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利用了GST化合物的光學調變器架構

一個由英國牛津大學(University of Oxford)與艾希特大學(University of Exeter)所組成的團隊，正在進行的「光電架構(optoelectronic framework)」研究，可望成為相變化記憶體(PCM)材料邁向光電化新未來的第一步；除了光電記憶體元件，該技術也有助於實現新式顯示器、光學交換器，以及晶片內外部通訊應用的調變器。
每個人應該都看過，當陽光照射在水面上薄薄一層浮油時，會顯現出虹彩干涉圖案；而牛津大學團隊已經完成的研究，就是在那層油的上方再放置一片薄膜，透過電來調節色彩──強化/減弱某些色彩──然後將一切化為固態。除了讓硫化物玻璃能在非晶與結晶狀態之間轉換，該架構也讓其阻抗產生很大的變化，並使光折射率有所改變──牛津大學團隊就是利用了這種折射率的變化。

上述的「反射式(reflection)」──也有透射(transmission)式選項──硫化物光學調變器或顯示器架構，是採用Ge2Sb2Te5 (GST)化合物，如下圖所示。由最底層往上，元件的活性部分是由適當的基板以及介電薄膜所組成，堆疊了做為反射物的鉑金薄膜、透明的導電氧化銦錫(ITO)薄膜、GST薄膜，最上面又是一層透明導電ITO。

在該堆疊架構中最重要的兩層薄膜，其一是底部的ITO電極，電極的厚度(t)是一個關鍵變量；另一層就是活性記憶體材料GST。在典型的堆疊架構中，薄膜的厚度如下：10奈米ITO/ 7奈米GST / 可變量厚度ITO /100奈米鉑金，全部沉積在基板上。透過改變底部ITO電極的厚度，能強化某種特定色彩；此外當堆疊架構的表面以白光照射，GST轉為非晶狀態，其他色彩就會被減弱(如上圖)。

藉由切換GST至結晶狀態可改變其折射率，並可透過干涉來改變在反射光束中被強化的色彩。與可見光的波長範圍相較，架構中的薄膜厚度都非常小；下圖顯示了ITO薄膜厚度在50奈米、70奈米、120奈米、150奈米時可變化出的、讓人印象深刻的不同色彩，照射的可見光波長範圍在350奈米至750奈米之間。

不同厚度ITO薄膜可變化出的色彩

對相變化記憶體技術觀察者來說，下一步就不陌生了。建立一個形成離散式記憶體元件的呈直角X-Y軸顯示圖，一個可能的初始形式如下，有兩種顏色(強化後的藍色與紅色)將部份透過切換記憶體材料來取得，因此實際上GST會變成兩種不同折射率的薄膜。或者，該陣列也能以每行由不同厚度GST的方式來打造。

ITO並不常被用來做為相變化記憶體元件的電極，它通常被應用在資料儲存記憶體中，該類記憶體的電極是耐火金屬以及結晶GST。針對ITO電極應用於相變化切換的適當性與相容性問題，牛津大學與艾希特大學研究團隊一開始的解決方案是製作大型片狀的三明治架構，然後利用原子力顯微鏡(atomic force microscope，CAFM)的導電尖端跨越其表面，選擇性地切換端點之下的區域，創造一系列不同顏色的圖片，如下圖。

在相變化薄膜上創造的圖片

如果顯示器是目標應用，那麼在反射式版本之外，透射式版本的架構也會有需要；除了顯示器，牛津大學團隊表示，該架構也適合其他應用如隱形眼鏡式的顯示器、智慧眼鏡、風鏡式顯示器，甚至是合成視網膜(synthetic retina)裝置等。

要達成光學透射式架構，需要一種沒有鉑金鏡面、在透明基板上打造的相變化記憶體元件；這時候再次利用CAFM技術在透明石英上製作大面積影像，也可以利用軟性塑膠基板(因為薄膜非常薄)。而顯然以透射模式運作的光學矩陣，間隔式(gap-type)相變化記憶體元件似乎是一個選項；為此，ITO/GST/ITO的間隔架構被考量做為ITO電極評估與適當性的第二選擇。

用以示範的元件活性區域面積300奈米見方，閾值電壓2V，最大電流20 uA，開關電阻比(on-to-off resistance ratio) 350，讀取/抹除生命週期為140次循環；研究人員已經體認到，切換所有間隔中的材料是有必要的，不只是絲狀區域。

牛津大學與艾希特大學研究團隊雖然完成了這樣的一個架構，但也坦承到目前為止，若不利用CAFM，並沒有具備ITO電極的離散式平面元件被製作或測試。因此要讓光電概念的相變化記憶體往前邁進，必須要進行完整的ITO電極相變化記憶體元件評估與開發，這將會是一項不平凡的艱鉅任務。

編譯：Judith Cheng

(參考原文： Future of PCM: Optoelectronic?，by Ron Neale)

資料來源:電子工程專輯