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います。Siフォトニクスは、既存の大規模集積回路(LSI)で培われた高度な製造技術を用いることで、従来では不可能と考えられていた大規模光集積回路が実現可能となることから、世界中で活発に研究を進められています。CMOS回路の集積化も可能であり、今後、光通信用光集積回路はSiフォトニクスが主流になると期待されています。我々の研究室では、GeやSiGeなどの異種半導体をSi上に集積することでSiフォトニクスを高性能化する研究を進めています(図1)。また、Siよりも光物性に優れたIII-V族半導体をSi上に貼り合わせたIII-V CMOSフォトニクスを世界で先駆けて提案して研究を進めています。いわばIII-V族半導体版Siフォトニクスを実現することで、Siフォトニクスを凌駕する光電子集積回路の実現を目指しています。近年脚光を浴びているグラフェンやMoS2などの2次元材料を用いた新原理光デバイスの研究も進めています。このように、本研究室では、異種半導体をSiプラットフォーム上に集積した光電子集積回路の実現を目指しています。これにより、大規模データーセンターやスーパーコンピューター内で用いられる大容量・小型・省電力光インターコネクションや光配線LSIの実現を目指した研究を進めています。

当研究室は、ウェハーボンディング装置、ALD装置、ドライエッチング装置、メタルスパッタ装置などの最新のプロセス装置や高性能プローバー、光素子測定装置などの評価装置が揃っており、デバイス物理に基づいた原理提案からデバイス作製、評価・解析を自分で全て経験することをポリシーとしています。
以下では主要な研究テーマ例を紹介します。詳細は研究室のHP(http://www.mosfet.k.u-tokyo.ac.jp/)を参照してください。

Si フォトニクス

Si-on-Insulator基板上に超小型光素子を集積可能なSiフォトニクスの研究を進めています。SiGeやGe, GeSnなどの新しい材料を導入することで、Siフォトニクス素子の高性能化・省電力を目指しています。電気信号を光信号に変換するSi光変調器はSiフォトニクスにおいて重要な素子である一方、変調効率がよくないことが課題となっています。我々は、歪技術を用いた変調効率の増大手法を新たに提案し、高性能歪SiGe光変調器の研究を進めています(図2)。これまでに歪SiGe光変調器の動作に成功し、プラズマ分散効果や自由キャリア吸収の増大を実証しています。現在、さらなる高性能化を目指した研究を進めています。また超高感度Geフォトディテクターの研究も進めています(図3)。気相拡散法を用いて形成した接合とGeO2パッシベーション技術を組み合わせることで、Geフォトディテクターにおいて世界最小レベルの暗電流を実現することに成功しており、さらなる高感度化に向けた研究を進めています。また、ウェハーボンディングによりGe層をSi基板上に貼り合せたGe-on-Insulator(GOI)基板の作製にも成功しており、Ge受光器に加えて、Ge光変調器や、GeSnレーザーの研究にも取り組んでいます。

III-V CMOS フォトニクス

光学特性・電子特性がSiよりも優れているIII-V族化合物半導体をSi基板上に集積化して究極的な光電子集積化回路が実現可能なIII-V CMOSフォトニクス・プラットフォームを新たに提唱し、研究を進めています(図4)。熱酸化Si基板とのウェハーボンディング技術を利用して、高品質なIII-V-on-Insulator(III-V-OI)基板の実現に成功しています。極めて強い光閉じ込めが得られることから、従来のIII-V族光デバイスを1/100以下に小型化することが可能になり、これまでに世界最小レベルの光曲げ導波路や導波路型回折格子、グレーティングカプラ、超低電流駆動光変調器、導波路型InGaAs受光器などの光素子やInGaAs MOSトランジスタの実証に成功しています(図5)。今後、CMOS技術を駆使して、III-V CMOSフォトニクス・プラットフォーム上に半導体レーザー、光変調器、フォトディテクターなどの各種光素子を集積する研究を進めます。また超高性能III-V族化合物半導体MOSトランジスタとの集積化も進め、既存の概念を超える究極的な光電子集積回路の実現を目指します。

2次元材料デバイス

特異のバンド構造や優れた電子物性を持つ2次元炭素材料であるグラフェンを用いた光デバイスの研究を進めています。グラフェン固有のバンド構造から、非常に高性能な光デバイスが可能である予測されており、現在世界中で研究が活発になっています。当研究室においても、グラフェン光変調器やグラフェン受光器の研究を進めています(図6)。また同じ2次元材料として注目されつつある二硫化モリブデン(MoS2)を用いたトランジスタに関する研究も進めており、2次元材料光電子集積回路の実現を目指しています。

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:異種材料集積技術による光電子融合回路
図2:歪SiGe光変調器
図3:超高感度Ge受光器
図4:III-V CMOSフォトニクス・プラットフォーム
図4:III-V CMOS フォトニクスで実現した超小型光素
図4:グラフェン光変調器および受光器