CN108321245A - 基于光电器件的动态随机存取存储单元及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光电器件的动态随机存取存储单元及其制备方法，该动态随机存取存储单元的结构主要由动态存储电路和外部光纤引线组成。其中，动态存储电路由光敏二极管、激光二极管、存储电容、放电电阻、电源组成；外部光纤引线由读/写两条光纤组成，写入光纤从光敏二极管引出，读出光纤从激光二极管引出。本发明通过二极管利用光电转换进行读写，并利用电容进行动态存储，相比于传统利用MOS管的动态随机存取存储单元，具有高集成度等优点，同时利用光纤作为信号连接线，具有激光读写的高速度、高抗干扰、抗噪声等优点。

Description

基于光电器件的动态随机存取存储单元及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳电子技术领域，具体涉及基于光电器件的动态随机存取存储单元及其制备方法。

背景技术

动态随机存取存储器（DRAM）是目前计算机领域最常见，也是运用数量最大的内存存储器。DRAM只能将数据保持很短的一段时间，利用电容存储数据，所以必须隔一段时间刷新一次。相比于静态随机存取存储器（SRAM），DRAM显著的优点是只是用一个晶体管和一个电容，因此集成度高于SRAM且成本更低，因此DRAM在计算机存储体系中所在的位置位于CPU缓存（SRAM）和永久存储器（硬盘，磁带，Flash等）之间。

不过随着存储器对速度的需求逐渐提高，传统的利用电路引线互联的存储器在高速的情况下由于电子速度的限制，很难在读写速度上获得更大的提升，同时在高速电路的环境下，电磁高频干扰也越来越严重，对DRAM的设计也越来越严格。目前人们研发的新型动态随机存取存储器也都是基于电学导线的存储器，比如动态随机存取存储器装置（申请号：201310224973.9），动态随机存取存储装置（申请号：201310356317.4），动态随机存取存储器（申请号：201510734345.4），都是基于MOS管与电容的存储原理，没有突破原有存储器单元的限制。

近几年，随着光纤技术的成熟以及光纤集成电路的应用，突破电子传输速度的极限成为可能，即存储器利用光读写，电存储，利用光纤进行读写有着高速度，高抗干扰的优点，而利用电学器件存储能带来高集成，低成本的优点。

发明内容

本发明针对现有技术存在的低读写速度、易受到干扰等问题，提出了一种基于光电器件的动态随机存取存储单元及其制备方法。

为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是，提出了基于光电器件的动态随机存取存储单元，其特征在于：

所述基于光电器件的动态随机存取存储单元的结构主要动态存储电路和外部光纤引线组成；

所述动态存储电路由光敏二极管、激光二极管、存储电容、放电电阻、电源组成；所述光敏二极管的N端连接着电源，P端一路连接着存储电容，另一路连接激光二极管的P端，即光敏二极管与激光二极管的P端相连，其公共端连接电容一端，电容的另一端接地，激光二极管的N端通过电阻接地；

所述外部光纤引线有读/写两条光纤，其中，写入光纤从光敏二极管引出，读出光纤从激光二极管引出，光敏二极管与激光二极管之间设置有光学隔离墙，隔离墙由覆盖层提供。

进一步地，所述存储电容用于保持数据，且必须每隔一段时间刷新一次；所述的存储电容可以采用平板电容、叉指电容、深槽电容、叠层电容中的任意一种。

进一步地，整个器件顶部由不透光的覆盖层覆盖，覆盖层上保留数个光纤接入连接孔和导线互联的通孔，所述覆盖层的材料选自未掺杂的单晶硅、多晶硅、碳化硅。

进一步地，金属互联线路材料选自铝、铜、钨、钛。

进一步地，所述激光二极管用于产生激光，其波长涵盖红外到紫外，反应时间涵盖飞秒到纳秒。

进一步地，所述光敏二极管用于感应激光，感应波长涵盖红外到紫外，反应时间涵盖飞秒到纳秒。

基于光电器件的静态随机存取存储单元的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a) 提供一未掺杂的衬底；

b) 在所述衬底上制备激光二极管；

c) 在所述衬底上制备光敏二极管；

d) 在所述衬底上制备存储电容；

e) 在所述衬底上制备放电电阻；

f) 在所述器件结构上淀积覆盖层，并在覆盖层上刻蚀金属引线通孔以及光纤连接孔；

g) 在所述金属在所述金属引线通孔处设置欧姆接触并淀积金属，在所述光纤连接孔处填充氮化硅；

h) 在所述覆盖层上方在此覆盖一层未掺杂的单晶硅，通过刻蚀以及淀积形成金属互联，同时刻蚀该层单晶硅的光纤连接孔；

i) 去除光纤连接孔处的氮化硅，引入光纤与外围电路相连，存储单元制备完成。

有益效果：

1.本发明的基于光电器件的动态随机存取存储单元利用光信号进行数据的读写，并利用光纤传导信号，能够抗高频干扰与噪声，速度相比于传统动态随机存取存储单元更快。

2.本发明的基于光电器件的动态随机存取存储单元利用光敏二极管/发光二极管代替了传统电路中使用的MOS管，集成度更高，成本更低。

3.本发明的基于光电器件的动态随机存取存储单元通过调整电容和电阻值调整内存的工作频率，灵敏度较高。

4.本发明的基于光电器件的动态随机存取存储单元与传统的DRAM相比，不需要控制线，实现随时读写、随时刷新。

附图说明

图1为本发明的动态随机存取存储单元的电路原理图。

图2为本发明在衬底上制备激光二极管器件的结构示意图。

图3为本发明在衬底上制备光敏二极管器件的结构示意图。

图4为本发明在衬底上制备存储电容的结构示意图。

图5为本发明在衬底上制备放电电阻的结构示意图。

图6为本发明在单晶硅覆盖层上的金属连线通孔与光纤连接口结构示意图，图中单晶硅覆盖层被隐藏，方便显示下方的器件位置。

图7为本发明的最终金属互联和光纤连接口结构示意图。

其中，1-单晶硅衬底，2-激光二极管LD，3-光敏二极管PD，4-存储电容Cap，5-放电电阻Res，6-金属通孔，7-光纤连接口。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

参阅图1，本发明的基于光电器件的动态随机存取存储单元由动态存储电路和外部光纤引线组成。

动态存储电路由光敏二极管PD、激光二极管LD、存储电容Cap、放电电阻Res、电源VDD和地GND组成。光敏二极管PD的N端连接着电源，P端一路连接着存储电容Cap，另一路连接激光二极管LD的P端，即光敏二极管PD与激光二极管LD的P端相连，其公共端连接电容Cap一端，电容Cap的另一端连接地GND。存储电容Cap用于保持数据，且必须每个一段时间刷新一次。激光二极管LD的N端通过电阻Res连接到地GND。

外部光纤引线有读Read、写Write两条光纤。写光纤Write从光敏二极管PD引出，读光纤Read从激光二极管LD引出。

整个期间上方由不透光的覆盖层覆盖，覆盖层上刻蚀有多个用于金属互联的通孔以及用于光纤接入的连接孔，覆盖层还用于激光二极管和光电二极管之间的光学隔离，以免产生漏光现象。

所述的基于光电器件的动态随机存取存储单元的工作原理为：

所述动态随机存取存储单元写入“1”时，即Write=1，光敏二极管PD反向导通，激光二极管LD发光，同时电容Cap充电，电路存储“1”。

所述动态随机存取存储单元写入“0”时，即Write=0，光敏二极管PD反向截止，电容Cap放电后，激光二极管LD熄灭，电容存储“0”。

所述动态随机存取存储单元需保持原先存储状态时，应不断刷新保持数据，即当存储单元的Read端读出“1”时，需从Write端写入“1”保持状态不变，当存储单元的Read读出“0”时，需从Write端写入“0”保持状态不变。

所述动态随机存取存储单元当加入外界参考时钟CLK时，其中，CLK为方波，即在时钟上升沿触发时，动态存储单元的工作时序示意表如下表所示：

外界参考时钟的占空比没有太大的限制，不过高电平时间必须大于电容的时间常数τ，已保证在高电平时间内完成对电容的充电/放电；低电平时间必须小于时间常数τ的一半，以保证在下个高电平之前电容有足够电荷驱动激光二极管，同时能够降低功耗。

具体的，本发明基于光电器件的动态随机存取存储单元具体制备方法如下：

a) 提供一未掺杂的衬底；

b) 如图2所示，在所述衬底上制备激光二极管LD，激光二极管可以替代为量子阱激光器、单异质结二极管激光器、双异质结二极管激光器、应变量子阱激光器、电子束激励半导体激光器中的任意一种，激光二极管的制备属于本领域的公知常识，在此不再赘述；

c) 如图3所示，在所述衬底上制备光敏二极管PD，感光二极管可以通过感光三极管替代，感光二极管的制备属于本领域的公知常识，在此不再赘述；

d) 如图4所示，在所述衬底上制备存储电容Cap，储存电容可以是平板电容，叉指电容，深槽电容、叠层电容中的任意一种，电容的制备属于本领域的公知常识，在此不再赘述；

e) 如图5所示，在所述衬底上制备放电电阻Res；

f) 如图6所示，在所述器件结构上淀积覆盖层，并在覆盖层上刻蚀金属引线通孔以及光纤连接孔；

g) 在所述金属在所述金属引线通孔处设置欧姆接触并淀积金属，在所述光纤连接孔处填充氮化硅；

h)在所述覆盖层上方在此覆盖一层未掺杂的单晶硅，如图7所示，通过刻蚀以及淀积形成金属互联，同时刻蚀该层单晶硅的光纤连接孔；

i) 去除光纤连接孔处的氮化硅，引入光纤与外围电路相连，存储单元制备完成。

综上所述，该基于光电器件的动态随机存取存储单元通过利用从存储电容进行存储，利用光纤、光敏二极管、激光二极管进行读写，不需要控制线，能够实现实时读写，具有较高读写速度、高集成度等优点，且抗干扰能力强。

本发明提供的制备方法及其版图为本发明提供的电路原理图的一种表现形式，凡是基于本发明提供的电路原理图制作的版图也纳入权利要求书记载的保护范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.基于光电器件的动态随机存取存储单元，其特征在于：

所述基于光电器件的动态随机存取存储单元的结构主要动态存储电路和外部光纤引线组成；

所述动态存储电路由光敏二极管、激光二极管、存储电容、放电电阻、电源组成；所述光敏二极管的N端连接着电源，P端一路连接着存储电容，另一路连接激光二极管的P端，即光敏二极管与激光二极管的P端相连，其公共端连接电容一端，电容的另一端接地，激光二极管的N端通过电阻接地；

所述外部光纤引线有读/写两条光纤，其中，写入光纤从光敏二极管引出，读出光纤从激光二极管引出，光敏二极管与激光二极管之间设置有光学隔离墙，隔离墙由覆盖层提供。

2.根据权利要求1所述的基于光电器件的静态随机存取存储单元，其特征在于：所述存储电容用于保持数据，且必须每隔一段时间刷新一次；所述的存储电容可以采用平板电容、叉指电容、深槽电容、叠层电容中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的基于光电器件的动态随机存取存储单元，其特征在于：整个器件顶部由不透光的覆盖层覆盖，覆盖层上保留数个光纤接入连接孔和导线互联的通孔，所述覆盖层的材料选自未掺杂的单晶硅、多晶硅、碳化硅。

4.根据权利要求1所述的基于光电器件的静态随机存取存储单元，其特征在于：金属互联线路材料选自铝、铜、钨、钛。

5.根据权利要求1所述的基于光电器件的动态随机存取存储单元，其特征在于，所述激光二极管用于产生激光，其波长涵盖红外到紫外，反应时间涵盖飞秒到纳秒。

6.根据权利要求1所述的基于光电器件的动态随机存取存储单元，其特征在于，所述光敏二极管用于感应激光，感应波长涵盖红外到紫外，反应时间涵盖飞秒到纳秒。

7.基于光电器件的静态随机存取存储单元的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

a) 提供一未掺杂的衬底；

b) 在所述衬底上制备激光二极管；

c) 在所述衬底上制备光敏二极管；

d) 在所述衬底上制备存储电容；

e) 在所述衬底上制备放电电阻；

f) 在所述器件结构上淀积覆盖层，并在覆盖层上刻蚀金属引线通孔以及光纤连接孔；

g) 在所述金属在所述金属引线通孔处设置欧姆接触并淀积金属，在所述光纤连接孔处填充氮化硅；

h) 在所述覆盖层上方在此覆盖一层未掺杂的单晶硅，通过刻蚀以及淀积形成金属互联，同时刻蚀该层单晶硅的光纤连接孔；

i) 去除光纤连接孔处的氮化硅，引入光纤与外围电路相连，存储单元制备完成。