[发明专利]非易失性半导体光折变存储器结构

说明书

技术领域：

本发明属于半导体光电子器件的技术领域，特别是涉及集成光学器件中的介质折射率。

背景技术：

随着光通讯网络技术的迅猛普及，用于光交换与光传输的能耗也越来越大，因此人们对光网络中低能耗器件的需求越来越迫切。由光开关组成的光交换系统是光网络中的关键部分。它为光信号提供了从某一个入口传输到某一个出口的光链路。在一个光链路建立以后和改变之前的这段时间里，光链路状态没有改变，但控制每个光开关的电压(或电流)必须一直工作着，才能保持这一个光链路的畅通。如果我们能够让每个光开关具有对电信号的存储功能-即记忆性，那么在光链路从建立后到改变前的这段时间里，可以把加在所有光开关上的电压(或电流)都关掉，光链路的状态由于每个光开关的记忆性而保持不变，从而可以节省大量的能源。对于目前的光开关来说，最主要的是马赫贞德型干涉结构。它是通过外加能量控制两个干涉臂的折射率，改变两臂的相位差，来实现开关功能的。如果我们能使光介质的折射率具有记忆性，则光开关就具有了记忆性，为节省能源开辟一条新路。本发明正是为了实现这一目标而建立起来的。

目前集成光学器件里，主要的材料是半导体及其兼容材料，Si和SiO₂是其中最常用的。而无论Si、SiO₂还是其他半导体及其兼容材料，本身都不具有折射率的可记忆性。但我们知道：一方面半导体光波导的折射率是可以被载流子(电荷)来改变的；另一方面应用浮栅技术，可以让浮栅上带有电荷。因此如果让浮栅恰好就是半导体光波导，或浮栅与半导体光波导是电相通的，那么就可以使半导体光波导通过浮栅上面的电荷具有了记忆性。

传统的光折射率变化(光折变)是用强光照射在光折变晶体上(如LiNbO3)来实现的。在光-电存储器方面，大多数专利是把光信号转换成电信号并存起来，然后再用电来读所存的电信号，如Intel公司的“电-光纳米晶存储器”，见G.l.Bourianoff，et.al.，“Electro-optical nanocrystal memory device，”United States Patent(US 7121474)2006。

与本发明的结构相近的现有技术是康奈尔大学于2006年发表的一篇光只读存储器论文：C.A.Barrios and M.Lipson，“Silicon Photonic Read-Only Memory，”J.of Lightwave Thechnol.242006 pp2898，论文所设计的结构中，浮栅与光波导是分离的，浮栅中的载流子与光的耦合部分小，效率低；论文所设计的结构中，光波导同时与电极相连，做电极使用，这样浮栅的面积就受波导面积的限制，光波导折射率被调制的作用非常弱。

发明内容：

本发明的目的是提供这样的器件结构：使半导体光波导具有浮栅的电荷存储记忆功能；或者使浮栅具有光波导的导光功能，同时电荷对光波导的折射率有调制作用；或者使半导体光波导与浮栅是电相通的，浮栅中的电荷可以进入到半导体光波导中来，并改变半导体的折射率。

本发明的具体技术方案叙述如下(可参考图1和图2)：

一种非易失性半导体光折变存储器结构，结构由光波导部分100和浮栅部分200构成。所述的光波导部分100，由半导体光波导1、在半导体光波导1上方的上绝缘体介质4和在半导体光波导1下方的下绝缘体介质7组成。所述的浮栅部分200，由制作在上绝缘体介质4内的导电材料的浮栅2、导电材料的控制栅3、导电介质5和成对的电极6组成；其中浮栅2的位置在控制栅3和导电介质5中间，相互之间由上绝缘体介质4隔离；一个电极6与控制栅3接触，另一个电极6与导电介质5接触。浮栅2与半导体光波导1相接触。

整个非易失性半导体光折变存储器结构由两大部分组成，一是光波导部分，如图1、2中的100部分；另一个是浮栅部分，如图1、2中的200部分，可以是金属氧化物半导体(MOS)型浮栅。

半导体光波导1可以有三种形态：条型波导、脊型波导或倒脊型波导。半导体光波导1的材料，可以是Si、Al_xGa_1-xAs、In_xGa_1-xAs_yP_1-y中的一种。