接触探针储存场效应晶体管探测器和写入加热装置 【技术领域】
本发明涉及一种接触探针储存(CPS)装置及类似装置的读/写装置，其中加热器用来加热介质并改变其表面特征，因此可将数据写入介质中，基于场效应晶体管(FET)的读出探测器装置可对因表面特征改变引起的距支承介质并产生电场的基片的距离变化作出反应。
背景技术
到目前为止已经提议使用支承在悬臂的接触可移动介质的探针来检测写入可移动介质的数据。加热元件(加热器)设置在悬臂上紧贴探针的位置。加热器由通过的电流加热。利用可移动介质和探针(或设有加热元件的悬臂部分)之间的传热特性可确定移动介质与载有探针的悬臂之间距离的细微变化，并可利用此方式作为读出储存在可移动介质的数据的方法。
悬臂上的加热器用于读出和写入。读出功能利用了一种热读出探测器装置，这种装置利用与温度相关的电阻功能。在这种装置中，当热值/温度从室温上升到500-700℃之间的峰值时，电阻(R)非线性增加。峰值温度由加热器平台中的掺杂浓度决定，掺杂浓度位于从1×1017至2×1018的范围内。在峰值温度以上电阻降低，因为本征载流子数因热激励而增加。
检测时，电阻工作在大约200℃。该温度不足以达到使聚合物介质软化的程度，而这是写入数据所必需的，但却能够使分子能量在载有探针的悬臂和移动介质之间传输以带走热量，因此提供了一种参数，使得能够测量载有探针的悬臂和探针在其上移动的介质之间地距离。
也就是说，这种热检测基于这样的事实，即加热器平台和储存基片之间的导热性根据其间的距离而变化。悬臂和储存基片之间的媒介，在这种情况下是空气，将热量从加热器/悬臂的一侧输送到储存介质/基片的另一侧。当加热器和介质之间的距离由于探针移动到数据单元凹痕中而减小时，热量能够更加有效地通过空气传输，从而使加热器的温度及其电阻降低。因此，当悬臂在数据单元扫描时，连续加热电阻器的温度变化被监测而提供了一种探测数据的方法。
在一般的工作条件下，热机械检测的灵敏度比压阻应变检测的灵敏度更高，因为半导体的热效应比应变效应更高。由40纳米尺寸的数据单元凹痕可表现出大约为10-4/纳米的ΔR/R灵敏度。这比通过压阻应变技术取得的结果更好。
然而，已经发现热反应比所希望的慢很多，而且比悬臂机械跟随写入介质的数据模式的能力慢很多。因此，如果不受检测系统热反应限制的话，系统的读出能力将会更快。
【发明内容】
本发明提出一种读/写装置，包括：
悬臂和介质，所述介质可相对所述悬臂移动；
器件，与所述悬臂和所述介质其中之一相连，设计成可对所述介质和所述悬臂之间因所述介质和所述悬臂间距改变引起的电场变化作出反应；
加热器，布置在所述悬臂上用来加热所述介质并引起代表数据单位的局部表面特征变化；和
连接所述器件和所述加热器的电路。
本发明还提出一种接触探针原子分辨储存系统的读/写装置，包括：
悬臂和不导电的介质，所述介质可相对所述悬臂移动，所述悬臂具有设计成可随所述介质的表面特征变化的探针；
器件，设置在所述悬臂，可对因所述悬臂和支承所述介质的基片之间距离改变引起的电场变化作出反应；和
加热器，布置在所述悬臂并通过电路与所述器件相连。
本发明还提出一种读/写装置，包括：
场效应晶体管器件，利用掺杂导电的源极和漏极区在硅悬臂的选定表面而形成，通过施加偏压到与所述悬臂分开的基片而产生电场，所述场效应晶体管器件可选通；
位于所述悬臂的所述选定表面的探针；和
加热器装置，位于所述悬臂的紧贴所述探针处，可进行加热和形成表示与所述探针接合的介质的数据的表面特征。
【附图说明】
图1是本发明的实施例的带有探针的悬臂(对着介质的一侧向上)的示意性透视图；
图2A和2B是悬臂以及通过根据本发明实施例的加热器写有数据单元的介质的示意性侧视图，分别示出了当悬臂上的探针接合基片的平面表面以及进入或定位于表示数据的表面特征变化部位时所引起的距离变化；
图3是悬臂探针侧的示意性平面图，示出了根据本发明第一个实施例的加热器/场效应晶体管器件；
图4是悬臂底侧的示意性平面图，示出了根据本发明第二个实施例的加热器/场效应晶体管器件；
图5是悬臂底侧的示意性平面图，示出了根据本发明第三个实施例的加热器/场效应晶体管器件；
图6是悬臂底侧的示意性平面图，示出了根据本发明第四个实施例的加热器/场效应晶体管器件；
图7是电路图，示出了用于本发明实施例的加热器和场效应晶体管之间的基本连接方式。
【具体实施方式】
图1、2A和2B示出了本发明实施例的一种悬臂装置。悬臂100的内侧端支承在基座102，其外侧端设有探针104。在所示装置中，悬臂100由两个臂部100A、100B构成，其外侧端通过端部连接件100C互相连接。
探针104设置在端部连接件100C。利用适当的掩模和蚀刻等制造技术形成的探针104至少一部分是不导电的。
激活材料层106布置在悬臂100的臂上，以控制悬臂朝可相对悬臂100移动或反向运动的介质108弯曲。然而，激活材料106并不限于使用有固有应力的材料，如果需要的话也可以用压电材料。
介质108包括设置在适当支承基片表面的一层可热变形材料，如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在这种情况下不导电的介质108可以局部加热，通过熔化和改变介质的表面特征至某种程度来写入数据，这种变化能够利用探针104以图2A和2B中所示的方式进行探测。介质108支承在这种情况下导电的基片110上并与探测器电路112电连接，探测器电路112可施加偏压到基片110产生可选通场效应晶体管的电场。
虽然所述表面特征表示为一系列数据凹痕或凹陷108A，但是也可以用隆起(未示出)或凹陷与隆起的组合来代替。应当认识到在形成凹陷的过程中可能还会形成相关的隆起。隆起一般在没有凹陷的区域形成。
因此，当介质108或悬臂100相对另一个移动而确定准确的坐标关系时，可以使悬臂朝介质移动。如果有凹坑108A(或孤立的隆起)以图2B所示方式位于探针104的下面，探针104进入凹坑中(或与隆起的顶部接合)表示存在一个数据单元。如果探针104没有发现凹坑或隆起而是落在介质的平面表面上，如图2A中所示，那么表示没有数据单元。
而且，数据单元还可以这样编码，使得从某一状态(凹陷、隆起或平直表面)到另一状态的特定变化表示一个数据单元，而其它状态或变化表示没有数据单元。本发明可以使用其它用于接触储存器探测模式的编码技术，或探测器-介质系统的反应中主要的其他反应。
因此介质108的表面特征因此使得介质108与上面设有探针104的悬臂100之间的距离或间隙发生变化。这种距离变化使得设置在悬臂100的靠近探针104处的一般用114表示的场效应晶体管(FET)能够对基片110和悬臂100之间产生的电场变化作出反应，从而根据介质108和悬臂100之间的间隙量对通过场效应晶体管114的电流形式的信号进行调制。
探测器电路112还可以用来对通过场效应晶体管114的电流变化作出反应以探测悬臂100和基片110之间的距离变化。在本发明的实施例中，加热器116与场效应晶体管114通过电路连接并设置成可通过导电迹线或线路供电，这些导电迹线或线路比如通过掺杂(离子注入或其它类似的方法)在悬臂100形成，并且为加热器116和场效应晶体管114所用。
图3示意性地示出了本发明的第一个实施例。但是应当注意到，在图3-6中示出的悬臂部分100只是悬臂100上能够靠近和离开介质108的端部。如图所示，加热器116是设置在悬臂100的紧靠探针104部位的具有适当电阻的导电区域。
加热器116的电阻可以通过控制相对两侧迹线的掺杂浓度进行控制，两侧迹线的掺杂越多就越加导电。应当知道，探针104本身可以成为加热器的一部分而使介质108的局部加热和熔化更加容易。
在此实施例中，悬臂100是由硅制成的，并用已知的方式进行掩模、蚀刻和掺杂而形成所示结构和导电线路或迹线114A、114B、114C和114D。这些迹线构成场效应晶体管114的源极、漏极和沟道，以及使加热器116工作的电路。
除了写入之外，加热器116还可以加热和引起介质局部区域的软化和回流以弄平和擦去表示数据的凹痕或隆起。不必多说，加热器必须保持靠近介质的这一部分，但探针104并不与之接触。
设有场效应晶体管114的悬臂100部分与介质之间以图2A和2B所示方式发生的距离变化足以改变场效应晶体管沟道区中的电场强度。悬臂100与基片110之间距离的变化将改变场效应晶体管114的选通状态并调制从漏极114A通过沟道114C流到源极114B和114D的电流，沟道114C介于这两个源极114B和114D之间。
场效应晶体管114只是沿悬臂100的下部形成，并只是设置在悬臂100的响应探针遇到表面特征产生的变化而实际移动的部分。在悬臂的下表面形成场效应晶体管114使制造更加容易，并能提供更大的宽/长比和更大的探测器区域以及更大的增益。避免在悬臂不会发生很大移动的部分形成场效应晶体管114，以避免产生直流电流和噪声。
由于探针104在不导电的介质108上移动或与之接触，所以流经场效应晶体管114的电流的调制只是由于悬臂100和基片110之间产生的电场变化而引起，基片110当然必须足够导电，使得能够形成所要求的电场。
在读出模式中，迹线114A沿两分路100A、100B连续延伸并越过末端跨接部分100C，用作共用的漏极，而迹线114B和114D用作基本上两半的场效应晶体管的源极。在此实施例中，结构114C形成使场效应晶体管装置的漏极和源极分开的沟道。
施加在基片110上的偏压选通场效应晶体管，使电流能够通过所形成的两个沟道部分114C。共用漏极和两个源极之间的电流用来得到读信号。由于迹线114B和114D此时都用作“源极”，所以没有电流通过加热器116。
在加热/写模式中，基片110上的偏压降低到使场效应晶体管不能选通的程度。此时迹线114B和114D的作用发生变化，使得其中一个作为加热器116的正极而另一个作为加热器116的负极。因此引发通过加热器116的电流。
使得读和写模式之间能够发生这种变化的开关装置为电控领域的技术人员所熟知，因此为了简化起见不作进一步讨论。
在图3中示出的场效应晶体管114是一种耗尽型N沟道场效应晶体管。但是，本实施例并不限于这种场效应晶体管，如果需要的话也可以用P沟道型的来代替。在耗尽型场效应晶体管中，沟道是通过在沟道区中掺杂而形成的。通过调整栅压可以改变场效应晶体管的导电量。如果使栅压足够负，将从沟道赶走载流子而使场效应晶体管停止导电。
如图2A和2B所示，介质108与悬臂100可(用机械方法)相互连接，因此通过用件118表示的驱动机构(在图2中示意性地示出)可以选择性地使介质108相对悬臂100移动。该机构设置成可使两个部件(悬臂100和介质108)相对移动，而呈现出选定的坐标关系，并使探针104处于这样的位置，能够探测在此坐标系中是否存在表示数据变化的表面特征(如凹陷108A)。
通过这种实施例，可以预期有良好的探测器带宽，因为电场的响应速度与悬臂的运动速度一样快。因此场效应晶体管能够对电场强度的变化快速作出反应，从而有可能使悬臂的机械结构成为带宽的限制因素。可以预期这种装置的信噪比(SNR)与上述热动式探测器相比能够提高，因为后者的许多有用信号由于热低通作用而滤掉。
由于场效应晶体管能够产生增益，所以可以预期本实施例的检测方式相对各种噪声源能够产生较大的输出信号，从而减少因这些噪音引起的信号降低。
虽然已经介绍图3中的实施例包括耗尽型场效应晶体管，但是在本发明的这一实施例和其它实施例中也可以使用感应沟道型场效应晶体管。这种感应沟道或增强型场效应晶体管没有本征沟道，而且漏极至源极的导电性很低直至施加栅压。当栅压超过给定阈值时，有足够多的载流子被拉入沟道区使器件开始导电。在N沟道增强型场效应晶体管中，沟道是p型材料的，当施加有足够正的栅压时可形成导带。当导电时，这种沟道表现出n型材料的性质。
图4示出了本发明的第二个实施例。在此实施例中，构成场效应晶体管214左右侧部分的掺杂迹线简化掉。这种构造方式使得悬臂200的末端跨接部分200C能够变窄，并使悬臂200紧贴探针204的区域增加的热质量最少。它还限制了悬臂腿部的导热性。
加热器216以所示方式布置在外侧迹线之间，在读模式中，两个外侧迹线都起到场效应晶体管214的漏极的作用，而内侧迹线起到源极的作用，采用与图3所示第一实施例的相同方式进行切换。
图5示出了本发明的第三个实施例。在此实施例中，场效应晶体管314′在加热模式还起到加热器的作用，所以场效应晶体管元件的几何尺寸使探针104附近的场效应晶体管的宽度达到最大。因此这一实施例只有一个源极314B和一个漏极314A。
读和写模式之间的转换是通过使场效应晶体管部分接通的电压下使源极和漏极工作来实现的。这使沟道处于中等导电状态，产生许多压降。假定基片电势是固定的，源极电压可以被设置为形成场效应晶体管“接通电阻”的值，而漏极可以设置为使所要求的能量耗散掉的电压。
然而，这一技术可能会使沟道中的功率密度过高，因而场效应晶体管的控制可能需要有精确控制的电压等类似措施。
图6示出了本发明的第四个实施例。在此实施例中，悬臂400包括两个跨接部分400C和400D。第二个跨接部分400D设置在设有探针和加热器的末端跨接部分的内侧。场效应晶体管414设置在第二个跨接部分上因此与加热器416隔开。场效应晶体管414具有交叉指形的源极和漏极部分414B、414A，沟道414C以所示方式介于其间。场效应晶体管源极与漏极结构的交叉或交错能够提供较高的宽/长比因而可以提高性能。这一实施例当然需要修改悬臂的结构。然而，利用传统的蚀刻技术很容易实现这种修改，因此不必再对此作进一步介绍。
图7以电路图的形式示出了在图6建立的装置。从该电路图知道，施加到基片110上的偏压可以选通设置在悬臂400第二个跨接部分400D中的场效应晶体管结构414。在写入阶段，施加在基片110上的偏压能够被调整到这样的水平，场效应晶体管414变成非导电的而表现出超过10,000欧姆的电阻。这使得有足够的电流能够通过腿414A1和414A2输送到加热器416以提高围绕(和/或包含)探针404的悬臂部分的温度，如果把探针压下到介质108的表面上，这一温度足以使介质108熔化而改变其表面特征。
相反地，在检测阶段，基片110上的偏压升高到这样的水平，使得场效应晶体管能够选通而变成导电的(因此比如表现出1000欧姆的电阻)。此时，加热器的高电阻(比如大约为3500欧姆)能够有效地引导大部分电流通过场效应晶体管414，使加热器的温度基本上降低到环境水平。
虽然已经参考一些实施例介绍了本发明，但是在不脱离本发明范围的情况下可以作出各种修改和变化，本发明的范围只是由所附权利要求限定而，且对于原子分辨储存(ARS)和接触探针储存(CPS)技术领域的专业人员是不言而喻的。例如，虽然在图4-6中示出的第二至四个实施例使用耗尽型场效应晶体管，但是也可以采用感应沟道或增强型场效应晶体管。