CN112415784A - 一种非易失性光开关及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非易失性光开关及其制作方法，所述非易失性光开关包括：绝缘埋层；单模波导，位于所述绝缘埋层之上；相变材料微盘，位于所述单模波导之上；以及上包层，覆盖所述相变材料微盘和所述单模波导。相对于现有的硅基光开关，本发明的非易失性光开关具有更小的器件尺寸、消光比大且插入损耗低。

Description

一种非易失性光开关及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种非易失性光开关及其制作方法。
背景技术
光子集成电路是未来通信系统发展的趋势之一，它有克服当今电子通信系统所面临一系列限制的潜力，例如冯诺依曼瓶颈、高功耗、带宽有限等。传统铜线互连存在损耗大、速度慢、有串扰等限制，尤其是互连密度增大时。硅光平台凭借其低成本、高成品率成为片间、片内通信的主要发展方向，因为它可以利用微电子行业中使用的高度发达的CMOS制造工艺。
硅基光子集成电路的实现对硅光开关的需求极大，为了使高性能的开关装置小型化，已有研究中使用了环形谐振器和光子晶体等谐振器。但是，这些器件具有很高的温度敏感性，较低的制造公差，仅能在较窄的光谱带宽范围内运行，并且需要主动进行温度控制。此外，这类开关的操作需要电偏压，增加了器件的总功耗。研究和设计新型结构的高效硅光开关成为硅光集成电路发展的关键技术之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术，本发明的目的在于提供一种非易失性光开关及其制作方法，用于解决现有技术中硅基光开关尺寸大、插入损耗大等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种非易失性光开关，包括：
绝缘埋层；
单模波导，位于所述绝缘埋层之上；
相变材料微盘，位于所述单模波导之上；以及
上包层，覆盖所述相变材料微盘和所述单模波导。
可选地，所述单模波导的宽度为450～550nm，厚度为200～250nm。
可选地，所述单模波导的材料为硅。
可选地，所述相变材料微盘的材料为Ge2Sb2Te5。
可选地，所述相变材料微盘的直径为200～500nm，厚度为30～40nm。
可选地，所述相变材料微盘的数量为多个。
进一步可选地，多个所述相变材料微盘的尺寸相同。
进一步可选地，多个所述相变材料微盘根据直径大小渐变地排列。
可选地，所述上包层的材料为二氧化硅。
可选地，所述绝缘埋层的材料为氧化硅。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种非易失性光开关的制作方法，包括如下步骤：
S1在绝缘埋层上形成单模波导；
S2在所述单模波导上形成相变材料微盘；以及
S3形成上包层，覆盖所述相变材料微盘和所述单模波导。
可选地，步骤S1在绝缘埋层上形成单模波导包括如下子步骤：提供基底，所述基底由下至上依次包括支撑衬底、绝缘埋层和半导体顶层；图形化所述半导体顶层形成单模波导。
进一步可选地，所述基底为SOI衬底。
进一步可选地，形成所述单模波导时，采用光刻和刻蚀工艺图形化所述半导体顶层。
进一步可选地，形成所述单模波导时，采用电子束曝光及剥离工艺图形化所述半导体顶层。
可选地，步骤S2在所述单模波导上形成相变材料微盘，包括如下子步骤：在所述单模波导上方形成光刻胶，并通过电子束曝光在所述光刻胶中形成微盘图形，所述微盘图形将所述单模波导的部分表面露出；在所述微盘图形中生长Ge2Sb2Te5薄膜；剥离所述光刻胶。
进一步可选地，形成多个所述微盘图形，多个所述微盘图形的尺寸相同。
进一步可选地，形成多个所述微盘图形，多个所述微盘图形具有不同的直径，且根据直径大小渐变地排列。
可选地，步骤S2在所述单模波导上形成相变材料微盘，包括如下子步骤：在所述单模波导上方形成光刻胶，并通过电子束曝光在所述光刻胶中形成矩形图形，所述矩形图形将所述单模波导的部分表面露出；在所述矩形图形中生长Ge2Sb2Te5薄膜；剥离所述光刻胶；通过聚焦离子束刻蚀Ge2Sb2Te5薄膜形成相变材料微盘。
进一步可选地，形成多个所述相变材料微盘，多个所述相变材料微盘的尺寸相同。
进一步可选地，形成多个所述相变材料微盘，多个所述相变材料微盘具有不同的直径，且根据直径大小渐变地排列。
可选地，步骤S3中，在所述相变材料微盘和所述单模波导上形成二氧化硅薄膜作为所述上包层。
如上所述，本发明的非易失性光开关及其制作方法，具有以下有益效果：
本发明的非易失性光开关采用了单模波导结构以及相变材料的微盘，且多个相变材料微盘可以形成微盘级联，从而在保证消光比足够大的前提下，显著降低了插入损耗。相对于现有的硅基光开关，本发明的光开关具有更小的器件尺寸、消光比大且插入损耗低。
附图说明
图1显示为本发明实施例提供的非易失性光开关的示意图。
图2显示为本发明实施例提供的非易失性光开关的制作方法示意图
图3a-3e显示为本发明实施例一提供的非易失性光开关的制备过程示意图。其中，图3a显示为提供的基底剖视图；图3b显示为形成单模波导后的剖视图；图3c显示为形成单模波导后的俯视图；图3d显示为形成相变材料微盘后的剖视图；图3e显示为形成相变材料微盘后的俯视图；图3f显示为形成上包层后的剖视图。
图4a-4b显示为本发明实施例二提供的非易失性光开关的制备过程示意图。其中，图4a显示为在单模波导上生长出矩形图形的Ge2Sb2Te5薄膜后的剖视图；图4b显示为在单模波导上生长出矩形图形的Ge2Sb2Te5薄膜后的俯视图。
元件标号说明
101 支撑衬底
100 绝缘埋层
102 半导体顶层
200 单模波导
300 相变材料微盘
400 上包层
d 单模波导的宽度
S1-S3 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
近年来，相变过程已用于光学活性硫族化物材料中，以实现集成的光子开关。由于相变材料所具备的非易失性，使得其工作过程中功耗极低，是片上光子器件和集成电路的合适候选者。锗锑碲合金Ge2Sb2Te5是目前应用和研究最为广泛的相变材料之一，该材料可以通过施加纳秒级的电/光脉冲在非晶相和结晶相之间快速重复地切换。目前采用锗锑碲合金制作的微型光开关，可以实现较高的消光比，但同时插入损耗也较高。为了进一步缩小器件尺寸，本实施例将提供一种非易失性光开关，在保持高消光比的前提下可显著降低插入损耗。
请参阅图1，本实施例提供的一种非易失性光开关，包括：绝缘埋层100、单模波导200、相变材料微盘300以及上包层400。其中，所述单模波导200位于所述绝缘埋层100之上；所述相变材料微盘300位于所述单模波导200之上；所述上包层400覆盖所述相变材料微盘300和所述单模波导200。
所述单模波导200的宽度可以为450～550nm，厚度可以为200～250nm，本实施例中，所述单模波导200的宽度为500nm，厚度为220nm。所述单模波导200的材料可以为硅、氮化硅或其他适合的波导材料。在现有的光子器件中，波导结构包括多模波导结构和单模波导结构。单模波导是指仅能传输一个模式(即基模)的波导，同理，多模波导是指可以传输多个模式的波导。然而，在设计非易失性光开关器件结构时，发明人研究发现多个模式同时传输时会存在模间色散，而单模波导可以消除这个影响，同时单模波导尺寸要小于多模波导，多模波导结构的宽度通常大于1微米。因此，本发明采用单模波导可以进一步缩小器件尺寸，同时也可避免器件模间色散的影响。
本实施例中，所述相变材料微盘300的材料可采用Ge2Sb2Te5，或其他适合的相变材料。所述相变材料微盘300的直径可以为200～500nm，厚度可以为30～40nm。所述相变材料微盘300的数量可以为一个或多个。作为本实施例的一种实施方式，当所述相变材料微盘300的数量为多个时，多个所述相变材料微盘300的尺寸可以相同。作为本实施例优选的一种实施方式，所述相变材料微盘300的数量为多个时，多个所述相变材料微盘300的尺寸不同，且根据直径大小渐变地排列，例如，根据相变材料微盘300直径由大到小的排列或由小到大的排列，以形成级联微盘组。其中，光开关仅设置一个微盘时，消光比性能相对较差；而设置多个相同大小微盘时消光比性能相对提升，但是插损也随之增大；采用级联渐变型的微盘组合可以在插损和消光比两个性能上得到平衡。在实际应用中，所述相变材料微盘300的数量、排列、直径以及厚度等参数可以根据器件性能的需求通过仿真扫描选出适合的具体数值。
本实施例中，所述绝缘埋层100的材料可以为氧化硅或其他适合的材料，可用作于所述单模波导200的下包层。所述上包层400的材料可以为二氧化硅或其他适合的材料。
本实施例的非易失性光开关工作时，可在所述单模波导100两端施加泵浦光，光脉冲通过相变材料微盘200使相变材料发生相变，不同能量的光脉冲可以使相变材料处于不同晶化程度，从而对输入光实现不同比例的消光。和传统方案相比，本实施例提供的光开关具有更小的器件尺寸、消光比大且插入损耗低，其中，采用多个Ge2Sb2Te5微盘级联，在保证消光比足够大(20dB)的前提下，插入损耗可降低到0.8dB。
请参阅图2，本实施例提供了一种非易失性光开关的制作方法，包括如下步骤：
S1在绝缘埋层上形成单模波导；
S2在所述单模波导上形成相变材料微盘；以及
S3形成上包层，覆盖所述相变材料微盘和所述单模波导。
下面结合附图及具体实例进一步详细说明本实施例提供的非易失性光开关的制作方法。
实施例一
请参阅图3a-3f，实施例一提供的非易失性光开关结构的制作方法，包括如下步骤：
首先，如图3a所示，提供基底，所述基底由下至上依次包括支撑衬底101、绝缘埋层100和半导体顶层102。具体地，所述基底可以为SOI(Silicon on Insulator)衬底，即绝缘体上硅衬底，其中，支撑衬底101可以是硅衬底，绝缘埋层100可以是氧化硅层，半导体顶层102可以是单晶硅层。
然后，如图3b所示，图形化所述半导体顶层102，以形成单模波导200。此时形成的单模波导200可以为硅波导。具体地，形成所述单模波导200时，可以采用光刻和刻蚀工艺图形化所述半导体顶层102，也可以采用电子束曝光及剥离工艺图形化所述半导体顶层102。图3c所示为形成单模波导200之后结构的俯视示意图，单模波导200的宽度d可以为500nm；单模波导200的厚度即是SOI衬底中半导体顶层102的厚度，可以为220nm。在单模波导200下方是绝缘埋层100，绝缘埋层100可作为下包层。
接下来，在所述单模波导200上方形成光刻胶并通过电子束曝光在所述光刻胶中形成微盘图形，所述微盘图形将所述单模波导200的部分表面露出；再在所述微盘图形中生长Ge2Sb2Te5薄膜；最后剥离所述光刻胶，如图3d所示，形成所需的相变材料微盘300。具体地，可以形成一个或多个微盘图形；所述微盘图形可以根据器件性能的实际需要选择数量、尺寸和排布方式，例如，当所述微盘图形为多个时，多个所述微盘图形的尺寸可以相同，也可以不同。作为一种优选的实施方式，本实施例形成了具有不同直径的多个所述微盘图形，且这些微盘图形根据直径大小渐变地排列，从而可形成相变材料微盘300级联。图3e所示为形成了相变材料微盘300级联之后的结构俯视示意图。
最后，如图3f所示，在所述相变材料微盘300和所述单模波导200上形成二氧化硅薄膜作为所述上包层400。
实施例二
实施例二与实施例一采用大致相同的制作方法，区别之处在于，形成相变材料微盘300的方法步骤不同。
实施例二同样采用SOI衬底作为工艺制作的初始材料，然后图形化SOI衬底上的半导体顶层102形成单模波导200。之后，在所述单模波导200上方形成光刻胶并通过电子束曝光在所述光刻胶中形成矩形图形，所述矩形图形将所述单模波导的部分表面露出；再在所述矩形图形中生长Ge2Sb2Te5薄膜；然后剥离所述光刻胶，如图4a所示，在单模波导200上生长出矩形图形的Ge2Sb2Te5薄膜301；图4b所示为形成矩形图形的Ge2Sb2Te5薄膜301之后的结构俯视示意图。接下来，再通过聚焦离子束刻蚀矩形图形的Ge2Sb2Te5薄膜301，以形成相变材料微盘300。最后，在所述相变材料微盘300和所述单模波导200上形成二氧化硅薄膜作为所述上包层400。
具体地，形成的矩形图形的数量可以为一个或多个，本实施例仅形成了一个较大的矩形图形，便于生长出高质量的Ge2Sb2Te5薄膜，然后再利用聚焦离子束刻蚀实现无掩膜加工，以形成所需数量的相变材料微盘300。具体地，可以根据器件性能的实际需要选择相变材料微盘300的数量、尺寸和排布方式，例如，当形成的相变材料微盘300的数量为多个时，多个相变材料微盘300的尺寸可以相同，也可以不同。作为一种优选的实施方式，本实施例形成了具有不同直径的多个相变材料微盘300，且这些相变材料微盘300根据直径大小渐变地排列，从而形成微盘级联。
综上所述，本发明的非易失性光开关采用了单模波导结构以及相变材料的微盘，且多个相变材料微盘可以形成微盘级联，从而在保证消光比足够大的前提下，显著降低了插入损耗。相对于现有的硅基光开关，本发明的光开关具有更小的器件尺寸、消光比大且插入损耗低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种非易失性光开关，其特征在于，包括：
绝缘埋层；
单模波导，位于所述绝缘埋层之上；
相变材料微盘，位于所述单模波导之上；以及
上包层，覆盖所述相变材料微盘和所述单模波导。
2.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述单模波导的宽度为450～550nm，厚度为200～250nm。
3.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述单模波导的材料为硅。
4.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述相变材料微盘的材料为Ge2Sb2Te5。
5.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述相变材料微盘的直径为200～500nm，厚度为30～40nm。
6.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述相变材料微盘的数量为多个。
7.根据权利要求6所述的非易失性光开关，其特征在于：多个所述相变材料微盘的尺寸相同。
8.根据权利要求6所述的非易失性光开关，其特征在于：多个所述相变材料微盘根据直径大小渐变地排列。
9.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述上包层的材料为二氧化硅。
10.根据权利要求1所述的非易失性光开关，其特征在于：所述绝缘埋层的材料为氧化硅。
11.一种非易失性光开关的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1在绝缘埋层上形成单模波导；
S2在所述单模波导上形成相变材料微盘；以及
S3形成上包层，覆盖所述相变材料微盘和所述单模波导。
12.根据权利要求11所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于，步骤S1在绝缘埋层上形成单模波导包括如下子步骤：
提供基底，所述基底由下至上依次包括支撑衬底、绝缘埋层和半导体顶层；
图形化所述半导体顶层形成单模波导。
13.根据权利要求12所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：所述基底为SOI衬底。
14.根据权利要求12所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：形成所述单模波导时，采用光刻和刻蚀工艺图形化所述半导体顶层。
15.根据权利要求12所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：形成所述单模波导时，采用电子束曝光及剥离工艺图形化所述半导体顶层。
16.根据权利要求11所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于，步骤S2在所述单模波导上形成相变材料微盘，包括如下子步骤：
在所述单模波导上方形成光刻胶，并通过电子束曝光在所述光刻胶中形成微盘图形，所述微盘图形将所述单模波导的部分表面露出；
在所述微盘图形中生长Ge2Sb2Te5薄膜；
剥离所述光刻胶。
17.根据权利要求16所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：形成多个所述微盘图形，多个所述微盘图形的尺寸相同。
18.根据权利要求16所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：形成多个所述微盘图形，多个所述微盘图形具有不同的直径，且根据直径大小渐变地排列。
19.根据权利要求11所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于，步骤S2在所述单模波导上形成相变材料微盘，包括如下子步骤：
在所述单模波导上方形成光刻胶，并通过电子束曝光在所述光刻胶中形成矩形图形，所述矩形图形将所述单模波导的部分表面露出；
在所述矩形图形中生长Ge2Sb2Te5薄膜；
剥离所述光刻胶；
通过聚焦离子束刻蚀Ge2Sb2Te5薄膜形成相变材料微盘。
20.根据权利要求19所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：形成多个所述相变材料微盘，多个所述相变材料微盘的尺寸相同。
21.根据权利要求19所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：形成多个所述相变材料微盘，多个所述相变材料微盘具有不同的直径，且根据直径大小渐变地排列。
22.根据权利要求11所述的非易失性光开关的制作方法，其特征在于：步骤S3中，在所述相变材料微盘和所述单模波导上形成二氧化硅薄膜作为所述上包层。
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