シリコンフォトニクス用電流注入型ゲルマニウムレーザーの開拓

• 研究課題/領域番号: 17J10044
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 光工学・光量子科学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 八子 基樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: シリコンフォトニクス / ゲルマニウム / 結晶成長 / 貫通転位 / 半導体レーザー

研究実績の概要

本研究の目的は、高速・大容量通信を可能にするとされるシリコンフォトニクス技術においてボトルネックとなっているレーザー光源を開拓することである。Si基板上に直接集積することができ、光通信波長帯において発光するGeが発光材料として有望視されているが、これまでに報告されているGe発光素子(レーザー)は動作エネルギーが理論値よりも二桁程度大きく、実用化には程遠いものであった。この理由として、Si基板上に集積されたGeには内部及びSiとGeの界面付近に非常に高密度に欠陥が存在し、その欠陥によって発光効率が著しく低下するためと考えられてきた。
本研究では平成29年度までにGe中の欠陥(貫通転位)の密度を低減するために逆リブ構造(SiとGeの界面付近に部分的に空隙をもつ構造)が有用であることを報告してきた。平成30年度は、逆リブ構造による貫通転位密度の低減効果を、理論モデル・貫通転位密度測定及び透過型電子顕微鏡観察により実証した結果を学術論文において発表した。
加えて、SiとGeの界面において発光を大きく妨げる機構が働くこと、及びGeの表面を酸素雰囲気中で熱処理することでGe表面における光損失が著しく低減されることを実験的に示し、国際学会及び学術論文にて発表した。
逆リブ構造と酸素雰囲気中での熱処理によって発光効率が増大したと期待されるGeを用いて発光素子の試作を行い、試作した素子からの発光を測定した。レーザーとしての動作を確認することはできなかったが、逆リブ構造のない、従来構造のGeと比較して良好な発光特性が見られ、高効率Geレーザーの実現に向けた進歩が見られた。この結果は学術論文において発表した。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [国際共同研究] Kookmin University(韓国)
• [国際共同研究] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [国際共同研究] 国民大学校(韓国)
• [雑誌論文] Impact of interface recombination on direct-gap photoluminescence from Ge epitaxial layers on Si (2019)
  • 著者名/発表者名: Yako Motoki、Higashitarumizu Naoki、Ishikawa Yasuhiko
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SB ページ: SBBE08-SBBE08
  • DOI: 10.7567/1347-4065/aafd96
  • NAID: 210000135389
  • 査読あり
• [雑誌論文] High concentration phosphorus doping in Ge for CMOS-integrated laser applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Park Chan-Hyuck、Yako Motoki、Wada Kazumi、Ishikawa Yasuhiko、Ahn Donghwan
  • 雑誌名: Solid-State Electronics 巻: 154 ページ: 43-49
  • DOI: 10.1016/j.sse.2019.02.007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coalescence induced dislocation reduction in selectively grown lattice-mismatched heteroepitaxy: Theoretical prediction and experimental verification (2018)
  • 著者名/発表者名: Yako Motoki、Ishikawa Yasuhiko、Wada Kazumi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 123 号: 18 ページ: 185304-185304
  • DOI: 10.1063/1.5011421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Defects and their reduction in Ge selective epitaxy and coalescence layer on Si with semicylindrical voids on SiO<formula> <tex>$_{2}$</tex> </formula> masks (2018)
  • 著者名/発表者名: Yako Motoki、Ishikawa Yasuhiko、Abe Eiji、Wada Kazumi
  • 雑誌名: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 巻: Vol. 24 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1109/jstqe.2018.2846027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reduction of threading dislocations by image force in Ge selective epilayers on Si (2018)
  • 著者名/発表者名: Yako Motoki、Ishikawa Yasuhiko、Abe Eiji、Wada Kazumi
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE Photonics Asia 巻: 108230F ページ: 14-14
  • DOI: 10.1117/12.2501081
  • 国際共著
• [学会発表] チップ上光源に向けたSi上inverted-rib Ge層の発光特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 八子 基樹、Chan-Hyuck Park、Donghwan Ahn、和田 一実、石川 靖彦
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] トンネル状空隙の導入によるSi上Ge層の貫通転位密度低減 (2018)
  • 著者名/発表者名: 八子 基樹、石川 靖彦、和田 一実
  • 学会等名: 電子情報通信学会 シリコン・デバイス研究会
• [学会発表] Order-of-magnitude enhancement of direct-gap photoluminescence from patterned Ge epitaxial layers on Si induced by a wet chemical treatment (2018)
  • 著者名/発表者名: 八子 基樹、石川 靖彦
  • 学会等名: 2018 International Conference on SSDM
  • 国際学会
• [学会発表] Reduction of threading dislocations by image force in Ge selective epilayers on Si (2018)
  • 著者名/発表者名: 八子 基樹、石川 靖彦、阿部 英司、和田 一実
  • 学会等名: SPIE Photonics Asia, Asia
  • 国際学会
• [学会発表] Si 基板上 inverted-rib 構造 Ge 選択成長層における貫通転位密度低減 (2018)
  • 著者名/発表者名: 八子基樹、石川靖彦、和田一実
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Threading dislocation trapping by air tunnels in Ge-on-Si (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Yako, Y. Ishikawa, E. Abe and K. Wada
  • 学会等名: The 29th International Conference on Defects in Semiconductors
  • 国際学会