一种基于硫系相变材料的全光开关及其制备方法与流程

文档序号：14553447阅读：562来源：国知局

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种基于硫系相变材料的全光开关及其制备方法。

背景技术：

现代社会通信，主要是由光纤通信承载，但是由于互联网的迅速发展，物联网等新型技术的出现，人们对于光纤通信的传输速率有了更高的要求。现在传统的光纤通信系统当中，节点处有大量的光互联交换设备，这些设备存在大量的光电光转换，而由于电子瓶颈的存在，这种光电转换的过程实际上会降低光纤通信的速率。因而许多学者和专家提出了全光通信的概念，即利用光来控制光，全程没有光电转换节点的存在，也没有光电转换的过程，在这种模式下，光纤本身的潜力能被更为完全的开发出来。

而作为全光通信实现的基础器件，全光开关一直受到广泛的关注，现有技术以二氧化钒材料的光致相变特性以及金属光栅对光的偏振选择作用来进行光的交换，但金属光栅对于光能量有较大的损耗，且开关对比度相对较低；现有技术利用石墨烯的热光效益引起微型谐振环光纤的共振变化来实现光的开关，其虽然可以实现全光开关且损耗较小，但其开关速率较慢，且结构复杂实际难以进行大规模的阵列集成；现有技术利用马赫增德尔干涉仪引入光路进行干涉，从而实现全光开关，但马赫增德尔干涉仪的结构比较复杂，难以进行大规模的集成，实用性受到了一定的限制。

由此可见，现有技术存在开关速率较慢、损耗较大、难以大规模集成的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于硫系相变材料的全光开关及其制备方法，由此解决现有技术存在开关速率较慢、损耗较大、难以大规模集成的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于硫系相变材料的全光开关，包括依次堆叠的覆盖层薄膜、硫系相变材料薄膜、隔离层薄膜、硅光子晶体和衬底。

进一步的，硅光子晶体包括纳米多孔结构，使得硅光子晶体具有法诺共振效应。

进一步的，纳米多孔结构中纳米孔的半径为50nm-90nm，孔间间距为700nm-850nm，孔深为150nm-250nm。

进一步的，硫系相变材料薄膜的厚度为5nm-25nm，硫系相变材料薄膜为多元硫系相变材料或者多元硫系相变材料掺入杂质后形成的掺杂化合物。

进一步的，多元硫系相变材料为gete、sbte、bi2te3、gese、bi2se3、ge2sb2te5或者aginsbte，所述杂质为c、n、o、ag或者cu。

进一步的，隔离层薄膜的厚度为15nm-40nm，隔离层薄膜为sio2薄膜或者sinx薄膜。

进一步的，覆盖层薄膜的厚度为20nm-200nm，覆盖层薄膜为sio2/zns薄膜、sio2薄膜或者sinx薄膜。

进一步的，全光开关在使用时，通过激光控制硫系相变材料薄膜的状态，调制硅光子晶体的共振状态，实现信号光透过率的调制，调制范围为通信波段1500nm至1600nm，实现光开关。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于硫系相变材料的全光开关的制备方法，包括：

(1)在衬底上方，沉积单晶硅材料，在单晶硅材料上刻蚀纳米孔形成硅光子晶体，纳米孔的半径为50nm-90nm，孔间间距为700nm-850nm，孔深为150nm-250nm；

(2)在硅光子晶体上方，沉积一层15nm-40nm厚度的隔离层薄膜；

(3)在隔离层薄膜上方，沉积一层5nm-25nm的硫系相变材料薄膜；

(4)在硫系相变材料薄膜上方，沉积一层20nm-200nm的具有防氧化性的覆盖层薄膜，得到全光开关。

进一步的，刻蚀为电子束光刻或者离子耦合等离子体刻蚀，所述沉积为化学气相沉积、物理气相沉积、电子束蒸发镀膜、脉冲激光沉积、原子层沉积、直流磁控溅射或者射频磁控溅射。一种基于硫系相变材料的全光开关的制备方法，其特征在于，包括：

优选的，一种基于硫系相变材料的全光开关的制备方法，包括：

(1)以单晶硅材料为衬底，在单晶硅材料上刻蚀纳米孔形成硅光子晶体，纳米孔的半径为50nm-90nm，孔间间距为700nm-850nm，孔深为150nm-250nm；

(2)在硅光子晶体上方，沉积一层15nm-40nm厚度的隔离层薄膜；

(3)在隔离层薄膜上方，沉积一层5nm-25nm的硫系相变材料薄膜；

(4)在硫系相变材料薄膜上方，沉积一层20nm-200nm的具有防氧化性的覆盖层薄膜，得到全光开关。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明全光开关在使用时，通过激光控制硫系相变材料薄膜的状态，调制硅光子晶体的共振状态，实现信号光透过率的调制，调制范围为通信波段1500nm至1600nm，实现光开关。硫系相变材料在常温下物理化学性质稳定，故开关为非易失性的。本发明全光开关具有高对比度、高速率、低损耗的特点，其结构简单可降低生产成本，适应于cmos集成易于匹配现代半导体工艺生产线，适用于工业生产和产品化。

(2)现有技术多是基于光子晶体热作用或是与金属材料结合，相较而言，开关比相对较低，且金属对近红外光吸收较强，有较大的损耗，现有技术当中许多制备工艺较为复杂不利于大规模集成制造。本发明的整体为垂直薄膜堆叠结构，便于cmos集成工艺制备，本发明的开关光谱通信波段在1500nm-1600nm常用范围内，可以满足通信波段的需求，本发明有较大的开关比。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关的使用示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关未进行刻蚀的衬底图；

图4是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关进行刻蚀后的俯视图；

图5是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关进行刻蚀后的剖面图；

图6是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关沉积隔离层薄膜后的剖面图；

图7是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关沉积硫系相变材料薄膜后的剖面图；

图8是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关的透过消光光谱；

图9是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关的消光对比度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明通过引入硅光子晶体对光的特异性共振吸收作用，通过利用一定功率大小的激光，可以使中间层材料的硫系相变材料发生相变，硫系相变材料存在着晶态和非晶态的状态，在两种不同态下，有很大的折射率差异性，对于光开关器件，开关速率和对比度都是衡量器件性能的重要指标，而硫系相变材料有飞秒量级的相变速率，而对于光的共振吸收，硅光子晶体具有较高的消光比。

如图1所示，一种基于硫系相变材料的全光开关，包括依次堆叠的覆盖层薄膜104、硫系相变材料薄膜103、隔离层薄膜102、硅光子晶体101和衬底100。硅光子晶体101包括纳米多孔结构120，使得硅光子晶101具有法诺共振效应。硫系相变材料薄膜103具有相变特性，可在不同强度、重复频率、脉宽激光作用下发生可逆相变。纳米多孔结构120中纳米孔的半径为50nm-90nm，孔间间距为700nm-850nm，孔深为150nm-250nm。硫系相变材料薄膜103的厚度为5nm-25nm，硫系相变材料薄膜103为多元硫系相变材料或者多元硫系相变材料掺入杂质后形成的掺杂化合物。多元硫系相变材料为gete、sbte、bi2te3、gese、bi2se3、ge2sb2te5或者aginsbte，所述杂质为c、n、o、ag或者cu。隔离层薄膜102的厚度为15nm-40nm，隔离层薄膜102为sio2薄膜或者sinx薄膜。覆盖层薄膜104的厚度为20nm-200nm，覆盖层薄膜104为sio2/zns薄膜、sio2薄膜或sinx薄膜。

如图2所示，全光开关在使用时，通过激光201控制硫系相变材料薄膜103的状态，调制硅光子晶体101的共振状态，实现信号光202透过率的调制，调制范围为通信波段1500nm至1600nm，实现光开关。

硫系相变材料的相变机理可以是光热效应导致硫系相变材料的相变，也可以是由于光脉冲作用导致硫系相变材料晶格破坏，或者是脉冲所引起的硫系相变材料内部碰撞离化作用。

全光开关为非易失性的，即在没有激光201时，一定温度下，开关状态不会发生变化。硫系相变材料薄膜103具有超快相变特性。

图3是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关未进行刻蚀的衬底图；在衬底100上方，沉积单晶硅材料，在单晶硅材料上刻蚀纳米孔形成硅光子晶体101，在硅光子晶体101上刻蚀纳米孔121，纳米孔121的半径为50nm-90nm，孔间间距为700nm-850nm，孔深为150nm-250nm；得到如图4所示的进行刻蚀后的硅光子晶体俯视图和如图5所示的进行刻蚀后的硅光子晶体剖面图；在硅光子晶体101上方，沉积一层15nm-40nm厚度的隔离层薄膜102；如图6所示；在隔离层薄膜102上方，沉积一层5nm-25nm的硫系相变材料薄膜103；如图7所示；在硫系相变材料薄膜上方，沉积一层20nm-200nm的具有防氧化性的覆盖层薄膜，得到全光开关。刻蚀为电子束光刻或者离子耦合等离子体刻蚀，所述沉积为化学气相沉积、物理气相沉积、电子束蒸发镀膜、脉冲激光沉积、原子层沉积、直流磁控溅射或者射频磁控溅射。

离子耦合等离子体刻蚀技术是暴露在电子区域的气体形成等离子体，由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体，从而形成了等离子或离子，电离气体原子通过电场加速时，会释放足够的力量与表面驱逐力紧紧粘合材料或蚀刻表面。化学气相沉积是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，从而能够在基片上沉积出所期望的薄膜；直流磁控溅射是物理气相沉积薄膜的一种工艺手段，通过在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程，而对于直流磁控溅射而言，其通常用于导体材料；射频磁控溅射使用的是射频源，主要应用在绝缘材料的溅射。

图8是光谱测试范围为1000nm-1700nm，所测得的全光开关相变前后的透过消光光谱，图9是本发明实施例提供的一种基于硫系相变材料的全光开关的消光对比度。可以从图9看到在1500nm-1600nm波长范围，本发明实施例在非晶和晶体状态下的开关比接近13。硫系相变材料通常具有非晶态(组成物质的分子、原子或离子不成空间规律分布周期性排列的固体，为各向同性的)和晶态(组成物质的分子、原子或离子具有规则的空间排布，为各向异性的)两种较为稳定的状态，其结晶温度和熔化温度分别约为190℃和690℃，通过迅速的加热和迅速的降温，其在熔化后可以迅速的变成非晶态，在两种状态下其折射率有着较大的差异。硅多孔结构光子晶体对光有着特异性的共振吸收作用，硅孔的大小决定着特异性吸收的光的波长范围，而该吸收共振能力与其表面环境的折射率相关，通过在硅多孔结构光子晶体上沉积硫系相变材料，通过利用激光作用改变硫系相变材料的状态，从而可以改变对特定波长的光的吸收作用，引起透射光谱的偏移，从而实现光的开关作用。

实施例1

一种基于硫系相变材料的全光开关的制备方法，包括：

(1)在衬底上方，沉积单晶硅材料，在单晶硅材料上刻蚀纳米孔形成硅光子晶体，纳米孔的半径为50nm，孔间间距为700nm，孔深为150nm；

(2)在硅光子晶体上方，沉积一层15nm厚度的sio2薄膜；

(3)在隔离层薄膜上方，沉积一层5nm的gete；

(4)在硫系相变材料薄膜上方，沉积一层20nm的具有防氧化性的sinx薄膜，得到全光开关。刻蚀为电子束光刻，沉积为化学气相沉积。

实施例2

一种基于硫系相变材料的全光开关的制备方法，包括：

(1)在衬底上方，沉积单晶硅材料，在单晶硅材料上刻蚀纳米孔形成硅光子晶体，纳米孔的半径为90nm，孔间间距为850nm，孔深为250nm；

(2)在硅光子晶体上方，沉积一层40nm厚度的sio2薄膜；

(3)在隔离层薄膜上方，沉积一层25nm的sbte；

(4)在硫系相变材料薄膜上方，沉积一层200nm的具有防氧化性的sio2薄膜，得到全光开关。刻蚀为电子束光刻，沉积为射频磁控溅射。

实施例3

一种基于硫系相变材料的全光开关的制备方法，包括：

(1)在衬底上方，沉积单晶硅材料，在单晶硅材料上刻蚀纳米孔形成硅光子晶体，纳米孔的半径为70nm，孔间间距为800nm，孔深为200nm；