通讯波段透明的Ge-Sb-Se-Te非易失光学相变材料及器件

发布时间：2020-10-23 12:30

　　 相变材料是一种能够极为快速地发生可逆的相转变,并经由相变时原子排列的变化展现出巨大光学/电学性能差异的材料。相变材料自被发现以来,受到世界各国学术界和工业界的广泛重视和研究,至今已有许多相变材料实现了商业化。硫系化合物非易失性相变材料因其相变前后的原子排列具有记忆性而被用作光盘的信息存储介质。光盘存储技术的巨大成功催生了对相变存储器的广泛研究,但直到电子集成技术成熟,相变存储器的研究才真正进入了高速发展的阶段,它被认为有望成为下一代存储器,目前已开始有产品在市销售。非易失相变材料因其独特的性质和性能,有着极为重要的意义。随着光子集成技术的发展和光子计算机等概念的提出,集成的全光开关/存储器作为其基础器件逐渐开始被研究。然而,当人们尝试将相变材料集成于光路中时,却发现在最重要的1550 nm光通信波段,现有的相变材料都有着极大的光损耗,这会严重削弱器件对相变材料特性的利用,也会降低集成光芯片的性能。本文意在寻找一种适用于光通信波段的光学相变材料,使其非晶态在1550 nm通信波段透明,且在相变前后有足够大的光学常数反差。考虑到目前研究和使用最广泛的一种光学相变材料Ge_2Sb_2Te_5具有快速相变、巨大的光学反差和稳定性高等一系列优异的性质,本文从经典的相变材料Ge_2Sb_2Te_5出发,走进Ge-Sb-Se-Te体系,研究了其性能和在光器件中的应用。论文主要内容如下:首先,制备了Ge_2Sb_2Se_xTe_((5-x))(x=0,1,2,3,4,5)系列薄膜,并研究了其结晶性能和光学性能。利用X射线衍射技术对Ge_2Sb_2Se_xTe_((5-x))在不同温度下的相演变进行了表征,研究了Se的加入对材料的晶化温度、非晶稳定性的影响。利用椭偏仪技术研究了Se组分对材料折射率和消光系数的影响,并分析了各组分材料在非晶态、晶态的光学性能,及相变前后光学常数差异的变化。经过对材料各方面性能的综合考量和平衡,认为Ge_2Sb_2Se_4Te_1有望成为满足要求的光学相变材料。本文利用透射电子显微镜进行选区电子衍射测试,研究了材料的晶相结构,认为晶态Ge_2Sb_2Se_4Te_1具有六方结构。之后,本文在波导中进一步将Ge_2Sb_2Se_4Te_1在1550 nm波长处的损耗上限测定为705 dB/cm,材料消光系数小于0.002,其光学相变材料的优度值是经典相变材料Ge_2Sb_2Te_5的22倍以上。Ge_2Sb_2Se_4Te_1作为首个在通信波段(非晶态)透明的光学相变材料被提出。为验证Ge_2Sb_2Se_4Te_1在集成光器件中的实际效果,本文设计和制备了环形谐振腔式的Ge_2Sb_2Se_4Te_1集成光开关,在1550 nm通信波段实现了41 dB的消光比和0.15 dB的插入损耗,远优于目前工艺水平下最好的相变材料集成光开关。这证实了Ge_2Sb_2Se_4Te_1在光器件中低损耗、大对比率的优秀表现和显著优势。最后,本文探索了光学相变材料在非传统应用中的可能。提出了将相变可调谐宽波段滤光片应用于高通量、非机械扫描式的红外多光谱成像系统中,设计了基于Ge_2Sb_2Se_4Te_1的可调谐宽波段滤光片并对其在短波红外的工作效果进行了前期仿真验证,利用奇异值分解优化了传输矩阵法计算的滤光片透过率矩阵,并分析了系统中的噪声源对信号重建的影响。这不仅提出了进一步利用光学相变材料完全非晶态和完全晶态之间的混合状态及其宽波段操作特点的潜在可能性,同时也为去除现有的红外多光谱成像系统中窄带滤光片的限制提供了新的思路。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

1 绪 论很容易理解这类 PCM 的工作机制。图 1.1 展示了光盘的基本结构、存储的信息信息读取的原理。在光盘结构的横截面中，PCM 层即是信息的记录媒质，基底的金属层引导反射，而介质层起隔离作用，表面覆盖有保护层。光盘所存储的据记录在一圈一圈的信息坑道内，这些数据是二进制的数字信息，依靠 PCM 层处于非晶或晶态的数据点区分。由于非晶态和晶态PCM有着巨大的光学常数反差而膜系被设计为使得非晶态 PCM 处有极低的反射率、晶态 PCM 处有非常高的射率，当读取激光沿着信息轨道扫描，根据反射率的高低就可以分辨出数字信的“0”和“1”。PCM 的非晶态/晶态光学常数差异越大，“0”和“1”区分得越显，越不容易产生误判。

重庆大学博士学位论文：形核-生长型结晶和生长主导型结晶[13]。形核-生长型结晶是先范围地形成晶核，之后晶核在有限的距离内生长并与其他长大初始时材料内完全为非晶的 PCM，晶化都这样从形核开始，但的非晶信息点的晶化，多数 PCM 是形核-生长型(例如 GeTe-Sb2，包括经典相变材料 Ge2Sb2Te5)，而有的则是生长主导型(以长主导型结晶会从非晶与晶体的边界开始，向非晶点内行进，越小晶化速度越快。而如 Ge2Sb2Te5等的形核-生长型的结晶厚度相关，薄膜越厚结晶速度越快(一般对于 20 nm 以下的厚度这是因为越厚的薄膜形核概率越高。这是由结晶机制不同造成

图 1.3 PCRAM 的基本结构和存储原理示意图 The schematic diagram of the basic structure and working principle of a 表 1.2 PCM 性能与 PCRAM 特性的联系.2 The charateristics of PCRAM devices and their corresponding PCM prPCRAM 特性 PCM 性能数据误读率低 非晶态/晶态电阻率比值大RESET 电流小 熔点低SET 速度快 晶化时间短数据保温寿命长 非晶态稳定性高循环寿命长 环境耐受性好、相变前后体积变化小盘在一次写入后往往要保存相当长的时间，其 PCM 层的非非晶态稳定性是最受关注的性能；而与之相比，PCRAM 在高的要求，因此，PCM 在用于 PCRAM 时，在非晶/晶态电
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本文编号：2853043