本發(fā)明涉及相變光開(kāi)關(guān)器件，具體涉及一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件。

背景技術(shù)：

1、相變材料非晶相與晶體相之間的光學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異，且具有較好的可調(diào)性，利用這種變化可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)強(qiáng)度和相位的調(diào)控，使其在光學(xué)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力，可實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)、光學(xué)相變存儲(chǔ)器、顯示器件、濾波器等新型光學(xué)應(yīng)用。其中，將相變材料集成到光波導(dǎo)上可以形成光開(kāi)關(guān)，通過(guò)相變材料單元非晶態(tài)與晶態(tài)之間的切換可實(shí)現(xiàn)對(duì)集成光學(xué)系統(tǒng)中傳輸信號(hào)的開(kāi)關(guān)控制。

2、目前，傳統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)仍然以機(jī)械式控制的光開(kāi)關(guān)為主，其開(kāi)關(guān)速率在毫秒級(jí)別，不利于高速光學(xué)應(yīng)用，且器件體積大，不利于大規(guī)模集成。相較于傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)，相變光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度較快，可達(dá)納秒級(jí)，器件體積較小，且相變光開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)非易失性編程，靜態(tài)功耗幾乎為零。然而，目前的相變光開(kāi)關(guān)多以傳統(tǒng)相變材料鍺銻碲為主，仍存在光學(xué)對(duì)比度不夠大，穩(wěn)定性低等問(wèn)題。

3、銻單質(zhì)(sb)是一種典型的相變材料，其具有超快的結(jié)晶速度，可達(dá)皮秒數(shù)量級(jí)，同時(shí)具有較大的光學(xué)對(duì)比度窗口，在光開(kāi)關(guān)應(yīng)用方面具有很大潛力。然而，sb的非晶熱穩(wěn)定性較低，在芯片的實(shí)際應(yīng)用中極易發(fā)生結(jié)晶化，從而導(dǎo)致光開(kāi)關(guān)失效。前期的研究顯示，將sb功能層厚度減小至5nm能夠有效提升其非晶熱穩(wěn)定性，但該方法同樣會(huì)顯著減小光學(xué)對(duì)比度窗口，導(dǎo)致極低的開(kāi)關(guān)比，同時(shí)過(guò)薄的功能層會(huì)顯著增加生產(chǎn)制造成本。因此需在保持較大光學(xué)對(duì)比度窗口的前提下，提升其非晶相的熱穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，該器件利用鍺元素?fù)诫s銻材料進(jìn)行合金化，鍺元素在特定的比例范圍內(nèi)能夠有效抑制銻的結(jié)晶化行為，極大提升材料的非晶熱穩(wěn)定性，并保持足夠的光學(xué)對(duì)比度窗口。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，所述光開(kāi)關(guān)器件的整體結(jié)構(gòu)共五層，自下而上依次為襯底、波導(dǎo)介質(zhì)層、波導(dǎo)保護(hù)層、相變層和頂部保護(hù)層，所述相變層的材料為鍺銻相變材料，化學(xué)式為gexsb100-x，其中10≤x≤30，x為元素的原子百分比。

4、所述鍺銻相變材料通過(guò)在銻薄膜中摻雜鍺元素進(jìn)行制備，摻雜量為鍺銻總量的10％～30％。薄膜的結(jié)晶溫度高于230℃，非晶熱穩(wěn)定性好，有效提升了光開(kāi)關(guān)器件的熱穩(wěn)定性。

5、所述鍺銻相變材料在1530～1565nm的光通訊波段，晶體相的折射率與消光系數(shù)均大于非晶相，因此晶體相與非晶相之間的透射率差值超過(guò)50％，有效提升了光開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)比。

6、所述鍺銻相變材料非晶相與晶體相之間的切換通過(guò)外界激勵(lì)實(shí)現(xiàn)，外界激勵(lì)包括加熱、光脈沖或電脈沖。

7、所述光開(kāi)關(guān)器件的器件單元長(zhǎng)為1～50μm；波導(dǎo)介質(zhì)層為脊型波導(dǎo)，波導(dǎo)介質(zhì)層的厚度范圍為10～300nm，寬度范圍為10～1000nm；

8、波導(dǎo)保護(hù)層的厚度范圍為5～150nm；

9、相變層的厚度范圍為2～100nm；頂部保護(hù)層的厚度范圍為5～100nm；相變層和頂部保護(hù)層的長(zhǎng)度范圍為0.5～20μm。

10、所述襯底的材料為sio2、si材料其中一種，所述波導(dǎo)介質(zhì)層材料為si、si3n4材料的其中一種，所述波導(dǎo)保護(hù)層和頂部保護(hù)層的材料為sio2、ito材料的其中一種。

11、所述相變層的制備方式，包含但不限于磁控濺射、真空蒸鍍、原子層沉積、化學(xué)氣相沉積的方法。所述相變層為非晶相時(shí)鍺銻相變材料的消光系數(shù)低，器件的透射率高，器件為打開(kāi)狀態(tài)，入射光正常通過(guò)；

12、相變層為晶體相時(shí)鍺銻相變材料的消光系數(shù)高，器件的透射率低，器件為關(guān)閉狀態(tài)，入射光被阻擋，非晶相與晶體相之間的器件透射率差值超過(guò)50％。

13、所述相變層的非晶相和晶體相之間通過(guò)外界激勵(lì)驅(qū)動(dòng)切換，外界激勵(lì)包括但不限于激光脈沖、電學(xué)脈沖或加熱。

14、所述光開(kāi)關(guān)器件用于光信號(hào)的傳輸或切換的應(yīng)用。

15、所述光開(kāi)關(guān)器件用于光傳感系統(tǒng)、集成光子存儲(chǔ)器、光纖通信系統(tǒng)中的光交換機(jī)或時(shí)段分割系統(tǒng)中的信號(hào)接受器與發(fā)射器、調(diào)制器。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、本發(fā)明提供一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其中作為功能層的鍺銻相變材料的結(jié)晶化速度達(dá)到數(shù)納秒，非晶化速度為皮秒量級(jí)，該光開(kāi)關(guān)器件的切換速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)械式光開(kāi)關(guān)器件的毫秒量級(jí)。同時(shí)，鍺銻相變材料非晶態(tài)與晶態(tài)的光學(xué)常數(shù)差異大，光開(kāi)關(guān)器件對(duì)光信號(hào)的透射率對(duì)比度超過(guò)50％，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)器件。

18、本發(fā)明提供一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其中作為功能層的鍺銻相變材料，相較于sb，其結(jié)晶溫度和非晶穩(wěn)定性顯著提升，達(dá)到230℃以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)相變材料鍺銻碲的～150℃，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。鍺銻碲的晶體與非晶相下的對(duì)光信號(hào)透射率對(duì)比度～40％，鍺銻材料能夠?qū)⑵涮嵘脸^(guò)50％。此外，本發(fā)明所提供的光開(kāi)關(guān)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積緊湊，能夠有效提升芯片的集成密度，且其制備工藝與現(xiàn)有cmos工藝兼容，易于進(jìn)行大規(guī)模集成生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述光開(kāi)關(guān)器件的整體結(jié)構(gòu)共五層，自下而上依次為襯底(1)、波導(dǎo)介質(zhì)層(2)、波導(dǎo)保護(hù)層(3)、相變層(4)和頂部保護(hù)層(5)，所述相變層(4)的材料為鍺銻相變材料，化學(xué)式為gexsb100-x，其中10≤x≤30，x為元素的原子百分比。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述鍺銻相變材料通過(guò)在銻薄膜中摻雜鍺元素進(jìn)行制備，摻雜量為鍺銻總量的10％～30％，薄膜的結(jié)晶溫度高于230℃，有效提升光開(kāi)關(guān)器件的熱穩(wěn)定性。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述鍺銻相變材料在1530～1565nm的光通訊波段，晶體相的折射率與消光系數(shù)均大于非晶相，晶體相與非晶相之間的透射率差值超過(guò)50％，有效提升光開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)比。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述鍺銻相變材料非晶相與晶體相之間的切換通過(guò)外界激勵(lì)實(shí)現(xiàn)，外界激勵(lì)包括加熱、光脈沖或電脈沖。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述光開(kāi)關(guān)器件的器件單元長(zhǎng)為1～50μm；波導(dǎo)介質(zhì)層(2)為脊型波導(dǎo)，波導(dǎo)介質(zhì)層(2)的厚度范圍為10～300nm，寬度范圍為10～1000nm；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述襯底(1)的材料為sio2、si材料其中一種，所述波導(dǎo)介質(zhì)層(2)材料為si、si3n4材料的其中一種，所述波導(dǎo)保護(hù)層(3)和頂部保護(hù)層(5)的材料為sio2、ito材料的其中一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述相變層(4)的制備方式，包含但不限于磁控濺射、真空蒸鍍、原子層沉積、化學(xué)氣相沉積的方法。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，其特征在于，所述相變層(4)為非晶相時(shí)鍺銻相變材料的消光系數(shù)低，器件的透射率高，器件為打開(kāi)狀態(tài)，入射光正常通過(guò)；

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用，其特征在于，所述光開(kāi)關(guān)器件用于光信號(hào)的傳輸或切換的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用，其特征在于，所述光開(kāi)關(guān)器件用于光傳感系統(tǒng)、集成光子存儲(chǔ)器、光纖通信系統(tǒng)中的光交換機(jī)或時(shí)段分割系統(tǒng)中的信號(hào)接受器與發(fā)射器、調(diào)制器。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于鍺銻相變材料的光開(kāi)關(guān)器件，所述光開(kāi)關(guān)器件的整體結(jié)構(gòu)共五層，自下而上依次為襯底、波導(dǎo)介質(zhì)層、波導(dǎo)保護(hù)層、相變層和頂部保護(hù)層。所述光開(kāi)關(guān)器件的相變層的材料為鍺銻相變材料，化學(xué)式為Ge<subgt;x</subgt;Sb<subgt;100?x</subgt;，其中10≤x≤30。所述鍺銻相變材料結(jié)晶溫度高于230℃，非晶熱穩(wěn)定性好，同時(shí)其非晶態(tài)與晶態(tài)的光學(xué)常數(shù)差異大，透射率差值超過(guò)50％，光學(xué)對(duì)比度高。

技術(shù)研發(fā)人員：周文,楊曉龍,張偉,王疆靖
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15