铁电光电存储器架起电子和光子线路之间的桥梁

逍遥设计自动化

引言
在大数据和人工智能时代，对更快、更高效计算系统的需求不断增加。基于冯·诺依曼架构的传统电子计算机难以应对数据密集型任务。光电子集成芯片(PIC)提供了有希望的解决方案，利用光的固有特性，如高带宽、高功率效率和高并行性。然而，缺乏光学可访问的存储器是实现光计算全部潜力的重大障碍。

为解决这一挑战，研究人员开发了基于铁电硅环形谐振器的非易失性光电存储器。这种创新器件可以通过电学和光学方法进行编程和擦除，架起了电子和光子线路之间的桥梁[1]。
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图1：具有电学和光学编程/擦除功能的非易失性光存储单元示意图。
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铁电硅环形谐振器
此存储单元的核心是集成了铝掺杂二氧化铪(HAO)铁电材料的环形谐振器结构。这种薄膜直接沉积在硅波导上，实现了光学特性的非易失性调制。器件使用氧化铟锡(ITO)作为透明顶电极，而轻掺杂的硅波导作为底电极。

当在电极间施加电压时，HAO薄膜中的偶极子会发生翻转。这种翻转产生剩余极化，改变了下层硅波导中的空穴浓度，从而改变其折射率。这种静电掺杂效应使器件能够在不消耗能量的情况下保持信息存储状态。

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. ]& S# j9 D" s" y- k图2：环形区域的截面图，显示器件的层状结构。

! U  r+ i) A: C# `0 A# S/ R1 p存储单元可以通过电学和光学方法进行编程和擦除。电学控制是通过直接向电极施加电压脉冲实现的。对于光学控制，器件使用两个光电二极管将光信号转换为电偏置，实现光-电-光(OEO)转换。

! ~) S% Y8 I# f* W3 x6 W% B这种存储单元的关键优势是多级存储能力。通过施加不同的编程电压，器件可以实现多个不同的状态，对应于铁电开关的不同级别。这允许每个单元存储多于一位的信息，提高了存储密度。
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图3：通过电学和光学编程/擦除后进行光学读取，展示多级存储能力。
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研究人员通过各种测试展示了器件的性能。在5V的低工作电压下，达到了6.6 dB的高光学消光比。存储单元在5V下显示了4 × 104次的耐久性，在4V下达到1 × 106次，表明具有良好的可靠性。

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. N+ b$ Y' D+ \6 C& [- K/ r- j图4：保持测试结果，显示存储单元的非易失性特性。

保持测试证明了存储的非易失性，在1000秒内没有观察到明显的退化。数据外推表明保持时间超过10年，适合长期存储应用。

器件的多模式操作是另一个重要特征。可以使用光学和电学方法进行编程、擦除和读取。这种灵活性使其非常适合未来混合架构中电子和光子系统的接口。
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+ C8 l1 e2 b. }: v1 R' o图5：混合模式操作的测量设置，显示光学和电学组件的集成。
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8 u/ V+ a6 H) w4 P; ^研究人员还分析了多级存储的原始位错误率(RBER)，发现低于5.9 × 10-2。这种错误水平足够低，可以使用标准的错误纠正技术（如低密度奇偶校验(LDPC)编码）轻松纠正。
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开发这种存储单元的一个挑战是平衡ITO顶电极的透明度和导电性。这些特性之间存在权衡，因为更好的导电性会导致更高的光学吸收，可能降低光学环形谐振器的性能。研究人员发现，13 nm厚的ITO层提供了可接受的平衡，导致约0.018 dB/μm的额外光学损耗。
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' |" M' [% ]8 u0 X图6：Si波导上ITO/HAO栅极堆栈的损耗测试结果，显示栅极堆栈引入的额外损耗。

+ }+ U) s; A) x8 X0 ?2 A未来展望与改进方向
未来存在几个潜在的改进领域。器件的开关速度目前受限于硅波导中的载流子浓度，可以通过优化掺杂剖面来提高。通过硅和HAO层之间的界面工程可以提高耐久性。此外，集成片上组件（如光电二极管、电阻器和偏置三通）可以减少噪声并提高整体性能。

1 w: t# L7 a6 B& y. y: L# T) L这种铁电光电存储器的开发代表了混合电光系统领域的进步。光学和电学域之间的接口能力，结合非易失性和多级存储能力，使其成为广泛应用的有前景技术。这些应用包括光互连、高速数据通信和神经形态计算。
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参考文献
) s/ h8 d, J/ x) O0 B6 L[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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