2013年6月27日
野田進 工学研究科教授、浅野卓 同准教授、乾善貴 同博士前期課程学生、髙橋和 大阪府立大学21世紀科学研究機構テニュアトラック講師らは、超小型、超低閾値のラマンシリコンレーザーの開発に成功しました。
概要
パソコンなどの心臓部分であるシリコンチップ（いわゆるCPU）では、電気配線を用いた情報伝達が省エネ・高速化の妨げとなっており、シリコンチップ内、またはチップ間で光によって情報伝達を行う光配線の実現が求められています。理想は、安価なシリコン材料のみで光配線を行うことですが、いくつか必要な技術の中で、最も難しいとされるのがシリコンからレーザー光を発生させることでした。唯一の成功例が、ラマン効果という特殊な発光現象を用いた光励起型のレーザーですが、エネルギー消費、素子サイズがともに大きく、実用化にはほど遠いものでした。
研究グループは、光を微小空間に強く閉じ込めるフォトニック結晶で作った超小型の光共鳴装置を用いて、従来の1万分の1以下のサイズと省エネルギーで動作するラマンシリコンレーザーを実現しました。成功のポイントは、これまで不用と思われていた共鳴状態からの発光と、応用には不適とされていた結晶方向を同時に利用すると逆にレーザー発振に有利になることを発見したことです。
今回のレーザーは現段階では光励起型のレーザーですが、大幅な省エネルギー化に成功したことから、将来的には用途の広い電流励起型のレーザーへの発展が期待できます。実現すれば、シリコンチップの光配線は大きく進展して、電子技術と光技術が融合した理想のシリコンチップへの道が開かれます。また、安価な小型センサー光源として、さまざまな産業創出を可能とし、日本の半導体産業の競争力につながると期待されます。
本研究成果は、2013年6月27日（英国時間）発行の英国科学誌「Nature」に掲載されました。
研究のポイント
- さまざまな産業創出が期待されるシリコンレーザーは、世界中で研究されている。
- 光を巧みに操ることができるフォトニック結晶を用いて、ラマンシリコンレーザーの大きさと消費エネルギーを従来の「1万分の1以下」まで低減することに成功した。
- パソコンなどのCPUに用いられているシリコンチップの電気配線を、光配線に置き換えるための微小光源や、安価な環境センサー光源としての応用が期待できる。
研究の背景と経緯
シリコンは電子を制御するのには大変便利ですが、結晶構造などから発光には適さない材料であり、レーザーを実現することが極めて困難でした。現在、利用されている半導体レーザーと比べると、1万倍も光りにくいことで知られています（図1）。それでも、シリコンを光らせ、最終的にはレーザー発振を実現することが研究者の長年の夢でした。なぜならば、電子を制御するだけでなく、光をもシリコンで発生・制御することができれば、応用上の利益は計り知れないと予想できるためです。
その応用例として、シリコンチップ（いわゆるCPU）が考えられます。パソコン、スマートフォンなどの心臓部分であるシリコンチップでは、電気配線を用いた情報伝達が省エネ化、高速化の妨げとなっています。これは、トランジスターの微細化が進み、それらをつなぐ電気配線も複雑化してきたためです。現在では、CPUの消費電力の半分以上（場合によっては80％）が、電気配線で占められるとまでいわれています。この問題を解決するために、CPU間をつなぐ電気配線を光配線に置き換え、光で情報伝達を行う技術が実用化直前まできており、近い将来にはCPU内まで光配線を広げていくことが現実的課題となっています。それが、光と電子が融合した理想のシリコンチップです。光配線には発熱がなく、一つの配線で大容量伝送が可能なうえ、超高速というメリットがあります。
当然、安価なシリコンだけで光配線を行うことが理想です。そのため光配線に必要な要素技術の多くは、シリコンを用いて実現されてきました。ただし、光配線の根源であるレーザー光の発生だけは、上述の通りシリコンでは困難でした。身の回りで利用されている半導体レーザーは、シリコンよりもずっと高価なインジウム、ガリウム、アルミニウムなどの元素から作られています。
ところが21世紀に入り、ラマン効果を用いた発光方法（図1）でシリコンレーザーを作る試みが出現して、2005年に米国インテル社がラマンシリコンレーザーの室温連続発振を報告しました。これは、現在でも唯一のシリコンレーザーです。しかしエネルギー消費が大きく（20mW以上）、素子サイズも大きい（1cm以上）という重要な問題がありました。光配線のためには、少なくとも100分の1程度の小型化、省エネ化が必要と考えられましたが、有効な解決方法は出てきませんでした。
図1：シリコン（間接遷移型半導体）の二つの発光方法（左）と直接遷移型半導体の発光の説明（右）
（左）シリコンのバンド構造は、伝導帯の底と価電子帯の頂上での運動量（波数）がずれている間接遷移型である（伝導帯の方が価電子帯よりもエネルギーが高い）。そのため伝導帯に励起された電子がもとの価電子帯にエネルギーを放出して移るとき、光放出では運動量の保存則を満たせないため、そのエネルギーはフォノン（熱）として放出される。したがってシリコンにエネルギーを与えてもLEDのように高効率では発光しない。ラマン散乱は電子を伝導帯に励起せず、価電子帯にいる電子がフォノンを一つ放出する時に発光する現象である。
（右）LEDや半導体レーザーに使われる窒化ガリウムやガリウムヒ素などの直接遷移型半導体のバンド構造は、伝導帯の底と価電子帯の頂上での運動量（波数）がそろっている。そのため伝導帯に励起された電子は、運動量の保存則を気にせずに、伝導帯の頂上から価電子帯の頂上に飛び移ることができ、このときバンドギャップ分のエネルギーを光として放出する。そのためバンド間遷移がシリコンの1万倍もよく起こる。
研究の内容
今回研究グループは、インテル社のレーザーと比べて1万分の1の大きさ（10µm程度、µ＝マイクロは100万分の1）しか持たないフォトニック結晶光共振器をレーザーの光共鳴装置として用いました（図2、3）。そのため、単純なスケールメリットからは1万分の1の省エネルギー化（1µW程度）が期待されます。しかし実際には、この予測は楽観的すぎて誰もが不可能と考えますが、研究グループは四つの斬新なアイデアを用いて成功させました。そのアイデアを以下に箇条書きで記載します。
図2：フォトニック結晶を用いたシリコンレーザーが搭載してあるシリコンチップ
指先の光っている長方形の物体がシリコンチップ。このチップに100個以上のレーザーを集積化できる。
図3：フォトニック結晶の電子顕微鏡写真
直径250nmの空気孔が、厚さ220nmの薄いシリコン膜に周期的に形成されている。穴がない部分が導波路や共振器となる。肉眼では見えないが、図2のチップには、このような穴が数十万個も開けてある。
- 通常は、光共鳴装置のサイズを小さくすると、レーザー発振のための重要な性能指標であるQ値（光閉じ込めの強さを表す）が小さくなってしまいますが、研究グループが用いたフォトニック結晶共振器は世界最高の性能を持っており、サイズを小さくしても高いQ値を保つことができます。これにより微小領域に強く光を閉じ込めました。
- 空間パターン（空間対称性）が悪いため、従来は不用と考えられていた光共鳴状態からの発光をレーザーの駆動力として用い、ここから発生したラマン光を、世界最高Q値の光共振器に閉じ込めました（図4）。
図4：レーザーの共鳴装置として用いたフォトニック結晶ナノ共振器の模式図
部分的に空気孔の間隔を広げることで、下図に示したエネルギーバンドにギャップが生まれ、光を強く閉じ込める微小空間が作られる。第2ナノ共振モードに光を注入して、ここから発生するラマン光を第1ナノ共振モードに閉じ込める。
- 光共振器を作製する方向を、応用上は不適当と考えられていた結晶方向（図5）に変更しました（従来の方向から45度傾いた［100］方向）。すると、二つのマイナスの特徴が打ち消しあって、逆にラマン効果を高めるために理想的な状態になりました。
図5：作製したレーザーの電子顕微鏡写真と動作イメージ
デバイスが通常作られる水平方向（［110］方向）から45度傾いた方向に作ってある（［100］方向）。左上方から励起光（青色）がナノ共振器に導入され、ナノ共振器内でラマンレーザー発振（赤色）が起こる。今回作製したサンプルでは、測定の都合から、ナノ共振器で発生したラマンレーザー光の大部分は画面垂直方向に取り出されるようにしてある。
- フォトニック結晶の空気孔の直径を変えるだけで、全ての光通信波長帯で利用できるようにしました。これにより光配線の大容量化が期待できます。
以上の工夫により、明瞭なレーザー発振を確認しました（図6）。
図6：（上）レーザーの入力－出力特性。しきい値1µWで急激に出力が増加して発振している。（下）発振時の光共振器と導波路端面での赤外カメラ写真。図5に示した動作イメージ通り、強い光が放射されているのが分かる。
今後の展開
インテル社のレーザーの光共鳴装置はPiN構造を必要としますが、今回のレーザーは必要としません。そのため、ドーピング（不純物投入）、メタルコンタクト（電極形成）、パシべーション（半導体表面にかぶせる保護膜）などのプロセスが不要です。単純にいえば、シリコン基板に穴を開けるだけで今回のレーザーは作れるので、金属元素も不要です。
ラマンレーザーは、光励起型のため応用範囲が制限されるという課題がありましたが、今回1µW程度の励起パワーでレーザー発振が可能になったことにより、効率の悪いシリコンの発光でもエネルギー源に用いることができるかもしれません。つまり、汎用性の高い電流注入型のレーザーへの展開も期待でき、今回の成果はシリコン分野に革命を与える第一歩になると期待されます。
超小型のシリコンレーザーを光源に用いて光と電子が融合したシリコンチップが実現すれば、パソコンの省電力化、低騒音、高速化などが期待できるとともに、次世代スーパーコンピューターの開発も勢いづきます。また、安価なシリコンレーザーは、環境モニタリング、生体センサーなどの光源として期待でき、光配線よりも、こちらの方の実用化が早まる可能性もあります。今回の成果は、さまざまな産業創出を可能とし、日本の半導体産業の競争力につながると期待されます。
本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）さきがけ、新学術領域研究、未来開拓研究プロジェクト、光拠点の支援を受けました。
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/nature12237
Takahashi Yasushi, Inui Yoshitaka, Chihara Masahiro, Asano Takashi, Terawaki Ryo, Noda Susumu.
A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold.
Nature 498(7455), 470-474 (2013)
- 朝日新聞（7月1日 20面）、京都新聞（6月27日 25面）、日刊工業新聞（6月27日 28面）、科学新聞（7月12日 4面）および日経産業新聞（7月12日 10面）に掲載されました。