近日，苏黎世联邦理工学院电磁场研究所Juerg Leuthold教授、程伯骏（现已入职香港科技大学担任助理教授）等人，协同法国勃艮第跨学科卡诺实验室Alexandre Bouhelier教授等人发现了忆阻器件的一个新特征：忆阻器开关时产生的瞬态电致发光。这一成果未来可能作为超小尺寸（原子级）光源应用在光电神经网络、芯片内硅光互连和量子通信中。
紧凑的片上光子源在理想情况下具有面积小、低功耗、电致发光并与标准CMOS制造工艺兼容等特点，达到低成本实现芯片的高集成密度和低功耗运行的目标，在集成电路中有着迫切的需要。例如，紧凑光子源可用于光电互连在处理器和存储器进行数据传输，或以光学方式传达传感事件。在量子通信中，它们亦可以充当片上光源。在类脑计算领域，它们可用于传达突触状态。
在过去几年中，对紧凑型电驱动光子源的研究已经产生了很多创新的解决方案。例如，基于量子点的光源具有优良的量子效率，但需要复杂的异质集成工艺进行制造。另外，非弹性电子隧穿的光源尺寸小、用途广泛。然而，垂直堆叠的架构仍然需要较大的注入面积以保证亮度，并对薄氧化物屏障的精密加工制造有极高的要求；而平面架构则需要先进的纳米制造工艺或者不方便量产的随机排列，难以在标准CMOS工艺下实现规模化应用。
与此同时，忆阻器，特别是的原子开关忆阻器在近年来受到学术界和业界的高度关注。原子级开关忆阻器的工作仅依赖于数个原子的运动，具有结构紧凑、低功耗、高速等特点，适用于高密度存储、存内计算和类脑智能等领域。忆阻器还可以集成光学操控或输出的功能，用于光电神经性态计算，然而到目前为止，忆阻器的光子操作依赖于外部或异质集成的光子源。
在本文中，研究人员介绍了一种能够在电阻切换的瞬态发射光子的原子开关忆阻器件，从而取代了对外部光源的需求。该器件具有紧凑的尺寸以及与新兴忆阻器技术的兼容性。当电阻状态发生变化时，在银/非晶硅（a-SiOx）/铂忆阻性结的间隙内产生瞬态电致发光。为了加强发光效率，银和铂构成的三角形电极的顶点被设计为一个等离子体纳米天线，解决了超紧凑光子源的难题。此外，新的器件不仅提供电致发光，而且本身就是具有功能性电子器件。由于电气和光学功能天然地集中在了同一个纳米器件上，该研究成果可能会开启在原子水平上器件研究与应用的新篇章。
图1展示了原子级光子源（APS）的器件原理，由一个在玻璃基板上制作的银/非晶硅/铂构成原子开关忆阻器。APS的概念图和扫描电子显微镜（SEM）图像分别显示在图1a和1b。通过在银和铂电极之间施加电压，引发导电纳米金属丝的形成和破裂，从而实现电阻值的调控。在金属丝的形成和破裂的关键阶段，银和铂电极之间的间隙会有光子发射出来。为了提高光子辐射和收集效率，一个等离子体纳米天线被连接到两个准三角形金属接触电极的顶端。如图1c所示，单个器件发射的光强烈到足以用标准的CCD传感器进行检测。图1d是APS电压扫描的典型I-V曲线，展示了忆阻器的滞回特性。图1e和图1f分别是金属丝形成开始和器件切换到低电阻过程中原子层面的APS示意图和忆阻开关过程中发射光子的示意图。
图2展示了时间分辨电致发光（EL）测量研究瞬态电致发光的实验。EL测量装置如图2a所示，将待研究器件（APS）放置在倒置显微镜的顶部，并使用油浸物镜进行成像，通过玻璃基板背面收集的发射光然后被引导到雪崩光电二极管（APD）并与电信号同步计数。在图2b中，描绘了一次典型的实验结果：器件加载电压逐渐增加，在电阻丝形成（电流增大）的瞬间产生大量光子。在图2c中，器件加载电压逐渐减小，当金属丝破裂时再次产生大量光子。实验中观察到的瞬态电致发光与非弹性电子隧穿发光器件中观察到的明显不同：电子隧穿发光器件的电致发光具有连续性。
本文在原子开关忆阻器的电阻变化过程中发现了光子发射。该研究表明，光子的产生来自在金属丝原子重排引发的电阻变化过程中产生的富含足以产生电致发光的缺陷。这些理论得到了电致发光和光致发光等多项实验的支持。
该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Atomic Scale Memristive Photon Source”。
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00766-z
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