[发明专利]基于闪存技术的非易失性光波导干涉单元

说明书

本发明公开了一种基于闪存结构的非易失性光波导干涉单元。光波导置于缓冲层中间，且位于衬底和背栅阻挡层之间；在缓冲层和背栅阻挡层之间设置有浮栅层，浮栅层一侧向源极延伸且延伸到源极下方但不延伸到缓冲层和背栅阻挡层的外边沿，浮栅层另一侧向漏极延伸但延伸到漏极下方，在遂穿层和漏极之间设置有电荷控制层，电荷控制层一侧延伸到漏极外边沿，电荷控制层另一侧向源极延伸但不接触源极。本发明可对光波导内传输的光信号进行非易失性调控，可消除维持传输状态过程中所产生的功耗，从而有助于降低光通信网络的能耗；具有良好的CMOS工艺兼容性，易于实现大规模集成。

技术领域

本发明涉及集成光电子学领域的一种光学结构单元，特别涉及一种基于闪存技术的非易失性光波导干涉单元。

背景技术

随着大数据、物联网和人工智能的出现，提升处理速度、降低能耗是目前计算系统的发展趋势。大规模光子集成回路具有提高集成度和降低功耗的潜力，且具有系统可重构特性，已被广泛应用于工业领域，例如以超低功耗直接加速矩阵计算，实现高性能的光计算模块。其中光计算模块利用光子传输的高稳定性、强并行能力及纠错设计简单的特点，实现高效率的矩阵-向量或张量-矩阵的密集矩阵计算。而矩阵计算是光计算模块的主要能耗产生部分，若该部分的器件具有非易失的数据保持性能，即无须持续供电，可进一步降低总功耗。即调试好的光学链路，理论上能实现几乎零能耗，仅在切换状态时需消耗一定的能量。同时，结合非易失存储特性以及可重构特性的光子存储器件，可避免到外部存储器的通信路径需求；将光折变存储和处理层相结合，对高复杂度、大数据量计算进行实时并行处理，实现更高性能计算。因此，深入探讨非易失性的光波导干涉单元具有重要意义。将微纳加工精度高和成本低的闪存技术引入光器件中,可弥补光存储器制作工艺上存在的可靠性及可重复性低的问题。同时，受益于与CMOS制造技术的兼容性，可最大化提升成本效益。

石墨烯具有良好的电学、光学特性，利用石墨烯大带宽可调及强光-物质相互作用能力，有助于提高存储级别之间的差异，扩大对光波的调控范围并增加存储级数。而且其优异的电学特性可提高器件的耐受、稳定性以及垂直方向上的进一步缩放；同时，可避免由于传统浮栅层(多晶硅)与光波导折射率相近而产生的插入损耗。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于闪存技术的非易失性硅基光波导干涉单元，即光传输信号存储。

本发明借助闪存技术的非易失性存储特性和浮栅层材料较强的光-物质作用，设计了特殊的浮栅层和电荷控制层，可有效地实现对光信号的非易失性调控。并在移除外部电脉冲后，继续维持原来光信号的传输状态，若将其应用于光学信息交换系统中，可有效降低光信息传输过程中的能耗，利于绿色节能及环保。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括从下到上依次布置的衬底、缓冲层、背栅阻挡层和遂穿层，源极和漏极分别布置在遂穿层上表面的两侧，源极和漏极连接到外部电源；光波导置于缓冲层中间，且位于衬底和背栅阻挡层之间；在缓冲层和背栅阻挡层之间设置有浮栅层，浮栅层一侧向源极延伸且延伸到源极下方但不延伸到缓冲层和背栅阻挡层的外边沿，浮栅层另一侧向漏极延伸但延伸到漏极下方；在遂穿层和漏极之间设置有电荷控制层，电荷控制层一侧延伸到漏极外边沿，电荷控制层另一侧向源极延伸但不接触源极。

本发明的浮栅层置于背栅阻挡层与隧穿层之间，且与漏极在横向上有一定的距离，用以存储电荷；电荷控制层置于漏极与浮栅层之间，且与源极保持适当的距离。

在漏极施加一外部电脉冲，电荷从电荷控制层通过电极控制层/隧穿层势垒隧穿进入浮栅层。由于浮栅层对外绝缘即电荷处于深势阱中，因此可长期存储隧穿进入其内部的电荷。同时，由于浮栅层的介电常数随电荷浓度的变化而改变，因此，根据光学近场效应，通过施加适当的外部电脉冲，即可对光波导的内的传输模式进行调控。