Hybrid integration technique on silicon platform and crystal growth on InP/Si bonding substrate

• Project/Area Number: 18H01503
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: Shimomura Kazuhiko 上智大学, 理工学部, 教授 (90222041)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2018: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
• Keywords: シリコンフォトニクス / 半導体レーザ / 有機金属気相成長 / 集積化技術 / 量子井戸構造 / InP

Outline of Final Research Achievements

We have successfully shown the semiconductor laser diodes on silicon platform by using fabrication of thin-film InP on silicon substrate, crystal growth of semiconductor laser structure and processing. 1um thickness InP film was bonded to the silicon substrate by using hydrophilic bonding and semiconductor laser structure was grown by metal organic vapor phase epitaxy and device structure was fabricated by conventional technique. We have successfully obtained the room temperature lasing of GaInAsP quantum well laser diodes on silicon substrate. We have shown the difference of crystal growth between InP/Si bonding substrate and InP substrate.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

シリコンフォトニクス技術の進展により、シリコン基板上に変調器、波長フィルタ、光検出器など、従来の個別デバイスと同等の性能を持つデバイスが集積化されている。今後さらに集積回路の機能を高めるためには光源の集積化が必要不可欠である。そのためにはフリップチップボンディングに代わる、大量生産可能で低コストな集積化技術が必要である。この集積化技術としてシリコンプラットフォーム上にInP薄膜を貼り付け、そして結晶成長、デバイス加工を行う方法により半導体レーザの室温発振を実現した意義は大きいと考えている。さらに異種材料接合基板上での結晶成長の比較検討を行ったことは学術的な意義もあると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Characteristics of multi-quantum-well laser diodes with surface electrode structure directly bonded to InP template on SiO2/Si substrate (2021)
  • Author(s): X. Han, K. Tsushima, T. Shirai, T. Ishizaki, and K. Shimomura
  • Journal Title: Physica Status Solidi A Volume: 218 Issue: 10 Pages: 20007671-6
  • DOI: 10.1002/pssa.202000767
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MOVPE grown GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW laser diode on directly- bonded InP/Si substrate (2019)
  • Author(s): H. Sugiyama, K. Uchida, X. Han, P. Gandhi Kallarasan, M.Aikawa, N. Hayasaka, K. Shimomura
  • Journal Title: J. Crystal Growth Volume: 507 Pages: 93-97
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.10.024
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 直接貼付 InP/SiO2/Si 基板上 GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW レーザの電界分布特性 (2021)
  • Author(s): 伊藤慎吾, 韓旭, 澁川航大, 対馬幸樹, 石崎隆浩, 白井琢人, 佐藤元就, 阿形幸二, 小谷桃子, 下村和彦
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付 InP/Si 基板上 GaInAsP/GaInAsP MQW レーザの歪量依存性の検討 (2021)
  • Author(s): 阿形幸二, 石崎隆浩, 韓旭, 対馬幸樹, 白井琢人, 佐藤元就, 渋川航大, 伊藤慎吾,下村和彦
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付 InP/SiO2/Si 基板上表面二電極構造 MQW レーザの発振特性 (2021)
  • Author(s): 韓旭, 対馬幸樹, 石崎隆浩, 白井琢人, 佐藤元就, 澁川航大, 伊藤慎吾, 阿形幸二, 小谷桃子, 下村和彦
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 選択成長MOVPEによる直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP MQW構造のフォトルミネッセンス特性 (2021)
  • Author(s): 澁川航大, 対馬幸樹, 伊藤慎吾, 石崎隆浩, 阿形幸二, 白井琢人, 佐藤元就, 小谷桃子, 韓旭, 下村和彦
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ガスアウトチャネルを用いた直接貼付InP/Si基板のボイド占有率比較 (2021)
  • Author(s): 佐藤元就, 韓旭, 白井琢人, 石﨑隆浩, 対馬幸樹, 澁川航大, 小谷桃子, 伊藤慎吾, 阿形幸二, 下村和彦
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Double capped InAs Quantum Dots with strain compensation layer grown on InP/Si substrate (2020)
  • Author(s): T. Shirai, X. Han, T. Ishizaki, K. Tsushima, M. Matsuura, K. Shibukawa, K. Fujiwara, M. Sato, and K. Shimomura
  • Organizer: 25th Optoelectronics and Communications Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Selective MOVPE growth of GAInAsP MQW structure on wafer bonded InP/Si and InP/SiO2/Si substrate (2020)
  • Author(s): K. Shibukawa, X. Han, T. Ishizaki, K. Tsushima, T. Shirai, M. Matsuura, K. Fujiwara, M. Sato, and K. Shimomura
  • Organizer: 25th Optoelectronics and Communications Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Buried heterostructure laser diodes using directly bonded InP thin film on silicon substrate (2020)
  • Author(s): K. Tsushima, T. Shirai, K. Fujiwara, X. Han, M. Matsuura, M. Sato, T. Ishizaki, K. Shibukawa, and K. Shimomura
  • Organizer: 25th Optoelectronics and Communications Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板の加熱処理プロセスの依存性について (2020)
  • Author(s): 佐藤元就, 韓旭, 松浦正樹, 白井琢人, 石﨑隆浩, 対馬幸樹, 澁川航大, 藤原啓太, 下村和彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/SiO2/Si基板上表面二電極構造MQW レーザの発振特性 (2020)
  • Author(s): 韓旭, 松浦正樹, 対馬幸樹, 石崎隆浩, 白井琢人, 下村和彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 歪み緩衝層を導入したInP/Si基板上InAs量子ドット構造 (2020)
  • Author(s): 白井琢人, 韓旭, 石崎隆浩, 対馬幸樹, 佐藤元就, 下村和彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP歪MQWレーザの発振特性 (2020)
  • Author(s): 石崎隆浩, 韓旭, 松浦正樹, 対馬幸樹, 白井琢人, 藤原啓太, 佐藤元就, 渋川航大, 下村和彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW埋込レーザ構造の室温発振特性 (2020)
  • Author(s): 対馬幸樹, 韓旭，石崎隆浩，松浦正樹，白井琢人，澁川航大，藤原啓太，佐藤元就，下村和彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上選択成長GaInAsP/GaInAsP MQW構造のフォトルミネッセンス特性 (2020)
  • Author(s): 澁川航大, 対馬幸樹, 石崎隆浩，白井琢人，佐藤元就，藤原啓太，韓旭，松浦正樹，下村和彦
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Lasing characteristics of GaInAsP SCH-MQW laser diode on directly-bonded InP/Si substrate (2019)
  • Author(s): T. Ishizaki, K. Uchida, H. Sugiyama, X. Han, N. Hayasaka, M. Aikawa, M. Matsuura, K. Tsushima, T. Shirai, and K. Shimomura
  • Organizer: 24th OptoElectronics and Communications Conference (OECC/PSC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Template thickness dependence of GaInAsP MQW laser diode grown on directly bonded InP/Si substrate (2019)
  • Author(s): T. Shirai, X. Han, M. Matsuura, T. Ishizaki, K. Tsushima, and K. Shimomura
  • Organizer: 24th OptoElectronics and Communications Conference (OECC/PSC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lasing characteristics of GaInAsP SCH MQW high-mesa laser on silicon substrate (2019)
  • Author(s): K. Tsushima, K. Uchida, X. Han, H. Sugiyama, M. Aikawa, N. Hayasaka, M. Matsuura, T. Ishizaki, T. Shirai, and K. Shimomura
  • Organizer: 24th OptoElectronics and Communications Conference (OECC/PSC 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上選択成長GaInAs/InP MQW構造のフォトルミネッセンス解析 (2019)
  • Author(s): 対馬幸樹, 石崎隆浩, 韓旭, 松浦正樹, 白井琢人, 下村和彦
  • Organizer: 第80回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] InP基板及び直接貼付InP/Si基板上自己形成InAs量子ドットのPL特性について (2019)
  • Author(s): 白井琢人, 韓旭, 松浦正樹, 石崎隆浩, 対馬幸樹, 下村和彦
  • Organizer: 第80回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW レーザの温度依存性 (2019)
  • Author(s): 石崎隆浩, 韓旭, 松浦正樹, 対馬幸樹, 白井琢人, 下村和彦
  • Organizer: 第80回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上表面二電極構造MQWレーザの発振特性 (2019)
  • Author(s): 韓旭, 松浦正樹, 対馬幸樹, 石崎隆浩, 白井琢人, 下村和彦
  • Organizer: 第80回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW レーザの発振特性 (2019)
  • Author(s): 石崎隆浩, 杉山滉一, 内田和希, 韓旭, 相川政輝, 早坂夏樹, 松浦正樹, 対馬幸樹, 白井琢人, 下村和彦
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP SCH-MQWレーザ構造のX線回折評価 (2019)
  • Author(s): 対馬幸樹, 杉山滉一, 内田和希, 韓旭, 相川政輝, 早坂夏樹, 松浦正樹, 石崎隆浩, 白井琢人, 下村和彦
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板における発振特性のアニール時間依存性 (2019)
  • Author(s): 松浦正樹, 早坂夏樹, 韓旭，相川政輝，内田和希，杉山滉一, 石崎隆浩, 対馬幸樹, 白井琢人,下村和彦
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上MQWレーザにおける発振特性のInPテンプレート膜厚依存性 (2019)
  • Author(s): 韓旭, 内田和希，相川政輝，杉山滉一, 早坂夏樹，松浦正樹, 対馬幸樹, 石崎隆浩, 白井琢人,下村和彦
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上MQWレーザにおける電流電圧特性のInP膜厚依存性について (2019)
  • Author(s): 白井琢人, 早坂夏樹, 相川政輝, 韓 旭, 杉山滉一, 内田和希, 松浦正樹, 石崎隆浩, 対馬幸樹, 下村和彦
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Hybrid integration of GaInAsP LD on silicon platform by epitaxial growth using directly bonded InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): K. Shimomura
  • Organizer: SPIE Photonics Europe 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MOVPE growth of GaInAsP system on directly bonded InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): P. Gandhi Kallarasan and K. Shimomura
  • Organizer: EMN Vienna Meeting 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 1.5 μm GaInAsP stripe laser comparison between InP substrate and directly bonded InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): P. Gandhi Kallarasan, N. Kamada, Y. Onuki, K. Uchida, H. Sugiyama, X. Han, N. Hayasaka, M. Aikawa, and K. Shimomura
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MOVPE grown GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW laser diode on directly-bonded InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): H. Sugiyama, N. Kamada, Y. Onuki, X. Han, P. Gandhi Kallarasan, M. Aikawa, N. Hayasaka, K. Uchida, and K. Shimomura
  • Organizer: 19th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-XIX)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lasing characteristics of GaInAsP/InP ridge waveguide laser diode grown on InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): K. Uchida, N. Kamada, Y. Onuki, X. Han, P. Gandhi Kallarasan, H. Sugiyama, M. Aikawa, N. Hayasaka, and K. Shimomura
  • Organizer: 19th International Conference on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-XIX)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Successful fabrication of GaInAsP ridge waveguide laser diode using hydrophilic bonded InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): H. Yada, N. Kamada, Y. Onuki, X. Han, P. Gandhi Kallarasan, K. Uchida, H. Sugiyama, M. Aikawa, N. Hayasaka, and K. Shimomura
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO-PR 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1.5 um GaInAsP high mesa laser diode on directly bonded InP/Si substrate (2018)
  • Author(s): P. Gandhi Kallarasan, K. Uchida, H. Sugiyama, X. Han, N. Hayasaka, M. Aikawa, H. Yada and K. Shimomura
  • Organizer: 26th International Semiconductor Laser Conference (ISLC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsPレーザのInPテンプレート膜厚依存性 (2018)
  • Author(s): 相川政輝, 早坂夏樹, 韓 旭, 松浦正樹, Gandhi Kallarasan Periyanayagam, 内田和希, 杉山滉一, 矢田拓夢, 下村和彦
  • Organizer: 電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板へのMOVPE成長によるGaInAsP系半導体レーザの発振特性 (2018)
  • Author(s): 下村和彦
  • Organizer: 電気学会 光・量子デバイス研究会, パワー光源及び応用システム研究会
• [Presentation] 親水性直接貼付InP/Si基板上GaInAsPレーザとInP基板上レーザの発振特性比較 (2018)
  • Author(s): 矢田拓夢, 内田和希, 杉山滉一, P. Gandhi Kallarasan, 韓旭, 相川政輝, 早坂夏樹, 下村和彦
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告
• [Presentation] 親水性直接貼付InP/Si基板のInP膜厚の検討 (2018)
  • Author(s): 矢田拓夢, 相川政輝 , 早坂夏樹, P. Gandhi Kallarasan, 韓旭, 内田和希, 杉山滉一, 下村和彦
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告
• [Presentation] ダブルキャップ法を用いたInAs量子ドット構造のPL特性の比較 (2018)
  • Author(s): 矢田拓夢, 内田和希, 杉山滉一, 韓旭, 相川政輝, 早坂夏樹, 松浦正樹, 下村和彦
  • Organizer: 第79回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上1.5um帯GaInAsPハイメサレーザの室温発振特性 (2018)
  • Author(s): 内田和希, 韓 旭, P. Gandhi Kallarasan, 杉山滉一, 相川政輝, 早坂夏樹, 矢田拓夢, 松浦正樹, 下村和彦
  • Organizer: 第79回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板におけるボイド占有率のアニール時間依存性 (2) (2018)
  • Author(s): 早坂夏樹, 韓旭, P. Gandhi Kallarasan, 相川政輝, 内田和希, 杉山滉一, 松浦正樹, 矢田拓夢, 下村和彦
  • Organizer: 第79回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板におけるInP薄膜の表面状態の評価 (2018)
  • Author(s): 松浦正樹, 早坂夏樹, 韓旭，相川政輝，内田和希，杉山滉一, 矢田拓夢,下村和彦
  • Organizer: 第79回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsPレーザにおける電気特性のInPテンプレート膜厚依存性 (2018)
  • Author(s): 韓旭, P. Gandhi Kallarasan, 内田和希，相川政輝，杉山滉一, 早坂夏樹，松浦正樹,矢田拓夢,下村和彦
  • Organizer: 第79回応用物理学秋季学術講演会
• [Presentation] 直接貼付InP/Si基板上GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW レーザ構造の発振特性 (2018)
  • Author(s): 杉山滉一, 内田和希, 韓 旭, 矢田拓夢, P. Gandhi Kallarasan, 相川政輝, 早坂夏樹, 松浦正樹, 下村和彦
  • Organizer: 第79回応用物理学秋季学術講演会
• [Remarks] 上智大学下村研究室
  • URL: http://pweb.cc.sophia.ac.jp/shimolab/
• [Remarks] 上智大学 下村研究室
  • URL: http://pweb.sophia.ac.jp/shimolab/
• [Remarks] 上智大学 下村研究室
  • URL: http://pweb.cc.sophia.ac.jp/shimolab/