CN116819844A - 基于mzi结构的光子器件、网络加速硬件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于MZI结构的光子器件、网络加速硬件及制备方法。所述方法包括：MZI波导、相变层、ITO顶电极层、Au电极和氧化保护层；相变层生长在MZI波导任一臂上，相变层为硫系化合物材料层，ITO顶电极层生长在相变层上，Au电极分别连接在ITO顶电极层的两端；氧化保护层覆盖在相变层和ITO顶电极层上。该相变材料本身具有非易失性，不需要持续供能即可保持状态，从而大大降低功耗。
Description
技术领域
本申请涉及微纳光电子器件技术领域，特别是涉及一种基于MZI结构的光子器件、网络加速硬件及制备方法。
背景技术
基于硅光平台的光子器件为构建光子神经网络加速平台提供重要器件支撑，光子器件的透过率表示神经网络权重，可通过光、电或热等激励改变光子器件的透过率，从而实现多值特性。其中，马赫曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer，MZI)是最常用的一种光子器件。
MZI是用于观测将一束光从单独的光源分裂为两束，并通过不同的路径和介质传播后产生相移变化的结构。在硅光电路中，MZI具体实现方式为：将输入波导通过一个分束器分裂成两条波导，两条波导再通过一个合束器结合，得到输出波导。光在MZI内部的两条路径传播时可产生不同程度的相移，最终影响输出光的强度。
然而，上述传统的多值光子器件存在功耗高的技术问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于MZI结构的光子器件、一种网络加速硬件和一种基于MZI结构的光子器件制备方法。
为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
一方面，提供一种基于MZI结构的光子器件，包括：MZI波导、相变层、ITO顶电极层、Au电极和氧化保护层；相变层生长在MZI波导任一臂上，相变层为硫系化合物材料层，ITO顶电极层生长在相变层上，Au电极分别连接在ITO顶电极层的两端；氧化保护层覆盖在相变层和ITO顶电极层上。
在一个实施例中，相变层为SbS材料层或SbSe材料层。
在一个实施例中，MZI波导为SOI波导或SiN波导。
在一个实施例中，氧化保护层为SiO2保护层或Al2O3保护层。
在一个实施例中，MZI波导的宽度为500nm，MZI波导的高度为100nm，相变层的厚度为30nm，ITO顶电极层的厚度为60nm，Au电极的厚度为120nm。
另一方面，还提供一种网络加速硬件，包括上述基于MZI结构的光子器件又一方面，还提供一种基于MZI结构的光子器件制备方法，包括步骤：
对衬底进行标准RCA工艺清洗后，烘干衬底。
在衬底上利用ICP刻蚀工艺按照设定波导尺寸制作MZI波导；设定波导尺寸包括MZI波导的宽度和高度。
利用磁控溅射方法在MZI波导的任一条臂上生长相变层；相变层的材料处于非晶态，相变层为硫系化合物材料层。
利用磁控溅射方法在相变层上生长ITO顶电极层，在ITO顶电极层的两端生长Au电极。
利用磁控溅射方法在相变层和ITO顶电极层上生长一层致密的氧化保护层。
在一个实施例中，MZI波导的宽度为500nm，MZI波导的高度为100nm，相变层的厚度为30nm，ITO顶电极层的厚度为60nm，Au电极的厚度为120nm。
在一个实施例中，在衬底上利用ICP刻蚀工艺按照设定波导尺寸制作MZI波导的步骤，还包括：在衬底上形成第一光刻胶层；第一光刻胶层的图形与MZI波导的图形相同；根据第一光刻胶层的图形对衬底进行ICP刻蚀，获得初步MZI波导构件；采用丙酮浸泡初步MZI波导构件，剥离初步MZI波导构件上的第一光刻胶层，获得MZI波导；依次用无水乙醇和去离子水洗净MZI波导；用氮气枪吹干MZI波导。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件制备方法还包括：通过所述光刻工艺在衬底构件形成第二光刻胶层；所述第二光刻胶层的开窗部分图形与目标层的图形相同，所述目标层为所述相变层、所述ITO顶电极层、所述Au电极或所述氧化保护层；根据所述第二光刻胶层的图形，利用磁控溅射方法生长所述目标层，获得初步目标层构件；采用丙酮浸泡所述初步目标层构件，剥离所述初步目标层构件上的所述第二光刻胶层，获得所述目标层构件；依次用无水乙醇和去离子水洗净所述目标层构件；用氮气枪吹干所述目标层构件。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
上述基于MZI结构的光子器件、网络加速硬件及制备方法，由于硫系化合物之间存在相变，在不同相态之间具有较大的折射率差异，因此采用硫系化合物作为相变层的相变材料，根据不同的激励电压改变该臂的相位，进而实现不同结构的透过率，通过不断改变激励电压从而改变透过率，从而实现多值特性。与此同时，该相变材料本身具有非易失性，不需要持续供能即可保持状态，从而大大降低功耗。
此外，该类相变材料的吸收系数非常低，也即转移损耗少，有利于器件的透过率，因为转移损耗少，所以可以使用相对较小的器件尺寸也能起到相同效果，减小器件尺寸可以降低静功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中基于MZI结构的光子器件结构示意图；
图2为一个实施例中基于MZI结构的光子器件制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。
在研究实现本申请的过程中，发明人发现当前的大多数多值光子器件都是易失性的，其计算时必须一直施加激励，从而难以实现低功耗；与此同时，发明人发现硫系化合物相变材料具有非易失性，且不同状态间的巨大折射率差异特性，从而为构建非易失的多值光子器件提供了一种新的基础，在此基础上可以构建非易失、高能效和高算力的光子神经网络硬件。
对此，本发明的光子器件，采用硫系化合物作为相变层的相变材料，根据不同的激励电压改变该臂的相位，进而实现不同结构的透过率，通过不断改变激励电压从而改变透过率，从而实现多值特性。与此同时，该相变材料本身具有非易失性，不需要持续供能即可保持状态，从而大大降低功耗。此外，该类相变材料的吸收系数非常低，也即转移损耗少，有利于器件的透过率，因为转移损耗少，所以可以使用相对较小的器件尺寸也能起到相同效果，减小器件尺寸可以降低静功耗。
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，本申请实施例提供了一种基于MZI结构的光子器件，包括MZI波导、相变层、ITO顶电极层、Au电极和氧化保护层：相变层生长在MZI波导任一臂上，相变层为硫系化合物材料层，ITO顶电极层生长在相变层上，Au电极分别连接在ITO顶电极层的两端；氧化保护层覆盖在相变层和ITO顶电极层上。
可以理解，MZI波导有两条光传输臂，在MZI波导的任意一条波导臂上生长了一层相变层，光传输臂的横截面可以为矩形、圆形或椭圆形等各种形状，当光传输臂的横截面为矩形时，相变层可以覆盖任一条波导臂的三个面，也可以灵活调整覆盖的面数，相变层的长度可以等于臂长，也可以小于臂长，只要相变层能改变光在波导臂中的传输相位即可，因为硫系化合物在不同相态之间具有较大的折射率差异，且本身具有非易失性，所以相变层的相变材料采用硫系化合物。
在相变材料层上面，再生长了一层ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)作为顶电极层。ITO作为透明导电材料，可以在相变材料层上方施加电场，并与下方的相变材料层形成电容结构。通过施加不同电压来调节相变材料的电场强度，改变其折射率。此外，ITO顶电极层可以为相变材料提供导电路径，将Au电极与相变材料层连接，将外部施加的电压传导至相变层，与此同时，ITO顶电极层覆盖相变材料层表面，可以形成更均匀的电场分布，避免局部电场集中对相变材料的损坏。
在ITO顶电极层的两端，连接了Au电极，用于对相变材料层施加电压，并且，Au作为优良的导电材料，提高了电压和电流的导电效率。
在相变材料层和ITO顶电极层之上，又覆盖了一层氧化保护层，用于保护内层材料，可以防止相变层材料遭受环境氧化或损坏，氧化保护层同时也覆盖在ITO顶电极层上方，防止ITO顶电极层氧化或剥落。氧化保护层还可以形成隔绝层，防止湿气接触相变层和ITO顶电极层。通过保护内层材料，使得器件长期工作时结构稳定性更好。此外，氧化保护层具有绝缘电性，可以防止电流泄露。
上述基于MZI结构的光子器件，由于硫系化合物之间存在相变，在不同相态之间具有较大的折射率差异，因此采用硫系化合物作为相变层的相变材料，根据不同的激励电压改变该臂的相位，进而实现不同结构的透过率，通过不断改变激励电压从而改变透过率，从而实现多值特性。与此同时，该相变材料本身具有非易失性，不需要持续供能即可保持状态，从而大大降低功耗。该类相变材料的吸收系数非常低，也即转移损耗少，有利于器件的透过率，因为转移损耗少，所以可以使用相对较小的器件尺寸也能起到相同效果，减小器件尺寸可以降低静功耗。
此外，在MZI波导臂上集成相变层和电极，可以通过施加电压调控相变材料的折射率，实现对光传输的调制。相变层生长在任一波导臂上，增加了调控结构的设计灵活性。ITO顶电极层可以形成更均匀的电场分布，有利于提高调控性能。ITO顶电极层和Au电极的设计实现了相变层的导电连接和电压加载。氧化保护层可以起到保护和封装相变层的作用。该设计提高了器件的稳定性与可靠性。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件，相变层为SbS材料层或SbSe材料层。
可以理解，SbS和SbSe均为硫系化合物，相比于其他硫系化合物：SbS和SbSe的折射率在结晶和非晶态之间变化较大，调变范围更广；SbS和SbSe的晶态转变温度较低，更适合在室温条件下调制；SbS和SbSe由非晶向晶态的转变速率很快，响应时间短；SbS和SbSe能够实现重复可逆的非晶-晶态转变，稳定可靠。此外，SbS和SbSe的相变动力学特性会使器件的驱动电压较低，从而降低功耗；SbS和SbSe的电阻率较高，可以减少通过器件的电流消耗；SbS和SbSe的相变动力学响应迅速，减少转换过程中的损耗。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件，MZI波导为SOI波导或SiN波导。
可以理解，SOI和SiN材料具有很低的损耗，可以实现更长距离的低损耗光传播；SOI和SiN波导可以实现高折射率差，光可以被很好地限制在波导芯中；SOI和SiN波导制作工艺成熟，尺寸精度高，更容易实现单模传输；SOI波导可以与硅制程器件无缝集成，SiN也有良好兼容性；SOI和SiN波导有更好的温度稳定性和长期稳定性。此外，SOI和SiN波导光学性能稳定，不会因工作时长增加功耗。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件，氧化保护层为SiO2保护层或Al2O3保护层。
可以理解，SiO2和Al2O3都是绝缘性能优异的材料，可以有效防止电流泄露；SiO2和Al2O3具有密实的氧化层结构，可以很好地隔绝环境气体对相变层和ITO顶电极层的侵蚀；SiO2和Al2O3与硫系相变材料有较好的热膨胀系数匹配性，有利于提高热稳定性；SiO2尤其可以无缝集成到硅光子器件工艺中；以上特性可以大大提高器件的可靠性和稳定性。此外，SiO2和Al2O3都是低损耗的光学材料；SiO2和Al2O3与相变层热匹配性好，简化了温升导致的损耗。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件，MZI波导的宽度为500nm，MZI波导的高度为100nm，相变层的厚度为30nm，ITO顶电极层的厚度为60nm，Au电极的厚度为120nm。
可以理解，本领域技术人员可以根据本领域知识对本申请的基于MZI结构的光子器件各部件尺寸进行设计，而采用本实施例的技术尺寸，具有更好的效果：
1.调制窗口大，可以满足器件的开关要求，对比度可以达到20dB以上。2.传输损耗低，由于所采用的材料对光均具有极低的吸收率，因此光通过器件的传输损耗非常低。3.操作电压低，通过施加15/12V的1ms/1us的脉冲即可完成对器件的操控，实现器件的多值调制，状态数超过16个，足够用以模拟神经突触的多值特性。
在一个实施例中，提供了一种神经网络加速硬件，包括上述任一的实施例提供的基于MZI结构的光子器件。
可以理解，关于神经网络加速硬件中基于MZI结构的光子器件的结构，可以参照上述基于MZI结构的光子器件各实施例中的相应结构同理理解，在此不再重复赘述。
上述神经网络加速硬件，由于硫系化合物之间存在相变，在不同相态之间具有较大的折射率差异，因此采用硫系化合物作为相变层的相变材料，根据不同的激励电压改变该臂的相位，进而实现不同结构的透过率，通过不断改变激励电压从而改变透过率，从而实现多值特性。与此同时，该相变材料本身具有非易失性，不需要持续供能即可保持状态，从而大大降低功耗。该类相变材料的吸收系数非常低，也即转移损耗少，有利于器件的透过率，因为转移损耗少，所以可以使用相对较小的器件尺寸也能起到相同效果，减小器件尺寸可以降低静功耗。
此外，在MZI波导臂上集成相变层和电极，可以通过施加电压调控相变材料的折射率，实现对光传输的调制。相变层生长在任一波导臂上，增加了调控结构的设计灵活性。ITO顶电极层可以形成更均匀的电场分布，有利于提高调控性能。ITO顶电极层和Au电极的设计实现了相变层的导电连接和电压加载。氧化保护层可以起到保护和封装相变层的作用。该设计提高了器件的稳定性与可靠性。
在一个实施例中，如图2所示，提供一种基于MZI结构的光子器件制备方法，包括步骤S11-S15：
可以理解，关于基于MZI结构的光子器件制备方法中各部件结构可以参照上述基于MZI结构的光子器件各实施例中的相应结构同理理解，在此及后文不再重复赘述。
S11，对衬底进行标准RCA工艺清洗后，烘干衬底。
可以理解，对衬底进行标准RCA工艺清洗并烘干，可以有效去除衬底表面的各种污染，为后续工艺准备干净的衬底。衬底材料可以使用SiO2，还可以使用Si，只要与各层材料契合，保证材料和器件的质量即可。
S12，在衬底上利用ICP刻蚀工艺按照设定波导尺寸制作MZI波导；设定波导尺寸包括MZI波导的宽度和高度。
可以理解，对衬底利用ICP刻蚀工艺进行刻蚀，得到MZI波导，波导的材料即为衬底材料，设定波导尺寸可根据需求确定，设定波导尺寸包括MZI波导的宽度和高度。在进行刻蚀之前，需要获得MZI波导的图形，可以使用电子束直接描绘法，通过电子束在衬底上直接描绘出MZI波导图案作为掩模，也可以使用3D打印技术打印出MZI波导形状的掩模，还可以使用光刻工艺，获得与MZI波导图形相同的光刻胶层作为掩模。在进行ICP刻蚀时，由于掩模对衬底表面起遮蔽作用，所以刻蚀会被限制在掩模开窗区域，从而避免了刻蚀扩展到被掩模遮蔽的衬底区域。
S13，利用磁控溅射方法在MZI波导的任一条臂上生长相变层；相变层的材料处于非晶态，相变层为硫系化合物材料层。
可以理解，因为硫系化合物在不同相态之间具有较大的折射率差异，且本身具有非易失性，所以相变层的相变材料采用硫系化合物。
可以使用电子束直接描绘法，通过电子束在衬底上直接描绘出相变层图案作为掩模的开窗区域，也可以使用3D打印技术打印出相变层形状的掩模的开窗区域，还可以使用光刻工艺，获得开窗区域图形与相变层图形相同的光刻胶层作为掩模。在掩模的开窗区域利用磁控溅射方法生长相变层，由于掩模对衬底表面起遮蔽作用，可以限制相变层仅在开窗区域进行生长，由于开窗区域与相变层图像相同，所以可以精确控制相变层的沉积范围和形状。
S14，利用磁控溅射方法在相变层上生长ITO顶电极层，在ITO顶电极层的两端生长Au电极。
可以理解，ITO顶电极层或Au电极的制作过程可以参照上述相变层的制作过程，可以使用电子束直接描绘法，通过电子束在衬底上直接描绘出ITO顶电极层或Au电极图案作为掩模的开窗区域，也可以使用3D打印技术打印出ITO顶电极层或Au电极形状的开窗区域的掩模，还可以使用光刻工艺，获得开窗区域与ITO顶电极层或Au电极图形相同的光刻胶层作为掩模。在掩模的开窗区域利用磁控溅射方法生长ITO顶电极层或Au电极，由于掩模对衬底表面起遮蔽作用，可以限制ITO顶电极层或Au电极仅在开窗区域进行生长，由于开窗区域与ITO顶电极层/Au电极图像相同，所以可以精确控制ITO顶电极层或Au电极的沉积范围和形状。
S15，利用磁控溅射方法在相变层和ITO顶电极层上生长一层致密的氧化保护层。
可以理解，氧化保护层的制作过程可以参照上述相变层的制作过程，在此不再重复赘述。
上述基于MZI结构的光子器件制备方法，由于硫系化合物之间存在相变，在不同相态之间具有较大的折射率差异，因此采用硫系化合物作为相变层的相变材料，根据不同的激励电压改变该臂的相位，进而实现不同结构的透过率，通过不断改变激励电压从而改变透过率，从而实现多值特性。与此同时，该相变材料本身具有非易失性，不需要持续供能即可保持状态，从而大大降低功耗。该类相变材料的吸收系数非常低，也即转移损耗少，有利于器件的透过率，因为转移损耗少，所以可以使用相对较小的器件尺寸也能起到相同效果，减小器件尺寸可以降低静功耗。
此外，在MZI波导臂上集成相变层和电极，可以通过施加电压调控相变材料的折射率，实现对光传输的调制。相变层生长在任一波导臂上，增加了调控结构的设计灵活性。ITO顶电极层可以形成更均匀的电场分布，有利于提高调控性能。ITO顶电极层和Au电极的设计实现了相变层的导电连接和电压加载。氧化保护层可以起到保护和封装相变层的作用。该设计提高了器件的稳定性与可靠性。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件制备方法，MZI波导的宽度为500nm，MZI波导的高度为100nm，相变层的厚度为30nm，ITO顶电极层的厚度为60nm，Au电极的厚度为120nm。
关于基于MZI结构的光子器件制备方法中光子器件的尺寸，可以参照上述基于MZI结构的光子器件各实施例中的相应尺寸同理理解，此处及后文中将不再重复赘述。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件制备方法中，制作MZI波导的步骤还包括：
在衬底上形成第一光刻胶层；第一光刻胶层的图形与MZI波导的图形相同。
可以理解，光刻工艺是一种利用光的照射和化学处理，在衬底表面形成设定图案的微纳制造技术。为了在衬底上制作MZI波导，需要先通过光刻在衬底上形成与波导图案相同的第一光刻胶层。具体步骤是：在清洁的衬底表面上先旋涂一层均匀的光刻胶，然后通过曝光和显影，在光刻胶层上形成开窗的波导图案。这层图案化的第一光刻胶层的作用是作为后续刻蚀过程的掩模，在衬底上保留波导区域，进而形成设计的MZI波导图案。通过这种光刻工艺，可以精确地在衬底上制作出微米甚至纳米级别的光波导结构。
根据第一光刻胶层的图形和设定波导尺寸对衬底进行ICP刻蚀，获得初步MZI波导构件。
可以理解，在进行ICP刻蚀时，第一光刻胶层上的图案起到掩模的作用，实际的刻蚀过程被限制在第一光刻胶层图案开窗的区域，遮蔽区域的衬底不会被刻蚀，从而避免了刻蚀的扩展和对图案的破坏。通过控制刻蚀参数和时间，可以精确刻蚀出设计深度的MZI波导。获得的初步MZI波导构件，是图案化的第一光刻胶层和所刻蚀形成的衬底波导结构的复合体。
采用丙酮浸泡初步MZI波导构件，剥离初步MZI波导构件上的第一光刻胶层，获得MZI波导。
可以理解，初步MZI波导构件由图案化的第一光刻胶层和衬底刻蚀形成的波导结构复合而成。为了获得仅有衬底波导结构的最终MZI波导，需要移除第一光刻胶层。丙酮是一种常用的光刻胶溶剂，可以溶解硬化的光刻胶。通过在丙酮溶液中浸泡初步MZI波导构件一定时间，第一光刻胶层会被丙酮溶解，从而获得MZI波导。
依次用无水乙醇和去离子水洗净MZI波导，用氮气枪吹干MZI波导。
可以理解，在使用丙酮溶解并剥离首层光刻胶后，MZI波导表面会残留些许杂质，为了后续工艺，需要将MZI波导表面进一步洗净。首先使用无水乙醇溶液浸泡清洗，乙醇可以溶解丙酮等有机残留，其次使用高纯度的去离子水溶液浸泡清洗，移除无机盐类及微粒污染。洗净后的MZI波导表面应无杂质，但表面会残留洗净液，使用氮气枪吹干MZI波导，可以快速移除表面液滴，避免污染，获得了洁净干燥的MZI波导。
在一个实施例中，上述基于MZI结构的光子器件制备方法，还包括：
在衬底构件形成第二光刻胶层；第二光刻胶层的开窗部分图形与目标层的图形相同，目标层为相变层、ITO顶电极层、Au电极或氧化保护层。
可以理解，在进行不同的目标层(相变层、ITO顶电极层、Au电极或氧化保护层)制作之前，需在不同的衬底构件上形成不同图案的第二光刻胶层。在进行相变层的制作之前，需使用光刻工艺在衬底构件(MZI波导)上形成开窗部分图形与相变层图形相同的第二光刻胶层；在进行ITO顶电极层的制作之前，需使用光刻工艺在衬底构件(MZI波导和相变层的复合构件)上形成开窗部分图形与ITO顶电极层图形相同的第二光刻胶层；在进行Au电极的制作之前，需使用光刻工艺在衬底构件(MZI波导、相变层和ITO顶电极层的复合构件)上形成开窗部分图形与Au电极图形相同的第二光刻胶层；在进行氧化保护层制作之前，需使用光刻工艺在衬底构件(MZI波导、相变层、ITO顶电极层和Au电极的复合构件)上形成开窗部分图形与氧化保护层图形相同的第二光刻胶层。
根据第二光刻胶层的图形，利用磁控溅射方法生长目标层，获得初步目标层构件。
可以理解，利用磁控溅射仪，以目标层材料作为靶材，在氩气等离子体环境下，向样品溅射目标材料粒子。目标材料粒子沉积在第二光刻胶层开口区域，形成目标层。通过控制溅射时间，可以获得设计厚度的目标层沉积。最终获得图案化第二光刻胶层与目标层复合构成的初步目标层构件。该工艺可以精确地在光刻定义区域生长目标层。
采用丙酮浸泡初步目标层构件，剥离初步目标层构件上的第二光刻胶层，获得目标层构件，依次用无水乙醇和去离子水洗净目标层构件，用氮气枪吹干目标层构件。
可以理解，初步目标层构件是图案化第二光刻胶层与目标层构成的符合构件，为了获得最终目标层构件，需要移除第二光刻胶层。关于本实施例中移除第二光刻胶层的具体步骤可以参照制作MZI波导中移除第一光刻胶层的具体步骤同理理解，在此不再赘述。
光刻作为微电子工业中的关键技术，可实现大批量并行生产，同时还具备精密的对齐功能。此外，光刻可设计各种复杂的光学结构，不受结构限制。其次，光刻胶层可在等离子刻蚀过程中提供优良的选择比，有利于后续光刻胶的完整移除。光刻胶本身也具有较高的机械强度，可以抵抗刻蚀过程中的等离子体轰击。通过控制曝光量，可灵活定义光刻胶的形状和尺寸。最后，光刻可精确定义纳米级的结构，具有很高的分辨率，并且光刻的普适性强，可应用于各类材料的衬底上。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于MZI结构的光子器件，其特征在于，包括MZI波导、相变层、ITO顶电极层、Au电极和氧化保护层；
所述相变层生长在所述MZI波导任一臂上，所述相变层为硫系化合物材料层，所述ITO顶电极层生长在所述相变层上，所述Au电极分别连接在所述ITO顶电极层的两端；所述氧化保护层覆盖在所述相变层和所述ITO顶电极层上。
2.根据权利要求1所述的基于MZI结构的光子器件，其特征在于，所述相变层为SbS材料层或SbSe材料层。
3.根据权利要求1或2所述的基于MZI结构的光子器件，其特征在于，所述MZI波导为SOI波导或SiN波导。
4.根据权利要求3所述的基于MZI结构的光子器件，其特征在于，所述氧化保护层为SiO2保护层或Al2O3保护层。
5.根据权利要求4所述的基于MZI结构的光子器件，其特征在于，所述MZI波导的宽度为500nm，所述MZI波导的高度为100nm，所述相变层的厚度为30nm，所述ITO顶电极层的厚度为60nm，所述Au电极的厚度为120nm。
6.一种神经网络加速硬件，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的基于MZI结构的光子器件。
7.一种基于MZI结构的光子器件制备方法，其特征在于，包括步骤：
对衬底进行标准RCA工艺清洗后，烘干所述衬底；
在所述衬底上利用ICP刻蚀工艺按照设定波导尺寸制作MZI波导；所述设定波导尺寸包括所述MZI波导的宽度和高度；
利用磁控溅射方法在所述MZI波导的任一条臂上生长相变层；所述相变层的材料处于非晶态，所述相变层为硫系化合物材料层；
利用磁控溅射方法在所述相变层上生长ITO顶电极层，在所述ITO顶电极层的两端生长Au电极；
利用磁控溅射方法在所述相变层和所述ITO顶电极层上生长一层致密的氧化保护层。
8.根据权利要求7所述的基于MZI结构的光子器件制备方法，其特征在于，所述MZI波导的宽度为500nm，所述MZI波导的高度为100nm，所述相变层的厚度为30nm，所述ITO顶电极层的厚度为60nm，所述Au电极的厚度为120nm。
9.根据权利要求7所述的基于MZI结构的光子器件制备方法，其特征在于，在所述衬底上利用ICP刻蚀工艺按照设定波导尺寸制作MZI波导的步骤，还包括：
在所述衬底上形成第一光刻胶层；所述第一光刻胶层的图形与所述MZI波导的图形相同；
根据所述第一光刻胶层的图形对所述衬底进行ICP刻蚀，获得初步MZI波导构件；
采用丙酮浸泡所述初步MZI波导构件，剥离所述初步MZI波导构件上的所述第一光刻胶层，获得所述MZI波导；
依次用无水乙醇和去离子水洗净所述MZI波导；
用氮气枪吹干所述MZI波导。
10.根据权利要求7所述的基于MZI结构的光子器件制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在衬底构件形成第二光刻胶层；所述第二光刻胶层的开窗部分图形与目标层的图形相同，所述目标层为所述相变层、所述ITO顶电极层、所述Au电极或所述氧化保护层；
根据所述第二光刻胶层的图形，利用磁控溅射方法生长所述目标层，获得初步目标层构件；
采用丙酮浸泡所述初步目标层构件，剥离所述初步目标层构件上的所述第二光刻胶层，获得所述目标层构件；
依次用无水乙醇和去离子水洗净所述目标层构件；
用氮气枪吹干所述目标层构件。
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| CN202310866601.XA CN116819844A (zh) | 2023-07-14 | 2023-07-14 | 基于mzi结构的光子器件、网络加速硬件及制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117631336A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-01 | 光本位科技(苏州)有限公司 | 一种光波导及其制备方法 |
| CN117706811A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-15 | 光本位科技(苏州)有限公司 | 一种光波导及其制备方法 |
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