シリコン基板の上に半導体レーザ

概要

東京工業大学工学院電気電子系の西山伸彦准教授らは、従来の手法より低い温度で、異なる材料を糊剤なしで接合するプラズマ活性化接合^[用語1]を利用して、シリコン基板上に半導体レーザを実現することに成功した。これによりCMOS電子回路^[用語2]プロセスを利用した大規模シリコン光集積回路の作製に威力を発揮する。シリコンはその物理的性質上、効率よく発光することができず、光源を一括集積する手法の開発が課題となっていた。

研究成果

半導体レーザ構造を結晶成長技術によりInP基板^[用語3]上に形成した基板と、SOI（Silicon on Insulator）基板^[用語4]を用意し、2つの基板に真空チャンバ中で窒素プラズマを照射した。その後150℃で2つの基板を貼り付けることにより、ハイブリッド基板を作製した。この150℃という接合温度は、従来の水分子を利用して接合する親水化接合に比べて半分以下の温度であり、これにより熱膨張係数差（熱により物体が膨張する度合いの差）による接合基板へのストレス低減が期待できる。またこの接合温度でも、その後の作製に十分な接合強度を有することができる。

このようにして作製したハイブリッド基板を加工して、半導体レーザを作製した。初期的な実験としてSOI基板に光回路を形成しないものを利用したレーザでは、室温において発振動作を実現し、しきい値電流^[用語5]64mA、しきい値電流密度850A/cm²を実現することに成功した。次にSOI基板に光回路を形成したものにおいても、同様に発振動作を達成した。シリコンリング共振器^[用語6]をハイブリッド領域の前後に配置することによって、リング共振器の共振波長に一致した波長でのレーザ発振を得た。

研究の背景

IoT（Internet of Things）、ビックデータや人工知能などの高度なデータ処理技術は、データセンターやスーパーコンピュターの発展に立脚している。これらの発展のためには、個々の部品の高速化とともに並列化技術が重要である。これまで部品やボード、ラックをつなぐ配線には電気配線が利用されてきたが、伝送帯域拡大を目指して光配線への置き換えが進み、将来的には、チップの直近まで光が浸透することが予想されている。この実現のためには、電子回路チップに利用されている材料であるシリコンとの親和性を担保しながら、大規模性を有する光集積回路を作製するシリコンフォトニクス^[用語7]呼ばれる技術が注目されている。

しかしながら、シリコンは間接遷移半導体^[用語8]であり、電流を注入しても効率よく発光することができず、光源を実現することが困難である。これに対し、従来の半導体レーザで利用されているIII-V族半導体^[用語9]、特にInP材料を異種材料接合技術を利用してシリコン基板に形成する技術が注目されており、いかに大規模でそれぞれの材料の物性を変化させることなく形成するかをポイントに研究が進められてきた。

今後の展開

今後は、さらなる低温（室温）にて接合できる技術を利用してハイブリッド半導体レーザを実現すべく、研究を進めている。将来的には電子回路チップの直近に本技術を用いた大規模光集積回路を集積することが可能になるであろう。