都市大,シリコンフォトニクス向けGe発光素子を開発

東京都市大学は,高速,超低消費電力な光配線を実現するために,シリコン基板上に,線幅が極めて狭くレーザー(レーザー光線を発するデバイス)に近い特性を持つゲルマニウム発光素子を開発した(ニュースリリース)。

データセンター,サーバー,半導体チップ間の信号伝送には,高速化,低消費電力化がますます求められている。そこで,信号伝送を電流から光に置き換える光配線がこれらの課題を解決できる有望な技術として期待されている。一方で,光配線の光源となるレーザーの作製は困難であり,実用化につながる革新的な成果はまだない。

この問題を解決するため,新規材料としてGeが注目されている。Geは,引っ張り結晶歪みを加え,かつ高濃度n型ドーピングすることにより,レーザーの実現に不可欠な直接遷移型半導体へ変化することができる。しかし,これまで実現されたGeレーザーでは,レーザー発振の閾値が非常に高くかつ発光効率が極めて低いため,実用性が十分ではなかった。

今回研究チームは,レーザー作製を目指して,高品質,高濃度n型ドーピング絶縁膜上の歪みGe(GOI: Ge-on-Insulator)を用い,高反射DBRを有するGeマイクロディスク構造発光素子を開発した。GOI基板は,高品質歪みGe薄膜をSi基板上に結晶成長させ,これを絶縁膜上に貼り合わせた上で,ウェットエッチングによって上部層(Si基板)を取り除き作製した。

さらに,n型ドーパント不純物を高濃度にドーピングする塗布拡散プロセスを用いて9×1019cm-3レベルのリン高濃度ドーピングを行ない,その後電子ビーム描画とドライエッチングを用いて,半径数ミクロンの円型マイクロディスクの周りに周囲が200nmから400nm程度のリング状DBRを作製した。

その結果,フォトルミネッセンス(PL: Photoluminescence)測定により,従来のDBR構造がないデバイスと比べて,通信波長帯にQ値が2倍以上の450を超える極めて先鋭な発光スペクトル,コントラストの極めて高い共振ピーク,かつ10倍以上発光強度を増強できた。

この手法では、これまでに開発を進めてきたGe レーザーのプロトタイプデバイスの閾値低減と発光効率向上を達成し、Geレーザーの実用化に向けた更なる進展をすることができた。今後,全ての光学素子と電子素子がSi基板上に安価に集積化されると,高速かつ大容量な光配線の実現に直結する非常に有望な技術へと発展し,IoT未来社会の実現に大きく寄与できるとしている。

今後の予定としては,1年程度で光励起Geレーザー発振を実証し,2年程度で電流注入Geレーザーの開発と性能向上をすすめ,さらに5年程度で他の光デバイスを同一Si基板上に組み込んだ光配線実証システムの開発を目指す。

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