全Si光集積回路を目指したSi光スイッチ実現可能性の基礎検討

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650346
• Research Institution: HIROSHIMA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 角南 英夫 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 教授 (10311804)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 横山 新 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 教授 (80144880)
• Keywords: 光スイッチ / 自由電子赤外光吸収 / 櫛形ビームトランジスタ / SOI / 透明電極 / ITO

Research Abstract

本研究の目標たる光スイッチは、シリコン中自由電子による赤外光の吸収メカニズムに基づいている。波長が長いほど吸収は大きいが、光ファイバー通信に最もよく用いられる光の波長1.55μmでは本質的に自由電子の吸収は小さい。したがって、効率よく吸収を起こすためには、自由電子を高濃度に発生できる構造が不可欠となる。
そこで、自由電子濃度を高めて、光との相互作用を頻繁に行わせるため、櫛形ビームのMOSトランジスタ構造を提案した。また、この櫛の歯内の自由電子濃度を高めるためには、ビームの幅は0.1μm以下が望ましいことがわかった。
この櫛形ビームのMOSトランジスタを試作し、1.55μm波長の光の透過特性を測定した。しかし、入射した赤外光は透過しなかった。その理由は、おもに次の二つの原因によることがわかった。
(a)入射した直径10μmの平行赤外光は長さ1mmの櫛形ビーム中にとどまらず、基板のSi中に抜ける。
(b)櫛形の隙間に埋め込まれ、不純物を10^<21>/cm^3程度含む多結晶Siが入射赤外光を強く吸収する。
これらの実験とシミュレーション結果に基づき、Si光スイッチ実現のためには、新たに下記の二つの構造とその作成技術が不可欠であることがわかった。
(1)赤外光を櫛形ビーム内に閉じこめるSOI(Silicon-On-Insulator)構造。
(2)赤外光に透明で、かつ導電性をもつゲート電極(たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)。
すでに、上記(1)項はSOIのみの構造で予備実験をおこない、赤外光の閉じ込めを確認した。今後は、(2)を付加して研究を続行する。