一种多功能硅基光电子器件

本发明属于光学领域，涉及集成光芯片，具体涉及一种多功能硅基光电子器件，该器件具有近零静态功耗，高精确度，可大规模集成的特点。

背景技术：

1、近年来，硅基光电子集成技术迅速发展，除了高速光通信、微波光子学、光传感外，该技术在片上光学神经网络、光量子计算、光子矩阵计算、光存储中也展示了广阔的应用前景，同时也对芯片功耗、光学损耗、光学带宽提出了更高的要求，因此实现对硅基光子学网络的精确调控至关重要。

2、目前较为成熟的调制方式有等离子体色散效应，热光效应，电光效应调制，但其调制效果较弱，并且需要持续供能，造成功耗较高，集成密度较低等问题。近年来新兴的非易失集成光子器件可以增大波导折射率调控范围，工作在零静态功耗下，从而极大降低芯片能耗、扩大集成规模同时减少散热等问题。

3、硫系相变材料因其在非晶态与晶态之间发生可逆相变的过程中所展现的巨大的折射率对比度，出色的状态自保持特性，易于在硅基光电子器件平台上集成，且具有超高循环寿命等优点，是实现非易失性可重构低功耗集成光芯片的一种极有前景的方案。特别是近年来新开发的低损耗相变材料如sb2se3、sb2s3等突破了过往相变材料的损耗瓶颈，实现了近零吸收损耗的相位调控，进一步为大规模存算一体光芯片及非易失性可编程光芯片奠定了基础。利用嵌入波导的pin型掺杂硅微加热器已经被证明能够实现高能效、低损耗的相变可逆调控。然而，相变操控的稳定性和重复性依然是应用中的重点问题和难点问题。

4、由于相变材料的热致相转变依赖于随机的形核过程，其非易失性的相位操控具有一定的随机性误差。由于器件性能依赖于对相位控制精确度，该随机性误差会在光网络芯片中会引入串扰和噪声等不利因素，影响非易失性可重构光芯片的性能。尽管通过多个脉冲逐步对芯片中每个相变材料点位的结晶状态进行修正，理论上可以逐步调整各个节点相位，但此操作耗时且复杂，且消耗相变材料的循环寿命。因此，该瓶颈目前尚无很好的解决方案。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的缺陷，本发明提出一种新的方案，通过在硅波导上进行多种不同掺杂(pin、nin、pip)并共用同一对金属互联电极进行控制，在特定的位置覆盖低损耗相变材料，从而在施加不同偏置电压时，以同一简单的单元结构分别实现调制、存储和非易失性移相误差的微调修正等多种功能。该方案通过多掺杂区复用解决相变集成可重构光器件的相位误差瓶颈，在保持较低功耗的同时，实现存内计算并提升非易失性可编程光网络的精确性；并通过共用电极简化器件结构，提高集成度、降低操控难度，是一种新型多功能光网络芯片的单元结构，为大规模可编程集成光子电路发展奠定了基础。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

3、一种多功能硅基光电子器件，对波导进行掺杂，并在掺杂后的波导上共用一块电极。

4、上述技术方案中，进一步地，所述对波导进行掺杂，具体是在波导的两侧分别采用两种及以上的方式进行掺杂；所述掺杂中至少需同时包括一种不同类型掺杂和一种同类型掺杂；所述不同类型掺杂为pin型，p掺杂为p++、p+、p中的一种或者是多种组合，n掺杂为n++、n+、n中的一种或者是多种组合；所述同类型掺杂包括nin型和pip型，n掺杂为n++、n+、n中的一种或者是多种组合，p掺杂为p++、p+、p中的一种或者是多种组合。

5、进一步地，在波导的同一侧采用同一块电极。

6、进一步地，所述多功能硅基光电子器件，具体结构为：包括衬底、设于衬底上的光波导、掺杂区i和掺杂区ii，设于光波导上的相变材料，设于光波导、掺杂区i、相变材料和掺杂区ii上的电介质包层，设于电介质包层上的电极；所述电介质包层内设有通孔结构，所述通孔结构用于连接掺杂区i、掺杂区ii与电极；所述掺杂区i和掺杂区ii的掺杂方式不同。

7、进一步地，所述的电极和通孔结构的材料为金属电极，可以是金(au)，也可以是铝(al)或钨(tu)。

8、所述的相变材料是由ge、sb、se、te或s中任意两种到四种元素组成的化合物，化合物中掺杂有非金属元素和金属元素。所述非金属元素为氧(o)、氮(n)、碳(c)、硅(si)等，所述金属元素锡(sn)、银(ag)、镉(cd)、铋(bi)、铟(in)等。

9、上述的多功能硅基光电子器件的使用方法，具体为：

10、在电极上施加反偏电压，使同型掺杂区域产热，利用热光效应改变波导有效折射率，实现器件的在线调制训练；

11、在电极上施加正向脉冲电压，使pin型掺杂区域温度升高后迅速降低，使相变材料实现纳秒级别的切换速度，实现器件的非易失性信息存储；

12、在相变材料可逆调控过程中存在相位误差，在电极上施加反偏电压，对已配置好相变材料状态的光器件的相位误差进行修正，提高光单元器件的精确性。

13、本发明的多功能硅基光电子器件的工作原理为：基于各单元器件的热光效应完成调制训练，基于相变材料相变带来的非易失性相位调控存储网络权重系数，之后光单元器件可在无外部供能的情况下进行数据处理和计算，直到网络需要重新进行参数刷新和功能更改。除此之外，通过多掺杂区复用，微调修正由于pcm可逆调控引入的随机误差，解决相变集成可重构光器件的相位误差瓶颈，在保持较低功耗的同时，实现存内计算功能及提升非易失性可编程光单元器件的精确性。

14、本发明的发明原理为：

15、1)为了降低多功能硅基光电子器件的功耗，缩小单元器件体积，提升片上集成密度：光子集成电路具有低功耗、低延迟、高并行、大容量、大带宽和较强的抗电磁干扰能力，是高速、大数据量、人工智能计算处理极具前景的方案。随着光芯片的研发，对片上新型调控可重构光器件有重大需求，传统的调控手段主要通过电光效应、热光效应、载流子色散效应、液晶等，但调控效果通常较微弱，折射率变化量δn<0.01，且其状态维持需要外部持续供能，造成器件尺寸无法缩减，功耗无法降低等问题，不利于大规模网络高密度集成。硫系相变材料具有独特的非易失性和较大光学常数差。良好的非易失性可以使器件可以在重构后自动保持新的状态而无需耗能，直到下一个调控信号触发其发生下一次更新，实现近零静态功耗调控；较大的光学常数差异能够使器件在较小的体积下实现开关操作、多级操作、任意态配置，降低单元器件尺寸，提升光芯片集成密度，提高光芯片的计算精确度。

16、2)为了实现调制和存储相结合的存算一体架构：在单元光器件上，对波导进行多种掺杂(例如：nin-pin-nin掺杂)，不同种掺杂区域互不相接，在波导的同一侧，不同掺杂区域共用同一块电极，若施加反向偏置低电压，可以利用热光效应改变波导有效折射率(pin区域无产热)，实现对光器件的调制训练，该训练具有开关时间短、开关能耗低等优点。若施加正向脉冲电压，在pin区域波导顶部覆盖相变材料，脉冲激发pin区域集中产热对相变材料进行可逆切换，由于相变材料具有非易失性，可以保持神经网络在训练后的权重参数，实现信息存储，可维持光器件工作的静态功耗降低至零。

17、3)为了对已配置好pcm状态的器件性能误差修正，提高光器件配置的精确性：相变调控的稳定性和重复性依然是应用中尚未解决的难题，导致pcm基光电子器件与理想工作状态存在一定偏差，通过施加反向偏置电压，使nin掺杂区域进行电阻产热，利用热光效应调控硅波导有效折射率，对已配置好pcm状态的器件性能误差修正，使单个器件能够工作在理想状态。

18、本发明的有益效果是：

19、1)本发明利用低损耗硫系相变材料，因其具有高折射率对比度和自保持性，能够增大混合波导折射率调控范围，此外，较大的光学常数差异能够使器件在较小的体积下实现开关操作、多级操作、任意态配置，降低单元器件尺寸，实现紧凑集成的非易失性可重构零静态功耗光器件，提高光器件的计算精确度。

20、2)本发明在不同掺杂区域共用同一对金属互联电极进行控制，可以缩减器件体积，进一步提升光芯片集成密度，降低制造成本；通过施加不同激励既能实现在线调制，又能完成信息存储，实现硅基光电子器件存算一体功能。

21、3)本发明通过多掺杂区复用解决相变集成可重构光器件的相位误差瓶颈，在保持较低功耗的同时，提升存内计算单元器件及非易失性可编程光器件的精确性。