Development of CMOS-compatible plasmonics

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K22148
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 池田 和浩 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究チーム付 (70541738)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: プラズモニクス / シリコンフォトニクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究は「CMOS互換プラズモニクス」を開拓するために、CMOSプロセスにおいて活用できるアルミニウムや銅を用いたプラズモニック導波路、およびそれとシリコン光導波路との層間結合構造を見出すことを目的としている。本年度は、昨年度新たに見出したシリコンフォトニクスに適合する金属薄膜上の長距離伝搬プラズモンモードを活用したデバイス（シリコン光導波路との層間接続構造）のシミュレーション、およびCMOS互換プロセスを用いた試作を実施した。
面直方向に結合する方向性結合器を採用し、1umの広ギャップを設定しても高効率（～2 dB）でアルミ薄膜上プラズモンモードからシリコン光導波路モードへ移行できることをシミュレーションにより証明した。アルミ薄膜上のプラズモンモードはモードサイズを容易に10um以上に設計可能であり、汎用シングルモード光ファイバへの結合に用いることができる。シリコンフォトニクスにおいてシングルモード光ファイバと低損失・高トレランスに接続することは実装上の大きな課題となっており、本構造はその解決策となりうる。
上記のプラズモニック導波路および層間接続構造について、所属機関が保有する45-nm技術ノードのCMOSプロセスを用いて試作を行った。アルミ薄膜のリソグラフィーにはKrF露光装置により実施したが、最初の試作としてこれまでのフォトレジストおよび露光条件で実施した結果、十分な解像度が得られずアルミ薄膜がうまく形成されない結果となった。最適な露光条件を見出すことで形成可能なサイズであるため、引き続き条件出しの試作を継続し、実験的な実証を行う予定である。