：磁頭在磁記錄過程中經歷了幾個階段：體形磁頭薄膜磁頭體形磁頭薄膜磁頭磁阻磁頭巨磁阻磁頭磁阻磁頭巨磁阻磁頭磁阻、巨磁阻效應磁阻、巨磁阻效應1971年有人提出利用鐵磁多晶體的各向異年有人提出利用鐵磁多晶體的各向異性磁電阻效應制作磁記錄的信號讀出磁頭。性磁電阻效應制作磁記錄的信號讀出磁頭。1985年年IBM公司實現了這一設想。此后，公司實現了這一設想。此后，磁

6、記錄密度有了很大的提高。磁阻磁頭主要磁記錄密度有了很大的提高。磁阻磁頭主要采用采用Ni（Co，Fe）系列的鐵磁合金材料，）系列的鐵磁合金材料，其主要特點當電流與磁場平行和垂直時其電其主要特點當電流與磁場平行和垂直時其電阻率有較明顯的變化。阻率有較明顯的變化。上世紀上世紀80年代末法國巴黎大學年代末法國巴黎大學Fert教授課教授課題組提出和發(fā)現的巨磁阻（題組提出和發(fā)現的巨磁阻（GMR）效應可）效應可使使NiFe系列磁阻效應高一個數量級以上，系列磁阻效應高一個數量級以上，引起極大轟動，也為磁頭技術帶來了突飛猛引起極大轟動，也為磁頭技術帶來了突飛猛進的發(fā)展。該項成果也獲得了進的發(fā)展。該項成果也獲得了

7、2007年諾貝年諾貝爾物理獎。爾物理獎。GMR效應主要基于電子自旋特性產生。效應主要基于電子自旋特性產生。MpM電子的電子的兩大量兩大量子特性子特性電荷電荷自旋自旋NP+-ENP+-巨磁電阻電阻網絡模型巨磁電阻電阻網絡模型(Mott二流體模型二流體模型)兩磁性層平行 兩磁性層反平行 NFFNFRwLR)P1(w2RRR DeN2 DeN2NFFNFRwLR)P1(w2RRR P1986發(fā)現發(fā)現AF耦合耦合GMR1988發(fā)現發(fā)現GMR1991發(fā)明自旋閥發(fā)明自旋閥1994,GMR記錄磁頭記錄磁頭2005,100Gb/in2記錄磁頭記錄磁頭1993第一個第一個GMR MRAM2005，1Gb MRA

8、M自旋閥典型結構自旋閥典型結構二、光信息存儲材料二、光信息存儲材料與磁存儲技術相比，光盤存儲有以下與磁存儲技術相比，光盤存儲有以下優(yōu)勢：優(yōu)勢：存儲壽命長，一般在存儲壽命長，一般在10年以上；年以上；非接觸式讀非接觸式讀/寫，光頭與光盤間有寫，光頭與光盤間有12mm距離，因此光距離，因此光盤可以自由更換；盤可以自由更換；信息載噪比高，而且經多次讀寫不降低；信息載噪比高，而且經多次讀寫不降低；信息位的價格低。信息位的價格低。缺點：缺點：光盤驅動器較貴，數據傳輸率較低。光盤驅動器較貴，數據傳輸率較低。 在未來在未來10年內，磁存儲和光盤存儲仍為年內，磁存儲和光盤存儲仍為高密度信息外存儲的主要手段。今

9、后高性能高密度信息外存儲的主要手段。今后高性能的硬盤主要為計算機聯機在線存儲，以計算的硬盤主要為計算機聯機在線存儲，以計算機專業(yè)用為主。高性能光盤為脫機可卸式海機專業(yè)用為主。高性能光盤為脫機可卸式海量存儲和信息分配存儲，以消費用為主。量存儲和信息分配存儲，以消費用為主。 提高存儲密度和數據傳輸率一直是光盤存提高存儲密度和數據傳輸率一直是光盤存儲技術的主要發(fā)展目標。同時，多功能（可儲技術的主要發(fā)展目標。同時，多功能（可擦重寫）也是光盤存儲技術的發(fā)展方向，也擦重寫）也是光盤存儲技術的發(fā)展方向，也由此才能與日益發(fā)展的磁盤存儲技術競爭。由此才能與日益發(fā)展的磁盤存儲技術競爭。光盤工作性能的擴展取決于存儲

10、介質的進展。光盤工作性能的擴展取決于存儲介質的進展。CD-ROM光盤的信息數據是預刻于光盤母盤上光盤的信息數據是預刻于光盤母盤上的（形成凹坑），然后制成金屬壓膜，再把凹坑的（形成凹坑），然后制成金屬壓膜，再把凹坑復制于聚碳酸酯的光盤基片上。靠凹坑與周圍介復制于聚碳酸酯的光盤基片上?？堪伎优c周圍介質反射率的不同讀出信號。由于其價格便宜，制質反射率的不同讀出信號。由于其價格便宜，制作方便，已大量使用。作方便，已大量使用。光盤記錄點的尺寸決定于聚焦光束的衍射極限。光盤記錄點的尺寸決定于聚焦光束的衍射極限?？s短記錄激光波長是縮小記錄點間距，提高存儲縮短記錄激光波長是縮小記錄點間距，提高存儲密度的關鍵。

11、采用密度的關鍵。采用GaN半導體激光器（記錄波長半導體激光器（記錄波長0.400.45m），可將光盤的存儲容量提高），可將光盤的存儲容量提高到到10GB以上，稱為超高密度光盤存儲技術。以上，稱為超高密度光盤存儲技術?？刹林貙懝獗P存儲技術可擦重寫光盤存儲技術可擦重寫光盤的存儲介質能夠在激光輻射下可擦重寫光盤的存儲介質能夠在激光輻射下起可逆的物理或化學變化。目前發(fā)展的主要起可逆的物理或化學變化。目前發(fā)展的主要有兩類，即磁光型和相變型。前者靠光熱效有兩類，即磁光型和相變型。前者靠光熱效應使記錄下來的磁疇方向發(fā)生可逆變化，不應使記錄下來的磁疇方向發(fā)生可逆變化，不同方向的磁疇使探測光的偏振面產生旋轉同方

12、向的磁疇使探測光的偏振面產生旋轉（即克爾角）作讀出信號；后者靠光熱效應（即克爾角）作讀出信號；后者靠光熱效應在晶態(tài)與非晶態(tài)之間產生可逆相變，因晶態(tài)在晶態(tài)與非晶態(tài)之間產生可逆相變，因晶態(tài)與非晶態(tài)的反射率不同而作為探測信號。與非晶態(tài)的反射率不同而作為探測信號。磁光材料磁光材料具有顯著磁光效應的磁性材料稱具有顯著磁光效應的磁性材料稱為磁光材料。主要為石榴石型鐵氧體薄膜。為磁光材料。主要為石榴石型鐵氧體薄膜。磁光效應磁光效應偏振光被磁性介質反射或透射后，偏振光被磁性介質反射或透射后，其偏振狀態(tài)發(fā)生改變，偏振面發(fā)生旋轉的現其偏振狀態(tài)發(fā)生改變，偏振面發(fā)生旋轉的現象。由反射引起的偏振面旋轉稱為克爾效應；象。

13、由反射引起的偏振面旋轉稱為克爾效應；由透射引起的偏振面旋轉稱為法拉第效應。由透射引起的偏振面旋轉稱為法拉第效應。磁光存儲的寫入方式磁光存儲的寫入方式利用熱磁效應改變微小區(qū)域利用熱磁效應改變微小區(qū)域的磁化矢量取向。磁光存儲薄膜的磁化矢量必須垂的磁化矢量取向。磁光存儲薄膜的磁化矢量必須垂直于膜面。如果它的初始狀態(tài)排列規(guī)則，如磁化方直于膜面。如果它的初始狀態(tài)排列規(guī)則，如磁化方向一致向下，當經光學物鏡聚焦的激光束瞬時作用向一致向下，當經光學物鏡聚焦的激光束瞬時作用于該薄膜的一點時，此點溫度急劇上升，超過薄膜于該薄膜的一點時，此點溫度急劇上升，超過薄膜的居里溫度后，自發(fā)磁化強度消失。激光終止后溫的居里溫

14、度后，自發(fā)磁化強度消失。激光終止后溫度下降，低于居里溫度后，磁矩逐漸長大，磁化方度下降，低于居里溫度后，磁矩逐漸長大，磁化方向將和施加的外加偏置場方向一致。因為該偏置場向將和施加的外加偏置場方向一致。因為該偏置場低于薄膜的矯頑力，因此偏場不會改變其它記錄位低于薄膜的矯頑力，因此偏場不會改變其它記錄位的磁化矢量方向。的磁化矢量方向。磁光存儲即有光存儲的大容量及可自由插換的特點，磁光存儲即有光存儲的大容量及可自由插換的特點，又有磁存儲可擦寫和存取速度快的優(yōu)點。又有磁存儲可擦寫和存取速度快的優(yōu)點。相變型光存儲介質主要為相變型光存儲介質主要為Te（碲）和非（碲）和非Te基的半導體合金。它們的熔點較低并

15、能快速基的半導體合金。它們的熔點較低并能快速實現晶態(tài)和非晶態(tài)的可逆轉變。兩種狀態(tài)對實現晶態(tài)和非晶態(tài)的可逆轉變。兩種狀態(tài)對光有不同的發(fā)射率和透射率。光有不同的發(fā)射率和透射率。相變存儲依據的是硫化材料的電子感應相變相變存儲依據的是硫化材料的電子感應相變原理，由電流注入產生的劇烈的熱量可以引原理，由電流注入產生的劇烈的熱量可以引發(fā)材料的相變。相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)代發(fā)材料的相變。相變材料的晶態(tài)和非晶態(tài)代表了表了“0”和和“1”，只要在上面施加少量的，只要在上面施加少量的復位電流就能觸發(fā)這兩個狀態(tài)的切換。但是復位電流就能觸發(fā)這兩個狀態(tài)的切換。但是這種硫化材料一直以來都很難可靠地批量生這種硫化材料一直以

16、來都很難可靠地批量生產。產。 MRAM MRAM不僅具有不僅具有SRAMSRAM存取速度快、工作電壓低，存取速度快、工作電壓低，DRAMDRAM重復重復擦寫次數多的優(yōu)點，而且具備擦寫次數多的優(yōu)點，而且具備FLASHFLASH的非易失性，并且由于的非易失性，并且由于其抗電磁干擾、抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，在計算領域和其抗電磁干擾、抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，在計算領域和軍事信息領域具有重大的應用價值。軍事信息領域具有重大的應用價值。三、三、MRAM材料及應用材料及應用目前DRAM、SRAM和Flash都是基于半導體技術開發(fā)。靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作存儲元件，因此速度快，但相對于

17、DRAM集成度低。DRAM相對于SRAM來說集成度高，但因為用電容作存儲元件，放電時間長，限制了DRAM的速度。另外，DRAM中利用電容器來維持信息狀態(tài)。當字線為低電位時，存儲元件處于維持狀態(tài)，即不讀不寫。但過一段時間（ms級），電容上電荷逐漸泄漏掉，其電位逐漸降低，原存電容上的信息“1”便會丟失。這樣每隔一定時間必須對電容充電一次，以補充泄漏的電荷，恢復到原來的電位，也就是說需要刷新，因而外圍電路比較復雜。而Flash控制原理是電壓控制柵晶體管的電壓高低值（高低電位），柵晶體管的結電容可長時間保存電壓值， 因而能斷電后保存數據。但其單元工作電壓較大，存儲密度提高不易。且寫入時間較長。 隨著硅

18、技術進入深納米時代，越來越多的人開始關心半導體技術能否跟上工藝節(jié)點的步伐 .晶體管縮小終有極限，并且隨著制造成本上漲，制造利潤也變得越來越小。雖然大多數專家相信，即使工藝節(jié)點縮小到20nm，硅技術仍將保持其領先地位，但是在20nm以下，將出現大量由基礎以及特殊應用引發(fā)的障礙，從而阻撓工藝節(jié)點的進一步縮小。 隨著大家對“不久的將來，DRAM和閃存器件在體積上將不會有所變化”的疑慮不斷增加，人們開始關注下一代(或稱通用存儲)技術 。毫無疑問，下一代存儲器市場的競爭一定會十分激烈，而目前也很難判定哪種技術將在潛能巨大的通用存儲器業(yè)務中勝出。 基于巨磁電阻效應（Giant Magnetoresistive，GMR）的一種新型存儲器磁性隨機存儲器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)，因其具有快速存取、非易失性、抗輻射、抗干擾、低功耗、使用壽命長、成本低等優(yōu)點，兼具了其它所有存儲器的優(yōu)點，而受到各國研究者的廣泛關注，成為當前存儲器研究領域的熱點。 MRAM MRAM的核心技術主要包括三方面：其的核心技術主要包括三方面：其一是