基于浮柵結(jié)構(gòu)的非易失性光學(xué)器件研究.pdf

1、隨著摩爾定律正逐漸走向歷史，基于光子集成的新型芯片領(lǐng)域被重新關(guān)注，以彌補(bǔ)電互連的不足。與集成電子技術(shù)的發(fā)展類似，集成光子技術(shù)也正遵循著“光子摩爾定律”發(fā)展。簡(jiǎn)單的縮小光學(xué)器件尺寸可在一定程度上降低其功耗，但也帶來(lái)了一些基本問(wèn)題，如衍射極限所引起的光限制性降低，這阻礙了功耗的進(jìn)一步降低；同時(shí)，僅采用光子在CPU和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并不能在本質(zhì)上解決馮·諾依曼瓶頸問(wèn)題。非易失性器件因具有非易失性存儲(chǔ)的特點(diǎn)，無(wú)需持續(xù)供電，可有效解決能耗

2、問(wèn)題，且有助于實(shí)現(xiàn)高速高效的光信息交換，因此引起了研究者的廣泛關(guān)注。非易失性器件在集成電學(xué)方面的研究已經(jīng)較為深入，而對(duì)于光學(xué)存儲(chǔ)的研究還比較有限，目前主要集中在相變存儲(chǔ)，等離子憶阻器、非線性效應(yīng)的全光存儲(chǔ)器等方向，并且由于CMOS工藝兼容性等問(wèn)題，這些新型的結(jié)構(gòu)難以大規(guī)模量產(chǎn)。本文主要研究基于傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的新型非易失性光學(xué)器件，并將超低電導(dǎo)率和介電常數(shù)電可調(diào)的石墨烯引入該結(jié)構(gòu)。鑒于石墨烯的厚度較薄及作用距離有限，為了增強(qiáng)浮柵結(jié)構(gòu)的非易失

3、效應(yīng)，提高器件的工作效率，本論文從以下兩個(gè)方面對(duì)器件進(jìn)行改進(jìn)：利用表面等離子諧振效應(yīng)，在作用距離有限的情況下（單層石墨烯的厚度），提高對(duì)空間光的調(diào)控效率；利用平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加石墨烯層與光波的作用距離。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于等離子諧振的非易失性太赫茲光開關(guān)研究。提出二端口結(jié)構(gòu)非易失性存儲(chǔ)器，使得光從兩個(gè)電極之間傳輸，避免引入頂部控制柵層對(duì)器件透光性能的影響；采用不同金屬作為兩端口的電極（源極和漏極），形成不對(duì)稱能帶結(jié)構(gòu)，

4、使兩端隧穿概率不一致，保證電荷寫入和擦除的順利進(jìn)行。本論文采用條帶石墨烯陣列結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生等離子諧振。在存儲(chǔ)電荷相同的情況下，開關(guān)消光比可以從20％提升至89%，且其相應(yīng)的寫入和擦除電壓為?5 V和+6.5 V，能耗分別為0.026 J/cm2和0.033J/cm2；同時(shí)，陣列結(jié)構(gòu)的石墨烯可避免由于大面積的石墨烯部分缺陷的存在而引起的整體電荷泄露問(wèn)題。⑵基于浮柵結(jié)構(gòu)的非易失性光波導(dǎo)存儲(chǔ)單元的研究。為了增加石墨烯層與光波的作用距離，結(jié)合傳

5、統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的非易失性電子存儲(chǔ)器件，本文設(shè)計(jì)了具有非易失性功能的光波導(dǎo)開關(guān)。采用高k氧化物作為隧穿和阻擋氧化層，增大隧穿概率并保持存儲(chǔ)器件的穩(wěn)定性。利用石墨烯的介電常數(shù)電可調(diào)特性，將其代替多晶硅作為浮柵層，提高器件的性能，328μm的器件長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)20dB的消光比，其寫入和擦除過(guò)程中的能耗為35.7pJ，45.4pJ；644.4μm的器件，可實(shí)現(xiàn)?的相位變化，能耗分別為82.2pJ，118.2pJ。⑶基于非對(duì)稱電極的非易失性光波導(dǎo)存儲(chǔ)單

6、元研究。提出將非對(duì)稱的電極（金和鋁）分別置于波導(dǎo)左右兩側(cè)的存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)方案，提高了器件的穩(wěn)定性與靈活性。將偏置電壓與調(diào)制信號(hào)分別施加在器件的控制柵極和漏極，減小了隧穿/阻擋氧化層的擊穿概率。該非易失性存儲(chǔ)單元可應(yīng)用于MZI調(diào)制器，通過(guò)改變控制柵極的偏置電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件工作偏置點(diǎn)（相位調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制）的切換，且無(wú)需在控制柵層持續(xù)供電以維持當(dāng)前偏置點(diǎn)的工作狀態(tài)。分析結(jié)果表明，其所需的偏置電壓為±4.5V，能耗僅產(chǎn)生于切換工作偏置點(diǎn)的過(guò)程中，