CN105372849B - 一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光开关技术领域，具体的说涉及一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关及其制造方法。本发明的主要方案为，本发明的光开关包括硅基波导、非晶硅层、银电极和金属电极；所述硅基波导为中部具有脊形凸起结构的平板硅基波导，所述非晶硅层位于硅基波导中部脊形凸起结构的上表面；所述银电极位于非晶硅层的上表面；所述金属电极位于硅基波导中部脊形凸起结构一侧的硅基波导平面部分上表面。本发明的有益效果为，本发明具有尺寸小的优点，同时还具备较强的稳定性，受温度和电压的波动影响小，并且还具有良好的抗辐照特性。

Description

一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关及其制造方法
技术领域
本发明属于光开关技术领域，具体的说涉及一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关及其制造方法。
背景技术
光开关作为大容量光通信的枢纽，是光通讯系统的重要组成部分，在民用和军用方面均得到了广泛的应用。其中，硅基波导光开关在制备工艺上与传统微电子工艺兼容，具有成本低、易于大规模集成等特点，因而在片上光互连、多核众核间互连等短距离大容量信息互连上拥有明显的优势。目前，常见的硅基波导光开关有M-Z干涉型、热光型、谐振型等。但是，此类光开关尺寸较大，并且需要持续供给能量以维持开关状态，难以满足光电器件小尺寸、高密度、低功耗等发展需求。
发明内容
本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种利用非晶硅的忆阻效应，实现具有小尺寸特性以及自持性且易于集成的硅基波导光开关。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，如图1所示，其特征在于，包括硅基波导1、非晶硅层2、银电极3和金属电极4；所述硅基波导1为中部具有脊形凸起结构的平板硅基波导，所述非晶硅层2位于硅基波导1中部脊形凸起结构的上表面；所述银电极3位于非晶硅层2的上表面；所述金属电极4位于硅基波导1中部脊形凸起结构一侧的硅基波导平面部分上表面。
本发明总的技术方案，主要为将非晶硅忆阻效应与传统硅基波导进行结合而形成的一种新型光开关。得益于新的器件结构与工作原理，本发明所述的波导光开关在小型化和集成化方面具有明显优势。由于非晶硅材料热稳定性较好，且银离子进出非晶硅层存在阈值电压，因而温度和电压的波动对本光开关影响不大。此外，由于非晶硅具有良好的抗辐照特性，因而本波导光开关在航天领域具有应用前景。本发明中所述的脊形凸起，是指沿器件纵向方向，凸起结构从器件一端到另一端贯穿整个器件。
进一步的，所述非晶硅层2为氮掺杂非晶硅薄膜。
上述方案中，氮掺非晶硅薄膜，可由等离子增强化学气相沉积或磁控溅射等工艺制备获得，薄膜厚度与光开关的阈值电压相关，厚度越厚，阈值电压越高；薄膜折射率与光开关的插入损耗相关，折射率越低，插入损耗越小。
进一步的，所述非晶硅层2的厚度为50～200nm，折射率为1.8～3.3。
进一步的，所述银电极3的厚度为50～100nm。
进一步的，所述金属电极采用的金属为能与硅形成欧姆接触的金属。
一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备中部具有脊形凸起结构的硅基波导1；
第二步：采用光刻和等离子增强化学气相沉积方法，在硅基波导1中部的凸起结构上表面形成非晶硅层2；
第三步：采用光刻和溅射方法，在非晶硅层2上表面形成银电极3；
第四步：采用光刻和溅射方法，在硅基波导1中部脊形凸起结构一侧的硅基波导平面部分上表面形成金属电极4。
进一步的，所述硅基波导1的高度为600nm，硅基波导1中部脊形凸起结构的高度为400nm，硅基波导1中部脊形凸起结构的宽度为600nm；硅基波导1的长度及硅基波导1中部脊形凸起结构的长度均为18μm。
进一步的，所述非晶硅层2的厚度为200nm、折射率为2.4。
进一步的，所述银电极3的厚度为100nm。
进一步的，所述金属电极4为铝电极，所述铝电极的厚度为50nm。
本发明的有益效果为，本发明具有尺寸小的优点，同时还具备较强的稳定性，受温度和电压的波动影响小，并且还具有良好的抗辐照特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，如图1所示，包括硅基波导1、非晶硅层2、银电极3和金属电极4；所述硅基波导1为中部具有脊形凸起结构的平板硅基波导，所述非晶硅层2位于硅基波导1中部脊形凸起结构的上表面；所述银电极3位于非晶硅层2的上表面；所述金属电极4位于硅基波导1中部脊形凸起结构一侧的硅基波导平面部分上表面。
本发明的工作原理为：
当在银电极上施加正向阈值电压时，银离子在电场作用下进入非晶硅层，使非晶硅层折射率n和消光系数k不同程度得到升高，波导中的光场能量被耦合进入非晶硅层并被其吸收，此时光开关处于关闭状态，即使撤去电压，关闭状态保持不变；当在银电极上施加反向阈值电压时，非晶硅层中的银离子在电场作用下回到银电极，使非晶硅层折射率n和消光系数k回复到原始状态，波导中的光场能量被约束在波导内，此时光开关处于开启状态，即使撤去电压，开启状态保持不变。本发明所述波导光开关不需要持续供给能量即可维持开、关状态，具有自持性。
本发明还提出了一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，下面以制备插入损耗为1.9dB，消光比为53.3dB的基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关为例，详细描述本发明的制造流程。
实施例
本例包括以下制造步骤：
步骤1：在硅基波导1表面上旋涂一层反转型光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化。
步骤2：使用等离子增强化学气相沉积方法，在已涂胶并图形化的硅基波导表面，沉积厚度为200nm、折射率为2.4的掺氮非晶硅薄膜。
步骤3：使用丙酮溶液剥离光刻胶，获得指定图形的掺氮非晶硅层2。
步骤4：在已沉积掺氮非晶硅层2的硅基波导表面上旋涂一层反转型光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化。
步骤5：使用溅射方法，在已涂胶并图形化的硅基波导表面，沉积厚度为100nm的银电极薄膜。
步骤6：使用丙酮溶液剥离光刻胶，获得指定图形的银电极3。
步骤7：在已沉积银电极3的硅基波导表面上旋涂一层反转型光刻胶，并利用掩膜图形对光刻胶图形化。
步骤8：使用溅射方法，在已涂胶并图形化的硅基波导表面沉积厚度为50nm的铝电极薄膜。
步骤9：使用丙酮溶液剥离光刻胶，获得指定图形的铝电极4。
其中，硅基波导尺寸：w＝600nm，h＝400nm，H＝600nm。非晶硅层2与银电极3长度L＝18μm。

Claims (10)

1.一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，其特征在于，包括硅基波导(1)、非晶硅层(2)、银电极(3)和金属电极(4)；所述硅基波导(1)为中部具有脊形凸起结构的平板硅基波导，所述的脊形凸起结构，是指沿器件纵向方向，凸起结构从器件一端到另一端贯穿整个器件，所述纵向方向为同时垂直于水平方向和垂直方向的第三维度方向，所述非晶硅层(2)位于硅基波导(1)中部脊形凸起结构的上表面；所述银电极(3)位于非晶硅层(2)的上表面；所述金属电极(4)位于硅基波导(1)中部脊形凸起结构一侧的硅基波导平面部分上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，其特征在于，所述非晶硅层(2)为氮掺杂非晶硅薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，其特征在于，所述非晶硅层(2)的厚度为50～200nm，折射率为1.8～3.3。
4.根据权利要求3所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，其特征在于，所述银电极(3)的厚度为50～100nm。
5.根据权利要求4所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关，其特征在于，所述金属电极采用的金属为能与硅形成欧姆接触的金属。
6.一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备中部具有脊形凸起结构的硅基波导(1)，所述的脊形凸起结构，是指沿器件纵向方向，凸起结构从器件一端到另一端贯穿整个器件，所述纵向方向为同时垂直于水平方向和垂直方向的第三维度方向；
第二步：采用光刻和等离子增强化学气相沉积方法，在硅基波导(1)中部的脊形凸起结构上表面形成非晶硅层(2)；所述非晶硅层(2)位于硅基波导(1)中部脊形凸起结构的上表面；
第三步：采用光刻和溅射方法，在非晶硅层(2)上表面形成银电极(3)；所述银电极(3)位于非晶硅层(2)的上表面；
第四步：采用光刻和溅射方法，在硅基波导(1)中部脊形凸起结构一侧的硅基波导平面部分上表面形成金属电极(4)。
7.根据权利要求6所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，其特征在于，所述硅基波导(1)的高度为600nm，硅基波导(1)中部脊形凸起结构的高度为400nm，硅基波导(1)中部脊形凸起结构的宽度为600nm；硅基波导(1)的长度及硅基波导(1)中部脊形凸起结构的长度均为18μm。
8.根据权利要求7所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，其特征在于，所述非晶硅层(2)的厚度为200nm、折射率为2.4。
9.根据权利要求8所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，其特征在于，所述银电极(3)的厚度为100nm。
10.根据权利要求9所述的一种基于非晶硅忆阻效应的硅基波导光开关的制造方法，其特征在于，所述金属电极(4)为铝电极，所述铝电极的厚度为50nm。
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