一种基于宽带透明相变材料（Ge2Sb2Se5，GSSe）的多态电编程低损耗非易失性光子存储器，在非晶态下具有超低吸收。
国外杂志Light：Science & Applications近日发表了一篇由Jiawei Meng，Yaliang Gui，Behrouz Movahhed Nouri，Xiaoxuan 马，乔治华盛顿大学电气与计算机工程系撰写的文章《Electrical programmable multilevel nonvolatile photonic random-access memory》，大意为：
光子随机存取存储器（P-RAM）是片上非冯·诺依曼光子计算的重要组成部分，它消除了数据链路中的光电转换损耗。新兴相变材料 （PCM） 已显示出多级存储能力，但演示仍然会产生相对较高的光损耗，并且需要繁琐的 WRITE-ERASE 方法，从而增加了功耗和系统封装挑战。
在这里，我们展示了一种基于宽带透明相变材料（Ge2Sb2Se5，GSSe）的多态电编程低损耗非易失性光子存储器，在非晶态下具有超低吸收。在绝缘体上硅平台上展示了一种零静态功耗和电气编程的多位 P-RAM，具有高达 0.2 dB/μm 的高效幅度调制和总 0.12 dB 的超低插入损耗，与其他基于相变材料的光子存储器相比，信损比提高了 100×。
我们进一步优化了双微加热器的定位，验证了性能权衡。在实验上，我们展示了五十万次的可循环性测试，展示了这种材料和设备的稳健方法。低损耗光子保持状态为光子功能和可编程电路增加了一个关键特性，影响了许多应用，例如神经网络、激光雷达和传感器。
平面化波导的 3D 原理图，波导顶部有 30 nm GSSe 层和多个平行双面钨钛微加热器。b GSSe在波导上与离散双面加热器的详细光学图像（c） in （b）的放大详细图像。分立式双面加热器沿波导布置在GSSe薄膜上。d 带有单面加热器的GSSe条形阵列的详细光学图像，用于测量高阶位存储器。e 实验获得的GSSe薄膜的（椭偏仪）光学特性。GSSe 在 1550 nm 处对结晶和非晶态的吸收系数对比度（非晶态和非晶态合金折射率的虚部）。GSSe显示出很强的统一∆k，同时在无定形状态下显示出很小的诱导损失。f TE和TM模式的混合Si-GSSe波导的归一化电场模式剖面，非晶态和晶态之间的吸收系数为0.54 dB/μm。k在无定形状态下的有效折射率为（{-2.18times 10}^{-5}），这导致记忆的被动吸收单位非常小。g 横向热电开关配置的二维横截面示意图，用于优化加热器电阻，以最小的光散射实现最大的加热效率。h 器件的横截面SEM图像。
光学编程具有一些优点，例如不需要电触点、实现快速响应时间以及允许非接触式和远程操作。然而，它也存在局限性，包括复杂的光耦合、串扰和相邻存储单元之间的干扰，以及增加的功耗，并且无论如何都仅限于电信号基本原理，因为光信号首先是由电刺激“驱动”的23.相比之下，电气编程因其CMOS兼容性、可扩展性和简化封装而具有优势，但它也有局限性，例如对电触点的要求以及根据具体相变材料和存储单元设计而可能较慢的响应时间。尽管如此，这些电气编程P-RAM等同于电子计算或存储器编程（CIM/PIM）方案，这些方案几乎部署在电子芯片的任何地方。这里介绍的P-RAM是CIM/PIM的光电等效物。
关于GSSe的热学和电学性能，这种硫族化物玻璃表现出相变存储器应用的理想性能，例如低导热性、高光学对比度和良好的电气性能。GSSe 的导热系数相对较低，通常在 0.1–0.5 W/m K 范围内，这有助于减少相邻存储单元之间的热串扰。其密度范围约为 4.5-5.5 g/cm3，取决于具体的玻璃成分。GSSe在无定形状态下的电导率相对较低（10−9–10−10S/cm），但在其结晶状态下增加了几个数量级（10−2–10−3S/厘米）24、25、26 .GSSe在其非晶相和晶相之间也表现出高折射率对比度，差异约为0.1-0.3，这对于高效的存储单元操作至关重要。
值得注意的是，我们证明了当异质集成到硅光子学中时，非晶态下的光吸收几乎接近于零。此外，每种状态下吸收系数变化的变化相对较小，使其成为非常稳定的高阶多态器件的有前途的材料，避免了高输入激光功率和极低噪声等效功率探测器的使用。假设薄膜是连续的，对于波导的基本TM模式，相变会产生等于0.015的有效吸收系数的变化，相当于0.2 dB/μm。同时，与用于PCM写入和复位的全光激光加热相比，我们提出的P-RAM的所有通过微金属加热器的电脉冲编程方法在易于控制方面具有显着优势。此外，从封装的角度来看，电气控制仍然是最佳选择之一，特别是对于未来在大规模光子张量计算电路中大规模实施P-RAM而言，特别是在易于集成、可扩展性和整体系统成本方面。
结果
为了演示这种光子非易失性存储器，通过平面化硅波导顶部的热蒸发器直接沉积了一层 40 nm 厚的 GSSe 薄膜（图 1）。1a）. 通过局部电热加热，对GSSe薄膜的各部分进行选择性的“写入/擦除”操作，对获得的存储器状态进行编程。与以前使用光控制光束的方法不同24< >，在这里，通过在波导附近放置多层金属条并改变水平距离来部署行业标准的微加热器。这允许优化ER与IL的关系，例如通过防止金属引入的散射（参见“方法”和图）。1）.它是保持整体插入损耗低的关键，并允许GSSe的结构状态（结晶/非晶态）的电驱动变化，从而导致有效折射率的强烈虚部变化，导致显着的光吸收变化。
在这种设计中，通过钨钛 （W/Ti） 金属层与 GSSe 薄膜上的 20 nm 氧化铝介电层接触的焦耳加热，将热量施加到材料外部，以保护 GSSe 免受氧化，模拟其模式和热分布（图 1）。1f） 根据所需的过渡类型，通过与设备的电气连接将不同的脉冲序列曲线施加到金属线上。通过 Comsol 进行三维模式仿真（补充注释 7），我们优化了加热器相对于波导的位置，以最大限度地减少由于金属的存在而导致的欧姆损耗，同时降低阈值电压，以提供必要的热量来诱导相变。优化的加热器配置由两个非等离子体钨电阻加热器组成，它们与沉积在GSSe薄膜顶部的氧化铝薄间隔物接触（图1）。1g，h）。加热器放置在波导侧面 500 nm 处，从而局部为薄膜提供热量，这不仅降低了开关阈值，而且还在时间上为连续脉冲储存了热量。我们选择非等离子体钨化合物作为我们的P-RAM设计，因为与金或银等等离子体材料相比，它的光学损耗较低。这对于我们最大限度地减少光学损耗和确保可靠的读取操作尤为重要。此外，钨化合物具有高导热性，有助于消散电加热过程中产生的热量，有助于提高存储系统的整体热稳定性和可靠性。
为了达到多态功率输出响应，沿着波导串联放置一系列成对的加热器。每对加热器都经过单独调谐，以局部焦耳加热 GSSe 材料以实现固态相变。然而，在结晶态下，GSSe的损耗大大增加，实验数据获得的线性吸收系数为~0.2 dB/μm，在非晶态下插入损耗接近于零。这种配置利用了GSSe材料在非晶态下的这种近乎无损的特性，因为即使对于长带材，波导中的光信号损耗也很小。我们通过调整每对加热器来精确控制材料每个部分的状态，以获得逐步消光比。当放置N对加热器时，总共实现了N+1个功率强度响应的记忆状态。
我们的光子存储器由一个 40 nm 薄的 GSSe 焊盘组成，沿波导排列有平行的 W-Ti 微加热器对，因为每对加热器对应于一个量子化状态（图 1）。1a，b）。双面加热器设计为GSSe的相变提供了最高的热能效率。此外，这种设计防止了金属加热器引入的额外光学插入损耗，因为金属条不是直接沉积在波导上，而是与波导侧面有几百nm的水平距离。
我们还提出了另一种布局（图 1）。1d），包括以光栅方式排列的 40 nm 细和 5000 nm 宽的可编程 PCM 线（占空比 50%），以及一系列单面加热器，用于对每根 PCM 线进行焦耳加热，利用相同的电气局部焦耳加热概念。这里展示的单面加热器概念主要用于具有高位数分辨率的光学存储器，这需要大量的GSSe材料单元以及所需数量的微加热器、金属焊盘和布线。
全文源地址：Electrical programmable multilevel nonvolatile photonic random-access memory
声明： 此文观点不代表本站立场；转载须要保留原文链接；版权疑问请联系我们。
