東大,強誘電体トランジスタを用いた光位相器を開発

東京大学の研究グループは,化合物半導体薄膜をシリコン光導波路上に貼り合わせた光位相器を,強誘電体をゲート絶縁膜としたトランジスタで駆動する新たな手法を考案し,強誘電体をメモリとして用いることで,電源をオフにしても光位相の情報が失われない不揮発動作を光位相器に付与することに成功した(ニュースリリース)。

シリコン光回路でさまざまな光演算を行なうためには,光回路中に光位相器を多数集積して,光信号を制御することが必要となる。しかし,シリコン光回路中で広く用いられている光位相器の多くは,電源をオフにすると,演算に必要な光位相情報が消えてしまうため,動作させるには常に電源をオンにしておく必要があり,無駄な電力消費につながっていた。

研究グループは,強誘電体トランジスタで光位相器を駆動する手法を考案し,不揮発光位相器を開発した。研究グループがこれまでに開発した化合物半導体薄膜をシリコン光導波路と組み合わせたハイブリッド光位相器を強誘電体トランジスタで駆動することで,電源をオフにした状態でも光位相情報が失われない不揮発動作の実証に成功した。

ハイブリッド光位相器は,シリコン光導波路上に化合物半導体薄膜を貼り合わせた構造となっており,電圧印加により化合物半導体界面に電子が蓄積することで,高効率に光位相を制御することができる。

一方,強誘電体となるHf0.5Zr0.5O2をゲート絶縁膜とした強誘電体トランジスタは,強誘電体中の自発分極の向きに応じてトランジスタの閾値電圧を制御することができる。

強誘電体トランジスタをソースフォロワ回路として動作させると,閾値電圧に応じてソース端子に出力される電圧(Vo)が変化する。ソース端子の電圧によりハイブリッド光位相器を駆動することで,閾値電圧に応じた光位相変化を得ることができる。

強誘電体の自発分極は電源をオフにしても保持されることから,光位相の情報も強誘電体の分極状態として記憶することができる。この結果,電源をオフにしても光位相情報が保持される不揮発光位相器を実現することができる。

実際にハイブリッド光位相器を集積した光スイッチと強誘電体トランジスタを作製して実験した結果,強誘電体の分極状態に応じて光位相量が記憶される不揮発光位相器の動作実証に成功したほか,多値動作可能な不揮発光位相器の実証にも成功した。

研究グループは,今後は,ハイブリッド光位相器と強誘電体トランジスタを一体集積することで,光電融合深層学習プロセッサ等の実証を目指すとしている。

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