[发明专利]一种与硅光集成工艺兼容的非垂直间接电加热装置

说明书

本发明属于微纳光电子技术领域，具体为一种与硅光集成工艺兼容的非垂直间接电加热装置。本发明的非垂直间接电加热结构包括光波导、相变材料层、绝缘包覆层、加热器、硅通孔（TSV）。其中，相变材料层位于光波导上或嵌入光波导中；加热器及TSV位于绝缘包覆层中相变材料层的上方，不垂直于相变材料层，且垂直或平行于波导。本发明可用于集成光路中光子相变器件的热控制与切换。本发明结合加热器间接加热结构和加热器非垂直设计，避免了额外的损耗，降低了相变材料的受热不均匀，实现了与硅光集成标准工艺兼容。本发明为发展可靠、高效、低损耗、与硅光集成标准工艺兼容的光子相变器件及阵列提供了简便的调控策略。

技术领域

本发明属于微纳光电子技术领域，具体涉及一种与硅光集成工艺兼容的非垂直间接电加热装置。

背景技术

硫系相变材料具有纳秒级切换速度、高耐久性、长保持时间等优点，能够以紧凑的形状同时控制光的振幅和相位，为内存计算、反射显示、可调谐超表面、可重构光子学等先进应用提供了许多高性能光学器件。随着集成光路中光子器件数量的显著增加，全光调控方法对光信号的产生与路由提出了重大挑战。然而，紧凑的电路和多级互连可以直接生成电气控制信号并将其路由到各个光子器件中。因此，开发可靠、高效、高速的电热结构来控制光学相变器件是当今微纳光电子学的研究重点之一。

在目前的硅光集成标准工艺中实现热控制的方法主要有：轻掺杂硅波导直接加热、相变材料直接加热、加热器间接加热。轻掺杂硅波导制造工艺简单且加热均匀，但是会在波导中引入额外的损耗。相变材料直接加热由电极直接与相变材料相连实现，使电流通过相变材料本身，产生焦耳热引发相变；这种加热方法可以实现纳秒（ns）级切换速度和皮焦（pJ）级低能耗，但是结晶过程中形成的局部导电通路会使电流局限于该区域，从而使其他区域的加热和结晶效率显著降低。加热器间接加热由位于波导正上方并嵌入绝缘包覆层中的加热器实现；虽然这种结构加热均匀、工艺简单，但是加热器位置与相变材料窗口重叠，无法通过传统的硅光集成标准工艺实现。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种与硅光集成工艺兼容的非垂直间接电加热装置，以实现集成光路中光子相变器件的热控制与切换。

本发明提供的非垂直间接电加热装置，其结构自下而上分别为：衬底、光波导、相变材料层、绝缘包覆层、加热器、硅通孔（TSV）；其中，相变材料层12为方形，光波导11为长条形，相变材料层12位于光波导11的中间位置的上方，或嵌入光波导11内部；且两者包覆在绝缘包覆层13的中间位置；所述TSV15在加热器14的上方，加热器的两端分别与TSV相连构成电回路；两者在绝缘包覆层13的旁侧位置，即加热器14及TSV15位于绝缘包覆层中相变材料层12的上方，且垂直或平行于光波导11；其底部与相变材料层12有垂直间距（高度差）16，其内侧面与相变材料层12侧面有水平间距17。其中，所述TSV15和加热器14可以是1组、2组、3组或4组，相应的分布在相变材料层12的一侧、两侧、3侧或四侧；加热器14形成对称结构或环绕结构；该加热结构的优点为：不会引入额外损耗、可以通过对称结构或环绕结构的加热器实现均匀加热、工艺过程简便且与硅光集成标准工艺兼容。

可选地，所述非垂直间接电加热装置的光波导可以为条形波导、脊型波导、狭缝波导等中的一种。

可选地，光波导的材料必须在所用光波段（例如C波段和L波段）具有透明窗口，波导材料可以使用Si₃N₄、Si、LiNbO₃等中的一种。

可选地，所述非垂直间接电加热装置中，相变材料层可以为简单的相变材料薄膜或阵列，也可以为具有特殊结构或功能的相变材料器件。

可选地，相变材料层可以覆盖于光波导上方，也可以嵌入光波导内部。

可选地，相变材料层可以通过光吸收产生的热、电产生的焦耳热、热场直接加热等途径中的至少一种，以实现材料的可逆性状态转变。