基于二维材料／相变材料／半导体的集成光相移器的制作方法
本发明属于光学领域，涉及光学器件，具体涉及一种基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器。
背景技术：
半导体技术所催生的光电集成技术可以将庞大的光学系统和链路芯片化，从而极大地降低功耗和成本，在通信互联上已有了广泛的应用，在传感成像、人工智能等领域也有着巨大的应用前景。在集成光电芯片中，通过调控波导中传播的光信号即可实现光芯片所设计的功能。
集成光相移器是对光波相位进行调控的光器件，而通过相移还可以实现光学相控阵、调制器、延迟线、可调光衰减器等器件。光波的相位调控主要依赖于对波导折射率的控制，目前可调相移器的实现方式主要有热光调控、电光效应、自由载流子色散和等离子体效应等。这些折射率调控方法在高速或低功耗调制等方面各有千秋，但由于调控中折射率所能达到的改变量不大，器件长度通常较长。此外，外部供能停止后，器件被改变的状态就会恢复至调控前，即这类调控手段都不具有非易失性，因而静态功耗较高。
硫系相变材料是一种可在光/电脉冲诱导下发生快速(可达亚纳秒级)、可逆的固态相转变，并在相变前后产生巨大光学性能差异的材料。由于其具有独特的非易失性，将硫系相变材料集成，可以实现无需静态功耗的非易失性光器件。此前，由于传统硫系相变材料(如Ge2Sb2Te5等)对折射率的调控都伴随着光吸收损耗的上升，虽然容易实现光的强度调控，但却无法在保证光强不变的前提下仅针对光的相位进行操控。
相变集成光器件的可逆调控主要依靠激光脉冲或电脉冲来实现。电调控具有稳定性高、集成度高等优势，是一种非常适合应用于光电集成芯片中的调控方式。然而，以往电调控中所使用的氧化铟锡或金属电极等都
存在吸收损耗，对降低器件的插入损耗不利；并且，尽管在掺杂硅波导中形成加热器(如专利CN109917565A)或利用石墨制成微加热器(如文献DOI:10.23919/CLEO.2019.8749567)可以通过热传导使相变材料发生相变，但间接加热的能量效率相对较低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器，该集成光相移器可以实现具有非易失性的任意相移，可实现超低损耗、高稳定性、高能量效率的纳秒级快速调控，并且无静态功耗。同时，该集成光相移器在工艺上可实现CMOS兼容的单片集成，拥有万亿次的循环寿命，是一种性能优越且有产业化基础的器件。该集成光相移器解决了现有相变集成光器件无法实现与强度调控解绑的纯相位调控，以及相变调控结构效率不够高、引入明显光损耗的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器，整体结构设于半导体基底上，半导体基底上设有下包层，下包层上设有脊形光波导层以及掺杂光波导，掺杂光波导上设有相变材料层，相变材料层上设有二维材料层，结构上部被上包层覆盖；
该结构还配有两个金属平板电极，两个金属平板电极分别与掺杂光波导和二维材料层相连；
所述的下包层上设有本征半导体层，对本征半导体层进行部分刻蚀得到所述的脊形光波导层；所述的掺杂光波导为脊形光波导层在有源区经过掺杂得到；
所述的相变材料层为低损耗相变材料层，其在相移器的工作波长下非晶态与晶态消光系数差不大于0.5。
上述技术方案中，进一步地，所述的掺杂光波导和二维材料层作为接触相变材料层的两个电极，其作用是使外加电流通过所述的相变材料层并使所述的相变材料层自身产生焦耳热，进而诱导所述的相变材料层发生相变。
进一步地，所述的相变材料层是由Ge、Sb、Se或Te中任意两种到四种元素组成的化合物及其N、O、Si的掺杂化合物。
进一步地，所述的掺杂光波导为p-i-p型掺杂、n-i-n型掺杂、p-i-n型掺杂、p型掺杂和n型掺杂。
进一步地，所述的半导体基底的材料包括但不限于硅、锗、磷化铟、锑化铟、砷化镓的III-V复合化合物中的任意一种，下包层的材料包括但不限于SiO2、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或硫化锌-二氧化硅、磷化铟、锑化铟、砷化镓的III-V复合化合物等中的任意一种，脊形光波导层的
材料包括但不限于硅、碳化硅、氮化硅、锗磷化铟、锑化铟、砷化镓及其复合化合物及量子阱中的任意一种。
进一步地，所述的上包层的材料是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝或硫化锌-二氧化硅中的一种。
进一步地，所述的二维材料层是由单层或少层原子或分子层组成的、层内由较强的共价键或离子键连接、层间(若有)由范德瓦耳斯力结合的材料，包括但不限于经过掺杂或未掺杂的石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料；所述的少层为小于10层。
进一步地，所述的掺杂光波导与金属平板电极通过第一通孔相连，所述的二维材料层与金属平板电极通过第二通孔相连。
进一步地，通过改变外加电脉冲的功率，使相变材料层内产生不同大小的焦耳热并发生不同程度的相变，从而使波导内传播的光获得0～2π间的任意相移。
本发明的发明原理为：
本发明提供一种高性能的相变集成光电器件，使用透明电极对相变材料进行通电，并使得相变材料被自身电阻在电流通过时所产生的焦耳热加热而产生相变，进而使得光波导在损耗无明显升高的情况下产生折射率的变化，即可得到一种紧凑集成、高能量效率、低功耗、快速可调的非
易失性集成光相移器。其中，透明电极是指在集成光相移器工作波长下无吸收损耗的电极。
本发明实现光相移的原理是，通过分别与掺杂光波导和二维材料层相连的两个金属平板电极施加不同能量、持续时间或个数的电脉冲，使电流流过位于掺杂光波导和二维材料层之间的相变材料层，在相变材料层内部产生焦耳热，进而使得相变材料层发生不同程度的相变并随之在无明显损耗升高的情况下呈现不同的折射率，改变掺杂光波导的有效折射率并使波导中的光获得0～2π间的任意相移。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明利用低损耗相变材料构建集成光相移器，此类相变材料在相变时仅改变折射率实部而无明显损耗上升，可实现具有非易失性、无静态功耗的0～2π任意相移；该集成光相移器利用掺杂光波导和二维材料层作为透明电极，并在相变材料层中直接产生焦耳热，具有光损耗低、能量效率高、调控速度快的优势。同时，该集成光相移器在工艺上可实现CMOS兼容的单片集成，拥有万亿次的循环寿命，是一种性能优越且有产业化基础的器件。
附图说明
图1是本发明提出的基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器结构示意图，包括器件无源区(图1(a))和有源区(图1(b))剖面示意图；
图2是本发明提出的基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器的工作原理图，图2(a)为在光相移器的两个金属平板电极之间施加电压后有源区的电流流动情况，图2(b)为相变材料层温度升高进而发生相变的情况；
图3是本发明提出的基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器的实施例2器件有源区剖面示意图，其中有源区光波导为p-i-n型掺杂；
图4是本发明提出的基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器的实施例3器件有源区剖面示意图，其中金属平板电极与掺杂光波导和石墨烯的接触方式为直接接触。
在图1～图4中，101为半导体基底，102为下包层，103为脊形光波导层，105为上包层；203为掺杂光波导，204为相变材料层，206为二维材料层，207为金属平板电极。
图1～图3中，207-1为第一通孔，207-2为第二通孔。
图3中，203-1为p型掺杂区，203-2为未掺杂区，203-3为n型掺杂区。
具体实施方式
以下通过具体的实施例来进一步说明本发明的内容，但应该理解，具体实施例并不以任何方式限制本发明的实施范围。
实施例1
一种基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器的结构如图1，器件有源区的剖面示意图如图1(b)所示。其中半导体基底101采用绝缘体上硅(SOI)，即半导体基底101上设有2μm绝缘层SiO2(即下包层102)，下包层102上有220nm厚的本征硅刻蚀形成的500nm宽的脊形光波导层103，刻蚀深度为70nm；在器件的有源区，所述的脊形光波导层103经过p型硼掺杂(掺杂浓度为1020cm-3)形成掺杂光波导203，相变材料层204采用50nm厚的Sb2S3，器件经过SiO2电介质材料即上包层105沉积和平整化过后，转移上石墨烯得到二维材料层206；整体结构再次被SiO2电介质材料即上包层105覆盖，所述的掺杂硅波导203和二维材料层206分别通过两个金属通孔207-1和207-2与两个金属平板电极207相连。
图2是基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器的工作原理。如图2(a),在光相移器的两个金属平板电极207之间施加电压，电流将流过相变材料层204并由于相变材料层204的电阻产生焦耳热，使得相变材料层204温度升高进而发生相变。如图2(b),当电脉冲的作用使相变材料层204的温度升高至其熔化温度以上并快速冷却后，相变材料层204会呈现低折射率的非晶态(状态1)；当电脉冲使相变材料层204的温度升高至结晶温度以上、熔化温度以下，通过控制脉冲个数或脉冲能量，可以使相变材料在呈现多个结晶程度不同的晶态(状态2～状态m)，其折射率逐渐增大，而损耗可保持基本不变。这些折射率各不相同的状
态将使得波导呈现不同的有效折射率，并为波导中传播的光引入不同的相位延迟。
实施例2
一种基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器，无源区结构与图1中的无源区剖面图相同，有源区结构如图3中的剖面图所示。与实施例1的不同之处在于，掺杂光波导203的掺杂类型为p-i-n型掺杂。其中，p型掺杂区203-1掺杂浓度为1020cm-3的硼，n型掺杂区203-3掺杂浓度为1020cm-3的磷，未掺杂区203-2不掺杂。
实施例3
一种基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器，无源区结构与图1中的无源区剖面图相同，有源区结构如图4所示，与实施例1和实施例2的不同之处在于，掺杂光波导203和二维材料层206分别与两个金属平板电极207直接接触相连。
以上所述仅是本发明的个别实施案例，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，例如采用其它成分的相变薄膜，采用其它类型的半导体、二维材料或相变材料，或在二维材料表面增加其它压覆层等，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。