基于硅基底多锥形工程化Cu-TiO?结构的具有传感功能的低电压纳米光子电阻开关

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Low Voltage Nanophotonic Resistive Switch based on Multi-tapered and Engineered Cu-TiO 2 Structure on Silicon with Sensing Capability

　　**摘要**提出了一种具有光学可读和电写入功能的电阻式开关，采用在硅基上制备的Cu-TiO?多锥度和环形结构的工程化构型。该器件利用TiO?的多功能特性，实现了低压操作、高消光比（ER）以及具有传感能力的增强耐久性。在混合等离激元波导中引入带有环形结构的多个锥度区域，可以在光传播方向上形成不同密度的导电丝区域。锥度部分增强而环形结构减弱了光与导电丝之间的相互作用。通过调谐光与金属/氧空位导电丝之间的相互作用，结合锥化和环形结构实现了所需的器件功能。在10纳米厚的TiO?中，1550纳米波长下清晰的滞回曲线证明了电写入状态的光学读出。10微米长的器件实现了20 dB的光学消光比。此外，器件展示了固有的随机特性，使得每次设置-复位扫描中的设置电压逐步降低。另外，紫外光照射进一步降低了器件的设置电压。在多个循环中降低的设置电压保持滞回特性并确保高耐久性。此外，所提出的器件展示了基于电阻式开关现象的CO?传感功能。传感能力、高消光比和低压操作为超紧凑型片上器件在光开关和神经形态计算中的应用铺平了道路。**引言**微型化硅基光子集成电路（PICs）需要具备高可扩展性、低功耗和紧凑占位的器件[1], [2]。由于具有记忆存储能力、简单结构和高度可扩展性，电阻式开关（RS）已成为PICs的重要组成部分[3], [4], [5], [6], [7]。此外，基于电压驱动导电丝形成和湮灭的电阻式开关因其更容易集成而受到青睐[8], [9]。这些两端器件具有存储层，可用作电激活的光开关[10]。其强电光相互作用，结合电学和光学控制，使其成为光学读出应用的理想选择[3], [7], [11]。为了实现光学读出，纳米光子学结构是必不可少的。混合等离激元（HP）[12]波导，特别是支持混合等离激元模式的金属-绝缘体-半导体（MIS）波导，是最佳候选者，因为它们克服了金属-绝缘体-金属（MIM）等离激元波导的损耗问题[13], [14], [15], [16], [17], [18]。具有可变密度导电桥（CB）的锥度段能够通过增强光与导电丝之间的相互作用来提高消光比[19]。铜因其较小的离子尺寸和低电负性而受到青睐，这些特性使其容易扩散到薄氧化物中并实现低压操作[20], [21]。它还确保与CMOS兼容，为与其他电子和光电子功能的集成开辟了新途径。基于电阻式开关的传感因其主动传感能力和低功耗而受到青睐，特别是在导通和关断状态之间的转换过程中[22]。光照在器件上提供了额外的控制手段[7], [23], [24], [25]。纳米光子学电阻式开关凭借其高消光比、低功耗操作和进一步微缩化的潜力，为神经形态计算、存储阵列和传感等应用铺平了道路[26]。在本文中，展示了一种具有高光消光比的Cu/TiO?/p-Si电光电阻式开关。该器件展现出电写入、光学可读和传感能力。其工程实现依赖于在硅平台上创建多个通过Cu/TiO?/p-si环形结构连接的锥度段。TiO?作为活性层，使器件能够实现低压操作、高消光比、高耐久性和传感能力。混合等离激元波导构型中的三个带环的锥度段，在电刺激下支持波导中从输入到输出方向的可变密度导电丝。环形结构作为对已形成导电丝和入射光的相互作用降低器。这种锥化和环形结构的组合实现了可调谐的光与导电丝相互作用。锥化增强光与金属/氧空位导电丝之间的相互作用，而环形结构则减弱这种作用。TiO?的主要作用在于开关功能；此外，它还参与传感。在1550纳米波长下，利用清晰的滞回曲线展示了10纳米薄的离子导电层中电存储状态的光学读出。10微米长的器件实现了20 dB的光学消光比。紫外（UV）辅助光作为泵浦光在器件上诱发电荷载流子在活性TiO?层内的产生，从而降低设置电压。在器件上同时施加电压和紫外光，设置电压降低且保持滞回特性，这证实了器件的高耐久性。所提出的器件通过电阻式开关机制展示了二氧化碳（CO?）传感功能。此外，器件固有的随机特性使得连续循环中设置电压逐步降低。传感能力、高消光比、降低的设置电压和低压操作使得该器件成为开发高密度片上器件用于神经形态计算和传感应用的理想选择。**分节摘要****所提出的器件设计**在混合等离激元构型中制造的多锥度纳米光子学电阻式开关的示意图及其模式特性如图1所示。通过环形结构连接的多锥度段形成了Cu/TiO?/p-si器件的活性区域，该器件由三层组成。为了在离子导电层（TiO?）中支持最大光强的HP模式，底层经过优化，使其泄漏足够的光功率，该功率可以与可用的表面等离激元耦合。**器件制造**使用高度掺杂（5 mΩ-cm）的单晶单面抛光硅（100）525微米厚衬底进行器件制造，采用标准的美国无线电公司（RCA）工艺进行清洁。使用Hind High Vacuum的DC-RF自动涂层机500沉积SiO?掩模层。使用Holmarc旋涂机以500和600 rpm的旋转速度涂覆AZ1505正光刻胶（PR），以获得1微米厚度。旋涂样品在热台上以115°C预烘一分钟。设计的……**电学特性**器件的工作原理依赖于导电丝（金属离子扩散/氧空位形成）的形成和湮灭。为验证电阻式开关现象和器件功能，需要在Cu/TiO?/p-si上进行电流-电压（I-V）测量。这些I-V测量是在不同TiO?厚度的样品上进行的。这些不同厚度是通过溶胶-凝胶工艺合成的，使用前驱体钛酸丁酯、乙醇、乙醛、丙酮和……**光学特性**在室温下，使用如图4所示的装置对电写入状态和CO?传感进行光学评估。光学读出是通过向指定的电极施加电压并同时监测输出端的光强度来进行的。以适当的极性和所需的外部电压大小施加到两个指定触点。采用锥形尖端透镜光纤，用于从Keysight N7778C可调谐激光源（1550……**传感特性**在一个多锥度纳米光子学电阻式开关中分析了基于电阻式开关概念的气体传感。使用图3中显示的测量装置来分析传感特性。当施加适当极性的电刺激时，导电桥（CB）形成，通过电学和光学特性均得到证实。器件的SET（置位）状态，以电流迅速增加为特征，被用于CO?气体传感。在测量过程中，CO?气体被施加……**结论**展示了一个具有传感能力的多锥度纳米光子学电阻式开关。该器件利用Cu-TiO?的多功能特性，实现了高消光比和低压操作。在Cu/TiO?/p-si结构中展示了电写入状态的光学读出。工程化的多锥度和环形结构支持可调谐的光与导电丝相互作用。在1550纳米波长下，10纳米薄的TiO?层中清晰的滞回曲线证实了光学读出。光学……**CRediT作者贡献声明****Santosh Kumar：** 方法、调查。**Ashutosh Kumar：** 方法、调查。**Mishra Rahul Dev Dev：** 原稿撰写、方法、调查、数据整理、概念构思。**Suresh Kumar Pandey：** 原稿撰写、数据整理、概念构思。**Mukesh Kumar：** 审阅与编辑、原稿撰写、方法、调查、数据整理、概念构思。**利益冲突声明**作者声明不存在利益冲突。**致谢**本工作由国家量子使命（DST/QTC/NQM/QC/2024/1(G)）和印意科学与技术合作行政方案（INT/Italy/P-30/2022(ER)）资助。作者感谢IIIT Surat的Mr. Anandatheertan Srinivasan提供部分技术支持。**利益冲突声明**作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。Rahul Dev Mishra | Suresh Kumar Pandey | Santosh Kumar | Ashutosh Kumar | Mukesh Kumar