싱가포르 국립 대학을 비롯한 공동 연구 그룹이 개발한 광전자 집적 회로의 구조. 왼쪽 (a)는 전체의 조감도. 실리콘 기판 위에 GaAs 화합물 반도체 레이저를 제작하고, 그 위에 InGaAs 화합물 반도체 n 채널 FET를 만듭니다.
그 오른쪽 (b)는 평면도. 화합물 FET의 게이트 전극, 소스 전극, 드레인 전극이 왼쪽의 절반이 넘는 영역을 덮습니다. 드레인 전극이 오른쪽 화합물 레이저 전극 (다이오드의 n 측 전극)으로 이어집니다.
평면도의 오른쪽에있는 수직의 검은 사각형은 레이저를 위에서 본 모습입니다. 4개의 그림 중 오른쪽 두개는 화합물 디바이스의 단면도입니다. 왼쪽 (c)는 FET의 단면 구조, 오른쪽 (d)는 레이저의 단면 구조입니다.
화합물 반도체 소자는 실리콘 반도체에 없는 두 가지 특징이 있습니다. 하나는 반도체 레이저나 발광 다이오드 (LED) 등의 발광 장치를 만든다는 것, 다른 하나는 매우 빠른 클럭으로 동작하는 트랜지스터를 만들 수 있다는 것입니다.
화합물의 광학 장치, 화합물의 전자 장치, 실리콘의 전자 장치를 융합하고, 초고속으로 전자기 노이즈에 강한 광통신을 써서 반도체 칩 사이를 연결할 수 있습니다. 통합 생산을 위해서는 기판에 실리콘을 사용하여 화합물 반도체 소자(몇 층~수십 층의 박막)을 형성 할 필요가 있습니다. 그래서 화합물 반도체와 실리콘 반도체를 일체화하여 제조하기란 쉽지 않습니다.
문제가 되는 건 실리콘 및 화합물 반도체의 결정 격자(결정을 구성하는 원자 사이의 거리)의 차이입니다. 결정 격자에 차이가 있는 경우 실리콘 표면에 화합물 반도체 박막을 형성해도 접촉면에서 원자끼리 잘 연결되지 않고 결함이 발생합니다. 이 결함이 많이 발생하면 화합물 반도체 장치가 제대로 움직이지 않게 됩니다.
그러나 최근에는 실리콘 기판 위에 결정 격자의 어긋남을 완화하는 버퍼층을 넣어, 결함이 적은 화합물 반도체를 형성할 수 있게 되었습니다.
그리고 6월 6일의 국제 학회 VLSI 기술 심포지엄에서 싱가포르의 싱가포르 국립 대학, 난양 국립 대학, 미국 매사추세츠 공과 대학의 공동 연구진이 실리콘 기판 위에 화합물 반도체 레이저와 화합물 반도체 FET를 박막 성장 기술로 형성하고 동작하는 것을 확인하였습니다.
만들어낸 광전자 집적 회로의 전자 현미경 사진. 왼쪽 (a)는 InGaAs 화합물 반도체 n 채널 FET의 게이트 스택 및 채널 부분의 단면. 오른쪽 (b)는 InGaAs 화합물 반도체 n 채널 FET의 게이트 전극과 게이트 절연막의 단면. (a)보다 10 배로 확대했습니다.
왼쪽 (c)는 GaAs 화합물 반도체 레이저의 단면. AlGaAs 층을 클래드 층으로하는 GaAs / AlGaAs 양자 우물 (QW) 레이저입니다. 오른쪽 아래 (d)는 양자 우물 (QW : Quantum Well) 부분의 단면. (c)에 비해 50 배로 확대했습니다.
실리콘 기판 위에 게르마늄 (Ge)의 버퍼층을 형성하고, 그 위에 GaAs / AlGaAs 화합물 반도체 레이저 층 더 그 위에 InGaAs 화합물 반도체 n 채널 FET 층을 형성합니다. FET에 의해 반도체 레이저를 구동하는 광전자 집적 회로입니다. 웨이퍼 접합 기술 등 하이브리드 기술은 일절 사용하지 않는 단일 형성입니다.
광전자 집적 회로의 트랜지스터와 레이저로 각각의 동작을 확인한 결과, InGaAs FET의 채널 길이는 500nm (0.5μm) 전원 전압은 0.5V ~ 1.5V 정도. 드레인 전류의 온 오프 비율은 6자리였습니다.
드레인 전압이 1.5V일 때 전류는 400μA / μm였습니다. 고주파 특성을 확인하지 않은 경우 캐리어(전도 전자)의 이동도는 1,920cm2 / V · s로 높았습니다. 실리콘에 형성한 InGaAs FET의 캐리어 이동도 중 역대 최고치라고 합니다.
광전자 집적 회로의 트랜지스터 특성
GaAs 반도체 레이저의 동작 온도는 5 ℃였습니다(실온 20 ℃에서 확인). 발진 파장과 전류 값은 5 ℃일 경우 790nm 부근, 500mA, 20 ℃의 경우 795nm 부근, 620mA이다. 발진 모드는 싱글 모드입니다. 온도에 따라 발진 파장이 다른 건 온도 상승에 의해 밴드 갭이 좁아지기 때문입니다.
광전자 집적 회로의 레이저 특성
현재는 소자를 시작하고 실험실 수준에서 작동을 확인하는 단계입니다. 개선의 여지는 충분히 있다고 할 수 있습니다. 앞으로의 발전이 기대되는 연구 성과입니다.
