チップ上光集積素子へ新たな道――慶大ら、シリコン上に直接形成可能なグラフェン高速発光素子を開発

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慶應義塾大学らは2018年3月29日、JST戦略的創造研究推進事業において、九州大学と共同でシリコンチップ上で動作する高速なグラフェン発光素子を開発したと発表した。光のオンオフを高速に変化できるメカニズムも新たに発見したという。

現在、発光素子の多くが母材として用いている化合物半導体は、シリコン上での結晶成長が困難なことから直接形成が難しく、また、デバイスの作製手順が複雑で高密度化が難しい、光の強度変調に光変調器が必要といった問題を抱えており、高集積な光技術の実現を阻む要因となっている。そのため、化合物半導体に替わる新たな材料系での発光素子の開発が、シリコン上で高集積光技術を実現する手段の一つになると考えられている。

光通信では、発光のオンオフをデジタル信号として情報通信を行うため、発光をオンオフする速度(変調速度)が重要となる。同研究グループは、ナノメートルサイズで制御できる炭素材料としてグラフェンに着目してきたが、これまでグラフェン発光素子は極めて低速の変調しか実現しておらず、最高でも100kHz程度の変調速度だった。

今回、同研究グループはグラフェンを用い、シリコン上に直接形成可能な超小型の新しい発光素子の開発に成功した。この素子は通電加熱による黒体放射発光であるにも関わらず、最高で10GHz(応答時間100ps)もの超高速変調が可能であることを示した。これは、従来の金属フィラメントによる黒体放射光源と比べて、100万倍以上の速さだという。

さらに、この高速変調性がグラフェンデバイスにおける量子的な熱輸送によって実現していることを発見した。同研究グループは、この発光素子を用いて実際に光通信を実演するとともに、化学気相成長(CVD)によるアレー化や大気中での動作が可能であることも示した。

今回開発した発光素子は、シリコン上に集積可能な高速で超小型の光源として、光インターコネクトやシリコンフォトニクスといった高集積光技術への応用が期待できるとしている。

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