ワンチップ光電融合ルータに向けたシリコン－化合物半導体ハイブリッドデバイスの研究

• Project/Area Number: 14J02327
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Communication/Network engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 林 侑介 東京工業大学, 大学院理工学研究科(工学系), 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: シリコンフォトニクス / 直接接合 / ハイブリッドレーザ

Outline of Annual Research Achievements

【研究目的】III-V/Siハイブリッド集積技術の課題のひとつとして、ハイブリッド型のレーザは従来のIII-V族半導体単体のレーザに匹敵するほどの低しきい値、高効率動作が達成されていない点が挙げられる。本研究では、プラズマ活性化接合(PAB)法による低温貼り付け技術を利用し、ハイブリッドレーザの高効率動作を研究目的としている。
【研究成果】２８年度は窒素プラズマ活性化接合法を用いたIII-V/Siハイブリッドレーザの研究に取り組み、以下の研究成果を挙げた。
(1)室温連続発振に向けたレーザの熱分布を有限要素法により解析した。幅広III-V族メサとコンタクト電極をヒートシンクとして利用することにより、熱抵抗を40K/W以下に削減できることを明らかにした。
(2)窒素プラズマ活性化接合法でハイブリッドレーザを作製し、室温連続発振を得た。共振器長1 mmの素子で測定を行い、しきい値電流119 mA、外部微分量子効率17%を得た。熱抵抗は31 K/Wであり、計算結果の38 K/Wに概ね整合する値が得られた。発振波長は1533 nmであった。
以上の研究結果は、直接接合法を用いたハイブリッドレーザの作製法についての知見を深めるものであり、高効率動作の実現に向けて寄与するところが大きいと考えられる。今回の成果を基に、Siフォトニクスの波長フィルタと組み合わせることで、高SMSR動作や波長可変動作の実現が期待される。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] GaInAsP/silicon-on-insulator hybrid laser with ring-resonator-type reflector fabricated by N2 plasma-activated bonding (2016)
  • Author(s): Yuusuke Hayashi, Junichi Suzuki, Satoshi Inoue, Hasan Shovon, Yuki Kuno, Kazuto Itou, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: vol.55 Issue: 8 Pages: 082701-082701
  • DOI: 10.7567/jjap.55.082701
  • NAID: 210000146938
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Crystalline/Amorphous Si Integrated Optical Couplers for 2D/3D Interconnection (2016)
  • Author(s): Kazuto Itou, Yuki Kuno, Yuusuke Hayashi, Junichi Suzuki, Naoya Hojo, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • Journal Title: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics Volume: vol. 24 Issue: 6 Pages: 4403209-4403209
  • DOI: 10.1109/jstqe.2016.2566263
  • NAID: 120006582544
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface assessment after removing III-V layer on III-V/silicon-on-insulator wafer fabricated by plasma activated bonding (2014)
  • Author(s): J. Suzuki, Y. Hayashi, Y. Kuno, J. Kang, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys Volume: 53 Issue: 11 Pages: 118003-118003
  • DOI: 10.7567/jjap.53.118003
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Room-temperature Continuous-wave Operation of GaInAsP/SOI Hybrid Laser Fabricated by N2 Plasma Activated Bonding (2016)
  • Author(s): Y. Hayashi, J. Suzuki, S. Inoue, K. Itou, K. Nagasaka, T. Amemiya, N. Nishiyama, S. Arai
  • Organizer: The 6th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2016)
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2016-11-28
• [Presentation] Interlayer Transition Couplers for 3D Optical Circuit (2016)
  • Author(s): K. Itou, Y. Hayashi, J. Suzuki, T. Amemiya, N. Nishiyama, S. Arai
  • Organizer: The 6th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2016)
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2016-11-28
• [Presentation] Lasing Operation of GaInAsP/SOI Hybrid Laser with AlInAs-Oxide Confinement Structure (2016)
  • Author(s): J. Suzuki, Y. Hayashi, S. Inoue, T. Amemiya, N. Nishiyama, S. Arai
  • Organizer: The 6th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2016)
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2016-11-28
• [Presentation] Double Taper Interlayer Transition Coupler for 3D Optical Interconnection with Heterogeneous Material Stacking (2016)
  • Author(s): K. Itou, Y. Hayashi, J. Suzuki, T. Amemiya, N. Nishiyama, S. Arai
  • Organizer: The 48th Solid State Devices and Materials (SSDM 2016)
  • Place of Presentation: Tsukuba
  • Year and Date: 2016-09-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ活性化貼付法を用いたAlInAs酸化狭窄構造を有するGaInAsP/SOIハイブリッドレーザの作製 (2016)
  • Author(s): 鈴木 純一, 林 侑介, 井上 慧史, Shovon MD Tanvir Hasan, 雨宮 智宏, 西山 伸彦, 荒井 滋久
  • Organizer: 電子情報通信学会 2016年ソサエティ大会
  • Place of Presentation: Sapporo
  • Year and Date: 2016-09-20
• [Presentation] 多層光回路に向けたダブルテーパ型層間結合器の設計 (2016)
  • Author(s): 伊東 憲人, 林侑介, 鈴木純一, 雨宮智宏, 西山伸彦, 荒井滋久
  • Organizer: 電子情報通信学会 2016年ソサエティ大会
  • Place of Presentation: Sapporo
  • Year and Date: 2016-09-20
• [Presentation] III-V/Siハイブリッドデバイスの高効率動作に向けたハイブリッド領域/シリコン領域テーパ接続構造の検討 (2016)
  • Author(s): 井上 慧史, 林 侑介, 鈴木 純一, 伊東 憲人, 雨宮 智宏, 西山 伸彦, 荒井 滋久
  • Organizer: 電子情報通信学会 2016年ソサエティ大会
  • Place of Presentation: Sapporo
  • Year and Date: 2016-09-20
• [Presentation] Vertical Trident Coupler for 3D Optical Interconnection (2016)
  • Author(s): K. Itou, K. Yuki, Y. Hayashi, J. Suzuki, T. Amemiya, N. Nishiyama, S. Arai
  • Organizer: The 13th International Conference on Group IV Photonics (GFP2016)
  • Place of Presentation: Shanghai
  • Year and Date: 2016-08-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GaInAsP/SOI Hybrid Laser with AlInAs-oxide Confinement Structure Fabricated by Plasma Activated Bonding (2016)
  • Author(s): J. Suzuki, S. Inoue, S. Hasan, Y. Hayashi, T. Amemiya, N. Nishiyama, S. Arai
  • Organizer: The 28th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM2016)
  • Place of Presentation: Toyama
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ活性化貼付法を用いたAlInAs酸化狭窄構造を有するGaInAsP/SOIハイブリッドレーザの作製 (2016)
  • Author(s): 鈴木純一、林侑介、井上慧史、Shovon MD Tanvir Hasan、雨宮 智宏、西山伸彦、荒井滋久
  • Organizer: 電子情報通信学会 2015年総合大会
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] Numerical Analysis of Saturable Absorption Characteristics in III-V/SOI Hybrid Lasers Fabricated by N2 Plasma Activated Bonding (2015)
  • Author(s): Y. Hayashi, J. Suzuki, S. Inoue, H. Shovon, Y. Kuno, K. Ito, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai
  • Organizer: The 5th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC 2015)
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] Improvement of Thermal Process Tolerance of Directly Bonded GaInAsP/SOI Wafer by Stressed SiNx Deposition (2015)
  • Author(s): S. Inoue, H. Shovon, J. Suzuki, Y. Hayashi, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai, “Improvement of Thermal Process Tolerance of Directly Bonded GaInAsP/SOI Wafer by Stressed SiNx Deposition
  • Organizer: The 5th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC 2015)
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-12-01
• [Presentation] Low-loss Waveguide Fabrication in III-V/SOI Hybrid Integration using Plasma Activated Bonding (2015)
  • Author(s): Junichi Suzuki, Yusuke Hayashi, Yuki Kuno, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, and Shigehisa Arai
  • Organizer: International Nano-Optoelectronics Workshop 2015 (i-NOW 2015)
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-04-04
• [Presentation] GaInAsP/SOI Hybrid Laser with Ring-resonator-type Reflector Fabricated by Plasma Activated Bonding (2014)
  • Author(s): Y. Hayashi, J. Suzuki, S. Inoue, J. Kang, Y. Kuno, T. Amemiya, N. Nishiyama and S. Arai
  • Organizer: The 4th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2014)
  • Place of Presentation: 東京都 文京区 東京大学
  • Year and Date: 2014-11-18
• [Presentation] プラズマ活性化貼付法を用いたリング共振器ミラー装荷型GaInAsP/SOIハイブリッドレーザの作製 (2014)
  • Author(s): 林 侑介、鈴木純一、久能 雄輝、姜 晙炫、雨宮 智宏、西山伸彦、荒井滋久
  • Organizer: 電子情報通信学会 2014年ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 徳島県 徳島市 徳島大学
  • Year and Date: 2014-09-24
• [Presentation] Investigation of High Temperature Process for III-V/SOI Hybrid Photonic Devices with AlInAs Oxidation Current Confinement Layer (2014)
  • Author(s): Y. Hayashi, J. Suzuki, Y. Kuno, J. Kang, T. Amemiya, N. Nishiyama, and S. Arai,
  • Organizer: 4th IEEE International Workshop on Low Temperature Bonding for 3D Integration (LTB-3D 2014)
  • Place of Presentation: 東京都 文京区 東京大学
  • Year and Date: 2014-06-15
• [Remarks] http://www.pe.titech.ac.jp/AraiLab/
• [Remarks] 荒井西山研究室
  • URL: http://www.pe.titech.ac.jp/AraiLab/
• [Remarks] 東京工業大学 電気電子工学専攻 荒井西山研究室
  • URL: http://www.pe.titech.ac.jp/AraiLab/