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技术

本发明专利技术公开了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，特点是包括波导、与波导两端相连的布拉格光栅垂直耦合器以及、波导上且与波导平行的相变纳米线，其制备方法步骤包括在硅基底上利用曝光刻蚀工艺制备出波导及其两端的布拉格光栅耦合器，将纳米线转移至波导上，并且与波导平行，采用擦/写光脉冲从波导一端的布拉格光栅耦合器耦合至波导，通过波导上的倏逝场使相变纳米线发生相变，探测光通过波导另一端布拉格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，优点是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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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40Gbitss-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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的优点在于：专利技术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。本专利技术的器件为高速、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（ScanningElectronicMicroscope，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（ScanningElectronicMicroscope，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专利技术作进一步详细描述。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件，其特征在于：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。4.根据权利要求2所述的一种基于相变纳米线的集成型全光存储器件，其特征在于：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。5.一种权利要求1所述的基于相变纳米线的集成型全光存储器件的制备方法，其特征在于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/...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕业刚，徐培鹏，沈祥，戴世勋，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33