[发明专利]采用光波导作为浮栅电极的固态器件

说明书

一种半导体器件包括可以以非易失性方式充电的浮栅。浮栅也被构造为光波导，并且可以光耦合到光子电路(如干涉仪)。

相关申请的交叉引用

本专利合作条约专利申请要求2020年4月24日提交的标题为“Floating GateWaveguide Nonvolatile Optical Switching(浮栅波导非易失性光开关)”的第63/014,806号美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用以其整体合并于此。

技术领域

本文描述的实施例涉及包括一个或多个配置为用于电荷的非易失性存储的浮栅的光波导的固态器件。

背景技术

半导体器件可以包括浮栅，该浮栅可以通过穿过绝缘层的量子力学隧穿进行充电或放电。更具体地，设置在绝缘层上方的控制栅电极可以被驱动到指定电压，以从浮栅感应或去除电荷载流子。在这些构造中，浮栅的充电状态可以用作数字电路的非易失性存储器。

在某些应用中，可以选择光子电路来代替半导体电路，以降低功耗和/或提高性能。光子电路可以包括多个光波导，这些光波导被配置为将光引导到一个或多个无源或有源光电路、光子电路、延迟环、输入/输出面等，并在它们之间引导光。然而，传统的光子电路是无法实现为非易失性存储器。

发明内容

本文描述的实施例可以采用半导体器件的形式，该半导体器件至少包括源电极、控制电极、绝缘层以及通过绝缘层与源电极和控制电极隔开的浮栅。对于本文所述的构造，浮栅是光耦合到光子电路的光波导

在这些构造中，浮栅可以通过量子隧穿(例如，Fowler-Nordheim隧穿和/或热载流子注入)通过绝缘层充电或放电。在绝缘层中，浮栅以非易失性方式保持其带电或不带电状态。

如上所述，对于本文所述的构造，浮栅还用作光波导。如本领域技术人员所知，光波导中是否存在电荷会影响该光波导的折射率。由于这种光电效应，光波导/浮栅的折射率在浮栅的充电状态和未充电状态之间是不同的。此外，因为浮栅的带电状态或不带电状态是非易失性的，所以光波导的折射率也可以以非易失性方式修改/可变。这样，光波导可以用作非易失性光开关的一部分。

更一般地和更广泛地，本文描述的构造可以用来形成用于光子电路的非易失性存储单元。

相关和另外的实施例可以包括这样的配置，其中绝缘层包括将源电极与浮栅分离的第一部分和将控制电极与浮栅分离的第二部分。第一部分和第二部分可以形成为不同的厚度，以促使电荷保留在浮栅/光波导中。在其他情况下，绝缘层的第二部分可以是氧化物-氮化物-氧化物介电层。

在一些构造中，包括光波导的光子电路包括干涉仪，例如马赫-曾德尔干涉仪。在这些示例中，光波导/浮栅的电荷状态引入或不引入穿过其中的光(例如，红外光)的相移。

通过两条或多条路径将输入到光子电路的光分支，其中一条通过光波导/浮栅，并在一个或多个输出端处重新组合这些路径，光波导/浮栅引入的任何相移在重新组合输出端处引起相长干涉或相消干涉，从而确定每个输出端的光量。在更简单的表述中，浮栅的电荷状态以非易失性方式控制光如何(或是否)通过光子电路。

本文描述的实施例还可以采用半导体器件的形式，该半导体器件至少包括导电元件、设置在导电元件下方的层状电介质以及形成为与层状电介质的氧化硅层接合的硅波导。与其他示例一样，硅波导可以光耦合到光子电路(例如马赫-曾德尔干涉仪、环形谐振器等)。

此外，与本文所述的其他实施例一样，硅波导可以从导电元件电去耦。作为这种构造的结果，响应于施加到导电元件的电压，硅波导通过影响硅波导的折射率变化的量子隧穿效应来累积电荷。这种折射率变化可以用作非易失性光存储器和/或非易失性光开关。在高阶构造中，如本文所述的半导体器件可用于硅和/或光子电路，诸如存储单元、现场可编程光子门阵列等。可以实施具有任何合适复杂度或规模的任何合适光子电路以利用本文描述的系统和方法。

附图简单说明