（原标题：Nature Communications! 基于FeFET的光子存储器！存内光计算关键一环！）红牛策略
2025年9月19日，新加坡国立大学（NUS）与POET Technologies的研究团队在国际权威期刊Nature Communications上发表了题为《Ferroelectric-Based Pockels Photonic Memory》的研究论文，第一作者，现香港科技大学（广州）助理教授许泽锋首次成功提出将锆掺杂的氧化铪(HZO)铁电场效应晶体管（FeFET） 与绝缘体上铌酸锂薄膜(Lithium Niobate on Insulator, LNOI)微环谐振器（Micro Ring Resonator, MRR）单片集成，构建出一种新型非易失、多态、超低能耗的“Pockels光子存储器”。该器件通过铁电畴与线性电光（Pockels）效应的协同调控，实现了6个可区分光学态/FeFET，且在单一MRR可进行多器件堆叠，实现16个非易失态/MRR。单状态切换能耗低至65.1 fJ，数据保持时间超10年，耐久性超过107次循环，为光计算与光存储一体化提供了革命性的解决方案。
01
背景介绍
面对人工智能、物联网和高速通信的飞速发展，全球数据量激增，AI芯片功耗突破1000W/芯片，能效危机日益严峻。光子计算利用光波导传输数据，能避免电子互联的电容充放电损耗，能效优势显著。然而，光子缺乏固有存储能力，迫使系统依赖高带宽内存，在光计算单元与电子存储单元间频繁搬运数据产生巨大能耗，形成“内存墙”瓶颈。为实现存算一体的光子内存计算，亟需开发光子存储器，使电编码的非易失状态直接调制光学传输特性，让计算光子实时读取存储信息，彻底消除数据转移能耗。现有技术如相变材料（PCM）、忆阻器、MEMS及其他铁电光子器件，或因能耗高、调控粗糙，或因可靠性差、易受干扰、调制效率低，均难以满足需求。
针对上述问题，该研究突破性提出将多态铁电存储器与铌酸锂光学调制器单片集成，利用HZO铁电材料与Pockels效应耦合，实现了超低切换能耗、多态存储、CMOS兼容、双模读写、可扩展等优异特性的非易失光子存储器，为高密度光电存算一体提供新路径。
02
关键器件结构与物理机制
传统光子存储器如PCM、memristor等受限于弱电光耦合、高能耗（pJ级）或擦写速度慢等问题。该研究创新性地提出并实现了FeFET与铌酸锂Pockels效应的三维集成结构**。其具体结构如图1所示，从下至上依次为：z-cut LN波导（600 nm）， ITO?/IGZO沟道（3 nm/5 nm） ，HZO铁电栅（8 nm）， ITO顶栅。所有材料折射率（n~IGZO~=1.7, n~HZO~=1.9, n~ITO~=1.5）均低于LN（n=2.2@1550nm），最大限度降低光场散射损耗。
图1: a. 将FeFET与 LNOI MRR 集成实现的Pockels光子存储器的示意图。b. 通过电信号引起的铁电极化态变化导致MRR谐振峰位移。例如，为了编码信息“0.8”红牛策略，HZO 中的偶极子极化被切换，从而导致MRR传输光谱中的谐振峰位移。在使用波长为λ的单波长激光进行的实际应用中，80%（“0.8”）的输入光会通过 MRR 。c. 以伪彩色显示的铁电场效应晶体管Pockels光子存储器的SEM图像。白色部分代表直波导和 MRR。源极和漏极用黄色表示，而顶部栅极（ITO）用蓝色表示。沟道是由 ITOx-IGZO 双层结构构成，用深蓝色表示。黄色-红色渐变结构代表 HZO 铁电层。d. 对应于不同HZO铁电态的 MRR 传输光谱。由于Pockels效应引起的非易失性谐振峰位移是由稳定的剩余 HZO 铁电极化引起的。
其物理机制如图2所示，可以被描述为3步，对应示意图中的a,b,c以及d,e,f。
1. 通过在ITO顶栅施加超过HZO矫顽场的正电压脉冲（如3V, 10 μs），实现HZO极化方向的切换；此时其极化电场在IGZO沟道中诱导出载流子积累，这些载流子对HZO极化场起到静电屏蔽作用，如同一个“电场过滤器”；
2. 在撤去顶栅电压后，栅极附近大部分电子消失， 由于LN强大的自发极化电场与HZO极化方向相反，影响HZO的铁电极化方向，使其只剩余1/6 极化，形成稳定状态。这个稳定的状态称为reset 态(初始态)。此时完成了器件的初始化步骤。
3. 写入步骤是在FeFET栅极上施加负电压偏置，产生超过HZO矫顽力场的电场，使HZO偶极子极化。通过控制WRITE脉冲能量，可以调节HZO的极化程度。由于此时铁电极化方向与LN自发极化方向一致，撤去栅极电压后可以保持稳定的状态。剩余的极化电场通过Pockels效应影响波导折射率，使MRR的谐振峰偏移。
图 2： 基于效Pockels效应的 FeFET 光存储器的工作机制。 a、b、c分别为光存储器在复位和写入操作期间的横截面示意图。通过 IGZO 沟道中的电流实现了无损的电读取。d、e、f，分别表示器件在易失态、复位态和 非易失态下的垂直堆叠方向的能带图。白色区域代表能隙。在非易失态下，由于 HZO 的极化方向与 z-cut的LN自发极化方向一致，HZO 显示出出色的极化保持能力。由于 IGZO 通道中的空穴载流子浓度和空穴迁移率极低，该器件呈现出亚pA的关断漏电流。此外，通道中不存在屏蔽载流子，使得 HZO 电场能够穿透到 LN 中。易失态仅在复位操作期间存在。在复位操作之后，LN的自发极化倾向于反转 HZO 中的偶极子，导致从易失态到复位态的蓝移。
03
核心指标与可扩展性验证
图3：多态、非易失性和频率响应特性 a. 随脉冲次数变化的MRR谐振峰位移情况，每个脉冲宽度为 10 μs，振幅为 -6 V。箱形图展示了在 50 次脉冲配置操作下每个状态的变化情况。为了确保可重复性和不重叠的谐振状态，共识别出了六种可区分的非易失光状态。b. 在一次写入操作后 105秒内观察到的三种光非易失态的时间依赖性。通过观察到的稳定性，这些光学状态的预期保持期超过 10 年。c. 在特定脉冲配置下两种光非易失态的耐久性能示意图。结果表明，铁电循环耐久性稳定在106以上，在106到107 次循环之间谐振波长产生的轻微偏移，可能归因于 HZO 中的轻微铁电疲劳效应。d. 可用的光学状态数量与脉冲宽度、频率以及运行期间的脉冲数量之间的关系。图中的插图有助于理解单个脉冲作用时操作状态的变化情况。e. 用于测量擦除和写入操作后光学和电学响应的脉冲序列及结果。具体而言，擦除脉冲的特征为 10 μs和 3 V，而写入脉冲则为 10 μs和 -6 V。使用高速光电探测器对光学响应进行连续测量，脉冲操作期间的信号因接地引起的干扰而被去除。电读出脉冲在漏极电极上施加 1 μs和 0.1 V，此时源极接地。读出信号由源漏电流表示。
研究团队通过系统实验验证了器件的多项关键性能指标：红牛策略
A. 多态且线性的谐振偏移：通过控制写入脉冲数量（振幅-6V，宽度10μs），单个FeFET可实现6个清晰可区分的光学状态，MRR谐振波长偏移量与写入脉冲数呈线性关系（R2 > 0.98），每个状态均具备非易失性（图3a）。
B.超低状态切换能耗：通过精确测量栅电容、寄生电容及栅泄漏电流，计算出单状态写入总能耗仅为65.1 fJ（其中开关能耗64.8 fJ，耗散能耗0.3 fJ）。该值比目前已报道的非易失光子存储器（如PCM、SiN/BTO器件等）低100倍以上（图4e）。
C.长时保持与高耐久性：三个独立光学状态在105秒（约28小时）内保持稳定，通过拉伸指数模型推演其数据保持时间可超过10年（图3b）。器件在107次WRITE/RESET循环后仍保持性能稳定，仅出现轻微谐振偏移，展现了器件优异的抗疲劳特性（图3c）。
D.电读取特性：该器件不仅能使用光信号通过MRR读取存储的状态，还能利用FeFET的三端结构，通过源漏电流读取器件内存储的状态。该电读取特性不会影响器件原本的非易失态，实现了电光的同时读取（图3e）。
图 4：FeFET Pockels光子存储器的线性度、可扩展性和基准测试。a. 随FeFET覆盖比例变化的最大谐振峰偏移情况，其中覆盖比例由 MRR 的覆盖角度除以 360°来定义。由于 MRR 的耦合区域不能被其他材料覆盖，所以覆盖比例无法达到 100%。b. 由三个独立的铁场效应晶体管（即 FeFET-1、FeFET-2 和 FeFET-3）控制的FeFET Pockels光子存储器的伪彩色SEM图像。白色部分代表直波导和 MRR。源极和漏极用电黄色表示，顶部栅极用蓝色表示。沟道由 ITOx 和 IGZO构成，用浅蓝色表示。黄色和红色的渐变部分代表 HZO 铁电层。c. 在共享的 MRR 上由三个独立的FeFET调制的光状态变化，其中施加逐渐增大幅度的脉冲以实现不同的非易失态。谐振峰位移归因于三个FeFET的综合效应，每个光学状态由一个正复位脉冲以及负写入脉冲设定。在“初始化”操作之后，实现了由三个FeFET共同作用的多非易失态线性操作，其 R2 值高达 0.98323。d. 展示了从准备状态开始进行线性操作时达到每个状态的可重复性。e.FeFET Pockels光子存储器（红色）与已报道的非易失性光子存储器（橙色）在容量、功耗和耐久性方面的对比。每个点的大小代表实现的bit容量。
除了单个FeFET的性能指标，该研究还验证了该设计的可扩展性。如图4a.所示，通过覆盖不同的比例的MRR面积，可以实现不同的谐振峰偏移范围。通过在同一MRR上使用3个覆盖不同面积的独立FeFET，并采用“初始化”策略消除首个非易失态的非线性跳跃，实现了状态线性叠加，成功演示了最多16个可调的光学状态（图4c,d），显著提升了单个调制器的存储容量。
04
应用前景
该技术采用全CMOS后端兼容工艺（< 400°C），支持在光电子平台上进行三维单片异构集成。该Pockels光子存储器不仅是一个存储单元，更是一个集非易失存储与高速调制于一体的多功能光子器件。这将极大地推动光子内存计算（Photonic In-Memory Computing）、可重构光互连、低功耗光子神经网络等前沿领域的发展。
作者简介
许泽锋 教授
香港科技大学（广州）微电子学域助理教授，博士生导师。在中山大学获得学士学位，并在新加坡国立大学(NUS)获得博士和工商管理硕士（MBA）双学位，师从Aaron Thean教授。许泽锋教授的研究领域主要是面向光计算、光互连、光传感的新型光电子器件和系统，包括光电存储器、超材料等，已发表包括Nature Communications、Light: Science &Applications、VLSI、IEDM在内的40+篇顶尖期刊与会议论文。
Aaron Thean 教授
新加坡国立大学教务长/常务副校长，电气与计算机工程系教授，美国国家发明家科学院院士。2016年加入NUS之前，他曾在IMEC担任副总裁，领导先进半导体器件技术研发。Aaron Thean教授在高端晶体管、低功耗CMOS、FinFET等领域有广泛研究，并拥有超过50项美国专利。
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