一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件及其制备方法与流程

本发明涉及用于光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全光存储器件及其制备方法。

背景技术：

电子芯片在通信电子线路中消耗的能量日益递增，使得在通信领域基于CMOS处理器的发展面临瓶颈。光通信因具有较低的能耗、更快的传输速率而备受关注。光位存储器的提出对光通信至关重要，因为电子存储器和处理器之间的通信难以实现片内集成。然而，光存储器被认为是芯片内光电器件中最难实现的光部件之一，因为我们需要同时实现高位速率操作、大规模集成及低功耗性能。目前，国际上已有研究组报道了集成光位存储芯片。绝大多数的这些存储器是基于光学双稳态，即利用功能材料的光学非线性。例如基于光子晶体纳米微腔的光随机存储器能实现40Gbits s^-1的光信号，功耗降低至40nW，写脉冲不超过10fJ。尽管如此，这些光双稳态存储器需要偏置电源才能保持状态，就像DRAM那样，是易失性的。基于光双稳态的存储器难以实现非易失性，而许多便携式光电产品需要非易失性来存储数据。

近年来，相变材料广泛应用于大容量可擦写的光存储介质，例如可擦写DVD和蓝光盘。这得益于相变材料两个稳定的状态，即非晶态和晶态。这两个状态在光、电性质上表现出巨大的差异。在外部光或电的激励下，晶态和非晶态能在纳秒级的时间内完成切换。因其超快的速度及优良的微缩性，基于相变材料的相变存储器被国际上公认为下一代非易失性存储器。尤其是，基于相变纳米线的存储器具有更低的功耗、更快的速度。目前，国内外还没有利用相变纳米线用于光存储的报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实现全光存储，降低功耗，便于集成且数据是非易失性的基于相变纳米线的集成型全光存储器件及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

1、一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件，包括波导，所述的波导两端分别连接有光栅垂直耦合器，所述的波导上设置有相变纳米线，所述的相变纳米线与所述的波导平行。

所述的波导为硅基平面光波导，其宽为0.2-20μm，厚度为10-1000nm；所述的光栅垂直耦合器的光栅是布拉格光栅，其耦合效率为1-50%；所述的相变纳米线为Sb基或Te基相变材料，其直径为20-600nm，长度为1-10μm。

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、Ge-Sb、Sb-Se、Ga-Sb和In-Sb。

所述的相变纳米线具有至少两个稳定的状态，即晶态和非晶态，且这两个状态对探测光具有明显不同的吸收系数，所述的相变纳米线在波导倏逝场耦合作用下发生晶态至非晶态的可逆相变。

2、上述基于相变纳米线的集成型全光存储器件的制备方法，包括以下步骤在硅基底上利用曝光刻蚀工艺制备出波导及其两端的光栅耦合器，将纳米线转移至波导上，并且与波导平行，具体如下：

（1）在硅基底上旋涂光刻胶正胶，然后采用电子束曝光-显影工艺在硅基底上形成对准标记图形；

（2）在硅基底上镀上Cr和Au薄膜，去胶后，得到Cr/Au对准标记；

（3）在硅基底上旋涂光刻胶负胶，然后再次采用电子束曝光显影工艺在硅基底上形成平面波导以及分别位于波导两端的光栅垂直耦合器图形；

（4）采用反应离子机刻蚀出相应的波导和光栅垂直耦合器，再利用氧等离子体刻蚀将波导和光栅耦合器上方的负胶完全去掉；

（5）将纳米线转移至波导上并平行于波导，即得到基于相变纳米线的集成型全光存储器件。

所述的波导为硅基平面光波导，其宽为0.2-20μm，厚度为10-1000nm；所述的光栅垂直耦合器的光栅是布拉格光栅，其耦合效率为1-50%；所述的相变纳米线为Sb基或Te基相变材料，其直径为20-600nm，长度为1-10μm。

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、Ge-Sb、Sb-Se、Ga-Sb和In-Sb。

所述的Cr/Au薄膜的厚度范围为50-300nm。

所述的相变纳米线具有至少两个稳定的状态，即晶态和非晶态，且这两个状态对探测光具有明显不同的吸收系数，所述的相变纳米线在波导倏逝场耦合作用下发生晶态至非晶态的可逆相变。

与现有技术相比，本发明的优点在于：发明一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件及其制备方法，该其基于相变纳米线的波导器件是利用相变纳米线转移至易集成的波导上来实现光存储，是一种新型的非易失性存储技术。因相变纳米线较小的编程体积、较低的熔点、较快的结晶速度，其波导器件有利于实现较低的功耗和超快的操作速度的光存储。本发明的器件为高速、高密度、低功耗的全光网络集成存储芯片提供了选择方案。

附图说明

图1为实施例1的基于GeTe纳米线的存储器件的扫描电镜图（Scanning Electronic Microscope ，简称SEM）照片一；

图2为实施例1的基于GeTe纳米线的存储器件的扫描电镜图（Scanning Electronic Microscope ，简称SEM）照片二；

图3为实施例1的基于GeTe纳米线的存储器件的在写操作下的透过率变化；

图4为实施例1的基于GeTe纳米线的存储器件的在擦操作下的透过率变化。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一、具体实施例

实施例1

在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂正胶PMMA8.0，厚度约800nm，然后采用电子束曝光工艺曝光出对准标记，并用甲基异丁基甲酮与异丙醇的混合液(其中甲基异丁基甲酮与异丙醇体积比1:3)作为显影液，获得对准标记图形；利用脉冲激光沉积法，在Si基底上镀上约5nm的Cr和100nm的Au作为对准标记，再将样品侵入丙酮去胶，即可得到Cr/Au对准标记；

在拥有对准标记的Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂负胶Ma-N2403，经过200℃，120s坚膜后，再次利用电子束曝光技术曝光出平面波导和布拉格光栅耦合器图形，波导宽为1300nm，厚度为330nm，波导与布拉格光栅总的长度为250μm。利用反应离子机刻蚀出相应的波导和布拉格光栅耦合器，再利用氧等离子体刻蚀将波导和光栅耦合器上方的掩护胶Ma-N2403完全去掉。采用气-液-固法制备GeTe纳米线样品，得到的GeTe纳米线直径范围为100-400nm，长度约为8μm。通过物理转移方法将纳米线转移至波导表面，方向与波导平行，器件的扫描电子显微镜图如图1所示。

泵浦光，即擦/写脉冲，从波导一端的光栅耦合器耦合至波导，通过波导上的倏逝场作用于纳米线，使相变纳米线发生相变。探测光通过波导另一端光栅耦合器耦合至波导，实时监测器件透过率的变化来读取存储的数据。

波长为1550nm的激光源，经光电调制后得到的50ns光脉冲作为擦写脉冲。擦写脉冲经过光放大器，由器件的左端布拉格光栅耦合器耦合至波导，驱动纳米线相变后，由右端耦合器输出。另一激光源发出波长为1560nm、功率为1μW的连续激光作为探测光。从器件的右端耦合器进入，经过GeTe纳米线吸收后，从左端耦合器出来的探测光由光电探测器收集，测试结果如图2和图3所示。

实施例2

同实施例1，其区别点在于，在Si基底上镀上约5nm的Cr和150nm的Au作为对准标记，在拥有对准标记的Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂负胶氢基硅氧烷(HSQ)，刻蚀出来的波导宽为1500nm。

实施例3

同实施例1，其区别点在于，在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂正胶ZEP520A，采用对二甲苯作为显影液，在Si基底上镀上约5nm的Cr和200nm的Au作为对准标记，在拥有对准标记。

实施例4

同实施例1，其区别点在于，在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂正胶MMA，在Si基底上镀上约10nm的Cr和180nm的Au作为对准标记。采用直径为500nm，长度约为13μm的GeTe纳米线作为存储介质。

上述制备过程中纳米线的转移除现有的公知方法外，还可以采用以下方法，具体步骤如下：

（1）分散纳米线：取一干净的硅片，依次用乙醇、去离子水在超声波中清洗，并用高纯氮气吹干；将纳米线样品微力压印并摩擦已洗净的硅片，硅片上得到少量且平行于硅片表面的纳米线；

（2）纳米线转移至有机膜：采用旋涂法在分布纳米线的硅片上镀上一层有机胶薄膜，轻微划开硅片边缘四周的有机胶薄膜并保持有机胶薄膜的完整，将硅片边缘的有机胶薄膜与硅片分离；

（3）有机膜脱离：将硅片放入含水的培养皿中静置，将硅片上表面与水平面齐平且将有机胶薄膜露出水面，使水渗入硅片与有机胶薄膜的间隙，并用气枪轻微吹有机胶薄膜边缘，使有机胶薄膜脱离硅片，将硅片表面的纳米线转移至有机胶薄膜的下表面，将少量水注入培养皿，使带有纳米线的有机胶薄膜浮在水面上；

（4）有机膜移至带孔托盘：通过聚二甲基硅氧烷粘附剂将有机胶薄膜的上表面粘附在有孔的托盘上，同时将有机胶薄膜的纳米线区域置于托盘孔的位置；

（5）波导器件上的光刻胶开窗口：将波导器件上旋涂一层光刻胶，通过曝光-显影工艺，在需要转移纳米线的波导器件位置处开一个裸露出波导器件的窗口，窗口尺寸略大于待转移纳米线尺寸；

（6）转移纳米线至窗口：将托盘放置于光学显微镜下的高度固定的框架上，框架下可升降的样品台粘上需要转移纳米线的波导器件；在光学显微镜下，透过孔能够依次观察到纳米线和波导器件；通过光学显微镜选定要转移的纳米线，调整托盘角度，将待转移纳米线对准波导器件上的窗口，缓慢升高样品台直至待转移纳米线嵌入窗口，即待转移纳米线接触至指定位置；

（7）有机膜脱离聚二甲基硅氧烷：将样品台上的波导器件加热到60-120℃，并保持10-60分钟以上，直至有机胶薄膜趋于软化，降低样品台直至波导器件与聚二甲基硅氧烷脱离，并将波导器件移出样品台；此时波导器件上有纳米线，纳米线上方覆盖着有机胶薄膜；窗口里的纳米线粘附在波导器件指定位置上，其它未选取的纳米线夹在波导器件上的光刻胶和有机胶薄膜之间；

（8）增加纳米线与波导的黏附力：将波导器件放入退火炉，控制退火温度小于纳米线熔点或晶化温度，处理10-60分钟，充分增加窗口内的纳米线与波导器件的黏附力；

（9）移除有机薄膜及光刻胶：将波导器件放置在丙酮中，使光刻胶和有机胶薄膜充分溶解，夹在光刻胶和有机胶薄膜之间的纳米线脱离波导器件，同时，转移的纳米线牢牢固定在窗口的波导器件上，通过丙酮和乙醇的冲洗，波导器件上只留下转移的纳米线，即完成单根纳米线的转移。

二、实验结果分析

图1和图2为本发明器件的扫描电镜(SEM)图。该器件主要由Si₃N₄波导、分别与波导两端相连的光栅垂直耦合器，以及波导上方的GeTe纳米线组成，纳米线方向与波导平行。为了制备相关结构，该器件上还包括了对准标记。GeTe纳米线直径范围为100-400nm，长度约为8μm，对齐在波导正上方。图3是器件在写操作下的透过率变化。通过施加”写”光脉冲（10ns,1.1mW），器件内的GeTe纳米线在波导倏逝场的耦合作用下发生从晶态到非晶态的相变。相比晶态，非晶态具有较小的吸收系数。因而，纳米线发生相变后，器件透过率会从低值态跳变至高值态。图4是擦操作下的透过率变化。通过施加”擦”光脉冲（50ns,1.3mW），器件的纳米线从非晶态回到晶态，因而，透过率从高值态返回到低值态。透过率的高、低状态分别对应二进制的“1”和“0”数据，本发明器件实现了数据的存储和读取。此外，在擦/写操作后，数据状态一直被保持，因而存储的数据是非易失性的，无需外置电源维持数据状态，有利于降低功耗。

综上所述，本发明的器件可以实现全光存储，器件内光路在波导内传输，便于集成，且数据是非易失性的。本器件可以用于高速、高密度、低功耗的全光网络集成存储芯片。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。