一种垂直结构的光电逻辑开关

技术领域

本发明涉及半导体光电集成技术领域，特别涉及一种垂直结构的光电逻辑开关。

背景技术

自上个世纪60年代开始，微电子领域集成电路技术获得了突飞猛进的发展。三十年来，CMOS工艺的特征尺寸持续减小，器件的速度不断提高，单片上集成的器件密度不断增大，使芯片制造的工艺线宽进入深亚微米，但这会导致芯片上寄生电容和信号串扰等互连线的寄生效应越来越显著，形成集成电路发展所谓的“电子瓶颈”。由于光子传输速度远大于电子速度，光信号的复用能力和抗干扰能力都比电信号要强，利用这些光互连的先天优势，如果将电路计算所得的电信号转化成光信号进行传输，电互连的种种问题都有望得到解决。

自集成光学的概念提出以来，从理论形成到技术开发，集成光学已产生了巨大的社会影响。半导体光电子集成由于其集成度高、信息量大、速度快等优点被认为是实现高性能、低成本的光电子器件的有效途径。硅材料通过微电子技术改变了世界，它也将成为光子技术的关键材料。最近几年，硅基光子学取得了令人瞩目的成就，由于硅基光子学技术与CMOS工艺的兼容性，使得硅基光子器件与微电子电路在同一块硅基片上的单片集成成为可能。

目前针对光电探测器和逻辑电路的互联技术存在很多的问题。首先，实现光信号到电信号的传输，存在信号小于检测水平的问题，并且，光电流需要实现电流到电压的转变，才能作为输入信号传入逻辑电路中；其次，光信号通常以某一波段为主体，一种器件只能感知传输一个波段，极大的限制了器件体积的缩小，应用受到局限。

发明内容

本发明实施例提供了一种垂直结构的光电逻辑开关，用于解决现有技术中光电探测和逻辑电路互联存在的问题。本发明提供的技术方案如下：

本发明的实施例提供一种垂直结构的光电逻辑开关，包括：光探测单元、阻抗单元和逻辑单元；

所述光探测单元设置于顶层，用于将探测到的光信号转换为电流信号；

所述阻抗单元设置于所述光探测单元的下一层，其输入端与所述光探测单元的输出端电连接；所述阻抗单元用于将所述光探测单元产生的电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号放大至所述逻辑电路的探测范围；

所述逻辑单元设置于底层，其输入端与所述阻抗单元的输出端电连接；所述逻辑单元用于实现将所述阻抗单元输出的低电平电压信号反向转换成高电平电压信号输出。

可选地，所述光电逻辑开关包括：至少一个光探测单元，以及与所述光探测单元相等数量的阻抗单元。

可选地，所述逻辑单元，包括：

置于底层的衬底；

集成在所述衬底上的第一二维二硫化钼层、第一电极、第三电极，所述第一电极和第三电极分设于所述第一二维二硫化钼层的两端；

设置于所述第一二维二硫化钼层顶部、位于所述第一电极和第三电极之间的第二电极；

设置于所述第二电极与第三电极之间的第一二维氮化硼层和第四电极；所述第一二维氮化硼层设置于所述第一二维二硫化钼层上，所述第四电极设置于所述第一二维氮化硼层上。

可选地，所述光电逻辑开关包括第一阻抗单元；

所述第一阻抗单元包括：

集成在所述第三电极和第四电极上的第二二维二硫化钼层，用作所述第一阻抗单元的电阻；

设置于所述第二二维二硫化钼层两端的第五电极、第六电极；所述第五电极与第三电极电连接，所述第六电极与第四电极电连接。

可选地，所述光电逻辑开关包括第一光探测单元；

所述第一光探测单元包括：

与所述第五电极电连接的第七电极，用作所述第一光探测单元等效光电晶体管的源极；

与所述第六电极电连接第八电极，用作所述第一光探测单元等效光电晶体管的漏极；

集成在所述第五电极和第六电极上的第一光敏二维材料层，所述第一光敏二维材料层连通所述第七电极和第八电极，用作所述第一光探测单元等效光电晶体管的沟道材料；其中，所述第一光敏二维材料为对所述第一光探测单元所需要探测的第一预设波段光信号敏感的二维材料。

可选地，所述逻辑单元，还包括：

设置于所述第一电极与第二电极之间的第二二维氮化硼层和第九电极；所述第二二维氮化硼层设置于所述第一二维二硫化钼层上，所述第九电极设置于所述第二二维氮化硼层上。

可选地，所述光电逻辑开关还包括第二阻抗单元；

所述第二阻抗单元包括：

集成在所述第一电极和第九电极上的第三二维二硫化钼层，用作所述第二阻抗单元的电阻；

设置于所述第三二维二硫化钼层两端的第十电极、第十一电极；所述第十电极与第一电极电连接，所述第十一电极与第九电极电连接。

可选地，所述光电逻辑开关还包括第二光探测单元；

所述第二光探测单元包括：

与所述第十电极电连接的第十二电极，用作所述第二光探测单元等效光电晶体管的源极；

与所述第十一电极电连接第十三电极，用作所述第二光探测单元等效光电晶体管的漏极；

集成在所述第十电极和第十一电极上的第二光敏二维材料层，所述第二光敏二维材料层连通所述第十二电极和第十三电极，用作所述第二光探测单元等效光电晶体管的沟道材料；其中，所述第二光敏二维材料为对所述第二光探测单元所需要探测的第二预设波段光信号敏感的二维材料。

可选地，所述第一光敏二维材料和第二光敏二维材料分别为二维二碲化钼、二维二硫化钼。

可选地，所述第七电极和第八电极之间的距离可调，和/或

所述第十二电极和第十三电极之间的距离可调。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例中，通过光探测单元实现了光信号到电信号的转换，通过阻抗单元实现了电信号的传输以及电流信号到电压信号的转变和电信号的放大；通过逻辑单元实现了电信号的运算，实现了低电平到高电平的反向输出。本发明提供的逻辑开关，通过光探测单元、阻抗单元和逻辑单元组成垂直结构，通过三个单元在垂直方向上的集成，实现了预设光波段的光电集成和逻辑运算，不仅能够解决现有技术中光电探测和逻辑电路互联存在的问题，实现光电集成和逻辑运算，还简化了制备工艺，并缩小了器件的体积，进一步地，采用同一设计原理，可以在逻辑单元之上，叠加多个阻抗单元和光探测单元的竖直结构，即可实现对多个不同波段的光电集成和逻辑运算。

附图说明

图1为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关的结构示意图；

图2为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关实施例一的结构示意图；

图3为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关实施例二的结构示意图；

图4为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关实施例三的俯视结构图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关的结构示意图，如图1中所示，该处置结构的光电逻辑开关包括：光探测单元100、阻抗单元200和逻辑单元300。

光探测单元100，设置于顶层，用于将探测到的光信号转换为电流信号；

阻抗单元200，设置于中间层，即所述光探测单元的下一层，其输入端与光探测单元100的输出端电连接；阻抗单元200用于将100光探测单元产生的电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号放大至逻辑电路300的探测范围；

逻辑单元300，设置于底层，其输入端与阻抗单元200的输出端电连接；逻辑单元300用于实现将阻抗单元200输出的低电平电压信号反向转换成高电平电压信号输出。

在一可选实施例中，本发明提供的垂直结构的光电逻辑开关包括：至少一个光探测单元，以及与所述光探测单元相等数量的阻抗单元。即：在所述逻辑单元之上，可以有多组阻抗单元和光探测单元的竖直结构，每组光探测单元用于探测一个预设波段的光信号，并经阻抗单元转换为电压信号后输出给逻辑单元300，逻辑单元300将每组阻抗单元输出的低电平电压信号反向转换成高电平电压信号输出，从而实现对多种不同波段的光电集成和逻辑运算。

本发明实施例中，通过光探测单元实现了光信号到电信号的转换，通过阻抗单元实现了电信号的传输以及电流信号到电压信号的转变和电信号的放大；通过逻辑单元实现了电信号的运算，实现了低电平到高电平的反向输出。本发明提供的逻辑开关，通过光探测单元、阻抗单元和逻辑单元组成垂直结构，通过三个单元在垂直方向上的集成，实现了预设光波段的光电集成和逻辑运算，不仅能够解决现有技术中光电探测和逻辑电路互联存在的问题，实现光电集成和逻辑运算，还简化了制备工艺，并缩小了器件的体积。

以下分别以探测单一波段光信号和探测两种波段光信号为例，具体说明本发明提供的垂直结构的光电逻辑开关。

实施例一

本实施例提供一种用于实现一种波段的光电集成和逻辑运算的光电逻辑开关。图2所示为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关实施例一的结构示意图，如图2中所示，本实施例提供的光电逻辑开关包括第一光探测单元101、第一阻抗单元201、逻辑单元300。其中，逻辑单元300，可以包括：置于底层的衬底1，集成在衬底1上的第一二维二硫化钼层2、第一电极3、第三电极5，所述第一电极3和第三电极5分设于所述第一二维二硫化钼层2的两端；逻辑单元300还包括设置于第一二维二硫化钼层2顶部、位于所述第一电极3和第三电极5之间的第二电极4，以及设置于第二电极4与第三电极5之间的第一二维氮化硼层6和第四电极9；所述第一二维氮化硼层6设置于所述第一二维二硫化钼层2上，所述第四电极9设置于所述第一二维氮化硼层6上。

图2中，第一二维二硫化钼层2用作逻辑晶体管的沟道，在本实施例中，对于第一光探测单元101、第一阻抗单元201而言，第一电极3用作逻辑单元300的第一施加偏压端，第二电极4用作逻辑单元300的信号输出端，第三电极5用作逻辑单元的第一接地端；第一二维氮化硼层6和第四电极9用作逻辑单元300的第一信号输入端，第一二维氮化硼层6在此起到的栅介质层的作用，第四电极9加了二维氮化硼之后，组成了场效应晶体管场的底电极，因此第一二维氮化硼层6和第四电极9用作逻辑电路的栅极。

优选地，第一二维二硫化钼层2的厚度为5nm-20nm，长度为25μm-30μm；第一二维氮化硼层6的厚度为10nm-100nm，长度为20μm-30μm。第一电极3、第二电极4、第三电极5、第四电极9的厚度均为50-80nm。

进一步可选地，如图2中所示，所述光电逻辑开关包括的第一阻抗单元201，可以包括：第二二维二硫化钼层7、第五电极10、第六电极11；其中，第二二维二硫化钼层7集成在所述第三电极5和第四电极9上，用作所述第一阻抗单元201的电阻；第五电极10、第六电极11设置于第二二维二硫化钼层7两端，第五电极10和第六电极11用作第一阻抗单元201的电阻两端的电极，用于信号的传递；所述第五电极10与第三电极5电连接，所述第六电极11与第四电极9电连接。本实施例中，电流信号由光探测单元传递至第一阻抗单元201，第一阻抗单元201将第一光探测单元101产生的电流信号转换为电压信号，并起到信号放大的作用，将信号放大至后续逻辑电路的探测范围，通过第五电极10、所述第六电极11输出给逻辑单元300的第一信号输入端。

优选地，第一阻抗单元201的电阻值为1MΩ-1GΩ。其中，第二二维二硫化钼层7的厚度为5nm-20nm，长度为10μm-20μm；第五电极10和第6电极11的厚度均为50-80nm，能够获得较佳的效果。

进一步可选地，如图2中所示，所述光电逻辑开关包括的第一光探测单元101，可以包括：第一光敏二维材料层8、第七电极12、第八电极13；其中，第一光敏二维材料层8集成在所述第五电极10和第六电极11上，第一光敏二维材料层8连通所述第七电极12和第八电极13。所述第一光敏二维材料为对所述第一光探测单元所需要探测的第一预设波段光信号敏感的二维材料，用作所述第一光探测单元等效光电晶体管的沟道材料；第七电极12用作所述第一光探测单元等效光电晶体管的源极，第八电极13用作所述第一光探测单元等效光电晶体管的漏极，在该光电晶体管的源极(第七电极12)和漏极(第八电极13)施加偏压的条件下，当第一光敏二维材料层8在第一预设波段光的作用下，通过该光电晶体管的源极和漏极施加偏置电压控制光电晶体管的光生载流子的运动，从而产生光电流和暗电流，实现光电信号的转换。其中，第七电极12与所述第五电极10电连接，第八电极13与所述第六电极11电连接，进行第一光探测单元101和第一阻抗单元201之间电信号的传递。

可选地，所述第七电极12和第八电极13之间的距离可调，从而实现对第一光探测单元101等效光电晶体管的沟道宽度的调节。

优选地，第一光敏二维材料为二维二碲化钼或二维二硫化钼，若第一光敏二维材料为二维二碲化钼，则所述第一预设波段为红外波段，即第一光探测单元101用于探测红外光信号；若第一光敏二维材料为二维二硫化钼，则所述第一预设波段为可见光波段，即第一光探测单元101用于探测可见光信号。

优选地，第一光敏二维材料层8的厚度为10nm-30nm，长度为10μm-20μm，第八电极13和第七电极12的厚度均为50-80nm。

图2所示光电逻辑开关中，第一光探测单元101探测到第一波段的光信号并将其转换为电信号后传递给第一阻抗单元201，经第一阻抗单元201放大的电压信号通过第六电极11和第四电极9之间的连接，第五电极10和第三电极5之间的连接传递至逻辑单元300；逻辑单元300，通过第四电极9和第四电极9相接触的第一二维氮化硼层6接收信号，通过逻辑单元300中电平的变化，在第二电极4的逻辑单元信号输出端输出相应的电平逻辑信号。

优选地，本实施例中，衬底1为硅/二氧化硅绝缘衬底。第一电极3、第二电极4、第三电极5、第四电极9、第五电极10、第六电极11均为铬-金金属电极；当第一光敏二维材料层8的材料为二维二碲化钼时，所述第七电极12、第八电极13为铟-金金属电极。

实施例二

本实施例提供一种用于实现两种波段的光电集成和逻辑运算的光电逻辑开关。图3所示为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关实施例二的结构示意图，如图3所示，本实施例的光电逻辑开关在图2所示光电逻辑开关结构的基础上，进一步地，还包括第二光探测单元102和第二阻抗单元202。

如图3中所示，本实施例中，逻辑单元300，还包括：设置于第一电极3与第二电极4之间的第二二维氮化硼层14和第九电极15；所述第二二维氮化硼层14设置于所述第一二维二硫化钼层2上，所述第九电极15设置于所述第二二维氮化硼层14上。

本实施例中，对于第二光探测单元102和第二阻抗单元202而言，所述第一电极3用作逻辑单元300的第二接地端，所述第二电极4用作逻辑单元300的信号的输出端，所述第三电极5用作逻辑单元300的第二施加偏压端；第二二维氮化硼层14和第九电极15用作逻辑单元300的第二信号输入端，用作逻辑电路的栅极。

优选地，第二二维氮化硼14的厚度为10nm-100nm，长度为20μm-30μm。第九电极15的厚度为50-80nm。

进一步可选地，如图3中所示，所述光电逻辑开关包括的第二阻抗单元202，可以包括：第三二维二硫化钼层16、第十电极17、第十一电极18；其中，第三二维二硫化钼层16集成在所述第一电极3和第九电极15上，用作所述第二阻抗单元202的电阻；第十电极17、第十一电极18设置于所述第三二维二硫化钼层16两端，第十电极17和第十一电极18用作第二阻抗单元202的电阻两端的电极，用于信号的传递；第十电极17与第一电极3电连接，第十一电极18与第九电极15电连接。第二阻抗单元202将第二光探测单元102产生的电流信号转换为电压信号，并起到信号放大的作用，将信号放大至后续逻辑电路300的探测范围，通过第五电极10、所述第六电极11输出给逻辑单元300的第二信号输入端。

优选地，第二阻抗单元202的电阻值为1MΩ-1GΩ。其中，第三二维二硫化钼层16的厚度为5nm-20nm，长度为10μm-20μm；第十电极17和第十一电极18的厚度均为50-80nm。

进一步可选地，如图3中所示，所述光电逻辑开关包括的第二光探测单元102，可以包括：第二光敏二维材料层19、第十二电极20、第十三电极21；其中，第二光敏二维材料层19集成在所述第十电极17和第十一电极18上，第二光敏二维材料层19连通所述第十二电极20和第十三电极21。所述第二光敏二维材料为对所述第二光探测单元所需要探测的第二预设波段光信号敏感的二维材料，用作所述第二光探测单元等效光电晶体管的沟道材料；第十二电极20用作所述第二光探测单元等效光电晶体管的源极；第十三电极21用作所述第二光探测单元等效光电晶体管的漏极；在该光电晶体管的源极和漏极施加偏压的条件下，当第二光敏二维材料层19在第二预设波段光的作用下，通过光电晶体管的源极21和漏极20施加偏置电压控制光电晶体管的光生载流子的运动，从而产生光电流和暗电流，实现光电信号的转换。其中，第十二电极20与所述第十电极17电连接，第十三电极21与所述第十一电极18电连接，用于第一光探测单元101和第一阻抗单元201之间电信号的传递。

可选地，所述第十二电极20和第十三电极21之间的距离可调，从而实现对第二光探测单元102等效光电晶体管的沟道宽度的调节。

优选地，第二光敏二维材料为二维二碲化钼或二维二硫化钼，若第一光敏二维材料为二维二碲化钼，则所述第二光敏二维材料为二维二硫化钼，若第一光敏二维材料为二维二硫化钼，则所述第二光敏二维材料为二维二碲化钼，即第一光探测单元101和第二光探测单元102分别用于探测红外光信号、可见光信号。

优选地，第二光敏二维材料层19的厚度为10nm-30nm，长度为10μm-20μm，第十二电极20和第十三电极21的厚度均为50-80nm。

图3所示光电逻辑开关中，第二光探测单元102探测到第二波段的光信号并将其转换为电信号后传递给第二阻抗单元202，经第二阻抗单元202放大的电压信号通过第十电极17和第十电极3之间的连接，第十一电极18和第九电极15之间的连接传递至逻辑单元300；逻辑单元300，通过第九电极15和第九电极15相接触的第二二维氮化硼层14接收信号，通过逻辑单元300中电平的变化，在第二电极4的逻辑单元信号输出端输出相应的电平逻辑信号。

优选地，本实施例中，第九电极15、第十电极17、第十一电极18均为铬-金金属电极；当第二光敏二维材料层19的材料为二维二硫化钼时，第十三电极21、第十二电极20为铬-金金属电极。

实施例三

本实施例提供一种用于实现多种波段的光电集成和逻辑运算的光电逻辑开关。图4所示为本发明提供的一种垂直结构的光电逻辑开关实施例三的俯视结构图，图4中示意性地画出了根据图1所示主要发明思路，在逻辑单元300上集成4组光探测单元和阻抗单元的俯视结构图。其中，第一光探测单元101和第一阻抗单元201在垂直于图4所示平面的方向上叠加设置为第一组，第二光探测单元102和第二阻抗单元202在垂直于图4所示平面的方向上叠加设置为第二组，第三光探测单元103和第三阻抗单元203在垂直于图4所示平面的方向上叠加设置为第三组，第四光探测单元104和第四阻抗单元204在垂直于图4所示平面的方向上叠加设置为第四组；所述第一光探测单元101、第二光探测单元102、第三光探测单元103、第四光探测单元104分别用于探测不同波段的光信号。

可以如图4中所示将底层的逻辑单元300中的衬底1实现为一圆形截面，并将集成在所述衬底1上的第一二维二硫化钼层2也实现为圆形截面，将第二电极4设置于所述第一二维二硫化钼层2的顶部圆形中心位置，每个阻抗单元底部还有逻辑单元300的两个分别用作接地端和栅极的电极(图4中未示出)，类似于图2中的第三电极5、第一二维氮化硼层6和第四电极9)，此处不再赘述。

显然，在该圆形结构的逻辑单元300上，可以设置不仅限于3组或4组的竖直结构的光探测单元和阻抗单元，根据本发明提供的思想，可以设置若干组竖直结构的光探测单元和阻抗单元，并共用同一个逻辑单元，其实现原理与图2和图3所示的光电逻辑开关的原理类似，这些变形的光电逻辑开关结构都在本发明的保护范围之内。

进一步地，逻辑单元300的衬底和第一二维二硫化钼层2的实际形状也可根据实际需要具体设置，不仅限于图4所示的圆形结构，此处不再赘述。

此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。