大阪府立大学

世界最高レベルのQ値を有する光ナノ共振器の大量作製に成功

更新日:2016年3月16日

世界最高レベルのQ値を有する光ナノ共振器の大量作製に成功

研究成果のポイント

  • 工業生産に適したフォトリソグラフィ法を使用し、従来の100万倍のスピードで作製
  • 世界最高レベルのQ値(解説1)150万を達成、超高Q値光ナノ共振器の普及へ
  • シリコンレーザーや光メモリー、簡便に使える医療診断センサーの開発等応用に期待

研究概要

公立大学法人大阪府立大学(理事長:辻󠄀 洋)工学研究科の高橋和准教授と、国立研究開発法人産業技術総合研究所(理事長:中鉢 良治) 電子光技術研究部門の森雅彦研究部門長、岡野誠研究員の研究グループは、世界で初めて、工業生産に適したフォトリソグラフィ法を用いて、100万以上のQ値を有する光ナノ共振器を作製することに成功しました。

シリコンフォトニック結晶(解説2)を用いた光ナノ共振器(解説3)は、100万を超える非常に高いQ値を実現しており、光を微小領域に強く閉じ込めることが可能です。この特長を生かしたさまざまな光素子が研究されており、IoT時代を切り開くシリコンレーザー(解説4)、光集積回路で重要となる光メモリー(解説5)、どこでも簡便に使える医療診断センサー(解説6)などが例として挙げられます。とくに、近年開発され注目を集めている超低消費電力シリコンラマンレーザー(解説7)は、100万以上のQ値を持つ光ナノ共振器が必要不可欠とされています。

しかし、これまで実現してきたQ値100万以上の光ナノ共振器は全て、電子線リソグラフィ法により作製されたものでした。産業応用を実現するには、半導体製造で一般的なフォトリソグラフィ法(電子線リソグラフィの100万倍の生産性を持つ)を用いて大面積ウエハー上に一括作製することが重要です。

一般的に、光ナノ共振器は、非常に小さな空気孔(直径200ナノメートル程度)を周期的に配列した構造からなるため、リソグラフィに高い精度が要求されます。また、リソグラフィ以外の作製工程でも多くの工夫が必要になります。そのため、100万以上のQ値を実現することは、電子線リソグラフィ法を用いたとしても容易ではなく、微細パターン形成の精度が劣るとされるフォトリソグラフィ法と、柔軟性に欠ける半導体製造プロセスでは、Q値100万以上の光ナノ共振器を作製することは困難と考えられてきました。

これまでに、大阪府立大学のグループは、電子線リソグラフィ法を用いて作製された世界最高レベルのQ値を有する光ナノ共振器を研究してきました。一方、産業技術総合研究所(略称:産総研)は、フォトリソグラフィ法と半導体製造プロセスを用いたシリコンフォトニクス研究において、世界トップレベルのエンジニアリング技術を保有し、国内最大のシリコンフォトニクス研究拠点として、産業応用を積極的に推し進めてきました。本研究は、基礎研究と応用研究で世界を牽引するグループが協力することで、初めて可能となりました。両グループがそれぞれの知識、技術を持ち寄り、融合させることで、フォトリソグラフィ法と半導体製造プロセスを用いて高Q値光ナノ共振器を作製するための最適な方法が考え出されました。それぞれの強みを生かして、主に、産総研がデバイス設計とサンプル作製を担当し、大阪府立大学がデバイスの特性評価を担当しました。

サンプル作製は、産総研スーパークリーンルーム(略称:SCR)のシリコンデバイス一貫試作ラインを利用しました。最先端のArF液浸フォトリソグラフィ法(解説8)と、現場の技術者が有するプロセスノウハウを生かして、大面積30cmシリコンウエハー全面に、光ナノ共振器を高い精度で作製しました。その結果、予想を大きく上回る、150万のQ値を得ることに成功しました。今後、共振器構造と作製プロセスの最適化を進めることで、これ以上のQ値も十分期待できます。

本研究成果を受けて研究グループでは、今後、オープンイノベーション推進拠点である産総研SCRにおいて、多くの研究者が高Q値光ナノ共振器を研究できる体制を整えていき、フォトニック結晶デバイスの早期実用化を推進していく予定です。国内のフォトニクス研究者の連携を強化することで、フォトニック結晶、シリコンフォトニクス技術に基づく新たなフォトニクス産業の創出が期待されます。

本成果は、2016年3月22日、東京工業大学で開催される応用物理学会の注目講演として発表される予定です。

【プレスリリース修正情報】
詳細PDF内の図3のキャプションにおける、シリコン薄膜の厚さ220nm(修正前)から225nm(修正後)に修正。

用語解説

解説1 Q値

共振器が光を閉じ込める強さを表す値であり、Quality Factorの頭文字をとって、Q値と呼ばれる。Q値が大きいほど、光を長時間蓄えることができ、また、共振スペクトルの線幅が狭くなります。

解説2 フォトニック結晶

光が波である特性を利用して、光を制御する特長を持つ光素子。光を微小空間に閉じ込めたり、急角度で曲げたり、分岐したりできる。さまざまな種類のフォトニック結晶が研究されているが、周期的に円形の穴を開けた構造が有名です。

解説3 光ナノ共振器

フォトニック結晶により実現した、数百ナノメートルの非常に小さな領域に光を閉じ込める共振器を指す。一般的には体積が小さくて、Q値が高いほど、光を強く閉じ込められるが、普通の共振器は体積を小さくするとQ値が低下する。光ナノ共振器は、体積を小さくしても高Q値化が可能であり、解説4~6のような応用が期待されています。

解説4 シリコンレーザー応用 

光ナノ共振器のQ値が大きいほど、シリコンと光との相互作用が強くなり、非線形効果が増大します。この特長を生かした、超低消費電力シリコンラマンレーザー(解説7)が、100万以上のQ値を持つ光ナノ共振器により最近開発され、大きな注目を集めています。

解説5 光メモリー応用 

光ナノ共振器のQ値が大きいほど、共振器内に光を長時間蓄えることができるので、光メモリーへの応用が期待されています。光メモリーは、光集積回路の重要な構成要素となります。

解説6 センサー応用 

光ナノ共振器のQ値が大きい程、共振波長スペクトルの線幅が狭くなるので、わずかなターゲット分子がナノ共振器に付着して発生する微小な共振波長変化が識別できます。この特長を生かした高感度な医療診断センサーやガスセンサー、バイオセンサー応用が期待されています。

解説7 超低消費電力シリコンラマンレーザー 

わずか1マイクロワットの閾値でレーザー発振するシリコンラマンレーザー。シリコンラマンレーザーは、現在、唯一のシリコンレーザーであり、今後、実用的なシリコンレーザー開発が期待されています。

解説8 ArF液浸フォトリソグラフィ法 

半導体量産ラインで使用されている最先端のフォトリソグラフィ法。光源に、193ナノメートルのArFエキシマレーザーを用います。さらに、投影レンズとウエハーの間に純水を満たす液浸フォトリソグラフィ技術を用いて、解像度を向上させています。

お問い合わせ

公立大学法人大阪府立大学 工学研究科

高橋 和 准教授

Tel・Fax 072-254-8129 Eメール y-takahashi[at]pe.osakafu-u.ac.jp[at]の部分を@と変えてください。