上智大,Si基板レーザーで化合物半導体と同等のしきい値電流密度を実現

上智大学は,高機能・高集積光デバイス集積化を支える異種材料貼り合わせ技術を用いて,シリコン基板上の半導体レーザーにおいて化合物半導体上と同等のしきい値電流密度を得ることに成功した(ニュースリリース)。

近年,光インターコネクションを用いたボード間,チップ間,さらにはチップ内のデータ伝送の低消費電力化や小型化が求められている。光インターコネクションの実現手段として,シリコンフォトニクスが着目されており,研究グループではシリコンフォトニクスにおける光源集積化の課題を克服するために,シリコン基板上に親水性直接貼付法による基板貼付技術を用いて薄膜InP層を貼り合せたInP-Si基板を作製し,この基板上に有機金属気相成長(MOVPE)法を用いてInP系の光デバイスを作製する手法を提案してきた。

今回,シリコン基板上の半導体レーザーにおいて化合物半導体上と同等のしきい値電流密度を得ることに成功した。シリコン基板上に,厚さ1μm程度の薄膜InP層を貼り合わせたテンプレート基板を作製。密接な接合により,接合界面の気泡発生を抑え,質の高い結晶成長とデバイス集積に十分な面積の確保を実現した。

また,InP-Si基板上に,気相状態で半導体結晶を製膜する有機金属気相成長(MOVPE)法によりGalnAsP/InPダブルへテロレーザー構造(総層厚2μm)を成長させたところ,表面状態は良好で,光学特性についてもInP基板上と遜色ないものが得られた。さらにシリコン基板上の波長1.5μm帯半導体レーザーしきい値電流密度は,化合物半導体上とほぼ同等の室温パルス発振を実現した。

これによって,シリコンプラットフォーム上に光源と多種多様なデバイスの集積が可能になるとともに,低コスト,大量生産可能な光集積回路の実現が期待できるとしている。

室温連続発振,長時間駆動のためには,電流注入幅を低減したリッジ構造,埋込み構造の導入等が必要となる。またしきい値電流を低減するために量子井戸,量子ドット等の量子構造が有効となり,これらのレーザー構造作製を行なうとともに薄膜InP層を取り出すInP基板の再利用についても検討しているという。

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