チップ上高集積光配線のためのシリコントンネルFETを用いた極低電圧光変調の研究

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本研究で提案するマッハ-ツェンダー型シリコン光変調器は、位相変調部にトンネル電界効果トランジスタ(TFET)を利用したものであり、デバイス長1mm以下、1V未満の駆動電圧を目標としている。2022年度は①TFETの構造の最適化、②フォトニック結晶導波路の最適化を実施した。① TFETの構造の最適化：トンネルFETのチャネル部にはフォトニック結晶光導波路を設け、ソースから光導波路へキャリヤが注入される構造とした。またゲート電極はチャネル上部全体を覆わずに光導波路上部を避けるように設置し、電極による光伝搬損失を抑える構造とした。更にゲート電極直下のチャネル部はチャネル幅300nmのTFETをアレイ状に配置し、微小なTFETを多数並列に配置した構造とした。TFETの作製期間を短縮するため可能な限り作製プロセスを簡略化した。n及びpチャネルTFETを試作し、その電気的特性を測定してトランジスタとしての正常な動作を確認出来た。しかしドレイン電流はゲート電圧3V付近で立ち上がり、サブスレッショルドスロープ値はおよそ400mV/decadeであった。また変調素子全体のチャネル幅100umに対し、ドレイン電流は最大で0.5uA程度であり、予想通り駆動電流は小さい値であった。②フォトニック結晶導波路の最適化：位相変調部に組み込むフォトニック結晶光導波路については、主に光シミュレータを用いた解析を行い、TFETと同時に試作を行った。フォトニック結晶は六方格子を採用し、格子定数を0.42umとした。シミュレーション上では完全フォトニックバンドギャップを持つフォトニック結晶を得たが、円柱の空間充填率が大きいため実際の試作では設計通りの寸法を維持することが困難であることが分かった。そのため空間充填率を若干小さめにしてTE偏光のみバンドギャップを持つフォトニック結晶を採用することとした。