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

利用硅隧道FET实现片上高度集成光互连的超低压光调制研究

• 批准号: 22K04219
• 负责人: 田部井 哲夫
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04219/
• 关键词: シリコン光変調器; マッハ-ツェンダー変調器; トンネルFET

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。

本研究提出的Mach-Zehnder型硅光调制器在相位调制部分使用隧道场效应晶体管（TFET），目标器件长度小于1 mm，驱动电压小于1 V。 2022财年，我们进行了（1）TFET结构的优化和（2）光子晶体波导的优化。 ①TFET结构的优化：在隧道FET的沟道部分安装光子晶体光波导，其结构为载流子从源注入光波导。另外，栅电极设置为避开光波导的顶部，而不覆盖沟道的整个顶部，从而形成抑制由电极引起的光传播损耗的结构。此外，在栅电极正下方的沟道部分中，沟道宽度为300nm的TFET排列成阵列，形成许多小型TFET并联排列的结构。尽可能简化制造工艺，缩短TFET制造周期。我们制作了 n 沟道和 p 沟道 TFET 原型，测量了它们的电气特性，并确认它们能够正常发挥晶体管的功能。然而，漏极电流在栅极电压3V左右上升，亚阈值斜率值约为400mV/十倍频程。此外，对于100um的调制元件的整个沟道宽度，最大漏极电流约为0.5uA，并且正如预期的那样，驱动电流是一个很小的值。 (2)光子晶体波导的优化：对于并入相位调制部分的光子晶体光波导，主要使用光学模拟器进行分析，并与TFET同时制作原型。光子晶体采用六方晶格，晶格常数为0.42um。虽然通过模拟获得了具有完美光子带隙的光子晶体，但由于圆柱体的空间填充系数较大，在实际原型生产中很难保持设计尺寸。因此，我们决定使用带隙的光子晶体，仅用于空间填充因子稍小的TE偏振。