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発表・掲載日:2016/01/28

シリコンフォトニクスの画期的な光入出力技術を開発

-独自の表面垂直結合で光と電子の集積実装に向けて大きく前進-

ポイント

  • 独自のイオン注入技術によりシリコン光配線の先端を数μmの曲げ半径で垂直方向に立体湾曲
  • 光ファイバーとの高効率な垂直光結合を実現し、波長、角度、偏光の許容帯域を大幅に拡大
  • シリコン光電子集積回路へ光部品を表面実装する技術として期待


概要

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)電子光技術研究部門【研究部門長 森 雅彦】3次元フォトニクスグループ 榊原 陽一 研究グループ長、吉田 知也 主任研究員らは、従来難しいとされてきた、シリコン光集積回路への光ファイバーや光部品の表面実装を容易にする光結合技術を開発した。

 通常シリコン光配線はウェハ面内に形成されるが、今回開発した技術ではシリコン光配線の先端をイオン注入によりウェハ面に対して垂直方向に立体湾曲加工して、ウェハ面に垂直な方向から光集積回路へ光入出力できるようにする。曲げ半径を3μmまで小型化できるため、実用化への見通しが得られた。表面垂直方向から近接させた光ファイバーとの光結合損失特性は2 dB程度と高効率であり、波長依存性・入射角度依存性・偏光依存性も小さい。これは、従来表面光結合の主流技術であった回折格子型光結合器とは動作原理が異なる、画期的な光結合素子である。データセンター内外の短中距離大容量光通信や半導体チップ間信号伝送などの光インターコネクションへの応用が期待される。

 なお、これらの成果は、スペイン、バレンシアで開催された第41回欧州光通信国際会議(ECOC2015)でポストデッドライン論文として採択され、現地時間10月1日(木)に発表された。また、米国光学会誌Optics Expressに2015年11月3日にオンライン掲載された。

立体湾曲シリコン光配線の概念図(左)と、それを搭載したシリコン光回路が表面垂直方向からの光ファイバーと光結合した状態の光学顕微鏡写真(右)の図
立体湾曲シリコン光配線の概念図(左)と、それを搭載したシリコン光回路が表面垂直方向からの光ファイバーと光結合した状態の光学顕微鏡写真(右)

開発の社会的背景

 光通信技術は現代の高度情報化社会を支える基幹インフラ技術として、中長距離の大容量通信網ではすでに中核的存在となっている。加えて近年のクラウドコンピューティングの発達や近未来に予見されるIoT社会の到来により、データセンター内やデータセンター間の短中距離大容量光通信技術という新たな技術ニーズが生じている。さらに高密度集積回路(LSI)の発達により中央演算処理装置(CPU)チップとメモリーチップ間の電気配線による大容量信号伝送などが限界を迎えつつあり、その限界を打破するために光通信による新たなチップ間信号伝送技術の開発が期待されている。

 このような光インターコネクションと呼ばれる新しい光通信用途への技術ニーズに対応するには、シリコン材料を光学材料として利用するシリコンフォトニクスは、シリコンLSIで培われてきた大量生産可能な微細加工技術を利用できる上にシリコン半導体電子回路との融合集積も可能なため、有力な候補技術として世界各国で研究開発が活発化している。しかし光インターコネクションの実用化には、光ファイバーなどの外部光部品とシリコンフォトニクスデバイスのシリコン光配線を高効率に結合する技術が必須であり、そのような結合技術、特に実装コストの低減、ウェハ段階で検査可能という利点を持つ表面結合技術の開発が求められている。

研究の経緯

 表面光結合には、シリコン光配線の先端部を表面方向に立体的に湾曲させるものがある。もう1つの表面結合技術である回折格子構造の欠点である波長依存性や偏光依存性の克服が期待できる。2011年にオハイオ州立大は、MEMSの加工技術により曲げ半径100 μm程度の立体湾曲シリコン光配線を作製したが、極めてアスペクト比が高い不安定な構造で実用的ではなかった。産総研では、2013年にイオン注入技術により曲げ半径30 μm程度の立体湾曲シリコン光配線を作製したが、実用的とは言えない大きさであった。引き続き、大幅な小型化を目指して、プロセスの改良やデバイス特性の評価を進め、今回の成果を得た。

研究の内容

 今回のシリコン光配線の立体湾曲加工では、まずシリコン光配線の先端部の周囲の石英ガラスクラッド材料を除去してシリコン材料を露出させた片持ち梁(はり)構造を形成した(図1a)。次にこの構造にイオン注入を行い立体湾曲加工した(図1b)。イオンの種類、加速エネルギー、注入量で曲げ加工量を制御できるが、今回は従来に比べて注入量を大きくして曲げ半径約3 μmという小型構造を実現した(図1c)。その後、さらに石英ガラスクラッド材料をこの構造の上に製膜して立体湾曲光結合器を完成させた。

シリコン光配線の立体湾曲加工プロセスと、試作した立体湾曲シリコン光配線の電子顕微鏡写真
図1 シリコン光配線の立体湾曲加工プロセスと、試作した立体湾曲シリコン光配線の電子顕微鏡写真

 シリコン光回路の入出力端にこの立体湾曲光結合器を形成したテストチップを試作し、表面垂直方向から接近させた光ファイバーと光結合させて性能を評価した。その結果、光結合損失値が最小で約2 dBという高効率の光結合が、1535 nmから1610 nmの広い波長領域でほぼフラットな波長特性で得られることを確認した(図2)。さらに入射角度依存性と偏光依存性も小さいことが確認できた。

立体湾曲シリコン光配線と光ファイバーの光結合損失の図
図2 立体湾曲シリコン光配線と光ファイバーの光結合損失

今後の予定

 今回開発した技術は、ウェハ段階での検査用途に直ちに応用可能な特性を持っている。特に波長依存性、偏光依存性、入射角度依存性が小さいという特性は、検査技術の機構的許容度を大幅に増すので、検査用途から実用化を目指す。また、各種光部品の表面実装のための要素技術の開発も順次進めていく。

 今回の研究開発は小片試料による実験室レベルでの原理実証であり、開発技術の実用化への橋渡しを行うためには半導体工場と互換性のある大口径ウェハでのプロセス検証実証が不可欠である。産総研等が運営するつくばイノベーションアリーナ(TIA)スーパークリーンルーム(SCR)の300 mmウェハ研究開発ライン等を用いたプロセス検証実証を行い、技術移転や共同研究を図っていく。

問い合わせ

国立研究開発法人 産業技術総合研究所
電子光技術研究部門 3次元フォトニクスグループ
総括研究主幹   榊原 陽一  E-mail:榊原連絡先



用語の説明

◆シリコン光集積回路
シリコンを主な材料として形成された光回路。屈折率の高いシリコンを用いるため、屈折率の低い石英で形成される従来型の光回路よりも光閉じ込め効果が大きい。そのため微細で高集積化された光回路が形成される。大容量光通信を実現するためのキーデバイスである。[参照元へ戻る]
◆シリコン光配線
シリコン光集積回路の構成要素の一つで、シリコンで形成された光のための配線。代表的には、石英ガラス上に形成されたシリコンをLSI微細加工技術によってサブミクロンサイズの断面を持つ細長い構造に加工し、周囲を石英ガラスで被覆して作製される。[参照元へ戻る]
◆回折格子型光結合器
シリコン光集積回路の構成要素の一つで、シリコン光配線の入出力部に設けられ、光ファイバーなどのチップ外の光部品との間で光信号通信を行うための光結合器の一種。光の回折現象を利用し、チップの表面垂直方向への光入出力ができる。表面結合型としては実質上唯一の方法となっており、実装コストの低減やウェハ段階での検査を可能にするなどの利点を持つ。しかし回折原理に起因して強い波長依存性、入射角度依存性、偏光依存性をもち、そのため波長、角度、偏光の許容帯域が狭いということが課題である。[参照元へ戻る]
◆IoT社会
Internet of Things,(モノのインターネット)が実現した社会。現在はインターネットに接続されている機器はPCやスマートフォンが主であるが、それら以外のさまざまな機器にも通信機能を持たせてインターネットに接続した社会。インターネットに接続されたあらゆるモノから得られるデータを、クラウドコンピューティングなどを活用して相互に利用し、自動化や遠隔化が図られた社会。[参照元へ戻る]
◆光インターコネクション
電気配線に替わり光で接続する配線。電気配線は抵抗や容量があるため高密度化や高速化を過度に図ると信号の遅延や減衰が生じ効率が下がる。一方、光による通信は抵抗や容量のような制限要因が無いため高速・高密度化を図る上で有利である。例えば、データセンターでは内部にある無数のサーバーラック間を光ファイバーで接続して大容量の高速信号伝送を実現している。将来は、サーバーラック内のボード間、ボード上のチップ間など今は電気配線を用いているところでも光通信による信号伝送のニーズが出てくると予想される。[参照元へ戻る]
◆シリコンフォトニクス
シリコン光集積回路を実現するための技術体系。シリコン材料を主とする光デバイスの作製技術で、シリコンLSIで培われてきた大量生産可能な微細加工技術をベースにしている。そのため従来の石英ガラス系の光回路に比べて大量生産が容易で、さらにはシリコン半導体電子回路との融合集積が可能なフォトニクス技術といえる。[参照元へ戻る]
◆MEMS
Micro Electro Mechanical System(微小電気機械システム)。シリコンLSI製造と類似の微細加工技術で作製される電子部品の一種で、マイクロスケールの可動部を持つことが特徴である。一般的には圧力センサーや加速度センサーが有名。技術的にはシリコンLSIよりも10~100倍大きいサイズの深掘りエッチング加工などを駆使してマイクロスケールの立体的な構造を形成する点が特徴である。[参照元へ戻る]
◆イオン注入技術
シリコンLSI製造のための重要技術の一つで、デバイスの電気特性を決定付けるための不純物注入に利用される。イオンを1 kV~100 kV程度に加速してシリコンウェハに注入する。加速エネルギーによって注入深さをナノメートルオーダーで制御可能。本研究では、注入されたイオンが原子と衝突して生じるひずみを曲げ加工に利用した。[参照元へ戻る]
◆IIB技術
Ion Implantation Bending(イオン注入湾曲加工)技術。近年イオンビーム工学の分野で注目されているナノワイヤ構造やナノ片持ち梁(はり)構造を曲げ加工するイオン注入の応用技術。厚さ10 nm~200 nm程度の金属やシリコン半導体材料に1 kV~100 kV程度に加速したイオンを注入して曲げ加工を行う。イオンの加速エネルギーと注入量でひずみ量と深さを制御して曲率半径10 nm~50 μmの曲げ加工を行う。




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