TWI765221B - 光電裝置及記憶體裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種光電裝置。本發明揭示之光電裝置包含：一載體；及一光控層，其經圖案化形成於該載體上以形成至少一光控元件，其中該至少一光控元件可由一光束獨立地控制，俾使該至少一光控元件可以於二者以上的狀態之間改變。
Description
本發明係關於光學控制光電裝置，特定而言，本發明係關於光學控制記憶體裝置。
電腦記憶體係透過電壓訊號來將資料寫入記憶體中或進行資料之更改，其中每一記憶單元可具有兩種不同之狀態，亦即表示高電位之「1」與低電位之「0」之組合，因此，透過增加記憶體內之總記憶單元之數目可增加記憶體之儲存空間，但增加記憶單元之數目同時將導致記憶體體積之增加。
此外，電腦記憶體可依存入資料是否受到關閉電源之影響而分成下列揮發性記憶體與非揮發性(non-volatile)記憶體。揮發性記憶體係指於關閉電源之後，儲存在記憶體中之資料將隨之消失；反之非揮發性記憶體係指於關閉電源之後仍能儲存資料之記憶體。非揮發性記憶體雖然於關閉電源之後仍能儲存資料，然而仍然存在由於漏電流等問題所導致之資料之損失。
因此，仍然需要一種可增加記憶體之儲存密度且能克服使用電流或電壓控制所導致之資料損失之記憶裝置。
本發明之一實施例係提供一種光電裝置，其包含：一載體；及一光控層，其經圖案化形成於該載體上以形成至少一光控元件，其中該至少一光控元件可由一光束獨立地控制，俾使該至少一光控元件可以於二者以上的狀態之間改變。
圖1A至圖1E展示依據本發明之光學控制方法之流程圖。於圖1A中，於載體101上形成一光控層102，並圖案化該光控層102以形成至少一光控元件(圖1A中例示性說明三個光控元件)。提供一載體101，載體101可為一單晶基板。於一實施例中，載體101可為矽(Si)、氧化鋁(Al2
O3
)、鋁酸鑭(LaAlO3
)等單晶基板。
圖1B展示圖1A中之光控元件A之放大圖，光控元件A包含載體101及光控層102。光控層102具有可由光束控制之一或多個特性，其中光束對光控層102之控制具有可逆性。光控層102可為成長於載體101上之一薄膜，薄膜厚度可小於800奈米(nm)。於一實施例中，薄膜厚度可小於200奈米。於一實施例中，薄膜厚度可介於10奈米至150奈米之間。
可使用多種不同之方式以於載體101上形成光控層102，舉例而言，可使用下列方法中之任一者將光控層102形成於載體101上：濺鍍(Sputtering)、脈衝雷射沈積(Pulsed Laser Deposition，PLD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、旋轉塗佈(Spin Coating)、溶膠凝膠法(Sol-Gel process)及有機金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition，MOCVD)。此外，亦可使用其他之生長或沉積方式將光控層102形成於載體101上。
於一實施例中，光控層102可為具有金屬絕緣相轉變之功能性材料、具長程有序電偶極特性之鐵電材料、具長程有序磁性之鐵磁材料或同時具兩個或兩個以上鐵性有序參數(ferroic order parameters)之多鐵材料。於一實施例中，光控層102包含以下至少之一者：鐵電材料、鐵磁材料及多鐵材料。
於一實施例中，光控層102的鐵電材料可以係鈦酸鋇(BaTiO3
)、鈦酸鉛(PbTiO3
)及/或鋯鈦酸鉛化合物等。
於一實施例中，光控層102的鐵磁材料包含四氧化三鐵(Fe3
O4
)及/或鈷鐵氧(CoFe2
O4
)等材料。
於一實施例中，光控層102的多鐵材料包含鐵酸鉍(BiFeO3
，BFO)及/或錳酸釔(YMnO3
)等。
於一實施例中，光控層102的具有金屬絕緣相轉變之功能性材料包含二氧化釩(VO2
)及/或鑭鍶錳氧(La1-x
Srx
O3
)等材料
於圖1C中，使用一光束L照射光控層102光控元件)。光束L可具有特定之波長範圍。於一實施例中，光束L之波長介於10奈米與10微米(µm)之間。於一實施例中，光束L之波長介於390奈米與700奈米之間，可為一可見光。於一實施例中，光束L之波長介於490奈米與570奈米之間，光束L可為使用一綠光雷射所發出之具有 綠光。
光束L於照射光控層102之表面處具有一入射光點。光束L的大小可以小於或等於光控元件的大小。於一實施例中，入射光點之直徑介於500奈米(nm)與10微米之間。於一實施例中，入射光點之直徑介於1微米與5微米之間。於一實施例中，入射光點之直徑介於1微米與2微米之間。
於圖1D中，由於光束L以一特定之照射功率及照射時間照射光控層102，光束L之能量將被換成熱能，產生之熱能將以光束L之入射光點為中心向四周擴散，並使光控層102因熱膨脹或相變化而形成一形變區域103。
由於光束L所產生之熱能係以光束L之入射光點為中心向四周擴散，亦即熱能並非同時均勻地分布於光控元件上，故靠近光束L入射光點之位置處將累積較多之熱能與形變，而較遠離入射光點之位置處則具有較少之熱能與形變，因此，靠近光束L入射光點之位置處與較遠離入射光點之位置處將展示不同程度之熱膨脹與形變。如圖1E所示，形變區域103在靠近光束L入射光點之中央部分103a具有較顯著之熱膨脹，相對的，形變區域103在較遠離入射光點之邊緣部分103b之熱膨脹程度則較低，亦即中央部分103a之整體厚度大於邊緣部分103b之整體厚度，光控元件中心及周圍具有不同之形變量。
光控元件藉由光束照射產生形變，使得光控元件可以寫入資訊，例如從狀態"0"寫入狀態"1"，根據材料的特性，寫入的狀態可以係可逆的，或不可逆的。可應用於非揮發性記憶體，或RFID。
不同程度之熱膨脹將使形變區域103之中央部分103a及邊緣部分103b經受不同程度之應力，亦即形變區域103將具有一應力梯度(strain gradient)。如下方段落所述，基於撓電效應(flexoelectric effect)所引發之等效電場(內建電場)，形變區域103之應力梯度將致使光控層102之一或多個特性之改變，或者使形變區域103之中央部分103a及邊緣部分103b展現不同之物理或電磁特性。
圖2A至圖2C展示撓電效應之原理示意圖。圖2A展示未經受外力之晶體結構，其中每一晶格201具有陽離子202及陰離子203，由於晶格結構之對稱性，每一晶格201之淨負電荷係與淨正電荷(亦即陽離子202)之位置係重疊，因此並未產生電偶極矩。
圖2B展示經受相同方向之外力而產生一維形變之晶體結構，由於晶格形變，淨負電荷203a之位置並未與淨正電荷(亦即陽離子202)之位置重疊，因而於每一晶格201內產生由淨負電荷203a指向陽離子202之一電偶極矩，亦即由淨負電荷203a指向陽離子202之箭頭。其中最右方之晶格201經受最大之外力，因而產生最大之晶格形變，故淨負電荷203a與陽離子202之間之距離最大，使得最右方之晶格201具有最大之電偶極矩。
圖2C展示經受不同方向之外力而產生二維形變之晶體結構，其中晶格201左側所受到之應力與晶格201右側所受到之應力相異，因而導致晶格形變，使得淨負電荷203a之位置並未與淨正電荷(亦即陽離子202)之位置重疊，並於晶格201內產生由淨負電荷203a指向陽離子202之一電偶極矩。由圖2C可知，晶格201內之應力梯度之方向與電偶極矩之方向相反。
圖3展示光照後之光控層102中應力梯度與電偶極矩之關係。如圖3所示，中央部分103a具有較顯著之熱膨脹與形變，邊緣部分103b之熱膨脹程度則較低，不同程度之熱膨脹將使中央部分103a及邊緣部分103b經受不同之應力，亦即光控層102之形變區域103具有一應力梯度，其由形變區域103之邊緣部分103b指向中央部分103a，如應力梯度方向302所示。此外，光控層102於微觀上係由複數個晶格301所形成，圖3並展示邊緣部分103b之晶格301之陽離子與陰離子之空間分布(見圖中之正負符號處)，由圖2A至圖2C所展示之撓電效應原理可知，電偶極矩之方向與應力梯度之方向相反，故光控層102之形變區域103具有由中央部分103a指向邊緣部分103b之一電偶極矩，如電偶極矩方向303所示。
圖4展示將撓電效應理論模型套用至圖1E之光控層102所得之結果。如圖4所示，光控層102之形變區域103具有一應力梯度，其由形變區域103之邊緣部分103b指向中央部分103a，如應力梯度方向402所示。此外，微觀而言，光控層102係由複數個晶格401所形成，光控層102之形變區域103具有由中央部分103a指向邊緣部分103b之一電偶極矩，如電偶極矩方向403所示。由於光控層102之形變區域103具有由中央部分103a指向邊緣部分103b之一電偶極矩，可知形變區域103具有相同方向(由中央部分103a指向邊緣部分103b)之內建電場，亦即內建電場係以光束L之入射光點為中心指向四周圍。
由於撓電效應而於光控層102產生電偶極矩與內建電場，將致使光控層102之一或多個特性之改變，或者使形變區域103之中央部分103a及邊緣部分103b展現不同之物理或電磁特性。
於一實施例中，光控層102可為具有金屬絕緣相轉變之功能性材料、鐵電材料、鐵磁材料及/或多鐵材料，而由於撓電效應而於光控層102產生電偶極矩與內建電場，此將使形變區域103之中央部分103a及邊緣部分103b展現不同之鐵電性、反鐵磁性及/或磁性等。於一實施例中，光控層102為一鐵酸鉍(BiFeO3
)薄膜，光照後之鐵酸鉍薄膜具有形變區域103，且中央部分103a及邊緣部分103b將展現不同之鐵電性、反鐵磁性及/或磁性，就鐵電性而言，中央部分103a之鐵電極化較小，而邊緣部分103b之鐵電極化則較大；就反鐵磁性而言，中央部分103a之尼爾溫度(Néel temperature，反鐵磁特徵溫度)較低，而邊緣部分103b之尼爾溫度則較高；就磁性而言，中央部分103a之磁性較弱，邊緣部分103b之磁性則較強。於一實施例中，光控層102為一氧化物薄膜，例如二氧化釩(VO2
)或三氧化二釩(V2
O3
)，於光照後之氧化物薄膜具有形變區域103，其中中央部分103a及邊緣部分103b將展現不同之導電特性，中央部分103a之導電度較低，而邊緣部分103b之導電度則較高。
由於光控層102光照後之特性變化皆為可逆，亦即於移除光照後，光照引發特性變化亦可長時間存續，故光控層102有非揮發記憶特性，因此，若需改變光控層102上之一目標位置之特性時，僅需控制光照以改變光束L之入射位置，即可改變形變區域之位置、大小及形狀，並有效控制光控層102之特性變化。
圖5A至圖5C展示改變光束L入射位置時光控層102特性變化之示意圖。當鐵酸鉍薄膜成長於鋁酸鑭基板上，由於鋁酸鑭晶格之維度小於鐵酸鉍，受鋁酸鑭基板之應力影響，鐵酸鉍薄膜可成長為類長方晶相(tetragonal-like BFO phase)及類菱長晶相(rhombohedral-like BFO phase)，其中同時出現類長方晶相鐵酸鉍及類菱長晶相鐵酸鉍之處稱為混合相鐵酸鉍(mixed-phase BFO)，不同相之鐵酸鉍將展現不同之物理或電磁特性。圖5A展示照光前之成長於鋁酸鑭基板上之一鐵酸鉍薄膜，其中平坦圖案即為類長方晶相鐵酸鉍，而條紋圖案即為混合相鐵酸鉍。於圖5A中，第一位置(圓圈處)501處為類長方晶相鐵酸鉍，而第二位置(三角形處)502處為混合相鐵酸鉍。
於圖5B中，使用一光束L入射第二位置502，其中光照區域經標示為503。由於撓電效應，鐵酸鉍薄膜之形變區域之中央部分及邊緣部分展現不同之特性，其中位於形變區域之中央部分之第二位置502由圖5A中所示之條紋圖案轉變為平坦圖案，亦即第二位置502處之鐵酸鉍薄膜由混合相鐵酸鉍轉變為類長方晶相鐵酸鉍，相對而言，位於形變區域之邊緣部分之第一位置501則由圖5A中所示之平坦圖案轉變為條紋圖案，亦即由類長方晶相鐵酸鉍轉變為混合相鐵酸鉍。換言之，一個光控元件由於多態樣的相分佈，可以形成多位元的記憶胞。
於圖5C中，改變光束L入射位置使第一位置501位於光照區域503之中央，如圖所示，位於中央部分之第一位置501由圖5B中所示之條紋圖案轉變為平坦圖案，亦即第一位置501處之鐵酸鉍薄膜由混合相鐵酸鉍轉變為類長方晶相鐵酸鉍，相對而言，位於邊緣部分之第二位置502則由圖5B中所示之平坦圖案轉變為條紋圖案，亦即由類長方晶相鐵酸鉍轉變為混合相鐵酸鉍。此外，亦可使光束L依序於光控層102之不同位置進行照射以同時改變形變區域之位置、大小及形狀，例如使光束L於光控層102上產生長條型之形變區域，以有效控制光控層102之特性變化。
如圖5A至圖5C所示，光控層於照光後在不同位置(如第一位置501及第二位置502)將顯現不同之特性變化，且該特性變化之不同組合可對應於複數個不同記憶狀態，亦即此光控層具有非揮發性記憶特性，可作為一光學控制裝置或一記憶體裝置，其中不同位置(如第一位置501及第二位置502)可作為不同之記憶單元。因此，若需改變光控層上之一位置之特性時，僅需控制光照以改變光束之入射位置，即可有效控制光控層102之特性變化。因此，本發明所揭示之記憶體裝置可用於以非接觸式光照方式進行記憶單元或元件內之資料之抹除與寫入。
此外，本發明所揭示之光控記憶體裝置將可大幅提高記憶密度。舉例而言，鐵酸鉍薄膜光照後形變區域之中央部分及邊緣部分將展現不同之鐵電性、反鐵磁性及磁性，使用光控方式獨立地控制三種特性，則三種特性之不同組合將可對應於八種不同記憶狀態，遠大於習知記憶單元僅具有表示高電位之「1」與低電位之「0」之兩種記憶狀態。此外，使用光控之方式所完成之記憶體裝置亦可克服習知記憶體因漏電流等問題所導致之資料之損失。
熟習此項技術者將能夠在不脫離所附申請專利範圍之範疇的情況下設想其他實施例。
101:載體
102:光控層
103:形變區域
103a:中央部分
103b:邊緣部分
201:晶格
202:陽離子
203:陰離子
203a:淨負電荷
301:晶格
302:應力梯度方向
303:電偶極矩方向
401:晶格
402:應力梯度方向
403:電偶極矩方向
501:第一位置501
502:第二位置502
503:光照區域503
L:光束
本文中參考附圖描述例示性實施例，在附圖中：
圖1A至圖1E展示依據本發明之光學控制方法之流程圖；
圖2A至圖2C展示撓電效應之原理示意圖；
圖3展示照光後光控層中應力梯度與電偶極矩之關係；
圖4展示將撓電效應理論模型套用至圖1E之光控層之示意圖；且
圖5A至圖5C展示改變光束入射位置時光控層特性變化之示意圖。
101:載體
102:光控層
103a:中央部分
103b:邊緣部分
401:晶格
402:應力梯度方向
403:電偶極矩方向
L:光束
Claims (16)
- 一種光電裝置，其包含： 一載體；及 一光控層，其經圖案化形成於該載體上以形成至少一光控元件， 其中該至少一光控元件可由一光束獨立地控制，俾使該至少一光控元件可以於二者以上的狀態之間改變。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光控層包含以下材料至少之一者：具有金屬絕緣相轉變之功能性材料、鐵電材料、鐵磁材料及多鐵材料。
- 如請求項2之光電裝置，其中該鐵電材料包含鈦酸鋇(BaTiO3 )、鈦酸鉛(PbTiO3 )或鋯鈦酸鉛化合物。
- 如請求項2之光電裝置，其中該鐵磁材料包含四氧化三鐵(Fe3 O4 )或鈷鐵氧(CoFe2 O4 )。
- 如請求項2之光電裝置，其中該多鐵材料包含鐵酸鉍(BiFeO3 )或錳酸釔(YMnO3 )。
- 如請求項2之光電裝置，其中該具有金屬絕緣相轉變之功能性材料包含二氧化釩(VO2 )及/或鑭鍶錳氧(La1-x Srx O3 )。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光控層包含以下至少之一者的物理特性：鐵電性、反鐵磁性、磁性及導電性。
- 如請求項1之光電裝置，其中該二者以上的狀態之切換係不可逆的。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光束照射該至少一光控元件將造成該光控層產生一形變。
- 如請求項9之光電裝置，其中該至少一光控元件的每一者在其經圖案化的幾何中心部分及周圍部分具有不同的形變量。
- 如請求項10之光電裝置，其中該至少一光控元件的每一者在其經圖案化的幾何中心部分及周圍部分之該一或多個特性不同。
- 如請求項1之光電裝置，其中該至少一光控元件的至少一者在其經圖案化的幾何中心部分之厚度大於其周圍部分之厚度。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光控層包含氧化物材料。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光束的波長介於10奈米與10微米之間。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光束的波長介於390奈米與700奈米之間。
- 如請求項1之光電裝置，其中該光束的波長介於490奈米與570奈米之間。
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