Development of fundamental technologies for III-V semiconductor membrane photonic integrated circuits using quantum well intermixing

• Project/Area Number: 23H00172
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 竹中 充 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20451792)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥46,930,000 (Direct Cost: ¥36,100,000、Indirect Cost: ¥10,830,000); Fiscal Year 2025: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2024: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2023: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
• Keywords: 光集積回路 / III-V族半導体 / 量子井戸混合

Outline of Research at the Start

本研究では、研究代表者が独自に提案・研究を進めてきたIII-V CMOSフォトニクス・プラットフォーム上において、量子井戸混合を用いた能動・受動光素子集積技術の基盤構築を目指す。III-V族半導体薄膜内における量子井戸混合の物理機構の解明・制御技術確立および量子井戸混合や窒化シリコン膜を用いた光閉じ込め構造の探求を進める。これにより、3つ以上のバンドギャップを持つ量子井戸層を同一基板上に形成し、レーザー／受光器・光変調器・各種受動光導波路を集積可能とすることで、高効率・高速な次世代光通信用光集積回路プラットフォームを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

III-V族半導体薄膜中における量子井戸混合を用いたバンドギャップ制御の研究を進めた。熱酸化シリコン基板およびInPエピ基板をプラズマ処理により表面活性化した後、貼り合わせ、InP基板を選択エッチングすることで、InGaAsP多重量子井戸層を含むIII-V族半導体薄膜基板を作製した。III-V族半導体薄膜基板の上部InPクラッド層に対してリン分子イオンを注入し、リン欠陥を形成する。その後、加熱処理によりリン欠陥が量子井戸層に拡散することで、量子井戸混合が起きる。これまでの研究により、薄膜中では量子井戸混合によるバンドギャップシフトが小さくなる傾向があることが分かっている。この物理機構を明らかにするための研究を進めた。具体的には、量子井戸層の下にあるInPクラッド層の膜厚をパラメタとして量子混合の実験を進めた。この結果、下部InPクラッドの膜厚が薄くなるほどバンドギャップシフトが小さくなることを明らかにした。これは、熱酸化シリコン基板との貼り合わせ界面と量子井戸層間の距離が量子井戸混合に影響を与えることを示す実験結果である。貼り合わせ界面で格子間リン原子が蓄積することで、再度量子井戸層に拡散する結果、リン欠陥密度が減少し量子井戸混合が阻害される可能性が示唆される結果となり、III-V族半導体薄膜中の量子井戸混合の物理機構の一部を明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

III-V族半導体薄膜中における量子井戸混合に影響を与えるパラメタの一部を明らかにしたことで、量子井戸混合の物理機構の解明に一歩近づく成果を挙げた。また、量子井戸混合によるバンドギャップシフト量の拡大につながる成果であり、能動素子と受動素子の集積化に向けて前進する成果が得られたため。

Strategy for Future Research Activity

III-V族半導体薄膜中における量子井戸混合の物理機構の解明に向けた実験を更に進める。量子井戸混合に影響を与えるパラメタを引き続き明らかにする研究を進める。また、分光エリプソメトリを用いて屈折率などを評価することで、導波路としての応用可能性も検討を進める。
また、ショットキー接合を用いた光変調器・受光器などの研究も進めることで、能動光デバイス集積化に向けた検討を開始する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] STマイクロエレクトロニクス(フランス)
• [Int'l Joint Research] アイントフォーヘン工科大学(オランダ)
• [Journal Article] Numerical evaluation of bandwidth and optical loss in InP-organic hybrid optical modulator with doping optimization (2024)
  • Author(s): Sakumoto Hiroya、Nakayama Taketoshi、Miyatake Yuto、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi、Takenaka Mitsuru
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 2 Pages: 02SP52-02SP52
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad189b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of compact and low-loss S-bends by CMA-ES (2023)
  • Author(s): Miyatake Yuto、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi、Takenaka Mitsuru
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 26 Pages: 43850-43850
  • DOI: 10.1364/oe.504866
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 低損失光位相シフタに向けたSb2S3の最適成膜条件の探索 (2024)
  • Author(s): 按田 智大, 宮武 悠人, 牧野 孝太郎, 富永 淳二, 宮田 典幸, 岡野 誠, トープラサートポン カシディット, 高木 信一, 竹中 充
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] AI用シリコンプログラマブル光回路 (2024)
  • Author(s): 竹中充
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
  • Invited
• [Presentation] 相変化材料Ge2Sb2Te3S2を用いたプログラマブル光回路 (2024)
  • Author(s): 竹中充, 宮武 悠人, 牧野 孝太郎, 富永 淳二, 宮田 典幸, 中野 隆志, 岡野 誠, トープラサートポン カシディット, 高木 信一
  • Organizer: レーザー学会第44回年次大会
  • Invited
• [Presentation] III-V CMOS photonics platform for universal photonics applications (2023)
  • Author(s): M. Takenaka, N. Sekine, K. Sumita, H. Sakumoto, S. Fu, K. Toprasertpong, and S. Takag
  • Organizer: th International Conference on Optics, Photonics, and Lasers (OPL2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Heterogeneous integration of III-V and phase change material for Si programmable photonic integrated circuits (2023)
  • Author(s): M. Takenaka
  • Organizer: 13th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photonic matrix multiplication with Ge2Sb2Te3S2 intensity modulators, (2023)
  • Author(s): Y. Miyatake, R. Tang, K. Makino, J. Tominaga, N. Miyata, M. Okano, K. Toprasertpong, S Takagi, and M. Takenaka
  • Organizer: 13th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Memory characteristics of FeFET-driven hybrid MOS optical phase shifter (2023)
  • Author(s): M. Fujita, R. Tang, H. Tang, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • Organizer: 13th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstration of add-drop ring resonator switch using InGaAsP/Si hybrid MOS phase shifter (2023)
  • Author(s): Y. Wakita, R. Tang, H. Tang, S. Ohno, T. Akazawa, S. Monfray, F. Boeuf, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • Organizer: 13th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photonic tensor core with low-insertion-loss, non-volatile Ge2Sb2Te3S2 intensity modulators (2023)
  • Author(s): Y. Miyatake, R. Tang, K. Makino, J. Tominaga, N. Miyata, M. Okano, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • Organizer: European Conference on Optical Communication (ECOC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transparent in-line optical power monitor integrated with MOS optical phase shifter using InP/Si hybrid integration (2023)
  • Author(s): T. Akazawa, K. Sumita, S. Monfray, F. Boeuf, K. Toprasertpong, S. Takagi, M. Takenaka
  • Organizer: European Conference on Optical Communication (ECOC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-power add-drop microring resonator switch with positive/negative phase tuning using InGaAsP/Si hybrid MOS phase shifter (2023)
  • Author(s): Y. Wakita, R. Tang, H. Tang, S. Ohno, T. Akazawa, Y. Miyatake, S. Monfray, F. Boeuf, K. Toprasertpong, S Takagi, M. Takenaka
  • Organizer: European Conference on Optical Communication (ECOC2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical evaluation of modulation bandwidth and insertion loss in InP-EO polymer hybrid optical modulator with doping optimization (2023)
  • Author(s): H. Sakumoto, T. Nakayama, Y. Miyatake, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 異種材料集積シリコン光回路を用いた深層学習アクセラレータ (2023)
  • Author(s): 竹中充
  • Organizer: 微小光学研究会
  • Invited
• [Presentation] Optical power monitor for photonic integrated circuit using waveguide phototransistor (2023)
  • Author(s): T. Akazawa, K. Sumita, S. Monfray, F. Boeuf, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • Organizer: Photonic Device Workshop 2023 (PDW2023)
• [Presentation] 低挿入損失・不揮発性Ge2Sb2Te3S2強度変調器を用いた光行列演算 (2023)
  • Author(s): 宮武 悠人, 唐 睿, 牧野 孝太郎, 富永 淳二, 宮田 典幸, 岡野 誠, トープラサートポン カシディット, 高木 信一, 竹中 充
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] InP/Siハイブリッド光パワーモニタとMOS型光位相シフタの一体集積 (2023)
  • Author(s): 赤澤 智熙, 隅田 圭, モンフレ ステファン, ブフ フレデリック, トープラサートポン カシディット, 高木 信一, 竹中 充
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] FeFET 駆動型不揮発性ハイブリッドMOS 位相シフタの Endurance・Retention 特性 (2023)
  • Author(s): 藤田 将大, 唐 睿, 湯 涵智, トープラサートポン カシディット, 高木 信一, 竹中 充
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] Takenaka laboratory
  • URL: https://sites.google.com/g.ecc.u-tokyo.ac.jp/takenaka-lab/