一種基于相變納米線的集成型光電存儲器件及其測試方法與流程

本發明涉及用于光電混合存儲的納米器件領域，尤其是涉及一種基于相變納米線的集成型光電存儲器件及其測試方法。

背景技術：

與電子集成器件結合的納米光子集成元件可以構造片上多功能光電子電路，以在單個片內系統實現高效的數據存儲、通信及處理。這種具有較小尺寸和功耗的多功能片內集成光電器件允許同時在電域和光域中進行操作，進而可以處理光電混合模式數據，便于大量信息的管理及減小多功能集成的復雜性。這種光電混合器件的性能主要取決于兼具電和光迅速響應的多功能材料，尋找這種適合作器件架構核心的多功能材料仍然面臨挑戰。

最近，相變材料已被提出廣泛用于電子存儲器、全光開關、光子存儲及固態顯示等可重構的納米光電子器件。相變材料的物理性質，包括電阻率和折射率，在非晶態和晶態之間具有較大的差異。兩個狀態之間的可逆轉變可以在亞納秒時間內完成，并且能長時間保持穩定。在無外置電源的情況下，存儲的數據能夠保持數年，即基于相變材料的光電子器件具有倍受青睞的非易失性。此外，相變材料具有良好的伸縮性，縮小至2nm以下仍然保持可逆相變性能。目前，它已成功用于電子或光子器件的存儲介質，還有望成為應用在超高分辨率顯示器件的核心材料。與快狀材料相比，相變納米線具有較高的結晶溫度、較低的熔點、較低熱導率及較大的表體面積比。因此，相變納米線有利于提高熱穩定性、降低器件功率及與易于與現有的制造工藝相結合的優點。相變納米線的可控尺寸可以縮小到直徑30nm，是制造納米器件潛在的候選材料，同時也是多功能片內集成光電器件的理想候選者。

在電域和光域中，對瞬態相變的實時觀察是理解相變材料的相變動態過程的基本途徑。通常，相變存儲器的操作速度由外部擦/寫脈沖的脈寬來評估。由于原子間的共價鍵和共振鍵之間的轉變及原子本身的重新排列均需要時間，這種外部脈沖的脈寬是不足以評估器件的最終操作速度。因而，在技術上，需要我們研發一種相變器件來評估相變存儲介質的最終操作速度。目前，國內外還沒有在電域和光域能同時實現操作的存儲器件的相關研究報道。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種能實現電域和光域同時操作，并能監測相變納米線的瞬態過程，測試其相變速度的基于相變納米線的集成型光電存儲器件及其測試方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種基于相變納米線的集成型光電存儲器件，包括波導，所述的波導兩端分別連接有光柵垂直耦合器，所述的波導的兩側對稱分布有電極，所述的波導上方設置有相變納米線，所述的相變納米線與所述的波導垂直，所述的相變納米線連接兩個所述的電極并形成歐姆接觸。

所述的波導為硅基平面光波導，其寬為0.1-15μm，厚度為10-1000nm；所述的電極與所述的波導之間的距離為0.1-10μm；所述的光柵垂直耦合器的光柵為布拉格光柵，在波長為1.5-1.6μm處的耦合效率為1-50%；所述的相變納米線為Sb基或Te基相變材料，其直徑為20-800nm，長度為1-30μm。

所述的硅基包括Si、Si₃N₄和SiC硅基，所述的相變納米線包括Ge-Te、Sb-Te和Ge-Sb-Te。

所述的電極靠近波導的一端端部呈梯形結構，其短邊的底線長為1-10μm，長邊的底線為10-100um。

所述的相變納米線具有晶態和非晶態兩個穩定的狀態，且兩個狀態對探測光具有明顯不同的吸收系數；在波導倏逝場耦合作用下發生晶態至非晶態的可逆相變。

基于相變納米線的集成型光電存儲器件的測試方法，步驟如下：擦寫光脈沖從垂直光柵耦合器耦合至波導，通過波導倏逝場耦合作用使納米線發生相變；同時，通過電極施加電脈沖，使得納米線發生相變；通過實時監測集成型光電存儲器件電阻和透過率實現數據讀取；通過實時監測透過率響應獲得相變納米線的瞬態過程，測試其相變速度。

上述測試方法具體步驟如下：利用光電調制器調制連續激光產生100ps-1000ns的擦寫光脈沖，波長為1.5-1.6μm，脈沖強度由光放大器放大；擦寫脈沖經過光柵垂直耦合器耦合至波導，在倏逝場耦合作用下驅使納米線發生相變；同時，通過電極施加電脈沖，使得納米線發生相變；探測光在波導另一端的光柵垂直耦合器耦合至波導，波長為1.5-1.6μm，經過納米線吸收后，探測光分成兩部分，10%-50%的探測光由光電探測器收集，通過計算機顯示出器件透過率；其它部分探測光由高速光電探測器監測，信號通過直流過濾器后，被高頻示波器捕捉，與此同時，相變納米線在電流源的偏置下，監測其靜態電阻。

與現有技術相比，本發明的優點在于：本發明一種基于相變納米線的集成型光電存儲器件及其測試方法能實現電域和光域同時操作，并能監測相變納米線的瞬態過程，測試其相變速度。本發明的器件是基于相變納米線，充分利用了其較高的結晶溫度、較低的熔點、較低熱導率及較大的表體面積比，因而此類器件具有可靠性好、功率低、集成度高、非易失性等優點。與此同時，此類器件采用電域和光域的相結合的操作方式可以實現多級存儲，有利于實現高容量、高密度集成。此類器件的研發還有助于研究相變材料在電學和光學性質的相關性，為實現新型多功能光電子器件，如光電非易失性存儲器，光電顯示器和可重構光電電路提供解決方案。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的器件的光學顯微鏡圖；

圖2為本發明實施例1的器件的透過譜圖；

圖3為實施例1的能量為5.8mW的寫脈沖譜圖；

圖4為實施例1的在5.8mW的寫脈沖作用下的透過率圖；

圖5為實施例1的器件電阻與能量的關系圖；

圖6為實施例1的器件的透過率響應圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

一、具體實施例

實施例1

在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上分兩步采用電子束-曝光刻蝕工藝制備出器件，即首先在Si₃N₄/SiO₂/Si制備出電極和對準標記，電極為Cr(10nm)/Au(90nm)結構，總厚度為100nm，然后再次使用電子束-曝光刻蝕工藝制備出波導和垂直光柵耦合器，電極分布在波導兩側。最后，將GeTe納米線轉移至Cr/Au電極上，垂直懸掛在波導正上方。器件的波導寬為1.3μm，厚度為200nm，電極與波導之間的距離為300nm，梯形電極的短邊和長邊分別為4和20μm。垂直耦合器的光柵周期為1.14-1.16μm，填充因子為0.88，其耦合效率約為27%。GeTe納米線的長度約為26μm，直徑為700nm，與波導兩側的電極呈歐姆接觸，器件的光學顯微鏡如圖1所示。GeTe納米線處于晶態，其電阻為6KΩ。采用連續激光源測試器件得到其透過譜，如圖2所示。利用波長為1.55μm的激光源，脈寬為50ns，功率為5.8mW的激光作為寫脈沖，如圖3所示。采用波長為1.56μm，功率為0.1mW的連續激光作為探測光。器件在寫操作下，其光學透過率如圖4所示，電阻仍然保持不變。采用功率為6.2mW的脈沖進行寫操作時，其電阻從6KΩ上升至3MΩ，如圖5所示。當施加一較小能量的脈沖，器件又能回到6KΩ，可以反復操作。測得在寫脈沖下的速度為65ns，如圖6所示。

實施例2

同實施例1，其區別點在于，懸掛在該器件的波導寬為1.4μm，厚度為300nm，電極與波導之間的距離為500nm，梯形電極的短邊為5μm。GeTe納米線的長度約為3μm，直徑為300nm。激光寫脈沖波長為1.56μm，功耗為5.2mW，探測光波長為1.57μm。

實施例3

同實施例1，其區別點在于，電極與波導之間的距離為1μm，梯形電極的短邊為5μm。GeTe納米線的長度約為12μm，直徑為400nm。利用聚焦離子束(FIB)在納米線與電極接觸處鍍Pt，以改進納米線與電極的歐姆接觸，此時，器件在晶態下的電阻為1.2KΩ。

二、實驗結果分析

圖1為本發明器件的光學顯微鏡圖。該器件主要由Si₃N₄波導、波導兩側的Cr/Au電極、與波導兩端相連的垂直光柵耦合器及連接兩電極的GeTe納米線。GeTe納米線直徑約為700nm，長度約為26μm，其方向與波導導模方向垂直。波導與納米線距離為電極的厚度，即約100nm。圖2是本發明器件的透過譜，可以看出，器件透過光譜的波長范圍為1.55至1.57μm。因而波長位于這個范圍內的激光源可以用于本發明器件的擦寫及探測。這里，采用1550nm的光脈沖為寫脈沖，而1560nm的連續激光源為探測光。圖3和圖4分別是能量為5.8mW的寫脈沖譜和器件透過率圖。在5.8mW的光脈沖下，GeTe納米線的狀態從晶態驅動到非晶態，因而透過率從低值態跳變至高值態(見圖4)。因為納米線沿波導上方的橫截面未完全非晶化，納米線的電阻仍然維持低阻態。圖5是器件電阻與能量的關系圖。施加一個較大能量的光脈沖(6.2mW)，器件電阻從低阻態跳變至高阻態，此時波導上方的GeTe納米線已完全非晶化。當施加較低能量時，器件能返回到晶態，可以實現可逆的擦操作。值得注意的是，結合光電混合模式，器件可以實現多態存儲，即透過率的“0”和“1”狀態，以及電阻的“2”狀態。圖6是測試得到的透過率響應，可以看出，晶態到非晶態轉變所需要的時間為65ns。

綜上所述，本發明的器件可以實現全光擦寫，且結合光電讀取模式可以實現器件多態存儲，為實現新型多功能光電子器件，如光電非易失性存儲器，光電顯示器和可重構光電電路提供解決方案。

上述說明并非對本發明的限制，本發明也并不限于上述舉例。本技術領域的普通技術人員在本發明的實質范圍內作出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍，本發明的保護范圍以權利要求書為準。