2010 Fiscal Year Annual Research Report
超高速集積回路用電流注入型赤外発光素子の試作と原理実証
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20360144
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
中村 有水 熊本大学, 自然科学研究科, 教授 (00381004)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 昌弘 独立行政法人情報通信研究機構, 上席研究員 (50183869)
中 良弘 熊本大学, 自然科学研究科, 助教 (30305007)
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| Keywords | 発光素子 / 酸化物 / 希土類 / 赤外光 / シリコンフォトニクス / 集積回路 / 酸化珪素 / エルビウム |
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| Research Abstract |
集積回路は高速化が進み動作周波数は4GHzを超えており、さらなる処理能力向上を目指し信号伝送の一部を電気配線から光導波路に換えることが不可欠である。そのため、シリコン基板上における光伝送技術の開発が必要であるが、未開発である発光素子の開発が急務となっている。そこで、本研究においては、シリコン基板上に形成可能な薄膜材料として、希土類のエルビウム(Er)を添加したシリコン酸化膜(SiOx)を発光層とする電流注入型発光素子の試作とその原理検証を行う。今年度(平成22年度)は、作製・評価した電流注入型発光素子の発光メカニズムの解明を完了し、また素子性能の向上を目指して、異なる母材を用いたEr添加酸化スズ(SnO_2)薄膜の形成を行い、光励起による発光特性を調べた。得られた研究成果を以下に示す。
1.電流注入型発光素子の発光メカニズムの解明
昨年度までに電流注入型発光素子を実現しており、既に波長1.5μmでのErからの赤外発光を観測することに成功している。この素子構造は、電流注入用のN型及びP型ワイドギャップ層でEr添加SiOxを挟んだ3層構造であり、具体的には、N型ワイドギャップ材料として酸化スズ(SnO_2)を、P型ワイドギャップ材料として窒化ガリウム(GaN)を用いている。その結果、Erからの赤外発光と共に、直接遷移型であるGaNからの紫外発光も観測されており、その紫外発光により励起されたフォトルミネッセンス成分も含まれる可能性がある。そこで今年度(平成22年度)は、この発光メカニズムに関してさらに検討を行った。その結果、発光層であるEr添加SiOxの膜厚と電流注入による発光強度との関係において、膜厚の薄い領域(10～30nm)では高電界による衝突励起による発光、すなわち電流注入による発光成分が支配的であることが分かった。また、膜厚の厚い領域(100～300nm)ではGaNからの紫外発光によるフォトルミネッセンス成分が支配的であることが分かった。
2.エルビウム(Er)添加酸化スズ(SnO_2)薄膜の形成・評価
今後、電流注入型発光素子の性能向上を進める際、発光層に用いているEr添加シリコン酸化膜(SiOx)の劣化対策が必要となる。このSiOxは、SiO_2に比べ絶縁破壊が起きにくい材料であるが、発光素子の長時間動作により劣化が観測されている。そこで、劣化が起きにくい材料として、Er添加SnO_2薄膜の形成を行い、光励起により赤外発光特性を確認した。また、薄膜形成後のアニール条件等を変化させて発光強度との関係を調べ、試料形成条件の最適化を行った。
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