[發明專利]基于浮柵充放電的狀態非易失光開關及其制備方法

有效

• 申請號: 201810175506.4
• 申請日: 2018-03-02
• 公開（公告）號: CN108538785B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 周林杰;徐喆;陸梁軍;陳建平;劉嬌
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L21/82
• 分類號: H01L21/82;H01L27/105;H01L29/788
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于浮柵充放電的狀態非易失光開關及其制備方法。光開關由下到上依次為單晶硅襯底、二氧化硅埋層、單晶硅n型摻雜層、絕緣二氧化硅層、單晶硅浮柵層、氧氮氧隔離層、單晶硅p型摻雜層、二氧化硅上包層和金屬電極，本發明整體上包含兩個串聯連接的浮柵電容，浮柵內的載流子濃度可通過電子隧穿效應改變。由于載流子色散效應導致波導有效折射率的改變，從而可實現對光路的調控。切換后的光路可以在電壓斷掉后還能保持原狀態，在光通信和光互連數據交換領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及硅基集成光電子學中的光開關及光交換器件，特別是一種基于浮柵充放電的狀態非易失光開關及其制備方法。

背景技術

集成硅基光開關有著低功耗、響應迅速、易于集成和CMOS工藝兼容等優勢，在大數據和云計算飛速發展的背景下，在光通信的數據路由和交換領域，擁有極大的應用前景，為解決傳統電信號的帶寬限制，實現下一代高速全光交換網絡提供了可能。

集成光開關的實現方式有多種，加州大學伯克利分校研究出基于微機電系統(MEMS)的光學開關獲得了很低的光信號損耗和驅動電功耗，但是在響應速度、所需驅動電壓幅值和穩定性方面均遜色于基于載流子色散效應的硅基光開關。硅基光開關技術有著很多優點，如功耗低、響應迅速、易于集成、成本低等。在單元結構方面，硅基光開關主要使用的是微環諧振器(MRR)和馬赫增德爾干涉儀(MZI)兩種基本結構。在微環諧振器中，利用微環的諧振特性來控制光路的通斷；馬赫增德爾干涉儀中，利用干涉儀雙臂的相位差來實現不同光路切換。現有的光開關技術大多基于這兩種基本結構或其組合形式，或是由這兩種基本結構組合構成的開關陣列。

在現代計算機中，存儲設備與中央處理器間的數據傳輸速度與處理器處理數據速度的不匹配問題，即計算機的“馮諾依曼瓶頸”，限制了其進一步發展。而集成光互連技術的發展使芯片級的光信息交換突飛猛進，為解決“馮諾依曼瓶頸”帶來了潛在可能。然而，現有的硅基光開關技術都需要一定的靜態功耗以維持開關狀態，這限制了光開關在追求高效率和低能耗的光互連中的應用。

發明內容

本發明是基于現有的光子學理論和集成光開關技術，針對傳統光開關必需靜態功耗以維持開關狀態的問題，提供一種基于浮柵充放電的狀態非易失光開關及其制備方法。該光開關整體上包含兩個串聯連接的浮柵電容，浮柵內的載流子濃度可通過電子隧穿效應改變。由于載流子色散效應導致波導有效折射率的改變，從而可實現對光路的調控。切換后的光路可以在電壓斷掉后還能保持原狀態，在集成光交換領域具有廣闊的應用前景。

為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下：

一種基于浮柵充放電的狀態非易失的光開關，其特點在于，由下到上依次為單晶硅襯底、二氧化硅埋層、單晶硅n型摻雜層、二氧化硅層隔離層、單晶硅浮柵層、氧氮氧隔離層、單晶硅p型摻雜層、二氧化硅上包層和金屬電極，光開關構成主要包括：

上層，即所述的單晶硅p型摻雜層，中央為重摻雜，兩側為輕摻雜，所述的p型重摻雜中央與中央電極相連；

下層，即所述的單晶硅n型摻雜層，分為左右不相連的兩部分，且每一部分的兩端為重摻雜，靠近中間的部分為輕摻雜，兩端的n型重摻雜區域分別與左電極、右電極相連；

中間層，即位于上層p型輕摻雜和下層n型輕摻雜的交疊區域之間的中間層自上而下依次是氧氮氧隔離層、單晶硅浮柵層和二氧化硅隔離層，所述的二氧化硅隔離層與所述的下層隔離，所述的氧氮氧隔離層與所述的上層隔離，以防止電子隧穿進入上層，所述的上層、中間層和下層的材料均為單晶硅，交疊區域構成兩個并行的光波導，以保證光信號傳輸的低損耗。

所述的氧氮氧隔離層由二氧化硅-氮化硅-二氧化硅層構成。