鐵電光電存儲器架起電子和光子線路之間的橋梁

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引言
! ]( Z0 s6 l6 v; `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·諾依曼架構的傳統(tǒng)電子計算機難以應對數(shù)據(jù)密集型任務。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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, M1 j( e& F6 g6 C( ]: E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和光學方法進行編程和擦除，架起了電子和光子線路之間的橋梁[1]。

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* p0 j8 J2 E9 k2 L5 @圖1：具有電學和光學編程/擦除功能的非易失性光存儲單元示意圖。

鐵電硅環(huán)形諧振器
) A4 F" N' ?: ]& d# @  i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)形諧振器結構。這種薄膜直接沉積在硅波導上，實現(xiàn)了光學特性的非易失性調制。器件使用氧化銦錫(ITO)作為透明頂電極，而輕摻雜的硅波導作為底電極。

+ O5 c" M9 H1 S& |2 f! L3 x當在電極間施加電壓時，HAO薄膜中的偶極子會發(fā)生翻轉。這種翻轉產(chǎn)生剩余極化，改變了下層硅波導中的空穴濃度，從而改變其折射率。這種靜電摻雜效應使器件能夠在不消耗能量的情況下保持信息存儲狀態(tài)。

" P" Y  t! _( Y6 s) x& A圖2：環(huán)形區(qū)域的截面圖，顯示器件的層狀結構。

存儲單元可以通過電學和光學方法進行編程和擦除。電學控制是通過直接向電極施加電壓脈沖實現(xiàn)的。對于光學控制，器件使用兩個光電二極管將光信號轉換為電偏置，實現(xiàn)光-電-光(OEO)轉換。
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9 `5 z! k9 T2 _3 c6 @* D這種存儲單元的關鍵優(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)，對應于鐵電開關的不同級別。這允許每個單元存儲多于一位的信息，提高了存儲密度。

圖3：通過電學和光學編程/擦除后進行光學讀取，展示多級存儲能力。
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, j3 P$ c! ^2 a, B; H7 o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，達到了6.6 dB的高光學消光比。存儲單元在5V下顯示了4 × 104次的耐久性，在4V下達到1 × 106次，表明具有良好的可靠性。

圖4：保持測試結果，顯示存儲單元的非易失性特性。

# X* d7 b" D& U! b9 x3 _7 W保持測試證明了存儲的非易失性，在1000秒內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，適合長期存儲應用。
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5 H7 [6 a9 z% B: ?器件的多模式操作是另一個重要特征�？梢允褂霉鈱W和電學方法進行編程、擦除和讀取。這種靈活性使其非常適合未來混合架構中電子和光子系統(tǒng)的接口。

圖5：混合模式操作的測量設置，顯示光學和電學組件的集成。

: e8 A# }1 T. j8 ?. s) r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，可以使用標準的錯誤糾正技術（如低密度奇偶校驗(LDPC)編碼）輕松糾正。

3 d! s6 S9 j% y+ S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電性。這些特性之間存在權衡，因為更好的導電性會導致更高的光學吸收，可能降低光學環(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，導致約0.018 dB/μm的額外光學損耗。
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圖6：Si波導上ITO/HAO柵極堆棧的損耗測試結果，顯示柵極堆棧引入的額外損耗。
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未來展望與改進方向
未來存在幾個潛在的改進領域。器件的開關速度目前受限于硅波導中的載流子濃度，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。

9 J7 ^: ]# S# V- s2 j這種鐵電光電存儲器的開發(fā)代表了混合電光系統(tǒng)領域的進步。光學和電學域之間的接口能力，結合非易失性和多級存儲能力，使其成為廣泛應用的有前景技術。這些應用包括光互連、高速數(shù)據(jù)通信和神經(jīng)形態(tài)計算。
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) K( W4 ^" c0 K& B" v參考文獻
[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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