本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及集成光芯片，具體涉及一種多功能硅基光電子器件，該器件具有近零靜態(tài)功耗，高精確度，可大規(guī)模集成的特點(diǎn)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，硅基光電子集成技術(shù)迅速發(fā)展，除了高速光通信、微波光子學(xué)、光傳感外，該技術(shù)在片上光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光量子計(jì)算、光子矩陣計(jì)算、光存儲(chǔ)中也展示了廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也對(duì)芯片功耗、光學(xué)損耗、光學(xué)帶寬提出了更高的要求，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基光子學(xué)網(wǎng)絡(luò)的精確調(diào)控至關(guān)重要。

2、目前較為成熟的調(diào)制方式有等離子體色散效應(yīng)，熱光效應(yīng)，電光效應(yīng)調(diào)制，但其調(diào)制效果較弱，并且需要持續(xù)供能，造成功耗較高，集成密度較低等問(wèn)題。近年來(lái)新興的非易失集成光子器件可以增大波導(dǎo)折射率調(diào)控范圍，工作在零靜態(tài)功耗下，從而極大降低芯片能耗、擴(kuò)大集成規(guī)模同時(shí)減少散熱等問(wèn)題。

3、硫系相變材料因其在非晶態(tài)與晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變的過(guò)程中所展現(xiàn)的巨大的折射率對(duì)比度，出色的狀態(tài)自保持特性，易于在硅基光電子器件平臺(tái)上集成，且具有超高循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)非易失性可重構(gòu)低功耗集成光芯片的一種極有前景的方案。特別是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的低損耗相變材料如sb2se3、sb2s3等突破了過(guò)往相變材料的損耗瓶頸，實(shí)現(xiàn)了近零吸收損耗的相位調(diào)控，進(jìn)一步為大規(guī)模存算一體光芯片及非易失性可編程光芯片奠定了基礎(chǔ)。利用嵌入波導(dǎo)的pin型摻雜硅微加熱器已經(jīng)被證明能夠?qū)崿F(xiàn)高能效、低損耗的相變可逆調(diào)控。然而，相變操控的穩(wěn)定性和重復(fù)性依然是應(yīng)用中的重點(diǎn)問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題。

4、由于相變材料的熱致相轉(zhuǎn)變依賴于隨機(jī)的形核過(guò)程，其非易失性的相位操控具有一定的隨機(jī)性誤差。由于器件性能依賴于對(duì)相位控制精確度，該隨機(jī)性誤差會(huì)在光網(wǎng)絡(luò)芯片中會(huì)引入串?dāng)_和噪聲等不利因素，影響非易失性可重構(gòu)光芯片的性能。盡管通過(guò)多個(gè)脈沖逐步對(duì)芯片中每個(gè)相變材料點(diǎn)位的結(jié)晶狀態(tài)進(jìn)行修正，理論上可以逐步調(diào)整各個(gè)節(jié)點(diǎn)相位，但此操作耗時(shí)且復(fù)雜，且消耗相變材料的循環(huán)壽命。因此，該瓶頸目前尚無(wú)很好的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出一種新的方案，通過(guò)在硅波導(dǎo)上進(jìn)行多種不同摻雜(pin、nin、pip)并共用同一對(duì)金屬互聯(lián)電極進(jìn)行控制，在特定的位置覆蓋低損耗相變材料，從而在施加不同偏置電壓時(shí)，以同一簡(jiǎn)單的單元結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)調(diào)制、存儲(chǔ)和非易失性移相誤差的微調(diào)修正等多種功能。該方案通過(guò)多摻雜區(qū)復(fù)用解決相變集成可重構(gòu)光器件的相位誤差瓶頸，在保持較低功耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)存內(nèi)計(jì)算并提升非易失性可編程光網(wǎng)絡(luò)的精確性；并通過(guò)共用電極簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)，提高集成度、降低操控難度，是一種新型多功能光網(wǎng)絡(luò)芯片的單元結(jié)構(gòu)，為大規(guī)?？删幊碳晒庾与娐钒l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

3、一種多功能硅基光電子器件，對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行摻雜，并在摻雜后的波導(dǎo)上共用一塊電極。

4、上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行摻雜，具體是在波導(dǎo)的兩側(cè)分別采用兩種及以上的方式進(jìn)行摻雜；所述摻雜中至少需同時(shí)包括一種不同類型摻雜和一種同類型摻雜；所述不同類型摻雜為pin型，p摻雜為p++、p+、p中的一種或者是多種組合，n摻雜為n++、n+、n中的一種或者是多種組合；所述同類型摻雜包括nin型和pip型，n摻雜為n++、n+、n中的一種或者是多種組合，p摻雜為p++、p+、p中的一種或者是多種組合。

5、進(jìn)一步地，在波導(dǎo)的同一側(cè)采用同一塊電極。

6、進(jìn)一步地，所述多功能硅基光電子器件，具體結(jié)構(gòu)為：包括襯底、設(shè)于襯底上的光波導(dǎo)、摻雜區(qū)i和摻雜區(qū)ii，設(shè)于光波導(dǎo)上的相變材料，設(shè)于光波導(dǎo)、摻雜區(qū)i、相變材料和摻雜區(qū)ii上的電介質(zhì)包層，設(shè)于電介質(zhì)包層上的電極；所述電介質(zhì)包層內(nèi)設(shè)有通孔結(jié)構(gòu)，所述通孔結(jié)構(gòu)用于連接摻雜區(qū)i、摻雜區(qū)ii與電極；所述摻雜區(qū)i和摻雜區(qū)ii的摻雜方式不同。

7、進(jìn)一步地，所述的電極和通孔結(jié)構(gòu)的材料為金屬電極，可以是金(au)，也可以是鋁(al)或鎢(tu)。

8、所述的相變材料是由ge、sb、se、te或s中任意兩種到四種元素組成的化合物，化合物中摻雜有非金屬元素和金屬元素。所述非金屬元素為氧(o)、氮(n)、碳(c)、硅(si)等，所述金屬元素錫(sn)、銀(ag)、鎘(cd)、鉍(bi)、銦(in)等。

9、上述的多功能硅基光電子器件的使用方法，具體為：

10、在電極上施加反偏電壓，使同型摻雜區(qū)域產(chǎn)熱，利用熱光效應(yīng)改變波導(dǎo)有效折射率，實(shí)現(xiàn)器件的在線調(diào)制訓(xùn)練；

11、在電極上施加正向脈沖電壓，使pin型摻雜區(qū)域溫度升高后迅速降低，使相變材料實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)別的切換速度，實(shí)現(xiàn)器件的非易失性信息存儲(chǔ)；

12、在相變材料可逆調(diào)控過(guò)程中存在相位誤差，在電極上施加反偏電壓，對(duì)已配置好相變材料狀態(tài)的光器件的相位誤差進(jìn)行修正，提高光單元器件的精確性。

13、本發(fā)明的多功能硅基光電子器件的工作原理為：基于各單元器件的熱光效應(yīng)完成調(diào)制訓(xùn)練，基于相變材料相變帶來(lái)的非易失性相位調(diào)控存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重系數(shù)，之后光單元器件可在無(wú)外部供能的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，直到網(wǎng)絡(luò)需要重新進(jìn)行參數(shù)刷新和功能更改。除此之外，通過(guò)多摻雜區(qū)復(fù)用，微調(diào)修正由于pcm可逆調(diào)控引入的隨機(jī)誤差，解決相變集成可重構(gòu)光器件的相位誤差瓶頸，在保持較低功耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)存內(nèi)計(jì)算功能及提升非易失性可編程光單元器件的精確性。

14、本發(fā)明的發(fā)明原理為：

15、1)為了降低多功能硅基光電子器件的功耗，縮小單元器件體積，提升片上集成密度：光子集成電路具有低功耗、低延遲、高并行、大容量、大帶寬和較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，是高速、大數(shù)據(jù)量、人工智能計(jì)算處理極具前景的方案。隨著光芯片的研發(fā)，對(duì)片上新型調(diào)控可重構(gòu)光器件有重大需求，傳統(tǒng)的調(diào)控手段主要通過(guò)電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)、液晶等，但調(diào)控效果通常較微弱，折射率變化量δn<0.01，且其狀態(tài)維持需要外部持續(xù)供能，造成器件尺寸無(wú)法縮減，功耗無(wú)法降低等問(wèn)題，不利于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)高密度集成。硫系相變材料具有獨(dú)特的非易失性和較大光學(xué)常數(shù)差。良好的非易失性可以使器件可以在重構(gòu)后自動(dòng)保持新的狀態(tài)而無(wú)需耗能，直到下一個(gè)調(diào)控信號(hào)觸發(fā)其發(fā)生下一次更新，實(shí)現(xiàn)近零靜態(tài)功耗調(diào)控；較大的光學(xué)常數(shù)差異能夠使器件在較小的體積下實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)操作、多級(jí)操作、任意態(tài)配置，降低單元器件尺寸，提升光芯片集成密度，提高光芯片的計(jì)算精確度。

16、2)為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制和存儲(chǔ)相結(jié)合的存算一體架構(gòu)：在單元光器件上，對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行多種摻雜(例如：nin-pin-nin摻雜)，不同種摻雜區(qū)域互不相接，在波導(dǎo)的同一側(cè)，不同摻雜區(qū)域共用同一塊電極，若施加反向偏置低電壓，可以利用熱光效應(yīng)改變波導(dǎo)有效折射率(pin區(qū)域無(wú)產(chǎn)熱)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光器件的調(diào)制訓(xùn)練，該訓(xùn)練具有開(kāi)關(guān)時(shí)間短、開(kāi)關(guān)能耗低等優(yōu)點(diǎn)。若施加正向脈沖電壓，在pin區(qū)域波導(dǎo)頂部覆蓋相變材料，脈沖激發(fā)pin區(qū)域集中產(chǎn)熱對(duì)相變材料進(jìn)行可逆切換，由于相變材料具有非易失性，可以保持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練后的權(quán)重參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，可維持光器件工作的靜態(tài)功耗降低至零。

17、3)為了對(duì)已配置好pcm狀態(tài)的器件性能誤差修正，提高光器件配置的精確性：相變調(diào)控的穩(wěn)定性和重復(fù)性依然是應(yīng)用中尚未解決的難題，導(dǎo)致pcm基光電子器件與理想工作狀態(tài)存在一定偏差，通過(guò)施加反向偏置電壓，使nin摻雜區(qū)域進(jìn)行電阻產(chǎn)熱，利用熱光效應(yīng)調(diào)控硅波導(dǎo)有效折射率，對(duì)已配置好pcm狀態(tài)的器件性能誤差修正，使單個(gè)器件能夠工作在理想狀態(tài)。

18、本發(fā)明的有益效果是：

19、1)本發(fā)明利用低損耗硫系相變材料，因其具有高折射率對(duì)比度和自保持性，能夠增大混合波導(dǎo)折射率調(diào)控范圍，此外，較大的光學(xué)常數(shù)差異能夠使器件在較小的體積下實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)操作、多級(jí)操作、任意態(tài)配置，降低單元器件尺寸，實(shí)現(xiàn)緊湊集成的非易失性可重構(gòu)零靜態(tài)功耗光器件，提高光器件的計(jì)算精確度。

20、2)本發(fā)明在不同摻雜區(qū)域共用同一對(duì)金屬互聯(lián)電極進(jìn)行控制，可以縮減器件體積，進(jìn)一步提升光芯片集成密度，降低制造成本；通過(guò)施加不同激勵(lì)既能實(shí)現(xiàn)在線調(diào)制，又能完成信息存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)硅基光電子器件存算一體功能。

21、3)本發(fā)明通過(guò)多摻雜區(qū)復(fù)用解決相變集成可重構(gòu)光器件的相位誤差瓶頸，在保持較低功耗的同時(shí)，提升存內(nèi)計(jì)算單元器件及非易失性可編程光器件的精確性。