オンチップ光配線に向けたシリコン系集積光送受信デバイスの開発
Silicon-based integrated optical transmitter and receiver devices for on-chip interconnects
容量の光配線を利用することが有効である。本研究では、オンチップ光配線技術の実現を目標とし、光通信波長の 1.55 µm 帯で動作する光送受信デバイスの検討を進めた。エレクトロニクス用の標準的なバルク Si ウ
ェーハ上での光デバイス実現が鍵である。シリコンフォトニクスでデファクト標準となった Ge 受光器（光－電気変換）の利用を前提とし、キーデバイスである
光導波路（光配線）と光変調器（電気－光変換）には

石川 靖彦 (Yasuhiko ISHIKAWA, Ph. D.)

Si 系材料あるいは Si とプロセス親和性の高い材料に豊橋技術科学大学 電気・電子情報工学系 教授根ざす条件を課す必要がある。光導波路および光変調(Professor, Toyohashi University of Technology, Department ofElectrical and Electronic Information Engineering)

器を構成する材料（堆積膜）の組み合わせとして、SiNx

応用物理学会 IEEE 他
著書：Integrated Photonics for Data Communication Applications,4. High-speed photodetectors, ed. by M. Glick, L. Liao, and K.
Schmidtke (Elsevier, Amsterdam, 2023), pp. 123-158 他
研究専門分野：半導体工学 シリコンフォトニクス

および AlN が有力と考え、検討を行った。
２．研究の背景
光通信は情報伝送の遅延が小さく、大容量・低電力の特長も有する。シリコン情報処理回路において、チップ内の長距離情報伝送（> ~ 1 mm）が処理能力を制限する要因の一つとなっており、従来から光配線の利あらまし用がクロック分配やコア間通信の観点で議論されてき集積回路チップ上で光通信を行うオンチップ光配線

た[1-6]。近年は CPU、GPU、メモリ等の個別チップの実現を最終目標とし、光通信波長の 1.55 µm 帯で動をインタポーザと呼ばれる基板上に載せてパッケージ作する光送受信デバイスの検討を進めた。シリコンフ化するチップレット技術の開発が活発化している。光ォトニクスでデファクト標準となった Ge 受光器（光配線でチップ間を繋ぐ光チップレット[7,8]や光通信－電気変換）の利用を前提とし、キーデバイスである

デ バ イ ス を パ ッ ケ ー ジ 化 す る CPO （ co-packaged

バルク Si ウェーハ上の光導波路（光配線）と光変調器optics）[9,10]も注目されている。一方、チップ内配線（電気－光変換）には Si 系材料あるいは Si とプロセに光を利用するオンチップ光配線は最終形態と言える

ス親和性の高い材料に根ざす条件を課した。光導波路が技術的に容易でない。要因の一つである光源（Si 系および光変調器を構成する材料（堆積膜）の組み合わ材料で実現困難）については、電子回路における「電せはいくつか考えられるが、光導波路に SiNx、光変調源」同様、チップ外に配置すると一旦割り切るとする器に AlN を利用する方法が有力と考えて検討を進め（あるいはチップ上に III-V 族レーザー光源をを貼りた。反応性スパッタ法による SiNx 堆積膜が光導波路合わせる）。ところが、チップ内で光送受信を行うために応用できること、光変調器材料として反応性スパッのデバイス開発も進んでいない。シリコンフォトニク

タ法による自発配向 AlN の有効性を示唆する結果がス *1 が 過去四 半世 紀 に 渡 って研 究さ れて き て おり得られたことを述べる。一方、SiNx 光導波路と Ge 受[11,12]、我々も Ge 集積受光器をはじめとするデバイ光器の間の光結合に難があり、さらに検討を行う必要

ス研究を精力的に行ってきた[13-16]。現状は光ファイがある。

バーの入出力端で利用される光送受信デバイス（光集積トランシーバ：動作波長 1.3–1.6 µm）への応用が主

１．研究の目的体である[17-20]。専用仕様の SOI（Si-on-insulator）ウ

シリコン情報処理チップの高性能化において、チッェーハ*2 が利用されており、上部の単結晶 Si 層を微細プ内の長距離情報伝送（距離 > ~ 1 mm）に高速・大加工することで、Si 光導波路や Si 合分波器といったパ

1TELECOM FRONTIER No.124 2024 SUMMER

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ッシブデバイスを作製できる。Si 光変調器や Ge 受光膜の通信波長帯（1.3–1.6 µm）での屈折率は約 2.0 で器を含めた光デバイスのモノリシック集積 が実現さあり、Si3N4 に対する理想値とよく一致した。また測定れ、光送受信チップへ応用されている。一方、情報処に用いた PE-CVD 膜の約 1.9 に比べて高く、より密な理チップへの光配線導入には、エレクトロニクス用の膜となっていると考えられる。

*3

標準的なバルクウェーハ上に光デバイスを作製する必要がある。すなわち、Si ウェーハ上の堆積膜に対してAl-N
Absorption [arb. unit]

微細加工を行ってデバイスを集積する必要がある。
３．研究の方法
Si 基板上にエピタキシャル成長した Ge 層を用いた

Reactive sputtering AlN
PE-CVD SiNx

Si-H

N-H

Reactive sputtering SiNx

Si-N
Si-Si
Si-Si

Si 上 Ge 受光器（光－電気変換：光通信波長帯で動作）
4000[13–16]の利用を前提とし、キーデバイスである光配線（光導波路）と光変調器（電気－光変換）には Si 系材

3500

3000

2500
2000
1500
Wavenumber [cm-1]

1000

500

(a)

料あるいは Si とプロセス親和性の高い材料に根ざす条件を課すこととした。光導波路および光変調器を構成する材料（堆積膜）の組み合わせとして、SiNx および AlN が有力と考え、検討を行った。
（1）SiNx 光導波路
SOI ウェーハを利用せずに Si 光導波路を作製するには、SiO2 上の Si 堆積膜を用いる必要がある。Si の堆 積 温 度 は 一 般 に バ ッ ク エ ン ド 工 程 *4 の 要 求 （ <(b)~400C）よりも高く、また多結晶となるため光導波路

図 1(a) 赤外吸収スペクトル および (b) 屈折率スの散乱損失が高い（少なくとも数 dB/cm [21]）。SiO2ペクトル：反応性スパッタ SiNx 膜（緑）、PE-CVD SiNx上の非晶質 SiNx 堆積膜をサブミクロン細線加工した膜（橙）、および反応性スパッタ AlN 膜（赤）低損失光導波路（波長 1.3–1.6 µm）を報告している[22,23]。独自の反応性スパッタ法*5 を用いて低損失化

反応性スパッタ SiNx 膜を用いて光導波路を作製し（< 1 dB/cm）に成功している。200C 以下の低温プた。まず、Si 基板上に SiO2 膜（下部クラッド：膜厚 3ロセスであり、バックエンド工程と互換性がある。低µm）を PE-CVD 法により堆積した。さらに SiNx 膜

圧化学気相堆積（LP-CVD）法はプロセス温度が 800C（膜厚 560 nm）を反応性スパッタを用いて堆積した。

程度と高くバックエンド工程と整合せず、プラズマSi ターゲット（99.999%）を用い、堆積温度は 200C、CVD（PE-CVD）法では原料ガス由来の残留 N–H 結

チャンバ圧力は 0.5 Pa、ガス流量比は Ar : N2 = 2 : 1、合に起因する光吸収が 1.5 µm 帯に発生する。図 1(a)RF 電力は 600 W とした。サンプルからターゲットまの赤外吸収スペクトルに示したように、PE-CVD 法にでの距離は 100 mm とした。なお、図 1 の評価に用いよる SiNx 膜（堆積温度 300C）では約 3300 cm–1 にたサンプルと同様な条件である。次に、i 線ステッパおN–H 結合に由来する吸収ピークが見られる。一方、反よび反応性イオンエッチングを利用して幅 1000 nm

応性スパッタ SiNx 膜（200C）では原料に水素が含まのチャネル光導波路に加工した。最後に SiO2 層（上部れないため N–H ピークは観測されない（反応性スパクラッド）で埋め込んだ。図 2(a)は走査電子顕微鏡

ッタ AlN 膜の結果については後述）。屈折率の波長依（SEM）による断面観察結果であり、想定通りの構造存性の測定結果を図 1(b)に示す。反応性スパッタ SiNxが得られていることがわかる。図 2(b)に SiNx 光導波

2

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路の光透過率を光導波路長に対してプロットした結果

Ar/N2 混合ガスを用いて反応性スパッタリングを行っを示す。グラフの傾きから伝搬損失として 3.0  1.0た。
基本的な堆積条件は SiNx 堆積時と同様であるが、dB/cm が得られた。高精度の電子線（EB）リソグラフ

RF 電力を 300–600 W まで変化させた。堆積時間は 30

ィーを用いて作製した SiNx 光導波路[23]の伝播損失分とした。

0.6  0.3 dB/cm よりも大きい値であるが、実験室レベ

RF 電力 600 W で堆積した反応性スパッタ AlN 膜の断面 SEM 像を図 3(a)に示す。一様な厚さの膜が形ルで十分に利用可能である。

成できていることがわかる。原子間力顕微鏡による観察の結果、表面粗さの RMS 値は 0.4 nm であり、表面Transmittance [dB]-10-20は原子レベルで平坦であった。図 3(b)に AlN 膜の屈折EB lithography [23]-30率（633 nm）の RF 電力依存性を示す。RF 電力が高-40i-line lithography-50

いほど屈折率が大きくなり、膜の密度が向上している-60と考えられる。得られた屈折率 2.05 は、理想値である-700(a)2468
Waveguide length [cm]102.12（1.55 µm）[30]に近い値となった。また、図 1(b)に示したように、SiNx と同様な屈折率であることから、(b)

図 2 (a) SiNx 光導波路の典型的な断面 SEM 像 およびSiNx 光導波路と同様なサイズの加工を行うことで光(b) 波長 1.55 µm での光透過率の導波路長依存性導波路として機能することがわかる。SiNx と AlN で屈折率差が小さい点は、両者のデバイス間の光結合の（2）光変調器応用に向けた AlN 薄膜の堆積と評価低損失化にも効果的である。なお、図 1(a)に示したよSiNx は電気的に屈折率や光吸収を制御できないため光変調器へ応用することは困難である。SiNx 導波路

うに、反応性スパッタ SiNx 膜と同様、N–H 結合に由来する 1.5 µm 帯での光吸収損失は除外できる。と集積可能な光変調器の材料として Si 堆積膜を利用すると、前述の Si 光導波路と同様、バックエンド工程との不整合（堆積および pn 接合形成の温度）や散乱損失に課題がある。また、標準的な Mach-Zehnder 干渉計構造の Si 光変調器では、デバイス長が 1 mm 程度と長い点[24]も課題である*6。Si 以外の材料として、ここでは反応性スパッタ AlN 膜を検討した。AlN は紫外発光素子だけでなく、広いバンドギャップ（約 6.2(a)eV）を生かしたパワーデバイス、さらには圧電性を生[25,26]。光変調器応用の報告もある[27,28]。結晶構造の非対称性により、AlN では電界印加による屈折率変化が生じる。電気光学（EO）係数として、r13 = 0.59

Refraactive index

かしたア クチュ エータ応 用が近年 検討さ れてい る

2.10
2.05
2.00
1.95
1.90pm/V、r13 = –0.67 pm/V を有する[29]。Mach-Zehnder

100干渉計等と組み合わせることで光変調器が実現できる。

200300 400 500
RF power [W]600700高い結晶性が重要であり、しばしば高温熱処理(b)（>800C）が適用されてきた。導波損失は低減できる

図 3 (a) 反応性スパッタ AlN 膜の典型的な断面 SEMものの[30]、バックエンド工程と整合しない。そこで、像 および (b) 波長 633 nm における屈折率の RF 電

まず 200C で堆積した反応性スパッタ AlN 膜の基本

力依存性物性を調査した。Al ターゲット（99.999%）を使用し、3TELECOM FRONTIER No.124 2024 SUMMER

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結晶性に関しては、斜入射 X 線回折（GI-XRD）測に SiNx 導波路を形成して、Ge へエバネッセント結合定の結果、反応性スパッタ AlN 膜は多結晶であることさせる方法も考えられる（図 5(b)の計算例では、Ge 層がわかった。一方、下地 Si ウェーハの 0 0 4 回折ピー上の Si 保護膜を考慮した計算を行っている）。Ge はクが現れる条件で単結晶 XRD 測定（–2スキャン）

約 4.2 の高い屈折率を有しており、SiNx 導波路を伝播を行うと、AlN の 0 0 0 2 回折が観測される。従来報した光は Ge へ結合・入射する。しかし Ge へ結合し告[25,27]と同様、c 軸が膜厚方向に自発配向している

た光は大きく屈折し、下地の Ge/Si 界面で内部全反射ことを示している。異方性を有していることは、EO 効せず、Si 基板へ放射される成分が多い。高効率な光結果によって屈折率の電気的制御が可能であることを示

合には、グレーティング結合などの他手法も検討する

唆しており、光変調器への応用が期待できる。今後、余地がある。

光導波路を作製するとともに、Mach-Zehnder 干渉計構造あるいはマイクロリング光共振器構造の光変調器を作製し、有効性を検証したい。

(a)

(b)
図 4 AlN 堆積膜の XRD ピーク

図 5 SiNx 光導波路と Ge 受光器の光結合領域における光伝播のシミュレーション：(a) Butt 結合 および (b)（3）SiNx 光導波路と Ge 受光器の光結合

エバネッセント結合

光－電気変換を行う上で、SiNx 光導波路と Ge 受光器の光結合の高効率化が重要である。高受光効率かつ４．将来展望

低リーク電流の受光器を実現するためには Ge 層は高AlN に関しては、光導波路や Mach-Zehnder 干渉計、品質である必要があり、Si ウェーハ表面上にエピタキマイクロリング共振器を作製し、光変調器としての利シャル成長する必要がある。SiNx 光導波路を伝播した用可能性を明確化する予定である。SiNx 光導波路と光を Si 上 Ge 受光器へ入射する方法として、図 5(a)のGe 受光器（光－電気変換）の間の高効率光結合もさらように SiNx 光導波路と Ge 層（光吸収層）をウェーハに検討を進める予定である。の同一面上に作り込んで Butt 結合させることが考え波及効果として、高強度の光を扱う導波路デバイスられる。結合部での屈折率差によって、約 20%の反射・への応用も考えられる。Si 光導波路は、光通信波長帯散乱損失が発生するものの、高効率な光結合を実現での近赤外光に対して基本的には光吸収を示さないが、きる。しかし、SiNx 導波路の下側の SiO2 クラッド層

1 mW 台以上の高強度光が入射されると、非線形な光は、Si 基板への放射損失をなくすために数 µm の膜厚吸収（二光子吸収）が発生する。損失が大きく、利用が必要である[23]。数 µm の段差がある中で、SiNx 光が困難となる。一方、SiNx や AlN を光導波路に用い導波路と Ge 光吸収層をウェーハの同一面上に作り込ると高強度光でも二光子吸収は無視できる。波長変換むことは容易でない。などの非線形光学現象の観測やデバイス応用にも有効別の光結合の方法として、図 5(b)のように Ge 層上である。ディジタルコヒーレント通信の受信チップで4TELECOM FRONTIER No.124 2024 SUMMER

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も高強度光（局発光）が利用される。この点においてElectrochem. Soc. Interface 9, 28 (2000).
[2] K.

も優位性がある。

Electronics

Wada,andPhotonics

Convergence on Si CMOS Platform, Proc. SPIE
5357, 16 (2004).

おわりに集積回路チップ上で光通信を行うオンチップ光配線[3] D. A. B. Miller, Device Requirements for Opticalの実現を最終目標とし、光通信波長の 1.55 µm 帯で動Interconnects to Silicon Chips, Proc. IEEE 97,

作する光送受信デバイスの検討を進めた。反応性スパ

1166 (2009).

ッタ法による SiNx 堆積膜が光導波路（光配線）に有効であり、光変調器（電気－光変換）材料としては反応[4] K. Ohashi et al., On-Chip Optical Interconnect,
Proc. IEEE 97, 1186 (2009).

性スパッタ法による自発配向 AlN の有効性を示唆す[5] L. C. Kimerling, D. -L. Kwong, and K. Wada,

る結果が得られた。今後、AlN の光デバイス化、SiNx

Scaling computation with silicon photonics,

光導波路と Ge 受光器の間の光結合の高効率化を検討

MRS Bull. 39, 687 (2014).
[6] M. J. R. Heck and J. E. Bowers, Energy Efficient

し、有効性を明らかにする予定である。

and Energy Proportional Optical Interconnects
for Multi-Core Processors: Driving the Need for
用語解説

On-Chip Sources, IEEE J. Sel. Top. Quantum*1 Si 集積電子回路のプロセス技術を用いて Si 上に光Electron. 20, 332 (2014).
[7] M. Wade et al., TeraPHY: A Chiplet Technology

デバイスを集積する技術である。
*2 Si ウェーハ上に SiO2 層を介して単結晶 Si 層が形成されたウェーハである。一般にウェーハ貼り合わ

for Low-Power, High-Bandwidth In-Package
Optical I/O, IEEE Micro 40, 63 (2020).
[8] N. Psaila et al., Detachable Optical Chiplet

せにより作製される。
*3 膜堆積と微細加工（リソグラフィー、エッチングなど）を駆使して、1 枚の半導体基板上にデバイスをConnector

forCo-Packaged

Photonics,

J.

Lightwave Technol. 41, 6315 (2023).
[9] C. Minkenberg et al., Co-packaged datacenter

集積することを指す。
*4 半導体作製プロセスの第２工程（配線工程）を指す。

optics:*5 イオン化した希ガス（主に Ar）を堆積したい固体

Optoelectronics 15, 77 (2021).

物質（ターゲット）に衝突させて、物質を気化させOpportunity

andchallenges,

IET[10] R. Mahajan et al., Co-Packaged Photonics For

ることにより基板上に薄膜を堆積する手法をスパHighッタ（スパッタリング）という。希ガスに加えて、Challenges And Opportunities, J. Lightwave

ターゲット（例えば Si）と反応させたいガス（O2 やTechnol. 40, 379-392 (2022).

N2）を導入することで化合物（SiO2 や SiNx）の薄膜

Performance*6 Si 光変調器のデバイス長は、変調原理である電気光学（EO）効果（Si 中の屈折率がキャリア濃度で変化するキャリアプラズマ効果）により制限されていStatus,[11] 例 え ば 、 S. Y. Siew et al., Review of Silicon

Photonicsを形成することもでき、反応性スパッタという。

Computing:TechnologyandPlatform

Development, J. Lightwave Technol. 39, 4374
(2021).
[12] 例えば、S. Shekhar et al., Roadmapping the next

generation of silicon photonics, Nat. Comm. 15,る。

751 (2024).
[13] S. Park et al., Monolithic integration and

参考文献[1] L. C. Kimerling, Photonics to the Rescue:

Microelectronics

Becomes

synchronous

operationofgermanium

Microphotonics,

photodetectors and silicon variable optical

5TELECOM FRONTIER No.124 2024 SUMMER

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Silicon-based integrated optical transmitter and receiver devices for on-chip interconnects
attenuators, Opt. Express 18, 8412 (2010).

[25] C. Xiong et al., Aluminum nitride as a new[14] Y. Ishikawa and K. Wada, Germanium formaterial for chip-scale optomechanics andsilicon photonics, Thin Solid Films 518, S83

nonlinear optics, New J. Phys. 14, 095014 (2012).
[26] M. Dong et al., High-speed programmable(2010).
[15] H. Nishi et al., Monolithic integration of a silica

photonic circuits in a cryogenically compatible,

AWG and germanium photodiodes on siliconvisible-near-infrared

200

mm

photonic platform for one-chip WDM receiver,architecture, Nat. Photon. 16, 59 (2022).

CMOS[27] C. Xiong et al., Low-Loss, Silicon Integrated,

Opt. Express 20, 9312 (2012).
[16] K Yamada et al., High-performance silicon

Aluminum Nitride Photonic Circuits and Their

photonics technology for telecommunications

Use for Electro-Optic Signal Processing, Nanoapplications, Sci. Technol. Adv. Mater. 15,Lett. 12, 3562 (2012).
[28] S. Zhu and G. Q. Lo, Aluminum nitride electro-024603 (2014).
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optic phase shifter for backend integration onsilicon, Opt. Express 24, 12501 (2016).

J. Opt. 8, 073003 (2016).
[18] Q. Cheng et al., Recent advances in optical[29] P. Gräupner et al., Electro‐ optical effect intechnologies for data centers: a review, Optica 5,

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[19] N. Margalit et al., Perspective on the future of[30] X. Wu et al., Effects of rapid thermal annealing

silicon photonics and electronics, Appl. Phys.

on aluminum nitride waveguides, Opt. Mater.

Lett. 118, 220501 (2021).

Express 10, 3073 (2020).

[20] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated

Photonics for Data Communication Applications(Elsevier, Amsterdam, 2023).

この研究は、令和２年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とし[21] Q. Fang et al., Low Loss (~6.45 dB/cm) Sub-Micron

Polycrystalline

Siliconて採用され、令和３～５年度に実施されたものです。

Waveguide

Integrated with Efficient SiON Waveguide
Coupler, Opt. Express 16, 6425 (2008).
[22] Z. Zhang et al., A New Material Platform of Si

Photonics for Implementing Architecture ofDense Wavelength Division Multiplexing on Si
Bulk Wafer, Sci. Technol. Adv. Mater. 18, 283(2017).
[23] R. Tsuchiya et al., Low-Loss Hydrogen-FreeSiNx Optical Waveguide Deposited by Reactive
Sputtering on a Bulk Si Platform, IEEE J. Sel.
Top. Quantum Electron. 28, 4400109 (2022).
[24] K. Li et al., An integrated CMOS–silicon

photonics transmitter with a 112 gigabaudtransmission and picojoule per bit energy
efficiency, Nat. Electron. 6, 910(2023).
6

TELECOM FRONTIER No.124 2024 SUMMER