非揮發性的光學記憶單元的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種非揮發性的光學記憶單元。遂穿層、電荷存儲層、阻擋層和控制柵層依次生長于光波導上，還包括用于增大光波的傳播常數調制范圍的石墨烯層；石墨烯層放置于遂穿層和光波導之間；或放置于遂穿層和電荷存儲層構成的電容之間或者電荷存儲層和控制柵層構成的電容之間；或代替控制柵層；或代替電荷存儲層。本發明適用于非揮發性光學器件，由于浮柵結構的非揮發性存儲特性和石墨烯材料的超強電光效應，施加較小電壓就可較大改變光學器件內傳輸模式的有效折射率，從而實現對光波的非揮發調控；用于集成光學，不需要長期對光學器件供電就可使其保持工作狀態而減小功耗；可采用普通SOI硅片，具有良好CMOS工藝兼容性，實現大規模集成。
【專利說明】非揮發性的光學記憶單元
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學電子領域的一種光學單元，特別涉及一種非揮發性的光學記憶單 J Li 〇
【背景技術】
[0002] 隨著信息的傳輸和處理速度越來越快、數據存儲密度越來越大，普通的電子傳輸 由于其固有特性帶來的局限而使其在速度、容量、空間相容性上的發展受到了限制。而光子 具有超快、相干性強、可載信息量大等獨特的性質，在許多方面彌補了電子傳輸的不足，基 于光波的光信息傳輸、光通信技術發展已經證明了光的優越性。低能耗的需求隨著對更大 數據吞吐量需求的增長而加劇。在光學信息傳輸過程中要持續加電壓才可以維持光學傳輸 狀態，增加了光信息傳輸系統中的能量損耗問題。
[0003] 在電學方面，非揮發性的存儲單元已經得到廣泛的應用，非揮發性存儲單元器，在 隔斷電壓后，內部在通電時維持的光學性質仍舊繼續保存。
[0004] 近年來，由于石墨烯具有良好的電學、光學特性得到業界越來越多的關注。由于石 墨烯的電光特性，即在不同的外加電壓下具有不同的光學電導率，對于光波導中傳輸的模 式有不同的作用；而且，在外部施加較小的電壓，就可以引起石墨烯材料較大的光學電導率 變化。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種非揮發性的光學記憶單元，即光學信號保持單元，借 助浮柵結構的非揮發性存儲特性和石墨烯材料的超強電光效應，可以實現對光波的非易失 性調控。并在斷電的情況下，還可以維持原來的光學性質，若將其應用于光學信息交換系統 中，必將大大減小光信息傳輸過程中的能耗，符合綠色節能。
[0006] 本發明采用的技術方案包括：遂穿層、電荷存儲層、阻擋層和控制柵層依次生長于 光波導上，還包括用于增大傳輸模式的有效折射率調制范圍的石墨烯層。
[0007] 所述的石墨烯層放置于遂穿層和光波導之間，作為導電溝道。
[0008] 所述的石墨烯層放置于遂穿層和電荷存儲層構成的電容之間或者電荷存儲層和 控制柵層構成的電容之間。
[0009] 所述的石墨烯層代替控制柵層。
[0010] 所述的石墨烯層代替電荷存儲層。
[0011] 所述的光學記憶單元應用于光開關、微環、Y分支器、Mach-Zehder干涉器或耦合 器。
[0012] 本發明具有的有益的效果和特點是： 本發明由于浮柵結構的非揮發存儲特性和石墨烯材料的超強電光效應，從而可以實現 對光波的非揮發調控。相較于一般的光學單元，本發明可對光波可實現非揮發性的調控。
[0013] 可將本發明應用于集成光學中，由于該光學記憶單元具有非易失性的特點，所以 可以不需要長期對其供電使其維持工作狀態，這必定會大大減小功耗。而且，可以采用最普 通的SOI硅波導，具有良好的CMOS工藝兼容性，可以實現大規模集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是傳統的基于M0SFET的非揮發性存儲器結構的截面示意圖。
[0015] 圖2是本發明應用的1X2非易失性干涉型光開關的實例圖。
[0016] 圖3是實施例石墨烯層放置于光波導和電荷存儲層之間的結構示意圖。
[0017] 圖4是實施例石墨烯層放置于電荷存儲層和控制柵層之間的結構示意圖。
[0018] 圖5是實施例采用石墨烯層作為電荷存儲層的結構示意圖。
[0019] 圖6是實施例采用石墨烯層作為控制柵層的結構示意圖。
[0020] 圖7是實施例采用石墨烯層作為類似M0SFET溝道的結構示意圖。
[0021] 圖中：1、控制柵層，2、阻擋層，3、電荷存儲層，4、遂穿層，5、光波導，6、背柵電極，7、 源極，8、漏極，9、石墨烯層，10、導電溝道，11、襯底。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0023] 如圖3所示，本發明包括：遂穿層4、電荷存儲層3、阻擋層2和控制柵層1依次生 長于光波導5上，還包括用于增大光波的傳播常數調制范圍的石墨烯層9,用以增大光學調 制效應。其中，石墨烯材料的相對介電常數與其光學電導率有關，而石墨烯層的光學電導率 隨外加電壓的改變而變化，所以，在不同的外加電壓下，其相對介電常數不同。
[0024] 優選的石墨烯層9放置于遂穿層4和光波導5之間，作為導電溝道。在石墨烯層 9的一側加正電壓，另一側接地，在控制柵層1加一正向預偏置電壓，溝道開啟。然后在控 制柵層1上再加一個瞬時脈沖，導電溝道內的電子由于該瞬時脈沖的作用，通過遂穿層4遂 穿并存儲于電荷存儲層3,溝道內的電荷濃度發生變化，即石墨烯層9的光學電導率發生變 化，改變了其相對介電常數，從而改變了光波導的有效折射率。
[0025] 優選的石墨烯層9放置于遂穿層4和電荷存儲層3構成的電容之間或者電荷存儲 層3和控制柵層1構成的電容之間。當石墨烯層9位于電荷存儲層3和控制柵層1構成的 電容之間，石墨烯層9可嵌入阻擋層2任意位置。當在控制柵層1加正向或反向電壓時，電 荷通過遂穿層4遂穿并存儲于電荷存儲層3中，使控制柵層1和電荷存儲層3形成的電容， 或電荷存儲層3和光波導5形成的電容之間的電荷濃度發生改變，電容兩側的電勢差發生 變化，改變了放置于電容之間的石墨烯層9的相對介電常數，從而改變了光波導的有效折 射率。
[0026] 優選的石墨烯層9代替控制柵層1。當在控制柵層1加電壓，電荷會通過遂穿層3 遂穿并存儲于電荷存儲層3,改變了電荷存儲層3的電荷濃度，即改變了由控制柵層1和電 荷存儲層3形成的電容內的電荷濃度，電容層兩側的電勢差改變，使石墨烯層9的相對介電 常數發生變化，從而改變了光波導的有效折射率。
[0027] 優選的石墨烯層9代替電荷存儲層3。當在控制柵層1加電壓，電荷會通過遂穿層 4遂穿并存儲于電荷存儲層3,改變了電荷存儲層3的電荷濃度，即石墨烯層9的光學電導 率發生變化，改變了石墨烯層9的相對介電常數，從而改變了光波導的有效折射率光波導 的有效折射率。
[0028] 本發明的光學記憶單元應用于所有揮發性的光學器件，例如光開關、耦合器、微環 等光學器件，非揮發性即非易失性。
[0029] 圖1顯示的是傳統的基于M0SFET的電學非揮發性存儲器結構，襯底11，背柵電極 6 ;柵堆棧，包括：遂穿層4、電荷存儲層3、阻擋層2和控制柵層1，依次生長于襯底11上，遂 穿層4、阻擋層2均通過氧化物實現。傳統非揮發性存儲器還包括源極7、漏極8。
[0030] 其工作原理為：背柵電極6接地，通過在源極7、漏極8、控制柵層1加電壓，當外加 柵壓大于其閾值電壓時，在襯底11表面形成導電溝道10,電子從溝道向電荷存儲層注入， 或加負柵壓時，電子回落到襯底11，從而實現對器件的編程和擦除，即實現存儲邏輯"1"和 "〇"，電荷存儲層中存儲的電荷由于周邊絕緣層的保護不易丟失，即具有非揮發性。
[0031] 本發明基于圖1中的傳統的非揮發性電學結構，將石墨烯材料引入該結構。當在 本發明外加正向或反向電壓，電子或空穴會從導電溝道10遂穿進入并存儲于電荷存儲層3 中，而且斷電后還能繼續保持原來的狀態。由于電荷存儲層內電荷濃度的變化會影響光波 導的有效折射率，將該非揮發性的光學記憶單元與光學器件相結合，可以實現對光波的非 揮發性調控。
[0032] 由于簡單的遂穿并存儲到電荷存儲層的電荷改變量對光學器件的光學性質影響 較小，所以本發明采用石墨烯的超強電光效應來增強電荷改變量對光波導的有效折射率 的影響，采用上述的結構用以增強電荷存儲層3中電荷的改變量對光學器件的光學性質影 響。同時，由于控制柵層1 一般為金屬材料，形成M-0-S金屬-氧化物-娃結構，即該光學 器件可支持等離子波的傳輸，而等離子波相較于一般的光波對環境的變化更為敏感，所以 可研究基于表面等離子波的非揮發光學器件的特性。
[0033] 可以將本發明與Y分支器、Mach-Zehder干涉器、微環等光學器件相結合，實現對 光波的非揮發性調控。例如，圖2,將本發明置入Mach-Zehder干涉型光開關的一控制臂（圖 中虛線部分)，入射光經過3dB耦合器后，均分為2束，經過控制臂調制后，不同的相位組合 對應著不同的端口輸出；如果不加電壓，控制臂不工作，輸入光波從輸出A端口輸出；如果 在控制臂上加合適(一定幅度和脈寬)的脈沖電壓，就可將光切換到輸出B端口輸出，實現光 切換，而此時無需加持續的電壓來維持該狀態，因此可大大降低器件的功耗，實現該光器件 的非揮發性調制。
[0034] 本發明的實施例如下： 實施例1 : 如圖3所示，本發明包括控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲層3、遂穿層4、光波導5、背柵 電極6、石墨烯層9 ;本發明基于石墨烯材料是電可調的，控制柵極層1、阻擋層2、電荷存儲 層3形成一個平板電容，由于形成的電容中電荷的存儲量改變，石墨烯層的光學電導率會 發生變化，使光波導的有效折射率發生改變，而且存儲在電荷存儲層中的電荷在斷電的情 況下，仍能保持電荷的存儲狀態，所以，如圖3,將石墨烯層9放置于控制柵層1和電荷存儲 層3之間，可以實現非揮發性的光學器件的控制，從而可以優化非揮發性的光學器件的性 能。
[0035] 實施例2 : 如圖4所示，本發明包括控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲層3、遂穿層4、光波導5、背柵 電極6、石墨烯層9 ;本發明基于石墨烯材料是電可調的，電荷存儲層3、遂穿層4、光波導5 形成一個平板電容，由于形成的電容中電荷的存儲量改變，石墨烯層的光學電導率會發生 變化，使光波導的有效折射率發生改變，而且存儲在電荷存儲層中的電荷在斷電的情況下， 仍能保持電荷的存儲狀態，所以，如圖4,將石墨烯層9放置于電荷存儲層3和光波導5之 間，可以實現非揮發性的光學器件的控制，從而可以優化非揮發（易失）性的光學器件的性 能。
[0036] 實施例4 : 如圖5所示，本發明包括控制柵層1、電荷存儲層3、遂穿層4、光波導5、背柵電極6、石 墨烯層；將石墨烯層9作為電荷存儲層，由于石墨烯具有較大的態密度，可增大電荷的存儲 量；而且采用石墨烯材料作為電荷存儲層，其內的電荷濃度改變會使其光學電導率發生變 化，使光波導的有效折射率發生改變，可以以實現光學器件非揮發(易失）性調制。
[0037] 實施例5 : 如圖6所示，本發明包括阻擋層2、電荷存儲層3、遂穿層4、光波導5、背柵電極6、石墨 烯層9 ;本發明基于石墨烯材料是電可調的，控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲層3形成一個 平板電容，由于形成的電容中電荷的存儲量改變，石墨烯層的光學電導率會發生變化，使光 波導的有效折射率發生改變，而且存儲在電荷存儲層中的電荷在斷電的情況下，仍能保持 電荷的存儲狀態；石墨烯有較好的導電特性，和較大的功函數，不僅可以實現電可調，還可 以防止在擦除電荷時產生漏電流；石墨烯的質量較小，可以有效的減小控制柵層1對阻擋 層2的機械應力，所以，如圖6，將石墨烯層9代替控制柵層1，可以實現非揮發性的光學器 件的控制，從而可以優化非揮發性的光學器件的性能。
[0038] 實施例6 : 如圖7所示，本發明包括控制柵層1、阻擋層2、電荷存儲層3、遂穿層4、光波導5、石墨 烯層9 ;將石墨烯層9放置于光波導5之上，遂穿層4之下，其作用類似于圖1中傳統M0SFET 的溝道10 ;在源極和漏極加電壓，形成源漏電流，當控制柵層1加電壓時，石墨烯層9中的 電荷遂穿進入并存儲于電荷存儲層3中，實現電荷的非揮發性存儲，而且石墨烯層9中電荷 量的改變會引起其介電常數的改變，從而實現光學器件的非揮發性調制。
[0039] 由仿真實驗數據可得，將該非揮發性的光學信號保持單元置入Mach-Zehder干涉 型光開關的一臂，當不加電壓時，該調制臂的有效折射率為n rffl，加電壓后，該調制臂的有 效折射率neff2，有效折射率的改變量Λη，即調制范圍為ΚΓ 3到ΚΓ2,所以要改變π相位差， 調制臂長L僅需幾十到幾百微米；而且吸收系數Λ α的改變量為KTMB/um。
[0040] 所以，將該非揮發性光學記憶單兀置入于光學器件，如Y分支器、Mach-Zehder干 涉器、微環、耦合器等，可對光學性質實現非揮發性的調控。
[0041] 上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的 精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范 圍。
【權利要求】
1. 一種非揮發性的光學記憶單元，遂穿層（4)、電荷存儲層（3)、阻擋層（2)和控制柵層 (1)依次生長于光波導（5)上，其特征在于：還包括用于增大傳輸模式的有效折射率調制范 圍的石墨稀層（9)。
2. 根據權利要求1所述的一種非揮發性的光學記憶單元，其特征在于：所述的石墨烯 層（9)放置于遂穿層（4)和光波導（5)之間，作為導電溝道。
3. 根據權利要求1所述的一種適非揮發性的光學記憶單元，其特征在于：所述的石墨 烯層（9 )放置于遂穿層（4)和電荷存儲層（3 )構成的電容之間或者電荷存儲層（3 )和控制 柵層（1)構成的電容之間。
4. 根據權利要求1所述的一種非揮發性的光學記憶單元，其特征在于：所述的石墨烯 層（9)代替控制柵層（1)。
5. 根據權利要求1所述的一種非揮發性的光學記憶單元，其特征在于：所述的石墨烯 層（9)代替電荷存儲層（3)。
6. 根據權利要求1所述的一種非揮發性的光學記憶單元，其特征在于：所述的光學記 憶單元應用于光開關、微環、Y分支器、Mach-Zehder干涉器或耦合器。
【文檔編號】G02F1/01GK104062775SQ201410303613
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2014年6月30日
【發明者】李燕, 徐超, 余輝, 楊建義, 江曉清 申請人:浙江大學