基于相变纳米线的片上集成全光非易失性存储器的研究

All-optical random access memory is the core device which can avoid the photo-electric-photo conversion processes and thus break the bottlenecks of both transmission bandwidth and processing speed in optical communication system. Based on both the urgent demand and the development direction toward integration of optical communication technology, we propose phase-change nanowires that would be embedded into a novel all-optical nonvolatile memory to address the current issues including large power and footprint, and slow operating speed. In this project, the controllable preparation technology of phase-change nanowire will be investigated to elucidate the vapor-liquid-solid growth mechanism. Consequently, the high-quality, even-distribution, size-tunable Sb-based nanowires will be obtained by the nanowire controllable preparation technology. The results can provide material support for the development of optical nonvolatile memory.

光子存储器是光通信系统中避免光-电-光转换过程，突破信息传输带宽和处理速度瓶颈的核心器件。本项目瞄准光通信技术的迫切需求及集成化的发展方向，提出利用相变纳米线的光致可逆相变特性来实现全光非易失性存储，旨在获得具有实际应用前景的相变纳米线。本项目拟以相变纳米线的可控制备技术为切入点，阐明其气液固(VLS)生长机制，掌握相变纳米线的可控制备技术，获得高质量、均匀分布、尺寸可控的相变纳米线，为研究新型片上集成全光非易失性存储器提供材料基础。

芯片高度集成化所带来的热串扰、电子速度等物理问题使得微电子技术的发展遭遇瓶颈，未来信息技术的发展方向将转向极具潜力的光子技术。集成化是光子技术发展的必然趋势，因为集成器件不仅能够使器件性能如响应速度、功耗等得到改善, 同时使芯片的稳定性、可靠性等得到大幅度提高。光子集成技术中的存储环节存在严重滞后，需要借助电子存储来完成数据的传输和处理，因而速度受限于光电/电光转换器件。针对这一问题，本项目提出了基于相变纳米线的全光子存储器。研究内容包括：研究热蒸发气相沉积法生长相变纳米线，研究生长工艺条件对相变纳米线形貌及结构的影响，优化出高质量、均匀分布的生长工艺条件。利用相关实验手段对相变纳米线物理性质进行系统表征。通过本项目的研究，取得了一系列创新性的研究成果，包括：掌握了高质量、高密度的Ge-Sb-Se纳米线制备方法，提取了优化工艺参数：气压为100Torr、温度为400℃、载气速率为100SCCM，距蒸发源7cm，其物相结构主要为GeSb2和Sb2Se3。这些结果为Ge-Sb-Se纳米线在光子器件的应用奠定了材料基础。基于相变纳米线，设计并制备了全光子存储芯片。在器件单元上实现了可重复、高速、低功耗的擦/写操作，为今后全光子计算芯片的发展提供了新思路。.项目执行期间总共发表SCI收录论文6篇，已授权国家发明专利2件，申请发明专利2件，培养硕士研究生1名。