CN116466531B - 一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件及其光电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件及其光电器件，选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底，在硅上刻蚀出三条脊波导，各脊波导两侧，从第一脊波导的外侧至第三脊波导的外侧依次设置第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极，在硅上沉积蒸镀氧化铝层，将BP转移到电极和脊波导上，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导贴近第一源电极设置，第二脊波导贴近第二源电极设置，第三脊波导居中设置在第二源电极和第二漏电极之间，将h‑BN片层转移至BP之上。本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件，通过将全光输入和混合输入的光电逻辑门相结合来执行多层复合逻辑计算。
Description
技术领域
本发明涉及光电信息领域，具体涉及一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件及光电器件。
背景技术
光子和电子是现代信息技术中最重要的传输和运算载体，传统方式光域中的数据需要经过光电探测器转化程电信号后进入到电路中进行逻辑运算。在人工智能时代，数据量迅速增长，提高信息转换速率和增加转换节点的功能是十分必要的。作为全光逻辑和全电逻辑器件的重要补充，同时具有感知和逻辑功能的光电逻辑器件吸引了广泛的关注，在实现高集成度光电模块互连领域具有较大潜力。比如，一些图片预处理需求可以通过智能视觉芯片中的光电逻辑器件的布尔算法来完成，包括寻找图片交叠、相似点和提取边缘信息等可以大大降低数据冗余。
对于二进制光信号处理，级联多个探测器是目前广泛采用的策略。AND和OR功能可以通过两个分立的紫外或可见光电探测器进行串联或并联来实现。但是，由于光电逻辑门的输入和输出信号在不同的域，难以通过组合基本逻辑功能来创造其他复杂的逻辑功能。
现有技术中，复杂逻辑器件一般采用光调制器将输出电信号再转换为光信号，这样多次的光电光转换过程导致系统复杂且能耗增大。另外，现有的混合光电输入的光电逻辑器件只针对基本线性逻辑功能的设计方案，由于光电逻辑门的输入和输出信号在不同的域，针对复合逻辑的光电器件目前是空白的。当前被报道的光电逻辑器件没有涉及通讯波段，导致其应用前景受到限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于，提供一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：
选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底，在硅上刻蚀出三条脊波导，分别为第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，各脊波导两侧，从第一脊波导的外侧至第三脊波导的外侧依次设置第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极，在硅上沉积蒸镀氧化铝层用于隔离硅和电路，将BP转移到电极和脊波导上，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导贴近第一源电极设置，第二脊波导贴近第二源电极设置，第三脊波导居中设置在第二源电极和第二漏电极之间，将h-BN片层转移至BP之上，用于防止BP与空气中水氧发生光氧化反应；
第一源电极、第一漏电极、第二源电极和BP形成“M”形电势分布，第一漏电极收集由两侧区域产生的光电流，构成两个正响应的感知神经元并联电路，OR门的输入一是第一脊波导的光信号，其输入二是第二脊波导的光信号，OR门输出的电流被放大器放大并被转换成电压后，通过第一漏电极导入AND门，作为AND门的输入二；第三脊波导中的光信息作为AND门的输入一，AND门的输出作为所述通讯波段波导集成的复合逻辑器件的整体输出，其为连接第二漏电极的电流值，最终获得(A+B)C逻辑运算。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案，OR门输入的真值判别标准是激光功率，当激光功率为0时逻辑为“0”，激光功率不为0时逻辑为“1”；OR门输出的真值判别标准是在检测输出电流时，电流值大于0.1μA时逻辑为“1”，小于0.1μA时逻辑为“0”。
作为本发明的优选技术方案，在零偏置下，给出信号IN-00、IN-01、IN-10、IN-11时，该器件输出OR逻辑。
作为本发明的优选技术方案，AND门的输入一光信号IN1，激光功率为0时逻辑为“0”，激光功率不为0时逻辑为“1”，AND门的输入二电信号IN2，无电压时逻辑为“0”，有正电压时逻辑为“1”，AND门的输出的真值判别标准是在检测输出电流时，电流值大于0.1μA时逻辑为“1”，小于0.1μA时逻辑为“0”，发送序列信号IN-00、IN-01、IN-10、IN-11时，构建逻辑AND门。
作为本发明的优选技术方案，所述各脊波导为截面形状为矩形，高150nm，宽500nm，各脊波导等同且平行设置，脊波导实现了低损耗传输的光波长范围为1260nm～1620nm。
作为本发明的优选技术方案，所述第一脊波导与所述第一源电极的间距为1μm，与所述第一漏电极的间距为3μm，所述第二脊波导与所述第二源电极的间距为1μm，与所述第一漏电极的间距为3μm。
作为本发明的优选技术方案，所述BP带隙为0.3eV。
本发明的第二个目的在于，提供一种波导集成的复合光电器件。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底，在硅上刻蚀出三条脊波导，分别为第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，各脊波导两侧，从第一脊波导的外侧至第三脊波导的外侧依次设置第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极，在硅上沉积蒸镀氧化铝层用于隔离硅和电路，将BP转移到电极和脊波导上，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导贴近第一源电极设置，第二脊波导贴近第二源电极设置，第三脊波导居中设置在第二源电极和第二漏电极之间，将h-BN片层转移至BP之上，用于防止BP与空气中水氧发生光氧化反应。
与现有技术相比，本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件及光电器件的有益效果在于：利用全光输入OR门和光电混合输入AND门相结合，逻辑OR门的电输出用作逻辑AND门的输入，通过自驱动OR器件和电压可切换AND器件提供两层复合逻辑(A+B)×C计算的。本发明中，通过局部光子刺激和电势驱动，利用硅波导集成的BP神经元用于光电逻辑运算，依次演示了A+B,A×B，(A+B)×C等逻辑功能，首次实现了基于光电逻辑门的复合逻辑运算。本发明选用了传输波长为1260nm～1620nm的硅波导，以及吸光范围覆盖1310nm、1550nm的BP材料，扩大了本发明的光电逻辑器件工作的通讯波段。本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件及其光电器件，通过光电导效应，利用光电流不仅由入射光操纵也受到偏置电压的影响，通过输出电流来获得“0”(或者“1”)两种逻辑状态输出，在通信领域、激光雷达边缘计算等光计算和超高速信息处理领域具备应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件的通讯波段光电逻辑AND门设计方案：(a)混合输入AND逻辑门器件结构；(b)器件在暗态和光照条件下的输出特性；(c)AND逻辑门真值表；(d)AND逻辑门对四个态的输出电流；
图2为本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件的通讯波段光电逻辑OR门的设计方案：(a)全光输入OR逻辑门的结构示意图；(b)器件在暗态和光照下的输出特性；(c)OR逻辑门真值表；(d)OR逻辑门对四个态的输出电流；
图3为本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件的设计方案：(a)(A+B)C功能的器件结构和电路配置；(d)(A+B)C功能的逻辑真值表；
附图中，第一源电极100；第一漏电极200；第二源电极300；第二漏电极400；第一脊波导501；第二脊波导502；第三脊波导503；
图4为本发明的一种光电器件的结构示意图，
附图中，基底1；氧化铝层2；BP3；h-BN片层4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件，选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底1，在硅上刻蚀出三条脊波导，分别为第一脊波导501、第二脊波导502和第三脊波导503，各脊波导两侧，从第一脊波导501的外侧至第三脊波导503的外侧依次设置第一源电极100、第一漏电极200、第二源电极300和第二漏电极400，在各脊波导及基底硅上沉积蒸镀氧化铝层2用于隔离硅和电路，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导501贴近第一源电极100设置，第二脊波导502贴近第二源电极300设置，第三脊波导503居中设置在第二源电极300和第二漏电极400之间，将h-BN片层4转移至BP3之上，用于防止BP与空气中水氧发生光氧化反应；
第一源电极100、第一漏电极200、第二源电极300和BP3形成“M”形电势分布，第一漏电极200收集由两侧区域产生的光电流，构成两个正响应的感知神经元并联电路，OR门的输入一是第一脊波导501的光信号，其输入二是第二脊波导502的光信号，OR门输出的电流被放大器放大并被转换成电压后，通过第一漏电极200导入AND门，作为AND门的输入二；第三脊波导503中的光信息作为AND门的输入一，AND门的输出作为所述通讯波段波导集成的复合逻辑器件的整体输出，为连接第二漏电极200的电流值，最终获得(A+B)C逻辑运算。
本发明中，BP是指黑磷纳米片，是一种非金属的层状半导体。h-BN片层是指六方氮化硼，是一种禁带宽度为5～6eV的绝缘体。
本发明中，第一源电极100、第一漏电极200、第二源电极300和第二漏电极400，选用Ti/Au电极，其中Au在上层，用于与BP接触构建势垒区。
OR门输入的真值判别标准是激光功率，当激光功率为0时逻辑为“0”，激光功率不为0时逻辑为“1”；OR门输出的真值判别标准是在检测输出电流时，电流值大于0.1μA时逻辑为“1”，小于0.1μA时逻辑为“0”。
在零偏置下，给出信号IN-00、IN-01、IN-10、IN-11时，该器件输出OR逻辑。
AND门的输入一光信号IN1，激光功率为0时逻辑为“0”，激光功率不为0时逻辑为“1”，AND门的输入二电信号IN2，无电压时逻辑为“0”，有正电压时逻辑为“1”，AND门的输出的真值判别标准是在检测输出电流时，电流值大于0.1μA时逻辑为“1”，小于0.1μA时逻辑为“0”，发送序列信号IN-00、IN-01、IN-10、IN-11时，构建逻辑AND门。
所述各脊波导为截面形状为矩形，高150nm，宽500nm，各脊波导等同且平行设置，脊波导实现了传输的光波长范围为1260nm～1620nm。
所述第一脊波导501与所述第一源电极100的间距为1μm，与所述第一漏电极200的间距为3μm，所述第二脊波导502与所述第二源电极300的间距为1μm，与所述第一漏电极200的间距为3μm。
所述BP带隙为0.3eV。
在硅上用原子层沉积蒸镀5nm氧化铝层用于隔离硅和电路。
本发明中，BP是指黑磷纳米片，是一种非金属的层状半导体。h-BN薄膜层是指六方氮化硼，是一种禁带宽度为5～6eV的绝缘体。
本发明中，源电极100和漏电极400，选用Ti/Au电极，上层为Au，Au与BP接触形成势垒区。
如图4所示，本发明的一种光电器件，用作前述的复合逻辑器件，选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底1，在硅上刻蚀出三条脊波导，分别为第一脊波导501、第二脊波导502和第三脊波导503，各脊波导外侧及之间，从第一脊波导501的外侧至第三脊波导503的外侧依次设置第一源电极100、第一漏电极200、第二源电极300和第二漏电极400，在脊波导及基底上沉积蒸镀氧化铝层2用于隔离硅和电路，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导501贴近第一源电极100设置，第二脊波导502贴近第二源电极300设置，第三脊波导503居中设置在第二源电极300和第二漏电极400之间，将h-BN片层4转移至BP3之上，用于防止BP与空气中水氧发生光氧化反应；
实施例1
本发明中，实现了现有技术中光信号需要与存储器中的电信号进行混合逻辑处理，其器件中需要具有混合输入光信号和电信号的光电逻辑门等，且由于输入和输出位于不同域，创建多层光电逻辑功能的传统技术需要将电输出信号发送到调制器或激光源，以再次将其传输到光信号。
本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件，通过将全光输入和混合输入的光电逻辑门相结合来执行多层复合逻辑计算。图1a显示了混合输入光信号和电信号时的逻辑AND门的工作条件，其中，第一脊波导501和第二脊波导502的光信号是OR门的输入一和输入二，OR门输出的电流经过放大器放大并被转换成电压厚通过第一漏电极200导入AND门，作为AND门的输入二；AND门的输入一为第三脊波导503中的光信息，本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件的整体输出为连接第二漏电极的电流值，最终获得(A+B)C逻辑运算。
图1中，本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件AND门的输出曲线表现出与光导探测器相同的特性。在零偏置下，黑暗和照明下的电流都是低状态。在50mV偏置下，电流分别为37nA(暗，低状态)和0.16μA(激光照明，高状态)。通过实验，本发明的一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件AND门测量了四种输入状态的输出电流。输入信号一IN1“0”或“1”表示零和非零激光功率。输入信号二IN2相应地指示零偏置电压和正偏置电压。高输出电流和低输出电流分别代表OUT-1和OUT-0。发送序列信号(IN-00、IN-01、IN-10、IN-11)时，可以构建逻辑AND门，如图1d所示。
接下来，通过改变电极设计获得“M”形电势分布以构建另一种逻辑功能。在Au-BP-Au结构的中间添加一个漏极，以收集由两侧区域产生的光电流，如图2a所示。它等效于两个正响应的感知神经元并联电路。图2b显示了输出特性，并提出了零偏置下的四种电流状态可以构建新的逻辑功能。真值表如图2c所示。当给出信号(IN-00、IN-01、IN-10、IN-11、偏置为0V)时，该器件输出OR逻辑，如图2d所示。“关断”电流约为4×10-8A，“导通”电流大于10- 7A，开关比超过5，该器件还以零功耗工作。
为了构建复杂的多层复合逻辑函数，一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件将全光输入OR门和混合输入AND门相结合。逻辑OR门的电输出用作逻辑AND门的输入，通过自驱动OR器件和可电压切换AND器件提供两层复合逻辑计算(A+B)C的解决方案。配置电路和真值表如图3a和3b所示。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，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，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：
选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底，在硅上刻蚀出三条脊波导，分别为第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，各脊波导两侧，从第一脊波导的外侧至第三脊波导的外侧依次设置第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极，第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极选用Ti/Au电极，在硅上沉积蒸镀氧化铝层用于隔离硅和其上的结构，将BP转移到电极和脊波导上，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导贴近第一源电极设置，第二脊波导贴近第二源电极设置，第三脊波导居中设置在第二源电极和第二漏电极之间，将h-BN片层转移至BP之上，用于防止BP与空气中水氧发生光氧化反应；
第一源电极、第一漏电极、第二源电极和BP形成“M”形电势分布，第一漏电极收集由两侧区域产生的光电流，构成两个正响应的感知神经元并联电路，用作OR门器件，OR门的输入一是第一脊波导的光信号，其输入二是第二脊波导的光信号， OR门输出的电流被放大器放大并被转换成电压后，通过第一漏电极导入AND门，作为AND门的输入二；第三脊波导中的光信息作为AND门的输入一，AND门的输出作为所述通讯波段波导集成的复合逻辑器件的整体输出，其为连接第二漏电极的电流值，最终获（A+B）C逻辑运算；
其中，BP是指黑磷纳米片。
2.如权利要求1所述的通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：OR门输入的真值判别标准是激光功率，当激光功率为0时逻辑为“0”，激光功率不为0时逻辑为“1”；OR门输出的真值判别标准是在检测输出电流时，电流值大于0.1μA时逻辑为“1”，小于0.1μA时逻辑为“0”。
3.如权利要求2所述的通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：在零偏置下，给出信号IN-00、IN-01、IN-10、IN-11时，该器件输出OR逻辑。
4. 如权利要求1所述的通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：AND门的输入一光信号IN1，激光功率为0时逻辑为“0”，激光功率不为0时逻辑为“1”， AND门的输入二电信号IN2，无电压时逻辑为“0”，有正电压时逻辑为“1”，
AND门的输出的真值判别标准是在检测输出电流时，电流值大于0.1μA时逻辑为“1”，小于0.1μA时逻辑为“0”，发送序列信号IN-00、IN-01、IN-10、IN-11时，构建逻辑AND门。
5. 如权利要求1所述的通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：所述各脊波导为截面形状为矩形，高150nm，宽500 nm，各脊波导等同且平行设置，脊波导实现了低损耗传输的光波长范围为1260nm~1620nm。
6.如权利要求1所述的通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于：所述第一脊波导与所述第一源电极的间距为1μm，与所述第一漏电极的间距为3μm，所述第二脊波导与所述第二源电极的间距为1μm，与所述第一漏电极的间距为3μm。
7. 如权利要求1所述的通讯波段波导集成的复合逻辑器件，其特征在于: 所述BP带隙为0.3eV。
8. 一种光电器件，用作权利要求1-7任一权利要求所述的复合逻辑器件，其特征在于：选用220nm SOI衬底作为光子芯片的基底，在硅上刻蚀出三条脊波导，分别为第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，各脊波导两侧，从第一脊波导的外侧至第三脊波导的外侧依次设置第一源电极、第一漏电极、第二源电极和第二漏电极，在硅上沉积蒸镀氧化铝层用于隔离硅和电路，将BP转移到电极和脊波导上，其中，Au与BP接触形成势垒区，第一脊波导贴近第一源电极设置，第二脊波导贴近第二源电极设置，第三脊波导居中设置在第二源电极和第二漏电极之间，将h-BN片层转移至BP之上，用于防止BP与空气中水氧发生光氧化反应。
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