基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法技术

一种基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法。光开关由下到上依次为单晶硅衬底、二氧化硅埋层、单晶硅n型掺杂层、绝缘二氧化硅层、单晶硅浮栅层、氧氮氧隔离层、单晶硅p型掺杂层、二氧化硅上包层和金属电极，本发明专利技术整体上包含两个串联连接的浮栅电容，浮栅内的载流子浓度可通过电子隧穿效应改变。由于载流子色散效应导致波导有效折射率的改变，从而可实现对光路的调控。切换后的光路可以在电压断掉后还能保持原状态，在光通信和光互连数据交换领域具有广阔的应用前景。

State nonvolatile optical switch based on floating gate charging and discharging and its preparation method

A state nonvolatile optical switch based on floating gate charging and discharging and its preparation method. From bottom to top, the optical switch is in turn a single crystal silicon substrate, a silicon dioxide buried layer, a single crystal silicon n-type doping layer, an insulated silicon dioxide layer, a single crystal silicon floating gate layer, an oxygen-nitrogen-oxygen isolation layer, a single crystal silicon p-type doping layer, a silicon dioxide upper cladding layer and a metal electrode. The invention comprises two floating gate capacitors connected in series, and a load in the floating gate. The flow concentration can be changed by electron tunneling. Due to carrier dispersion effect, the effective refractive index of the waveguide is changed, and the optical path can be controlled. The switched optical path can keep its original state even after the voltage is cut off. It has broad application prospects in the field of optical communication and optical interconnection data exchange.

【技术实现步骤摘要】
基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法
本专利技术涉及硅基集成光电子学中的光开关及光交换器件，特别是一种基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法。
技术介绍
集成硅基光开关有着低功耗、响应迅速、易于集成和CMOS工艺兼容等优势，在大数据和云计算飞速发展的背景下，在光通信的数据路由和交换领域，拥有极大的应用前景，为解决传统电信号的带宽限制，实现下一代高速全光交换网络提供了可能。集成光开关的实现方式有多种，加州大学伯克利分校研究出基于微机电系统(MEMS)的光学开关获得了很低的光信号损耗和驱动电功耗，但是在响应速度、所需驱动电压幅值和稳定性方面均逊色于基于载流子色散效应的硅基光开关。硅基光开关技术有着很多优点，如功耗低、响应迅速、易于集成、成本低等。在单元结构方面，硅基光开关主要使用的是微环谐振器(MRR)和马赫增德尔干涉仪(MZI)两种基本结构。在微环谐振器中，利用微环的谐振特性来控制光路的通断；马赫增德尔干涉仪中，利用干涉仪双臂的相位差来实现不同光路切换。现有的光开关技术大多基于这两种基本结构或其组合形式，或是由这两种基本结构组合构成的开关阵列。在现代计算机中，存储设备与中央处理器间的数据传输速度与处理器处理数据速度的不匹配问题，即计算机的“冯诺依曼瓶颈”，限制了其进一步发展。而集成光互连技术的发展使芯片级的光信息交换突飞猛进，为解决“冯诺依曼瓶颈”带来了潜在可能。然而，现有的硅基光开关技术都需要一定的静态功耗以维持开关状态，这限制了光开关在追求高效率和低能耗的光互连中的应用。
技术实现思路
本专利技术是基于现有的光子学理论和集成光开关技术，针对传统光开关必需静态功耗以维持开关状态的问题，提供一种基于浮栅充放电的状态非易失光开关及其制备方法。该光开关整体上包含两个串联连接的浮栅电容，浮栅内的载流子浓度可通过电子隧穿效应改变。由于载流子色散效应导致波导有效折射率的改变，从而可实现对光路的调控。切换后的光路可以在电压断掉后还能保持原状态，在集成光交换领域具有广阔的应用前景。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种基于浮栅充放电的状态非易失的光开关，其特点在于，由下到上依次为单晶硅衬底、二氧化硅埋层、单晶硅n型掺杂层、二氧化硅层隔离层、单晶硅浮栅层、氧氮氧隔离层、单晶硅p型掺杂层、二氧化硅上包层和金属电极，光开关构成主要包括：上层，即所述的单晶硅p型掺杂层，中央为重掺杂，两侧为轻掺杂，所述的p型重掺杂中央与中央电极相连；下层，即所述的单晶硅n型掺杂层，分为左右不相连的两部分，且每一部分的两端为重掺杂，靠近中间的部分为轻掺杂，两端的n型重掺杂区域分别与左电极、右电极相连；中间层，即位于上层p型轻掺杂和下层n型轻掺杂的交叠区域之间的中间层自上而下依次是氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层，所述的二氧化硅隔离层与所述的下层隔离，所述的氧氮氧隔离层与所述的上层隔离，以防止电子隧穿进入上层，所述的上层、中间层和下层的材料均为单晶硅，交叠区域构成两个并行的光波导，以保证光信号传输的低损耗。所述的氧氮氧隔离层由二氧化硅-氮化硅-二氧化硅层构成。所述的单晶硅n型掺杂层厚度为50-200nm，位于整体结构的两侧，两端连接电极处为n型重掺杂区域，浓度>1019cm-3，靠近中间的部分为n型轻掺杂区域，浓度为1016-1018cm-3。所述的单晶硅P型掺杂层的重掺杂区域的浓度>1019cm-3，两侧p型轻掺杂区的浓度为1016-1018cm-3。所述的二氧化硅隔离层是5-20nm的二氧化硅层。所述的上层的单晶硅P型掺杂层成平板形，相应的氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层均为平板形，所述的单晶硅n型掺杂层的左右不相连部分之间由二氧化硅绝缘层隔离，起到电学隔离作用，称为平面浮栅结构的光开关。所述的上层的单晶硅P型掺杂层成凹形，相应的氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层成┐形或┌形并填充在所述的单晶硅n型掺杂层的左右两不相连部分之间，称为L型浮栅结构的光开关。上述平面浮栅结构的光开关的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：1)准备SOI硅片，二氧化硅埋层厚度为2μm，顶层单晶硅层厚度为200nm；2)对单晶硅层进行n型磷离子注入掺杂，使得两端为重掺杂，浓度1020cm-3，中间部分为轻掺杂，浓度1017cm-3；3)对硅片进行高温氧化，形成8nm厚热氧化层；4)采用光刻掩模刻蚀去除中间和两边外侧氧化层，再用等离子刻蚀去除氧化层下的单晶硅，形成两个矩形条状结构，它们之间的间隔为1μm，确保最终左右两波导间无耦合串扰；5)在刻蚀后的硅层上覆盖光刻胶，用氢氟酸刻蚀左右两边暴露的二氧化硅薄层；6)除去剩余光刻胶，进行快速氢氟酸清洗，以保证器件表面无杂质，确保后续单晶硅生长的质量；7)采用等离子体增强化学汽相沉积法(PECVD)进行80-200nm厚的无定型硅沉积，在纯氮气中1000℃退火约10个小时，以原SOI的单晶硅作为籽晶层，使无定形硅进行重结晶，形成单晶硅浮栅层；8)对重结晶后的单晶硅层进行化学机械打磨(CMP)使表面平整，在其上进行氧氮氧层沉积，依次为二氧化硅、氮化硅、二氧化硅，厚度均为几个纳米，整体厚度不超过18nm，氧氮氧隔离层的用途是防止浮栅中的电子隧穿进入到上层硅；9)用和以上步骤相同的方法对中央和两侧区域再次进行刻蚀，使两端初始SOI单晶硅晶籽层外露，用于再次生长单晶硅以形成上层硅平板，在两波导中间刻蚀区域中沉积二氧化硅，并进行化学机械打磨保持上表面平整；10)与步骤7)类似，再次进行无定型硅沉积和重结晶，形成80～200nm厚的上层单晶硅层；11)对两侧区域进行刻蚀，采用等离子刻蚀确保波导区域表面和侧壁的光滑度，从而减小光信号在波导中的传输损耗；12)对上层波导区域进行p型硼离子注入掺杂和热扩散，使得中央处为重掺杂，浓度1020cm-3，两侧轻掺杂，浓度为1017cm-3；13)进行二氧化硅上包层沉积，除了对光有限制作用外，还对波导起保护作用；14)在所述的p型重掺杂区域和n型重掺杂区域的上方，刻蚀去除相应位置的二氧化硅，形成通孔，溅射铝金属填充通孔并分别与所述的中央电极、左电极、右电极相连。上述L型浮栅结构的光开关的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：1)准备SOI硅片，二氧化硅埋层厚度为2μm，顶层单晶硅层厚度为200nm；2)对单晶硅层进行n型磷离子注入掺杂，使得两端为重掺杂，浓度1020cm-3，中间部分轻掺杂，浓度1017cm-3；3)用电感耦合等离子(ICP)刻蚀除去部分单晶硅，形成中央矩形沟道，沟道宽度>1μm，防止两平行波导间耦合；4)采用纯氧在1000℃温度下对硅片进行高温氧化，在上表面和沟道侧壁形成约8-10nm厚的热氧化层；5)采用光刻掩模刻蚀的方法，在沟道侧壁和两侧上表面氧化层上部分覆盖光刻胶保护，之后用氢氟酸刻蚀去除暴露部分的二氧化硅薄层；6)去除光刻胶，用低浓度氢氟酸快速清洗表面，确保表面无任何杂质，以保证后续单晶硅生长的质量；7)采用化学气相沉积100nm厚的无定形硅，在纯氮气中1000℃高温退火10小时，以原SOI的单晶硅作为籽晶层，使无定形硅进行结晶，形成单晶硅浮栅层；8)用等离子刻蚀去除中央沟道区的单晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于浮栅充放电的状态非易失的光开关，其特征在于，由下到上依次为单晶硅衬底、二氧化硅埋层、单晶硅n型掺杂层、绝缘二氧化硅层、单晶硅浮栅层、氧氮氧隔离层、单晶硅p型掺杂层、二氧化硅上包层和金属电极，光开关构成主要包括：上层，所述的单晶硅p型掺杂层，中央为重掺杂，两侧为轻掺杂，所述的p型重掺杂中央与中央电极相连；下层，所述的单晶硅n型掺杂层，分为左右不相连的两部分，且每一部分的两端为重掺杂，靠近中间的部分为轻掺杂，两端的n型重掺杂区域分别与左电极、右电极相连；中间层，即位于上层p型轻掺杂和下层n型轻掺杂的交叠区域之间的中间层自上而下依次是氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层，所述的二氧化硅隔离层与所述的下层隔离，所述的氧氮氧隔离层与所述的上层隔离，以防止电子隧穿进入上层，所述的上层、中间层和下层的材料均为单晶硅，交叠区域构成两个并行的光波导，以保证光信号传输的低损耗。

【技术特征摘要】
1.一种基于浮栅充放电的状态非易失的光开关，其特征在于，由下到上依次为单晶硅衬底、二氧化硅埋层、单晶硅n型掺杂层、绝缘二氧化硅层、单晶硅浮栅层、氧氮氧隔离层、单晶硅p型掺杂层、二氧化硅上包层和金属电极，光开关构成主要包括：上层，所述的单晶硅p型掺杂层，中央为重掺杂，两侧为轻掺杂，所述的p型重掺杂中央与中央电极相连；下层，所述的单晶硅n型掺杂层，分为左右不相连的两部分，且每一部分的两端为重掺杂，靠近中间的部分为轻掺杂，两端的n型重掺杂区域分别与左电极、右电极相连；中间层，即位于上层p型轻掺杂和下层n型轻掺杂的交叠区域之间的中间层自上而下依次是氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层，所述的二氧化硅隔离层与所述的下层隔离，所述的氧氮氧隔离层与所述的上层隔离，以防止电子隧穿进入上层，所述的上层、中间层和下层的材料均为单晶硅，交叠区域构成两个并行的光波导，以保证光信号传输的低损耗。2.根据权利要求1所述的状态非易失的光开关，其特征在于，所述的氧氮氧隔离层由二氧化硅-氮化硅-二氧化硅层构成。3.根据权利要求1所述的状态非易失的光开关，其特征在于，所述的单晶硅n型掺杂层厚度为50-200nm，位于整体结构的两侧，两端连接电极处为n型重掺杂区域，浓度>1019cm-3，靠近中间的部分为n型轻掺杂区域，浓度为1016-1018cm-3。4.根据权利要求1所述的状态非易失的光开关，其特征在于，所述的单晶硅P型掺杂层的重掺杂区域的浓度>1019cm-3，两侧p型轻掺杂区的浓度为1016-1018cm-3。5.根据权利要求1所述的状态非易失的光开关，其特征在于，所述的二氧化硅隔离层是5-20nm的二氧化硅层。6.根据权利要求1至5任一项所述的状态非易失的光开关，其特征在于，所述的上层的单晶硅P型掺杂层成平板形，相应的氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层均为平板形，所述的单晶硅n型掺杂层的左右不相连部分之间由二氧化硅绝缘层隔离，起到电学隔离作用，称为平面浮栅结构的光开关。7.根据权利要求1至5任一项所述的状态非易失的光开关，其特征在于，所述的上层的单晶硅P型掺杂层成凹形，相应的氧氮氧隔离层、单晶硅浮栅层和二氧化硅隔离层成┐形或┌形并填充在所述的单晶硅n型掺杂层的左右两不相连部分之间，称为L型浮栅结构的光开关。8.权利要求6所述的平面浮栅结构的光开关的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：1)准备SOI硅片，二氧化硅埋层厚度为2μm，顶层单晶硅层厚度为200nm；2)对单晶硅层进行n型磷离子注入掺杂，使得两端为重掺杂，浓度1020cm-3，中间部分为轻掺杂，浓度1017cm-3；3)对硅片进行高温氧化，形成8nm厚热氧化层；4)采用光刻掩模刻蚀去除中间和两边外侧氧化层，再用等离子刻蚀去除氧化层下的单晶硅，形成两个矩形条状结构，它们之间间隔为1μm，确保最终左右两波导间无耦合串扰；5)在刻蚀后的硅层上覆盖光刻胶，用氢氟酸刻蚀左右两边暴露的二氧化硅薄层；6)除去剩余光刻胶，进行快速氢氟酸清洗，以保证器件表面无杂质，确保后续单晶硅生长的质量。图中箭头为下一步骤中单晶硅的生长方向；7)采用等离子体增强化学汽相沉积法(PECVD)进行80-200nm厚的无定型硅沉积，在纯氮气中1000℃退火约10个小时，以原SOI的单晶硅作为籽晶层，使无定形硅进行重结晶，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周林杰，徐喆，陆梁军，陈建平，刘娇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31