CN112820827A - 一种相变器件及其制备方法、光激励调制方法、电激励调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种相变器件，所述器件由波导层、电极层、硫系化合物层、和覆盖层组成；所述波导层上设置长条状波导；所述电极层覆盖在所述波导层上，按照沿所述波导方向和垂直波导方向设置；所述硫系化合物层覆盖在所述电极层上；所述覆盖层覆盖在所述硫系化合物层上。本发明提供的相变器件制备过程简单，能够满足同时调制光和电的需要，可通过搭建激光调制光路和电调制电路，实现对器件的有效调制，使得器件能够满足同时进行光调制和电调制，打破尺寸上的限制和光响应的衍射限制，将二者融合到一个器件中，充分发挥相变器件优越的光电可调性，为实现全光神经形态计算技术的创新提供了新的物理基础。
Description
技术领域
本发明属于微纳光电子器件技术领域，主要实现了一种同时实现光和电调制的相变器件，用于模拟神经突触。
背景技术
集成光学在过去十年中取得了巨大的发展，光学器件表现出的高稳定性、高计算速度、超低功耗以及超高并行度等优势。基于光学器件的神经形态计算技术能够充分发挥光子的独特优势，有效避免电子技术中的限制，实现超高速、低能耗甚至零能耗计算。但是在光电器件在芯片上实现光电信号的无缝转换仍然是一个目前亟待解决的难题。
新型相变材料的光透过率具有连续可调可控的特性，且易与光波导集成，为实现全光神经形态计算技术的创新提供了新的物理基础。硫系化合物等相变材料能够通过热、光、电激励逐渐从非晶态向晶态连续变化，表现出光透过率和电阻率的连续可调可控，能够用于模拟生物突触的连续多值存储特性。能够实现光电控制的相变器件将会带来高带宽、波分复用和低串扰的优势，这些正是进行神经形态计算设计所必需的。
然而，由于受尺寸限制的电学特性和受衍射限制的光响应是一对矛盾的设计需求，将这两种功能融合到一个器件中的难度较大。因此，设计一种能够同时实现光电控制的相变器件结构具有十分重要的意义。
此外，相变材料（PCMs）因为其具有可处理多级、稳定和可重复存储状态的能力，同时具有较长的持久性和良好的可伸缩性，从而成为用于大容量数据存储的多级单元(MLC)随机存取存储器应用中的热点研究问题。然而，由于PCMs中晶体结构域的形成具有随机性以及电阻对写入电压的非线性依赖等问题，因此通过单个电子编程脉冲精确地达到任意电阻状态是具有挑战性的。目前在PCMs中克服这一问题常用的方法是程序验证迭代法，即在编写过程中测量设备的电阻，直到电阻达到目标值，但是这种方法增加了PCMs集成的复杂性。另一方面，PCMs具有高光学对比度和长期稳定性，在过去几十年里成功地作为一种光盘存储介质商业化。最近将PCMs与光电路相结合能够带来高带宽、波分复用和低串扰的优势。这不仅实现了芯片上的全光数据存储，而且还允许有限的多级存储(8级)，提高了信噪比，并降低了可用光存储技术的开关能量，增加了内存中的光学计算能力。
然而，虽然集成基于PCMs的光器件到目前为止已经有了很多支持技术,但是这些技术都具有使用水平的限制(≤10),需要多个脉冲增量使得越来越大的存储单元的结晶区域达到一个完全结晶状态，这将会造成大量的时间和能量的浪费。因此，设计一种实现相变器件精确光学调制的方法具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明一方面提供了一种相变器件，所述器件由波导层、电极层、硫系化合物层和覆盖层组成；所述波导层上设置长条状波导；所述电极层覆盖在所述波导层上，按照沿所述波导方向和垂直波导方向设置；所述硫系化合物层覆盖在所述电极层上；所述覆盖层覆盖在所述硫系化合物层上。
进一步，所述波导采用SOI非晶硅脊型波导，其中脊型尺寸为高220nm，宽3um；所述透明电极覆盖在波导上的长条，沿波导方向3um，垂直波导方向10um，居中布置，沿所述波导两侧设置100x100um2大小电极；所述硫系化合物层和所述覆盖层厚度为10nm。
进一步，所述硫系化合物层材料为Ge2Sb2Te5，所述覆盖层材料为SiO2。
另一方面，本发明提供一种相变器件的制备方法，包括以下步骤：在所述波导层光刻所述波导图形；在所述电极层光刻透明电极图形；通过磁控溅射得到电极材料；在所述波导上覆盖电极的部分，通过紫外光刻制备硫系化合物层和覆盖层；通过磁控溅射生长所述硫系化合物层；通过磁控溅射生长所述覆盖层。
进一步，所述在所述波导层光刻所述波导图形，具体为：首先生长SOI非晶硅脊型波导，通过紫外或电子束光刻实现长条状图形；在所述电极层光刻透明电极图形，具体为通过紫外光刻制备透明电极图形；所述通过磁控溅射得到电极材料，具体为通过磁控溅射40nm ITO得到电极材料；所述通过磁控溅射生长所述硫系化合物层，具体为磁控溅射生长10nm厚Ge2Sb2Te5材料；所述通过磁控溅射生长所述覆盖层，具体磁控溅射生长10nm厚的SiO2。
另一方面，本发明还提供了一种相变器件的光激励调制方法，通过对所述波导施加连续激光脉冲，对所述硫系化合物层材料的结晶状态进行调制。
进一步，步骤一，通过探测激光源施加1550nm波段测试透过所述器件的光强，计算光透过率；步骤二，通过泵浦激光源施加200ns宽的小幅值脉冲，施加波长1550nm的调制光信号，使所述器件所述硫系化合物层逐渐结晶，光透过率逐渐降低；步骤三，按照步骤一方法计算所述器件的透光率，判断所述器件相位状态是否发生改变，如果所述相位状态未发生改变，重复步骤二，增加所述泵浦激光源施加小幅值脉冲的宽度继续测试，直到所述器件状态发生改变；步骤四，通过泵浦激光源继续调制所述器件透光率达到目标值；步骤五，施加50ns宽的大幅值脉冲，使所述器件恢复至初始非晶状态。
另一方面，本发明还提供一种相变器件的电激励调制方法，通过对所述电极施加连续小幅值脉冲，对所述硫系化合物层材料的结晶状态进行调制。
进一步，步骤一，通过探测激光源施加1550nm波段测试透过所述器件的光强，计算光透过率；步骤二，通过半导体分析仪或源表施加2V幅值，200ns脉宽的小幅值脉冲，使所述器件所述硫系化合物层逐渐结晶，光透过率逐渐降低；步骤三，按照步骤一方法计算所述器件的透光率，判断所述器件相位状态是否发生改变，如果所述相位状态未发生改变，重复步骤二，增加所述半导体分析仪或源表施加小幅值脉冲的宽度继续测试，直到所述器件状态发生改变；步骤四，通过半导体分析仪或源表施加小幅值脉冲继续调制所述器件透光率达到目标值；步骤五，施加50ns宽的大幅值脉冲，使所述器件恢复至初始非晶状态。
本发明提供的相变器件制备过程简单，其制备方法能够解决器件尺寸限制和光响应衍射限制的技术问题，能够满足同时调制光和电的需要，为模拟神经突触、实现神经形态计算提供支撑。可通过搭建激光调制光路和电调制电路，实现对器件的有效调制，使得器件能够满足同时进行光调制和电调制，打破尺寸上的限制和光响应的衍射限制，将二者融合到一个器件中，充分发挥相变器件优越的光电可调性，为实现全光神经形态计算技术的创新提供了新的物理基础。
此外，本发明提出的相变器件的光学调制方法，利用PCMs的高光学对比度和长期稳定性的光学优势，有效克服了相变器件的集成复杂性问题，为解决精确调制任意电阻状态提供光学解决方案，为相变器件的精准调制提供新策略。同时，实现了对相变器件光透过率值的精确调整，并且具有自动程度高、灵活性强、过调制修正等功能，能高效实现大规模光计算芯片的自动调制，为光学神经形态计算应用奠定了基础。
附图说明
图1是器件平面结构示意图。
图2是器件横截面示意图。
图3是器件材料生长流程图。
图4是光激励调制的方法示意图。
图5是相变器件的光学调制方法流程图。
图6是泵浦激光设置示意图
图7是探测激光设置示意图
图8是光调制整体架构图
图9是器件状态调制结果示意图
图10是电激励调制的方法
图11是相变器件的电学调制方法流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明所述相变器件结构包括波导层、透明电极层、硫系化合物层和覆盖层。首先，采用SOI非晶硅脊型波导，其中脊型尺寸为高220nm，宽3um；其次，透明电极覆盖在波导上的长条，沿波导方向3um，垂直波导方向10um，居中布置，与之相连的电极部分尺寸较大，约100x100um2,沿波导两侧均有电极；最后生长10nm厚的相变材料和10nm厚的覆盖层材料。如图2所示，器件的横截面结构由下至上依次为：波导层、透明电极ITO层、硫系化合物层和覆盖层。
首先，设计制备非晶硅脊型波导，根据光波长设计波导的具体尺寸，通过紫外或电子束光刻实现图形，然后采用刻蚀工艺得到具体结构；其次，在波导上通过紫外光刻制备透明电极图形，通过磁控溅射得到透明电极材料，结果是透明电极覆盖在波导上，沿波导两侧居中布置，与之相连的部分尺寸较大，用于探针接触；最后在波导上的电极部分，通过紫外光刻制备硫系化合物层和覆盖层图形，然后磁控溅射生长硫系化合物材料和覆盖层材料，然后剥离得到整个器件。这类器件主要利用硫系化合物相变材料的相变特性，其能够通过热、光、电激励逐渐从非晶态向晶态连续变化，表现出光透过率和电阻率的连续可调可控。其中电激励通过透明电极部分施加，产生的热量超过硫系化合物的结晶温度时，促使硫系化合物发生相变；光激励通过波导施加，通过硫系化合物相变材料时会对光发生吸收，进而产生热量，当产生的热量超过硫系化合物的结晶温度时，促使硫系化合物发生相变，改变硫系化合物的光透过率。
本发明所述的光学波导是指引导光波在其中传播的介质材料，包括SiNx、a-Si等；本发明所述的透明电极为具备高光穿透率同时兼备高导电率的薄膜电极，包括ITO、AZO等；本发明所述的硫系化合物材料包括以硫化物、硒化物、碲化物为主要成分的材料；本发明所述的覆盖层材料包括氧化物、氮化物等。
本发明所述相变器件的结构设计方法，包括以下方面：
波导的设计：材料选择、高度、宽度、长度；
电极的设计：材料选择、宽度、高度、长度；
硫系化合物的设计：材料选择、宽度、高度、长度；
覆盖层的设计：材料选择、宽度、高度、长度。
如图3所示，本发明所述相变器件的生长步骤为：首先生长SOI非晶硅脊型波导，通过紫外或电子束光刻实现图形，然后采用刻蚀工艺得到具体结构；其次在波导上通过紫外光刻制备透明电极图形，通过磁控溅射40nm ITO得到电极材料；最后在波导上覆盖电极的部分，通过紫外光刻制备硫系化合物层和覆盖层图形，然后磁控溅射生长10nm厚Ge2Sb2Te5材料和10nm厚的SiO2，然后剥离得到整个具体结构。
如图4所示，本发明还提供一种同时实现光和电调制的相变器件，其特征在于该器件能够通过光波导施加激光脉冲激励，调整硫系化合物材料的晶态与非晶态。即当相变材料处于非晶态时，光突触的透过率很高，且电阻率很高，展现两个神经元之间的强连接；当相变材料处于晶态时，光突触的透过率很低，且电阻率很低，展现两个神经元之间的弱连接。最终实现器件的不同状态。
进一步，如图5所示，首先假设器件处于非晶高透过率状态，通过探测激光源采用1550nm波段测试透过器件的光强，计算光透过率。然后通过泵浦激光源施加200ns宽的小幅值脉冲，施加波长1550nm的调制光信号，使器件逐渐结晶，光透过率逐渐降低。随后通过探测激光测试光强和光透过率，判断状态是否发生改变，且是否达到目标值，如果状态发生改变，说明器件能够在该脉冲参数下发生调制，继续施加脉冲直到达到目标值；如果状态未发生改变，则增加脉冲宽度，直到器件能够发生状态改变，随后继续调制器件至目标值。当器件调制至目标值后，施加50ns宽的大幅值脉冲，使其恢复至初始非晶状态。其中：
图6所示的是本发明中的泵浦激光设置。泵浦激光设置主要包括连续激光源、脉冲信号发生器、电光调制器、脉冲激光源和光探测器。泵浦激光源可采用大功率连续激光源，同时配合脉冲信号发生器和电光调制器实现脉冲光信号，或者直接采用脉冲激光源，光源功率100mW，脉冲光信号通过输入光纤与波导对准后施加到相变器件上。
图7所示的是本发明中的探测激光设置。探测激光源主要包括采用连续激光源、光探测器等。采用小功率高精度连续激光源，直接通过输入光纤与波导对准后施加到相变器件上，通过相变器件的波导与输出光纤相连，然后输出到高精度高频率光探测器上测量输出光强。
图8所示的是泵浦激光源和探测激光源整体架构图，包括泵浦激光设置和探测激光设置。
图9所示的是器件状态调制结果。以单调递增的编程脉冲幅度和固定的ERASE脉冲记录一次编程迭代的传输，结果表明器件在时间上表现出良好的稳定性。
综上，本发明所设计的相变器件的光学调制方法总体工作流程是：
首先对器件施加读取脉冲，读取器件当前的光透过率；
其次对器件施加调制脉冲，第一次调制的脉宽随机设定；
接着读取器件状态，若器件状态值在容错范围内则视为调制成功，否则视为调制失败，继续增加脉冲宽度进行下一轮的调制；
最后若器件达到目标状态，通过大脉冲使其恢复至初始状态。
此外，如图10所示，是对器件进行电激励调制的方法。首先假设器件处于非晶高透过率状态，通过探测激光源采用1550nm波段测试透过器件的光强，计算光透过率。然后通过半导体分析仪或源表施加2V幅值，200ns脉宽的小幅值脉冲，使所述器件所述硫系化合物层逐渐结晶，光透过率逐渐降低。随后通过计算所述器件的透光率，判断所述器件相位状态是否发生改变，且是否达到目标值，如果状态发生改变，说明器件能够在该脉冲参数下发生调制，继续施加脉冲直到达到目标值；如果状态未发生改变，则增加脉冲宽度，直到器件能够发生状态改变，随后继续调制器件至目标值。当器件调制至目标值后，施加50ns宽的大幅值脉冲，使其恢复至初始非晶状态。
如图11所示，是对器件进行电激励调制的方法流程图。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种相变器件，其特征在于：
所述器件由波导层、电极层、硫系化合物层、和覆盖层组成；
所述波导层上设置长条状波导；
所述电极层覆盖在所述波导层上，按照沿所述波导方向和垂直波导方向设置；
所述硫系化合物层覆盖在所述电极层上；
所述覆盖层覆盖在所述硫系化合物层上。
2.根据权利要求1所述相变器件，其特征在于：
所述波导采用SOI非晶硅脊型波导，其中脊型尺寸为高220nm，宽3um；
所述透明电极覆盖在波导上的长条，沿波导方向3um，垂直波导方向10um，居中布置，沿所述波导两侧设置100x100um2大小电极；
所述硫系化合物层和所述覆盖层厚度为10nm。
3.根据权利要求1或2所述相变器件，其特征在于：
所述硫系化合物层材料为Ge2Sb2Te5，所述覆盖层材料为SiO2。
4.一种相变器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
在所述波导层光刻所述波导图形；
在所述电极层光刻透明电极图形；
通过磁控溅射得到电极材料；
在所述波导上覆盖电极的部分，通过紫外光刻制备硫系化合物层和覆盖层；
通过磁控溅射生长所述硫系化合物层；
通过磁控溅射生长所述覆盖层。
5.一种如权利要求4所述相变器件的制备方法，其特征在于：
所述在所述波导层光刻所述波导图形，具体为：首先生长SOI非晶硅脊型波导，通过紫外或电子束光刻实现长条状图形；
在所述电极层光刻透明电极图形，具体为通过紫外光刻制备透明电极图形；
所述通过磁控溅射得到电极材料，具体为通过磁控溅射40nm ITO得到电极材料；
所述通过磁控溅射生长所述硫系化合物层，具体为磁控溅射生长10nm厚Ge2Sb2Te5材料；
所述通过磁控溅射生长所述覆盖层，具体磁控溅射生长10nm厚的SiO2。
6.一种相变器件的光激励调制方法，其特征在于通过对所述波导施加连续激光脉冲，对所述硫系化合物层材料的结晶状态进行调制。
7.一种如权利要求6所述相变器件的光激励调制方法，其特征在于：
步骤一，通过探测激光源施加1550nm波段测试透过所述器件的光强，计算光透过率；
步骤二，通过泵浦激光源施加200ns宽的小幅值脉冲，施加波长1550nm的调制光信号，使所述器件所述硫系化合物层逐渐结晶，光透过率逐渐降低；
步骤三，按照步骤一方法计算所述器件的透光率，判断所述器件相位状态是否发生改变，如果所述相位状态未发生改变，重复步骤二，增加所述泵浦激光源施加小幅值脉冲的宽度继续测试，直到所述器件状态发生改变；
步骤四，通过泵浦激光源继续调制所述器件透光率达到目标值；
步骤五，施加50ns宽的大幅值脉冲，使所述器件恢复至初始非晶状态。
8.一种相变器件的电激励调制方法，其特征在于：
步骤一，通过探测激光源施加1550nm波段测试透过所述器件的光强，计算光透过率；
步骤二，通过半导体分析仪或源表施加2V幅值，200ns脉宽的小幅值脉冲，使所述器件所述硫系化合物层逐渐结晶，光透过率逐渐降低；
步骤三，按照步骤一方法计算所述器件的透光率，判断所述器件相位状态是否发生改变，如果所述相位状态未发生改变，重复步骤二，增加所述半导体分析仪或源表施加小幅值脉冲的宽度继续测试，直到所述器件状态发生改变；
步骤四，通过半导体分析仪或源表施加小幅值脉冲继续调制所述器件透光率达到目标值；
步骤五，施加50ns宽的大幅值脉冲，使所述器件恢复至初始非晶状态。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2021-02-19 CN CN202110188522.9A patent/CN112820827A/zh active Pending
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