東京大学工学系研究科電気系工学専攻　中野・種村研究室

研究現況 2007/H19

　モノリシック集積された半導体光デバイス／回路では、単体素子では得られない多くの機能や高い性能が実現され得るため、これらは高度な光通信、光情報処理・記録、光計測を行う際の切り札として期待されている。本課題では、新しいモノリシック光集積回路(光IC)の試作・開発を行うとともに、能動素子／受動素子一括集積技術を研究している。近年は特に、多モード干渉(MMI)カプラと半導体光アンプ(SOA)を集積化したマッハツェンダー干渉計(MZI)型全光スイッチ集積回路の設計と試作に取り組み、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)選択成長による同光回路を世界で初めて実現した。現在はドーピング、エッチングに起因する導波損失の低減と、SOAとMMIを一体化した新型高性能素子の実現に注力している。また新たに、フェーズドアレイ型のスケーラブルな集積マトリクス光スイッチの試作開発およびマイクロマシン技術を適用した集積光スイッチの開発にも着手した。このような光ICにおける多数の入出力光ポートと光ファイバアレイを一括で接続するOPLEAF(光リードフレーム)技術については、課題をほぼ解決し、光ICへの応用段階に入った。光ICの超小型化に向けた金属光配線の研究も引き続き行っている。並行して、光回路でデジタル処理を可能にする全光フリップフロップの研究も進展し、分布ブラッグ反射型(DBR)MMI全光フリップフロップの試作を行うとともに、全光フリップフロップと上記の全光ゲートスイッチを利用して、320Gbps波長多重光パケットの光ラベル処理による全光ルーティング実験に成功した。一方、光集積回路の重要な応用であるフォトニックネットワークノード装置について、産学連携でサブシステムの構築を行って、10Gbpsと40Gbpsのビットレートトランスペアレント動作および3ノードによる迂回衝突回避機能を実証した。

Monolithically-integrated semiconductor optical devices and circuits are the key to advanced optical communication, optical information processing, and optical measurement applications since they could provide more complex functions and higher performances over discrete devices. In this work, we are studying novel monolithically-integrated photonic circuits (PIC) as well as the processing technology for monolithic active/passive integration. Over the past years, we tackled design and fabrication of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) all-optical switch circuit integrating multi-mode interference (MMI) couplers and semiconductor optical amplifiers (SOAs), and successfully realized the circuit by the selective-area metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) for the first time. Currently, higher performance devices are pursued by reducing propagation loss due to doping and etching, and by merging the SOA and MMI. We have also started new activities to fabricate a scalable integrated matrix optical switch with a phased-array configuration, and to develop micro-machined integrated optical switches. With regard to the OPLEAF (optical lead-frame) concept that enables single-step connection of an optical fiber array with input/output optical ports ever increasing in number in the current PICs, most technical issues have been solved, and we are entering the stage to apply it in real PICs. The study on metal optical wiring toward ultra-compact photonic circuits is kept going. At the same time, the research on all-optical flip-flop, that is one essential element for photonic digital processing, has made another significant progress; MMI all-optical flip-flops with distributed Bragg reflectors (DBR) have been developed, and they have been utilized with the above mentioned all optical gate switches to result in successful demonstration of all optical routing of 320 Gbps WDM optical packets through optical label processing. Concurrently, as one important application area of the photonic integrated circuits, a photonic network node subsystem has been constructed under university/industry collaboration, where 10 Gbps/40 Gbps bit-rate transparent operation as well as contention resolution through deflection routing in a 3 node system have been demonstrated.

　半導体量子井戸／超格子構造のポテンシャル形状を人工的に原子層オーダで制御すると、本来半導体の持っていた光物性を大幅に改変することができる。本研究では、そのような人工光物性を利用して、半導体光変調器／光スイッチや光制御デバイスの性能革新を行うことを目的としている。特に、吸収端から離れた透明波長域においても大きな電界屈折率変化の得られる非対称結合量子井戸構造を考案し、InGaAlAs/InP系材料による実証実験を進めている。2006年度は、電界による空乏層の伸縮を通じた屈折率変化が線型・高効率であり、高性能な光変調器／光スイッチに応用可能であることを示した。また、電界吸収(EA)変調器を光非線型媒質として用いる新しい全光波長変換器／全光スイッチを提案し、マッハツェンダー干渉計(MZI)型素子の試作を行った。 　一方、将来の超高速全光スイッチに向けて、窒化物ヘテロ構造におけるサブバンド間遷移(ISBT)の研究を行っており、有機金属気相エピタキシャル成長(MOCVD)によるAlN/GaN多重量子井戸構造におけるISBT吸収世界最短波長記録を更新するとともに、分子線エピタキシーとのハイブリッド成長により、これまでで最小の光パルスエネルギーによる1。55μm帯の全光スイッチングを実現した。現在、パルスインジェクション法を用いてAlN/GaN多重量子井戸を低温MOCVD成長することに挑戦しており、これが可能になれば全MOCVDによる1。55μm帯ISBT量子井戸が実現できる。2006年度は、ウェット／ドライハイブリッドエッチング技術を開発して、AlNリッジ導波路の導波損失を大幅に低減した。

By artificial manipulation of potential profiles in semiconductor quantum well and super lattice structures with accuracy of atomic order, one may significantly alter inherent optical properties of semiconductors. The purpose of this research is to bring about innovation in semiconductor optical modulators/switches and light-controlling devices by making use of such artificial optical properties. More specifically, a special asymmetric coupled quantum well structure is investigated based on InGaAlAs/InP materials for large electro-refraction in transparent wavelength range apart from the absorption edge. In 2006 academic year, we have shown that the index change associated with expansion and contraction of the depletion layer by an applied electric field is linear and efficient, and that it can be utilized for high-performance optical modulators/switches. We have also proposed a new all-optical wavelength conversion/all-optical switching concept using electro-absorption (EA) modulators as optical nonlinear media, and have developed Mach-Zehnder interferometer (MZI) type devices. Besides these activities, we are conducting research on intersubband transition (ISBT) in nitride-based heterostructures for future ultrafast all-optical switches, and have renewed our record on the shortest ISBT absorption wavelength in AlN/GaN multiple quantum well (MQW) structures by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD). We have also realized 1.55μm all-optical switching with minimum optical pulse energy to date by utilizing hybrid growth with molecular beam epitaxy. Currently, we are trying to grow AlN/GaN MQWs at low temperature by a novel pulse-injection MOCVD, so as to make 1.55μm ISBT possible in all-MOCVD-grown samples in the near future. In 2006 academic year, propagation loss of AlN ridge waveguides has significantly been reduced by the introduction of wet/dry hybrid etching technology.

　次世代光通信・光情報処理を担う小型高性能光源の開発を目的に、以下の研究を行っている。これまで世界に先駆けて行ってきた利得結合(GC)分布帰還型(DFB)半導体レーザに関し、2006年度はコースWDM向きの波長多重アレイをMOCVD選択成長技術を基礎に初めて試作開発した。一方近年、強磁性金属と半導体光アンプから形成される集積化可能な導波路型光アイソレータの提案と試作実証を進めており、DFBレーザとTE モード光アイソレータのモノリシック集積化など、顕著な成果を挙げてきた。2006年度は、エピタキシャル成長可能な強磁性MnAsを電極とするリッジ導波路型TMモード光アイソレータを初めて試作するとともに、新たにMnSbを強磁性層に応用する研究に着手した。これらと並行して、光インタコネクト向きのフォトダイオードアレイの研究、光配線板用インタコネクトモジュールの試作開発、III族窒化物材料による発光ダイオードの研究、などを行っている。

For the purpose of developing compact and high-performance light sources for next generation optical communication and optical information processing applications, we are pursuing the following research subjects. Concerning the gain-coupled (GC) distributed feedback (DFB) semiconductor laser that we have been pioneering, in 2006 academic year, we fabricated multiple wavelength arrays for coarse WDM applications based on the selective area MOCVD for the first time. Proposal and fabrication of an integratable waveguide optical isolator consisting of a ferromagnetic metal and a semiconductor optical amplifier are being carried out in recent years, resulting in significant achievements such as monolithic integration of a DFB laser and a TE-mode optical isolator. In 2006 academic year, a ridge-waveguide TM-mode optical isolator with epitaxial ferromagnetic MnAs electrodes has been fabricated for the first time. A trial to utilize MnSb as the ferromagnetic layer has also been started. Besides these, photodiode arrays for optical interconnect, compact interconnect modules for optical printed circuit boards, and light-emitting diodes in nitride semiconductors are being investigated.

　有機金属気相成長（MOVPE）プロセスは、半導体光デバイスの作製、とくに大型装置を用いた量産に適している。しかし、装置が大型化するにつれ、装置内の製膜速度や組成の均一化を図る装置形状、プロセス条件の設計が極めて重要になっている。また、集積デバイスの作製に有効な選択成長プロセスにおいては、マスク形状の設計が本質的に重要であるが、デバイスの集積度向上に伴い隣接するマスクの影響を考慮したマスク設計が必要となる。このような装置スケール、マイクロスケールにおけるMOVPEプロセスの理論的な設計可能にするため、製膜メカニズムの理解に基づいたシミュレーションを開発している。 　装置スケールの輸送現象および化学反応の理解に基づいたシミュレーションにより、InGaAsP系４元混晶の成長速度と組成の分布が予測可能となった。また、気相拡散の知見と表面拡散・表面反応過程の速度データに基づき、選択MOVPEにおいて多重量子井戸構造のバンドギャップを定量的に予測することが可能になった。 　これらの定常状態に関するプロセス設計に加えて、MOVPEでは量子井戸ヘテロ界面の組成を急峻にすること、すなわち、成長層の組成を切り替える際の非定常状態の制御がデバイスの性能向上のために重要である。基板表面の反射率異方性スペクトル（RAS）をその場観察することにより、このような導入ガス切り替え時の非定常過程を明らかにすることを試みている。MOVPEにおいて気相と固相の間に流動性の高い中間相「サブサーフェス」が存在するというモデルを提唱し、ガス切り替えシーケンスによりサブサーフェスの状態を制御し、界面の急峻性向上を目指している。

Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) process is suitable for the fabrication of semiconductor optical devices especially for the mass production using large reactors. As the size of MOVPE reactors enlarges, the design of reactors and process conditions that realizes good uniformity of the growth rate and composition of epitaxial layers becomes essential. For the selective area growth technique that is effective for the fabrication integrated devices, the design of mask patterns is essential. Especially, we have to consider the interference of neighboring masks when the device integration proceeds. We have developed the simulation to realize the theoretical design of the MOVPE based on the understanding on the mechanism of this process. By the simulation based on the understanding of transport phenomena and chemical reaction inside a MOVPE reactor, we have made it possible to predict the distribution of the growth rate and the composition of InGaAsP quaternary layers in a reactor scale. We have also enabled the prediction of the bandgap-shift due to a given mask pattern in selective area growth based on the understanding of gas-phase and surface diffusion and surface reactions. In addition to these design of steady-state performance in MOVPE, it is crucial to make the hetero interface of quantum wells abrupt by an atomic layer for the high performance of semiconductor optical devices. Therefore, we have to control the transient phenomena when switching the composition of epitaxial layers. By observing the in situ reflectance anisotropy spectra of the surface of an epitaxial layer, we try to clarify such transient phenomena when switching the supply of gas-phase precursors. We propose the existence of the mobile intermediate layers, “subsurface, " that exists between the gas-phase and the crystal in the MOVPE, and try to make the hetero interface more abrupt by controlling the behavior of the subsurface through the optimization of gas-switching sequences. to design of multi-bandgap devices.

　シリコンLSIは、微細化により高速化・低消費電力化が可能であるというスケーリング則に沿って発展を遂げてきたが、近年その限界が見えつつある。シリコンを用いた電子デバイス、化合物半導体を用いた光デバイス・高速電子デバイスは、これまで別個の技術体系として棲み分けてきた。しかし、スケーリング則の限界を打開するためには、コストや加工性に優れたシリコン基板をプラットフォームに、シリコンLSIはもとより化合物半導体デバイス、マイクロマシンに至るまで最適なエレメントをハイブリッド集積したデバイスを開発する必要がある。本研究では、有機金属気相成長を用いたシリコン基板上の化合物半導体エピタキシャル結晶層の形成、マイクロマシン技術を用いた化合物半導体チップのシリコン基板プラットフォームへの埋め込み、CMOSコンパチブルなマイクロマシン技術など、異種材料・技術の集積により次世代の高機能デバイス作製の基盤技術を構築している。

Continuous development of silicon LSIs, in which scaling rule has been the guiding principle to realize both high speed operation and low power consumption, is recently approaching to a bottleneck. Electronic devices using silicon and optical or high-speed devices using compound semiconductors have made their own progress independently of each other. A breakthrough of the development of silicon LSIs, however, can be realized by heterogeneous-integration in which silicon-based circuits, compound-semiconductor-based high-speed transistors and optical elements, and even sensors and actuators based on MEMS technology are integrated on a silicon platform wafer that is the most cost-effective material. This approach is called “everything on silicon.” In this research, we will develop fundamental technologies for future-generation functional devices through the integration of heterogeneous materials and technologies, such as hetero-epitaxial growth of compound semiconductor epitaxial layers on a silicon wafer by MOVPE, hybridization of compound semiconductor device chips into silicon platform wafer using MEMS technology, and micromachining on silicon wafers on which CMOS devices are already fabricated.