CN101882623A - 非易失性半导体光折变存储器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体光电子器件的技术领域。结构有光波导部分(100)，由半导体光波导(1)、上绝缘体介质(4)和下绝缘体介质(7)组成；浮栅部分(200)，由浮栅(2)、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；浮栅(2)与半导体光波导(1)相接触。本发明的结构使半导体光波导具有浮栅的电荷存储记忆功能；同时电荷对光波导的折射率有调制作用。应用于光开关，只是在光开关状态改变时，才需要外加脉冲能量来控制，将节省大量的能源。应用于光子微腔中，使得微腔中的谐振状态具有可记忆性。
Description
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、AlxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y中的一种。
本发明的浮栅部分200可以有两个，其中的两个浮栅2分别与半导体光波导1相接触，两个浮栅2也可以是相互连通的；两个导电介质5分别制作在各自的浮栅部分200内或是相互连通的。也可以叙述为：MOS型浮栅部分200可以有两个，每个均由导电材料的浮栅2、导电材料的控制栅3、导电介质5和成对的电极6组成(见图3)。两个MOS型浮栅部分200中的导电介质5可以是分开的，即，每个导电介质5在各自的浮栅部分200内不与外界相通(见图1、3)；两个MOS型浮栅部分200中的导电介质5也可以是与外界相通连接在一起，从光波导部分100的下面穿过(见图2)。
本发明的导电材料(即浮栅2、控制栅3)和导电介质5，是N型半导体、P型半导体或金属材料中的一种；本发明的上绝缘体介质4和下绝缘体介质7，是SiO2、SiC、高阻半导体或聚合物绝缘材料中的一种；本发明的电极6，是Al、Cu、Au、Ag材料中的一种
本发明的工作原理是：当电压信号加在金属电极6上时，等同于把电压加在控制栅3和导电介质5上，电荷由于量子遂穿效应，由导电介质5，穿过上绝缘介质4到达浮栅2。浮栅2上的电荷由于扩散作用和静电排斥作用，到达光波导1。光波导1的折射率会因为电荷的存在而改变，并且在电压信号回复到零的时候，由于光波导1与浮栅2组成的组合体被绝缘介质包围着，电荷仍然保留，光波导的折射率保持不变，从而光波导的折射率具有了记忆性。当需要把这种记忆信号清除的时候，只需在电极上加相反的电压信号，这样，相反的电荷重复上面的过程，与光波导介质1内的电荷相抵消，光波导的折射率回到初始状态。
与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相比较，本发明中的光折射率变化是由载流子在半导体材料中的积累所导致的，载流子是由量子遂穿效应产生的，不是由光来产生的。
与Intel公司的“电-光纳米晶存储器”相比较，本发明是把电信号存起来，用光来读。
与康奈尔大学于2006年公开的光只读存储器相比较，本发明的浮栅与光波导是电连通的一个整体，浮栅中的载流子可以进入光波导中，与光完全耦合，效率高；本发明的浮栅与光波导组成的组合体被绝缘介质包围，不与外电极相通，波导也不作为一个电极，浮栅的面积可以很大，可以提供更多的载流子。从而使半导体光波导具有浮栅的电荷存储记忆功能；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。
本发明的有益效果还在于节能方面：以往电控光开关，为了维持光开关的状态(开或关)，电压或电流必须一直施加在光开关上，也就是说，开关状态没有改变，但能量却必须一直消耗着，这无疑是一种浪费。把本发明所提供的非易失性半导体光折变存储器结构应用于光开关，只是在光开关状态改变的情况下，才需要外加能量来控制，而且只是脉冲能量就可以；在光开关状态不变的情况下，不再需要外加能量的支持，这将节省大量的能源。还可以将本发明应用于光子微腔中，如光子微环、光子微盘、光子法布里-珀罗腔、光子晶体微腔，使得微腔中的谐振状态具有可记忆性。这些器件可以应用于矩阵开关阵列、光上下话路(OADM)，可调谐滤波器等诸多方面，具有十分广阔的应用前景。
附图说明：
图1是本发明的一种总体结构示意图(两导电介质5在各自的浮栅部分内)。
图2是本发明的另一种总体结构示意图(两导电介质5相互连通)。
图3是本发明的具体结构示意图。
图4是本发明实施例的光波导部分100的结构(条型波导、两浮栅2相通)示意图。
图5是本发明实施例的光波导部分100的结构(脊型波导、两浮栅2相通)示意图。
图6是本发明实施例的光波导部分100的结构(倒脊型波导、两浮栅2不相通)示意图。
图7是本发明实施例的光波导部分100的结构(脊型波导、两浮栅2不相通)示意图。
图8是本发明实施例的浮栅部分200的结构(两导电介质5不连通)示意图。
图9是本发明实施例的浮栅部分200的结构(两导电介质5相互连通)示意图。
具体实施方式：
结合附图说明本发明的非易失性半导体光折变存储器结构的具体结构。
实施例1 本发明的总体结构
图1、2、3从不同的角度分别给出本发明的总体结构。图中，100为光波导部分，200为浮栅部分，1为半导体光波导，2为浮栅，3为控制栅，4为上绝缘体介质，5为导电介质，6为电极，7为下绝缘体介质。
本发明的非易失性半导体光折变存储器结构由光波导部分100和浮栅部分200构成。在图1、2、3所示的结构中，浮栅部分200有两个。其中，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；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。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。成对的电极6分别与控制栅3和导电介质5接触；浮栅2与半导体光波导1直接接触。
图1和图2相比较，图1中两个浮栅部分200中的导电介质5在各自的浮栅部分200内，图2中两个浮栅部分200中的导电介质5是在外界连接在一起，从光波导部分100的下面穿过。
图3则给出图1结构的更具体的结构剖面示意图。其中两个导电介质5是断开的，各自在浮栅部分200内。
实施例2 光波导部分100的不同结构
图4、5、6、7分别给出不同结构的光波导部分100。
图4所示，半导体光波导1是条型波导，浮栅2与半导体光波导1直接接触，两个浮栅部分中的浮栅2是连接在一起的。上绝缘体介质4和下绝缘体介质7将半导体光波导1和浮栅2与其他部件电隔离。
图5所示，半导体光波导1是脊型波导，浮栅2在半导体光波导1的脊上与半导体光波导1直接接触，其余的同图4。
图6所示，半导体光波导1是倒脊型波导，浮栅2在半导体光波导1的宽底部与半导体光波导1直接接触，并且两个浮栅部分中的浮栅2是分别与半导体光波导1相接触的。上绝缘体介质4和下绝缘体介质7将半导体光波导1和浮栅2与其他部件电隔离。
图7所示，半导体光波导1是脊型波导，浮栅2分别在半导体光波导1的侧沿与半导体光波导1接触，即，两个浮栅部分中的浮栅2不是连接在一起的。其余的同图4。
光波导部分100中的半导体光波导1与浮栅2直接接触的方式还可以有多种，只要半导体光波导1与浮栅2直接接触均可实现本发明的非易失性和光折变的功能。
实施例3 浮栅部分200的不同结构
图8和图9各画出一个浮栅部分200的结构。各部件的位置是一个电极6接触控制栅3，其下是浮栅2，再下是导电介质5，导电介质5与另一个电极6接触；浮栅2、控制栅3和导电介质5由上绝缘体介质4电隔离。
图8与图9的区别仅在于导电介质5只在自己的浮栅部分200内(如图8所示)和导电介质5伸长到自己的浮栅部分200外(如图9中导电介质5左端所示)，可以与另外一个导电介质5连成一体，并与半导体光波导1电隔离。
实施例4 本发明结构的各部件材料和制作
选择以图3所示的结构为对象，以Si和与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相兼容的材料为基础，以标准CMOS工艺技术为手段作为本发明结构的制作实施例。具体的各介质材料可以选择如下：半导体光波导1：Si；浮栅2：N型多晶硅(poly Si)；控制栅3：重掺杂N+型poly Si；上绝缘介质4：SiO2；导电介质5：重掺杂N+型Si；电极6：Al；下绝缘介质7：SiO2。
从标准的Silicon-on-Insulator(SOI)芯片开始，典型的SOI芯片各层的厚度为：SiO2的厚度2微米，如图3所示下绝缘介质7的厚度；Si的厚度220nm，如图3所示半导体光波导1和导电介质5的厚度。
首先在SOI表面旋涂光刻胶，开窗口并进行N型杂质(磷元素)掺杂(掺杂浓度～1019/cm3)，掺杂窗口的位置为图3所示的导电介质5的正上方。通过第二次光刻和腐蚀工艺，制作出条形半导体光波导1。表面清洗后沉积SiO2，所沉积的厚度为220nm。然后在如图3所示导电介质5上表面开窗口，刻蚀掉刚沉积的SiO2至导电介质5的表面。再沉积SiO2，厚度小于12nm，典型值为5nm，做浮栅2隔离层。在半导体光波导1正上方开窗口，腐蚀SiO2到半导体光波导1的表面。沉积N型ploy Si 30nm，并刻蚀成条型，如图3浮栅2。清洗表面，沉积200nm的SiO2做浮栅和控制栅的隔离层，然后沉积50nm的重掺杂N+型ploy Si。涂光刻胶开窗口，腐蚀出如图3所示的控制栅3。高温退火，激活掺杂离子，沉积SiO2 500nm。涂光刻胶开窗口，该窗口为导电介质5与电极6的接触孔。涂光刻胶开窗口，该窗口为控制栅3与电极6的接触孔。腐蚀SiO2到控制栅3表面。沉积750nm的Al做电极，光刻腐蚀出外电极，最后是合金。
选用其他材料，也可以参照上述过程制作本发明的结构。其他材料可以是：
光波导介质1是半导体材料，可以是Si、AlxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y，这些材料中的一种。
浮栅2是导电材料，可以是N型半导体、P型半导体、金属，这些材料中的一种。
控制栅3是导电材料，可以是N型半导体、P型半导体、金属，这些材料中的一种。
上绝缘介质4是绝缘材料，可以SiO2、SiC、高阻半导体，聚合物绝缘材料，这些材料中的一种。
导电介质5是导电材料，可以是N型半导体，或是P型半导体，或是金属，这些材料中的一种。
金属电极6是金属材料，可以是Al，Cu，Au，Ag，这些材料中的一种。
下绝缘介质7是绝缘体材料，可以是SiO2、SiC、高阻半导体，这些材料中的一种。
Claims (4)
1.一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，其特征在于：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。
2.如权利要求1所述的非易失性半导体光折变存储器结构，其特征在于，所述的半导体光波导(1)，是条型光波导、脊型光波导或倒脊型光波导；半导体光波导(1)的材料，是Si、AlxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y中的一种。
3.如权利要求1或2所述的非易失性半导体光折变存储器结构，其特征在于，所述的导电材料和导电介质(5)，是N型半导体、P型半导体或金属材料中的一种；所述的上绝缘体介质(4)和下绝缘体介质(7)，是SiO2、SiC、高阻半导体或聚合物绝缘材料中的一种；所述的电极(6)，是Al、Cu、Au、Ag材料中的一种。
4.如权利要求1或2所述的非易失性半导体光折变存储器结构，其特征在于，所述的浮栅部分(200)有两个，其中的两个浮栅(2)与半导体光波导(1)相接触；两个导电介质(5)分别制作在各自的浮栅部分(200)内或是相互连通的。
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