[发明专利]一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法

说明书

本发明公开了一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法，特点是包括波导，波导两端分别连接有光栅垂直耦合器，波导的两侧对称分布有电极，波导上方设置有相变纳米线，相变纳米线与波导垂直，相变纳米线连接两个电极并形成欧姆接触，优点是可以实现电域和光域同时操作，可以利用光电混合模式实现多级存储，并能监测相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度。

技术领域

本发明涉及用于光电混合存储的纳米器件领域，尤其是涉及一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法。

背景技术

与电子集成器件结合的纳米光子集成元件可以构造片上多功能光电子电路，以在单个片内系统实现高效的数据存储、通信及处理。这种具有较小尺寸和功耗的多功能片内集成光电器件允许同时在电域和光域中进行操作，进而可以处理光电混合模式数据，便于大量信息的管理及减小多功能集成的复杂性。这种光电混合器件的性能主要取决于兼具电和光迅速响应的多功能材料，寻找这种适合作器件架构核心的多功能材料仍然面临挑战。

最近，相变材料已被提出广泛用于电子存储器、全光开关、光子存储及固态显示等可重构的纳米光电子器件。相变材料的物理性质，包括电阻率和折射率，在非晶态和晶态之间具有较大的差异。两个状态之间的可逆转变可以在亚纳秒时间内完成，并且能长时间保持稳定。在无外置电源的情况下，存储的数据能够保持数年，即基于相变材料的光电子器件具有倍受青睐的非易失性。此外，相变材料具有良好的伸缩性，缩小至2nm以下仍然保持可逆相变性能。目前，它已成功用于电子或光子器件的存储介质，还有望成为应用在超高分辨率显示器件的核心材料。与快状材料相比，相变纳米线具有较高的结晶温度、较低的熔点、较低热导率及较大的表体面积比。因此，相变纳米线有利于提高热稳定性、降低器件功率及与易于与现有的制造工艺相结合的优点。相变纳米线的可控尺寸可以缩小到直径30nm，是制造纳米器件潜在的候选材料，同时也是多功能片内集成光电器件的理想候选者。

在电域和光域中，对瞬态相变的实时观察是理解相变材料的相变动态过程的基本途径。通常，相变存储器的操作速度由外部擦/写脉冲的脉宽来评估。由于原子间的共价键和共振键之间的转变及原子本身的重新排列均需要时间，这种外部脉冲的脉宽是不足以评估器件的最终操作速度。因而，在技术上，需要我们研发一种相变器件来评估相变存储介质的最终操作速度。目前，国内外还没有在电域和光域能同时实现操作的存储器件的相关研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现电域和光域同时操作，并能监测相变纳米线的瞬态过程，测试其相变速度的基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件，包括波导，所述的波导两端分别连接有光栅垂直耦合器，所述的波导的两侧对称分布有电极，所述的波导上方设置有相变纳米线，所述的相变纳米线与所述的波导垂直，所述的相变纳米线连接两个所述的电极并形成欧姆接触。

所述的波导为硅基平面光波导，其宽为0.1-15μm，厚度为10-1000nm；所述的电极与所述的波导之间的距离为0.1-10μm；所述的光栅垂直耦合器的光栅为布拉格光栅，在波长为1.5-1.6μm处的耦合效率为1-50%；所述的相变纳米线为Sb基或Te基相变材料，其直径为20-800nm，长度为1-30μm。

所述的硅基包括Si、Si₃N₄和SiC硅基，所述的相变纳米线包括Ge-Te、Sb-Te和Ge-Sb-Te。

所述的电极靠近波导的一端端部呈梯形结构，其短边的底线长为1-10μm，长边的底线为10-100um。

所述的相变纳米线具有晶态和非晶态两个稳定的状态，且两个状态对探测光具有明显不同的吸收系数；在波导倏逝场耦合作用下发生晶态至非晶态的可逆相变。