非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元。遂穿層、電荷存儲(chǔ)層、阻擋層和控制柵層依次生長(zhǎng)于光波導(dǎo)上，還包括用于增大光波的傳播常數(shù)調(diào)制范圍的石墨烯層；石墨烯層放置于遂穿層和光波導(dǎo)之間；或放置于遂穿層和電荷存儲(chǔ)層構(gòu)成的電容之間或者電荷存儲(chǔ)層和控制柵層構(gòu)成的電容之間；或代替控制柵層；或代替電荷存儲(chǔ)層。本發(fā)明適用于非揮發(fā)性光學(xué)器件，由于浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)特性和石墨烯材料的超強(qiáng)電光效應(yīng)，施加較小電壓就可較大改變光學(xué)器件內(nèi)傳輸模式的有效折射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的非揮發(fā)調(diào)控；用于集成光學(xué)，不需要長(zhǎng)期對(duì)光學(xué)器件供電就可使其保持工作狀態(tài)而減小功耗；可采用普通SOI硅片，具有良好CMOS工藝兼容性，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。
【專利說明】非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)電子領(lǐng)域的一種光學(xué)單元，特別涉及一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單 J Li 〇

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息的傳輸和處理速度越來越快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度越來越大，普通的電子傳輸 由于其固有特性帶來的局限而使其在速度、容量、空間相容性上的發(fā)展受到了限制。而光子 具有超快、相干性強(qiáng)、可載信息量大等獨(dú)特的性質(zhì)，在許多方面彌補(bǔ)了電子傳輸?shù)牟蛔?，?于光波的光信息傳輸、光通信技術(shù)發(fā)展已經(jīng)證明了光的優(yōu)越性。低能耗的需求隨著對(duì)更大 數(shù)據(jù)吞吐量需求的增長(zhǎng)而加劇。在光學(xué)信息傳輸過程中要持續(xù)加電壓才可以維持光學(xué)傳輸 狀態(tài)，增加了光信息傳輸系統(tǒng)中的能量損耗問題。
[0003] 在電學(xué)方面，非揮發(fā)性的存儲(chǔ)單元已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，非揮發(fā)性存儲(chǔ)單元器，在 隔斷電壓后，內(nèi)部在通電時(shí)維持的光學(xué)性質(zhì)仍舊繼續(xù)保存。
[0004] 近年來，由于石墨烯具有良好的電學(xué)、光學(xué)特性得到業(yè)界越來越多的關(guān)注。由于石 墨烯的電光特性，即在不同的外加電壓下具有不同的光學(xué)電導(dǎo)率，對(duì)于光波導(dǎo)中傳輸?shù)哪?式有不同的作用；而且，在外部施加較小的電壓，就可以引起石墨烯材料較大的光學(xué)電導(dǎo)率 變化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，即光學(xué)信號(hào)保持單元，借 助浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)特性和石墨烯材料的超強(qiáng)電光效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的非易失 性調(diào)控。并在斷電的情況下，還可以維持原來的光學(xué)性質(zhì)，若將其應(yīng)用于光學(xué)信息交換系統(tǒng) 中，必將大大減小光信息傳輸過程中的能耗，符合綠色節(jié)能。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：遂穿層、電荷存儲(chǔ)層、阻擋層和控制柵層依次生長(zhǎng)于 光波導(dǎo)上，還包括用于增大傳輸模式的有效折射率調(diào)制范圍的石墨烯層。
[0007] 所述的石墨烯層放置于遂穿層和光波導(dǎo)之間，作為導(dǎo)電溝道。
[0008] 所述的石墨烯層放置于遂穿層和電荷存儲(chǔ)層構(gòu)成的電容之間或者電荷存儲(chǔ)層和 控制柵層構(gòu)成的電容之間。
[0009] 所述的石墨烯層代替控制柵層。
[0010] 所述的石墨烯層代替電荷存儲(chǔ)層。
[0011] 所述的光學(xué)記憶單元應(yīng)用于光開關(guān)、微環(huán)、Y分支器、Mach-Zehder干涉器或耦合 器。
[0012] 本發(fā)明具有的有益的效果和特點(diǎn)是： 本發(fā)明由于浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)存儲(chǔ)特性和石墨烯材料的超強(qiáng)電光效應(yīng)，從而可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)光波的非揮發(fā)調(diào)控。相較于一般的光學(xué)單元，本發(fā)明可對(duì)光波可實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性的調(diào)控。
[0013] 可將本發(fā)明應(yīng)用于集成光學(xué)中，由于該光學(xué)記憶單元具有非易失性的特點(diǎn)，所以 可以不需要長(zhǎng)期對(duì)其供電使其維持工作狀態(tài)，這必定會(huì)大大減小功耗。而且，可以采用最普 通的SOI硅波導(dǎo)，具有良好的CMOS工藝兼容性，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是傳統(tǒng)的基于M0SFET的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明應(yīng)用的1X2非易失性干涉型光開關(guān)的實(shí)例圖。
[0016] 圖3是實(shí)施例石墨烯層放置于光波導(dǎo)和電荷存儲(chǔ)層之間的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖4是實(shí)施例石墨烯層放置于電荷存儲(chǔ)層和控制柵層之間的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖5是實(shí)施例采用石墨烯層作為電荷存儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖6是實(shí)施例采用石墨烯層作為控制柵層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖7是實(shí)施例采用石墨烯層作為類似M0SFET溝道的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中：1、控制柵層，2、阻擋層，3、電荷存儲(chǔ)層，4、遂穿層，5、光波導(dǎo)，6、背柵電極，7、 源極，8、漏極，9、石墨烯層，10、導(dǎo)電溝道，11、襯底。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023] 如圖3所示，本發(fā)明包括：遂穿層4、電荷存儲(chǔ)層3、阻擋層2和控制柵層1依次生 長(zhǎng)于光波導(dǎo)5上，還包括用于增大光波的傳播常數(shù)調(diào)制范圍的石墨烯層9,用以增大光學(xué)調(diào) 制效應(yīng)。其中，石墨烯材料的相對(duì)介電常數(shù)與其光學(xué)電導(dǎo)率有關(guān)，而石墨烯層的光學(xué)電導(dǎo)率 隨外加電壓的改變而變化，所以，在不同的外加電壓下，其相對(duì)介電常數(shù)不同。
[0024] 優(yōu)選的石墨烯層9放置于遂穿層4和光波導(dǎo)5之間，作為導(dǎo)電溝道。在石墨烯層 9的一側(cè)加正電壓，另一側(cè)接地，在控制柵層1加一正向預(yù)偏置電壓，溝道開啟。然后在控 制柵層1上再加一個(gè)瞬時(shí)脈沖，導(dǎo)電溝道內(nèi)的電子由于該瞬時(shí)脈沖的作用，通過遂穿層4遂 穿并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層3,溝道內(nèi)的電荷濃度發(fā)生變化，即石墨烯層9的光學(xué)電導(dǎo)率發(fā)生變 化，改變了其相對(duì)介電常數(shù)，從而改變了光波導(dǎo)的有效折射率。
[0025] 優(yōu)選的石墨烯層9放置于遂穿層4和電荷存儲(chǔ)層3構(gòu)成的電容之間或者電荷存儲(chǔ) 層3和控制柵層1構(gòu)成的電容之間。當(dāng)石墨烯層9位于電荷存儲(chǔ)層3和控制柵層1構(gòu)成的 電容之間，石墨烯層9可嵌入阻擋層2任意位置。當(dāng)在控制柵層1加正向或反向電壓時(shí)，電 荷通過遂穿層4遂穿并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層3中，使控制柵層1和電荷存儲(chǔ)層3形成的電容， 或電荷存儲(chǔ)層3和光波導(dǎo)5形成的電容之間的電荷濃度發(fā)生改變，電容兩側(cè)的電勢(shì)差發(fā)生 變化，改變了放置于電容之間的石墨烯層9的相對(duì)介電常數(shù)，從而改變了光波導(dǎo)的有效折 射率。
[0026] 優(yōu)選的石墨烯層9代替控制柵層1。當(dāng)在控制柵層1加電壓，電荷會(huì)通過遂穿層3 遂穿并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層3,改變了電荷存儲(chǔ)層3的電荷濃度，即改變了由控制柵層1和電 荷存儲(chǔ)層3形成的電容內(nèi)的電荷濃度，電容層兩側(cè)的電勢(shì)差改變，使石墨烯層9的相對(duì)介電 常數(shù)發(fā)生變化，從而改變了光波導(dǎo)的有效折射率。
[0027] 優(yōu)選的石墨烯層9代替電荷存儲(chǔ)層3。當(dāng)在控制柵層1加電壓，電荷會(huì)通過遂穿層 4遂穿并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層3,改變了電荷存儲(chǔ)層3的電荷濃度，即石墨烯層9的光學(xué)電導(dǎo) 率發(fā)生變化，改變了石墨烯層9的相對(duì)介電常數(shù)，從而改變了光波導(dǎo)的有效折射率光波導(dǎo) 的有效折射率。
[0028] 本發(fā)明的光學(xué)記憶單元應(yīng)用于所有揮發(fā)性的光學(xué)器件，例如光開關(guān)、耦合器、微環(huán) 等光學(xué)器件，非揮發(fā)性即非易失性。
[0029] 圖1顯示的是傳統(tǒng)的基于M0SFET的電學(xué)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，襯底11，背柵電極 6 ;柵堆棧，包括：遂穿層4、電荷存儲(chǔ)層3、阻擋層2和控制柵層1，依次生長(zhǎng)于襯底11上，遂 穿層4、阻擋層2均通過氧化物實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器還包括源極7、漏極8。
[0030] 其工作原理為：背柵電極6接地，通過在源極7、漏極8、控制柵層1加電壓，當(dāng)外加 柵壓大于其閾值電壓時(shí)，在襯底11表面形成導(dǎo)電溝道10,電子從溝道向電荷存儲(chǔ)層注入， 或加負(fù)柵壓時(shí)，電子回落到襯底11，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的編程和擦除，即實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)邏輯"1"和 "〇"，電荷存儲(chǔ)層中存儲(chǔ)的電荷由于周邊絕緣層的保護(hù)不易丟失，即具有非揮發(fā)性。
[0031] 本發(fā)明基于圖1中的傳統(tǒng)的非揮發(fā)性電學(xué)結(jié)構(gòu)，將石墨烯材料引入該結(jié)構(gòu)。當(dāng)在 本發(fā)明外加正向或反向電壓，電子或空穴會(huì)從導(dǎo)電溝道10遂穿進(jìn)入并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層3 中，而且斷電后還能繼續(xù)保持原來的狀態(tài)。由于電荷存儲(chǔ)層內(nèi)電荷濃度的變化會(huì)影響光波 導(dǎo)的有效折射率，將該非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元與光學(xué)器件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的非 揮發(fā)性調(diào)控。
[0032] 由于簡(jiǎn)單的遂穿并存儲(chǔ)到電荷存儲(chǔ)層的電荷改變量對(duì)光學(xué)器件的光學(xué)性質(zhì)影響 較小，所以本發(fā)明采用石墨烯的超強(qiáng)電光效應(yīng)來增強(qiáng)電荷改變量對(duì)光波導(dǎo)的有效折射率 的影響，采用上述的結(jié)構(gòu)用以增強(qiáng)電荷存儲(chǔ)層3中電荷的改變量對(duì)光學(xué)器件的光學(xué)性質(zhì)影 響。同時(shí)，由于控制柵層1 一般為金屬材料，形成M-0-S金屬-氧化物-娃結(jié)構(gòu)，即該光學(xué) 器件可支持等離子波的傳輸，而等離子波相較于一般的光波對(duì)環(huán)境的變化更為敏感，所以 可研究基于表面等離子波的非揮發(fā)光學(xué)器件的特性。
[0033] 可以將本發(fā)明與Y分支器、Mach-Zehder干涉器、微環(huán)等光學(xué)器件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì) 光波的非揮發(fā)性調(diào)控。例如，圖2,將本發(fā)明置入Mach-Zehder干涉型光開關(guān)的一控制臂（圖 中虛線部分)，入射光經(jīng)過3dB耦合器后，均分為2束，經(jīng)過控制臂調(diào)制后，不同的相位組合 對(duì)應(yīng)著不同的端口輸出；如果不加電壓，控制臂不工作，輸入光波從輸出A端口輸出；如果 在控制臂上加合適(一定幅度和脈寬)的脈沖電壓，就可將光切換到輸出B端口輸出，實(shí)現(xiàn)光 切換，而此時(shí)無需加持續(xù)的電壓來維持該狀態(tài)，因此可大大降低器件的功耗，實(shí)現(xiàn)該光器件 的非揮發(fā)性調(diào)制。
[0034] 本發(fā)明的實(shí)施例如下： 實(shí)施例1 : 如圖3所示，本發(fā)明包括控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲(chǔ)層3、遂穿層4、光波導(dǎo)5、背柵 電極6、石墨烯層9 ;本發(fā)明基于石墨烯材料是電可調(diào)的，控制柵極層1、阻擋層2、電荷存儲(chǔ) 層3形成一個(gè)平板電容，由于形成的電容中電荷的存儲(chǔ)量改變，石墨烯層的光學(xué)電導(dǎo)率會(huì) 發(fā)生變化，使光波導(dǎo)的有效折射率發(fā)生改變，而且存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)層中的電荷在斷電的情 況下，仍能保持電荷的存儲(chǔ)狀態(tài)，所以，如圖3,將石墨烯層9放置于控制柵層1和電荷存儲(chǔ) 層3之間，可以實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性的光學(xué)器件的控制，從而可以優(yōu)化非揮發(fā)性的光學(xué)器件的性 能。
[0035] 實(shí)施例2 : 如圖4所示，本發(fā)明包括控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲(chǔ)層3、遂穿層4、光波導(dǎo)5、背柵 電極6、石墨烯層9 ;本發(fā)明基于石墨烯材料是電可調(diào)的，電荷存儲(chǔ)層3、遂穿層4、光波導(dǎo)5 形成一個(gè)平板電容，由于形成的電容中電荷的存儲(chǔ)量改變，石墨烯層的光學(xué)電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生 變化，使光波導(dǎo)的有效折射率發(fā)生改變，而且存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)層中的電荷在斷電的情況下， 仍能保持電荷的存儲(chǔ)狀態(tài)，所以，如圖4,將石墨烯層9放置于電荷存儲(chǔ)層3和光波導(dǎo)5之 間，可以實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性的光學(xué)器件的控制，從而可以優(yōu)化非揮發(fā)（易失）性的光學(xué)器件的性 能。
[0036] 實(shí)施例4 : 如圖5所示，本發(fā)明包括控制柵層1、電荷存儲(chǔ)層3、遂穿層4、光波導(dǎo)5、背柵電極6、石 墨烯層；將石墨烯層9作為電荷存儲(chǔ)層，由于石墨烯具有較大的態(tài)密度，可增大電荷的存儲(chǔ) 量；而且采用石墨烯材料作為電荷存儲(chǔ)層，其內(nèi)的電荷濃度改變會(huì)使其光學(xué)電導(dǎo)率發(fā)生變 化，使光波導(dǎo)的有效折射率發(fā)生改變，可以以實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件非揮發(fā)(易失）性調(diào)制。
[0037] 實(shí)施例5 : 如圖6所示，本發(fā)明包括阻擋層2、電荷存儲(chǔ)層3、遂穿層4、光波導(dǎo)5、背柵電極6、石墨 烯層9 ;本發(fā)明基于石墨烯材料是電可調(diào)的，控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲(chǔ)層3形成一個(gè) 平板電容，由于形成的電容中電荷的存儲(chǔ)量改變，石墨烯層的光學(xué)電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，使光 波導(dǎo)的有效折射率發(fā)生改變，而且存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)層中的電荷在斷電的情況下，仍能保持 電荷的存儲(chǔ)狀態(tài)；石墨烯有較好的導(dǎo)電特性，和較大的功函數(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電可調(diào)，還可 以防止在擦除電荷時(shí)產(chǎn)生漏電流；石墨烯的質(zhì)量較小，可以有效的減小控制柵層1對(duì)阻擋 層2的機(jī)械應(yīng)力，所以，如圖6，將石墨烯層9代替控制柵層1，可以實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性的光學(xué)器 件的控制，從而可以優(yōu)化非揮發(fā)性的光學(xué)器件的性能。
[0038] 實(shí)施例6 : 如圖7所示，本發(fā)明包括控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲(chǔ)層3、遂穿層4、光波導(dǎo)5、石墨 烯層9 ;將石墨烯層9放置于光波導(dǎo)5之上，遂穿層4之下，其作用類似于圖1中傳統(tǒng)M0SFET 的溝道10 ;在源極和漏極加電壓，形成源漏電流，當(dāng)控制柵層1加電壓時(shí)，石墨烯層9中的 電荷遂穿進(jìn)入并存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層3中，實(shí)現(xiàn)電荷的非揮發(fā)性存儲(chǔ)，而且石墨烯層9中電荷 量的改變會(huì)引起其介電常數(shù)的改變，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的非揮發(fā)性調(diào)制。
[0039] 由仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，將該非揮發(fā)性的光學(xué)信號(hào)保持單元置入Mach-Zehder干涉 型光開關(guān)的一臂，當(dāng)不加電壓時(shí)，該調(diào)制臂的有效折射率為n rffl，加電壓后，該調(diào)制臂的有 效折射率neff2，有效折射率的改變量Λη，即調(diào)制范圍為ΚΓ 3到ΚΓ2,所以要改變?chǔ)邢辔徊睿?調(diào)制臂長(zhǎng)L僅需幾十到幾百微米；而且吸收系數(shù)Λ α的改變量為KTMB/um。
[0040] 所以，將該非揮發(fā)性光學(xué)記憶單兀置入于光學(xué)器件，如Y分支器、Mach-Zehder干 涉器、微環(huán)、耦合器等，可對(duì)光學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性的調(diào)控。
[0041] 上述【具體實(shí)施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，遂穿層（4)、電荷存儲(chǔ)層（3)、阻擋層（2)和控制柵層 (1)依次生長(zhǎng)于光波導(dǎo)（5)上，其特征在于：還包括用于增大傳輸模式的有效折射率調(diào)制范 圍的石墨稀層（9)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，其特征在于：所述的石墨烯 層（9)放置于遂穿層（4)和光波導(dǎo)（5)之間，作為導(dǎo)電溝道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，其特征在于：所述的石墨 烯層（9 )放置于遂穿層（4)和電荷存儲(chǔ)層（3 )構(gòu)成的電容之間或者電荷存儲(chǔ)層（3 )和控制 柵層（1)構(gòu)成的電容之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，其特征在于：所述的石墨烯 層（9)代替控制柵層（1)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，其特征在于：所述的石墨烯 層（9)代替電荷存儲(chǔ)層（3)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非揮發(fā)性的光學(xué)記憶單元，其特征在于：所述的光學(xué)記 憶單元應(yīng)用于光開關(guān)、微環(huán)、Y分支器、Mach-Zehder干涉器或耦合器。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK104062775SQ201410303613
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】李燕, 徐超, 余輝, 楊建義, 江曉清 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)