ナノテク情報

デバイス・応用

シリコンチップ上のグラフェン高速発光素子を開発 ~チップ上光集積素子へ新たな道~

 国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST),慶応義塾大学および九州大学は2018年3月29日,JST戦略的創造研究推進事業個人的事業(さきがけ)において,慶應義塾大学 理工学部物理情報工学科の牧 英之 准教授らがシリコン(Si)チップ上で動作する高速なグラフェン発光素子を開発し,その発光素子を使った光通信を実演するとともに,光のオン/オフを高速に変化(高速変調)できるメカニズムも新たに発見したことを発表した.この研究は,九州大学 グローバルイノベーションセンターの吾郷 浩樹 教授と共同で行ったものであり,この成果は,Nature Communications誌に掲載された(注).

 近年高集積化・高速化をさらに高める技術として,装置間,ボード間,チップ間,チップ内を光信号で結ぶ「光インターコネクト」や,Si上で発光素子や受光器,光変調器などのデバイスを集積する技術「シリコンフォトニクス」が注目されている.これまでは発光素子に化合物半導体が用いられたため,Si上でのデバイスの実現が難しく,高密度も困難,さらに光で信号を送るための光強度変調に光変調器が別途必要などの問題があり,実用化が進まなかった.また,化合物半導体に代わってグラフェンを用いる例も報告されているが,変調速度が遅く,100kHz止まりであった.

 今回,本研究グループは,グラフェンをSi上に直接形成する超小型の発光素子で,応答時間が100ps,変調速度で10GHzを実現するとともに,この高速変調性が,量子的な熱輸送によることを発見した.デバイスの構造は,シリコン表面をシリコン酸化膜(SiO2)で覆った基板上に,単層又は複数層のグラフェンを形成し,所望サイズ(例えば2×9μm)にパターニングした後にこれと接続するソースとドレイン電極(接地と信号ラインとなる)を形成する.この信号ラインは50Ωの特性インピーダンスを持つcoplanar型の伝送線路であり,グラフェンはこの伝送線路の終端を形成する.このグラフェンに電気を流すと発熱(電圧8V印加でグラフェン温度750K)による黒体放射発光が起こり,その近赤外の発光が信号電流の変化より高速で変調される.何故高速変調が可能化については次のようなことが実験とグラフェンと基板を含む熱伝導シミュレーションにより確認された.ホットスポットで発光時に発生した熱は,グラフェン内の熱伝導と同時に基板へ伝導する.基板への伝導は,グラフェンの伝導キャリアのエネルギーがSiO2基板の表面極性フォノンに遠隔で受け渡され,さらにそのフォノンが散乱されることなく波として基板表面を伝搬する.この量子的熱輸送が超高速変調を可能とする支配的要因であることを発見した.

 さらに,化学気相成長法(CVD法)により大面積のグラフェン膜を形成し,Niマスクを用いた酸素プラズマエッチングでグラフェン発光素子を多数アレー状に並べることにも成功した.また,このグラフェン発光素子の表面に保護膜を形成し発光素子が大気中で動作できること,光ファイバとの直接結合を実証し,この発光素子とフォトレシーバーを用いた光通信の実演にも成功した.

 この素子は,Si上への直接形成ができ,小型・高速の特徴を持つので,光インターコネクトやSiフォトニクスなど,Siを主体とした電子回路技術と融合した集積光デバイス用の光源への応用も可能である.

(注)Yusuke Miyoshi, Yusuke Fukazawa, Yuya Amasaka, Robin Reckmann, Tomoya Yokoi, Kazuki Ishida, Kenji Kawahara, Hiroki Ago and Hideyuki Maki, "High-speed and on-chip graphene blackbody emitters for optical communications by remote heat transfer", Nature Communications, Vol. 9, Article number: 1279 (2018), doi: 10.1038/s41467-018-03695-x; Published online: 29 March 2018