The objectives of this thesis are threefold: The development of a silicon-germanium (SiGe) device fabrication process on the silicon (Si) platform as well as the design and realization of field-effect SiGe ring modulators and germanium (Ge) light emitters.

To these ends, we exploit the small direct-to-indirect conduction band edge separation of Ge-rich SiGe alloys. This property leads to significant direct band electro-optical interactions such as the Franz-Keldysh (FK) electromodulation or photon emission, both of which can be utilized for active SiGe devices.

Despite the quasi-direct nature of Ge, one disadvantage of Ge as an optical medium is the sub-ps intervalley scattering times in the conduction bands. We propose a new class of optoelectronic devices by which this loss mechanism is mitigated using strain generated from micromechanical structures. As a concrete example, we modeled the theoretical emission efficiency of strained Ge supported by a cantilever-like platform. Our simulations indicate that net optical gain is obtainable even in indirect Ge under a substrate biaxial tensile strain of about 1.5% with an electron-hole injection concentration of 9×1018 cm-3 while direct bandgap Ge becomes available at a strain of 2%. A large wavelength tuning span of 400 nm in the mid-infrared range also opens up the possibility of a tunable on-chip Ge biomedical light source.

To increase the material-light interaction time inside active microphotonic devices, an optical resonator, such as a ring filter, is often implemented. Ring filters, in contrast to standing wave resonators such as the Fabry-Perot resonator or the photonic crystal cavity, have good impedance matching to on-chip coupling waveguides and are ideally suited for integrated photonic circuits. We designed a novel concentric-ring optical buffer structure which retains this advantage but which also has twice the theoretical time delay-bandwidth of a single ring all-pass filter having the same footprint. In place of the computationally intensive 3D finite difference time domain simulations, we applied a combination of coupled-mode theory and a finite-difference-based solution of the full-vector waveguide equation to a 3-dimensional analysis of the problem. Optimization of the structure dimensions remains therefore a tractable problem despite the large degrees of freedom for parameter tuning. Such ring structures can be used in place of the simple ring modulator to further increase the bandwidth or optical interaction length within the resonator using the same area.

We also created a 5-layer technology process suitable for the heterogeneous integration of SiGe active devices and Si passive waveguides. Thanks to a 2-step dry and wet etch method, both Si and SiGe waveguides can be simultaneously created from substrates with blanket-grown SiGe. This allows for the rapid prototyping of photonic devices compared to selectively grown SiGe on substrates since the SiGe deposition is decoupled from the downstream processing. An automated electron beam mask generation procedure was also developed to optimize exposure speeds and resolutions during lithography.

Using the above process, we fabricated a SiGe microphotonic ring modulator and demonstrated for the first time, room temperature C-band electrorefraction in a waveguide-integrated SiGe ring. RF modulation was observed in through port transmission measurements around the optical wavelength of 1550 nm. The modulation mechanisms responsible are attributed to the Franz-Keldysh (FK) electrorefraction and -absorption by means of a novel optical measurement technique capable of detecting minute index shifts even with simultaneous absorption changes and a large background absorption.

Enhancement of direct bandgap emission from Ge ring resonators on silicon-on-insulator was also reported. As a consequence of optical strong confinement, a record high resonator quality factor, Q of 620 is obtained that is an order of magnitude higher than that previously characterized for crystalline Ge microcavities. We observe a pump power dependency of Q due to bandedge shifts not previously reported for Si- or Ge-based emitters. A decline in the relative peak to baseline intensities with lower Qs is attributed to the Purcell effect on account of the wavelength-scale dimensions and high index contrast of our samples. Our experiments suggest that Ge microresonators are promising as integrated light emitters since they are compatible with Si processes and their C-band emission can be easily transmitted along Si waveguides.

シリコンプラットフォーム上へのIV族系半導体光素子の製作技術は、情報処理の性能を飛躍的に向上するものとして注目を集めている。しかし、現在シリコン技術において多用されるシリコンやゲルマニウムから光素子を製作する上で、これらが間接遷移型半導体であることに起因する問題は多く、発光はもとより変調も間接遷移吸収の存在のため素子の基本原理自体もいまだ探索段階にある。本論文は「Fabrication and Characterization of Silicon-Germanium Field-Effect Ring Modulators and Germanium Light Emitters for the Integrated Group IV Photonics Platform (IV族集積フォトニクスに向けたシリコンゲルマニウム電界効果リング光変調器およびゲルマニウム発光素子の作製と評価)」と題して、シリコンゲルマニウムを用いた電界効果リング光変調器とゲルマニウム発光素子の設計と作製について論じており、7章から成り英文で書かれている。

第1章では、「Introduction(序論)」と題して、電気配線の発熱等に起因する情報処理の基本的限界とそれを打破する可能性を秘める光インターコネクションについての紹介を通じ、本研究分野の発展の経緯を紹介した後、本研究の意義と目的を示している。

第2章では、「Modeling of Silicon-Germanium Ring Modulators」と題して、シリコンゲルマニウムリング共振器の設計ツールに関する概説を行っている。特にフランツケルディッシュ効果による電界誘起吸収率変化について述べ、同時に生じる屈折率変化を利用した変調原理に関する説明を行う。さらに、素子性能の設計に用いたZ変換法に関する議論を行っている。

第3章では、「Silicon-Germanium Electromodulator Fabrication」と題して、シリコンゲルマニウム変調器とゲルマニウム発光素子の製作方法を詳細に説明している。精緻な素子および大面積な光導波路領域を高速に電子線露光するため生じる装置のステッピングエラーについて詳細に概説し、解決に用いた手法について説明している。

第4章では、「Characterization of Silicon-Germanium Electromodulators」と題して、第3章で述べた方法により製作した光変調器の電気的および光学的な評価結果について述べている。間接遷移による吸収ならびに電界印加に誘起された吸収から正味の電界誘起屈折率変化量を導出する方法を考察し、それに基づき得られた実験結果を解析することにより、シリコンゲルマニウムリング共振器型光変調器が電界誘起屈折率変化により動作し得ることを明らかにしている。

第5章では、「Luminescence Enhancement in Germanium Ring Emitters」と題して、ゲルマニウムリング共振器の光励起によるゲルマニウム発光(Photoluminescence, PL)において、蛍光スペクトルの増強を観察するとともに、リング共振機の効果を議論している。

第6章では、「Miscellaneous Ring-Based Device Concepts」と題して、第5章までに得られた結果に基づきシリコンゲルマニウム系リング共振器の新たな構造について提案している。特に、間接遷移吸収による素子特性の劣化の改善に関する提案と、フランツケルディッシュ効果による光変調の優位性を議論している。

第7章は「Summary and Future Work」であり、各章の主要な研究成果をまとめて総括し、本論文の結論及び将来展望について述べている。

以上これを要するに、本論文は、シリコンLSI技術に整合するIV族集積フォトニクスの確立に向けて、電界誘起屈折率変化を用いたリング共振器型光変調器の基本動作、およびリング共振器を用いたゲルマニウムの発光増強効果を、シリコン基板上で実証したものであり、電子工学に貢献するところが少なくない。

よって、本論文は、博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。