2019 Fiscal Year Annual Research Report
シリコンプラットフォーム上ハイブリッド集積技術構築と接合基板上結晶成長機構の解明
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18H01503
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
下村 和彦 上智大学, 理工学部, 教授 (90222041)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| 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 / InP |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題においては、シリコン基板上高効率化合物半導体レーザの室温連続発振の実現、シリコン導波路との高効率光接続方法の実証、そしてシリコン光回路と化合物半導体レーザのハイブリッド光集積回路の検討を行う。また異種材料接合基板上における結晶成長機構を解明する研究を行う。
2019年度の研究においては、量子井戸構造を活性層に導入したシリコン基板上量子井戸レーザの研究において、量子井戸層として1.5μm帯GaInAsP、障壁層として1.2μm帯GaInAsPを用いて有機金属気相成長法によりSCH構造量子井戸レーザをInP薄膜をシリコン基板に直接貼付けした基板を用いて成長した。この量子井戸層において歪量を数種類変えた量子井戸レーザを試作した。シリコン基板上にInP薄膜層を直接貼付けした場合、結晶成長温度においてはシリコンとInPの熱膨張係数が異なるため、活性層に歪が発生すると考えられる。そこで量子井戸層の歪量を―１％～+１％程度まで変えた量子井戸構造を数種類結晶成長し、その半導体レーザを試作し、成長基板のフォトルミネッセンス特性や発振特性の比較検討を行った。この結果については、国際会議投稿、論文投稿の準備をしている状況である。
またしきい値電流を低減するために、電流狭搾構造レーザの試作を行った。構造としては、ハイメサ構造と埋込み構造である。ハイメサ構造は前年度から継続して試作を行った。埋込み構造はi-InPだけで埋め込んだ構造、またpnp-InPで埋め込んだ構造の2種類の構造を試作した。活性層の周りをInP層で埋め込むことによって、ハイメサ構造に比べて活性層との屈折率差が減少し、しきい値電流の減少、熱拡散効率の改善により連続発振にはより適した構造と考えられる。この結果についても、国際会議投稿、論文投稿の準備をしている状況である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シリコン基板上にInP系の半導体レーザを実現する方法としてわれわれが提案した方法の有効性を実証してきた。2018年度から半導体レーザの活性層として量子井戸構造を導入し、その発振特性を得た。2019年度はシリコンとInPの熱膨張係数差を考慮し、活性層に歪を含めた歪量子井戸構造に着目し、歪量と発振特性の関連性を検討した。InP基板上半導体レーザと比較するとしきい値電流、発振波長に差があることを見出した。またしきい値電流低減のために、電流狭搾構造を用いた半導体レーザの試作を行い、ハイメサ構造レーザ、埋込み構造レーザにおいてしきい値の低減を確認した。
活性層に量子ドット構造を導入することを検討するために、InP/シリコン基板上におけるStranski-Krastonoghモードを用いたInAs量子ドット構造の成長を検討し、InP基板上に成長した量子ドット構造との比較検討を行った。今後、量子ドット構造を導入した半導体レーザ実現のための基本的成長条件の把握を行った。
さらにシリコン基板上のパッシブデバイスとの高効率な光接続を達成するために、選択成長法の検討に着手した。選択成長法は半導体基板の一部分をSiO2膜で覆い、半導体が露出している部分に選択的に半導体を成長する技術である。このSiO2のパターニングにより、シリコンパッシブ回路との光接続構造が実現できると考えている。この選択成長のための基本的知見を得るために、SiO2マスク幅と導波路幅に対するレーザの発光波長の関連を調べた。今後、レーザ構造を成長し、選択成長レーザの実現を行う。
以上のように当初の研究目的を実現するための基礎実験を完了し、次年度の実験を行うための検討事項を浮き彫りにできたことにより、おおむね順調に研究は進展している、と判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
シリコン基板上半導体レーザにおいて量子井戸構造を活性層とした埋込み構造レーザが最もしきい値電流が低減できることを見出した。今後は、さらなるしきい値電流の低減を図り、室温連続発振動作を実証することが重要と考えている。連続動作が確認できれば、次に寿命特性を測定し、InP基板上半導体レーザとの比較検討により本提案方法による半導体レーザが実用化可能であることを示す。具体的には、歪量子井戸レーザのシリコン基板における歪量の最適化、埋込み構造レーザの再成長、プロセスの改良による低しきい値電流発振動作の確認、表面電極構造の導入による動作電圧の低減、を行う。
量子ドットレーザに関しては、量子ドット層数の増加および量子ドット密度向上による利得増加、しきい値電流の低減を行い、シリコン基板上量子ドットレーザの室温発振を達成する。
シリコンパッシブデバイスとの高効率光結合を実現するために、選択成長法を導入した半導体レーザを実現し、光結合特性の評価を行う。選択成長マスクの基礎的知見は得られたので、それを元に選択成長半導体レーザマスクを作成し、シリコン基板上選択成長半導体レーザ構造の結晶成長、レーザ試作を行う。またシリコン直線光導波路とバットジョイント型で光結合できる選択成長半導体レーザ構造のマスク作成を行い、光結合特性を測定する。
当初の研究目的である、シリコン基板上半導体レーザの実現、実用化の実証、シリコンパッシブデバイスとの高効率光結合と集積化、また歪量子井戸構造による結晶成長メカニズムの解明など、を研究最終年度として総括する研究を行う。
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