【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2024.06.25】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22IT0026
利用課題名 / Title
半導体薄膜光集積回路作製手法の検討と測定
利用した実施機関 / Support Institute
東京工業大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
光集積回路
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
高橋 直樹
所属名 / Affiliation
東京工業大学 工学院電気電子系
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
Weicheng Fang,Ruihao Xue,勝見駿斗,筒井慧悟,,坂井駿介
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
西山伸彦
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
IT-001：電子ビーム露光装置
IT-002：電子ビーム露光データ加工ソフトウェア
IT-007：走査型電子顕微鏡
IT-008：3連Eガン蒸着装置
IT-010：有機金属気相成長装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
近年「光電融合」という言葉が広く認知されつつある。「光電融合」とはコンピューターが行う計算の一部を光が担うことで消費電力や信号遅延を抑える技術である。この技術の実現には光源や受光器を極低消費電力で動作可能な半導体薄膜光集積回路が期待されている。本研究では「光電融合」に向けて、光回路を電気回路と集積する際に必要となる異種材料接合技術、および電気―光変換を行う薄膜レーザと光―電気変換を行う薄膜受光器を一括集積した薄膜光集積回路の検討・実証を行った。
実験 / Experimental
電気レイヤとなるシリコン基板と薄膜光集積回路を直接接合するため、IT-020を用いて基板洗浄し接合技術の検討を行った。また薄膜光集積回路を作製するための露光装置としてIT-001, IT-004, IT-005、加工装置としてIT-008, IT-012, IT-015, IT-027、プロセス評価装置としてIT-007, IT-024, IT-026, IT-029, IT-030を用いて作製し、IT-036を用いてウェハレベルで性能の評価を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
化学機械研磨とa-Siナノ薄膜を介した表面活性化接合(SAB)を使って薄膜光集積回路を作製した結果を図（左）に示す。光集積回路の基本構成要素である、電気―光変換を行うレーザ、光を伝送する導波路、光―電気変換を行う受光器をシリコン基板上に大面積かつ安定に集積するプロセスの開発に成功した。素子の特性に関しては、従来用いていたBCB接合では放熱性が悪いため低い光飽和電流が問題となっていたが、確立した接合手法により熱抵抗が50%低減し、最大動作温度は過去最大の120℃を実現した。また素子構造の設計に関しても検討を行い、光閉じ込め構造を改善したことによりレーザ特性としてはしきい値電流が従来構造の40%低減し、光集積回路全体の効率は従来の約3倍の大幅な改善に成功した。図（右）には作製した薄膜光集積回路を用いて信号伝送実験を行った結果を示している。測定はIT-036 FormFactor 300mm ウェハプローバを用いて全自動で行い、300個を超える素子を画一的に測定した。NRZ 215-1 PRBS信号伝送の結果、室温では25 Gbps、80℃で15 Gbpsの高速信号伝送を実現した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図.（左）2インチサイズで作製した半導体薄膜光集積回路、（右）半導体薄膜光集積回路の伝送実験結果
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
・JSPS科研費（#21J14548, #20H02200, #19H02193）
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件