英国科学家正着手研发光电架构相变化存储器

英国科学家正着手研发光电架构相变化存储器

　　一个由英国牛津大学(University of Oxford)与艾希特大学(University of Exeter)所组成的团队，正在进行的「光电架构(optoelectronic framework)」研究，可望成为相变化记忆体(PCM)材料迈向光电化新未来的第一步;除了光电记忆体元件，该技术也有助于实现新式显示器、光学交换器，以及晶片内外部通讯应用的调变器。

　　每个人应该都看过，当阳光照射在水面上薄薄一层浮油时，会显现出虹彩干涉图案;而牛津大学团队已经完成的研究，就是在那层油的上方再放置一片薄膜，透过电来调节色彩──强化/减弱某些色彩──然后将一切化为固态。除了让硫化物玻璃能在非晶与结晶状态之间转换，该架构也让其阻抗产生很大的变化，并使光折射率有所改变──牛津大学团队就是利用了这种折射率的变化。

　　上述的「反射式(reflection)」──也有透射(transmission)式选项──硫化物光学调变器或显示器架构，是采用Ge2Sb2Te5 (GST)化合物，如下图所示。由最底层往上，元件的活性部分是由适当的基板以及介电薄膜所组成，堆叠了做为反射物的铂金薄膜、透明的导电氧化铟锡(ITO)薄膜、GST薄膜，最上面又是一层透明导电ITO。

利用了GST化合物的光学调变器架构

　　在该堆叠架构中最重要的两层薄膜，其一是底部的ITO电极，电极的厚度(t)是一个关键变量;另一层就是活性记忆体材料GST。在典型的堆叠架构中，薄膜的厚度如下：10奈米ITO/ 7奈米GST / 可变量厚度ITO /100奈米铂金，全部沉积在基板上。透过改变底部ITO电极的厚度，能强化某种特定色彩;此外当堆叠架构的表面以白光照射，GST转为非晶状态，其他色彩就会被减弱(如上图)。

　　藉由切换GST至结晶状态可改变其折射率，并可透过干涉来改变在反射光束中被强化的色彩。与可见光的波长范围相较，架构中的薄膜厚度都非常小;下图显示了ITO薄膜厚度在50奈米、70奈米、120奈米、150奈米时可变化出的、让人印象深刻的不同色彩，照射的可见光波长范围在350奈米至750奈米之间。

不同厚度ITO薄膜可变化出的色彩

　　对相变化记忆体技术观察者来说，下一步就不陌生了。建立一个形成离散式记忆体元件的呈直角X-Y轴显示图，一个可能的初始形式如下，有两种颜色(强化后的蓝色与红色)将部份透过切换记忆体材料来取得，因此实际上GST会变成两种不同折射率的薄膜。或者，该阵列也能以每行由不同厚度GST的方式来打造。

　　ITO并不常被用来做为相变化记忆体元件的电极，它通常被应用在资料储存记忆体中，该类记忆体的电极是耐火金属以及结晶GST。针对ITO电极应用于相变化切换的适当性与相容性问题，牛津大学与艾希特大学研究团队一开始的解决方案是制作大型片状的三明治架构，然后利用原子力显微镜(atomic force microscope，CAFM)的导电尖端跨越其表面，选择性地切换端点之下的区域，创造一系列不同颜色的图片，如下图。

在相变化薄膜上创造的图片

　　如果显示器是目标应用，那么在反射式版本之外，透射式版本的架构也会有需要;除了显示器，牛津大学团队表示，该架构也适合其他应用如隐形眼镜式的显示器、智慧眼镜、风镜式显示器，甚至是合成视网膜(synthetic retina)装置等。

　　要达成光学透射式架构，需要一种没有铂金镜面、在透明基板上打造的相变化记忆体元件;这时候再次利用CAFM技术在透明石英上制作大面积影像，也可以利用软性塑胶基板(因为薄膜非常薄)。而显然以透射模式运作的光学矩阵，间隔式(gap-type)相变化记忆体元件似乎是一个选项;为此，ITO/GST/ITO的间隔架构被考量做为ITO电极评估与适当性的第二选择。

　　用以示范的元件活性区域面积300奈米见方，阈值电压2V，最大电流20 uA，开关电阻比(on-to-off resistance ratio) 350，读取/抹除生命周期为140次循环;研究人员已经体认到，切换所有间隔中的材料是有必要的，不只是丝状区域。

　　牛津大学与艾希特大学研究团队虽然完成了这样的一个架构，但也坦承到目前为止，若不利用CAFM，并没有具备ITO电极的离散式平面元件被制作或测试。因此要让光电概念的相变化记忆体往前迈进，必须要进行完整的ITO电极相变化记忆体元件评估与开发，这将会是一项不平凡的艰钜任务。

关注电子行业精彩资讯，关注华强资讯官方微信，精华内容抢鲜读，还有机会获赠全年杂志。

关注方法：添加好友→搜索“华强微电子”→关注

或微信“扫一扫”二维码