CMOS 互換プロセスによるナノ共振器シリコンラマンレーザーの作製
Fabricating the nanocavity-based Raman Silicon Laser Using CMOS-Compatible Processてきた[1 3]。この技術を生かして、2013 年、従来よりもデバイスサイズが 1 万倍以上小さく、閾値が 2 万倍低いシリコンラマンレーザを開発した[4]。図 1(a)に共振器構造とバンド図、図 1(b)にレーザ動作の模式図を示す。格子定数を 410 415 420 nm と変えた部分に、モードギャップ閉じ込め効果により 2 つのナノ共振モードが形成される。励起光を第 2 ナノ共振モード

高橋 和 (Yasushi Takahashi, Ph. D.)（励起モードと呼ぶ）に閉じ込め、発生したラマン散

大阪府立大学 工学研究科 電子・数物系専攻
電子物理工学分野 准教授

乱光を第 1 ナノ共振モード（ストークスモード）に閉(Associate Professor, Department of Physics and Electronics,
Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture Uviversity)ることが第一に重要である。そのために、励起モード

応用物理学会、日本光学会、レーザー学会、IEEE
受賞：丸文学術賞(2013 年)
研究専門分野：シリコンフォトニクス、半導体光物性

上の Q 値が必要である[5]。第 2 に、ラマンレーザのじ込める。レーザ発振のためには、共振器損失を抑えでは 10 万以上の Q 値、ストークスモードは 100 万以源となる誘導ラマン散乱を強めることが重要である。
2 つのモードの周波数差をシリコンのラマンシフトである 15.6 THz に一致させ[6]、ナノ共振器を[100]方向あらましに作製することで室温連続レーザ発振が達成される

シリコン光素子を集積した超小型光回路は、巨大データセンタの省電力化に貢献する技術である。しかし、[5]。

間接遷移型半導体であるシリコンでは、電流励起型の小型レーザ光源が実現していない。安定した室温連続発振を達成しているのは、光励起型のシリコンラマンレーザ(*1)だけである。我々は、フォトニック結晶ナノ共振器(*2)を用いて、発振閾値 1 W 以下のシリコンラマンレーザを開発してきた。そのチップサイズは 1mm2 以下である。将来的には、電流励起型のシリコンレーザ開発を目指している。
これまでの研究では電子線リソグラフィ(*3)を利用してシリコンラマンレーザを作製してきた。シリコン
フォトニクスの大きな利点は、シリコン産業で標準的となっている CMOS 互換プロセス(*4)を利用できることである。本研究では、産業技術総合研究所の協力の下、CMOS 互換プロセスを用いてナノ共振器シリコンラマンレーザを 300mm SOI 基板に作製した。結晶方向を 45 度回転した SOI 基板を採用するなどの工夫により、閾値 1.8 W の室温連続発振を達成した。
１．研究の目的
我々はフォトニック結晶共振器の世界最高 Q 値を、ヘテロ構造ナノ共振器を用いて 1000 万以上に更新し

図 1．(a) ヘテロ構造ナノ共振器。(b)ナノ共振器ラマンレーザの動作イメージ。

2013 年以降の基礎研究により、レーザ発振の時間応
1TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERCMOS 互換プロセスによるナノ共振器シリコンラマンレーザーの作製
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答[7]、誘導ラマン利得の波長依存性[8]、作製歩留りを高機能なフォトニック結晶素子を CMOS 互換プロ決める要因[9] を明らかにしてきた。さらに、1.31

セスで作製する報告は、2010 年過ぎから見られはじめ

m/1.55 m 帯での単一チップ動作[10]、発振閾値 100

た[15]。海外のシリコンファウンドリの登場が大きくnW、エネルギー変換効率 20%以上の室温連続発振を影響した。シリコンナノ共振器も報告されていたが、達成してきた。我々の最終的な目標は、電流励起型の100 万以上の Q 値をもつナノ共振器を作製できるとはモノリシックシリコンレーザを開発することである。

その当時は想像できなかった[16]。国内のファウンド

以前の高 Q 値ナノ共振器研究は、電子線リソグラフリとの共同研究で高 Q 値ナノ共振器の作製が可能とィを用いてサンプルを作るのが当たり前であった。しなったことは我々にとって幸運であった[11]。

かし、産業応用に向けては、シリコン産業で標準的となっている CMOS 互換プロセスを利用して作製する３．研究の方法ことが重要である。我々は 2016 年、産業技術総合研

図 2(a)にサンプル作製のプロセスチャートを示す。

究所との共同研究により CMOS 互換プロセス、つまフォトリソグラフィとプラズマエッチングには、産業りフォトリソグラフィを用いて、100 万を超える Q 値

技術総合研究所 TIA-SCR 300mm 試作ラインを利用を有するヘテロ構造ナノ共振器を大量作製することにした。露光には ArF 液浸装置（Nikon NSR-S610C）成功した[11]。2017 年度より開始した本研究では、を用いた。フォトマスクにはハーフトーン型位相シフ

CMOS 互換プロセスを用いてナノ共振器シリコンラトマスクを用いた。マスクサイズは 104 mm × 132

マンレーザを 300mm SOI 基板に大量作製することをmm である。
これを基板上に 1/4 に縮小投影するので、目指した。

チップサイズは 26 mm × 33 mm である。縮小投影することで、サブナノメートル精度でナノ構造パターンを形成することが可能となる。300mm SOI 基板上に２．研究の背景
巨大データセンタなどにおける大規模情報処理は、は同一構造を持つ 60 個のチップが形成される。パタ

未来の IoT 社会を根幹から支える技術である。しかし、ーンが形成された後に、レーザステルスダイシングで爆発的増加をつづける情報流通量を、従来の電子回路測定するサンプルサイズまで小さくされる。

技術だけで処理することはエネルギー的に困難であり、シリコンフォトニクスを用いた超小型光回路の商業利用が始まっている[12]。現在では、大規模産業化を検討できる段階に到達しており、我々が研究対象としているフォトニック結晶も、構成要素の 1 つとして期待されている。
長年の間、シリコンフォトニクス研究において最も困難な課題の１つが、実用的なシリコンレーザの開発である。2005 年にインテル社が開発した世界初の光励起型シリコンラマンレーザは、デバイスサイズ、エネルギー消費量、作製コストに難点があり、その後の開発は中止された[13]。現在、世界的には、化合物半導体レーザをシリコン基板に貼り付けるなど、シリコン・化合物半導体のハイブリッド方式が主流となっている[14]。ハイブリッド方式は、シリコンラマンレーザの

図 2．(a) サンプル作製チャート。(b) 測定したデバイスのイメージ。

励起光源として利用できるため、本研究との相性が良

その後の工程は我々の研究室で行った。レーザ発振に必要となる高 Q 値を得るためには、洗浄プロセス、い。
2

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アニール処理の開発が重要であった。最適なプロセス

４．300mm 基板上に作製された高 Q 値シリコンナノ条件を見いだすことが、ラマンレーザ発振に重要な貢共振器の統計的評価献をした。図 2(b)は最終的に作製されたサンプルイメ

ラマンレーザを調べる前に、ヘテロ構造ナノ共振器ージである。フォトニック結晶薄板が空中に浮いたエに形成される第１ナノ共振モードの統計的評価を行っアブリッジ構造である。シリコン薄板下層の SiO2 層はた。ラマンレーザを実現するには、前述したように、フッ酸により除去された。

第１ナノ共振モードで 100 万以上の Q 値が必要とな

図 3 に作製されたシリコンラマンレーザの電子顕微る。ヘテロ構造共振器の格子定数は図 1(a)に示した通鏡写真を示す。
格子定数は図 1(a)に示した通りである。

りである。空気孔の半径は、図 3 に示した SEM 像よ共振器に２本の励起用導波路が平行に形成されている。

りも小さい 110 nm である。

空気孔は良好な円形を有しているが、垂直性について

図 5(a)は、最大 Q 値が得られたサンプルの共振スペは改善の余地がある。作製したサンプルの光学特性はクトルを示している。共振波長をスペクトル線幅で割顕微分光測定により調べた。って見積もれる Q 値は 250 万である。これは、フォトリソグラフィで作製されたナノ共振器の最高 Q 値である。
300 mm SOI 基板上には、図 5(b)に示すように、同一のフォトマスクから作製された約 60 個のチップが作製される。我々は、着色してある 9 つのチップを抜き出して、ナノ共振器の Q 値と共振波長を調べた。それぞれのチップについて 4 つのナノ共振器を測定した。

図 3．CMOS 互換プロセスで作製したラマンレーザの電子顕微鏡写

4 つの共振器の設計は同一であるが、厳密にはフォト真。

マスク上の異なるパターン部分から露光されたもので

図 4(a)は、ラマンレーザの作製に用いた SOI 基板のある。フォトマスクの空気孔パターンも、フォトマス模式図である。図 1 に示したラマンレーザは、シリコク作製時の精度により、それぞれ異なっていることがンの[100]結晶方向に作製する必要がある。ところが、予想される。そのため、4 つの共振器では、Q 値が高シリコンは[110]方向で劈開可能である。劈開方向と共くなりやすいもの、小さくなりやすいものが生じるは振器の作製方向の不一致は、実用化の際に様々な問題ずである。

を引き起こすことが想像できる。そこで本研究では、

図 5(c)は、36 個の測定結果を示している（データの図 4(b)に示す従来 SOI 基板から、トップシリコン層だない 4 共振器は発光が弱くて測定できなかった。
）。測け 45°回転させた基板を用いた。劈開は、支持シリコ定できた全てのサンプルで 100 万以上の Q 値が得らン基板の結晶方向に沿って行われることを確認した

れ、平均 Q 値は 190 万となった。A8 のチップは、他[17]。のチップと比べて明らかに Q 値が低いが、これはレーザステルスダイシング後のプロセスエラーによるものと考えている。最も疑わしいのは洗浄後の乾燥プロセスである。A8 の 3 つの共振器を除いた場合の平均 Q
値は 200 万である。
32 個のサンプルの Q 値は一見ランダムに分布しているように見えるが、各チップに注目すると、4 番目の共振器が最大値を示す頻度が高い。これは、上で述

図 4．(a) CMOS 作製に使用した SOI 基板。(b) 従来研究で使用されべたフォトマスクのパターン揺らぎが、作製されたナ

た SOI 基板。

ノ共振器にも引き継がれる可能性を示唆している。Q
3TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERCMOS 互換プロセスによるナノ共振器シリコンラマンレーザーの作製
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値のばらつき方は、EB で作製したサンプルと同程度ていることと確認した。基板全面でプロセス条件を均であったため、CMOS プロセス特有の損失要因は少な一化することが、今後の大きな課題である。各チップいと考えている。に注目すると、4 番目の共振器でもっとも長波長が得られる傾向が表れている。これも、フォトマスクパターンの特徴がナノ共振器へと引き継がれる可能性を強く示唆している。本章の研究成果については参考文献[18]にまとめた。
５．CMOS 互換プロセスで作製したシリコンラマンレーザ
つづいてシリコンラマンレーザを CMOS 互換プロ
セスを用いて 300mm SOI 基板に作製した。作製したサンプルの電子顕微鏡写真は図 3 に示した。ラマンレーザでは、2 つのナノ共振モード（励起モードとストークスモード）の周波数差を 15.6 THz に一致させる必要がある。周波数差は空気孔の半径に比例して、0.15THz/nm の傾きで変化する[9]。15.6 THz が得られる
半径は図 3 に示したように 128 nm である。現状のCMOS 互換プロセスでは、半径の大きさを正確に制御することは困難である。そこで、少しづつ半径を変えたサンプルパターンを持つフォトマスクを準備した。
図 6(a)(b)は、発振が確認されたサンプルの共振スペクトルを 2 つのモードについて示している。
挿入図は、測定時のサンプルの励起方法を示している。励起モードの Q 値が 13 万、ストークスモードの Q 値が 100 万である。
2 つのモード間の共振周波数差は 15.603 THzである。
図 6(c)にレーザの入出力特性を示す。閾値は 1.8 µW、最大エネルギー効率は 0.23％であった。励起パワーが4 µW を超えるとレーザ出力の飽和が確認できる。これは、2 光子吸収によって生成された自由キャリアが、ラマン散乱光を吸収することで起こる[19]。図 6(d)に示した各励起強度における赤外線カメラ像より、レーザ発振が明瞭に確認できる。

図 5．(a) 最高 Q 値 250 万を持つナノ共振器の共振スペクトル。(b)

観測されたレーザの性能は、電子線リソグラフィを測定した 9 チップの 300 mm SOI 基板上での位置。(c), (d) 36 個のナ用いて作製した先行研究よりも劣る結果ととなった。

ノ共振器の Q 値と共振波長。実線は平均値、点線は標準偏差。

図 5(d)は共振波長の測定結果を示している。Q 値の閾値で 3~5 倍大きくなり、効率は１桁以上低かった

結果とは一変して、チップ間の平均波長差が最大で 8[17]。さらに、レーザ発振するサンプルの作製歩留り

nm 生じている。チップの位置が基板中心から遠くなも先行研究の 1/10 程度まで悪化した[9]。その理由とるほど波長が短波にシフトする傾向が現れている。こ

しては、励起モードの Q 値を上げるために熱処理を繰の原因が、空気孔の半径が基板の外側ほど大きくなっり返したため、ストークスモードの Q 値が小さくなっ
4

TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERCMOS 互換プロセスによるナノ共振器シリコンラマンレーザーの作製
Fabricating the nanocavity-based Raman Silicon Laser Using CMOS-Compatible Processたことがあげられる。前章の第 1 ナノ共振モードに関レーザを作製できたことで、今後の研究の幅が大きくする研究では、CMOS プロセスに起因する Q 値低下広がる。異分野研究者へのラマンレーザサンプルの提はほとんど見られなかった。一方、ラマンレーザに利供と、応用出口として本デバイスを用いた静電気セン用する第 2 ナノ共振モードでは、大きく Q 値が低下しシング研究に力を入れていく予定である。

た。今後、原因を特定する必要がある。本章の研究成

おわりに本研究では、ArF 液浸露光リソグラフィと CMOS 互果については参考文献[20]にまとめた。

換プロセスによって作製した高 Q 値ナノ共振器を用いて、シリコンラマンレーザの室温連続発振を実証した。フォトリソグラフィ法を用いてフォトニック結晶レーザを作製した初めての例である。発振閾値、最大エネルギー効率などのレーザ性能は、電子線リソグラフィを用いて作製されたサンプルよりも劣っていた。
今後のプロセス改善が重要である。本研究で得られた結果は、化合物半導体を用いたフォトニック結晶レーザの製造にも重要な知見を与えるだろう。
謝辞
ここで紹介した研究成果は、大阪府立大学の博士前期課程学生であった芦田紘平、山口悠起子、安田孝正によるものである。本研究は岡野誠氏（産業技術総合研究所）、浅野卓准教授（京都大学）、野田進教授（同）との共同研究により行われた。
用語解説*1 ラマンレーザ
誘導ラマン散乱を用いた光励起型のレーザである。ファイバーラマンレーザが特に有名であるが、様々な材料によるラマンレーザが製品化されている。
*2 フォトニック結晶ナノ共振器
空気孔による周期的な屈折率変化によるフォトニックバンド効果を用いて作られる体積の非常に小さな共振器。小さい体積にも関わらず高い Q 値を実現できる。
図 6．CMOS 作製したラマンレーザの特性。(a),(b) 励起モードとス

そのため、光非線形効果である誘導ラマン散乱を強めトークスモードの共振スペクトル。(c) ラマンレーザの入出力特性。

ることができる。

(d) 赤外線カメラによって撮影されたレーザ発振の様子。

*3 電子線リソグラフィ
電子線を用いて微細パターンを描画するため、光を用

６．将来展望いてパターン描画を行うフォトリソグラフィより分解作製歩留りに課題は残るが、作製試行回数は 2 回だ能が高い。一方で描画時間が長いのが欠点とされる。

けであり、プロセス改善の余地は大きい（フォトマス*4 CMOS 互換プロセス

クの設計から実際にサンプルを受け取るまでに長い時

シリコン産業で一般的となっている微細加工プロセス。

間を要するのがフォトリソグラフィを用いた研究の弱フォトリソグラフィを用いるため大量作製に優れてい点である）。CMOS 互換プロセスでナノ共振器ラマンる。レジスト塗布、化学洗浄、マスク形成、プラズマ
5TELECOM FRONTIER No.108 2020 SUMMERCMOS 互換プロセスによるナノ共振器シリコンラマンレーザーの作製
Fabricating the nanocavity-based Raman Silicon Laser Using CMOS-Compatible Process“Ultrahigh-Q photonic nanocavity devices on adual thickness SOI substrate operating at both
1.31
and 1.55 m telecommunication
wavelength bands,” Laser Photon. Rev. 13,1800258 (2019).

エッチングなど、基板の直径に応じて各装置が開発されている。本研究では、直径が 300mm の基板に特化した装置群を用いた。

[11] K. Ashida, M. Okano, M. Ohtsuka, M. Seki, N.
Yokoyama, K. Koshino, M. Mori, T. Asano, S.
Noda, and Y. Takahashi, “Ultrahigh-Q photonic
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[20] T. Yasuda, M. Okano, M. Ohtsuka, M. Seki, N.
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Fabricating the nanocavity-based Raman Silicon Laser Using CMOS-Compatible Process

この研究は、平成２８年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２９～令和元年度に実施されたものです。

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