鐵電光電存儲(chǔ)器架起電子和光子線路之間的橋梁

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代，對更快、更高效計(jì)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(jì)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(chǔ)器是實(shí)現(xiàn)光計(jì)算全部潛力的重大障礙。
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8 U, T$ W4 h4 H# w' {7 Y3 M; V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(chǔ)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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2 X0 }2 z+ Q0 A' `! F+ m4 e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(chǔ)單元示意圖。
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0 k. y/ V$ d7 d, I2 V' u; [鐵電硅環(huán)形諧振器
此存儲(chǔ)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(shí)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。

當(dāng)在電極間施加電壓時(shí)，HAO薄膜中的偶極子會(huì)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(chǔ)狀態(tài)。

* o8 N% J% L) u圖2：環(huán)形區(qū)域的截面圖，顯示器件的層狀結(jié)構(gòu)。

存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的。對于光學(xué)控制，器件使用兩個(gè)光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電偏置，實(shí)現(xiàn)光-電-光(OEO)轉(zhuǎn)換。

& T$ P. ]; B% g; P7 T: \6 v6 D0 |這種存儲(chǔ)單元的關(guān)鍵優(yōu)勢是多級存儲(chǔ)能力。通過施加不同的編程電壓，器件可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(gè)單元存儲(chǔ)多于一位的信息，提高了存儲(chǔ)密度。

# p! D# h4 g3 U: `, c7 X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(chǔ)能力。
& C4 g3 v1 K8 n7 `1 N6 X
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(chǔ)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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圖4：保持測試結(jié)果，顯示存儲(chǔ)單元的非易失性特性。
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保持測試證明了存儲(chǔ)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(shí)間超過10年，適合長期存儲(chǔ)應(yīng)用。
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. [: K0 Z: u% B% F器件的多模式操作是另一個(gè)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。

. V/ O# o0 S+ b' f, t; ?2 X7 `2 O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 x) H1 e; F  v& F研究人員還分析了多級存儲(chǔ)的原始位錯(cuò)誤率(RBER)，發(fā)現(xiàn)低于5.9 × 10-2。這種錯(cuò)誤水平足夠低，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的錯(cuò)誤糾正技術(shù)（如低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)編碼）輕松糾正。

開發(fā)這種存儲(chǔ)單元的一個(gè)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?yàn)楦�好的�?dǎo)電性會(huì)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。

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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未來展望與改進(jìn)方向
未來存在幾個(gè)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。

- A3 g* Q: i1 o這種鐵電光電存儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)算。

參考文獻(xiàn)
[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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