竹中 充 /TAKENAKA Mitsuru

竹中 充 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
シリコン・フォトニクス、光電子集積回路
【研究室URL】
http://www.mosfet.k.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

当研究室では、Siフォトニクスの研究を進めており、次世代コンピューティングや中赤外光集積回路、二次元材料光電子集積回路の実現を目指しています。Siフォトニクスは大規模集積回路(LSI)と同じ技術でSi基板上に大規模光集積回路を実現できることから、世界中で活発に研究がおこなわれています。AI(人工知能)やInternet of Things (IoT)が主流となる時代においては、桁違いの情報処理能力が必要とされています。しかし、ムーアの法則は近い将来終焉を迎えると予想されており、LSIの性能向上の停滞が懸念されています。このため、ムーアの法則に依らずに情報処理能力を飛躍的に向上可能な次世代コンピューティングの研究が活発化しています。我々は、Siフォトニクスを用いて、LSIの情報通信能力を飛躍的に向上可能な光インタフェースや光配線LSIの研究を進めています。またSi光集積回路を用いた光深層学習の研究も進めており、Siフォトニクス技術を用いた次世代コンピューティングの実現を目指しています。またAI・IoT時代にはセンシングデバイスの役割も重要となることから、中赤外光集積回路を用いて新たなセンシングデバイスの研究も進めています。特異な物性を持つグラフェンや二硫化モリブデンなどの二次元材料を用いた次世代光電子集積回路の研究にも取り組んでいます。

光配線LSI

AI・IoT時代においては、膨大の量の情報に基づいた学習により人工知能の発展が加速することが期待されます。そのためには、超高速データ通信を可能とするLSIインタフェースが必要となります。しかし、ムーアの法則終焉後は、電気インタフェースの性能向上は望めません。また、LSI内配線における信号遅延や消費電力の問題も深刻化しています。これらの問題を解決するために、LSI向け光インタフェースや光配線LSIを実現する研究を進めています。これにより、データフロー型などの次世代コンピューティングの実現を目指しています。

我々は、有効質量の軽い半導体により変調効率を改善する有効質量エンジニアリングを提唱し、Si光変調器の高性能化を目指しています。ホールの有効質量が軽い歪みSiGeを用いた光変調器(図1)に加えて、電子の有効質量が軽いIII-V族半導体であるInGaAsPをSi導波路上に貼り合わせたSiハイブリッドMOS型光変調器(図2)を世界に先駆けて提唱し、研究を進めています(Nature Photonics, vol. 11, no. 8, pp. 486–490, 2017)。InGaAsP MOS界面での電子蓄積により光変調することに世界で初めて成功し、極めて効率の高い光変調を実現しました。今後、100 Gbpsを超える超高速光変調器の実現を目指します。

Ge受光器の研究も進めています。気相拡散による高品質接合形成、Ge酸化膜表面パッシベーションの実現により世界最小レベルの暗電流密度を実現しました。アモルファスSi導波路を突き合わせ接続した導波路型Ge受光器の実証にも成功しており、レーザーや変調器なども一体集積した光集積回路の実現を目指した研究を進めています(図3)。

光学物性・電子物性がSiよりも優れているIII-V族化合物半導体をSi基板上に集積化したIII-V CMOSフォトニクスを提唱し、研究を進めています(図4)。III-V-on-Insulator(III-V-OI)基板を用いることで極めて強い光閉じ込めが得られることから、世界最小レベルの導波路素子や光変調器、受光器を実証してきました。また光変調器とInGaAs MOSトランジスタとの一体集積にも世界で初めて成功しています。今後、CMOS技術を駆使して、半導体レーザー、光変調器、受光器などの各種光素子を一体集積する研究を進め究極的な光電子集積回路の実現を目指します。

光深層学習

Siフォトニクス技術の進展により大規模光集積回路な可能になり、多数の光スイッチを網目状に集積して任意の線形操作を可能とするユニバーサル光集積回路に注目が集まっています。光通信用素子だけでなく、光レーダー(LiDAR)や光ニューラルネットワークを用いた深層学習、量子コンピューターなどの応用が期待されることから、活発な研究が世界中で進められています。我々は、世界に先駆けて実証したSiハイブリッドMOS型光位相シフタをユニバーサル光集積回路に応用した光深層学習の研究に取り組んでおり、高速・省電力次世代AIコンピューティングの実現を目指しています(図5)。

中赤外光集積回路

近年、中赤外光を用いた光集積回路が注目を集めています。光ファイバー・空間通信に加えて、分子固有の光吸収を用いた分子センサーなどへの応用が期待されています。我々は、中赤外光全域で透明なGeを用いた中赤外光集積回路の研究に取り組んでいます(図6)。ウェハボンディングを用いて高品質GeOI基板の実現に成功し、急峻な曲げ導波路や各種パッシブ中赤外導波路の実証に成功しています。またキャリア注入を用いた中赤外Ge光変調器の動作にも世界で初めて成功しており、新たな中赤外光応用の開拓を目指します。

2次元材料デバイス

近年、原子層状の物質である2次元材料に注目が集まっており、特異な物性を活かした種々の新しいデバイスの研究が活発に行われています。金属的な振る舞いをするグラフェンだけでなく、半導体として機能する二硫化モリブデンなどの遷移金属カルコゲナイド、絶縁膜となる窒化ホウ素などを組み合わせた光電子集積回路への応用が期待されています。当研究室でも、グラフェンを使った光変調器・受光器や二硫化モリブデンを使ったトランジスタの研究を進めています(図7)。

学生へのメッセージ

本研究室は、半導体デバイスの原理提案、設計、作製、評価をすべて自分でこなすことをモットーとして研究を進めています。日々、「ものづくり」に接することで、新しい発明や発見を生み出す喜びと興奮を味わうことができます。現在、Si をベースにした半導体デバイスは抜本的な技術革新を必要とする激動の時代を迎えています。既成概念に捕らわれないイノベーションが求められており、自ら考案したデバイスが世の中を大きく変えていくチャンスに溢れています。意欲と情熱に溢れた学生諸君と共に、革新的な半導体デバイスを生み出していきたいと思います。これまで学んできた理論や知識を使って新しいデバイスを生み出し、世の中を大きく変えることに挑戦して見たい学生諸君の参加を待っています。

図1:歪みSiGe光変調器
図2:SiハイブリッドMOS型光変調器
図3:III-V CMOSフォトニクス・プラットフォーム
図4:III-V CMOSフォトニクス・プラットフォーム
図5:SiハイブリッドMOS型位相シフタを用いた光深層学習
図6:Ge中赤外光集積回路
図7:グラフェン光集積回路およびMoS2トランジスタ