一种数据存储介质、数据读取装置及数据读取和存储方法与流程

1.本技术涉及数据存储技术领域，尤其涉及一种数据存储介质、数据读取装置及数据读取和存储方法。


背景技术：

2.随着社交网络平台的发展和移动媒体设备的广泛应用，大数据中心出现了很多访问频次较低的数据(即冷数据)，且这些数据均会被存储。虽然冷数据被访问的频次较低，但也不能将这些数据删除，即对冷数据有存储需求。
3.相关技术中，通常采用半导体存储(如固态硬盘)、磁存储和光存储等。但这些存储方式对应的存储介质的保存时间均较短(约5～10年)，且存储成本均较高，可靠性也较差。


技术实现要素：

4.为了实现上述的技术目的，本技术提供了一种数据存储介质、数据读取装置及数据读取和存储方法。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种数据存储介质，包括：衬底层，设置在衬底层上的导电层和设置在导电层上的记录层；其中，记录层包括n个数据记录单元，每个数据记录单元均包括第一材料和/或第二材料，第一材料的介电常数小于第二材料的介电常数，n≥2。、
6.由此，可以通过包含一种或多种材料的数据记录单元记录数据，由于材料的保存时间较长，因此可以提升数据的保存期限，可靠性较好。此外，由于不需要在衬底层上制做半导体器件，所以不需要芯片级纯度，降低了存储成本。
7.在一种可能的实现方式中，数据存储介质中还可以包括：粘结层。该粘结层设置于衬底层和导电层之间。由此通过粘结层使得导电层可以稳定的固定在衬底层上，增加了导电层的附着力和稳定性。
8.在一种可能的实现方式中，n个数据记录单元中包括第一数据记录单元和第二数据记录单元，其中，第一数据记录单元和第二数据记录单元相邻，第一数据记录单元所包含的材料不同于第二数据记录单元所包含的材料。由此避免读取数据过程中相邻数据记录单元的干扰，提升数据读取的可靠性。
9.在一种可能的实现方式中，n个数据记录单元中包括第三数据记录单元和第四数据记录单元，其中，第三数据记录单元和第四数据记录单元相邻，第三数据记录单元所包含的材料与第四数据记录单元所包含的材料相同，第三数据记录单元包括第一材料和第二材料；第三数据记录单元所包含的目标材料的体积与第四数据记录单元所包含的目标材料的体积不同，目标材料为第一材料或第二材料。
10.在一种可能的实现方式中，一个数据记录单元中的第一材料所占的空间的第一体积与第二材料所占的空间的第二体积相同或不同。
11.在一种可能的实现方式中，第一材料和第二材料均与导电层接触，且向导电层的
上方延伸。
12.进一步地，第一材料可以设置于导电层上，第二材料可以设置于第一材料上。或者，第二材料可以设置于导电层上，第一材料可以设置于第二材料上。
13.在一种可能的实现方式中，数据存储介质中的衬底层可以为单晶硅晶圆。
14.在一种可能的实现方式中，数据存储介质中的导电层可以为金属，或者，导电层为n型或p型半导体。
15.在一种可能的实现方式中，数据存储介质中的数据记录单元在与衬底层的上表面平行的方向上的截面为规则图形或不规则图形。
16.进一步地，截面为规则图形，该规则图形可以为圆形，圆形的直径可以为10～80纳米。
17.在一种可能的实现方式中，第一材料为二氧化铪，二氧化锆，二氧化钛，或，五氧化二钽；第二材料为二氧化硅或氮化硅。
18.在一种可能的实现方式中，数据存储介质中的记录层的厚度为10～20纳米。
19.第二方面，本技术实施例提供了一种数据存储方法，该方法可以包括：基于待存储数据的编码信息，确定待生成的数据存储介质中n个数据记录单元的结构，n≥2；基于各个数据记录单元的结构，在基板上生成第一材料和/或第二材料，基板包括衬底层和导电层，导电层位于衬底层上，第一材料和/或第二材料位于导电层上。
20.第三方面，本技术实施例提供了一种数据读取方法，该方法可以包括：确定数据存储介质中n个数据记录单元对应的电容值，n≥2；基于n个电容值和预先设定的电容值与编码信息之间的对应关系，得到n个编码信息；基于n个编码信息，生成数字信号，以及输出数字信号。
21.第四方面，本技术实施例提供了一种数据读取装置，该数据读取装置可以用于读取第一方面中提供的数据存储介质中存储的数据。该数据读取装置可以包括：多个探头，且相邻的探头间具有预设距离；与探头一一对应的信号放大装置，用于向探头和数据存储介质中的导电层施加电信号；信号处理装置，用于基于各个信号放大装置输入的信号，确定电容值，以及基于电容值，确定数据存储介质中存储的数据。
附图说明
22.图1示出了一种数据存储介质的结构示意图；
23.图2示出了一种数据存储介质的结构示意图；
24.图3示出了一种数据存储介质的生成过程示意图；
25.图4示出了一种数据存储介质的生成过程示意图；
26.图5示出了一种数据读取示意图；
27.图6示出了一种数据读取示意图；
28.图7示出了一种数据读取示意图；
29.图8示出了一种数据读取装置的结构示意图。
具体实施方式
30.以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对
本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
31.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。
32.以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
33.在本技术实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
34.示例性的，图1示出了一种数据存储介质的结构示意图。如图1所示，该数据存储介质100可以包括：衬底层11，导电层12，和记录层13。导电层12设置于衬底层11上，记录层13设置于导电层12上，其中，记录层13可以用于存储数据。
35.示例性的，衬底层11可以为单晶硅晶圆。例如，6寸，8寸等单晶硅晶圆。
36.导电层12可以为金属，如铜、铝、钛等，也可以为n型或p型半导体，如重掺杂的n型或p型半导体等。当导电层12为金属时，导电层12可以通过磁控溅射、蒸镀等物理气相沉积(physical vapourdeposition，pvd)的方式在衬底层11上生成。此外，当导电层12为金属时，为了增加导电层12的附着力和稳定性，可以在衬底层11和导电层12之间增加至少一个粘结层14。示例性的，粘结层14可以为二氧化硅sio2，其中，sio2可以通过热氧化或等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)等方式在衬底层11上生成。当导电层12为n型或p型半导体时，导电层12可以通过离子注入等方式在衬底层11上生成。
37.记录层13可以包括多个数据记录单元131。其中，每个数据记录单元131均可以包括材料a和/或材料b，且材料a的介电常数小于材料b的介电常数。示例性的，材料a可以为二氧化铪hfo2，二氧化锆zro2，二氧化钛tio2，或，五氧化二钽ta2o5；材料a可以二氧化硅sio2或氮化硅si3n4。示例性的，数据记录单元131可以由材料a组成，也可以由材料b组成，亦可以由材料a和材料b组成。示例性的，数据记录单元131中还可以包括材料c(图中未示出)，或者更多的材料，其中，一个数据记录单元131中包含多种不同的材料时，各个材料的介质常数可
以不同。
38.在一个例子中，相邻的数据记录单元131所包含的材料可以不同。例如，其中一个数据记录单元131由材料a组成；另一个数据记录单元131可以也可以由材料b组成，亦可以由材料a和材料b组成。
39.此外，相邻的数据记录单元131所包含的材料也可以相同，且均可以包括材料a和材料b；但不同的数据记录单元131中所包含的目标材料(即材料a或材料b)的体积不同。示例性的，其中一个数据记录单元131所包含的材料a与材料b之间的体积占比为1:4；另一个数据记录单元131所包含的材料a与材料b之间的体积占比为4:1。示例性的，其中一个数据记录单元131所包含的材料a与材料b之间的体积占比为1:1；另一个数据记录单元131所包含的材料a与材料b之间的体积占比为2:1。可以理解的是，对于数据记录单元131中材料a所占空间的体积与材料b所占空间的体积，可以根据实际情况而定，在此不做限定。换言之，本技术实施例中，不同类型的数据记录单元中高低介质常数材料的体积占比不同。例如，数据记录单元中仅包含一种高介电常数材料时，则该高介电常数材料的体积占比为1，低介电常数材料的体积占比为0。
40.需要说明的是，本技术实施例中，记录层13中的数据记录单元131主要是基于待存储数据的编码信息生成，其中，一种类型的数据记录单元131可以对应一种编码信息。举例来说，若当前需要存储的编码信息为二进制的00，且该编码信息对应的数据记录单元131的类型为由材料a组成，此时则可以在导电层12上相应的数据记录单元131所处的区域生成材料a，由此即完成对二进制00的存储；若当前需要存储的编码信息为二进制的01，且该编码信息对应的数据记录单元131的类型为由材料a和材料b组成，此时则可以在导电层12上相应的数据记录单元131所处的区域生成第一材料131和材料b，由此即完成对二进制01的存储。换言之，本技术实施例中在存储数据时，主要是由待存储的编码信息，查询预先设定的编码信息与数据记录单元的结构之间的对应关系，确定出当前所需的数据记录单元的结构，然后，再在导电层12上生成相应的结构，由此完成待存储的编码信息的存储。
41.示例性的，数据记录单元131由材料a组成时，其可以用于存储一种类型的编码信息，如二进制的00，四进制的0。数据记录单元131由材料b组成时，其可以用于存储一种类型的编码信息，如二进制的11，四进制的1。数据记录单元131由材料a和材料b组成时，目标材料(即材料a或材料b)的体积不同可以用于存储不同类型的编码信息，如材料a与材料b间的体积占比为1:4时可以存储的编码信息为二进制的01或者四进制的2，材料a与材料b间的体积占比为4:1时可以存储的编码信息为二进制的10或者四进制的3。可以理解的是，编码信息为其他类型的时，可以通过调节数据记录单元131中材料a和材料b的体积占比，以对应存储不同类型的编码信息。例如，数据记录单元131中材料a与材料b间的体积占比为3:2时可以存储的编码信息为八进制的4，等等，具体可根据实际情况而定，在此不做限定。
42.在一个例子中，继续参阅图1，记录层13中每个数据记录单元131中的材料a和/或材料b均可以与导电层12接触，且向导电层12的上方延伸。示例性的，材料a和材料b向导电层12的上方延伸的长度相同，即两者的厚度相同，例如均为10～20纳米。
43.此外，当记录层13中的数据记录单元131由材料a和材料b组成时，如图2中m处所示，该数据记录单元131中的材料a可以设置于导电层12上，材料b可以设置于材料a上；或者，如图2中n处所示，材料b可以设置于导电层12上，材料a可以设置于材料b上。此时，记录
层13的厚度也可以为10～20纳米。
44.在一个例子中，记录层13中的数据记录单元131在与衬底层11的上表面平行的方向上的截面可以为规则图形，也可以为不规则图形。示例性的，该截面为规则图形，该规则图形可以为圆形，其中，该圆形的直径可以为10～80纳米。
45.可以理解的是，图1和2中示出的数据存储介质的结构，可以是数据存储介质的完整结构，也可以是数据存储介质上部分区域的结构，在此不做限定。
46.以上即是对本技术实施例提供的数据存储介质的介绍。为便于理解，下面基于上文所描述的内容介绍数据存储过程。
47.对于图1中所示的数据存储介质，可以基于待存储数据的每个编码信息，查询预先设定的不同的编码信息与不同的数据记录单元的结构之间的对应关系，确定出每个编码信息对应的数据记录单元的结构。然后通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)或原子层沉积(atomic layer deposition，ald)等方式，先在基板上的导电层12上沉积一层介电常数为x的材料(如材料a或材料b)；其中，基板可以包括图1或2中所示的衬底层11和导电层12。然后，在介电常数为x的材料的材料上旋涂一层光刻胶，并通过电子束光刻系统(electron beam lithography system，ebl)等光刻工艺，在光刻胶层上生成数据记录单元的图形结构，例如圆形，方形等。然后，再在介电常数为x的材料上通过电子束刻蚀形成每个数据记录单元中的介电常数为x的材料的微结构，该微结构主要是用于填充另一介电常数的材料；或者，通过聚焦离子束技术(focused ion beam,fib)直接在介电常数为x的材料层上通过电子束刻蚀形成每个数据记录单元中的介电常数为a的材料的微结构。之后，再通过cvd、ald等方式在微结构中沉积介电常数为y的材料(如材料a或材料b)。最后，通过化学机械抛光技术(chemical mechanical polishing，cmp)去除介电常数为a的材料上多余的介电常数为y的材料，即完成对数据的存储。
48.举例来说，待存储数据的编码信息为二进制，且为00,11,01,10；材料a的介电常数小于材料b的介电常数。其中，00对应的数据记录单元的结构为仅包含材料a；11对应的数据记录单元的结构为仅包含材料b；01对应的数据记录单元的结构为包含材料a和b，且材料a所占空间的体积与材料b所占空间的体积之比为4:1；10对应的数据记录单元的结构为包含材料a和b，且材料a所占空间的体积与材料b所占空间的体积之比为1:4。
49.此时，如图3的(a)所示，在存储该待存储数据时，可以先在基板上的导电层12上沉积一层材料a。然后，在材料a上旋涂一层光刻胶，并在光刻胶上生成各个数据记录单元的图像结构(如圆形等)。接着，如图3的(b)所示，通过电子束刻蚀在包含两种材料的数据记录单元上刻蚀，形成填充材料b的微结构。之后，如图3的(c)所示，在数据记录单元的微结构中沉积材料b。最后，通过抛光去除材料a上多余的材料b，即完成对编码信息(00,11,01,10)的存储。
50.对于图2中所示的数据存储介质，可以基于待存储数据的每个编码信息，查询预先设定的不同的编码信息与不同的数据记录单元的结构之间的对应关系，确定出每个编码信息对应的数据记录单元的结构。然后，在基板上的导电层12上旋涂一层光刻胶；其中，基板可以包括图1或2中所示的衬底层11和导电层12。接着，通过电子束刻蚀、激光直写或其他曝光方式，生成一个或多个数据记录单元对应的待填充结构。之后，通过cvd、pvd等生成材料的方式，填充介电常数为x的材料(如材料a或材料b)。接着，通过图形化写入方式标记出介
电常数为y的材料的沉积位置，并通过电子束刻蚀等方式生成待填充结构。接着，通过cvd、pvd等生成材料的方式，在最新生成的待填充结构，以及介电常数为x的材料上，填充介电常数为y的材料。之后，再通过图形化写入方式标记出介电常数为x的材料的沉积位置，并通过电子束刻蚀等方式生成待填充结构。接着，通过cvd、pvd等生成材料的方式，在最新生成的待填充结构中，填充介电常数为x的材料。之后，使用cmp等将不同介电常数的材料磨制同一厚度，即完成对数据的存储。可以理解的是，图2中所示的数据存储介质的方式中填充材料的顺序也可以为其他的顺序，在此不做限定，可以生成图2所示的数据存储介质即可。在一个例子中，每次电子束刻蚀的深度可以预先进行标定。
51.举例来说，待存储数据的编码信息为二进制，且为00,11,01,10；材料a的介电常数小于材料b的介电常数。其中，00对应的数据记录单元的结构为仅包含材料a；11对应的数据记录单元的结构为仅包含材料b；01对应的数据记录单元的结构为包含材料a和b，且材料a所占空间的体积与材料b所占空间的体积之比为4:1；10对应的数据记录单元的结构为包含材料a和b，且材料a所占空间的体积与材料b所占空间的体积之比为1:4。
52.此时，如图4的(a)所示，在存储该待存储数据时，可以先在基板上的导电层12上的光刻胶层上沉积一层材料a。然后，如图4的(b)所示，通过电子束刻蚀在材料a上标记出材料b的沉积位置，并刻蚀，形成填充材料b的微结构。接着，如图4的(c)所示，在最新生成的微结构中，以及材料a上沉积材料b。之后，如图4的(d)所示，通过电子束刻蚀在材料b上标记出材料a的沉积位置，并刻蚀，形成填充材料a的微结构。接着，在最新生成的微结构中沉积材料a。最后，将材料a和材料b磨制同一厚度，即完成对编码信息(00,11,01,10)的存储。
53.以上即是对本技术实施例提供的数据存储介质对应的数据存储过程的介绍。为便于理解，下面基于上文所描述的内容介绍读取存储介质中数据。
54.本技术实施例中，不同的编码信息对应着不同类型的数据记录单元。由于不同类型的数据记录单元中的高低介电常数材料的占比不同，因此，不同类型的数据记录单元对应着不同的电容值。所以通过测量每个数据记录单元的电容，即可以获得每个数据记录单元对应的编码信息，进而读取到数据存储介质存储的数据。
55.示例性的，读取数据时，数据存储介质中的导电层可以作为公共电极，数据读取装置中的探头可以作为另外一个电极，由此，通过数据读取装置读取到各个数据记录单元对应的电容值，并将电容值转换为数字信号，至此即得到存储介质存储的数据。
56.示例性的，如图5所示，当数据记录单元中包含一种材料a时，若该材料a的表面积为s0，厚度为d0，数据读取装置上的探头t与数据记录单元之间空隙的表面积为s1，距离为d1，则该数据记录单元对应的电容值为：
57.c＝c0 c158.其中，c0＝ε0s0/d0，c1＝ε1s0/d1，ε0为数据记录单元中材料a的介电常数，ε1为空气的介电常数。
59.如图6所示，当数据记录单元中包含两种材料时，且两种材料均与数据存储介质上的导电层12接触时，若材料a的表面积为s
00
，材料b的表面积为s
01
，两个材料的厚度均为d0，数据读取装置上的探头t与数据记录单元之间空隙的表面积为s1，距离为d1，则该数据记录单元对应的电容值为：
[0060][0061]
其中，c1＝ε1s0/d1，ε
00
为数据记录单元中材料a的介电常数，ε
01
为数据记录单元中材料b的介电常数，ε1为空气的介电常数。
[0062]
如图7所示，当数据记录单元中包含两种材料时，且材料b与数据存储介质上的导电层12接触，材料a位于材料b之上时，若材料b的厚度为d
00
，材料a的厚度为d
01
，两个材料的表面积均为s0，数据读取装置上的探头t与数据记录单元之间空隙的表面积为s1，距离为d1，则该数据记录单元对应的电容值为：
[0063]
c＝c
00
c
01
c1[0064]
其中，c1＝ε1s0/d1，ε
00
为数据记录单元中材料b的介电常数，ε
01
为数据记录单元中材料a的介电常数，ε1为空气的介电常数。
[0065]
在得到电容值后，可以基于预先设定的电容值、数据记录单元、编码信息之间的对应关系，确定出每个电容值对应的编码信息，即得到相应的数据对应的数字信号。
[0066]
示例性的，如表一所示，电容值c1对的数据记录单元为a，数据记录单元a对应的编码信息为00；电容值c2对应的数据记录单元为b，数据记录单元b对应的编码信息为11；电容值c3对应的数据记录单元为c，数据记录单元c对应的编码信息为01；电容值c4对应的数据记录单元为d，数据记录单元d对应的编码信息为10。其中，当确定出电容值为c1时，即可以确定出该电容值c1对应的编码信息为00。
[0067]
表一
[0068]
编码信息数据记录单元电容值00ac111bc201cc310dc4
[0069]
此外，在得到电容值后，可以基于预先设定的电容值和编码信息之间的对应关系，确定出每个电容值对应的数字信号。示例性的，如表二所示，电容值c1对应的编码信息为00；电容值c2对应的编码信息为11；电容值c3对应的编码信息为01；电容值c4对应的编码信息为10。其中，当确定出电容值为c1时，即可以确定出该电容值c1对应的编码信息为00。
[0070]
表二
[0071]
编码信息电容值00c111c201c310c4
[0072]
可选地，在预先设定的电容值、数据记录单元、编码信息之间的对应关系，或者预先设定的电容值和编码信息之间的对应关系中，电容值也可以为一个区间值，当读取到的电容值在该区间中时，可以将该区间值对应的编码信息作为该电容值对应的数字信号。
[0073]
示例性的，图8示出了一种数据读取装置的结构示意图。如图8所示，该数据读取装置包括探头81、信号放大装置82和信号处理装置83。其中，探头81可以为多个，且每个探头81均对应一个信号放大装置82。
[0074]
示例性的，多个探头81可以间隔布置。相邻的探头81之间可以相距预设距离，以避免相邻区域间的信号干扰；此外，也可以为多个信号放大装置82组成阵列提供工艺可行性。在一个例子中，探头81与数据存储介质的上表面之间可以相距预设距离(如2～3纳米)，以避免读取数据过程中探头81损伤数据存储介质的上表面。在读取数据过程中，探头81可以扫描式移动测量，也可以旋转测量，在此不做限定。
[0075]
信号放大装置82可以为信号放大电路。示例性的，信号放大电路可以一部分接入到探头81，一部分接入到数据存储介质的导电层，由此以施加交流信号，进而得到相应的数据记录单元对应的电容值。
[0076]
信号处理装置83可以为处理器。其中，处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。本技术实施例中，处理器可以基于信号放大装置82输入到电压、电流等信号，计算出电容值；以及，基于电容值，查询预先标定的电容值与编码信息之间的对应关系，确定出电容值对应的编码信息，进而得到相关的数字信号。此外，处理器也可以输出该数字信号。
[0077]
可以理解的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。
[0078]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。