鐵電光電存儲器架起電子和光子線路之間的橋梁

逍遙設(shè)計自動化

引言
在大數(shù)據(jù)和人工智能時代，對更快、更高效計算系統(tǒng)的需求不斷增加�；�于馮·諾依曼架構(gòu)的傳統(tǒng)電子計算機(jī)難以應(yīng)對數(shù)據(jù)密集型任務(wù)。光電子集成芯片(PIC)提供了有希望的解決方案，利用光的固有特性，如高帶寬、高功率效率和高并行性。然而，缺乏光學(xué)可訪問的存儲器是實現(xiàn)光計算全部潛力的重大障礙。
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% _: y: Z& R# r( n) `$ m- U為解決這一挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了基于鐵電硅環(huán)形諧振器的非易失性光電存儲器。這種創(chuàng)新器件可以通過電學(xué)和光學(xué)方法進(jìn)行編程和擦除，架起了電子和光子線路之間的橋梁[1]。


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, B& U# w: g% ~1 A3 L9 @0 q圖1：具有電學(xué)和光學(xué)編程/擦除功能的非易失性光存儲單元示意圖。
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鐵電硅環(huán)形諧振器
此存儲單元的核心是集成了鋁摻雜二氧化鉿(HAO)鐵電材料的環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)。這種薄膜直接沉積在硅波導(dǎo)上，實現(xiàn)了光學(xué)特性的非易失性調(diào)制。器件使用氧化銦錫(ITO)作為透明頂電極，而輕摻雜的硅波導(dǎo)作為底電極。

( ~# H$ a( Z8 J: [當(dāng)在電極間施加電壓時，HAO薄膜中的偶極子會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。這種翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生剩余極化，改變了下層硅波導(dǎo)中的空穴濃度，從而改變其折射率。這種靜電摻雜效應(yīng)使器件能夠在不消耗能量的情況下保持信息存儲狀態(tài)。

圖2：環(huán)形區(qū)域的截面圖，顯示器件的層狀結(jié)構(gòu)。

3 G& |0 R' p/ O6 e存儲單元可以通過電學(xué)和光學(xué)方法進(jìn)行編程和擦除。電學(xué)控制是通過直接向電極施加電壓脈沖實現(xiàn)的。對于光學(xué)控制，器件使用兩個光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電偏置，實現(xiàn)光-電-光(OEO)轉(zhuǎn)換。
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  `5 ]7 j8 q9 V這種存儲單元的關(guān)鍵優(yōu)勢是多級存儲能力。通過施加不同的編程電壓，器件可以實現(xiàn)多個不同的狀態(tài)，對應(yīng)于鐵電開關(guān)的不同級別。這允許每個單元存儲多于一位的信息，提高了存儲密度。

9 H  m+ C6 [# l+ ~% g- L圖3：通過電學(xué)和光學(xué)編程/擦除后進(jìn)行光學(xué)讀取，展示多級存儲能力。

研究人員通過各種測試展示了器件的性能。在5V的低工作電壓下，達(dá)到了6.6 dB的高光學(xué)消光比。存儲單元在5V下顯示了4 × 104次的耐久性，在4V下達(dá)到1 × 106次，表明具有良好的可靠性。
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& U5 z/ f# q- z/ r/ p) N/ x圖4：保持測試結(jié)果，顯示存儲單元的非易失性特性。
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保持測試證明了存儲的非易失性，在1000秒內(nèi)沒有觀察到明顯的退化。數(shù)據(jù)外推表明保持時間超過10年，適合長期存儲應(yīng)用。
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. u6 a! a1 ?: D" r$ D4 c器件的多模式操作是另一個重要特征�？梢允褂霉鈱W(xué)和電學(xué)方法進(jìn)行編程、擦除和讀取。這種靈活性使其非常適合未來混合架構(gòu)中電子和光子系統(tǒng)的接口。

圖5：混合模式操作的測量設(shè)置，顯示光學(xué)和電學(xué)組件的集成。

8 F- ?: q. ~% _5 |研究人員還分析了多級存儲的原始位錯誤率(RBER)，發(fā)現(xiàn)低于5.9 × 10-2。這種錯誤水平足夠低，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的錯誤糾正技術(shù)（如低密度奇偶校驗(LDPC)編碼）輕松糾正。
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9 N; g; }5 H0 W4 I3 A5 z* ?開發(fā)這種存儲單元的一個挑戰(zhàn)是平衡ITO頂電極的透明度和導(dǎo)電性。這些特性之間存在權(quán)衡，因為更好的導(dǎo)電性會導(dǎo)致更高的光學(xué)吸收，可能降低光學(xué)環(huán)形諧振器的性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，13 nm厚的ITO層提供了可接受的平衡，導(dǎo)致約0.018 dB/μm的額外光學(xué)損耗。

4 D( x3 c# _5 W$ l圖6：Si波導(dǎo)上ITO/HAO柵極堆棧的損耗測試結(jié)果，顯示柵極堆棧引入的額外損耗。
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  E8 P( x* Y* V1 i; t未來展望與改進(jìn)方向
2 B0 J6 L( A; B$ N8 r未來存在幾個潛在的改進(jìn)領(lǐng)域。器件的開關(guān)速度目前受限于硅波導(dǎo)中的載流子濃度，可以通過優(yōu)化摻雜剖面來提高。通過硅和HAO層之間的界面工程可以提高耐久性。此外，集成片上組件（如光電二極管、電阻器和偏置三通）可以減少噪聲并提高整體性能。
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這種鐵電光電存儲器的開發(fā)代表了混合電光系統(tǒng)領(lǐng)域的進(jìn)步。光學(xué)和電學(xué)域之間的接口能力，結(jié)合非易失性和多級存儲能力，使其成為廣泛應(yīng)用的有前景技術(shù)。這些應(yīng)用包括光互連、高速數(shù)據(jù)通信和神經(jīng)形態(tài)計算。

參考文獻(xiàn)
" f) l  \: {8 ]' I[1] G. Zhang et al., "Thin film ferroelectric photonic-electronic memory," Light: Science & Applications, vol. 13, no. 1, p. 206, 2024, doi: 10.1038/s41377-024-01555-6.

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