III-V on Si ヘテロ集積とは
III-V on Si ヘテロ集積とは、インジウムやガリウムを含むIII-Vの半導体を、シリコンのチップの上へ組み合わせる集積です。 光る材料と集積の土台を分けます。シリコンは集積と量産で他に代えがたい材料ですが、間接遷移のため電流を光へ変える効率が低く、レーザーの材料に向きません。
光るのはIII-V、集積と量産はSiが受け持つ
Section titled “光るのはIII-V、集積と量産はSiが受け持つ”III-Vの半導体は直接遷移なので、電流をそのまま光へ変えられ、レーザーや光増幅器の材料として広く使われます。Siは光を放つ効率が低いかわりに、300 mmのウェーハで安く作れ、CMOSの設備をそのまま使えます。2つを1枚のチップへ組み合わせれば、光る働きと集積の利点を同時に得られます。imecも、III-Vレーザーをプラットフォームの部品に挙げています1。
格子の差が欠陥を生み、効率と寿命を削る
Section titled “格子の差が欠陥を生み、効率と寿命を削る”SiとIII-Vでは原子の並びの間隔が異なるため、そのまま積むと界面でずれが溜まり、欠陥が結晶の中へ伸びます。欠陥は電流を光へ変える経路を奪い、素子の効率を落とします。動かすうちに欠陥が増えるので、寿命も縮みます。
対策は2通りです。薄い接着層を挟んで貼り、結晶を合わせる工程を消すか、細い溝の中で育てて欠陥を底へ閉じ込めるかです。
imecの3つの手段は、貼る2つと育てる1つ
Section titled “imecの3つの手段は、貼る2つと育てる1つ”imecは、ウェーハ規模のフリップチップ接合、マイクロトランスファープリンティング、電気励起のナノリッジレーザーの3つを挙げています1。
フリップチップ接合は、別に作ったレーザーを裏返して基板へ載せます。マイクロトランスファープリンティングは、薄く剥がした素子をスタンプのように写します。ナノリッジはSiのウェーハ上で直接育てるので工程へ取り込めますが、結晶の質を作り込む負担が増えます。
載せた素子は、数百nmのずれが損失になる
Section titled “載せた素子は、数百nmのずれが損失になる”載せた素子とSiの導波路は、光が移るだけの精度で並んでいる必要があり、数百 nmのずれがそのまま損失になります。光を移す構造そのものもこの寸法で、SiNテーパの高さは400 nm、幅は標準の710 nmから先端の130 nmへ細ります2。1310 nmでのエバネッセント結合器は、大半が0.5 dB未満の挿入損失でした2。うまく合えば、損失は小さく抑えられます。
貼る手は載せる時間を、育てる手は欠陥の抑え込みを払う
Section titled “貼る手は載せる時間を、育てる手は欠陥の抑え込みを払う”貼る手なら良品だけを選べて歩留まりが読め、格子を合わせる工程も消えます。そのかわり1個ずつ載せる時間がかかり、位置合わせの精度が損失を左右します。育てる手なら一度に作れて工程へ取り込めるものの、欠陥の抑え込みを工程の中で解くことになります。どちらも、費用と歩留まりの置き場所が異なるだけです。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”III-V on Si ヘテロ集積とは何ですか？
インジウムやガリウムを含むIII-Vの半導体を、シリコンのチップの上へ組み合わせる集積です。光る材料と、集積の土台を分けます。
なぜ 2 つの材料を使いますか？
III-Vは直接遷移で効率よく光り、Siは大口径で安く作れます。得意なことが異なるため、組み合わせます。
何が難しいのですか？
原子の並びの間隔が異なることです。そのまま積むと界面に欠陥が並び、素子の寿命と効率が落ちます。
どんな手がありますか？
imecは、ウェーハ規模のフリップチップ接合、マイクロトランスファープリンティング、電気励起のナノリッジレーザーの3つを挙げています。
貼る手の利点は何ですか？
別々に作った結晶を接着層で貼るため、格子を合わせる工程が消えます。良品だけを選んで載せられます。
育てる手の利点は何ですか？
Siのウェーハ上で一度に作れるため、1個ずつ載せる工程が消えます。枚数が増えても時間が伸びにくくなります。
光以外でも使いますか？
使います。高速や高周波の素子でも、Siと異なる材料を同じチップへ載せる同じ考え方が使われます。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- ナノリッジレーザーとは── 育てる側の具体的な構造
- ウェーハ・ツー・ウェーハ接合とは── 貼る側の工程の考え方
- シリコンフォトニクスとは── 組み合わせる相手の土台
- 選択エピタキシャル成長とは── 狙った場所だけ育てる工程
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- 1imec：Silicon photonics foundry servicesimec-int.com ab
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