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平成25年6月27日

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超小型・超省エネルギーのラマンシリコンレーザーを開発
光と電子が融合した理想のシリコンチップに道

ポイント

JST 課題達成型基礎研究の一環として、大阪府立大学 21世紀科学研究機構の橋 和 テニュアトラック講師、京都大学 工学研究科の野田 進 教授らは、実現が絶望視されてきた超小型のラマンシリコンレーザー注1)を開発しました。

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、ラマン効果注2)という特殊な発光現象を用いた光励起型のレーザー注3)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注4)で作った超小型の光共鳴装置注5)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。

本研究は、京都大学 博士前期課程の乾 善貴 氏、大阪府立大学 博士前期課程卒業生の千原 賢大 氏の協力を得て行いました。

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 「革新的次世代デバイスを目指す材料とプロセス」
(研究総括:佐藤 勝昭 東京農工大学 名誉教授)
研究課題名 「フォトニック結晶ナノ共振器シリコンラマンレーザーの開発」
研究者 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)
研究期間 平成21年10月〜平成25年3月

JSTはこの領域で、CMOSに代表される既存のシリコンデバイスを超える革新的な次世代デバイスを創成することを目標として、環境やエネルギー消費に配慮しつつ高速・大容量かつ高度な情報処理・情報蓄積・情報伝達を可能とする新しい材料の開拓およびプロセスの開発を図る挑戦的な研究を対象とするものです。

<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んだため、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、1つの配線で大容量伝送が可能、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)という致命的な問題がありました注6)。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。

<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図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4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。

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)。

<今後の展開>

インテル社のレーザーの光共鳴装置はPiN構造注8)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と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すらあります。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。

<付記>

本研究成果は、大阪府立大学のテニュアトラック講師である橋講師を中心とした小人数の研究グループで、京都大学の野田教授との戦略的な共同研究により成し遂げました(今回の研究で用いたフォトニック結晶光共振器は、野田教授らが2005年に発明したもので、橋講師は野田研究室のGCOEポスドク時代に、この光共振器を研究していました)。このことは、日本の若手研究者の潜在能力と大学の垣根を越えた共同研究の重要性を示す模範的事例であり、特に若手研究者に独立した研究権限を与えるテニュアトラック事業の可能性を強く示唆しています。

本研究成果の一部は、光学測定にあたり新学術領域研究「半導体における動的相関電子系の光科学」の支援を、フォトニック結晶光共振器の作製にあたり未来開拓研究プロジェクト「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」、光拠点「融合光新創生ネットワーク」の支援を受けました。

<参考図>

図1
図1 シリコン(間接遷移型半導体)の2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。従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1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1万倍も良く起こる。
図2

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

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10万個も開けてある。

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。

図5

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紙面垂直方向に取り出されるようにしてある。

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。

<用語解説>

注1) ラマンシリコンレーザー
ラマン効果をレーザー発振に用いたレーザーのこと。そのため電流ではなく光励起で発振させるレーザーである。半導体レーザーでは実現できていない黄色のレーザーなどを作るために利用されたりする。また同じ原理を用いた製品として、ラマン増幅光ファイバーがインターネットの光通信で利用されている。
注2) ラマン効果(ラマン散乱)
1928年、インド人のラマンが発見した発光現象で、結晶に入射した光が結晶の熱振動(フォノン)と相互作用して、入射した波長より少し長い波長の光が放出される現象(図1)。この波長の変化が物質に固有であるため、ラマン効果は物性研究だけでなく、爆破物検査、環境検査などに幅広く利用されている。ラマンはこの業績で1930年にノーベル物理学賞を受賞した。
注3) 光励起型のレーザー
レーザー発振に必要なエネルギーを、光を照射して加えるタイプのレーザー。電流でエネルギーを加える半導体レーザーと比べると、汎用性に難点を抱えるが、さまざまな応用製品がある。例えば世界初のレーザーであるルビーレーザーは光励起型で、医療用レーザーなどに現在でも使われている。また、緑色のレーザーポインターも、実は光励起型のレーザーである。
注4) フォトニック結晶
光が波である特性を利用して、光を自在に閉じ込めたり、制御可能な特長を持つ光素子。図3に示すように、薄い板状の材料に、周期的に孔状の穴を開けた構造が有名。企業でも活発に研究が行なわれている。
注5) 光共鳴装置(光共振器)
2枚の鏡で光を閉じ込めた構造のこと。レーザー発振には、光を何度も往復させる必要があるので、必ず光共鳴装置が必要となる。一般的には小さくて、Q値が高いほど、優れた共鳴装置と考えられており、フォトニック結晶を用いると世界最高級の光共鳴装置が実現できる。
注6) プレゼンテーションに用いるレーザーポインターの出力は1mW以下、DVDなどの半導体レーザーの素子サイズは0.3mmである。
注7) 共振器を作製する方向を45度傾けると理想的な組み合わせになることは、京都大学 博士前期課程の乾 善貴 氏が理論的に明らかにした。
注8) PiN構造
半導体に電圧をかけるために必要となる構造である。

<論文タイトル>

“A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold”
(極微小、超省電力ラマンシリコンレーザー)
doi: 10.1038/nature12237

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

橋 和(タカハシ ヤスシ)
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
〒599-8570 大阪府堺市中区学園町1−2
Tel:072-254-8129 Fax:072-254-8314
E-mail:

野田 進(ノダ ススム)
京都大学 工学研究科 教授
〒615-8510 京都府京都市西京区京都大学桂
Tel:075-383-2315
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進藤 健司(シンドウ ケンジ)
京都大学 渉外部広報・社会連携推進室 広報企画掛長
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(英文)A new type of miniature silicon laser with a microwatt threshold