基于相變材料的非易失光子多值器件研究

宋兵，王金融，張亨宇，孫振源，李清江

（國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，長沙 410073）

0 引言

人工智能［1-2］的蓬勃發(fā)展對計算系統(tǒng)提出了更高的要求，急需發(fā)展新的高速度高能效計算硬件。近年來，以Chat GPT 為代表的人工智能大模型對算力的需求每3～4 個月翻一番［3］，當(dāng)前的人工智能處理硬件主要采用圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU），英偉達最先進的圖形處理器算力能夠達到80 tera FLOPS［4］。以圖形處理器為代表的電子計算系統(tǒng)采用馮諾依曼架構(gòu)，其處理器與存儲器分置導(dǎo)致運算過程中頻繁搬移數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量的能量消耗，上述所說的圖形處理器功耗超過400 W，且電子計算系統(tǒng)中的寄生電容影響了計算速度的進一步提高，無法滿足人工智能進一步發(fā)展對高速度高能效的計算硬件需求［5-6］。

基于集成光子器件的光子智能加速器快速發(fā)展［7-8］，為實現(xiàn)高速度高能效的計算硬件提出了一種可行的解決方案。基于馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）［9-13］的可調(diào)多值器件是當(dāng)前構(gòu)成光子智能加速器的一種主要技術(shù)途徑，該類器件具備寬帶寬和溫度不敏感的優(yōu)勢，使其成為光子硬件加速器的優(yōu)越選擇。但是，該類器件的多值特性是通過熱光效應(yīng)［14-15］和載流子遷移［16-17］來實現(xiàn)調(diào)制的，其產(chǎn)生的相移通常都比較小，導(dǎo)致器件的尺寸較大，不利于大規(guī)模的集成，同時器件具有易失性，無法長時間保持多值，增加了調(diào)制的能量需求。利用相變材料（Phase Change Material，PCM）［18-25］的折射率連續(xù)可調(diào)且非易失保持的特性，將相變材料與上述器件結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)非易失保持的多值特性，為構(gòu)建光子智能加速器提供一種新的器件基礎(chǔ)。

本文實現(xiàn)了一種基于SbSe 相變材料的非易失性多值器件，首先通過Lumerical 仿真優(yōu)化了相變材料長度和厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上制備了器件，測試過程中通過對微加熱器施加電脈沖對相變材料進行調(diào)制，實現(xiàn)了器件的多值特性。

1 器件設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的多值器件結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要由馬赫-曾德爾干涉儀、相變材料、微加熱器和調(diào)制電極構(gòu)成。其中，馬赫-曾德爾干涉儀設(shè)計成單輸入單輸出結(jié)構(gòu)，脊波導(dǎo)的脊高120 nm，寬500 nm，底厚100 nm，用于1 550 nm 波長的光單模傳輸，并且傳輸模式能夠很好的限制在波導(dǎo)的內(nèi)部，如圖1（b）。在馬赫-曾德爾干涉儀器件的一條臂上覆蓋SbSe 相變材料，SbSe 相變材料在1 550 nm 波段附近的消光系數(shù)接近0，晶態(tài)和非晶態(tài)的折射率分別為4.05 和3.285，折射率差異超過0.7［26］，可用于實現(xiàn)多值相位調(diào)制。然后在相變材料上覆蓋一層120 nm 厚的氧化銦錫（Indium Tin Oxides，ITO）作為微加熱器，其具有導(dǎo)電性好和1 550 nm 光吸收弱的特點，在工作過程中通過ITO 的電脈沖產(chǎn)生焦耳熱，從而改變相變材料的溫度誘導(dǎo)其發(fā)生相變。采用ITO 作為微加熱器的方案相比熱退火的方案具有調(diào)制速度更快、調(diào)制精細度更高的優(yōu)勢，能夠在毫秒級的時間內(nèi)實現(xiàn)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。電極是在ITO 兩端的邊緣上覆蓋10 nm/120 nm 厚的Cr/Au 形成。

圖1 器件結(jié)構(gòu)與仿真Fig.1 Device structure and simulation

在設(shè)計過程中，微加熱器的熱分布對相變材料相變具有重要影響，本文設(shè)計了兩種不同的微加熱器結(jié)構(gòu)并通過COMSOL 進行電流和固體傳熱仿真，驗證熱量的分布情況。首先，微加熱器設(shè)計成方塊型，如圖1（c），仿真顯示這種微加熱器結(jié)構(gòu)在施加電脈沖時產(chǎn)生的熱量分布比較分散，無法將熱量集中到相變材料上。為了使產(chǎn)生的熱量更加集中，微加熱器的形狀被設(shè)計成了兩邊寬中間窄的“工”字型，這樣的結(jié)構(gòu)可以使得電流產(chǎn)生的焦耳熱集中到微加熱器的中間部分，如圖1（d），仿真顯示了在施加電壓脈沖時微加熱器頂部的熱量分布，可見熱量集中在相變材料部分，并且向其余部分逸散的較少，有利于引導(dǎo)相變材料產(chǎn)生相變。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

采用Lumerical 軟件中的2.5D 有限元分析（varFDTD）對器件的傳輸進行了模擬仿真，研究了器件不同參數(shù)下的光傳輸性能。首先，在軟件中設(shè)置了上述器件結(jié)構(gòu)，從其輸入端輸入波長1 500 nm～1 600 nm 的連續(xù)光，在輸出端檢測光通過率。其次，為了觀察相變材料相變過程中器件輸出的變化，在仿真中固定相變材料的長度，其在長度方向包含晶化和非晶化兩種狀態(tài)的相變材料，連續(xù)改變兩者的占比，使其從完全晶化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆蔷Щ^察器件光通過率的變化規(guī)律，仿真設(shè)置如圖2（a）所示。MZI 器件具有寬帶性的特點［27］，圖2（b）展示了器件在晶化占比50%時的光譜特性仿真結(jié)果，可見器件確實在不同波長的輸出變化不大。

圖2 器件仿真設(shè)計與光譜特性Fig.2 Device simulation design and spectral characteristics

分析相變材料長度對器件的影響時，固定相變材料的厚度為30 nm，仿真得到其20 μm～50 μm 四個長度器件的通過率變化，1 550 nm 波段時結(jié)果如圖3所示，其中橫軸代表的是相變材料的非晶化程度，縱軸代表器件的通過率。圖3（a）中相變材料長度為20 μm 時，相變材料非晶化過程中，器件的通過率從0.2 先降低到0 左右，再增加到0.65，此時器件的窗口明顯增大。圖3（b）中相變材料長度為30 μm 時，相變材料非晶化過程中，器件的通過率從0.2 降低到0，再增加到0.6，最后降低到0.2，經(jīng)歷了一個周期性變化，說明器件的窗口達到了2Π。圖3（c）中相變材料長度為40 μm 時，器件的通過率變化超過了一個周期，超過2Π 的部分并不會使器件的性能進一步提高，并且過長的相變材料導(dǎo)致調(diào)制難度增大和器件尺寸增大。圖3（d）中可見，當(dāng)器件窗口超過2Π 時存在的兩個極大值大小幾乎相同，進一步證明過長的相變材料不會使器件的性能提高。

圖3 相變材料長度仿真Fig.3 Length simulation of phase change materials

分析相變材料厚度對器件的影響時，固定相變材料的長度為30 μm，仿真得到10 nm～40 nm 四個厚度器件的通過率變化。圖4（a）～（d）分別展示了相變材料厚度從10 nm 到40 nm 的仿真結(jié)果。與研究相變材料長度時的結(jié)果相似，當(dāng)厚度逐漸增加時，器件通過率變化的窗口逐漸增大。因此綜合分析，選取長度30 μm 和厚度30 nm 作為相變材料的參數(shù)進行器件制備，此參數(shù)下器件窗口剛好超過2Π。

圖4 相變材料厚度仿真Fig.4 Thickness simulation of phase change materials

2 器件制備與測試

2.1 器件制備

第一步準備清洗干凈的SOI（頂層硅-氧化層-基底厚度為220 nm-2 μm-675 μm），第二步使用電子束光刻的正膠工藝將波導(dǎo)圖形轉(zhuǎn)移到SOI 上，用電感耦合等離子體刻蝕（Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer，ICP）的方法形成脊波導(dǎo)，第三步使用紫外光刻負膠工藝將相變材料的圖形轉(zhuǎn)移到脊波導(dǎo)上方，用磁控濺射方法在脊波導(dǎo)上沉積SbSe，厚度為30 nm，剛生長制備的SbSe 的初始狀態(tài)為非晶態(tài)。然后重復(fù)使用紫外光刻和磁控濺射在SbSe 上方沉積120 nm 厚的ITO，以及在ITO 兩端形成電極，電極使用10 nm的Cr 和120 nm 的Au。圖5（a）為器件制備流程圖。使用金相顯微鏡對制備完成的器件進行表征，如圖5（b），器件結(jié)構(gòu)符合設(shè)計預(yù)期。

圖5 器件制備流程及顯微鏡表征Fig.5 Device preparation process and microscope characterization diagram

2.2 多值測試

本實驗采用的測試系統(tǒng)分為測試光路與調(diào)制電路兩部分，如圖6（a）所示，其中可調(diào)諧激光器用于施加測試光，半導(dǎo)體參數(shù)分析儀用于施加電脈沖。測試光路由激光器、偏振控制器、光纖陣列、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡組成，激光器輸出的測試光先經(jīng)過偏振控制器，再通過光纖陣列進入器件的輸入端，再從輸出端進入到光纖陣列中，連接到探測器，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，最后在?shù)據(jù)采集卡中采集下來。調(diào)制電路由半導(dǎo)體分析儀和電探針組成，在半導(dǎo)體分析儀中設(shè)置電脈沖參數(shù)，將電探針與調(diào)制電極接觸，電脈沖通過電探針與調(diào)制電極，實現(xiàn)器件調(diào)制。為了誘導(dǎo)相變材料相變，施加電脈沖后微加熱器產(chǎn)生的熱量必須滿足相變材料達到其相變溫度。

在測試過程中，相變材料的初始狀態(tài)為非晶態(tài)，為了使相變材料實現(xiàn)晶化，需要施加一個低電壓的寬脈沖，使相變材料達到晶化溫度并保持一段時間使晶格有序化。對于該器件，施加一個寬度為1 ms，幅度為13.4 V 的方形脈沖可以實現(xiàn)晶化。圖6（b）為器件輸出功率與調(diào)制次數(shù)之間的關(guān)系。在施加電壓的過程中，器件的通過率從0.4 先減小至0.3，然后逐漸增大到1，變化規(guī)律符合馬赫-曾德爾干涉儀器件由于兩臂相位差連續(xù)變化導(dǎo)致輸出連續(xù)正弦變化的特性，可以得出器件在調(diào)制過程中由于微加熱器的電熱效應(yīng)使相變材料晶化，實現(xiàn)了器件的多值特性，狀態(tài)數(shù)超過32 個。

然而，繼續(xù)提高電脈沖的能量，由于ITO 表面溫度與底部溫度分布不均勻，導(dǎo)致頂層ITO 溫度過高致使熔斷，無法進一步實現(xiàn)器件的完全晶化，沒有達到器件仿真中預(yù)期的2Π 窗口。并且為了實現(xiàn)器件的非晶化，需要施加高電壓的窄脈沖，使相變材料達到融化溫度并迅速冷卻，這個過程中ITO 微加熱器同樣會熔斷，導(dǎo)致器件無法實現(xiàn)非晶化。如果要進一步實現(xiàn)器件的非晶化，需要改變微加熱器的材料選型以及結(jié)構(gòu)，比較有希望的是采用PIN 微加熱器的方案，由于其結(jié)構(gòu)是直接形成于SOI 內(nèi)部的，耐用性和熱穩(wěn)定性更好，對于實現(xiàn)相變材料的非晶化問題具有很大的潛力。

圖6（c）為器件的保持特性測試，從器件多值特性測試中選取了若干個值進行測試，每間隔0.1 s 進行一次數(shù)據(jù)采集，每個狀態(tài)測試了20 min，測試表明器件輸出能夠長時間保持穩(wěn)定，即具有非易失性。

使用激光器在1 540 nm～1 580 nm 波長范圍對光子多值器件以及直波導(dǎo)進行掃描，直波導(dǎo)所獲得的光譜為光柵耦合器的光譜。因此將多值器件的光譜與光柵耦合器的光譜進行數(shù)據(jù)處理，去除光柵耦合器的影響得到器件本身的光譜特性如圖6（d）。器件在這個波長范圍內(nèi)的輸出比較穩(wěn)定，具有一定的寬帶特性，為實現(xiàn)并行計算提供了基礎(chǔ)。上述多值器件能夠作為光子計算單元進行精確的權(quán)值表示，適用于大規(guī)模的非易失性可重構(gòu)光子計算網(wǎng)絡(luò)，不需要頻繁的配置。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于SbSe 的非易失性光子多值器件，通過有限元分析優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其完全相變時能夠使窗口達到最大。通過在微加熱器的兩側(cè)施加電脈沖來誘導(dǎo)晶化過程，該器件實現(xiàn)了超過32 個態(tài)的多值調(diào)制，對非易失性光子加速器的發(fā)展具有重要意義，為構(gòu)建光子智能加速器提供了一種新的解決方案。在未來通過尋找新的微加熱器有望使該器件的性能進一步提高，實現(xiàn)功耗更低、可調(diào)狀態(tài)數(shù)更多的光子多值器件。