CN106782645A - 一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法 - Google Patents

一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法，特点是包括波导，波导两端分别连接有光栅垂直耦合器，波导的两侧对称分布有电极，波导上方设置有相变纳米线，相变纳米线与波导垂直，相变纳米线连接两个电极并形成欧姆接触，优点是可以实现电域和光域同时操作，可以利用光电混合模式实现多级存储，并能监测相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度。

Description

一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法
技术领域
本发明涉及用于光电混合存储的纳米器件领域，尤其是涉及一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法。
背景技术
与电子集成器件结合的纳米光子集成元件可以构造片上多功能光电子电路，以在单个片内系统实现高效的数据存储、通信及处理。这种具有较小尺寸和功耗的多功能片内集成光电器件允许同时在电域和光域中进行操作，进而可以处理光电混合模式数据，便于大量信息的管理及减小多功能集成的复杂性。这种光电混合器件的性能主要取决于兼具电和光迅速响应的多功能材料，寻找这种适合作器件架构核心的多功能材料仍然面临挑战。
最近，相变材料已被提出广泛用于电子存储器、全光开关、光子存储及固态显示等可重构的纳米光电子器件。相变材料的物理性质，包括电阻率和折射率，在非晶态和晶态之间具有较大的差异。两个状态之间的可逆转变可以在亚纳秒时间内完成，并且能长时间保持稳定。在无外置电源的情况下，存储的数据能够保持数年，即基于相变材料的光电子器件具有倍受青睐的非易失性。此外，相变材料具有良好的伸缩性，缩小至2nm以下仍然保持可逆相变性能。目前，它已成功用于电子或光子器件的存储介质，还有望成为应用在超高分辨率显示器件的核心材料。与快状材料相比，相变纳米线具有较高的结晶温度、较低的熔点、较低热导率及较大的表体面积比。因此，相变纳米线有利于提高热稳定性、降低器件功率及与易于与现有的制造工艺相结合的优点。相变纳米线的可控尺寸可以缩小到直径30nm，是制造纳米器件潜在的候选材料，同时也是多功能片内集成光电器件的理想候选者。
在电域和光域中，对瞬态相变的实时观察是理解相变材料的相变动态过程的基本途径。通常，相变存储器的操作速度由外部擦/写脉冲的脉宽来评估。由于原子间的共价键和共振键之间的转变及原子本身的重新排列均需要时间，这种外部脉冲的脉宽是不足以评估器件的最终操作速度。因而，在技术上，需要我们研发一种相变器件来评估相变存储介质的最终操作速度。目前，国内外还没有在电域和光域能同时实现操作的存储器件的相关研究报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现电域和光域同时操作，并能监测相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度的基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，包括波导，所述的波导两端分别连接有光栅垂直耦合器，所述的波导的两侧对称分布有电极，所述的波导上方设置有相变纳米线，所述的相变纳米线与所述的波导垂直，所述的相变纳米线连接两个所述的电极并形成欧姆接触。
所述的波导为硅基平面光波导，其宽为0.1-15μm，厚度为10-1000nm；所述的电极与所述的波导之间的距离为0.1-10μm；所述的光栅垂直耦合器的光栅为布拉格光栅，在波长为1.5-1.6μm处的耦合效率为1-50%；所述的相变纳米线为Sb基或Te基相变材料，其直径为20-800nm，长度为1-30μm。
所述的硅基包括Si、Si3N4和SiC硅基，所述的相变纳米线包括Ge-Te、Sb-Te和Ge-Sb-Te。
所述的电极靠近波导的一端端部呈梯形结构，其短边的底线长为1-10μm，长边的底线为10-100um。
所述的相变纳米线具有晶态和非晶态两个稳定的状态，且两个状态对探测光具有明显不同的吸收系数；在波导倏逝场耦合作用下发生晶态至非晶态的可逆相变。
基于相变纳米线的集成型光电存储器件的测试方法，步骤如下：擦写光脉冲从垂直光栅耦合器耦合至波导，通过波导倏逝场耦合作用使纳米线发生相变；同时，通过电极施加电脉冲，使得纳米线发生相变；通过实时监测集成型光电存储器件电阻和透过率实现数据读取；通过实时监测透过率响应获得相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度。
上述测试方法具体步骤如下：利用光电调制器调制连续激光产生100ps-1000ns的擦写光脉冲，波长为1.5-1.6μm，脉冲强度由光放大器放大；擦写脉冲经过光栅垂直耦合器耦合至波导，在倏逝场耦合作用下驱使纳米线发生相变；同时，通过电极施加电脉冲，使得纳米线发生相变；探测光在波导另一端的光栅垂直耦合器耦合至波导，波长为1.5-1.6μm，经过纳米线吸收后，探测光分成两部分，10%-50%的探测光由光电探测器收集，通过计算机显示出器件透过率；其它部分探测光由高速光电探测器监测，信号通过直流过滤器后，被高频示波器捕捉，与此同时，相变纳米线在电流源的偏置下，监测其静态电阻。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法能实现电域和光域同时操作，并能监测相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度。本发明的器件是基于相变纳米线，充分利用了其较高的结晶温度、较低的熔点、较低热导率及较大的表体面积比，因而此类器件具有可靠性好、功率低、集成度高、非易失性等优点。与此同时，此类器件采用电域和光域的相结合的操作方式可以实现多级存储，有利于实现高容量、高密度集成。此类器件的研发还有助于研究相变材料在电学和光学性质的相关性，为实现新型多功能光电子器件，如光电非易失性存储器，光电显示器和可重构光电电路提供解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例1的器件的光学显微镜图；
图2为本发明实施例1的器件的透过谱图；
图3为实施例1的能量为5.8mW的写脉冲谱图；
图4为实施例1的在5.8mW的写脉冲作用下的透过率图；
图5为实施例1的器件电阻与能量的关系图；
图6为实施例1的器件的透过率响应图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一、具体实施例
实施例1
在Si3N4/SiO2/Si基底上分两步采用电子束-曝光刻蚀工艺制备出器件，即首先在Si3N4/SiO2/Si制备出电极和对准标记，电极为Cr(10nm)/Au(90nm)结构，总厚度为100nm，然后再次使用电子束-曝光刻蚀工艺制备出波导和垂直光栅耦合器，电极分布在波导两侧。最后，将GeTe纳米线转移至Cr/Au电极上，垂直悬挂在波导正上方。器件的波导宽为1.3μm，厚度为200nm，电极与波导之间的距离为300nm，梯形电极的短边和长边分别为4和20μm。垂直耦合器的光栅周期为1.14-1.16μm，填充因子为0.88，其耦合效率约为27%。GeTe纳米线的长度约为26μm，直径为700nm，与波导两侧的电极呈欧姆接触，器件的光学显微镜如图1所示。GeTe纳米线处于晶态，其电阻为6KΩ。采用连续激光源测试器件得到其透过谱，如图2所示。利用波长为1.55μm的激光源，脉宽为50ns，功率为5.8mW的激光作为写脉冲，如图3所示。采用波长为1.56μm，功率为0.1mW的连续激光作为探测光。器件在写操作下，其光学透过率如图4所示，电阻仍然保持不变。采用功率为6.2mW的脉冲进行写操作时，其电阻从6KΩ上升至3MΩ，如图5所示。当施加一较小能量的脉冲，器件又能回到6KΩ，可以反复操作。测得在写脉冲下的速度为65ns，如图6所示。
实施例2
同实施例1，其区别点在于，悬挂在该器件的波导宽为1.4μm，厚度为300nm，电极与波导之间的距离为500nm，梯形电极的短边为5μm。GeTe纳米线的长度约为3μm，直径为300nm。激光写脉冲波长为1.56μm，功耗为5.2mW，探测光波长为1.57μm。
实施例3
同实施例1，其区别点在于，电极与波导之间的距离为1μm，梯形电极的短边为5μm。GeTe纳米线的长度约为12μm，直径为400nm。利用聚焦离子束(FIB)在纳米线与电极接触处镀Pt，以改进纳米线与电极的欧姆接触，此时，器件在晶态下的电阻为1.2KΩ。
二、实验结果分析
图1为本发明器件的光学显微镜图。该器件主要由Si3N4波导、波导两侧的Cr/Au电极、与波导两端相连的垂直光栅耦合器及连接两电极的GeTe纳米线。GeTe纳米线直径约为700nm，长度约为26μm，其方向与波导导模方向垂直。波导与纳米线距离为电极的厚度，即约100nm。图2是本发明器件的透过谱，可以看出，器件透过光谱的波长范围为1.55至1.57μm。因而波长位于这个范围内的激光源可以用于本发明器件的擦写及探测。这里，采用1550nm的光脉冲为写脉冲，而1560nm的连续激光源为探测光。图3和图4分别是能量为5.8mW的写脉冲谱和器件透过率图。在5.8mW的光脉冲下，GeTe纳米线的状态从晶态驱动到非晶态，因而透过率从低值态跳变至高值态(见图4)。因为纳米线沿波导上方的横截面未完全非晶化，纳米线的电阻仍然维持低阻态。图5是器件电阻与能量的关系图。施加一个较大能量的光脉冲(6.2mW)，器件电阻从低阻态跳变至高阻态，此时波导上方的GeTe纳米线已完全非晶化。当施加较低能量时，器件能返回到晶态，可以实现可逆的擦操作。值得注意的是，结合光电混合模式，器件可以实现多态存储，即透过率的“0”和“1”状态，以及电阻的“2”状态。图6是测试得到的透过率响应，可以看出，晶态到非晶态转变所需要的时间为65ns。
综上所述，本发明的器件可以实现全光擦写，且结合光电读取模式可以实现器件多态存储，为实现新型多功能光电子器件，如光电非易失性存储器，光电显示器和可重构光电电路提供解决方案。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，其特征在于：包括波导，所述的波导两端分别连接有光栅垂直耦合器，所述的波导的两侧对称分布有电极，所述的波导上方设置有相变纳米线，所述的相变纳米线与所述的波导垂直，所述的相变纳米线连接两个所述的电极并形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，其特征在于：所述的波导为硅基平面光波导，其宽为0.1-15μm，厚度为10-1000nm；所述的电极与所述的波导之间的距离为0.1-10μm；所述的光栅垂直耦合器的光栅为布拉格光栅，在波长为1.5-1.6μm处的耦合效率为1-50%；所述的相变纳米线为Sb基或Te基相变材料，其直径为20-800nm，长度为1-30μm。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，其特征在于：所述的硅基包括Si、Si3N4和SiC硅基，所述的相变纳米线包括Ge-Te、Sb-Te和Ge-Sb-Te。
4.根据权利要求2所述的一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，其特征在于：所述的电极靠近波导的一端端部呈梯形结构，其短边的底线长为1-10μm，长边的底线为10-100um。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，其特征在于：所述的相变纳米线具有晶态和非晶态两个稳定的状态，且两个状态对探测光具有明显不同的吸收系数；在波导倏逝场耦合作用下发生晶态至非晶态的可逆相变。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的基于相变纳米线的集成型光电存储器件的测试方法，其特征在于步骤如下：擦写光脉冲从垂直光栅耦合器耦合至波导，通过波导倏逝场耦合作用使纳米线发生相变；同时，通过电极施加电脉冲，使得纳米线发生相变；通过实时监测集成型光电存储器件电阻和透过率实现数据读取；通过实时监测透过率响应获得相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度。
7.一种权利要求6所述的基于相变纳米线的集成型光电存储器件的测试方法，其特征在于步骤如下：利用光电调制器调制连续激光产生100ps-1000ns的擦写光脉冲，波长为1.5-1.6μm，脉冲强度由光放大器放大；擦写脉冲经过光栅垂直耦合器耦合至波导，在倏逝场耦合作用下驱使纳米线发生相变；同时，通过电极施加电脉冲，使得纳米线发生相变；探测光在波导另一端的光栅垂直耦合器耦合至波导，波长为1.5-1.6μm，经过纳米线吸收后，探测光分成两部分，10%-50%的探测光由光电探测器收集，通过计算机显示出器件透过率；其它部分探测光由高速光电探测器监测，信号通过直流过滤器后，被高频示波器捕捉，与此同时，相变纳米线在电流源的偏置下，监测其静态电阻。
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