5信息存储材料与器件

2024/11/71第五章信息存储材料与器件2024/11/72信息存储材料是指用于各种存储器的一些能够用来记录和存储信息的材料。这类材料在一定强度的外场（如光、电、磁或热等）作用下会发生从某种状态到另一个状态的突变，并能使变化后的状态保持比较长的时间，而且材料的某些物理性质在状态变化前后有很大差别。通过测量存储材料状态变化前后的这些物理性质，数字存储系统就能区别材料的这两种不同状态并用“0”和“1”来表示他们，从而实现存储。2024/11/73计算机存储器系统外存的特点：容量大、单位容量成本低、非易失性、寻址和访问速度慢、存储体可更换等。计算机存储系统内存、cache外存磁存储器光存储器磁盘磁带软磁盘硬磁盘其他磁盘存储器CDDVDDVD-R….VCDCD-R….半导体存储器Flash电子盘2024/11/74磁存储材料半导体存储器材料光存储材料2024/11/75一、磁存储材料1.1磁存储原理磁化曲线和磁滞回线磁存储密度D与磁存储材料的关系：其中，h为磁性薄膜的厚度，Hc为矫顽力，Mr为剩余磁化强度，m为与磁滞回线的磁形度有关的因子。2024/11/76水平存储示意图磁存储的模式主要分为两种：水平（纵向）存储模式、垂直存储模式2024/11/771.2磁存储系统磁存储系统组成：磁头（换能器）、记录介质（存储介质）、匹配的电路和伺服机械（传送介质装置）。磁头是磁存储的核心部件之一，按其功能可分为记录磁头、重放磁头和消磁磁头三种。记录磁头：将输入的记录信号电流转变为磁头缝隙处的记录磁化场，并感应磁存储介质产生相应变化。重放磁头：当磁头经过磁介质时，磁存储介质的磁化区域会在磁头导线上产生相应的电流，即把已记录信号的存储介质磁层表露磁场转化为线圈两端的电压，经电路放大和处理，获得信号。消磁磁头：将信息从磁存储介质上抹去，使磁层从磁化状态返回到退磁状态。2024/11/78磁记录/重放过程示意图2024/11/79细看硬盘内部结构2024/11/710硬盘磁头及附属组件2024/11/711磁头组件。这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.1～0.3μm，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3μm，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。2024/11/7121.3磁存储材料铁磁性物质分为：软磁性材料

矫顽力低、磁导率高、磁滞损耗低、易磁化、易退磁

用于磁头磁芯材料，包括软铁磁性合金材料和软铁磁性铁氧体材料。硬磁性材料

矫顽力高、磁导率低、磁滞特性显著用于磁记录介质材料，包括磁带、硬磁盘、软磁盘、磁卡片等，可以为磁粉（颗粒）涂布型介质或者连续薄膜型介质。2024/11/713A磁头材料磁头基本功能是与磁存储介质构成磁性回路，对信息进行加工，包括记录、重放、消磁等功能。按工作原理可分为磁阻式磁头和磁感应式磁头。（1）磁阻式磁头磁性材料的电阻随着磁化状态而改变的现象称为磁阻效应。用于磁电阻读出的磁性材料，应具有最小的磁致伸缩系数。优点：灵敏度高、分辨率高、输出与磁带速度无关。缺点：需要足够大的电流或偏置磁场才能驱动，且没有记录功能2024/11/714（2）磁感应式磁头磁性合金最早应用磁头用磁性合金叠成。最重要三种合金是钼坡莫（钼铁镍）合金、铝铁合金、铝硅铁合金。非晶态合金铁基非晶态合金，适于作视频磁头材料钴基非晶态合金，磁导率高、居里温度高铁氧体镍锌铁氧体，成分(NiO)x(ZnO)1-x(Fe2O3)

锰锌铁氧体，成分(MgO)x(ZnO)1-x(Fe2O3)薄膜磁头材料由镍铁合金制成，含80％Ni＋20％铁。可以采用真空蒸发、溅射和电解工艺来制作。2024/11/715B磁带、磁盘存储材料磁带

优点：价格便宜、数据载体可以更换、存储容量可以随意扩充缺点：只能按顺序存取结构：主要由磁性材料、带基、黏结剂和添加剂组成。材料：磁性材料有磁性粉末材料和磁性薄膜材料两种带基选用聚氯乙稀和聚酯薄膜等材料2024/11/716

硬磁盘技术的进展时间 1992 1995 1998 2000 2003储存容量(GB) 0.6 0.9 5-10 10 >50储存密度(Gb/in2) 0.1 0.8 4 6 20数据率(Mb/s) 16 100 150 350 500存取时间(ms) 30 20 10 6 5磁介质材料： 磁性氧化物（氧化铁）涂在塑料和金属薄片上（70’）， 超细磁性氧化物粉末及磁性氧化物薄膜（80’）， 连续磁性介质CoCrPt,CoCrTa薄膜（90’），

CoSm,Fe/Pt,Fe/Cr,Co/Cu多层膜。

磁盘2024/11/717材料种类性能饱和磁矩emu/g居里温度℃磁晶各向异性常数erg/cm3矫顽力Oe矩形比氧化物磁粉γ-Fe2O3Fe3O4γ-CoxFe2-xO3CoxFe3-xO4BaFe12O19748444-5065-8058590575520-5704.64×1041.1×1091×1063-6×1053.3×104250-365350-450400-600600-980200-20000.7-0.80.70.70.65-0.1<0.94金属磁粉FeFe-Co104-159107-200700-9004.8×1054.8×105645-740900-10000.57-0.90.9金属薄膜FeCo-Ni-P218-1207704.8×105>800300-13000.950.75-0.9各种磁记录介质的主要性能2024/11/718C磁泡存储材料磁泡形成示意图垂直于晶体的易磁化轴切出薄片，当它的单轴磁各向异性强度大于表面磁化引起的退磁场强度的自发极化时，在退磁状态下出现弯曲的条状磁畴。这时磁畴的磁化方向只能取向上或向下方向。2024/11/719磁泡受控于外加磁场，在特定位置出现或消失，对应于计算机中的“1”和“0”，用于存储器。由于磁泡的尺寸只有几微米，单位面积存储的信息量非常大。具有容量大、体积小、功耗低、可靠性高、运算速度快等优点。磁泡材料要求：磁泡畴壁矫顽力低、畴壁迁移率高、磁泡薄膜厚度要薄、稳定性好、品质因子高。磁泡材料：

石榴石铁氧体，以钆镓石榴石为衬底，采用外延法生长可产生磁泡的含稀土的石榴石薄膜。六角铁氧体2024/11/720D巨磁电阻存储材料巨磁电阻效应（Giantmagnetoresistance，GMR）指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。通常情况下，金属导电与电子的自旋方向无关。而在磁性多层膜中，导电电子传导时遇到的阻碍与电子自旋的方向有关。自旋磁矩与磁化方向相同的导电电子常比自旋相反的电子更容易传导，因而有更低的电阻，这种与自旋相关的导电性质，导致了磁性多层膜的巨磁电阻效应。利用这种效应，可制成计算机高密度磁头提高磁盘面记录密度。2024/11/721二、半导体存储器材料半导体存储器分类：按制造工艺

双极型：存储速度快，功耗大，集成度小

MOS型：存储速度慢、功耗小、集成度高、成本低按功能

随机存取存储器（randomaccessmemory，RAM）

只读存储器（readonlymemory，ROM）

顺序存取存储器（sequentialaccessmemory，SAM）2024/11/7222.1随机存取存储器RAM静态RAM：SRAM动态RAM：DRAMSRAM的存储单元由双稳态触发器组成，特点是在没有外界触发信号作用时，触发器状态稳定，只要不断电，即可长期保存所写入的信息。2024/11/723单管MOS动态存储单元DRAM的存储单元利用MOS管的栅极电容对电荷的暂存作用来存储信息。由于任何PN结总有结漏电流，这种方法保存的信号会丢失。常用DRAM存储器单元有四管、三管和单管三种形式。单管单元有一个小电容C和一个门控管V构成。DRAM集成度高、功耗低、生产成本低，适于制造大容量存储器。2024/11/7242.2只读存储器ROM固定ROM可编程ROM：PROM可擦除可编程ROM：EPROM

闪烁只读存储器（flashROM）

固定ROM由生产厂家采用掩膜技术制备，所存储的内容不能改动，不能另行写入信息。用于存储内容确定且用量较大的场合。2024/11/725可编程ROM：PROMPROM允许用户进行一次编程操作。出厂时其存储单元全制成“0”和“1”，用户可以根据需要写入要存储的内容，但只可写入一次，不可更改。这种存储器的每个单元中的晶体管都与一根熔断丝（或熔接丝）相连，或者把单元做成背靠背的二极管对。编程时用户将编程数据输入计算机，计算机控制编程器向存储器施加电流脉冲，根据需要熔断（或熔合）熔丝或击穿反接的二极管，实现对存储器的编程。熔断丝或熔接丝采用为多晶硅或镍铬合金。2024/11/726可擦除可编程ROM：EPROM

紫外光可改写存储单元结构EPROM分为两种：

紫外光改写的只读存储器UVEPROM（a）写入：漏极上加高压脉冲使漏结产生雪崩效应，从而产生高能电子，部分能量大的电子注入浮置栅擦除：用强紫外光照射芯片，使浮置栅上的电子获得足够的能量而逃逸

电可改写只读存储器E2PROM（b）写入：控制栅加足够高的正电压，漏极接地。电子穿越隧道给浮栅充电擦除：控制栅接地，漏极加上适当高的正电压，从浮栅上吸出注入的电子特点：浮置栅和漏极之间氧化层非常薄2024/11/728闪烁只读存储器（flashROM）

FlashROM存储器单元结构存储单元由一个双层多晶浮栅MOS晶体管构成。该晶体管以P＋型半导体为衬底，以两个N＋区分别为源和漏，源与衬底之间为隧道氧化物N－，漏与衬底之间为P型半导体。包围于SiO2层的浮栅有两个，其中靠近衬底的一个浮栅无引出线与外界相连。另一个浮栅靠一根引出线与控制栅相连。隧道氧化层非常薄，只有10～20nm。FlashROM工作原理：

写入：在控制栅上加足够高的正电压Vpp，在漏极上施加比Vpp稍低的电压，源极接地。源区的电子在沟道电场作用下向漏区运动，一些热电子越过氧化层进入浮置栅。

擦除：利用隧道效应实现的，源极正电压，控制栅接负电压，漏极浮空，浮置栅电子穿过氧化层进入源区。2024/11/730三、光盘存储材料光存储器简称光盘，是近年来颇受重视的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质(如反射率、偏振方向)的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。按读写性质来分，光盘分为只读型、一次型、重写型三类。2024/11/731

只读型光盘CD-ROM

只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有：

LD俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放演60分钟全带宽的PAL制电视。

CD-DA数字唱盘，记录数字化音频信息，可存储74分钟数字立体声信息。

VCD俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储74分钟按MPEG-1标准压缩编码的动态图像信息。

DVD数字视盘。单记录层容量为4.7GB，可存储135分钟按MPEG-2标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频图像信息和音频信息。

CD-ROM主要用作计算机外存储器，记录数字数据，也可同时记录数字化视频和音频信息。2024/11/732CD－ROM（CompactDiskReadOnlyMemory），意译为只读式紧凑光盘。出现于1983年，1988年订为国际标准。CD－ROM利用聚焦成1μm直径光斑的780nm的高能量激光束在存储介质上进行光学读写而获得的。CD－ROM光盘上有一条从内向外由凹坑和凸区（平坦表面）相互交替组成的连续的螺旋形路径，在这条路径上，每个信号元素所占的长度是相等的。2024/11/733只读式CD或DVD表面凹坑结构示意图2024/11/734CD-ROM制作过程分为数据准备、阳母盘制作、金属压模盘制作和光盘制作四个阶段。数据准备：通过收集、整理、编辑、调制等步骤将欲存储的信息转换成二进制数字信号；阳母盘制作：在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶，利用调制过的激光照射后，用化学方法使曝光部分脱落，在母盘上形成凹坑pit和平台land结构。金属压模盘制作：在阳母盘上沉积较厚的金属层，然后将金属层与母盘分离，形成金属的阴母盘，称为压模盘。光盘制作：将融化的聚碳酸酯注入模板，用压模成型的方法将压模上的凹陷和凸起以负像的方式复制到聚碳酸酯盘表面。待聚碳酸酯凝固后，在数据面上镀覆金属铝作为反射层，再在反射层上加保护层，形成CD-ROM光盘。2024/11/735读盘原理

光盘上存储的各种类型的信息（音乐（Audio）、数据（Data）视频（Video）等），都经过数字化处理变成“0”与“1”，其所对应的就是光盘上的Pits（凹点）和Lands（平面）。当激光照射到盘片上时，如果是照在Lands上，那么就会有70％到80％激光被反射回；如果照在Pits上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以解读"0"或"1"的数字编码了。

2024/11/736技术参数CD/VCDDVD聚焦物镜数值孔径纠错编码冗余度通道码调制方式激光波长光斑直径光道间距凹坑最小长度凹坑宽度信息容量0.4531％8/17调制780nm1.74μm1.6μm0.83μm0.6μm650MB0.615.4％8/16调制650/635nm1.08μm0.74μm0.4μm0.4μm4.7GB(单面单层）只读式CD和DVD光盘技术参数比较2024/11/737

用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质的物理特性发生永久变化，因此只能写一次。写后的信息不能再改变，只能读。典型产品是可记录光盘（CD-R）。用户可在专用的CD-R刻录机上向空白的CD-R盘写入数据，制作好的CD-R光盘可放在CD-ROM驱动器中读出。一次型光盘writeoncereadmany,WORM2024/11/738根据记录方式不同，一次型光盘记录介质有如下类型：

烧蚀型对碲基合金等光盘介质，利用激光热效应，使光照微区熔化、冷凝并形成信息凹坑起泡型由高熔点金属和聚合物两层薄膜形成，光照使聚合物分解排出气体，两层间形成气泡使膜面隆起，与周围形成反射率的差异，以实现反差记录一次写入光盘信息记录方式2024/11/739熔绒型用离子束刻蚀硅表面，使之形成绒面结构，光照微区使绒面熔成镜面，实现反差记录合金化型用Pt－Si、Rh－Si等制成双层结构，光照微区使双层结构熔成合金，形成反差记录相变型多用As2Se3，Sb2Se3等硫系二元化合物制成，光照微区使之发生相变，利用两相反射率的差异记录信息一次写入光盘信息记录方式2024/11/740一次性光盘的膜层结构一般分为衬底层、记录层、反射层和保护层。记录方式通常为记录层薄膜吸收写入激光能量后由于热效应产生烧蚀，形成凹坑或气泡以实现信息记录，同时利用凹坑或气泡与周围介质的反射率差别来实现信息的读出。记录层材料：对记录光波长的吸收系数大；热烧蚀的温度低；凹坑或气泡规整、均匀，与周围介质反射率差值大、长期稳定。记录层材料：碲（Te）的合金膜，如As-Te、AsTe-Se、Te-Bi、Te/Te-Se2024/11/741此外，记录薄膜层也可采用有机材料，利用有机染料吸收写入激光能量，因热过程使染料分解，由此引起染料的漂白和鼓泡、在PC塑料中的暴沸和变形等。这类光盘的寿命由有机染料薄膜和记录点结构的稳定性决定。有机一次记录材料有花菁染料（绿盘）、酞菁（金盘）和偶氮染料。2024/11/742重写型光盘用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型的产品有两种：

MO磁光盘写入数据：热磁效应

当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字“0”和“1”。读出数据：磁光克尔效应

当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据“1”或“0”。擦除

利用激光束扫描光盘信道，同时施加与磁光盘初始磁场方向相同的磁场，使各记录单元的磁化方向复原。PC相变盘利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。

写入激光束对记录点加热再快速冷却后，从而呈现为非晶态。读出用弱激光来扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可检测出“1”或“0”。擦除利用激光束使光盘某点温度升高到低于材料的熔点而高于非晶态的转变温度，使产生重结晶而恢复成多晶结构。

无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化，因此是可重写的。

2024/11/744磁光型和相变型可擦重写光盘工作原理2024/11/745MO磁光盘材料稀土－过渡金属（RE-TM）非晶态合金薄膜成分可以连续变化，磁性能在较大范围内连续可调。缺点是稳定性差，不利于信息资料的长期保存。石榴石氧化物薄膜在短波长时有很大的磁光效应，抗氧化性和抗辐照性好，适于航空航天和军事用途，但制作成本较高。Pt-Co合金薄膜和Pt-Co成分调制膜

Pt-Co成分调制膜是将Pt和Co按一定厚度作周期性交替生长的多层薄膜，是蓝光高密