本發(fā)明涉及用于光存儲(chǔ)的納米器件領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于相變納米線的集成型全光存儲(chǔ)器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

電子芯片在通信電子線路中消耗的能量日益遞增，使得在通信領(lǐng)域基于CMOS處理器的發(fā)展面臨瓶頸。光通信因具有較低的能耗、更快的傳輸速率而備受關(guān)注。光位存儲(chǔ)器的提出對(duì)光通信至關(guān)重要，因?yàn)殡娮哟鎯?chǔ)器和處理器之間的通信難以實(shí)現(xiàn)片內(nèi)集成。然而，光存儲(chǔ)器被認(rèn)為是芯片內(nèi)光電器件中最難實(shí)現(xiàn)的光部件之一，因?yàn)槲覀冃枰瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)高位速率操作、大規(guī)模集成及低功耗性能。目前，國(guó)際上已有研究組報(bào)道了集成光位存儲(chǔ)芯片。絕大多數(shù)的這些存儲(chǔ)器是基于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，即利用功能材料的光學(xué)非線性。例如基于光子晶體納米微腔的光隨機(jī)存儲(chǔ)器能實(shí)現(xiàn)40Gbits s^-1的光信號(hào)，功耗降低至40nW，寫脈沖不超過10fJ。盡管如此，這些光雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)器需要偏置電源才能保持狀態(tài)，就像DRAM那樣，是易失性的?；诠怆p穩(wěn)態(tài)的存儲(chǔ)器難以實(shí)現(xiàn)非易失性，而許多便攜式光電產(chǎn)品需要非易失性來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，相變材料廣泛應(yīng)用于大容量可擦寫的光存儲(chǔ)介質(zhì)，例如可擦寫DVD和藍(lán)光盤。這得益于相變材料兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即非晶態(tài)和晶態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)在光、電性質(zhì)上表現(xiàn)出巨大的差異。在外部光或電的激勵(lì)下，晶態(tài)和非晶態(tài)能在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成切換。因其超快的速度及優(yōu)良的微縮性，基于相變材料的相變存儲(chǔ)器被國(guó)際上公認(rèn)為下一代非易失性存儲(chǔ)器。尤其是，基于相變納米線的存儲(chǔ)器具有更低的功耗、更快的速度。目前，國(guó)內(nèi)外還沒有利用相變納米線用于光存儲(chǔ)的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以實(shí)現(xiàn)全光存儲(chǔ)，降低功耗，便于集成且數(shù)據(jù)是非易失性的基于相變納米線的集成型全光存儲(chǔ)器件及其制備方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

1、一種基于相變納米線的集成型全光存儲(chǔ)器件，包括波導(dǎo)，所述的波導(dǎo)兩端分別連接有光柵垂直耦合器，所述的波導(dǎo)上設(shè)置有相變納米線，所述的相變納米線與所述的波導(dǎo)平行。

所述的波導(dǎo)為硅基平面光波導(dǎo)，其寬為0.2-20μm，厚度為10-1000nm；所述的光柵垂直耦合器的光柵是布拉格光柵，其耦合效率為1-50%；所述的相變納米線為Sb基或Te基相變材料，其直徑為20-600nm，長(zhǎng)度為1-10μm。

所述的硅基包括Si、Si₃N₄和SiC硅基，所述的相變納米線包括Ge-Te、Sb-Te、Ge-Sb、Sb-Se、Ga-Sb和In-Sb。

所述的相變納米線具有至少兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即晶態(tài)和非晶態(tài)，且這兩個(gè)狀態(tài)對(duì)探測(cè)光具有明顯不同的吸收系數(shù)，所述的相變納米線在波導(dǎo)倏逝場(chǎng)耦合作用下發(fā)生晶態(tài)至非晶態(tài)的可逆相變。

2、上述基于相變納米線的集成型全光存儲(chǔ)器件的制備方法，包括以下步驟在硅基底上利用曝光刻蝕工藝制備出波導(dǎo)及其兩端的光柵耦合器，將納米線轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)上，并且與波導(dǎo)平行，具體如下：

（1）在硅基底上旋涂光刻膠正膠，然后采用電子束曝光-顯影工藝在硅基底上形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記圖形；

（2）在硅基底上鍍上Cr和Au薄膜，去膠后，得到Cr/Au對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；

（3）在硅基底上旋涂光刻膠負(fù)膠，然后再次采用電子束曝光顯影工藝在硅基底上形成平面波導(dǎo)以及分別位于波導(dǎo)兩端的光柵垂直耦合器圖形；

（4）采用反應(yīng)離子機(jī)刻蝕出相應(yīng)的波導(dǎo)和光柵垂直耦合器，再利用氧等離子體刻蝕將波導(dǎo)和光柵耦合器上方的負(fù)膠完全去掉；

（5）將納米線轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)上并平行于波導(dǎo)，即得到基于相變納米線的集成型全光存儲(chǔ)器件。

所述的波導(dǎo)為硅基平面光波導(dǎo)，其寬為0.2-20μm，厚度為10-1000nm；所述的光柵垂直耦合器的光柵是布拉格光柵，其耦合效率為1-50%；所述的相變納米線為Sb基或Te基相變材料，其直徑為20-600nm，長(zhǎng)度為1-10μm。

所述的硅基包括Si、Si₃N₄和SiC硅基，所述的相變納米線包括Ge-Te、Sb-Te、Ge-Sb、Sb-Se、Ga-Sb和In-Sb。

所述的Cr/Au薄膜的厚度范圍為50-300nm。

所述的相變納米線具有至少兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即晶態(tài)和非晶態(tài)，且這兩個(gè)狀態(tài)對(duì)探測(cè)光具有明顯不同的吸收系數(shù)，所述的相變納米線在波導(dǎo)倏逝場(chǎng)耦合作用下發(fā)生晶態(tài)至非晶態(tài)的可逆相變。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：發(fā)明一種基于相變納米線的集成型全光存儲(chǔ)器件及其制備方法，該其基于相變納米線的波導(dǎo)器件是利用相變納米線轉(zhuǎn)移至易集成的波導(dǎo)上來(lái)實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)，是一種新型的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)。因相變納米線較小的編程體積、較低的熔點(diǎn)、較快的結(jié)晶速度，其波導(dǎo)器件有利于實(shí)現(xiàn)較低的功耗和超快的操作速度的光存儲(chǔ)。本發(fā)明的器件為高速、高密度、低功耗的全光網(wǎng)絡(luò)集成存儲(chǔ)芯片提供了選擇方案。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1的基于GeTe納米線的存儲(chǔ)器件的掃描電鏡圖（Scanning Electronic Microscope ，簡(jiǎn)稱SEM）照片一；

圖2為實(shí)施例1的基于GeTe納米線的存儲(chǔ)器件的掃描電鏡圖（Scanning Electronic Microscope ，簡(jiǎn)稱SEM）照片二；

圖3為實(shí)施例1的基于GeTe納米線的存儲(chǔ)器件的在寫操作下的透過率變化；

圖4為實(shí)施例1的基于GeTe納米線的存儲(chǔ)器件的在擦操作下的透過率變化。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一、具體實(shí)施例

實(shí)施例1

在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂正膠PMMA8.0，厚度約800nm，然后采用電子束曝光工藝曝光出對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，并用甲基異丁基甲酮與異丙醇的混合液(其中甲基異丁基甲酮與異丙醇體積比1:3)作為顯影液，獲得對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記圖形；利用脈沖激光沉積法，在Si基底上鍍上約5nm的Cr和100nm的Au作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，再將樣品侵入丙酮去膠，即可得到Cr/Au對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；

在擁有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂負(fù)膠Ma-N2403，經(jīng)過200℃，120s堅(jiān)膜后，再次利用電子束曝光技術(shù)曝光出平面波導(dǎo)和布拉格光柵耦合器圖形，波導(dǎo)寬為1300nm，厚度為330nm，波導(dǎo)與布拉格光柵總的長(zhǎng)度為250μm。利用反應(yīng)離子機(jī)刻蝕出相應(yīng)的波導(dǎo)和布拉格光柵耦合器，再利用氧等離子體刻蝕將波導(dǎo)和光柵耦合器上方的掩護(hù)膠Ma-N2403完全去掉。采用氣-液-固法制備GeTe納米線樣品，得到的GeTe納米線直徑范圍為100-400nm，長(zhǎng)度約為8μm。通過物理轉(zhuǎn)移方法將納米線轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)表面，方向與波導(dǎo)平行，器件的掃描電子顯微鏡圖如圖1所示。

泵浦光，即擦/寫脈沖，從波導(dǎo)一端的光柵耦合器耦合至波導(dǎo)，通過波導(dǎo)上的倏逝場(chǎng)作用于納米線，使相變納米線發(fā)生相變。探測(cè)光通過波導(dǎo)另一端光柵耦合器耦合至波導(dǎo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件透過率的變化來(lái)讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

波長(zhǎng)為1550nm的激光源，經(jīng)光電調(diào)制后得到的50ns光脈沖作為擦寫脈沖。擦寫脈沖經(jīng)過光放大器，由器件的左端布拉格光柵耦合器耦合至波導(dǎo)，驅(qū)動(dòng)納米線相變后，由右端耦合器輸出。另一激光源發(fā)出波長(zhǎng)為1560nm、功率為1μW的連續(xù)激光作為探測(cè)光。從器件的右端耦合器進(jìn)入，經(jīng)過GeTe納米線吸收后，從左端耦合器出來(lái)的探測(cè)光由光電探測(cè)器收集，測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

實(shí)施例2

同實(shí)施例1，其區(qū)別點(diǎn)在于，在Si基底上鍍上約5nm的Cr和150nm的Au作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，在擁有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂負(fù)膠氫基硅氧烷(HSQ)，刻蝕出來(lái)的波導(dǎo)寬為1500nm。

實(shí)施例3

同實(shí)施例1，其區(qū)別點(diǎn)在于，在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂正膠ZEP520A，采用對(duì)二甲苯作為顯影液，在Si基底上鍍上約5nm的Cr和200nm的Au作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，在擁有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。

實(shí)施例4

同實(shí)施例1，其區(qū)別點(diǎn)在于，在Si₃N₄/SiO₂/Si基底上旋涂正膠MMA，在Si基底上鍍上約10nm的Cr和180nm的Au作為對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。采用直徑為500nm，長(zhǎng)度約為13μm的GeTe納米線作為存儲(chǔ)介質(zhì)。

上述制備過程中納米線的轉(zhuǎn)移除現(xiàn)有的公知方法外，還可以采用以下方法，具體步驟如下：

（1）分散納米線：取一干凈的硅片，依次用乙醇、去離子水在超聲波中清洗，并用高純氮?dú)獯蹈?；將納米線樣品微力壓印并摩擦已洗凈的硅片，硅片上得到少量且平行于硅片表面的納米線；

（2）納米線轉(zhuǎn)移至有機(jī)膜：采用旋涂法在分布納米線的硅片上鍍上一層有機(jī)膠薄膜，輕微劃開硅片邊緣四周的有機(jī)膠薄膜并保持有機(jī)膠薄膜的完整，將硅片邊緣的有機(jī)膠薄膜與硅片分離；

（3）有機(jī)膜脫離：將硅片放入含水的培養(yǎng)皿中靜置，將硅片上表面與水平面齊平且將有機(jī)膠薄膜露出水面，使水滲入硅片與有機(jī)膠薄膜的間隙，并用氣槍輕微吹有機(jī)膠薄膜邊緣，使有機(jī)膠薄膜脫離硅片，將硅片表面的納米線轉(zhuǎn)移至有機(jī)膠薄膜的下表面，將少量水注入培養(yǎng)皿，使帶有納米線的有機(jī)膠薄膜浮在水面上；

（4）有機(jī)膜移至帶孔托盤：通過聚二甲基硅氧烷粘附劑將有機(jī)膠薄膜的上表面粘附在有孔的托盤上，同時(shí)將有機(jī)膠薄膜的納米線區(qū)域置于托盤孔的位置；

（5）波導(dǎo)器件上的光刻膠開窗口：將波導(dǎo)器件上旋涂一層光刻膠，通過曝光-顯影工藝，在需要轉(zhuǎn)移納米線的波導(dǎo)器件位置處開一個(gè)裸露出波導(dǎo)器件的窗口，窗口尺寸略大于待轉(zhuǎn)移納米線尺寸；

（6）轉(zhuǎn)移納米線至窗口：將托盤放置于光學(xué)顯微鏡下的高度固定的框架上，框架下可升降的樣品臺(tái)粘上需要轉(zhuǎn)移納米線的波導(dǎo)器件；在光學(xué)顯微鏡下，透過孔能夠依次觀察到納米線和波導(dǎo)器件；通過光學(xué)顯微鏡選定要轉(zhuǎn)移的納米線，調(diào)整托盤角度，將待轉(zhuǎn)移納米線對(duì)準(zhǔn)波導(dǎo)器件上的窗口，緩慢升高樣品臺(tái)直至待轉(zhuǎn)移納米線嵌入窗口，即待轉(zhuǎn)移納米線接觸至指定位置；

（7）有機(jī)膜脫離聚二甲基硅氧烷：將樣品臺(tái)上的波導(dǎo)器件加熱到60-120℃，并保持10-60分鐘以上，直至有機(jī)膠薄膜趨于軟化，降低樣品臺(tái)直至波導(dǎo)器件與聚二甲基硅氧烷脫離，并將波導(dǎo)器件移出樣品臺(tái)；此時(shí)波導(dǎo)器件上有納米線，納米線上方覆蓋著有機(jī)膠薄膜；窗口里的納米線粘附在波導(dǎo)器件指定位置上，其它未選取的納米線夾在波導(dǎo)器件上的光刻膠和有機(jī)膠薄膜之間；

（8）增加納米線與波導(dǎo)的黏附力：將波導(dǎo)器件放入退火爐，控制退火溫度小于納米線熔點(diǎn)或晶化溫度，處理10-60分鐘，充分增加窗口內(nèi)的納米線與波導(dǎo)器件的黏附力；

（9）移除有機(jī)薄膜及光刻膠：將波導(dǎo)器件放置在丙酮中，使光刻膠和有機(jī)膠薄膜充分溶解，夾在光刻膠和有機(jī)膠薄膜之間的納米線脫離波導(dǎo)器件，同時(shí)，轉(zhuǎn)移的納米線牢牢固定在窗口的波導(dǎo)器件上，通過丙酮和乙醇的沖洗，波導(dǎo)器件上只留下轉(zhuǎn)移的納米線，即完成單根納米線的轉(zhuǎn)移。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1和圖2為本發(fā)明器件的掃描電鏡(SEM)圖。該器件主要由Si₃N₄波導(dǎo)、分別與波導(dǎo)兩端相連的光柵垂直耦合器，以及波導(dǎo)上方的GeTe納米線組成，納米線方向與波導(dǎo)平行。為了制備相關(guān)結(jié)構(gòu)，該器件上還包括了對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。GeTe納米線直徑范圍為100-400nm，長(zhǎng)度約為8μm，對(duì)齊在波導(dǎo)正上方。圖3是器件在寫操作下的透過率變化。通過施加”寫”光脈沖（10ns,1.1mW），器件內(nèi)的GeTe納米線在波導(dǎo)倏逝場(chǎng)的耦合作用下發(fā)生從晶態(tài)到非晶態(tài)的相變。相比晶態(tài)，非晶態(tài)具有較小的吸收系數(shù)。因而，納米線發(fā)生相變后，器件透過率會(huì)從低值態(tài)跳變至高值態(tài)。圖4是擦操作下的透過率變化。通過施加”擦”光脈沖（50ns,1.3mW），器件的納米線從非晶態(tài)回到晶態(tài)，因而，透過率從高值態(tài)返回到低值態(tài)。透過率的高、低狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的“1”和“0”數(shù)據(jù)，本發(fā)明器件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。此外，在擦/寫操作后，數(shù)據(jù)狀態(tài)一直被保持，因而存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是非易失性的，無(wú)需外置電源維持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)，有利于降低功耗。

綜上所述，本發(fā)明的器件可以實(shí)現(xiàn)全光存儲(chǔ)，器件內(nèi)光路在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，便于集成，且數(shù)據(jù)是非易失性的。本器件可以用于高速、高密度、低功耗的全光網(wǎng)絡(luò)集成存儲(chǔ)芯片。

上述說(shuō)明并非對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不限于上述舉例。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)作出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。