[发明专利]基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法

说明书

一种基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法。光开关由下到上依次为单晶硅衬底、二氧化硅埋层、单晶硅n型掺杂层、绝缘二氧化硅层、单晶硅浮栅层、氧氮氧隔离层、单晶硅p型掺杂层、二氧化硅上包层和金属电极，本发明整体上包含两个串联连接的浮栅电容，浮栅内的载流子浓度可通过电子隧穿效应改变。由于载流子色散效应导致波导有效折射率的改变，从而可实现对光路的调控。切换后的光路可以在电压断掉后还能保持原状态，在光通信和光互连数据交换领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及硅基集成光电子学中的光开关及光交换器件，特别是一种基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法。

背景技术

集成硅基光开关有着低功耗、响应迅速、易于集成和CMOS工艺兼容等优势，在大数据和云计算飞速发展的背景下，在光通信的数据路由和交换领域，拥有极大的应用前景，为解决传统电信号的带宽限制，实现下一代高速全光交换网络提供了可能。

集成光开关的实现方式有多种，加州大学伯克利分校研究出基于微机电系统(MEMS)的光学开关获得了很低的光信号损耗和驱动电功耗，但是在响应速度、所需驱动电压幅值和稳定性方面均逊色于基于载流子色散效应的硅基光开关。硅基光开关技术有着很多优点，如功耗低、响应迅速、易于集成、成本低等。在单元结构方面，硅基光开关主要使用的是微环谐振器(MRR)和马赫增德尔干涉仪(MZI)两种基本结构。在微环谐振器中，利用微环的谐振特性来控制光路的通断；马赫增德尔干涉仪中，利用干涉仪双臂的相位差来实现不同光路切换。现有的光开关技术大多基于这两种基本结构或其组合形式，或是由这两种基本结构组合构成的开关阵列。

在现代计算机中，存储设备与中央处理器间的数据传输速度与处理器处理数据速度的不匹配问题，即计算机的“冯诺依曼瓶颈”，限制了其进一步发展。而集成光互连技术的发展使芯片级的光信息交换突飞猛进，为解决“冯诺依曼瓶颈”带来了潜在可能。然而，现有的硅基光开关技术都需要一定的静态功耗以维持开关状态，这限制了光开关在追求高效率和低能耗的光互连中的应用。

发明内容

本发明是基于现有的光子学理论和集成光开关技术，针对传统光开关必需静态功耗以维持开关状态的问题，提供一种基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法。该光开关整体上包含两个串联连接的浮栅电容，浮栅内的载流子浓度可通过电子隧穿效应改变。由于载流子色散效应导致波导有效折射率的改变，从而可实现对光路的调控。切换后的光路可以在电压断掉后还能保持原状态，在集成光交换领域具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于浮栅充放电的状态非易失的光开关，其特点在于，由下到上依次为单晶硅衬底、二氧化硅埋层、单晶硅n型掺杂层、二氧化硅层隔离层、单晶硅浮栅层、氧氮氧隔离层、单晶硅p型掺杂层、二氧化硅上包层和金属电极，光开关构成主要包括：

上层，即所述的单晶硅p型掺杂层，中央为重掺杂，两侧为轻掺杂，所述的p型重掺杂中央与中央电极相连；

下层，即所述的单晶硅n型掺杂层，分为左右不相连的两部分，且每一部分的两端为重掺杂，靠近中间的部分为轻掺杂，两端的n型重掺杂区域分别与左电极、右电极相连；

中间层，即位于上层p型轻掺杂和下层n型轻掺杂的交叠区域之间的中间层自上而下依次是氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层，所述的二氧化硅隔离层与所述的下层隔离，所述的氧氮氧隔离层与所述的上层隔离，以防止电子隧穿进入上层，所述的上层、中间层和下层的材料均为单晶硅，交叠区域构成两个并行的光波导，以保证光信号传输的低损耗。

所述的氧氮氧隔离层由二氧化硅-氮化硅-二氧化硅层构成。