有機薄膜光集積回路

2017年03月08日カテゴリ：若手研究者の挑戦
サブジャンル：若手研究者の挑戦　第16回著者：東京工業大学　雨宮智宏，金澤　徹，平谷拓生，荒井滋久
三井化学㈱　浦上達宣連載シリーズ

3.　有機薄膜光集積回路におけるモノリシック集積手法

「モノリシック集積」とは，同時プロセスで，一基板上に全ての多機能素子を一括集積させることであり，光集積回路のおいては必須とされる技術である。従来型の光集積回路においては，単結晶の再成長や選択成長，OQW（Offset quantum well），QWI（Quantum well intermixing）などの様々な技術を用いることで，異なる機能を同一基板上に実現している^4）。しかし，有機薄膜材料にはそのような光集積技術のノウハウが存在せず，モノリシック集積に向けた画一的なプロセス手法を作り上げることが必要不可欠となる。

上記を踏まえて，本節では，有機薄膜光集積回路におけるモノリシック集積手法について言及する。本プロセスでは，剥離用のポリイミドを支持基板（Glass, Si, InPなど）に塗布したものを初期基板とし，その後，基板上に適当なポリマーを塗布しながら，各ポリマー層に対して素子作製プロセスを行っていく。

図4　有機薄膜光集積回路におけるモノリシック集積手法（入出力カプラのみ伝搬方向の断面図を表している）

図4に，光伝送路・入出力カプラ・スイッチ・受光器・変調器の各機能を一括で作り上げるプロセスフローの一例を示す。本プロセスでは，コア材料としてPMMA，クラッド材料としてサイトップ（AGC旭硝子）を用いて，下記aからfのプロセスを経ることで，上記機能全てを一括で実現することを考える。各プロセスの詳細は各々以下のとおりである。

a．バッファ層としてサイトップを塗布し，熱処理による硬化を行った後，変調器用の下部電極パッドをリフトオフにより作製する。その後，サイトップを塗布，硬化を行うことで，クラッド層Iを形成する。

b．基板表面に，受光器，変調器用の機能材料を貼り付けた上で，所望の形状にパターニングする（グラフェンの転写・パターニングプロセスについては，2.1節を参照のこと。同様に，半導体薄膜の貼り付け・パターニングプロセスについては，2.2節を参照のこと）。

c．受光器，変調器用の電極パッドおよび，入出力カプラ用の金属グレーティングをリフトオフで一括作製する。

d．PMMAを表面に塗布し，露光プロセスにより，コア層となる領域を形成。その後，サイトップを塗布，硬化を行うことで，クラッド層IIを形成する。

e．光スイッチ用の上部電極パッドをリフトオフにより作製した後，サイトップを塗布，硬化を行うことで，クラッド層IIIを形成する。

f．ドライエッチングによりホールを形成した後，各電極パッドから貫通電極を作製し，最後に支持基板からの剥離を行うことで，有機薄膜光集積回路の完成となる。

上記はあくまでも一例であり，実際には，これを拡張する形で様々なプロセス手法が考えられる。特に，剥離用のポリイミドとして対象波長に対して透明なものを選択すれば，それをそのままクラッド層として利用することもできる（例えば，ECRIOS®は波長400−2000 nmの光に対して透明である）。その場合，より屈折率の高いSU-8（MicroChem）などをコア材料として用いることが望ましい。