一种磁光效应驱动的非易失性光开关及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种磁光效应驱动的非易失性光开关及其制备方法。

背景技术：

1、随着光通信市场需求的激增，硅光子电路的集成度、复杂度和成熟度已经上升到一个前所未有的高度，硅光子集成电路对于开关的需求是极大的，常规的开关操作需要电偏压，增加了器件的总功耗；此外，系统中处理和计算芯片速度与数据访问储存芯片速度的错配，造成了冯诺依曼瓶颈的出现，计算存储芯片一体化是突破此瓶颈的热门技术方案，而非易失性光开关是其中的核心器件。非易失性开关切换指的是器件具备在两个或多个量子态之间可逆地进行切换的能力，并且在保持不同量子态时不需要消耗额外的能量，即在没有恒定的外部激励源时，器件的开关状态不会突然消失，会被长期保留，此功能的加入有助于超低能耗、高速切换的可重构光子器件的实现。

2、目前，硅基非易失性光开关的实现主要是两种方向，一种是在传统电储存的技术框架内通过控制载流子来实现非易失性开关切换；另一种则是通过异质集成，将硅基平台与具有特殊光性能响应的材料结合来实现非易失性开关切换。其中，后者以室温相变材料ge2sb2te5(gst)的研究报道最为广泛，可以通过该材料在室温下的晶相变化来改变其折射率，从而实现两种状态的切换，但由于材料在循环使用的过程中会发生热衰变，其可重复切换次数被限制在几万次，另外由于热引导的晶态转换需要几微秒，这也限制了高速开关切换的实现。因此，这两个特征严重限制gst材料在非易失性光开关领域的广泛应用。磁光材料，作为另一种具有特殊光性能响应的材料，近来也受到越来越多的关注，其中代表材料为铈掺杂的钇铁石榴石铁氧体 (ce:y3fe5o12，即ce:yig)，具备较大的法拉第旋光系数并且在通讯波段的光吸收系数很低，但由于yig磁光薄膜材料与si等半导体材料晶格的失配（钇铁石榴石（yig）：12.4 å；si：5.4 å）、热失配（yig：约10-5k-1；si：约2.3×10-6k-1），导致yig磁光薄膜材料难以实现硅基外延，使得其磁光效应弱，损耗高，直接导致ce:yig材料与si材料的单片集成较为困难。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，提供了一种磁光效应驱动的非易失性光开关及其制备方法，soi（silicon on insulator，绝缘体上硅）衬底上制备出硅波导以及薄膜磁体cofeb及与其连接的外加电极，再通过键合的方式将在钆镓石榴石衬底（sggg衬底）生长的铈掺杂的钇铁石榴石铁氧体（ce:yig）与硅波导完成异质集成。在薄膜磁体cofeb的磁化作用下，由于ce:yig材料具备法拉第旋光效应，会使得硅波导的光传输发生相位变化，并且可以在没有外部激励的条件下依然可以保持此状态，而此光开关状态的切换可以通过改变与薄膜磁体cofeb连接的电极方向来实现。

2、本发明第一方面提出了一种磁光效应驱动的非易失性光开关，包括soi衬底和钆镓石榴石衬底；所述soi衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；所述钆镓石榴石衬底上生长有铈掺杂的钇铁石榴石铁氧体；所述埋氧层通过刻蚀形成两个并列的凹槽，所述顶层硅通过刻蚀形成硅波导；每个凹槽内部设有导电金属层，所述导电金属层上表面包括cofeb阵列；所述钆镓石榴石衬底下表面键合在硅波导上表面。

3、作为一种优选方案，硅波导由两个凹槽之间的埋氧层上顶层硅刻蚀而成。

4、作为一种优选方案，所述cofeb阵列由导电金属层上表面沉积的铁磁性cofeb薄膜刻蚀形成。

5、作为一种优选方案，所述cofeb阵列由多个cofeb单元组成，每个单元间距为0.7~0.9μm，排列方向与硅波导方向垂直。

6、本发明第二方面提出了一种磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，包括：

7、提供一soi衬底和钆镓石榴石衬底；所述soi衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；

8、对soi衬底进行两步刻蚀，在埋氧层中形成两个并列的凹槽，两个凹槽之间的埋氧层上表面的顶层硅形成硅波导；

9、在每个凹槽中依次沉积导电金属层和铁磁性cofeb薄膜；

10、对铁磁性cofeb薄膜刻蚀形成cofeb阵列，其中，cofeb阵列中cofeb单元排列方向与硅波导方向垂直；

11、在钆镓石榴石衬底上生长铈掺杂的钇铁石榴石铁氧体；

12、采用表面活化键合的方式将钆镓石榴石衬底下表面与硅波导上表面键合，并退火处理形成磁光效应驱动的非易失性光开关。

13、作为一种优选方案，所述表面活化键合的具体方法为：在室温真空状态下通过等离子体轰击顶层硅上表面和钆镓石榴石衬底下表面，将钆镓石榴石衬底下表面与硅波导上表面进行键合。

14、作为一种优选方案，所述硅波导宽度为350~700nm，高度为180~400nm。

15、作为一种优选方案，所述凹槽宽度为100~150μm，厚度为2~2.5μm且厚度薄于埋氧层厚度。

16、作为一种优选方案，所述cofeb阵列中每个cofeb单元间距为0.7~0.9μm，每个cofeb单元宽度为4~4.5μm，长度为20~22μm，厚度为100~120nm。

17、作为一种优选方案，所述soi衬底表面尺寸为2~2.5mm2~2.5mm，所述钆镓石榴石衬底表面尺寸为1.5mm1.5mm。

18、与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明提出的磁光效应驱动的非易失性光开关及其制备方法，成功规避了由于晶相差异以及生长温度过高导致的无法将高质量的ce:yig材料与硅光集成光路实现单片集成的问题，从而提供了在硅基上实现非易失性光开关的一种技术方案。

技术特征：

1.一种磁光效应驱动的非易失性光开关，其特征在于，包括soi衬底和钆镓石榴石衬底；所述soi衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；所述钆镓石榴石衬底上生长有铈掺杂的钇铁石榴石铁氧体；所述埋氧层通过刻蚀形成两个并列的凹槽，所述顶层硅通过刻蚀形成硅波导；每个凹槽内部设有导电金属层，所述导电金属层上表面包括cofeb阵列；所述钆镓石榴石衬底下表面键合在硅波导上表面。

2.根据权利要求1所述的磁光效应驱动的非易失性光开关，其特征在于，所述硅波导由两个凹槽之间的埋氧层上顶层硅刻蚀而成。

3.根据权利要求1所述的磁光效应驱动的非易失性光开关，其特征在于，所述cofeb阵列由导电金属层上表面沉积的铁磁性cofeb薄膜刻蚀形成。

4.根据权利要求3所述的磁光效应驱动的非易失性光开关，其特征在于，所述cofeb阵列由多个cofeb单元组成，每个单元间距为0.7~0.9μm，排列方向与硅波导方向垂直。

5.一种磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，其特征在于，所述表面活化键合的具体方法为：在室温真空状态下通过等离子体轰击顶层硅上表面和钆镓石榴石衬底下表面，将钆镓石榴石衬底下表面与硅波导上表面进行键合。

7.根据权利要求5所述的磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，其特征在于，所述硅波导宽度为350~700nm，高度为180~400nm。

8.根据权利要求5所述的磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，其特征在于，所述凹槽宽度为100~150μm，厚度为2~2.5μm且厚度薄于埋氧层厚度。

9.根据权利要求5所述的磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，其特征在于，所述cofeb阵列中每个cofeb单元间距为0.7~0.9μm，每个cofeb单元宽度为4~4.5μm，长度为20~22μm，厚度为100~120nm。

10.根据权利要求5所述的磁光效应驱动的非易失性光开关的制备方法，其特征在于，所述soi衬底表面尺寸为2~2.5mm2~2.5mm，所述钆镓石榴石衬底表面尺寸为1.5mm1.5mm。

技术总结本发明提供了一种磁光效应驱动的非易失性光开关及其制备方法，该非易失性开关包括SOI衬底和钆镓石榴石衬底；所述SOI衬底包括自下而上的硅衬底、埋氧层和顶层硅；所述钆镓石榴石衬底上生长有铈掺杂的钇铁石榴石铁氧体；所述埋氧层通过刻蚀形成两个并列的凹槽，所述顶层硅通过刻蚀形成硅波导；每个凹槽内部设有导电金属层，所述导电金属层上表面包括CoFeB阵列；所述钆镓石榴石衬底下表面键合在硅波导上表面。本发明成功规避了由于晶相差异以及生长温度过高导致的无法将高质量的Ce:YIG材料与硅光集成光路实现单片集成的问题，从而提供了在硅基上实现非易失性光开关的一种技术方案。技术研发人员：曾友宏,杨荣,余明斌受保护的技术使用者：上海铭锟半导体有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2