シリコンチップ上のグラフェン高速発光素子を開発

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チップ上光集積素子へ新たな道

2018/03/29 科学技術振興機構(JST) 慶應義塾大学 九州大学

ポイント
  • シリコン上に集積可能で高速にオン・オフ可能な光源を実現することはこれまで困難であった。
  • グラフェンを用い、超高速・超小型のシリコン上発光素子を実現。アレー化、大気中動作、光通信実演に成功した。
  • シリコン集積回路技術と融合した高集積光通信用素子の実現が期待される。

JST 戦略的創造研究推進事業において、慶應義塾大学 理工学部物理情報工学科の牧 英之 准教授らは、シリコンチップ上で動作する高速なグラフェン発光素子を開発しました。その発光素子を使った光通信を実演するとともに、光のオン/オフを高速に変化(高速変調)できるメカニズムも新たに発見しました。

現在光源として主に用いられている化合物半導体は、シリコンチップ上で高密度に集積することが困難であり、光集積回路の実現を阻む要因の1つとなっています。

本研究グループは、新たな材料系としてナノメートルサイズで制御できる炭素材料であるグラフェンを用いることにより、シリコン上に直接形成可能で超小型の新しい発光素子の開発に成功しました。この発光素子は、黒体放射注1)であるにもかかわらず、応答時間が100ps(100億分の1秒。変調速度で10GHz(ギガヘルツ)相当)という超高速で変調可能であることを実験的に明らかにするとともに、この高速変調性が、量子的な熱輸送により実現していることも発見しました。さらに、この発光素子を用いて、実際に光通信を実演するとともに、化学気相成長(CVD)によるアレー化(多数の素子を配列すること)や大気中での動作が可能であることも示しました。

本発光素子は、シリコン上に集積可能な、高速で超小型の光源として、光インターコネクトやシリコンフォトニクスといった、高集積光技術に応用できると期待されます。

本研究は、九州大学 グローバルイノベーションセンターの吾郷 浩樹 教授と共同で行ったものです。

本研究成果は、2018年3月29日(英国時間)発行の国際科学誌「Nature Communications」に掲載されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)

研究領域
「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」
(研究総括:桜井 貴康 東京大学 教授)

研究課題名
ナノカーボン光・電子量子デバイス開発と量子暗号通信応用

研究代表者
牧 英之(慶應義塾大学 准教授)

研究期間
平成27年10月~平成31年3月

JSTはこの研究領域で、材料・電子デバイス・システム最適化の研究を連携・融合することにより、情報処理エネルギー効率の劇的な向上や新機能の実現を可能にする研究開発を進め、真に実用化しイノベーションにつなげる道筋を示していくことを目指します。

上記研究課題では、ナノカーボンを用いた室温・光通信波長帯の単一光子光源を提案するとともに、電流注入光源、集積光技術との融合、単一光子検出器開発を行い、超小型・超高速・低コストの量子暗号通信技術を構築することを目指します。

<研究の背景と経緯>

従来コンピューターなどに使われている集積回路は、シリコン(ケイ素)を基板として電荷で動作する電子集積回路です。現在、さらなる高集積化・高速化を実現する技術として、装置間、ボード間、チップ間、チップ内など短い距離で高集積に光を伝送する光通信技術「光インターコネクト」や、シリコン上で発光素子や受光器、光変調器といったデバイスを集積する技術「シリコンフォトニクス」が注目されています。

現在、発光素子の多くは母材として化合物半導体を用いており、シリコン上での結晶成長が困難であることから直接形成することが難しく、また、デバイスの作製手順が複雑で高密度化が難しいこと、光の強度変調に光変調器が必要であるといった問題を抱えており、高集積な光技術の実現を阻む要因となっています。そのため、化合物半導体に替わる新たな材料系での発光素子を開発することが、シリコン上で高集積光技術を実現する手段の1つになると考えられます。

光通信では、発光のオン/オフをデジタル信号として情報通信を行うため、発光をオン/オフする速度(変調速度)が重要となります。グラフェンは、炭素原子が六角形の頂点の位置に並んで結合したシート状の物質であり、ナノメートルサイズで制御できる炭素材料として本研究グループは着目してきました。グラフェン発光素子はこれまでも報告がありましたが、極めて低速の変調しか実現しておらず、最高でも100kHz(キロヘルツ)程度の変調速度でした。

<研究の内容>

今回、新たな材料系であるグラフェンを用い、「超小型」で「超高速」な発光素子をシリコンチップ上で実現しました(図1)。

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