CN110459243B - 以二次谐波为读写方式的多级相变存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，包括非晶态的相变记录层，通过调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点，利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，从而完成数据读写。同时提供了一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法。本发明以二次谐波为读出信号，能够达到多级存储的效果；通过调节记录光的不同偏振方向，使读出光二次谐波的强度不同，从而达到多级存储的目的；本发明既保存了传统相变存储器读出速度快、可擦写性好的特点；同时，由于其读出方式不是反射率，存储器中不需要反射层，其结构更为简单。

Description

以二次谐波为读写方式的多级相变存储器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光存储技术领域的一种利用相变材料进行多级存储的技术，具体地，涉及一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器及其制备方法。
背景技术
二次谐波(SHG)是研究材料表面、界面的有力工具，探测装置简便，信号灵敏度高。作为激光激发相干光学过程，表面二次谐波具有很高的方向性，适合进行无损-原位探测，也可以用来对金属、半导体、液体等进行表面、界面监测。因具有很高的空间、光谱分辨率，表面二次谐波可以用来成像。在超短脉冲的帮助下，表面二次谐波可以用来对表面应变动力学，载流子动力学，表面吸附动力学等进行研究，可以达到很高的时间分辨率
近年来，人们对硫系半导体、硫系玻璃等硫系材料的研究热度越来越高。因为这些材料经常用在先进的光电器件中，比如异质结双向晶体管、光电探测器、LED、激光二极管等。在集成光学、纳米电子学、光电调制等领域也有重要应用。硫族元素可以与金属或非金属元素，如As、Ge、Ga、In等相结合，形成具有相变功能的玻璃或半导体，该类材料通常具有较强的二阶光学非线性，是光电子器件应用中应该重点考虑的因素。
相变材料在发生相态转换时，晶体的结构发生改变，这种变化可以是结构从无序到有序，也可以是从一种晶体类型转变成另一种晶体类型。相变过程将影响结构的对称性，使二阶非线性系数发生改变。因此，二次谐波可以用来探测硫系相变材料表层的不对称结构，监视原位相变。
二次谐波作为激光激发相干光学过程，具有很高的方向性，灵敏度，适合进行无损-原位探测。二次谐波能反映材料的结构信息，对晶体的各向异性，材料表面结构纹理十分敏感。二次谐波的强度随入射光偏振角度的变化与材料结晶过程中晶粒的取向有关，而晶粒的取向与泵浦光的偏振有关。因此利用二次谐波可以研究入射光偏振对相变材料晶化的影响，在存储中加入偏振信息，实现多维存储。
现有的多级相变存储器通常存在如下缺陷：
1.制备工艺复杂。其制备工艺包括曝光、刻蚀、上下电极制备等；
2.只能实现电脉冲信号的读写，而不能实现无损光脉冲信号读写；
3.存储器结构复杂，需加入保护层进行防氧化保护。
目前还没有以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，也没有发现同本发明类似技术的说明或报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器及其制备方法，该多级相变存储器拥有全新读写方式，在记录数据时，调节记录光的偏振方向形成不同的晶态记录点，从而读出的二次谐波具有不同强度，达到多级存储的目的。本发明所提供的多级相变存储器，既具有传统存储器读写速度快、可擦写性好的特点，同时因其不是反射率读出，结构中不需要加入反射层，具有结构简单、信噪比高的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，包括非晶态的相变记录层，通过调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点，利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，从而完成数据读写。
优选地，所述不同晶粒取向的晶态记录点形成数据0和1的写入；相应地，所述不同信号强度的二次谐波完成数据0和1的读出。
优选地，所述相变记录层采用碳-锑碲材质或碳-锗锑碲材质作为记录材料。
优选地，所述记录光采用飞秒激光或皮秒激光。
优选地，所述探测光采用飞秒激光或皮秒激光。
优选地，所述以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，还包括设置于最底层的基底以及设置于相变记录层上表面和下表面用于保护相变记录层的上保护层和下保护层。
优选地，所述上保护层和下保护层均采用二氧化硅材质。
优选地，所述基底采用二氧化硅玻璃材质。
根据本发明的另一个方面，提供了一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，包括：
采用磁控溅射法，制备记录材料，形成非晶态的相变记录层；
调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点；
利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，完成数据读写。
优选地，所述磁控溅射法为：
采用碳靶和锗锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锗锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8-40W，锗锑碲的射频功率为15-40W；或
采用碳靶和锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8-40W，锑碲的射频功率为10-30W。
制备得到的相变记录层膜厚为50-400nm。
优选地，利用偏振片调节记录光作用于相变记录层的偏振方向。
优选地，二次谐波经滤波片滤波和透镜聚焦后进入光电倍增管，读出二次谐波的不同信号强度。
优选地，所述制备方法，还包括:
在二氧化硅玻璃基底上依次沉积下保护层、相变记录层和上保护层。
优选地，所述下保护层和上保护层均采用二氧化硅靶制备得到，其中采用的二氧化硅靶制备方法中，本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.65-0.95Pa，直流功率为60-100W；采用二氧化硅靶制备得到的下保护层膜厚为80-200nm，上保护层膜厚为5-10nm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明以二次谐波信号为读出方式，是一种全新的读出方式；同时，由于读出方式不是反射率，且本发明的结构中没有反射层，具有结构简单、信噪比高的优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例所提供的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的记录和读出光路图。
图2为本发明一实施例所提供的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的记录和读出原理示意图。
图3为本发明一实施例所提供的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器记录点和非记录点的二次谐波强度区别。
图4为本发明一实施例所提供的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器二次谐波读出信号强度随记录光不同偏振角度的变化曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，如图1所示，该多级相变存储器包括：
上保护层、相变记录层、下保护层和基底。通过调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点，利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，从而完成数据读写。
进一步地，所述不同晶粒取向的晶态记录点形成数据0和1的写入；相应地，所述不同信号强度的二次谐波完成数据0和1的读出。
进一步地，所述相变记录层采用碳-锑碲材质或碳-锗锑碲材质作为记录材料。
进一步地，所述记录光采用飞秒激光或皮秒激光。
进一步地，所述探测光采用飞秒激光或皮秒激光。
进一步地，所述以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，还包括设置于最底层的基底以及设置于相变记录层上表面和下表面用于保护相变记录层的上保护层和下保护层。
进一步地，所述上保护层和下保护层均采用二氧化硅材质。
进一步地，所述基底采用二氧化硅玻璃材质。
具体地，
本发明实施例所提供的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，其写入和读出光路图如图2所示。
以写入激光(即记录光)作用于相变记录层，在相变记录层的非晶态膜层上形成晶态记录点，作为记录点。如图2所示，通过调节光路中的偏振片改变写入激光的偏振方向，可以形成不同晶粒取向的记录点，从而可以形成数据“0”和“1”的写入，完成不成数据的写入过程。此时在存储介质中形成了不同晶粒取向的记录点，并且可以长久保持这种状态。
在读出时，利用飞秒激光或皮秒激光作为探测光，对记录点进行探测。因不同记录点的晶粒取向不同，其二次谐波强度也会不同。利用探测光照射不同的记录点，可以探测出不同信号强度的二次谐波，从而完成数据的“0”“1”读出。如图3所示，不同偏振方向的记录光，形成的记录点在读出时也有很大区别。如图4所示，随着记录光偏振角度的变化，读出时二次谐波有规律地变化，形成多级存储。上保护层和下保护层用于保护相变记录层，防止相变记录层受到破坏。
本发明实施例同时提供了一种上述以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，包括：
在二氧化硅玻璃基底上依次沉积下保护层、相变记录层和上保护层。
其中：
采用磁控溅射法，制备记录材料，形成非晶态的相变记录层；
调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点；
利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，完成数据读写。
进一步地，所述磁控溅射法为：
采用碳靶和锗锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锗锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8-40W，锗锑碲的射频功率为15-40W；或
采用碳靶和锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8-40W，锑碲的射频功率为10-30W；
制备得到的相变记录层膜厚为50-400nm。
进一步地，利用偏振片调节记录光作用于相变记录层的偏振方向。
进一步地，二次谐波经滤波片滤波和透镜聚焦后进入光电倍增管，读出二次谐波的不同信号强度。
进一步地，所述下保护层和上保护层均采用二氧化硅靶制备得到，其中采用的二氧化硅靶制备中，本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.65-0.95Pa，直流功率为60-100W，采用二氧化硅靶制备得到的上保护层膜厚为5-10nm，下保护层膜厚为80-200nm。
所述上下保护层二氧化硅构成。相变记录层是50-400nm的碳锑碲或碳锗锑碲薄膜。
下面结合具体实施例，对本发明上述实施例所提供的技术方案做进一步说明：
实施例1
采用磁控溅射法，制备以碳-锑碲为记录材料的相变存储器。在二氧化硅玻璃衬底上依次沉积下保护层、相变记录层、上保护层。上下保护层采用二氧化硅靶制备，其中本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.85Pa，直流功率为90W，下保护层和上保护层膜厚分别为100nm和10nm。采用碳靶和锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为30W,锑碲的射频功率为20W。
利用如图2所示光路图，以皮秒激光为泵浦光源对本存储器进行数据写入。利用偏振片，调节皮秒激光的偏振方向，从而在记录层形成不同晶粒取向的记录点。利用飞秒激光作为探测光源，对写入点进行检测。以飞秒激光照射于记录点表面，因其晶粒取向不同，探测光源经写入点产生的二次谐波经滤波片滤波和透镜聚焦后进入光电倍增管，从而可以读出二次谐波的强度。不同偏振记录光形成的记录点的二次谐波强度如图4所示。图中可以看出，随着记录光偏振方向的变化，读出的二次谐波强度有规律变化，从而可以形成多级存储。
实施例2
采用磁控溅射法，制备碳-锗锑碲相变记录层。在二氧化硅玻璃衬底上依次沉积下保护层、相变记录层、上保护层。上下保护层采用二氧化硅靶制备，其中本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.85Pa，直流功率为90W，下保护层和上保护层膜厚分别为80nm和10nm。采用碳靶和锗锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锗锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为30W,锗锑碲的射频功率为20W。
利用飞秒激光为泵浦光源对本存储器进行数据写入。利用皮秒激光作为探测光源，对写入点进行检测。具体实施过程如上所示。探测光源经写入点产生的二次谐波经滤波片滤波和透镜聚焦后进入光电倍增管，从而可以读出二次谐波的强度。实现二次谐波的多级存储。
实施例3
实施例3为实施例1的变化例，与实施例1的区别在于，上下保护层采用二氧化硅靶制备，其中本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.65Pa，直流功率为60W，下保护层和上保护层膜厚分别为80nm和5nm。采用碳靶和锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8W,锑碲的射频功率为10W。
实施例4
实施例4为实施例1的变化例，与实施例1的区别在于，上下保护层采用二氧化硅靶制备，其中本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.95Pa，直流功率为100W，下保护层和上保护层膜厚分别为200nm和7nm。采用碳靶和锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为40W,锑碲的射频功率为30W。
实施例5
实施例5为实施例2的变化例，与实施例2的区别在于，上下保护层采用二氧化硅靶制备，其中本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.75Pa，直流功率为80W，下保护层和上保护层膜厚分别为120nm和6nm。采用碳靶和锗锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锗锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8W,锗锑碲的射频功率为15W。
实施例6
实施例6为实施例2的变化例，与实施例2的区别在于，上下保护层采用二氧化硅靶制备，其中本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.85Pa，直流功率为90W，下保护层和上保护层膜厚分别为100nm和10nm。采用碳靶和锗锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锗锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为40W,锗锑碲的射频功率为40W。
本发明上述实施例提供的以二次谐波读写方式的的多级相变存储器及其制备方法，存储器包括上保护层、记录层、下保护层和基底，其以二次谐波的强度为读出信号，通过调节记录光的偏振方向，从而形成具有不同二次谐波读出强度的记录点，能够达到多级存储的效果。相比传统存储器以反射率和电阻为读出方式，本发明上述实施例提供的存储器通过调节记录光的不同偏振方向，使读出光二次谐波的强度不同，从而达到多级存储的目的。该存储器既保存了传统相变存储器读出速度快、可擦写性好的特点；同时，由于其读出方式不是反射率，存储器中不需要反射层，其结构更为简单。该存储器以二次谐波强度为读出方式，具有高信噪比的优点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，包括非晶态的相变记录层，其特征在于，通过调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点，利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，从而完成数据读写；所述相变记录层采用碳-锑碲材质或碳-锗锑碲材质作为记录材料。
2.根据权利要求1所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，其特征在于，还包括如下任意一项或任意多项：
-所述不同晶粒取向的晶态记录点形成数据0和1的写入；相应地，所述不同信号强度的二次谐波完成数据0和1的读出；
-所述记录光采用飞秒激光或皮秒激光；
-所述探测光采用飞秒激光或皮秒激光。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，其特征在于，还包括设置于最底层的基底以及设置于相变记录层上表面和下表面用于保护相变记录层的上保护层和下保护层。
4.根据权利要求3所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器，其特征在于，还包括如下任意一项或任意多项：
-所述上保护层和下保护层均采用二氧化硅材质；
-所述基底采用二氧化硅玻璃材质。
5.一种以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，其特征在于，包括：
采用磁控溅射法，制备记录材料，形成非晶态的相变记录层；
调节记录光作用于相变记录层的偏振方向，在相变记录层上形成不同晶粒取向的晶态记录点；所述相变记录层采用碳-锑碲材质或碳-锗锑碲材质作为记录材料；
利用探测光照射不同晶粒取向的晶态记录点，得到不同信号强度的二次谐波，完成数据读写。
6.根据权利要求5所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射法为：
采用碳靶和锗锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锗锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8-40W，锗锑碲的射频功率为15-40W；
或
采用碳靶和锑碲靶，磁控共溅射制备碳-锑碲相变记录层，其中碳的射频功率为8-40W，锑碲的射频功率为10-30W。
7.根据权利要求5所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，其特征在于，利用偏振片调节记录光作用于相变记录层的偏振方向。
8.根据权利要求5所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，其特征在于，二次谐波经滤波片滤波和透镜聚焦后进入光电倍增管，读出二次谐波的不同信号强度。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，其特征在于，还包括:
在二氧化硅玻璃基底上依次沉积下保护层、相变记录层和上保护层。
10.根据权利要求9所述的以二次谐波为读写方式的多级相变存储器的制备方法，其特征在于，所述下保护层和上保护层均采用二氧化硅靶制备得到，其中：
采用的二氧化硅靶制备方法中，本底真空度优于4x10-4Pa，氩气气压为0.65-0.95Pa，直流功率为60-100W；
采用二氧化硅靶制备得到的下保护层膜厚为80-200nm，上保护层膜厚为5-10nm。
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