CN108303811A - 非易失性的光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非易失性的光开关。石墨烯层、遂穿层/绝缘阻挡层自下而上依次生长于衬底上，且遂穿层/绝缘阻挡层包覆在石墨烯层外，遂穿层/绝缘阻挡层上面两端分别有源极和漏极。石墨烯作为电荷存储层，由于浮栅结构的非易失存储特性和石墨烯材料的超强电光效应，实现对光波的非易失性调控；设计图形化的石墨烯层对于特定入射频率的光产生谐振，增强石墨烯与光波的相互作用；采用功函数不同的金属或者导电材料构成的两电极，或与遂穿层/阻挡层接触面积不同的功函数相同的金属或者导电材料构成的两电极，能降低器件的工作电压，提高器件适用范围，降低系统的能耗和散热。本发明应用于光开关、光通信、光网络、光互连以及空间光路由等领域。

Description

非易失性的光开关

技术领域

本发明涉及光开关，特别是涉及一种非易失性的光开关。

背景技术

随着人们对于信息的传输和处理速度的需求越来越大，通信数据的存储量快速增长，传统的电学器件在不断集成化的过程中由于电子传输本身具有的局限性使得其在数据传输速度、数据存储量、抗干扰性等方面的发展上受到了限制。

光子具有超快、相干性强、可载信息量大等独特的性质，在许多方面很好地克服了电子传输的诸多不足，而基于光波的光信息传输、光通信技术的不断发展已经证明了光波作为信息载体的优越性。随着集成程度的提高和通信系统的发展，对于器件乃至整个系统更低能耗的需求也在随着对更大数据吞吐量需求的增长而快速提高。在光学信息传输过程中因为要持续加电压才可以保持器件的工作状态，造成光信息传输系统的能量损耗大和散热等方面的问题。

在电学方面，非易失性的存储单元已经得到广泛的应用，非易失性存储单元，在撤去工作电压后，内部在通电时维持的电学性质仍旧继续保存，可以很好的降低器件的功耗。

近年来，由于石墨烯具有良好的电学、光学特性得到业界越来越多的关注。由于石墨烯的电光特性，即在不同的外加电压下具有不同的光学电导率，改变了石墨烯对于入射光的透射率。而且，在外部施加较小的电压，就可以引起石墨烯材料较大的光学电导率变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非易失性的光开关，借助浮栅结构的非易失性存储特性和石墨烯材料的超强电光效应，完整的石墨烯层或是刻蚀成一定图形化的石墨烯层可以实现对光波的非易失性调控，在断电的情况下，还可以维持原来的光学性质。通过设计使得图形化的石墨烯层对于特定入射频率的光产生谐振，增强石墨烯与光波的相互作用，并减小电荷泄漏的概率。

由功函数不同的金属或者导电材料构成的两端口电极，可以形成不对称的能带结构，使得两端的隧穿概率不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除。或是由与遂穿层/绝缘阻挡层接触面积不同的功函数相同的的金属或者导电材料构成两端口电极，接触面积不同，导致源极和漏极两端口的遂穿电荷浓度不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括衬底、遂穿层/绝缘阻挡层、石墨烯层、条形源极和条形漏极；石墨烯层、遂穿层/绝缘阻挡层自下而上依次生长于衬底上，且遂穿层/绝缘阻挡层(包覆在石墨烯层外，遂穿层/绝缘阻挡层上面两端分别有条形源极和条形漏极，条形源极和条形漏极覆盖在短边整个石墨烯层上。

所述石墨烯层为整片完整的石墨烯层或是图形化的石墨烯层。

所述图形化的石墨烯层为矩形阵列石墨烯层或圆孔阵列石墨烯层。

所述石墨烯层能增强光电效应。

所述条形源极和条形漏极材料相同，为功函数相同的金属或者导电材料，且条形源极面积应小于条形漏极面积。

所述条形源极和条形漏极为不相同的功函数不同的金属或者导电材料，且条形源极面积与条形漏极面积相同或不相同。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用石墨烯作为浮栅层，由于浮栅结构的非易失存储特性和石墨烯材料的超强电光效应，可以实现对光波的非易失性调控。相较于一般的光学单元，本发明可对光波实现非易失性的调控。

本发明采用石墨烯作为浮栅层，还可以通过设计使得图形化的石墨烯层对于特定入射频率的光产生谐振，增强石墨烯与光波的相互作用，从而提高器件对于所设计的特定波段的透射率。而且图形化的石墨烯层还可以减少自身的缺陷以及工艺流程中造成的损伤，进一步降低电荷泄漏的几率，提高器件的可靠性。

本发明所采用的两端口电极，是由功函数不同的金属或者导电材料构成的两端口电极，可以形成不对称的能带结构，使得两端的隧穿概率不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除；或是由与遂穿层/绝缘阻挡层接触面积不同的功函数相同的的金属或者导电材料构成的两端口电极，由于接触面积不同，导致源极和漏极两端口的遂穿电荷浓度不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除；上述设计能够降低器件的工作电压，提高器件的适用波段范围，降低系统的能耗和散热需求。

可将本发明应用于光开关、光通信、光网络、光互连以及空间光路由等领域，由于该光开关具有非易失性的特点，所以不需要长期对其供电使其维持工作状态，这必定会大大减小器件和系统的功耗。而且本发明的结构简单，实现的工艺流程也不复杂，所用到的材料都有可以实现大规模利用，有着潜在的巨大应用前景。

附图说明

图1是传统的基于两端口电极(电极为同种金属或导电材料，结构相同)的非易失性存储器结构的截面示意图。

图2是本发明采用石墨烯层作为浮栅层，采用与遂穿层/绝缘阻挡层接触面积相同的不同功函数的金属或者导电材料作为两端口电极的结构示意图。

图3是本发明采用矩形阵列的图形化石墨烯层作为浮栅层，采用由与遂穿层/绝缘阻挡层接触面积不同的同种金属或者导电材料构成的两端口电极的结构示意图。

图4是本发明采用圆孔阵列的图形化石墨烯层作为浮栅层，采用由与遂穿层/绝缘阻挡层接触面积不同的功函数也不同的金属或者导电材料构成的两端口电极的结构示意图。

图中：1、衬底，2、电荷存储层(浮栅层），3、遂穿层，4、绝缘阻挡层，5、源极，6、漏极，7、石墨烯层，8、遂穿层/绝缘阻挡层，9、条形源极，10、条形漏极，11、矩形阵列石墨烯层，12、圆孔阵列石墨烯层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1显示的是传统的基于两端口电极(电极为同种金属或导电材料，结构相同)的非易失性存储器，电荷存储层(浮栅层）2，遂穿层3，绝缘阻挡层4，两端口金属电极源极5和漏极6，从下至上依次生长于衬底1上，且源极5和漏极6包覆绝缘阻挡层4两侧，在遂穿层3、绝缘阻挡层4均通过氧化物实现。传统非易失性存储器的两端口电极是同种金属或导电材料，结构相同。

其工作原理为：当在漏极6加反向电压后，漏极6的电荷会隧穿通过隧穿层3到达电荷存储层(浮栅层）2，此时处于工作状态；当在漏极6加正向电压后，电荷存储层(浮栅层）2中存储的电荷会通过隧穿层3回到漏极6，此时处于不工作的状态。通过在漏极6加反向和正向电压，从而实现对器件的编程和擦除，即实现存储逻辑“1”和“0”，电荷存储层2中存储的的电荷由于周边绝缘层的保护不易丢失，即具有非易失性。

如图2所示，本发明包括：石墨烯层7、遂穿层/绝缘阻挡层(这一层起遂穿和绝缘阻挡作用)8和两端口电极条形源极9与条形漏极10依次生长于衬底1上，且遂穿层/绝缘阻挡层8包覆在石墨烯层7外。采用与遂穿层/绝缘阻挡层8接触面积相同的不同功函数的金属或者导电材料作为两端口电极，使得两端的隧穿概率不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除。其中，石墨烯层7的相对介电常数与其光学电导率有关，而石墨烯层7的光学电导率随电荷存储量的改变而变化，所以，在不同的外加电压下，石墨烯层7中存储的电荷量不同，其相对介电常数也就不同，对入射光的透射率也不同。

本发明基于图1中的传统的非易失性电学结构，将石墨烯材料引入该结构。当在本发明外加正向或反向电压，电子或空穴会从条形漏极10遂穿进入并存储于电荷存储层石墨烯层7中，而且断电后还能继续保持原来的光电性质，即不会改变石墨烯对于入射光的透射率。由于石墨烯层7中存储的电荷浓度的变化会影响自身对入射光的透射率，将该非易失性的光开关与光学器件相结合，可以实现对光波的非易失性调控。

由于简单的遂穿并存储到电荷存储层的电荷改变量对光学器件的光学性质影响较小，所以本发明采用石墨烯的超强电光效应来增强电荷改变量对入射光透射率的影响，采用上述的结构用以增强石墨烯层7中存储电荷的改变量对光电效应的影响。同时，由于条形源极9和条形漏极10一般为金属材料，形成M-O-S金属-氧化物-硅结构，即该光学器件可支持等离子波的传输。等离子波相较于一般的光波对环境的变化更为敏感，所以可研究基于表面等离子波的非易失光学器件的特性，通过设计使得图形化的石墨烯层对于特定入射频率的光产生谐振，增强石墨烯与光波的相互作用。

石墨烯层7放置于遂穿层/绝缘阻挡层8和衬底1之间，作为电荷存储层(浮栅层）2。在两端口中条形漏极10的一侧加负电压，另一侧条形源极9接地，由于石墨烯层7的超强导电能力，条形漏极10和石墨烯层7的电势差与条形源极9和石墨烯层7的电势差基本相同。从条形漏极10隧穿到石墨烯层7的电荷能够很快的扩散并存储于整块石墨烯。石墨烯层7的电荷浓度发生变化，即光学电导率发生变化，改变了其相对介电常数，从而改变了石墨烯层7的有效折射率，改变石墨烯层7对入射光的透射率，此时为编程过程。当加反向电压，即为擦除过程，石墨烯层7中的电荷隧穿出遂穿层/绝缘阻挡层8，从而改变石墨烯层7对入射光的透射率。两端口电极是由不同功函数的金属或导电材料构成的，使得两端的隧穿概率不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除。

如图3所示，本发明包括：矩形阵列石墨烯层11、遂穿层/绝缘阻挡层8和两端口电极条形源极9与条形漏极10依次生长于衬底1上，且遂穿层/绝缘阻挡层8包覆在矩形阵列石墨烯层11外。矩形阵列石墨烯层11是图形化的石墨烯层。通过设计矩形阵列不同的周期，可以使得矩形阵列石墨烯层11对于特定入射频率的光产生谐振，同时能够减小电荷泄漏的概率。周期性排列的长方体为刻蚀后留下的石墨烯层，其他部分的石墨烯被去除干净。长方体的宽度以及长方体的周期间距可以理论上计算并设计出所需要的谐振波段。两端口电极即条形源极9和条形漏极10采用与遂穿层/绝缘阻挡层8接触面积不同的同种金属或者导电材料，使得条形源极9和条形漏极10两端口的遂穿电荷浓度不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除。

本发明基于石墨烯材料是电可调的，在条形漏极10上加正向或是反向电压，可使得电荷通过遂穿层/绝缘阻挡层8从条形漏极10隧穿到矩形阵列石墨烯层11或是由矩形阵列石墨烯层11隧穿回条形漏极10，矩形阵列石墨烯层11中的电荷存储量随外加电压而改变，矩形阵列石墨烯层11的光学电导率会随之发生变化，使其有效折射率随之变化，从而改变其对入射光的透射率。而且存储在矩形阵列石墨烯层11中的电荷在断电(撤去外加电压)的情况下，由于矩形阵列石墨烯层11存储电荷的能力以及矩形阵列石墨烯层11被遂穿层/绝缘阻挡层8和衬底1中的氧化层包围住，电荷不会泄漏，仍能较长时间保持电荷的存储状态。条形源极9和条形漏极10是由功函数不同的不同种金属或导电材料构成的，从而可以保证电荷的顺利写入和擦除。所以，如图3所示，将矩形阵列石墨烯层11放置于遂穿层/绝缘阻挡层8和衬底1之间，可以实现非易失性的光学器件的控制。

如图4所示，本发明包括：圆孔阵列石墨烯层12、遂穿层/绝缘阻挡层8和两端口电极条形源极9与条形漏极10依次生长于衬底1上，且遂穿层/绝缘阻挡层8包覆在圆孔阵列石墨烯层12外。圆孔阵列石墨烯层12是设计为图形化的石墨烯层。将整片的石墨烯层刻蚀成圆孔阵列，即一个个相同大小的圆孔在石墨烯层上等间距分布，这些圆孔是被刻蚀掉的，其他部分是留下来的石墨烯层。可以通过调节圆孔的半径大小以及圆孔间的间距(两个圆心之间的距离)来设计所需的谐振波段大小。两端口电极即条形源极9和条形漏极10采用与遂穿层/绝缘阻挡层8接触面积不同的功函数不同的不同种金属或者导电材料，使得条形源极9和条形漏极10两端口的遂穿电荷浓度不同，隧穿概率也不同，从而保证电荷的顺利写入和擦除。在条形漏极10上加正向或是反向电压，可使得电荷通过遂穿层/绝缘阻挡层8从条形漏极10隧穿到圆孔阵列石墨烯层12或是由圆孔阵列石墨烯层11隧穿回条形漏极10，圆孔阵列石墨烯层11中的电荷存储量随外加电压而改变，圆孔阵列石墨烯层11的光学电导率会随之发生变化，使其有效折射率随之变化，从而改变其对入射光的透射率。

本发明的光开关可应用于光通信、光网络、光互连以及空间光路由等领域。以光网络为例，本发明可以用于控制光纤传输通道光信号的联通和断开, 再通过与其他器件相结合, 还可以实现光网络中光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接等功能；以自由空间光互连为例，自由空间光互连在组成各种互连拓扑结构方面具有较强的灵活性，本发明可以用于作为光互联拓扑结构的节点，改变各个通路的光信号输入输出状态(工作时光信号闭合，不工作时光信号导通)，从而改变光互联各个光学器件对于空间传输光信号的控制。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种非易失性的光开关，其特征在于： 包括衬底(1)、遂穿层/绝缘阻挡层(8)、石墨烯层(7)、条形源极(9)和条形漏极(10)；石墨烯层(7)、遂穿层/绝缘阻挡层(8)自下而上依次生长于衬底(1)上，且遂穿层/绝缘阻挡层(8)包覆在石墨烯层(7)外，遂穿层/绝缘阻挡层(8)上面两端分别有条形源极(9)和条形漏极(10)，条形源极(9)和条形漏极(10)覆盖在短边整个石墨烯层(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种非易失性的光开关，其特征在于：所述石墨烯层(7)为整片完整的石墨烯层或是图形化的石墨烯层。

3.根据权利要求2所述的一种非易失性的光开关，其特征在于：所述图形化的石墨烯层为矩形阵列石墨烯层(11)或圆孔阵列石墨烯层(12)。

4.根据权利要求1所述的一种非易失性的光开关，其特征在于：所述石墨烯层(7)能增强光电效应。

5.根据权利要求1所述的一种非易失性的光开关，其特征在于：所述条形源极(9)和条形漏极(10)材料相同，为功函数相同的金属或者导电材料，且条形源极(9)面积应小于条形漏极(10)面积。

6.根据权利要求1所述的一种非易失性的光开关，其特征在于：所述条形源极(9)和条形漏极(10)为不相同的功函数不同的金属或者导电材料，且条形源极(9)面积与条形漏极(10)面积相同或不相同。