III-V量子ドット/シリコンエバネッセントハイブリッドレーザの開発

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26420300
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田辺 克明 東京大学, ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構, 特任准教授 (60548650)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 半導体レーザ / 光電子集積回路 / シリコンフォトニクス / ウェハ貼り合わせ

Outline of Annual Research Achievements

化合物半導体量子ドットレーザのゲイン部とシリコン光導波路とを含むエバネッセントハイブリッドシリコンレーザ構造の設計を電磁場シミュレーションにより行い、適した各部分の寸法の選定を行った。周波数領域の有限要素法による電磁界解析の計算を行い、GaAsをベースとするIII-V化合物半導体のレーザ構造のメサの寸法、および、Si導波路の寸法に依存して、光閉じ込め係数がどのように変化するかを調べ、最終的に作製されるレーザ共振器におけるゲイン担当部分において基底光モードが主にInAs/GaAs量子ドットコア層部分にあり、それに対して、共振器両端のSi導波路結合部分においては主にSi部分にあるような構造の選定を進めた。その設計に基づき、化合物半導体とシリコンとのウェハ接合過程を含むレーザ構造の試作を進めた。具体的には、まずSOI基板上に電子線リソグラフィーと気相エッチングによりSi導波路の作り込まれたものの上に、半導体-半導体直接接合法によりInAs量子ドットレーザのウェハを貼り合わせた後、InAs量子ドットウェハからGaAs基板を選択的な液相エッチングにより除去を行った。そしてSi基板上に転写されたInAs/GaAs薄膜に、レーザ共振器構造となるメサの形成および電極構造の作り込みを行うことで、Si導波路上のInAs/GaAs量子ドットレーザデバイスを完成させた。このようにして作製した素子につき、エレクトロルミネッセンス測定を行い、シリコン光導波路には結合しない状態での化合物半導体内でのレーザ発振、また、自然放出光の光導波路への結合を観測した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本課題の最終目標である「エバネッセントハイブリッドシリコンレーザ」の実現にまでは至っていないものの、レーザ構造の設計、試作、測定までを一通り行うことができ、かつ、シリコン光導波路には結合しない状態での化合物半導体内でのレーザ発振、また、自然放出光の光導波路への結合の観測に成功しており、上記最終目標の達成が有意に現実味を帯びて来ているため。

Strategy for Future Research Activity

今後は、レーザ発振を達成し、かつ、シリコン光導波路への光結合を行うようなデバイスを実現するために、構造および作製法の改善を進める。

Causes of Carryover

在籍している研究室における既存の計算および実験の設備および材料を使用することができたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

新たな実験材料の調達に使用する予定である。