基于相变材料的低功耗可编程硅基光电子器件

逍遥设计自动化

引言
) ~4 w5 p2 c9 j/ w& U0 K" x人工智能和机器学习的快速发展对计算和通信基础设施提出了巨大需求。传统的铜基互连由于带宽和能效的固有限制，逐渐成为系统发展的瓶颈。光互连作为一种替代方案，在高带宽数据传输方面表现出更低的延迟特性和显著降低的能耗[1]。
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8 Y" E9 k7 f2 W) M' i光电子技术中的相变材料简介
- [6 x! W& `, g相变材料（PCMs）为可编程光电子集成芯片提供了创新性解决方案，具有零静态功耗和显著的光学折射率调制能力。相变材料最基本的特性是可在两种不同的、可逆切换的微观结构相态之间转换：非晶相（a相）和晶相（c相）。这些相态表现出明显不同的光学折射率，差值（Δn）接近1。

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. J& U$ b- i: t  z图1：完整的器件结构示意图，展示了(a) 负载Sb2S3的高Q值环形谐振器，(b) 器件的横截面结构，(c) PIN微加热器的二维示意图，(d) 光学显微镜图像，以及(e) 显示器件详细结构的扫描电子显微镜图像。
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, k: ?) S* w  t: a  }2 X) m在各种相变材料中，宽带隙材料如Sb2S3表现出特别优异的特性。Sb2S3在非晶相状态下具有优异的透明度，可延伸至约600nm波长，同时保持可靠的开关特性。这些特性使其特别适合应用于光通信和计算系统。
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5 \6 `3 V. F+ ~# P3 F8 D器件架构与制造工艺
* v% ]1 |- ^3 N! k! Y% Q将相变材料与硅基光电子平台集成需要仔细考虑材料和器件架构。基本构建模块包括覆盖精确沉积的Sb2S3的硅环形谐振器。器件架构包含10微米长、0.45微米宽和20纳米厚的Sb2S3层，这些尺寸经过优化以实现与光学模式的最大相互作用，同时保持低插入损耗。

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图2：详细的优化结果，展示了PIN加热器不同本征区域宽度下的开关能量和Q值关系，包括(a)晶态到部分非晶态转变和(b)部分非晶态到晶态转变特性。

制造工艺始于使用220纳米厚硅层和2微米埋氧层的硅绝缘体（SOI）晶圆。通过部分刻蚀120纳米硅层制作波导，精确控制总线环间隙为270纳米以实现近临界耦合条件。Sb2S3沉积通过磁控溅射完成，随后进行精确剥离。制造过程中的关键环节是实现PIN掺杂硅微加热器，使相变过程能够通过电控实现。
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性能特征与运行机制
该器件展现出显著的性能特征，实现了最小功耗下的相态高效切换。非晶化过程需要2.75V、500纳秒的脉冲，仅消耗35.33纳焦能量，而晶化则通过1.6V、20毫秒的脉冲实现，需要0.48毫焦能量。这些电压水平与标准CMOS操作兼容，便于与现有电子系统集成。

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6 U; m4 _  }: r' q4 c; A图3：低功耗开关和耐久性特征的全面展示，包括(a)晶化和非晶化状态的测量MRR光谱，以及(b)超过2000次开关事件的详细耐久性测试结果。

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多级操作的混合调谐技术
4 S) s( y' v3 U' g. m! j: `本技术的重大突破在于通过结合易失性热光效应和非易失性相变材料开关实现多级操作。这种创新方法实现了前所未有的控制精度，达到了具有127个不同级别的7比特操作。
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8 n: V/ w, m+ v7 ~1 g5 g9 c+ x图4：七比特调谐能力的全面展示，包括(a)通过PCM多级调谐测得的相移，(b)各种状态的单独传输光谱，以及(c)结合PCM和热光调谐实现127个不同级别。
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混合调谐方法充分利用了两种机制的互补优势。相变材料提供稳定的非易失性状态作为粗调节级别，而热光效应则实现这些状态之间的精细调节。这种组合在保持整体功率效率的同时实现了高精度控制，因为热光调节在小范围修改光学特性时只需要极少的功率。

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应用与发展方向
' W) Q. q7 Q, L这些器件的性能使其在数据中心的光路由交换、人工智能的矢量矩阵乘法运算以及大规模光电子集成芯片方面具有明显优势。这项技术无需静态功耗即可保持状态，再加上多级操作能力，满足了下一代计算和通信系统的关键要求。

未来的发展方向包括研究悬浮型PIN微加热器设计以进一步降低开关能耗。此外，正在进行多个相变材料岛的实现研究，以提高耐久性并提供更精细的相变控制。与CMOS电子器件的集成以及复杂脉冲整形技术的开发将扩展这项技术的实际应用。

/ L5 N% M% Q6 ~1 \& T6 n低电压、多级操作的成功演示标志着基于相变材料的可编程光电子器件发展的重要里程碑。随着技术继续成熟，这种器件将在满足人工智能和机器学习应用不断增长的需求方面发挥更大作用，为实现更高能效和更强大的计算系统提供实用的技术方案。

参考文献
[1] J. Dutta, R. Chen, V. Tara, and A. Majumdar, "Low-power quasi-continuous hybrid volatile/nonvolatile tuning of ring resonators," APL Photonics, vol. 10, no. 020803, Feb. 2025, doi: 10.1063/5.0236098.
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